Lorsque des faisceaux d'impulsions laser ultra-courtes fonctionnant dans la même direction se croisent à un angle notable, diverses interactions se produisent entre les impulsions. Ces phénomènes physiques sont compliqués, et leur description mathématique devient complexe du point de vue informatique. Pour effectuer les simulations appropriées, des grappes d'ordinateurs entières doivent être engagées. La dernière version du logiciel Hussar permet d'effectuer les calculs même sur un ordinateur portable ordinaire.

Les impulsions lumineuses d'une durée de millionièmes de milliardième de seconde jouent désormais un rôle clé dans de nombreuses expériences et systèmes de mesure. Lorsqu'il y a plus d'un faisceau laser avec des impulsions, leurs interactions mutuelles donnent lieu à des effets intéressants. Malheureusement, la modélisation de ces effets a, jusque là, été difficile. Lorsque les faisceaux qui se chevauchent fonctionnent de manière colinéaire, la modélisation de leur influence mutuelle peut se faire sans approximations, relativement rapidement et efficacement. Cependant, dans de nombreuses applications, les impulsions laser ultra-courtes doivent converger selon un certain angle. La description mathématique des phénomènes qui se produisent devient alors si compliquée que, pour que les simulations soient terminées dans un délai raisonnable, des grappes d'ordinateurs entières doivent s'impliquer. Maintenant, grâce au logiciel Hussar du Centre Laser de l'Institut de Chimie Physique de l'Académie Polonaise des Sciences (IPC PAS) et de la Faculté de Physique de l'Université de Varsovie, n'importe qui peut effectuer les simulations appropriées même sur un ordinateur ordinaire.

« Les changements introduits dans la dernière version du programme Hussar sont radicaux. Des expériences, qui jusqu'à présent ne pouvait pas être simulé même par de grands centres laser, peut maintenant être conçu et après un certain temps, probablement aussi effectué - par des chercheurs de laboratoires beaucoup plus petits, " dit le Dr Tomasz Kardas (IPC PAS), auteur du logiciel.

Jusqu'à maintenant, pour décrire avec précision l'interaction de deux ou plusieurs faisceaux convergents d'impulsions électromagnétiques ultra-courtes, la méthode FDTD (Finite Difference Time Domain) a été utilisée, en utilisant des équations de Maxwell complètes. En termes de calcul, FDTD est extrêmement chronophage :une seule simulation prend plusieurs jours aux supercalculateurs. La situation était exacerbée par le fait que même après l'implication de clusters de calcul, les résultats obtenus dans un délai acceptable concernaient de petits volumes, souvent seulement des micromètres. Pour ces raisons, ceux qui s'occupent des opticiens laser utilisent des méthodes dites unidirectionnelles, en particulier ceux utilisant l'équation connue sous le nom de NLSE (Nonlinear Schrödinger Equation) et l'UPPE (Équation de propagation d'impulsion unidirectionnelle), moins connue mais plus précise.

Ces équations ont permis des simulations de propagation d'impulsions sur de longues distances, même de l'ordre du mètre. Simultanément, ils imposaient également une sérieuse limitation :les faisceaux qui se chevauchaient devaient être pratiquement co-alignés (des résultats approximatifs pouvaient être obtenus pour une déviation des faisceaux ne dépassant pas un degré).

"Depuis quelque temps maintenant, nous avons développé notre propre logiciel qui simule sans approximation ce qui se passe lorsque des impulsions laser femtosecondes se chevauchent, prenant naturellement en compte les phénomènes dits non-linéaires. Comme les autres, nous étions limités à des poutres colinéaires pour des raisons de calcul. Heureusement, nous avons récemment pu améliorer considérablement la description mathématique et utiliser une approche unidirectionnelle pour la modélisation des poutres à leur carrefour. Nous avons profité de l'occasion pour créer des outils intéressants comme, par exemple, algorithme de rotation du champ électrique impulsionnel qui est mille fois plus rapide que l'interpolation habituellement utilisée à cet effet, " explique le Dr Kardas et souligne que des tests du logiciel modernisé étaient possibles, entre autres, grâce à la coopération avec le Centre interdisciplinaire de modélisation mathématique et informatique de l'Université de Varsovie.

La dernière version du programme Hussar permet de concevoir, par exemple, un dispositif pour la fluorescence résolue dans le temps. De tels dispositifs utilisent le fait que lorsqu'une impulsion laser femtoseconde pénètre à l'intérieur d'un cristal non linéaire avec un signal de fluorescence hebdomadaire, un troisième faisceau apparaît, la fréquence étant la somme des deux fréquences des faisceaux primaires. Le signal de fluorescence peut donc être additionné à l'impulsion de gating, qui fournit une information exacte sur le moment de l'apparition de la fluorescence. Les processus décrits, cependant, deviennent particulièrement efficaces lorsque l'angle entre les impulsions en interaction est d'environ 20 degrés. La simulation de tels systèmes dépassait les capacités du logiciel existant. Maintenant, cependant, en utilisant le programme Hussar, les faisceaux qui se croisent à des angles de 140 degrés peuvent être modélisés.

Le logiciel amélioré permet la conception d'expériences optiques qui devaient être améliorées dans les laboratoires par des expériences itératives coûteuses. Par exemple, si l'une des impulsions est très forte, il modifie l'environnement du milieu dans lequel il se déplace. Par conséquent, la seconde impulsion se comporte comme si elle traversait une lentille induite par la première impulsion et par conséquent commence à se focaliser. Ce phénomène permet de construire des instantanés ultra-rapides, avec un temps "d'obturation" de l'ordre de la femtoseconde. Une telle expérience peut maintenant être conçue et réalisée avec une seule itération par un petit laboratoire d'optique. D'autre part, Hussar peut également aider avec de grands projets optiques comme la conception d'amplificateurs paramétriques non colinéaires. Ces instruments peuvent augmenter la puissance des lasers de laboratoire jusqu'à des valeurs comptées en pétawatts. Il existe des possibilités tout aussi intéressantes en ce qui concerne les systèmes optiques à trois faisceaux ou plus. Des appareils avec ce type de construction sont utilisés, entre autres, en spectroscopie bidimensionnelle 2-D-IR et écho photonique.