УДК 536.7: 621.036 ББК 22.3
доктортехніческіх наук, професор, заведующійкафедройпрікладнойматематікі В.П. Первадчук
(Пермскійнаціональний дослідний політехнічний університет); кандидат технічних наук, начальник
виробничо-конструкторського відділу І.І. Крюков (Пермська науково-виробнича приладобудівна компанія)
Розглядаються система сучасної вищої технічної освіти, особливості навчання в вузі, фундаментальні основи інженерної діяльності.
Представлені історичні етапи зародження фотоніки та оптоінформатікі, визначена роль фотонів як носіїв інформації
і енергії на сучасному етапі. Наведено необхідні для розуміння на квантовому рівні теоретичні основи фізики, наукові
і нанотехнологические основи фотоніки. Розглядаються принципи роботи лазерів, оптичних волокон, перспективи та тенденції подальшого розвитку комп'ютерів на основі фотонів.
Призначено для студентів вищих навчальних закладів, які навчаються за напрямом бакалаврської підготовки «Фотоніка та оптоінформатіка», профіль «волоконна оптика».
УДК 536.7: 621.036 ББК 22.3
Розвинені країни сьогодні перебувають в стані переходу від «індустріального» людського суспільства до «суспільства інформаційного», відмінна риса якого полягає в створенні і безперервному вдосконаленні складних «інтелектуальних мереж» - систем швидкого, ефективного та економічного надання інформаційних послуг і звичайні користувачі. Збільшення обсягу і швидкості передачі інформації в високопродуктивних інтелектуальних мережах вимагає розробки відповідних технічних засобів, серед яких оптика і оптичні методи передачі сигналів грають найважливішу роль.
Фотоніка та оптоінформатіка - це нове, стрімко розвивається в Росії напрямок підготовки на базі оптики, математики та комп'ютерних технологій, це обробка і передача інформації та енергії за допомогою квантів електромагнітного поля - фотонів. Оптоволоконні системи з високою швидкістю передачі даних, голографічні пристрої, що запам'ятовують надвеликої місткості, багатопроцесорні комп'ютери з оптичною межпроцессорной зв'язком, в яких світло управляє світлом, - ось далеко не повний перелік об'єктів фотоніки та оптоінформатікі. Для вирішення широкого класу задач в різних областях науки і техніки - від фізики і хімії до біології і медицини активно використовуються лазерні технології. За допомогою лазерного випромінювання виробляються різні технологічні операції, дослідження, вимірювання та діагностика.
Рішення задач отримання штучних матеріалів, кристалів, що мають рекордно низькі оптичні втрати при передачі інформації і енергії, стало можливим з досягненнями успіхів в нанотехнологіях. Нанотехнології - ключове поняття початку XXI століття, символ нової, третьої науково
технічної революції. З позицій сьогоднішнього дня метою нанотехнологій є створення наносистем, наноматеріалів, нанопристроїв, здатних надати якісне вплив на розвиток цивілізації. Перша частина складного слова нановообще означає одну мільярдну (10 -9) чого-небудь. Нанотехнології - сукупність методів виготовлення і обробки виробів, що мають протяжність 1-100 нм (хоча б
в одному вимірі). Нанометровий діапазон вимірювань розмірів відкриває нові властивості і підходи до вивчення речовини. У цьому діапазоні змінюються багато фізичні та хімічні властивості і ніде так близько не сходяться фізика, хімія і біологія. Нагадаємо, що 1 нм = 10 -9 м = 10 -3 мкм = 10 Å. Атом має розмір близько 0,1 нм, неорганічні молекули
1 нм, віруси - від 10 до 500 нм; бактерії
1000 Нм. Десяткові кратні і частинні приставки і множники в міжнародній системі одиниць представлені в таблиці.
Широке застосування в різних областях сучасної техніки знаходять різні хвильове структури. Уже сьогодні волоконно-оптичні технології визначають рівень розвитку таких важливих сфер державної діяльності, як економіка, освіта та безпеку.
Оптимізація технологічних процесів одержання оптичних волокон, лазерної обробки матеріалів передбачає поряд з експериментальними дослідженнями і застосування методів математичного моделювання.
Метою курсу «Фотоніка та оптоінформатіка. Вступ
в спеціальність »є ознайомлення студентів з сучасною системою вищої технічної освіти, його основними завданнями, організаційними і методичними особливостями навчання в вузі, з документами, які регламентують навчання студентів, а також фундаментальними, загальнотехнічними і професійними основами обраної спеціальності, специфікою майбутньої роботи випускника, перспективами його працевлаштування.
Посібник складається з чотирьох частин. Перша частина присвячена фундаментального і гуманітарного аспектів бакалаврської підготовки, без яких неможливо сформувати шірокообразованного, системно мислячого, орієнтованого на багатоаспектну творчу діяльність фахівця, здатного з максимальною ефективністю продовжити поглиблене освіту ввибранном напрямку. Такий підхід відповідає національній доктрині освіти в Російській Федерації та макропеременам в сучасній вищій освіті, пов'язаних з переходом кекономіке, заснованої на знаннях.
У другій частині посібника розглядаються наукові основи фотоніки з елементами квантової фізики, оптики, обговорюється і доповнюється інформація, отримана студентами в курей
сах фізики і хімії середньої школи і дозволяє осмислити ці основи.
Третя частина присвячена науковим і нанотехнологічних аспектам фотоніки, шляхах і перспективам її розвитку. Показано, що нанотехнології - це одне з найбільш швидко розвиваються, отримання оптичних матеріалів. У свою чергу, досягнення нанотехнологій зобов'язані застосуванню пристроїв і систем, в яких генеруються, посилюються, модулюються, поширюються і детектируются оптичні сигнали.
Основи оптоінформатікі - технічної науки, що займається проблемами передачі, зберігання і обробки інформації, розглянуті в четвертій частині. Показано, що хвильова і корпускулярна природа світла обумовлює численні переваги фотона як носія інформації перед електроном в сучасних комп'ютерах. На прикладі теплофізичних задач в фотоніці розглянуті основи обчислювального експерименту.
Навчальний посібник призначений для студентів першого курсу бакалаврської підготовки за напрямом «Фотоніка та оптоінформатіка» в Пермському національному дослідницькому політехнічному університеті.
ЧАСТИНА 1. ФУНДАМЕНТАЛЬНІ ОСНОВИ ВИЩОЇ ОСВІТИ
1. Про Собене ВИЩОЇ ТЕХНІЧНОЇ ОСВІТИ
1.1. Сучасна система вищої освіти і його цілі
Система вищої освіти країни включає близько 1000 вищих навчальних закладів, з них більше 500 - державні. За статусом вузи діляться на класичні університети, технічні університети, академії та інститути. За профілем - на багатопрофільні і вузькопрофільні, наприклад сільськогосподарські, медичні тощо Потужну і дорогу систему освіти країна містити б не стала, якби ця система не забезпечувала вирішення найважливіших державних завдань, а саме:
- підвищення безпеки країни (в найширшому сенсі);
- підвищення інтелектуального рівня населення. Безпека будь-якої країни забезпечується в основному
рівнем освіченості населення. Так було в усі часи; особливо це важливо в умовах прискореного розвитку наукоємних виробництв, наукоємних видів техніки і озброєння. Великий китайський мислитель Конфуцій близько 2500 років тому назвав освіченість населення однією з умов успіху держави. Уряд США незмінно обґрунтовує всі заходи щодо розвитку та покращення системи освіти інтересами безпеки країни. В останніх документах уряду Російської