Particle-in-cell (PIC) codes are powerful tools to self-consistently simulate laser–plasma dynamics. Recent methods enable the extraction of electromagnetic fields from PIC simulations and their propagation to a virtual screen using Fourier optics. This approach allows the generation of synthetic optical images, so called shadowgrams, which reproduce experimental diagnostics where a transverse probe beam is refracted by plasma structures and imaged onto a detector. By using field data from PIC simulations, such synthetic shadowgrams capture the full laser–plasma interaction, beyond what static ray-tracing or stand-alone finite-difference time-domain solvers can represent. However, these methods were only used in post-processing until now, and require storing large 3D field datasets, which is often impractical for large-scale simulations. To overcome this limitation, we present an in-situ plugin for the PIC code PIConGPU, which performs a Fourier time integration of 2D field slices at fixed positions, avoiding full 3D spatial Fourier transforms. This enables the creation of synthetic optical images directly during runtime (‘in-situ’) with a significantly reduced storage footprint and reduced total simulation size. We present the implementation of the in-situ optical imaging plugin. We validate the plugin against PIConGPU’s intrinsic field solver and analytic theory using a double-slit test, and demonstrate the first synthetic in-situ shadowgram generated of high-intensity laser–plasma experiments with cryogenic hydrogen-jet targets.
粒子インセル(PIC)コードは、レーザー–プラズマ力学を自己無撞着にシミュレーションするための強力なツールである。近年の手法により、PICシミュレーションから電磁場を抽出し、フーリエ光学を用いて仮想スクリーンまで伝搬させることが可能になった。このアプローチは、横方向プローブビームがプラズマ構造によって屈折され検出器に結像される実験的診断を再現する、合成光学画像、いわゆるシャドウグラムの生成を可能にする。PICシミュレーションの場のデータを用いることで、このような合成シャドウグラムは、静的レイトレーシングや独立した有限差分時間領域ソルバーが表現できる範囲を超えて、レーザー–プラズマ相互作用の全体を捉える。しかしながら、これらの手法はこれまで後処理でのみ使用され、大規模シミュレーションではしばしば非現実的な、大きな3D場データセットの保存を必要とする。この制限を克服するため、我々はPICコードPIConGPU用のインサイチュプラグインを提示する。これは、固定位置における2D場スライスのフーリエ時間積分を行い、完全な3D空間フーリエ変換を回避する。これにより、実行中に直接(「インサイチュ」で)合成光学画像を生成でき、ストレージ使用量の大幅な削減とシミュレーション全体のサイズの低減を実現する。我々はインサイチュ光学イメージングプラグインの実装を示す。我々は、二重スリット試験を用いてPIConGPUの内蔵場ソルバーおよび解析理論に対してプラグインを検証し、極低温水素ジェットターゲットを用いた高強度レーザー–プラズマ実験の最初の合成インサイチュシャドウグラム生成を実証する。