Hvad sker der egentlig ved femtosekundskryds?

Når stråler af ultrakorte laserpulser, der kører i samme retning, skærer hinanden med en mærkbar vinkel, der opstår forskellige interaktioner mellem impulserne. Disse fysiske fænomener er komplicerede, og deres matematiske beskrivelse bliver beregningsmæssigt kompleks. For at udføre de relevante simuleringer, hele computerklynger skal indkobles. Den nyeste version af Hussar -software gør det muligt at udføre beregningerne selv på en almindelig bærbar computer.

Lyspulser, der varer en milliontedel af en milliarddel af et sekund, spiller nu en central rolle i mange forsøg og målesystemer. Når der er mere end én laserstråle med pulser, deres indbyrdes interaktioner giver anledning til interessante effekter. Desværre, modellering af disse effekter har, indtil nu, været svært. Når de overlappende bjælker løber på en collinear måde, modelleringen af ​​deres indbyrdes indflydelse kan opnås uden tilnærmelser, relativt hurtigt og effektivt. Imidlertid, i mange applikationer skal ultrakorte laserpulser konvergeres i en vinkel. Den matematiske beskrivelse af de forekommende fænomener bliver derefter så kompliceret, at, for at simuleringer er færdige inden for en rimelig tid hele computerklynger skal involveres. Nu, tak til Hussar -software fra Laser Center ved Institute of Physical Chemistry ved det polske videnskabsakademi (IPC PAS) og Fakultet for Fysik ved University of Warszawa, alle kan udføre de passende simuleringer på selv en almindelig computer.

"De ændringer, der blev indført i den seneste version af Hussar -programmet, er radikale. Eksperimenter, som indtil nu ikke kunne simuleres selv ved store lasercentre, kan nu designes - og efter en vis tid, sandsynligvis også udført - af forskere fra meget mindre laboratorier, "siger Dr. Tomasz Kardas (IPC PAS), forfatter til softwaren.

Indtil nu, præcist at beskrive interaktionen mellem to eller flere konvergerende stråler af ultrakorte elektromagnetiske pulser, FDTD (Finite Difference Time Domain) -metoden blev brugt, ved hjælp af fulde Maxwell -ligninger. Med hensyn til beregning, FDTD er ekstremt tidskrævende:en enkelt simulering tager supercomputere mange dage. Situationen blev forværret af det faktum, at selv efter inddragelse af beregningsklynger var de opnåede resultater på en acceptabel tid for små mængder, ofte kun mikrometer i størrelse. Af disse grunde, dem, der beskæftiger sig med laseroptikere, brugte såkaldte ensrettede metoder, især dem, der bruger ligningen kendt som NLSE (Nonlinear Schrödinger Equation) og den mindre kendte, men mere præcise UPPE (Unidirectional Pulse Propagation Equation).

Disse ligninger muliggjorde simuleringer af pulsudbredelse over lange afstande, selv i størrelsesordenen meter. Samtidig pålagde de også en alvorlig begrænsning:de overlappende bjælker skulle praktisk talt være ko-justerede (tilnærmede resultater kunne opnås for stråleafvigelse på højst en grad).

"I et stykke tid nu, vi har udviklet vores egen software, der uden tilnærmelse simulerer, hvad der sker, når femtosekundlaserpulser overlapper hinanden, naturligvis under hensyntagen til såkaldte ikke-lineære fænomener. Ligesom andre, vi var begrænset til kollinære bjælker af beregningsmæssige årsager. Heldigvis, vi har for nylig været i stand til betydeligt at forbedre den matematiske beskrivelse og bruge envejs tilgang til modellering af bjælker ved deres kryds. Vi har brugt lejligheden til at skabe nogle interessante værktøjer som, for eksempel, puls elektrisk feltrotationsalgoritme, der er tusind gange hurtigere end interpolationen, der normalt bruges til dette formål, "forklarer Dr. Kardas og understreger, at test af den moderniserede software var mulig, blandt andre, takket være samarbejde med det tværfaglige center for matematisk og computermodellering ved universitetet i Warszawa.

Den nyeste version af Hussar -programmet gør det muligt at designe, for eksempel, en enhed til tidsopløst fluorescens. Sådanne anordninger bruger det faktum, at når et femtosekund laserimpulser kommer ind i det indre af en ikke-lineær krystal sammen med et uges fluorescenssignal, en tredje stråle vises, med frekvens som summen af ​​begge frekvenser af de primære bjælker. Fluorescenssignalet kan derfor summeres med portens puls, som giver en nøjagtig information om tidspunktet for fluorescensforekomsten. De beskrevne processer, imidlertid, blive særlig effektiv, når vinklen mellem de interagerende impulser er omkring 20 grader. Simulering af sådanne systemer gik ud over mulighederne i den eksisterende software. Nu, imidlertid, ved hjælp af Husar -programmet, bjælker, der krydser i vinkler på selv 140 grader, kan modelleres.

Den forbedrede software muliggør design af optiske eksperimenter, som skulle forbedres i laboratorier gennem dyre iterative eksperimenter. For eksempel, hvis en af ​​impulserne er meget stærk, det ændrer omgivelserne i mediet, hvorigennem det bevæger sig. Som resultat, den anden puls opfører sig som om den passerer gennem en linse induceret af den første puls og følgelig begynder at fokusere. Dette fænomen gør det muligt at bygge ultrahurtige snapshots, med en "lukker" tid i størrelsesordenen femtosekunder. Et sådant eksperiment kan nu designes og udføres med enkelt iteration af et lille optisk laboratorium. På den anden side, Husar kan også hjælpe med store optiske projekter som design af ikke-collinear parametriske forstærkere. Disse instrumenter kan øge effekten af ​​laboratorielasere selv til værdier talt i petawatt. Der er lige så interessante muligheder med hensyn til optiske systemer med tre eller flere stråler. Apparater med denne slags konstruktion bruges, blandt andre, i todimensionel 2-D-IR og fotoneko spektroskopi.