19. Определение эффективности проекта (Принципы определения экономического эффекта на стадиях технико-экономического обоснования проекта. Интегральный эффект. Индекс рентабельности. Норма рентабельности. Период окупаемости.)

20. Инновационная инфраструктура. Ключевые элементы.

Инновационная инфраструктура - комплекс взаимосвязанных структур, обслуживающих и обеспечивающих реализацию инновационной деятельности.

"...Инновационная инфраструктура - совокупность субъектов инновационной деятельности (научно-исследовательские институты, учреждения высшего профессионального образования, инновационно-технологические центры, технологические парки, особые экономические зоны, центры коллективного пользования, фонды развития и другие специализированные организации), ресурсов и средств, обеспечивающих материально-техническое, финансовое, организационно-методическое, информационное, консультационное и иное обслуживание инновационной деятельности..."

Ключевые элементы Инновационной инфраструктуры:

1. Технопарковые структуры

• Технопарки-это самостоятельная организационная структура, создаваемая в сфере науки и научного обслуживания с целью поддержки малого научно-технического предпринимательства и формирования среды для освоения производства и реализации на рынке высокотехнологичной продукции.

• Инкубаторы(Бизнес-инкубатор ТГУ, бизнес-инкубатор ТУСУР) -это многофункциональные комплексы, предоставляющие разнообразные услуги новым инновационным фирмам, находящимся на стадии возникновения и становления.

• Технополюсы(ТВЗ, академгородки)-Технополис представляет собой целостную научно-производственную структуру, созданную на базе отдельного города, в экономике которого заметную роль играют технопарки и инкубаторы. Новые товары и технологии, разработанные в научных центрах, используются для решения всего комплекса социально-экономических проблем города.

• Технорегионы(Сколково)

2. Информационно технологические и информационно аналитические структуры

• Все БД

• ФИПС

• Библиотеки

• Системы консультант плюс

21. Модели В. Леонтьева

22. Схема потоков производства и распределения продукта (кибернетическое представление отрасли).

23. Одноотраслевые соотношения баланса. Одноотраслевые уравнения динамики

24. Производственная функция. Свойства. Изокоста. Изокванта.

25. Многоотраслевое моделирование. ( 12 вопросов надо разобрать) выделены ЗЕЛЕНЫМ)

ОТВЕТЫ по разделу «Физические основы технических систем».

1. Спонтанное и вынужденное излучение, поглощение.

В лазере используются три фундаментальных явления: процессы спонтанного, вынужденного излучения и процесс поглощения.

Спонтанное излучение

Р ассмотрим в некоторой среде два энергетических уровня 1 и 2 с энергиями Е1и Е2 (Е1 < Е2).Примем уровень 1 за основной. Предположим, что атом (или молекула) вещества находится первоначально в состоянии, соответствующем уровню 2. Поскольку Е₂> Е₁, атом будет стремиться перейти на уровень 1. Следовательно, из атома должна выделиться соответствующая разность энергий Е₂ — Е₁. Когда эта энергия высвобождается в виде электромагнитной волны, процесс называют спонтанным излучением. Таким образом, спонтанное излучение характеризуется испусканием фотона с энергиейhv= Е₂ — E1 при переходе атома с уровня 2 на уровень 1 (рис. 1.1).

Вынужденное излучение

Предположим снова, что атом первоначально находится на верхнем уровне 2 и на вещество падает электромагнитная волна с частотой n. Поскольку частоты падающей волны и излучения, связанного с атомным переходом, равны друг другу, имеется конечная вероятность того, что падающая волна вызовет переход (2®1) атома с уровня 2 на уровень 1. При этом разность энергий Е2‑Е1выделится в виде электромагнитной волны, которая добавится к падающей. Это и есть явление вынужденного излучения.

В случае вынужденного излучения, поскольку процесс инициируется падающей волной, излучение любого атома добавляется к этой волне в той же фазе. Падающая волна определяет также направление распространения испущенной волны.

Поглощение

Предположим, что атом первоначально находится на уровне 1. Если это основной уровень, то атом будет оставаться на нем до тех пор, пока на него не подействует какое-либо внешнее возмущение.

Пусть на вещество падает электромагнитная волна с частотой n. В таком случае существует конечная вероятность того, что атом перейдет на верхний уровень 2. Разность энергий Е2 — Е1необходимая для того, чтобы атом совершил переход, берется из энергии падающей электромагнитной волны. В этом заключается процесс поглощения.

Число атомов в единице объема, находящихся на данном энергетическом уровне, будем называть населенностьюэтого уровня.

2. Принцип работы лазера. Схема устройства лазера. Схемы накачки.

Рассмотрим в какой-либо среде два произвольных энергети­ческих уровня 1 и 2 с соответствующими населенностями N1 и N2. Пусть в этой среде в направлении оси z распространяется плоская волна с интенсивностью, соответствующей плотности потока фотонов F.. В случае N2>N1 среда ведет себя как усиливающая, а в случае N2<N1 ‑ как поглощающая. Известно, что при термодинамическом равновесии населенности энергетических уровней описываются статистикой Больцмана. Так, если N1е и N2е ‑ населенности двух уровней при термодинамическом равновесии, то мы имеем: N2е/N1е = exp[‑ (E2 ‑ E1)/kT], (1), где k ‑ постоянная Больцмана, а Т ‑ абсолютная температура среды. Таким образом, в случае термодинамического равновесия N2<N1. Если удастся достигнуть неравновесного состояния, для которого N2>N1, то среда будет действовать как усилитель.

В этом случае будем говорить, что в среде существует инверсия населенностей, имея в виду, что разность населенностей (N2 ‑ N1>0) противоположна по знаку той, которая существует в обычных условиях (N2е ‑ N1е <0). Среду, в которой осуществлена инверсия населенностей, будем называть активной средой.

Если частота перехода n = (Е2 ‑ Е1)/h попадает в СВЧ-диапазон, то соответствующий усилитель называется мазером. Если же частота перехода v соответствует оптическому диапазону, то усилитель называется лазером.

Для того чтобы усилитель превратить в генератор, необходимо ввести подходящую положительную обратную связь. В СВЧ-диапазоне это достигается тем, что активную среду помещают в объемный резонатор, имеющий резонанс при частоте v. В лазере обратную связь обычно получают размещением активной среды между двумя зеркалами с высоким коэффициентом отражения (например, между плоскопараллельными зеркалами, рис. 1.3). В этом случае плоская электромагнитная волна, распространяющаяся в направлении, перпендикулярном зеркалам, будет поочередно отражаться от них, усиливаясь при каждом прохождении через активную среду. Если одно из двух зеркал сделано частично прозрачным, то на выходе системы можно выделить пучок полезного излучения.

Р ис.1.3.

Однако как в мазерах, так и в лазерах генерация возможна лишь при выполнении некоторого порогового условия. Например, в лазере генерация начинается тогда, когда усиление активной среды компенсирует потери в нем (скажем, потери, обусловлен­ные частичным выходом излучения из резонатора через зерка­ло). В соответствии с выражением (1.7) усиление излучения за один проход в активной среде (т. е. отношение выходной и вход­ной плотностей потока фотонов) равно , где L — длина активной среды. Если потери в резонаторе опреде­ляются только пропусканием зеркал, то порог генерации достигнут при выполнении условия R₁*R₂ *exp [2σ(N₂—N₁)L]=1, где R₁ и R₂ — коэффициенты отражения зеркал по интенсив­ности. Это условие показывает, что порог достигается тогда, когда инверсия населенностей приближается к некоторому кри­тическому значению (N₂- N₁)_крит., называемому критической инверсией и определяемому соотношением (N₂- N₁)_крит= -ln (R₁*R₂)/2 σL (1.9)

Как только достигнута критическая инверсия, генерация разо­вьется из спонтанного излучения. Этот механизм и лежит в основе лазерного генерато­ра, называемого обычно просто лазером. Заметим также, что названия твердотельный, жидкостный и газовый лазер определяются агре­гатным состоянием активной среды.

Активная среда - среда, в которой осуществлена инверсия населенностей. Если частота перехода n соответствует оптическому диапазону, то усилитель называется лазером.

Рис. 4. а) рассеиватель, б) усилитель,в) генератор (1 - активная среда, 2 - система накачки, 3 - излучение, 4 - резонатор)

Активная среда - среда, в которой осуществлена инверсия населенностей.

Если частота перехода n соответствует оптическому диапазону, то усилитель называется лазером.

Инверсия населенностей. На первый взгляд может показаться, что инверсию можно было бы создать при взаимодействии среды с достаточно сильной электромагнитной волной частоты v, определяемой выражением. Поскольку при термодинамическом равновесии уровень 1 заселен больше, чем уровень 2, поглощение преобладает над вынужденным из­лучением, т. е. под действием падающей волны происходит больше переходов 1 на 2 ,чем переходов 2 на 1., и можно на­деяться осуществить таким путем инверсию населенностей. Однако нетрудно заметить, что такой механизм работать не будет (по крайней мере в стационарных условиях). Когда на­ступят условия, при которых населенности уровней окажутся одинаковыми N₂=N₁ , процессы вынужденного излучения и поглощения начнут компенсировать друг друга и в соответ­ствии с dF = sF(N2 ‑N1)dz (1.7) среда станет прозрачной. В такой ситуации обычно говорят о двухуровневом насыщении. Таким образом, используя только два уровня, невозможно получить инверсию населенностей

Рис. 1.4. Трехуровневая (а) и четырехуровневая (б) схемы лазера

В трехуровневом лазере атомы каким-либо способом переводятся с основного уровня 1 на уровень 3. Если выбрана среда, в которой атом, оказавшийся в возбужденном состоянии на уровне 3, быстро переходит на уровень 2, то в такой среде можно получить инверсию населенностей между уровнями 2 и 1.

В четырехуровневом лазере атомы также переводятся с основного уровня (для удобства будем называть его нулевым) на уровень 3. Если после этого атомы быстро переходят на уровень 2, то между уровнями 2 и 1 может быть получена инверсия населенностей.

Когда в таком четырехуровневом лазере возникает генерация, атомы в процессе вынужденного излучения переходят с уровня 2 на уровень 1. Поэтому для непрерывной работы четырехуров­невого лазера необходимо, чтобы частицы, оказавшиеся на уров­не 1, очень быстро переходили на нулевой уровень.

Процесс, под действием которого атомы переводятся с уровня 1 на уровень 3 (в трехуровневой схеме лазера) или с уровня 0 на уровень 3 (в четырехуровневой схеме), называется на­качкой. Имеется несколько способов, с помощью которых мож­но реализовать этот процесс на практике, например при по­мощи некоторых видов ламп, дающих достаточно интенсивную световую волну, или посредством электрического разряда в активной среде. Однако следует заметить, что если верхний уровень накачки пуст, то скорость, с которой верхний лазерный уровень 2 станет заселяться с помощью на­качки (dN2/dt)p, в общем случае можно записать в виде (dN2/dt)p = WpNg. (1.10)

ЗдесьNg — населенность основного уровня (т. е. уровня 1 или 0 соответственно на рис. 1.4, а и б), aWp — коэффициент, ко­торый будем называть скоростью накачки. Для того чтобы до­стигнуть пороговых условий, скорость накачки должна превы­сить некоторое пороговое или критическое значение, которое мы будем обозначать как Wкр.

3. Свойства лазерного излучения: когерентность, монохроматичность, длительность импульсов.

Особые свойства лазерных пучков.

1.монохроматичность

2.когерентность

3.направленность

4.яркость

5.импульсы малой длительности

М онохроматичность лазерного излучения определяется как:

где - ширина линии генерации, - ее центральная частота.

Высокая степень монохроматичности лазерного излучения определяет высокую спектральную плотность энергии - высокую степень концентрации световой энергии в очень малом спектральном интервале.

М онохроматичность определяется двумя следующими обстоятельствами: 1) усиливаться может электромагнитная волна только с часто­той v, определяемой выражением

2) поскольку устрой­ство из двух зеркал образует резонатор, генерация может возникать только на резонансных частотах этого резонатора. Последнее обстоятельство приводит к тому, что ширина линии лазерного излучения часто бывает много уже (приблизительно на шесть порядков величины!), чем обычная ширина линии пе­рехода 2 на 1, которая наблюдается при спонтанном излучении.

Когерентность: пространственная; временная

Временная когерентность определяется временем tk (время когерентности), в течение которого излучение, испущенное из одной точки источника (или приходящие в данную точку пространства), остается когерентным (скажем, дает интерференционную картину в интерферометре Майкельсона).

В ременная когерентность связанна с монохроматичностью:

Пространственная когерентность определяется как когерентность излучения, испущенного из разных, находящихся на некотором расстоянии друг от друга точек источника, и может быть определена по контрасту интерференционных полос в известном опыте Юнга с двумя щелями. При работе лазера в одномодовом режиме достигается полная пространственная когерентность, что определяет высокую направленность лазерного излучения.

Направленность

Направленность лазерного излучения обеспечивается тем, что в открытом резонаторе могут возбуждаться только такие волны, которые направлены по оси резонатора или под очень малыми углами к ней.

Рис. 1.6. Расходимость плоской элек­тромагнитной волны вследствие ди­фракции.

Электромагнитная волна

Яркость

Основная фотометрическая величина, характеризующая излучательную способность тел в данном направлении.

Яркость лазера даже небольшой мощности (например, несколько милливатт) на несколько порядков превосходит яркость обычных источников. Это свойство в основном является следствием высокой направленности лазерного пучка.

Б лагодаря высокой направленности лазерные источники света обладают очень высокой яркостью, из-за чего на мишени можно получить очень большую интенсивность света. Так, ге

лий-неоновый лазер с мощностью всего 10 мВт и расходимостью излучения 3·10-4 радиан при площади пучка 0,1 см2 имеет яркость 106 Вт/(см2*стерадиан), что во много раз превышает яркость Солнца (130 Вт/(см2· стерадиан)).

Импульсы малой длительности

При помощи специального метода, называемого синхронизацией мод, можно получить импульсы света, длительность которых приблизительно обратно пропорциональна ширине линии перехода 2 на l. Например, в газовых лазерах, ширина линии усиления которых относительно узкая, можно получать им- пульсы излучения длительностью — 0,1 — 1 нс. Такие импульсы не рассматриваются как очень короткие, поскольку даже некоторые лампы-вспышки способны излучать световые импульсы длительностью менее 1 нс. Однако у твердотельных или жидко­стных лазеров ширины линий усиления могут быть в 10³— 10⁵ раз больше, чем у газовых лазеров, и поэтому генерируемые ими импульсы оказываются значительно короче (от 1 пс до ~30 фс). Получение столь коротких импульсов света привело к новым возможностям в лазерных исследованиях и их приме­нениях.

4. Поляризация. Угол Брюстера. Резонатор и ширина линии. Спектральный состав лазерного излучения. Параметры спектра излучения распространенных лазеров.

Поляризация — для электромагнитных волн это явление направленного колебания векторов напряженности электрического поля E или напряженности магнитного поля H.

Рис. 1. Мгновенное распределение электрического (Е) и магнитного (Н) полей в линейно-поляризованном свете с длиной волны l

tgaВ = n

Для обыкновенного стекла n»1,5 и a В » 56o

Рис. 2. Отражение поляризованного света от границы «воздух – стекло» при коэффициенте преломление стекла n=1,5.

а – ход лучей и ориентация векторов электрического поля для поляризационных составляющих;

б – зависимость коэффициента отражения от угла падения. Точка, в которой кривая, относящаяся к р-составляющей поляризации, касается оси абсцисс, соответствует углу Брюстера.