Quando fasci di impulsi laser ultracorti che corrono nella stessa direzione si intersecano tra loro con un angolo notevole, varie interazioni avvengono tra gli impulsi. Questi fenomeni fisici sono complicati, e la loro descrizione matematica diventa computazionalmente complessa. Per effettuare le opportune simulazioni, devono essere coinvolti interi cluster di computer. L'ultima versione del software Hussar consente di eseguire i calcoli anche su un normale laptop.

Gli impulsi luminosi della durata di milionesimi di miliardesimo di secondo giocano ormai un ruolo chiave in molti esperimenti e sistemi di misurazione. Quando c'è più di un raggio laser con impulsi, le loro reciproche interazioni danno luogo a effetti interessanti. Sfortunatamente, la modellizzazione di questi effetti ha, finora, stato difficile. Quando le travi sovrapposte corrono in modo collineare, la modellizzazione della loro reciproca influenza può essere realizzata senza approssimazioni, in modo relativamente rapido ed efficiente. Però, in molte applicazioni gli impulsi laser ultracorti devono convergere ad angolo. La descrizione matematica dei fenomeni che si verificano diventa allora così complicata che, affinché le simulazioni siano terminate in un tempo ragionevole, interi cluster di computer devono essere coinvolti. Ora, grazie al software Hussar del Centro laser dell'Istituto di chimica fisica dell'Accademia polacca delle scienze (IPC PAS) e della Facoltà di fisica dell'Università di Varsavia, chiunque può eseguire le simulazioni appropriate anche su un normale computer.

"I cambiamenti introdotti nell'ultima versione del programma Hussar sono radicali. Esperimenti, che fino ad ora non poteva essere simulato nemmeno da grandi centri laser, ora può essere progettato e, dopo un certo tempo, probabilmente eseguita anche da ricercatori di laboratori molto più piccoli, " afferma il dott. Tomasz Kardas (IPC PAS), autore del software.

Fino ad ora, descrivere accuratamente l'interazione di due o più fasci convergenti di impulsi elettromagnetici ultracorti, è stato utilizzato il metodo FDTD (Finite Difference Time Domain), utilizzando equazioni di Maxwell complete. In termini di calcolo, FDTD è estremamente dispendioso in termini di tempo:una singola simulazione richiede ai supercomputer molti giorni. La situazione era aggravata dal fatto che anche dopo il coinvolgimento di cluster computazionali i risultati ottenuti in un tempo accettabile erano per piccoli volumi, spesso solo micrometri di dimensioni. Per queste ragioni, chi si occupava di ottici laser utilizzava metodi cosiddetti unidirezionali, in particolare quelli che utilizzano l'equazione nota come NLSE (Equazione di Schrödinger non lineare) e la meno nota ma più accurata UPPE (Equazione di propagazione dell'impulso unidirezionale).

Queste equazioni hanno permesso di simulare la propagazione degli impulsi su lunghe distanze anche dell'ordine dei metri. Contemporaneamente imponevano anche una grave limitazione:le travi sovrapposte dovevano essere praticamente coallineate (si potevano ottenere risultati approssimativi per deviazioni del raggio non superiori a un grado).

"Da un po 'di tempo, abbiamo sviluppato un nostro software che simula senza approssimazioni cosa succede quando gli impulsi laser a femtosecondi si sovrappongono, naturalmente tenendo conto dei cosiddetti fenomeni non lineari. Come altri, ci siamo limitati a fasci collineari per ragioni computazionali. Fortunatamente, recentemente siamo stati in grado di migliorare significativamente la descrizione matematica e di utilizzare un approccio unidirezionale per la modellazione delle travi al loro incrocio. Abbiamo colto l'occasione per creare alcuni strumenti interessanti come, Per esempio, algoritmo di rotazione del campo elettrico a impulsi che è mille volte più veloce dell'interpolazione solitamente utilizzata per questo scopo, " spiega il Dr. Kardas e sottolinea che i test del software modernizzato erano possibili, tra gli altri, grazie alla collaborazione con il Centro interdisciplinare di modellistica matematica e computazionale dell'Università di Varsavia.

L'ultima versione del programma Hussar consente di progettare, Per esempio, un dispositivo per la fluorescenza risolta nel tempo. Tali dispositivi sfruttano il fatto che quando un impulso laser a femtosecondi entra all'interno di un cristallo non lineare insieme a un segnale di fluorescenza settimanale, appare un terzo raggio, dove la frequenza è la somma di entrambe le frequenze dei fasci primari. Il segnale di fluorescenza può quindi essere sommato con l'impulso di gating, che fornisce un'informazione esatta sul momento in cui si è verificata la fluorescenza. I processi descritti, però, diventano particolarmente efficienti quando l'angolo tra gli impulsi interagenti è di circa 20 gradi. La simulazione di tali sistemi è andata oltre le capacità del software esistente. Ora, però, utilizzando il programma ussaro, possono essere modellate travi che si incrociano con angoli anche di 140 gradi.

Il software migliorato consente la progettazione di esperimenti ottici che dovevano essere migliorati nei laboratori attraverso costosi esperimenti iterativi. Per esempio, se uno degli impulsi è molto forte, cambia l'ambiente circostante il mezzo attraverso il quale viaggia. Di conseguenza, il secondo impulso si comporta come se passasse attraverso una lente indotta dal primo impulso e di conseguenza inizia a mettere a fuoco. Questo fenomeno permette di realizzare istantanee ultraveloci, con un tempo di "otturatore" dell'ordine dei femtosecondi. Un simile esperimento può ora essere progettato ed eseguito con una singola iterazione da un piccolo laboratorio ottico. D'altra parte, Hussar può anche aiutare con grandi progetti ottici come la progettazione di amplificatori parametrici non collineari. Questi strumenti possono aumentare la potenza dei laser da laboratorio anche a valori contati in petawatt. Ci sono possibilità altrettanto interessanti per quanto riguarda i sistemi ottici a tre o più fasci. Viene utilizzato un apparecchio con questo tipo di costruzione, tra gli altri, nella spettroscopia bidimensionale 2-D-IR e dell'eco di fotoni.