När strålar av ultrakorte laserpulser som löper i samma riktning skär varandra med en märkbar vinkel, olika interaktioner uppstår mellan pulserna. Dessa fysiska fenomen är komplicerade, och deras matematiska beskrivning blir beräknat komplex. För att utföra lämpliga simuleringar, hela datorkluster måste kopplas in. Den senaste versionen av Hussar -programvaran gör det möjligt att utföra beräkningarna även på en vanlig bärbar dator.

Ljuspulser som varar en miljonedel av en miljarddel av en sekund spelar nu en nyckelroll i många experiment och mätsystem. När det finns mer än en laserstråle med pulser, deras inbördes interaktioner ger upphov till intressanta effekter. Tyvärr, modellering av dessa effekter har, än så länge, varit svårt. När de överlappande strålarna löper på ett kollinärt sätt, modelleringen av deras ömsesidiga inflytande kan åstadkommas utan approximationer, relativt snabbt och effektivt. Dock, i många tillämpningar måste ultrakorte laserpulser konvergera i en vinkel. Den matematiska beskrivningen av de förekommande fenomenen blir då så komplicerad att, för att simuleringar ska vara klara inom rimlig tid, hela datorkluster måste involveras. Nu, tack vare Hussar -programvara från Laser Center vid Institute of Physical Chemistry vid Polska vetenskapsakademien (IPC PAS) och Fakulteten för fysik vid universitetet i Warszawa, vem som helst kan utföra lämpliga simuleringar på även en vanlig dator.

"De förändringar som infördes i den senaste versionen av Hussar -programmet är radikala. Experiment, som hittills inte har kunnat simuleras ens av stora lasercentra, kan nu designas - och efter en viss tid, troligen också utförd - av forskare från mycket mindre laboratorier, " säger Dr. Tomasz Kardas (IPC PAS), författaren till programvaran.

Tills nu, att noggrant beskriva interaktionen mellan två eller flera konvergerande strålar av ultrakorte elektromagnetiska pulser, FDTD -metoden (Finite Difference Time Domain) användes, med fullständiga Maxwell -ekvationer. När det gäller beräkning, FDTD är extremt tidskrävande:en enda simulering tar superdatorer många dagar. Situationen förvärrades av det faktum att även efter beräkning av beräkningskluster var resultaten som erhölls på en acceptabel tid för små volymer, ofta bara mikrometer i storlek. Av dessa anledningar, de som arbetar med laseroptiker använde så kallade enkelriktade metoder, särskilt de som använder ekvationen känd som NLSE (Nonlinear Schrödinger Equation) och den mindre kända men mer exakta UPPE (Unidirectional Pulse Propagation Equation).

Dessa ekvationer möjliggjorde simuleringar av pulsutbredning över långa avstånd även i storleksordningen mätare. Samtidigt införde de också en allvarlig begränsning:de överlappande strålarna måste vara praktiskt taget inriktade (ungefärliga resultat kunde uppnås för strålavvikelse som inte översteg en grad).

"Ett tag nu, vi har utvecklat vår egen programvara som simulerar utan approximationer vad som händer när femtosekundlaserpulser överlappar varandra, naturligtvis med hänsyn till så kallade icke-linjära fenomen. Liksom andra, vi var begränsade till kollinära strålar av beräkningsskäl. Lyckligtvis, vi har nyligen kunnat förbättra den matematiska beskrivningen avsevärt och använda enkelriktad metod för modellering av strålar vid deras korsning. Vi har använt tillfället för att skapa några intressanta verktyg som, till exempel, puls elektrisk fältrotationsalgoritm som är tusen gånger snabbare än interpoleringen som vanligtvis används för detta ändamål, "förklarar Dr Kardas och betonar att tester av den moderniserade programvaran var möjliga, bland andra, tack vare samarbete med det tvärvetenskapliga centrumet för matematisk och beräkningsmodellering vid universitetet i Warszawa.

Den senaste versionen av Hussar -programmet gör det möjligt att designa, till exempel, en enhet för tidsupplöst fluorescens. Sådana anordningar använder det faktum att när en femtosekund laserpulser kommer in i det inre av en icke-linjär kristall tillsammans med en veckas fluorescenssignal, en tredje stråle dyker upp, med frekvens som summan av båda frekvenserna hos de primära strålarna. Fluorescenssignalen kan därför summeras med grindpulsen, som ger en exakt information om tiden för fluorescensförekomsten. De beskrivna processerna, dock, bli särskilt effektiv när vinkeln mellan de interagerande impulserna är cirka 20 grader. Att simulera sådana system gick utöver den befintliga programvarans möjligheter. Nu, dock, använder Hussar -programmet, strålar som korsar i vinklar på till och med 140 grader kan modelleras.

Den förbättrade programvaran möjliggör design av optiska experiment som måste förbättras i laboratorier genom kostsamma iterativa experiment. Till exempel, om en av pulserna är mycket stark, den förändrar omgivningen av mediet genom vilket den färdas. Som ett resultat, den andra pulsen beter sig som om den passerar genom en lins inducerad av den första pulsen och börjar följaktligen fokusera. Detta fenomen gör det möjligt att bygga ultrasnabba ögonblicksbilder, med en "slutartid" i storleksordningen femtosekunder. Ett sådant experiment kan nu utformas och utföras med en enda iteration av ett litet optiskt laboratorium. Å andra sidan, Husar kan också hjälpa till med stora optiska projekt som design av icke-kollinära parametriska förstärkare. Dessa instrument kan öka kraften hos laboratorielasrar även till värden räknat i petawatt. Det finns lika intressanta möjligheter när det gäller optiska system med tre eller flera strålar. Apparater med denna typ av konstruktion används, bland andra, i tvådimensionell 2-D-IR och fotonekospektroskopi.