Search for optical nonlinearity in vacuum with intense laser fields, with the DeLLight experiment - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Search for optical nonlinearity in vacuum with intense laser fields, with the DeLLight experiment

Recherche de non linéarité optique du vide avec des lasers intenses auprès de l'expérience DeLLight

Résumé

Quantum electrodynamics predicts that vacuum should be a non-linear optical medium: the speed of light in vacuum should decrease when the vacuum is stressed by intense electromagnetic fields. This optical phenomenon is similar to the optical Kerr effect in a material medium and has never been observed before. The DeLLight (Deflection of Light by Light) experiment aims at measuring this effect using high intense femtosecond laser pulses delivered by the LASERIX platform (E=2,5 J, 30 fs, 10 Hz) located at IJCLab laboratory (Paris-Saclay University). The experimental principle uses interferometry to measure the refraction of a low energy laser pulse (probe) on the vacuum index gradient induced by an external, high energy pulse (pump). To this end, we use a Sagnac interferometer with focalised probe and pump pulses, in order to measure the transverse shift Δy of the intensity profile in the dark output using a CCD camera. The benefit of this interferometric technique is to amplify the transverse shift Δy, unlike the shift δy obtained by the standard pointing measurement method. The amplification factor A (equal to the ratio Δy/\ δy) is inversely proportional to the square root of the extinction factor F, which is defined by the ratio between the signal intensity in the dark output of the interferometer and the incident intensity. The experiment sensitivity mainly depends on three parameters: the extinction factor, the spatial resolution and the focalisation quality of the probe and pump pulses. The goal is to reach an extinction of F=4×〖10〗^(-6) (corresponding to an amplification of A = 250), a spatial resolution of σ_y = 10 nm and a waist at focus of the beams in the interaction area of w = 5 µm. Thus, the expected signal is Δy = 0.015 nm, which can be measured at 5 sigma with one month of data collection. During this PhD thesis, two interferometer prototypes in femtosecond regime were consecutively developed (with and without focalisation). They proved the feasibility of the project and the characterisation of critical parameters limiting the sensitivity of the experiment. First of all, we reached an extinction factor of F=3×〖10〗^(-6), using the prototype with focalisation, as was the goal. Then, a test bench was developed to measure the ultimate CCD camera resolution, which corresponds to the shot noise. We measured σ_y = 13 nm. Additionally, the spatial resolution measurement in the dark output led to prove that beam pointing fluctuations (simultaneous measurement) are completely suppressed, which allowed to reach the shot noise with a low amplification factor. However, the resolution is still limited by the phase noise induced by mechanical noise of the interferometer, with a high amplification factor. A technique to measure and suppress the phase noise is currently being tested. At last, the interferometric measurement technique of the DeLLight experiment was validated by measuring the Kerr effect in a material medium using a low energy probe pulse (µJ). We first measured the Kerr effect in a silica slide, without focalisation of the probe and pump pulses in the interferometer. We then measured the Kerr effect in air, with focalisation of the probe and pump pulses, with an amplification of 25. We checked that the shift Δy fluctuated with four experimental parameters as expected, namely the pump energy, the impact parameter between the probe and the pump in the interaction area, the relative polarisation probe-pump, and the temporal synchronisation delay of the pump with the probe. The measurement in air was conducted with the pilot interferometer that will be used for the first measurements in vacuum in the near future.
L’électrodynamique quantique (QED) prédit que le vide doit être un milieu optique non linéaire : la vitesse de la lumière dans le vide devrait diminuer lorsque le vide est soumis à des champs électromagnétiques intenses. Cet effet optique, similaire à l’effet Kerr optique dans les milieux matériels, n’a encore jamais été observé. L’expérience DeLLight (Deflection of Light by Light) cherche à mesurer cet effet en utilisant des impulsions laser femtosecondes intenses délivrées par la plateforme LASERIX (E=2,5 J, 30 fs, 10 Hz) à l'IJCLab (Université Paris-Saclay). La méthode expérimentale consiste à mesurer par interférométrie la réfraction d’une impulsion laser (sonde) de basse énergie, induite par le gradient d’indice du vide produit par une impulsion externe (pompe) de haute intensité. On utilise alors un interféromètre de Sagnac, avec des impulsions pompe et sonde focalisées, qui permet de mesurer en sortie sombre le décalage transverse associé Δy du profil d'intensité grâce à une caméra CCD. L’avantage de la méthode interférométrique est que ce décalage transverse Δy est amplifié, comparé au décalage δy produit par la méthode standard de pointée. Le facteur d’amplification A (égal à Δy/\ δy) est inversement proportionnel à la racine carrée du facteur d’extinction F, défini comme le rapport de l’intensité en sortie sombre par l’intensité du faisceau incident. La sensibilité de l'expérience dépend essentiellement de trois paramètres : le facteur d’extinction, la résolution spatiale et la qualité de la focalisation des impulsions pompe et sonde. L’objectif est d’atteindre une extinction F=4×〖10〗^(-6) (correspondant à une amplification A = 250), une résolution spatiale σ_y = 10 nm et une largeur des faisceaux focalisés au foyer dans la zone d’interaction w = 5 µm. Cela correspond à un signal attendu Δy = 0.015 nm, pouvant être observé à 5 sigma avec un mois de données collectées. Deux prototypes successifs d’interféromètre en régime femtoseconde ont été développés pendant la thèse (avec/sans focalisation). Ils ont permis de démontrer la faisabilité du projet et de caractériser les paramètres critiques limitant actuellement la sensibilité de l’expérience. Premièrement, le prototype avec focalisation a permis d’atteindre un facteur d’extinction de F=3×〖10〗^(-6), comme en était l’objectif. Ensuite, un banc de test dédié a permis de mesurer la résolution ultime de la caméra CCD sélectionnée qui correspond au bruit quantique : nous avons mesuré σ_y = 13 nm. Par ailleurs, la mesure de la résolution spatiale du signal d’interférence en sortie sombre a permis de montrer que les fluctuations de pointé du faisceau, mesurées simultanément, sont supprimées de façon effective permettant ainsi d’atteindre le bruit quantique avec un facteur d’amplification faible. En revanche avec une forte amplification, la résolution reste pour l’instant limitée par le bruit de phase, induit par le bruit mécanique de l’interféromètre. Une méthode pour mesurer le bruit de phase et le supprimer est en cours de test. Finalement, nous avons pu valider la méthode de mesure interférométrique de l’expérience DeLLight en mesurant l’effet Kerr dans un milieu matériel en utilisant une impulsion pompe de faible énergie µJ). Nous avons tout d’abord mesuré l’effet Kerr dans une lame de silice, sans focalisation des impulsions pompe et sonde dans l’interféromètre. Puis, nous avons mesuré l’effet Kerr dans l’air, avec focalisation de la sonde et de la pompe, et avec une amplification de 25. Nous avons vérifié que le signal Δy variait comme attendu en fonction de quatre paramètres expérimentaux : l’énergie de la pompe, le paramètre d’impact entre la pompe et la sonde en zone d’interaction, la polarisation relative pompe-sonde, et le délai de synchronisation temporelle de la pompe avec la sonde. La mesure dans l’air a été réalisée avec l’interféromètre pilote qui sera utilisé prochainement pour les premières mesures dans le vide.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04027171 , version 1 (13-03-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04027171 , version 1

Citer

Aurélie Max Mailliet. Search for optical nonlinearity in vacuum with intense laser fields, with the DeLLight experiment. Optics [physics.optics]. Université Paris-Saclay, 2023. English. ⟨NNT : 2023UPASP017⟩. ⟨tel-04027171⟩
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