Анализ этапов развития отдельных направлений оптической техники
ОГЛАВЛЕНИЕ
В измерительных устройствах
Применение лазеров
Учебное пособие
Рекомендовано УМО вузов РФ по образованию в области приборостроения и оптотехники в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений для направления подготовки 200500 – Лазерная техника и лазерные технологии, обучающихся в магистратуре по программам «Лазерные биомедицинские технологии» и «Лазерные микро- и нанотехнологии»
Санкт-Петербург
Нелепец А.В., Тарлыков В.А. Применение лазеров в измерительных устройствах. Учебное пособие. СПб: СПбНИУ ИТМО, 2011, 142 с.
В пособии изложены физические основы применения лазеров для измерения физических и геометрических параметров объекта. Рассмотрены современные приложения лазерных измерительных технологий.
Учебное пособие предназначено для студентов специальностей 200201 «Лазерная техника и лазерные технологии», 200203 «Оптико-электронные приборы и системы», а также для студентов, обучающихся в магистратуре по программам «Лазерные биомедицинские технологии» и «Лазерные микро- и нанотехнологии».
Илл. - 84 , список лит. – 9.
ã Санкт–Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, 2011
ã Нелепец А.В., Тарлыков В.А., 2011
Введение. 5
1. Тенденции развития лазерной и биомедицинской техники в мире. 6
I. Стабилизация лазерных параметров. 11
1.1. Основные области применения лазерных измерителей. 11
1.2. Лазеры, применяемые в измерительных устройствах. 13
1.3. Стабилизация мощности излучения лазеров. 16
1.4. Стабилизация частоты излучения лазеров. 23
1.5. Газовый лазер как стандарт частоты.. 32
1.6. Определение понятия “датчик”. 39
1.7. Синхронное детектирование. 42
II. Лазеры в промышленности и научных исследованиях. 46
2.1. Метод экспериментального определения диаметра пучка лазерного излучения 46
2.2. Лазерные доплеровские интерферометры для измерения скорости. Принцип лазерной доплеровской интерферометрии. 49
2.3. Лидары.. 55
2.4. Лазерный гироскоп. 72
2.5. Применение эффекта самоизображения в оптических измерениях. 76
2.6. Лазерная дифрактометрия. 89
III. Лазеры в биологических исследованиях. 96
3.1. Лазерная дифрактометрия эритроцитов. 96
3.2. Дифрактометрия агрегации эритроцитов. 102
3.3. Использование сил светового давления для исследования физических параметров микрообъектов. 112
3.4. Оптические способы деформирования микрочастиц. 130
Список рекомендуемой литературы.. 138
Введение
Экспертные оценки мировых тенденций развития рынка высоких технологий, сделанные рядом западных аналитиков, анализ конкурентных преимуществ и наработанного интеллектуального потенциала позволяют сделать заключение, что Россия имеет все возможности быть полностью конкурентоспособной на мировом рынке в таких отраслях, как оптика, лазерные технологии, биотехнологии, металлургия, композиционные материалы, авиация и ряде других отраслей, базирующихся на использовании высоких технологий.
Современные оптические технологии в последнее время проникают почти во все сферы человеческой деятельности и во многих случаях предопределяют прогресс в развитии больших и важных направлений науки, техники и производства. Это обусловлено тем, что на современном уровне развития оптические приборы предоставляют весьма широкие возможности для познания окружающего мира, приема, передачи и обработки информации, а также автоматизации управления различными объектами, физическими и технологическими процессами. Изучая характеристики излучения, можно исследовать процессы, происходящие на уровнях атомного ядра, атома, молекулы, клетки и протекающие во Вселенной.
Скорость распространения излучения имеет максимально возможную в природе величину, что потенциально обеспечивает максимальное быстродействие устройств и систем, в которых используется это излучение в качестве переносчика первичной информации.
Увеличение трудоемкости функциональных задач, решаемых с помощью оптико-электронных систем, требующих применения сложных алгоритмов обработки информации с использованием современных математических методов оптимизации и статистики, повышение требований к объему обрабатываемой информации, быстродействию, надежности и сервисным качествам оптико-электронных систем привели к тому, что в состав этих систем стали включаться микропроцессоры и малогабаритные электронные вычислительные машины.
В настоящее время приборостроение и оптотехника стали одними из главных источников научно-технического прогресса в мире, что связано, прежде всего, с развитием:
· информационной и информационно-измерительной техники;
· широким использованием вынужденного излучения, источником которого служит лазер;
· более активным применением всего оптического диапазона – от ультрафиолета до далекой инфракрасной области;
· появлением такого нового научно-технического направления как “Приборы и системы лучевой энергетики”.
1. Тенденции развития лазерной и биомедицинской техники в мире
(по материалам публикаций)
Информация о современных тенденциях развития научного знания в области оптотехники и анализ тенденций развития в пределах выделенных направлений был выполнен на основе электронных баз данных журналов и конференций. Поиск был проведен на основе данных Американского Оптического Общества (OSA), электронных баз данных Российских патентов, Американского бюро патентов и торговых марок, Scopus по материалам 1997-2007 годов, Международного общества по оптической технике SPIE, а также материалов международных конференций «Прикладная оптика» за 1994-2006 гг.
В результате поиска была собрана информация о современных тенденциях развития оптотехники (таблица 1). Информация была структурирована и ранжирована по шести укрупненным группам направлений оптотехники:
1. волоконно-оптическая и интегрально-оптическая техника;
2. оптические научно-исследовательские приборы;
3. лазерная и биомедицинская техника;
4. устройства управления излучением;
5. оптические элементы;
6. оптические материалы.
Такой подход обусловлен тем, что должно выдерживаться соответствие между содержанием и технологиями образования и современными тенденциями развития научного знания по направлению (специальности) подготовки.
Таблица 1
Направления развития оптотехники
| № | Направление развития оптотехники | Число публикаций 1997-2007 гг. |
| Оптические научно-исследовательские приборы | 241 161 | |
| Оптические материалы | 163 945 | |
| Лазерная и биомедицинская техника | 160 339 | |
| Оптические элементы | 139 822 | |
| Волоконно-оптическая и интегрально-оптическая техника | 128 613 | |
| Устройства управления излучением | 114 297 |
Для наглядности эти же данные представлены и в виде диаграммы (рис. 1).
Рис. 1. Тенденции развития оптотехники по шести выделенным группам направлений развития
Анализ текущего состояния развития технических систем оптотехники проводился в пределах каждой группы направлений, на основе сопоставления информации патентных ведомств и публикаций в научных журналах и материалах конференций. За основу анализа были взяты материалы из книги [Альтшуллер Г.С. Найти идею. Введение в теорию решения изобретательских задач. – Новосибирск: Наука, 1986.].
Технические системы, как и биологические (и любые другие), не вечны: они возникают, переживают периоды становления, расцвета, упадка и, наконец, сменяются другими системами. Типичная история жизни технической системы показана на рис. 2, где на оси абсцисс отложено время, а на оси ординат ‑ один из главных показателей системы.
 |
Рис. 2. История жизни технической системы (изменение количества изобретений)
Возникнув, новая техническая система далеко не сразу находит массовое применение: идет период обрастания системы вспомогательными изобретениями, делающими новый принцип практически осуществимым. Быстрый рост начинается только с точки 1. Далее система энергично развивается, ассимилируя множество частных усовершенствований, но сохраняя неизменным общий принцип. С какого-то момента (точка 2) темпы развития замедляются. Обычно это происходит после возникновения и обострения противоречий между данной системой и другими системами или внешней средой. Некоторое время система продолжает развиваться, но темпы развития падают, система приближается к точке 3, за которой исчерпывают себя физические принципы, положенные в основу системы. В дальнейшем система остается без изменений или быстро регрессирует.
Изменение количества изобретений на разных этапах развития системы иллюстрируется пунктирной кривой на рис. 2.
Первый пик связан с переходом к массовому применению системы, второй – с попытками множеством мельчайших изобретений продлить жизнь одряхлевшей системы.
Сопоставляя данные по количеству ссылок на патенты и публикации в научных изданиях можно косвенно выявлять этапы развития технической системы.
Согласно закону “S-образного” развития технических систем (рис. 2.) и характерной последовательности изложения научно-технической информации в патентных и реферативных источниках (патенты опережают публикации в журналах и трудах конференций), в сформированных группах направлений оптотехники была сделана попытка выявления этапов развития устройств в настоящем.
Если патентная информация (графа Patent worldwide) превалирует над реферативной (графа Scopus), то устройства находятся на этапе «резкого скачка», в обратном случае устройства находятся на этапе многообразия («насыщения»).