История и методология фотоники и оптоинформатики. Учебное пособие

Отношение модели и объекта - тождество.

Модель заменяет изучаемый объект в модельном эксперименте. Основанием для такого переноса является именно аналогия, подобия между моделью и объектом и, следовательно - обеспечение подобия объектов.

При всем этом выводы модельного эксперимента сохраняют определенную степень вероятности и при переходе от знания к реально существующему объекту возможно определенное расхождение.

При переходе к теоретическому знанию обычно строятся разнообразные модели.

Модель -это не только идеализированный объект, но и некоторое взаимодействие этих объектов.

В теоретическом познании особую роль играет эксперимент (мысленный), который обычно строится на мысленных моделях. Это существенно отличается от реального эксперимента, т.к. в мысленном эксперименте свойства изучаемых объектов должны быть доведены до максимума и минимума, которые в принципе не достижимы.

Модель выполняет и эвристическую функцию, может быть и источником нового знания. Моделирование нашло применение не только в познании природы, но и в познании общества, различных сторон жизни. К тому же оно является не только средством получения знаний, но и средством прогнозирования.

Модель является новым объектом, который отражает существенные особенности изучаемого объекта, явления, процесса.

Один и тот же объект иногда имеет множество моделей, а разные объекты могут описываться одной моделью.

Существуют 3 классификации моделей:

1.По области применения (научные, учебные, опытные, деловые игры и т.д.),

2.По временному фактору (динамические, статические),

3.По способу представления (материальные, информационные).

41

Предметные модели служат для воспроизведения геометрических, физических и других свойств объектов в материальной форме (глобус, модель кристаллической решетки, детские игрушки и др.).

Модели знаковые (информационные) представляют объекты и процессы в форме рисунков, схем, таблиц, текстов и т.д. Информационные же бывают компьютерные и некомпьютерные.

Модели — представления объектов или процессов реального или вымышленного мира.

Основные виды моделей:

1.графические представления - графические изображения объектов и процессов;

2.натурные;

3.математические - математические описания объектов, выражаемые с помощью математических формул и уравнений; это совокупность математических объектов (данных) и отношений между ними, отражающих некоторые свойства моделируемого процесса; это система уравнений и неравенств, описывающих поведение объекта с некоторой степенью точности. На основе словесной формулировки задачи, выбираются входные и выходные переменные, записываются ограничения, образующие в совокупности математическую модель решаемой задачи;

4.информационно-логические - формальные описания объектов, допускающие их представление и обработку на ЭВМ.

Свойства моделей: адекватность, полнота, детальность

и т.п.

Адекватность — степень соответствия модели представляемым объектам.

Модели движения бывают аналитические, дифференциальные, разностные.

Примеры моделей в физики: материальная точка,

равномерное прямолинейное движение, равноускоренное

42

движение, абсолютно твердое тело, абсолютно черное тело, абсолютно упругий удар, абсолютно неупругий удар, абсолютно несжимаемая жидкость, идеальный газ, однородное магнитное поле, однородное электрическое поле. Многие физические законы справедливы только в рамках своих физических моделей, например, уравнение Менделеева-Клайперона (верно только для идеального газа).

4.4Компьютерное моделирование в фотонике

1.Компьютерное моделирование - один из методов научного познания. Компьютерное моделирование характеризуется сращиванием эмпирических и теоретических исследований, образованием нового стиля мышления (междисциплинарностью). Оно определяет новые подходы к организации исследований, реализуемых с помощью информационных и компьютерных технологий.

2.Компьютерное моделирование как метод специфического научного познания реализуется через построение моделей объектов познания и их использование как инструментов познания реальных процессов и явлений. Его можно рассматривать как техническую реализацию конкретной формы знакового моделирования, осуществляемого в виде схем, графиков, формул, графов, 3D объектов и т.п. Опытное исследование заменяется логическим анализом, и новое знание получается путем дедукции из описания компьютерной модели. Благодаря данному моделированию возможно расширение области явлений, которые возможно моделировать: от явлений живой природы, социальной жизни до различных форм психической и интеллектуальной деятельности.

3.Компьютерное моделирование используется во всех сферах деятельности человека. Человек с помощью компьютерных технологий освободил себя от рутинного умственного труда. Как субъект познания человек контролирует процесс на более высоком уровне: целевых установок, концепции познания, коррекции способов и методов получения адекватного знания об объекте.

43

4. Компьютерное моделирование используется в поиске и анализе научной информации.

Компьютерное моделирование содержит: субъект, с определенными целями исследующий закономерности процессов или явлений, объект исследования в форме компьютерной модели, инструмент моделирования — компьютер. Компьютер на современном этапе развития приобретает особую роль. Важным вопросом в методологии компьютерного моделирования является адекватное построение компьютерных моделей.

5. Проверка адекватности моделей.

Как правило достаточным условием истинности результатов моделирования и любых других форм познания является совпадение результатов исследования с наблюдаемыми фактами.

Программы компьютерного моделирования для задач фотонки:

1) HFSS - метод конечных элементов;

Самым известным пакетом электромагнитного моделирования, построенны конечных элементов используется в пакетах ANSYS/EMAG и Multiphysics компании ANSYS(г.

Питтсбурге, США ), в пакете FEMLAB шведской компании

COMSOL. Если пакеты HFSS и ANSYS/EMAG являются рабочими инструментами разработчиков электромагнитных устройств, то пакет FEMLAB ориентирован, на программное обеспечение для электромагнитного моделирования. Первые версии пакета FEMLAB работали в среде MATLAB. Но начиная с версии 3.0 пакет FEMLAB стал независимым программным продуктом. Ему уже больше не нужен MATLAB – хотя, естественно, эти пакеты остались всѐ так же совместимыми, поэтому пользователь FEMLAB’а имеет возможность увеличить функционирование этого пакета подключением разнообразных вычислительных и оптимизационных процедур из среды MATLAB. В пакете FEMLAB удобно тестировать новые концепции, новые модификации метода конечных элементов; пакет предоставляет для этого всю необходимую

44

инфраструктуру – генераторы конечноэлементных сеток, средства визуализации сеток и получаемых решений, средства быстрого программирования управляющих уравнений и т.д. Несомненным преимуществом пакета является возможность работы с мультифизическими процессами, где задействованы уравнения из разных областей физики (например, уравнения, описывающие распространение электромагнитных волн и теплоперенос), которые следует решать одновременно. Однако для разработчиков «железа» пакет FEMLAB, скорее всего, не подойдет. Дело в том, что при разработке конкретного электромагнитного устройства нужно не только провести конечноэлементное моделирование системы, но и получить по результатам моделирования набор выходных характеристик, понятных разработчику. Так, если в специализированных пакетах, таких как HFSS, вычисление всех необходимых характеристик системы уже внесено в программу и предоставлено пользователю через удобный интерфейс, то при использовании пакета FEMLAB придется применить усилия, чтобы заставить программу по результатам моделирования полей посчитать еще и некоторые интегральные их характеристики (например, матрицу рассеяния системы). Пакет Multiphysics имеет общий интерфейс для задания электромагнитных задач, и задач из других областей физики, в связи с чем он очень удобен для моделирования мультифизических процессов. В этой сфере он существенно более удобен, чем пакет FEMLAB, но имеет большую разницу в цене.

2) CST MICROWAVE STUDIOметод конечных разностей.

Метод конечных разностей используется в следующих программных пакетах:

1)Пакет QuickWave-3D польской компании QWED. Аналог этого пакета распространяется также английской компанией

Vector Fieldshttp под именем CONCERTO.

2)Пакет Microwave Studio немецкой компании CST.

3)Пакет FIDELITY компании Zeland Software.

4)Пакет XFDTD компании Remcom.

45

Разработчикам первых трех пакетов удалось решить главную проблему применения метода конечных разностей – избежать ступенчатой аппроксимации криволинейных поверхностей. Дело в том, что если программа работает с прямоугольной сеткой, то для достаточно точного описания криволинейных поверхностей сетку приходится делать очень густой, что приводит к значительным затратам вычислительных ресурсов, и даже делает невозможным расчет некоторых устройств на персональных компьютерах. Разработчики пакетов

QuickWave-3D, Microwave Studio и FIDELITY применили в своих программах конформные преобразования конечноразностных ячеек, что в свою очередь обеспечило возможность достаточно гладкой аппроксимации криволинейных границ даже на крупных сетках. Следует отметить, что приоритет в разработке этой технологии принадлежит двум компаниям – QWED и CST, которые пришли к этому решению независимо друг от друга еще в конце 90-х годов, тогда как компания Zeland Software ввела эту технику в свой программный продукт совсем недавно: оставаться конкурентоспособными на рынке с FDTD пакетом, использующим аппроксимацию прямоугольными ячейками было уже вряд ли возможным.

Среди других методов, используемых в программах электромагнитного моделирования, стоит отметить метод линий передачи (Transmission Line Method) и метод моментов (Method of Moments), которые также в ряде случаев способны дать неплохие результаты для трехмерных электромагнитных систем. На методе линий реализован, в частности, пакет

MEFiSTo компании Faustus.

Стоимость перечисленных программных пакетов сильно зависит от конфигурации, которую приобретает пользователь. Коммерческая стоимость колеблется от 10 до 70 тысяч долларов. Для университетов, как правило, предоставляются достойные скидки. Разработчики программ практикуют различные маркетинговые стратегии и по-разному оценивают целесообразность продвижения своих продуктов в

46

образовательной среде. Следует помнить, что университетская лицензия может предписывать использование программы только в исследовательских и учебных проектах, ограничивая или исключая ее коммерческое применение. Следовательно вопрос о цене и условиях, решается в непосредственных переговорах между покупателем и производителем программы.

Пусть имеется или необходимо создать некоторый объект А. Мы конструируем (материально или мысленно) или находим в реальном мире другой объект В - модель объекта А. Построения модели предполагает наличие некоторых знаний об объекте-оригинале. Познавательные возможности модели обуславливаются тем, что модель отражает какие-либо существенные черты объекта-оригинала. Вопрос о необходимости и достаточной мере сходства оригинала и модели требует конкретного анализа.

Таким образом, изучение одних сторон моделируемого объекта осуществляется ценой отказа от отражения других сторон. Поэтому любая модель замещает оригинал лишь в строго ограниченном смысле. Значит, для одного объекта может быть построено несколько "специализированных" моделей, концентрирующих внимание на определенных сторонах исследуемого объекта или же характеризующих объект с разной степенью детализации.

На следуем этапе процесса моделирования модель выступает как самостоятельный объект исследования. Формой такого исследования является проведение "модельных" экспериментов, при которых сознательно изменяются условия функционирования модели и систематизируются данные о ее "поведении". Конечным результатом этого этапа является получение знаний о модели R.

Третий этап есть перенос знаний с модели на оригинал и формирование множества знаний S об объекте. Этот процесс проводится по определенным правилам. Знания о модели должны быть скорректированы с учетом тех свойств объектаоригинала, которые не нашли отражения или были изменены при построении модели. Если этот результат необходимо связан с признаками сходства оригинала и модели, то мы переносим

47

данный результат с модели на оригинал. Если же определенный результат модельного исследования связан с отличием модели от оригинала, то этот результат переносить неправомерно.

Заключительный этап это: практическая проверка получаемых с помощью моделей знаний и их использование для создания теории для объекта, его преобразования или управления им.

Вопросы для самоконтроля

1.Назовите методы научного познания.

2.Назовите эмпирические методы познания.

3.Назовите теоретические методы познания.

4.Что такое анализ? Синтез?

5.Охарактеризуйте сущность методов индукции и дедукции.

6.Назовите три вида объектов

7.Каковы задачи эмпирического уровня познания?

8.Что такое научная теория?

9.Какие объекты рассматриваются в познании на теоретическом уровне?

10.В чем заключается сущность метода моделирования?

11.Что такое модель?

12.Назовите виды моделей.

13.Охарактеризуйте особенности компьютерного моделирования.

14.Назовите программы компьютерного моделирования для решения задач фотоники.

48

Глава 5 История фотоники и оптоинформатики

5.1 История возникновения термина "фотоника"

Фотоника - это современный термин, который появился совсем недавно. В современной мировой науке принято широкое определение слова фотоника. Фотоникаэто отрасль науки и техники, изучающая технологические системы, в которых носителями информации являются световые кванты или фотоны. В настоящее время фотоника - это важнейшее научно – техническое направление, которое признано учеными и инженерами всего мира и это современная быстрорастущая отрасль мировой промышленности.

Фотоника – "целостная область науки и техники, связанная с использованием светового излучения (или потока фотонов) в различных оптических элементах и устройствах, в первую очередь в системах волоконно - оптической связи, а также направленная на создание новых материалов, устройств и технологий, обеспечивающих передачу, прием, обработку, запись, хранение и отображение информации на основе материальных носителей – фотонов" [13].

Считается, что фотоника как область науки началась в шестидесятые годы двадцатого века с изобретением лазера. Но широкое развитие фотоника получила уже в 70-е годы 20 века в связи с созданием полупроводникового лазера, способного работать при комнатных температурах, и в связи с созданием оптических волокон с малым затуханием.

Появление самого термина фотоника в научном мире также относится в шестидесятым годам двадцатого века. В 1964 году по инициативе академика А.Н. Теренина на физическом физическом факультете ЛГУ была создана кафедра биомолекулярной и фотонной физики (сейчас эта кафедра носит название кафедры фотоники). А сам термин фотоника впервые применил в 1967 году опять академик А.Н. Теренин в своей книге «Фотоника молекул красителей» [8]. А.Н. Теренин дал

49

процессов». Считается, что впервые использование слова фотоника в широком смысле как отрасли науки произошло на 9- м Международном конгрессе по скоростной фотографии в Денвере в 1970 г.

Сейчас термин фотоника охватывает огромную область науки, техники и технологий, включая такие отрасли, как

опто-волоконная связь,

прием и передача информации,

хранение и запись информации,

оптические вычисления,

лазерная техника,

создание наноматериалов для устройств фотоники,

медицинская диагностика.

5.2Хронология развития фотоники

Так как фотоника в начале своего становления в 60-е годы 20 века понималась, как было отмечено выше, как дисциплина, изучающая технологии и устройства для оптоволоконной связи, а потом уже, с 70-х годов 20 века получила токование в современном более широком смысле, то многие вехи становления фотоники как науки связаны с историей оптоволоконной связи. Приведем некоторые даты в хронологии развития фотоники, опираясь в основном на книгу Дж. Хехта

[14].

35 век до н.э. Создание первых изделий из стекла. 1713 г. Рене Реомюр создал нити из стекла.

1790 г. Клод Чапп построил первый оптический телеграф во Франции на линии Париж-Лилль.

1841 г. Даниэль Колладон продемонстрировал явление волноводного распространения света в струе воды перед публикой в Женеве, Лондоне и Париже. Этот принцип волноводного распространения света из-за явления полного отражения используется в современных оптических волокнах. Поэтому Колладона называют дедушкой волоконной оптики.

50