Μαθηματικές μοντελοποιήσεις προβλημάτων κυματικής διάδοσης σε μη γραμμικά ηλεκτρομαγνητικά μεταϋλικά
Authors: Πορφυράκης Πολύκαρπος 
Published: September 2021

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζονται πτυχές της μαθηματικής μοντελοποίησης και των φυσικών φαινομένων που διέπουν την διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων σε μη γραμμικά μεταϋλικά. Τα ηλεκτρομαγνητικά μεταϋλικά με ταυτόχρονα αρνητική ενεργή διηλεκτρική επιτρεπτότητα ε και μαγνητική διαπερατότητα μ (διπλά αρνητικά ή αριστερόστροφα ή αρνητικού δείκτη μεταϋλικά) έχουν μακρά ιστορία που φτάνει στην πρωτότυπη εργασία του Veselago το 1968. Τέτοια μεταϋλικά παρουσιάζουν ασυνήθιστα και αξιοσημείωτα φαινόμενα, όπως π.χ. την αντιστροφή του νόμου Snell, την υποστήριξη οπισθοδιαδιδόμενων κυμάτων και τη δυνατότητα σχηματισμού τέλειου φακού. Τα μη γραμμικά αριστερόστροφα μεταϋλικά είναι επίσης πολύ χρήσιμα σε συντονιζόμενες δομές (tunable structures) μετάδοσης ελεγχόμενες από την ένταση του πεδίου και στην εναλλαγή των ιδιοτήτων του υλικού από αριστερόστροφο σε δεξιόστροφο και αντιστρόφως. Αρχικά, τα εξεταζόμενα μεταϋλικά περιγράφονται από ένα συχνοτικό μοντέλο Drude-Lorentz όσον αφορά τα γραμμικά τμήματά τους και μια συμπεριφορά τύπου Kerr για τα μη γραμμικά τμήματα των ε και μ αντίστοιχα. Η διάδοση των κυμάτων σε μη γραμμικά μεταϋλικά με απώλειες διερευνάται αναλυτικά μέσω μεθόδων της Θεωρίας Διαταραχών. Δείχνουμε ότι η αριστερόστροφη ζώνη της διάδοσης κυμάτων στα μεταϋλικά διέπεται από μια μη γραμμική ανώτερης τάξης εξίσωση Schrödinger (nonlinear Schrödinger (NLS) equation). Εξάγονται αναλυτικά υπερβραχείες φωτεινές ή σκοτεινές σολιτονικές λύσεις της εν λόγω εξίσωσης. Στη συνέχεια, διερευνούμε τη διάδοση των κυμάτων στα χάσματα της ζώνης συχνοτήτων, δηλαδή, στις περιοχές συχνοτήτων όπου τα ε και τα μ έχουν αντίθετα πρόσημα και επομένως τα γραμμικά κύματα είναι αποσβεννύμενα. Σε αυτές τις ζώνες χασμάτων, είναι δυνατός ο εντοπισμός των κυμάτων εάν προκληθεί μη γραμμικότητα στο μεταϋλικό μέσο. Εξάγουμε μια εξίσωση υπερβραχέων παλμών με απώλειες (dissipative short pulse equation: DSPE), που καθορίζει τους υπερβραχείς παλμούς, οι οποίοι δύναται να σχηματιστούν στις ζώνες των συχνοτικών χασμάτων και παρουσιάζουμε τις σολιτονικές λύσεις τους. Και στα δύο χάσματα, η διάδοση περιγράφεται με γραμμικούς όρους, οι οποίοι οδηγούν σε εκθετική απόσβεση του λύσεων. Οι ρυθμοί απόσβεσης, δηλαδή, οι αντίστροφοι των συντελεστών γραμμικών απωλειών σε αυτά τα δύο μοντέλα, βρίσκονται σε όρους των διηλεκτρικών και μαγνητικών ιδιοτήτων του μεταϋλικού. Επίσης, μελετάμε ένα μη γραμμικό (τύπου Kerr) ηλεκτρομαγνητικό μεταϋλικό, το οποίο χαρακτηρίζεται από ένα μοντέλο Lorentz-Lorentz, όσον αφορά τη συχνoτικά εξαρτώμενη συνάρτηση της γραμμικής ενεργής διηλεκτρικής επιτρεπτότητας και μαγνητικής διαπερατότητάς του. Εξετάζεται αναλυτικά ο σχηματισμός σολιτονίων χασμάτων στις ζώνες χασμάτος χαμηλών και υψηλών συχνοτήτων αυτού του μεταϋλικού. Οι εξισώσεις εξέλιξης που διέπουν τα σολιτόνια χασμάτων, έχουν τη μορφή μιας μη γραμμικής εξίσωσης Klein-Gordon και μιας μη γραμμικής εξίσωσης Schrödinger. Γίνεται αναφορά στη δομή των λύσεων αυτών των εξισώσεων. Τέλος, διευρευνούμε τη διάδοση των κυμάτων στα ηλεκτρομαγνητικά χάσματα συχνοτήτων (electromagnetic band gaps: EBGs), δηλαδή, στις περιοχές συχνοτήτων όπου τα ε και μ έχουν αντίθετο πρόσημο, και χαρακτηρίζονται από συμπεριφορά Lorentz-Lorentz, αντίστοιχα. Χρησιμοποιούμε μια υπόθεση πολλαπλών κλίμακων και παράγουμε εξισώσεις βραχέων παλμών με απώλειες (DSPEs).