Фотоника, приборостроение, оптические и биотехнические системы и технологии (на 2020 год)

Учебное пособие подготовлено на кафедре ядерной физики физического факультета Воронежского государственного университета.

Учебное пособие «Оптическое материаловедение. Материалы и технологии оптических элементов». Учебное пособие разработано в соответствии с ФГОС ВО по направлению подготовки бакалавров и магистров 12.03.03 - Фотоника и оптоинформатика. Предназначено для студентов 3 курса ФБТО для самостоятельной подготовки и выполнения лабораторных работ.

Учебное пособие «Оптическое материаловедение. Материалы и оптические элементы в фотонике» Учебное пособие разработано в соответствии с ФГОС ВО по направлению подготовки бакалавров и магистров 12.03.03 - Фотоника и оптоинформатика. Предназначено для студентов 3 курса ФБТО для самостоятельной подготовки и выполнения лабораторных работ.

Сборник задач к практическим занятиям в курсе «Оптическая физика» содержит задачи с примерами решения, разработан в соответствии с ФГОС ВПО по направлению подготовки 12.03.03 «Фотоника и оптоинформатика», а также РД ПГУТИ 2.11.7 - 2016 и предназначено для студентов 2 и 3 курса факультета ФБТО при проведении практических занятий по курсу «Оптическая физика».

Книга представляет собой учебное пособие по дисциплине «Физические основы нанотехнологий, фотоники и оптоинформатики», рассматривающий основные явления, принципы и экспериментальные достижения нанофотоники. В книге на высоком физико-математическом уровне описываются вопросы распространения и взаимодействия света в пространственно-ограниченных наноструктурах, рассматриваются свойства различных наноструктурированных материалов, а также вопросы их практического использования. Учебное пособие рассчитано на магистрантов первого года обучения направления 12.04.03 «Фотоника и оптоинформатика» и разработано в соответствии с федеральным государственным образовательным стандартом высшего образования по направлению подготовки 12.04.03 Фотоника и оптоинформатика (уровень магистратуры) от 30.11.2014.

Сборник задач рассчитан на магистрантов первого года обучения направления 12.04.03 «Фотоника и оптоинформатика» и разработан в соответствии с федеральным государственным образовательным стандартом высшего образования по направлению подготовки 12.04.03 Фотоника и оптоинформатика (уровень магистратуры) от 30.11.2014.

Сборник задач рассчитан на магистрантов первого года обучения направления 12.04.03 «Фотоника и оптоинформатика» и разработан в соответствии с федеральным государственным образовательным стандартом высшего образования по направлению подготовки 12.04.03 Фотоника и оптоинформатика (уровень магистратуры) от 30.11.2014.

Книга представляет собой учебное пособие по дисциплине «История и методология фотоники и оптоинформатики». Учебное пособие рассчитано на магистрантов первого года обучения направления 12.04.03 «Фотоника и оптоинформатика» и разработано в соответствии с федеральным государственным образовательным стандартом высшего образования по направлению подготовки 12.04.03 Фотоника и оптоинформатика (уровень магистратуры) от 30.11.2014. В книге на высоком уровне рассматриваются вопросы роли науки в современном обществе, методологические проблемы конкретной отрасли науки - фотоники и оптоинформатики, практические вопросы особенностей методологии решения научных и инженерных задач в области фотоники и оптоинформатики, изучается история фотоники. Особое внимание уделяется вкладу советских и российских ученых в развитие фотоники.

Учебное пособие «Оптическая физика» соответствует Федеральному государственному стандарту, содержит ключевые понятия и дает представление об основных разделах современной оптики. Состоит из краткого лекционного материала и вопросов для самопроверки. Предназначено для направления 12.03.03 (Фотоника и оптоинформатика), а также может быть использовано студентами других специальностей вузов.

Учебное пособие соответствует государственному образовательному стандарту подготовки бакалавров по направлению 12.03.04 «Биотехнические системы и технологии». Изложены теоретические основы биофизики. Рассмотрены структура и функции биологических мембран, биофизика электровозбудимых тканей, биофизика мышечного сокращения. Приведены практические задачи и тестовые задания по биофизике мембран и биофизике клеток и органов.

Изложены базовые принципы и фундаментальные основы современной фемтонанофотоники с акцентом на перспективы практического использования ее достижений. Рассмотрены вопросы статистической физики и термодинамики наноструктур с применением методов математического моделирования их направленного конструирования. Приведены результаты по лазерному синтезу нанокластерной материи. Проанализированы структурные фазовые переходы и коррелированные макроскопические состояния при управляемом лазерном формировании наночастиц на поверхности твердых тел, в том числе в аспекте проявления размерных эффектов и их квантовых аналогов. Затронуты вопросы метрологического обеспечения нанотехнологий и наноизмерений.

В книге изложены методы диагностики энергетических и пространственно-временных характеристик излучения мощных лазеров ИК-диапазона, разработанные в ИЛФИ в рамках первой государственной программы исследований по лазерной тематике в 1965-1975 гг.

Рассматриваются теоретические основы квантовых и оптоэлектронных приборов различных типов. Изучаются их основные технические характеристики, а также приводятся методы расчета и проектирования оптоэлектронных устройств. Книга содержит большое количество справочной информации и примеры электронных схем с использованием различного типа квантовых и оптоэлектронных приборов.

В учебном пособии рассмотрены виды взаимодействия лазерного излучения с живыми объектами, действие лазерного излучения на биоткань, применение лазеров в биомедицинской диагностике, терапии и хирургии, принцип работы лазера и свойства лазерного излучения. Приводятся различные типы лазеров, в том числе газовые, жидкостные, твердотельные, полупроводниковые, волоконные.

Материал методического пособия представляет собой часть курса лекций для студентов очной и очно-заочной формы обучения физического факультета Воронежского госуниверситета. В разделах учебного пособия на основе монографий, учебников, научных статей, различных электронных источников рассматриваются основные современные и перспективные направления функциональной электроники.

Книга представляет собой курс лекций по учебной дисциплине «Физические основы нанотехнологий, фотоники и оптоинформатики», рассматривающий основные явления, принципы и экспериментальные достижения нанофотоники. В книге на высоком физико-математическом уровне описываются вопросы распространения и взаимодействия света в пространственно-ограниченных наноструктурах, рассматриваются свойства различных наноструктурированных материалов, а также вопросы их практического использования.

Учебное пособие для студентов направления «Фотоника и оптоинформатика» включает расширенный курс лекций.

В курсе лекций рассмотрены: физические свойства основных материалов, применяемых в оптике, их параметры и методы изготовления, основные типы элементов интегральной оптики и нанооптики и основы работы функциональных элементов интегральной нанооптики, основные методы производства элементов интегральной оптики, интегрально-оптические устройства.

Рассмотрены современные методы фемтосекундной оптики. Излагаются принципы функционирования пико- и фемтосекундных лазеров. Значительное внимание уделено нелинейным взаимодействиям и самовоздействию фемтосекундных лазерных импульсов, компрессии фемтосекундных импульсов и возможности управления их формой.

В работе приведены результаты исследования условий возбуждения ударной волны в различных материалах, в результате чего модифицируется их структура с повышением физико-механических свойств по локальному объему. За счет обзора существующих методов упрочнения материалов с применением лазеров и объемных методов упрочнения показана технико-экономическая эффективность разработанного авторами метода объемного импульсного лазерного упрочнения для изделий, которые при некотором изменении геометрических параметров не теряют своей работоспособности (режущий и буровой инструмент, траки гусеничных машин, дорожные резцы, рабочие органы землеройных и сельскохозяйственных машин, дорожные резцы и др.). Адресована инженерам, преподавателям и студентам технических специальностей.

Изложены теория, методы расчета и проектирования линейных и нелинейных оптико-электронных систем углового пространственного сопровождения движущихся объектов (двумерных систем) и систем пространственной стабилизации движущихся объектов (трехмерных систем), широко используемых при решении различных задач в области управления, прежде всего в военной технике. Приведены методы анализа и синтеза, учитывающие специфику таких систем с модуляцией. Особое внимание уделено получению инженерных зависимостей, позволяющих обеспечить оптимальность характеристик систем. Для специалистов, занимающихся разработкой систем пространственного слежения (следящих теплопеленгаторов и др.) и систем пространственной стабилизации (инерциальных систем управления летательными аппаратами и др.). Может использоваться в учебном процессе соответствующих высших учебных заведений, подготавливающих студентов по направлению «Оптотехника» и специальности «Оптико-электронные приборы и системы».

Изложены основы фотолитографии, виды и способы изготовления оптических шкал. Рассмотрены оптические детали, требующие формирования топологии на поверхности.

Рассмотрены принципы выбора характеристик и типов измерительных преобразователей (биоэлектродов) на основе знаний о принципиальном единстве электромагнитных процессов в биообъекте при существенных временных различиях в динамике электромагнитных процессов, протекающих на различных структурных уровнях живого. Приведены примеры практического использования электродов в методиках pH-метрии и электрокардиографии.

Приведены тестовые задания и задачи по биофизике для самостоятельного решения. Рассмотрены примеры решения задач по основным изучаемым разделам курса биофизики.

Пособие посвящено имплантируемым протезам клапанов сердца. Описаны этиология пороков клапанов и история развития клапанного протезирования. Рассмотрены конструкции отдельных элементов клапанов, технические требования к протезам и методы испытаний протезов.

Анализируется эквивалентная схема отведения биопотенциалов, описываются особенности функционирования полуэлемента и измерительной ячейки биотехнической системы, рассматриваются характеристики ее элементов, изучаются вопросы проводимости и возникновения дополнительных потенциалов, не идентифицируемых как биопотенциалы. Последовательность описания типов электродов соответствует предложенной ранее схеме структурирования живого. Рассматриваются биоэлектрические электроды для диапазона крайне низких и низких частот.

В учебном пособии рассматриваются структурно-функциональные характеристики биологических объектов, знание которых оказывается необходимым при разработке средств измерения и методик обследования на крайне низких частотах, крайне высоких частотах, в оптическом диапазоне частот. Описываются физические принципы, характеристики и основы проектирования измерительных преобразователей, входящих в состав медицинских приборов, анализируются следующие понятия: строение вещества; структура и определения живого; время, собственное время, биологические ритмы.

Рассмотрены характеристики фонового излучения в ультрафиолетовой области спектра. Описаны оптические характеристики земной атмосферы. Приведены модели яркости безоблачного дневного неба в ультрафиолетовой области спектра.

Рассмотрено практическое применение программы OSS на примерах синтеза оптических систем различного назначения. Представлены примеры синтеза пятигруппового панкратического объектива и панкратического объектива типа PIN HOLE, светосильного объектива для ИК-области спектра и светосильного объектива типа объектива Петцваля, а также пример синтеза миниатюрного широкоугольного объектива с вынесенным входным зрачком. Показаны примеры задания характеристик объективов в программе OSS, формирования оптимизационной модели. Рассмотрены вопросы параметрического синтеза тонких компонентов и создания рабочего каталога стекол для синтеза.

В пособии представлен программный комплекс цифрового моделирования в режиме реального времени характеристик заметности целей в лазерных и инфракрасных локационных системах. Рассмотрены статистические, структурные и алгебраические методы, методики и алгоритмы формирования цифровых моделей отражательных и излучательных характеристик 3D-объектов в системах оптической локации. На основе современных методов интеллектуального анализа данных предложено решение важных практических задач сжатия информации, полученной в результате имитационного цифрового моделирования, а также формирования информативных признаков для распознавания и классификации целей. Комплекс гарантирует требуемую адекватность получаемых данных и позволяет заменить дорогостоящие полигонные измерения универсальным и гибким вычислительным экспериментом.

Дано описание современных оптико-электронных систем дистанционного зондирования с искусственных спутников Земли: спутниковых метеорологических систем NOAA и MetOp; спутников серии EOS; спутников с аппаратурой высокого и сверхвысокого разрешения; российских спутников «Метеор-М», «Ресурс ДК-1», «Электро-Л» и «Канопус-В», а также современных спутниковых радиометров AVHRR, MODIS и ASTER.

Изложены принципы построения импульсных и фазовых дальномерных устройств. Приведены методики определения предельной измеряемой дальности и расчет точностных параметров дальномеров. Рассмотрены методы цифровой обработки сигналов, улучшающие характеристики приборов измерения дальности. Дано описание современной элементной базы.

Учебное пособие состоит из четырех разделов, посвященных лазерной обработке материалов, используемых в микроэлектронике. Рассмотрены такие часто используемые процессы, как обработка полупроводников и отжиг имплантированных слоев в полупроводниках, перекристаллизация и стабилизация параметров тонких слоев в полупроводниках, модифицирование и изменение химического состава поверхностных слоев путем лазерного напыления тонких пленок, осаждение пленок из газовой фазы и растворов. Большое внимание уделено вопросам обработки тонких пленок в виде лазерной подгонки пленочных резисторов, конденсаторов; вопросам лазерной литографии, записи информации.

Рассмотрено решение задачи придельного сбрасывания груза с авиационного носителя, описаны особенности работы и схемотехнического исполнения оптических прицелов бомбометания (ОПБ), а также систем наведения управляемых авиационных бомб (УАБ), приведен порядок выбора и расчета основных характеристик визирной системы и прицельных параметров ОПБ, дана количественная оценка ожидаемой методической погрешности наведения УАБ системами их управления трех поколений.

Рассмотрены основы аналоговых лазерных систем обработки информации, а также вопросы структурно-функциональной организации когерентных аналоговых Фурье-процессоров.

В учебном пособии изложены физические процессы в полупроводниковых приборах, их основные свойства, характеристики и параметры, конструктивно-технологические особенности. Рассмотрена схемотехника усилительных каскадов, операционных усилителей, преобразовательных устройств средней и большой мощности.

В пособии рассматриваются общие вопросы проектирования технических систем, правила оформления технической документации, даются основы взаимозаменяемости и основы расчета прочности и жесткости конструкций. Приводятся общие сведения о приборах, их назначении, составе и метрологических характеристиках, анализируется структура измерительных приборов. Рассматриваются вопросы расчета и конструирования различных видов механизмов приборов, таких как передачи, опоры, муфты, упругие элементы, а также даются сведения о способах соединения деталей и узлов.

В учебном пособии рассмотрены средства измерений электрических величин с позиции проектирования аналоговых измерительных устройств; теоретические вопросы структурных схем, расчеты их статических и динамических погрешностей. Широко представлены аналоговые электронные преобразователи и приборы. Кратко изложены вопросы проектирования приборов сравнения: мосты, компенсаторы. Приведены примеры контрольных заданий и их решения, расчета электронных схем приборов, проектирование основных преобразователей.

В пособии изложены физические основы лазерных технологических операций, связанных с обработкой материалов (сварка, резка, термоупрочнение, и др.), в том числе биотканей (коагуляция, резание, силовая и низкоэнергетичная терапия). Анализируются физические процессы, протекающие в материалах, принципы моделирования нагрева вещества лазерным излучением, режимы лазерной обработки материалов на технологических установках, приводятся примеры применения лазеров в медицине и соответствующая лазерная медицинская техника.

Изложены общие вопросы методологии проектирования современных оптических и оптико-электронных приборов, особенности использования компьютерного моделирования на разных этапах проектирования, а также методы оценки качества объекта проектирования. Предлагаются вопросы для самоконтроля и тестирования в процессе изучения дисциплины. Соответствует утвержденной рабочей программе дисциплины «История и методология оптотехники».

Учебное пособие написано в соответствии с программой по иностранным языкам для неязыковых вузов и рассчитано на студентов, обучающихся по специальности «Оптические и оптикоэлектронные системы». Оно может использоваться также при обучении иностранному языку по специальности «Электронные приборы». Данное учебное пособие ставит целью обучение лексике, различным видам чтения специальной литературы, развитие навыков устной речи с профессиональным уклоном, включает тексты-образцы диалогической речи. Тематика текстов определяется требованиями учебной программы. Предполагается, что работа по данному пособию подготовит студентов к переводу оригинальной литературы по основным разделам оптоэлектроники.

В учебном пособии излагаются основные понятия о лазерах, их устройстве, и принципах работы. Подробно рассмотрено физико-биологическое воздействие лазеров на человека с точки зрения их клинического применения. Учебное пособие рассчитано на студентов изучающих дисциплину «Основы лазерной и плазменной техники», оно направлено на усвоение студентами тем дисциплины и формирование у них глубоких специальных знаний.

Изложены теория, методы расчета и проектирования оптико-электронных следящих линейных и нелинейных систем, широко используемых при решении различных задач в области управления, прежде всего в военной технике. Даны методы их анализа и синтеза, учитывающие специфику систем пространственного слежения с модуляцией. Особое внимание уделено получению инженерных зависимостей для параметров звеньев систем с точки зрения обеспечения оптимальности их характеристик. Оптико-электронные прицельные системы освещаются на примере базовой конфигурации, разработанной для истребителя СУ-27. Рассмотрены основные задачи и характеристики этих систем, элементная база, принципы проектирования и работы в различных режимах. Может быть полезна специалистам, занимающимся разработкой оптико-электронных следящих и прицельных систем.

Изложены краткие теоретические сведения об электронных компонентах. Приведена методика выполнения лабораторных работ по исследованию их характеристик.

В учебнике изложены сведения об элементной базе и устройствах, применяемых в оптоэлектронных приборах (приборы ночного видения, тепловизоры, прицелы, дальномеры). Рассмотрены принцип действия и характеристики источников излучения, фотоприемников, электронно-оптических преобразователей изображений видимого и ИК-диапазонов. Приведены примеры практической реализации оптоэлектронных приборов, решающих задачи визуализации, обнаружения, измерения, управления при наличии помех, дестабилизирующих факторов и жестких габаритно-весовых ограничений.

Монография посвящена решению актуальных проблем создания аппара¬турно-технологических и аппаратурно-физических комплексов применительно к задачам электронного приборостроения, оптимизации аппаратурного обеспе¬чения плазменных технологических процессов в современном вакуумном при-боростроении. Возбуждение химически активных сред рассматривается с учетом энерго- и массообмена (неравновесная плазма). Предложены методы использования высокочастотных полей с особыми частотно-спектральными свойствами для создания однородных и пространственно развитых плазменных объемов. Большое внимание уделено созданию современных высокоэффективных генераторов низкотемпературной плазмы - плазмотронов: Е-типа и Н-типа, гибридных генераторов, а также многоканальных пространственно распреде-ленных генераторов, позволяющих реализовать различные технологические операции. Особое внимание уделяется природоохранным аспектам использования техногенных устройств, какими являются высокочастотные и сверхвысо-кочастотные плазмотроны.

Цель настоящей книги состоит в систематическом изложении теории, методов расчета и проектирования ОЭСС. Книга построена в соответствии с программой курса по дисциплине «Оптико-электронные следящие системы» для направления подготовки дипломированных специалистов 200200 «Оптотехника» по специальности 200203 «Оптико-электронные приборы и системы». Издание также представляет интерес для специалистов, занимающихся разработкой ОЭСС. Основной материал книги представлен в трех частях.

Рассматриваются методы и средства оптических измерений, теория точности оптических измерений, способы определения порогов чувствительности и характеристик точности методов и аппаратуры. Представлены современные подходы к анализу функциональных схем оптических контрольно-измерительных устройств, определены требования к их оптическим и метрологическим характеристикам, созданию схем и методик оптических измерений согласно возникающим задачам. Учебное пособие написано в соответствии с программой учебной дисциплины "Оптические измерения".