Construction and analysis of numerical methods for solution of laser physics and nonlinear optics problems

Abstract

Mathematical models describing the Q-switched laser generation, which is a widely used laser technique for producing short intense pulses of light, belong to the class of semi-nonlinear models where only source terms nonlinearly depend on the solution. Numerical methods for solution of systems of semi-nonlinear partial differential equations have been extensively studied in many papers. Schrödinger-type equations, parabolic-type equations or general diffusion-reaction models arise in nonlinear optics. Such differential problems are solved mainly by finite-difference and Galerkin methods. The convergence analysis is based on the stability analysis of the linearized problems. The construction and theoretical analysis of discrete schemes for one-dimensional problem give a basis for a numerical solution of more general two-dimensional and three-dimensional problems where a diffraction process is taken into account. The two-dimensional problem simulates the dynamics of high-power semiconductor lasers. To solve the problems simulating propagation of photon fluxes in the nonlinear disperse medium, the finite-difference time-domain method is used. However, the major drawback of this method is that the computational domain must be sufficiently large. In order to restrict the computational domain and to solve the problem only in the region of interest, special artificial boundary conditions are investigated. The three-dimensional problem simulates an interaction of counter propagating laser waves when one of them reflects from the screen with a hole in the middle. We deal with the Kerr nonlinearity in this problem. We develop a conservative finite difference scheme, the solution of which satisfies both discrete invariants.

Disertacijoje nagrinėjami kai kurių lazerių fizikos ir netiesinės optikos uždavinių skaitinės analizės metodai. Tiriami trys pagrindiniai atvejai: bėgančias plokščias bangas aprašantis vienmatis, bėgančias difraguojančias bangas nagrinėjantis dvimatis ir lazerio pluoštų sąveiką netiesinėje Kero terpėje modeliuojantis trimatis modeliai. Šiuos uždavinius sieja pernešimo diferencialinės lygtys dalinėmis išvestinėmis, aprašančios į priešingas puses sklindančias lazerio bangas. Dvimačiame ir trimačiame uždaviniuose sprendžiamos dalinių išvestinių Šrėdingerio (ang. Schrödinger) tipo diferencialinės lygtys. Šiems matematiniams modeliams sudarytos baigtinių skirtumų schemos, atlikta jų analizė ir pagrindimas. Skaitinių eksperimentų realizacijai sukurti lygiagretieji algoritmai, jie yra būtini atliekant didelių resursų reikalaujančius skaičiavimus. Disertaciją sudaro įvadas, keturi skyriai, rezultatų apibendrinimas, naudotos literatūros ir autoriaus publikacijų disertacijos tema sarašai. Įvadiniame skyriuje aptariama tiriamoji problema, darbo aktualumas, aprašomas tyrimų objektas, formuluojamas darbo tikslas bei uždaviniai, aprašoma tyrimų metodika, darbo mokslinis naujumas, darbo rezultatų praktinė reikšmė, ginamieji teiginiai. Įvado pabaigoje pristatomos disertacijos tema autoriaus paskelbtos publikacijos ir pranešimai konferencijose bei disertacijos struktūra. Pirmasis skyrius skirtas mokslinės literatūros apžvalgai ir supažindinimui su netiesinės optikos sąvokomis bei sprendžiamomis lygtimis. Antrajame skyriuje nagrinėjamas matematinis modelis, aprašantis aktyvios kokybės moduliacijos lazerio generacijos dinamiką. Trečiajame skyriuje nagrinėjamas matematinis modelis, aprašantis daugiasekcijinius plačiajuosčius puslaidininkius lazerius, o ketvirtajame skyriuje skaitiškai modeliuojama dviejų priešingomis kryptimis sklindančių bangų sąveika, kai viena iš jų atsispindi nuo ekrano su skyle centre.