Wanneer bundels van ultrakorte laserpulsen die in dezelfde richting lopen, elkaar onder een merkbare hoek kruisen, er treden verschillende interacties op tussen de pulsen. Deze fysieke verschijnselen zijn gecompliceerd, en hun wiskundige beschrijving wordt rekenkundig complex. Om de juiste simulaties uit te voeren, hele computerclusters moeten worden ingeschakeld. De nieuwste versie van Hussar-software maakt het mogelijk om de berekeningen zelfs op een gewone laptop uit te voeren.

Lichtpulsen van een miljoenste van een miljardste van een seconde spelen nu een sleutelrol in veel experimenten en meetsystemen. Wanneer er meer dan één laserstraal met pulsen is, hun onderlinge interacties leiden tot interessante effecten. Helaas, modellering van deze effecten heeft, tot dusver, moeilijk geweest. Wanneer de overlappende balken op een collineaire manier lopen, het modelleren van hun wederzijdse invloed kan worden bereikt zonder benaderingen, relatief snel en efficiënt. Echter, in veel toepassingen moeten ultrakorte laserpulsen onder een hoek convergeren. De wiskundige beschrijving van de optredende verschijnselen wordt dan zo ingewikkeld dat, om simulaties binnen een redelijke tijd af te ronden, hele computerclusters moeten erbij betrokken worden. Nutsvoorzieningen, dankzij Hussar-software van het Lasercentrum van het Instituut voor Fysische Chemie van de Poolse Academie van Wetenschappen (IPC PAS) en de Faculteit der Natuurkunde van de Universiteit van Warschau, iedereen kan de juiste simulaties uitvoeren, zelfs op een gewone computer.

"De veranderingen die zijn doorgevoerd in de nieuwste versie van het Hussar-programma zijn ingrijpend. Experimenten, die tot nu toe zelfs door grote lasercentra niet konden worden gesimuleerd, kan nu worden ontworpen - en na een bepaalde tijd, waarschijnlijk ook uitgevoerd - door onderzoekers van veel kleinere laboratoria, " zegt Dr. Tomasz Kardas (IPC PAS), auteur van de software.

Tot nu, om de interactie van twee of meer convergerende bundels van ultrakorte elektromagnetische pulsen nauwkeurig te beschrijven, de FDTD-methode (Finite Difference Time Domain) werd gebruikt, met behulp van volledige Maxwell-vergelijkingen. Wat de berekening betreft, FDTD is extreem tijdrovend:een enkele simulatie kost supercomputers vele dagen. De situatie werd verergerd door het feit dat zelfs na de betrokkenheid van rekenclusters de resultaten die in een acceptabele tijd werden verkregen, voor kleine volumes waren, vaak slechts micrometer groot. Om deze redenen, degenen die met laseropticiens te maken hadden, gebruikten zogenaamde unidirectionele methoden, vooral degenen die de vergelijking gebruiken die bekend staat als NLSE (Nonlinear Schrödinger Equation) en de minder bekende maar nauwkeurigere UPPE (Unidirectionele Pulse Propagation Equation).

Deze vergelijkingen maakten simulaties van pulsvoortplanting over lange afstanden mogelijk, zelfs in de orde van meters. Tegelijkertijd legden ze ook een serieuze beperking op:de overlappende bundels moesten praktisch op elkaar worden uitgelijnd (er konden geschatte resultaten worden verkregen voor een bundelafwijking van maximaal één graad).

"Sinds enige tijd we hebben onze eigen software ontwikkeld die zonder benadering simuleert wat er gebeurt als femtoseconde laserpulsen elkaar overlappen, uiteraard rekening houdend met zogenaamde niet-lineaire verschijnselen. Net als anderen, we waren om rekenkundige redenen beperkt tot collineaire bundels. Gelukkig, we hebben onlangs de wiskundige beschrijving aanzienlijk kunnen verbeteren en een unidirectionele benadering kunnen gebruiken voor het modelleren van balken op hun kruispunten. We hebben van de gelegenheid gebruik gemaakt om een ​​aantal interessante tools te maken, zoals:bijvoorbeeld, puls elektrisch veld rotatie-algoritme dat duizend keer sneller is dan de interpolatie die gewoonlijk voor dit doel wordt gebruikt, " legt Dr. Kardas uit en benadrukt dat tests van de gemoderniseerde software mogelijk waren, onder andere, dankzij de samenwerking met het Interdisciplinair Centrum voor Wiskundige en Computationele Modellering aan de Universiteit van Warschau.

De nieuwste versie van het Hussar-programma maakt het mogelijk om ontwerpen, bijvoorbeeld, een apparaat voor tijdsopgeloste fluorescentie. Dergelijke apparaten maken gebruik van het feit dat wanneer een femtoseconde laserpulsen het binnenste van een niet-lineair kristal binnenkomen samen met een fluorescentiesignaal van een week, een derde straal verschijnt, waarbij frequentie de som is van beide frequenties van de primaire bundels. Het fluorescentiesignaal kan daarom worden gesommeerd met de poortpuls, die nauwkeurige informatie geeft over het tijdstip van het optreden van de fluorescentie. De beschreven processen, echter, wordt bijzonder efficiënt wanneer de hoek tussen de op elkaar inwerkende impulsen ongeveer 20 graden is. Het simuleren van dergelijke systemen ging verder dan de mogelijkheden van de bestaande software. Nutsvoorzieningen, echter, met behulp van het Hussar-programma, balken die elkaar kruisen in hoeken van zelfs 140 graden kunnen worden gemodelleerd.

De verbeterde software maakt het mogelijk om optische experimenten te ontwerpen die in laboratoria moesten worden verbeterd door middel van kostbare iteratieve experimenten. Bijvoorbeeld, als een van de pulsen erg sterk is, het verandert de omgeving van het medium waardoor het reist. Als resultaat, de tweede puls gedraagt ​​zich alsof hij door een lens gaat die wordt geïnduceerd door de eerste puls en als gevolg daarvan begint te focussen. Dit fenomeen maakt het mogelijk om ultrasnelle snapshots te maken, met een "sluitertijd" in de orde van femtoseconden. Zo'n experiment kan nu worden ontworpen en uitgevoerd met een enkele iteratie door een klein optisch laboratorium. Anderzijds, Hussar kan ook helpen bij grote optische projecten zoals het ontwerpen van niet-collineaire parametrische versterkers. Deze instrumenten kunnen het vermogen van laboratoriumlasers zelfs verhogen tot waarden in petawatt. Er zijn even interessante mogelijkheden met betrekking tot optische systemen met drie of meer bundels. Apparaten met dit soort constructie worden gebruikt, onder andere, in tweedimensionale 2-D-IR en fotonenechospectroscopie.