Die vorliegende Arbeit untersucht die longitudinale Dynamik von Halbleiterlasern anhand eines Modells, in dem ein lineares hyperbolisches System partieller Differentialgleichungen mit gewöhnlichen Differentialgleichungen gekoppelt ist. Zunächst wird mit Hilfe der Theorie stark stetiger Halbgruppen die globale Existenz und Eindeutigkeit von Lösungen für das konkrete System gezeigt. Die anschließende Untersuchung des Langzeitverhaltens der Lösungen erfolgt in zwei Schritten. Zuerst wird ausgenutzt, dass Ladungsträger und optisches Feld sich auf unterschiedlichen Zeitskalen bewegen, um mit singulärer Störungstheorie invariante attrahierende Mannigfaltigkeiten niedriger Dimension zu finden. Der Fluss auf diesen Mannigfaltigkeiten kann näherungsweise durch Moden-Approximationen beschrieben werden. Deren Dimension und konkrete Gestalt ist von der Lage des Spektrums des linearen hyperbolischen Operators abhängig. Die zwei häufigsten Situationen werden dann einer ausführlichen numerischen und analytischen Bifurkationsanalyse unterzogen. Ausgehend von bekannten Resultaten für die Ein-Moden-Approximation, wird die Zwei-Moden-Approximation in dem speziellen Fall untersucht, dass die Phasendifferenz zwischen den beiden optischen Komponenten sehr schnell rotiert, so dass sie sich in erster Ordnung herausmittelt. Mit dem vereinfachten Modell können die Mechanismen verschiedener Phänomene, die bei der numerischen Simulation des kompletten Modells beobachtet wurden, erklärt werden. Darüber hinaus lässt sich die Existenz eines anderen stabilen Regimes voraussagen, das sich im gemittelten Modell als "bursting" darstellt. / We investigate the longitudinal dynamics of semiconductor lasers using a model which couples a linear hyperbolic system of partial differential equations with ordinary differential equations. We prove the global existence and uniqueness of solutions using the theory of strongly continuous semigroups. Subsequently, we analyse the long-time behavior of the solutions in two steps. First, we find attracting invariant manifolds of low dimension benefitting from the fact that the system is singularly perturbed, i. e., the optical and the electronic variables operate on different time-scales. The flow on these manifolds can be approximated by the so-called mode approximations. The dimension of these mode approximations depends on the number of critical eigenvalues of the linear hyperbolic operator. Next, we perform a detailed numerical and analytic bifurcation analysis for the two most common constellations. Starting from known results for the single-mode approximation, we investigate the two-mode approximation in the special case of a rapidly rotating phase difference between the two optical components. In this case, the first-order averaged model unveils the mechanisms for various phenomena observed in simulations of the complete system. Moreover, it predicts the existence of a more complex spatio-temporal behavior. In the scope of the averaged model, this is a bursting regime.

Das Phänomen der Rissmusterentstehung stellt ein anschauliches und numerisch nachvollziehbares Beispiel für Strukturbildung dar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit gelang es, einfache dreidimensionale Rissmuster zu berechnen, die durch Zugspannungen infolge inhomogener Schrumpfung durch Wärme- oder Stofftransport wachsen. Aufgrund wechselseitiger Entlastung bleiben Risse oder Teile einer Rissfront zurück. Für idealisierte periodische Rissanordnungen wurden durch bruchmechanische Verzweigungsanalyse kritische Last- und Geometrieparameter berechnet, für die sich neben der Grundlösung eine weitere Lösung finden lässt. Dadurch konnte die Frage beantwortet werden, warum verschiedene Typen von Rissmustern entstehen. Untersucht wurden Rissmuster in trocknender Stärke und Basalt sowie Tunnelrisse zwischen Glasplatten. Dafür war es nötig, die Risskontur numerisch zu bestimmen, wofür ein neues iteratives Verfahren entwickelt wurde. Für Säulen bildende Rissmuster in Basalt und trocknender Stärke mit konstanten Säulendurchmessern, welche stationär getrieben wachsen, wurde gezeigt, dass entgegen der Annahme in der Literatur eine Verzweigungslösung für zusammenhängende dreidimensionale Rissmuster existiert. Die berechneten kritischen Rissabstände unterscheiden sich nur unwesentlich von denjenigen zweidimensionaler Rissmodelle. Zum Verständnis der Herausbildung der Basaltsäulen wurde ein neuer Mechanismus gefunden, für den die Wechselwirkung zwischen Riss- und Erstarrungsfront der flüssigen Lava eine wesentliche Rolle spielt. Mittels eines iterativen Verfahrens wurde dafür die Erstarrungsfront berechnet. Die Ergebnisse zeigen gute Übereinstimmung mit den experimentellen Werten. Die Durchmesser von Stärkesäulen und Basaltsäulen nehmen nach dem gleichen Potenzgesetz mit zunehmender Wachstumsgeschwindigkeit ab. Für Tunnelrisse sind die Rissabstände nahezu konstant, obwohl entgegen ursprünglicher Annahmen gezeigt werden konnte, dass diese instationär getrieben wachsen. Als Ursache dafür wurde die durch die Rissgeometrie stark reduzierte Wechselwirkung zwischen den Tunnelrissen erkannt. Der Rissabstand nimmt potenzartig mit Dicke der trocknenden Schicht zu. Mittels einer Skalenanalyse konnte gute Übereinstimmung mit den Experimenten gefunden werden. / Crack patterns are a remarkable example of pattern formation. In this work simple three-dimensional crack patterns where analysed that are driven by inhomogeneous shrinkage caused from heat or mass transport. Caused by mutual unloading, parts of the crack front stop to grow. For idealised periodically repeatable crack configurations through fracture mechanics bifurcation analysis critical loading or geometry parameters where calculated for which beside the basic solution (growth of all cracks) another solution is possible. Analysed were crack patterns in drying starch and basalt and tunnelling cracks between glass plates. For this it was necessary to calculate the crack contour numerically, for this a new iteration method was developed. For the connected crack patterns in starch and basalt that form columns, driven stationary, it could be shown that there exists a bifurcation solution. Agreement with experimental data was found by including the solidification front ahead the crack tips. For the tunnelling cracks the crack spacing is nearly constant also they are unsteadily driven. The crack spacing scales with a power law of the thickness of the drying layer. With a scaling analysis good agreement with experimental data was found.

Das Phänomen der Rissmusterentstehung stellt ein anschauliches und numerisch nachvollziehbares Beispiel für Strukturbildung dar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit gelang es, einfache dreidimensionale Rissmuster zu berechnen, die durch Zugspannungen infolge inhomogener Schrumpfung durch Wärme- oder Stofftransport wachsen. Aufgrund wechselseitiger Entlastung bleiben Risse oder Teile einer Rissfront zurück. Für idealisierte periodische Rissanordnungen wurden durch bruchmechanische Verzweigungsanalyse kritische Last- und Geometrieparameter berechnet, für die sich neben der Grundlösung eine weitere Lösung finden lässt. Dadurch konnte die Frage beantwortet werden, warum verschiedene Typen von Rissmustern entstehen. Untersucht wurden Rissmuster in trocknender Stärke und Basalt sowie Tunnelrisse zwischen Glasplatten. Dafür war es nötig, die Risskontur numerisch zu bestimmen, wofür ein neues iteratives Verfahren entwickelt wurde. Für Säulen bildende Rissmuster in Basalt und trocknender Stärke mit konstanten Säulendurchmessern, welche stationär getrieben wachsen, wurde gezeigt, dass entgegen der Annahme in der Literatur eine Verzweigungslösung für zusammenhängende dreidimensionale Rissmuster existiert. Die berechneten kritischen Rissabstände unterscheiden sich nur unwesentlich von denjenigen zweidimensionaler Rissmodelle. Zum Verständnis der Herausbildung der Basaltsäulen wurde ein neuer Mechanismus gefunden, für den die Wechselwirkung zwischen Riss- und Erstarrungsfront der flüssigen Lava eine wesentliche Rolle spielt. Mittels eines iterativen Verfahrens wurde dafür die Erstarrungsfront berechnet. Die Ergebnisse zeigen gute Übereinstimmung mit den experimentellen Werten. Die Durchmesser von Stärkesäulen und Basaltsäulen nehmen nach dem gleichen Potenzgesetz mit zunehmender Wachstumsgeschwindigkeit ab. Für Tunnelrisse sind die Rissabstände nahezu konstant, obwohl entgegen ursprünglicher Annahmen gezeigt werden konnte, dass diese instationär getrieben wachsen. Als Ursache dafür wurde die durch die Rissgeometrie stark reduzierte Wechselwirkung zwischen den Tunnelrissen erkannt. Der Rissabstand nimmt potenzartig mit Dicke der trocknenden Schicht zu. Mittels einer Skalenanalyse konnte gute Übereinstimmung mit den Experimenten gefunden werden. / Crack patterns are a remarkable example of pattern formation. In this work simple three-dimensional crack patterns where analysed that are driven by inhomogeneous shrinkage caused from heat or mass transport. Caused by mutual unloading, parts of the crack front stop to grow. For idealised periodically repeatable crack configurations through fracture mechanics bifurcation analysis critical loading or geometry parameters where calculated for which beside the basic solution (growth of all cracks) another solution is possible. Analysed were crack patterns in drying starch and basalt and tunnelling cracks between glass plates. For this it was necessary to calculate the crack contour numerically, for this a new iteration method was developed. For the connected crack patterns in starch and basalt that form columns, driven stationary, it could be shown that there exists a bifurcation solution. Agreement with experimental data was found by including the solidification front ahead the crack tips. For the tunnelling cracks the crack spacing is nearly constant also they are unsteadily driven. The crack spacing scales with a power law of the thickness of the drying layer. With a scaling analysis good agreement with experimental data was found.