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La lumière est-elle défléchie par la lumière ? Une proposition de manip pour tester avec LASERIX une prédiction de QED non linéaire à basse énergie François Couchot, Arache Djannati-Atai (APC), Xavier Sarazin, Marcel Urban

Le vide est un milieu optique non linéaire ü QED non linéaire prédit qu’à basse énergie, en présence d’un champ externe (E, B) fort, le vide doit se comporter comme un milieu optique non linéaire: üPetit rappel: Ø Dans le vide: Ø Dans un milieu optique : et Polarisation et magnetisation du milieu

Euler-Heisenberg: Corrections non linéaires de QED dues aux interactions photons-photons de QED E, B externe Lumière sonde • Finalement le vide n’intervient pas dans cette description ! E, B externe « ajoute » des paires e+e- dans le vide augmentation de l’indice apparent du vide • Ceci est peut-être complètement faux si par exemple la densité du vide est finie ? QED non linéaire Modification des Eq. de Maxwell à l’ordre le plus bas:

Comment tester expérimentalement si le vide est un milieu optique non linéaire • Tests expérimentaux : – Biréfringence du vide – Doublage de fréquence (ou doublage de photon ou « parametric amplification » ) – Fusion de photons – Diffusion photon-photon • Il existe un autre effet qui n’a été testé qu’une seule fois par Jones en 1960 (!) La déflection d’un faisceau lumineux dans le vide par un champ (E, B) externe non uniforme (ce dernier modifie l’indice du vide apparent)

R. V. Jones, Nature, 186, 706 (1960) B 0 ~ 1 Tesla s = 5. 5 10 -13 rad QED prediction: Idée: refaire cette manip avec un champ magnétique super balaise LASERIX: 1 J, 30 fs, w~5 mm B ~ 5 105 T

Idée: faire croiser deux impulsions LASERIX – de même amplitude, – polarisées linéairement et orthogonalement l’une de l’autre – se propageant à contre-sens, – et décalées d’une distance d d LASERIX: 30 fs, w=5 mm (fwhm) d=5 mm 1 J deviation ~ 3 10 -13 rad 20 J deviation ~ 5 10 -12 rad

François a mené les calculs… Pulse 1 Pulse 2 (amplitudes)

Simulation de François pour estimer l’effet attendu Avec LASERIX: 30 fs, w=3 mm (fwhm) d=3 mm 1 J deviation ~ 5 10 -13 rad 20 J deviation ~ 10 -11 rad

Comment mesurer le picoradian Méthode standard utilise une photodiode quadrant Quadrant diode N/2 N = # photons par seconde Tmes = durée de mesure D d Voir par exemple: P. Lorrain, Optics and Lasers in Engineering, 15, 197 (1991) Mesure rotation de miroir à 1 k. Hz Mesure synchrone 1 k. Hz avec laser continu s ~ 10 -13 rad

Avec LASERIX, deux principales difficultés: Ø Régime pulsé à 10 Hz beam pointing ~ 30 mrad Ø 1 J, 800 nm, 30 fs mesurer 30 TW à 10 -8 près !!! méthodes classiques (thermique, sphère intégratrice) sont peu précises on doit donc étendre l’impulsion sur ~10 ms avant de la mesurer sur la diode Verre dopé Er(3+), t ~ 10 ms Absorbe à 800 nm Réémet à 1540 nm, 2750 et 980 nm

Er(3+)-doped Fused silica KEM-1 KEM-2 y x In. Ga. As High Linearity Photodiode (10 -100 m. A max) z z Delay Stage x y y BS 1 x z BS 2 P 5 Hz ON-OFF LASERIX: 800 nm, 30 fs, 2 J, 10 Hz Laser 800 nm, continuous ~ m. W, for noise spectrum measurement Translation dx

Mettons quelques chiffres… Pulse 0. 5 J par quadrant 2 1018 photons par pulse On suppose efficacité conversion+collection lumière photoluminescente Er 3+ ~ 0. 1% 2 1015 photons par pulse Faisceau laserix =1 cm (fwhm) et D= 1 m Mesure à 10 Hz pendant 104 secondes

Mettons quelques autres chiffres parfois un peu dur à entendre… Ø 4 photodiodes par verre dopé Er 3+ + 2 verres dopés 8 diodes courant ~ 7 m. A/diode ça l’fait avec des Highly linear In. Gas. As photodiode Ø Signal photodiode doit être enregistré avec précision meilleure que ça l’fait par exemple avec carte standard 24 bits, lsb ~ 21 bits, 200 k. S/s, 256 ksamples buffer précision sur 10 ms = Ø Un vide de 10 -11 mbar pour être en dessous de l’effet Kerr là aussi ça l’fait grâce à nos experts au LAL Ø Beam-pointing doit être contrôlé (et supprimé) à mieux que 10 -10 rad à 10 Hz Là, ça commence à être de la haute voltige ! – Mesure de référence du pointé avant le croisement des deux faisceaux puis soustraction – Mesure la déviation des deux faisceau après croisement et on les soustrait l’un à l’autre supprime le beam-pointing (en théorie…) Beam pointing Deflection QED

Mettons quelques autres chiffres parfois un peu dur à entendre… Ø 4 photodiodes par verre dopé Er 3+ + 2 verres dopés 8 diodes courant ~ 7 m. A/diode ça l’fait avec des Highly linear In. Gas. As photodiode Ø Signal photodiode doit être enregistré avec précision meilleure que ça l’fait par exemple avec carte standard 24 bits, lsb ~ 21 bits, 200 k. S/s, 256 ksamples buffer précision sur 10 ms = Ø Un vide de 10 -11 mbar pour être en dessous de l’effet Kerr là aussi ça l’fait grâce à nos experts au LAL Ø Beam-pointing doit être contrôlé (et supprimé) à mieux que 10 -10 rad à 10 Hz Là, ça commence à être de la haute voltige ! – Mesure de référence du pointé avant le croisement des deux faisceaux puis soustraction – Mesure la déviation des deux faisceau après croisement et on les soustrait l’un à l’autre supprime le beam-pointing (en théorie…) Ø Bruit électronique et mécanique doit être < 10 -10 rad à 10 Hz Houlala !. . . De plus en plus périlleux… Voilà un beau défi pour un laboratoire d’excellence comme le LAL !

1 er setup de validation Ø Objectif: démontrer qu’on peut atteindre une sensibilité du picoradian en utilisant le système « KEQE » TM (“knife -edge quadrant with Er 3+ ”) et la soustraction du beam-pointing ~1 m Ø Outils: Un miroir M 1 avec rotation guidée par piezo pour simuler l’angle de déflection signal Un miroir M 2 avec rotation guidée par piezo pour simuler le beam-pointing Piezo 5 Hz M 1 f ~ 10 mm M 2 beam-pointing signal Piezo 5 Hz

Backup

Y a-t-il un lien avec la diffusion photon-pho • Diffusion photon-photon: – Processus « corpusculaire » – Section efficace très faible – Analogie : Diffusion Compton • Déflection du faisceau: – Processus « ondulatoire » – Effet collectif – Analogie: Réfraction dans un milieu

t<0 x y y z x z t=0 x y y z x z