CC BY
123
УЧЕБНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ ОПТОИНФОРМАТИКИ КАФЕДРЫ ФОТОНИКИ И ОПТОИНФОРМАТИКИ О.В. Андреева, С.В. Артемьев, В.Н. Васильев, С.А. Козлов, В.В. Орлов, А.В. Павлов, А.А. Парамонов
Сообщается о создании экспериментального практикума по оптоинформатике в учебной лаборатории кафедры фотоники и оптоинформатики, включающего девять лабораторных работ по основным разделам дисциплины «Основы оптоинформатики» образовательного направления 200600 «Фотоника и оптоин-форматика». Представлены аннотации лабораторных работ, описания экспериментальных стендов и перспективы развития практикума.
Введение
Оптоинформатика - быстро развивающееся научно-техническое направление в России и в мире, связанное с исследованием, созданием и эксплуатацией новых материалов, устройств и технологий, направленных на передачу, прием, обработку, хранение и отображение информации на основе материальных носителей - фотонов. Подготовка специалистов для работы в этой перспективной области ведется в СПб ГУ ИТМО в рамках открытого в 2004 г. нового образовательного направления 200600 «Фотоника и оптоинформатика». Экспериментальный практикум по оптоинформатике создан на кафедре фотоники и оптоинформатики для поддержки лекционного курса по дисциплине «Основы оптоинформатики» [1], которая входит в число основных дисциплин нового образовательного направления. Практикум сформирован в соответствии с образовательным стандартом и апробирован в учебном процессе при проведении занятий на ряде факультетов СПб ГУ ИТМО [2].
Подготовку и проведение экспериментального практикума осуществляют квалифицированные преподаватели и сотрудники кафедры фотоники и оптоинформатики, усилиями которых разработана концепция практикума, сформирован цикл лабораторных работ, разработаны принципы формирования и комплектации экспериментальных стендов, подготовлены методические материалы.
Лабораторные работы экспериментального практикума по оптоинформатике
Экспериментальный практикум по оптоинформатике в настоящее время содержит девять лабораторных работ по основным разделам оптоинформатики.
Раздел: ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ. Работа 1. Исследование характеристик излучения полупроводниковых лазеров для оптоинформатики. В процессе выполнения работы студентам предлагается изучить принципы работы полупроводникового лазера, исследовать зависимость интенсивности, степени линейной поляризации и расходимости излучения полупроводникового лазерного модуля от величины тока через p-n переход; сравнить параметры излучения в светодиодном и лазерном режимах работы модуля.
Раздел: ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ. Работа 2. Волоконно-оптический световод как среда передачи информации. Целью работы является знакомство с оптическим волокном, его основными характеристиками и использованием в волоконно-оптических линиях связи. Студентам предлагается исследовать влияние радиуса макроизгиба волокна на величину потерь. Работа 3. Световой жгут — исследование основных характеристик. Студенты изучают принципы работы светового жгута, исследуют индикатрисы светопропускания жгута, определяют его частотно-контрастную характеристику, оценивают параметры изображения (апертурного угла и разрешения), передаваемого по жгуту.
Раздел: ХРАНЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ. Работа 4. Элементы оптической памяти на основе мультиплексных голограмм.
В процессе выполнения работы проводится изучение возможности увеличения информационной емкости элементов оптической голографической памяти за счет использования мультиплексных голограмм, полученных на образцах полимерного материала толщиной 1-3 мм. Студентам предлагается измерить параметры голограмм и произвести расчет информационной емкости элементов памяти.
Раздел: ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ. Работа 5. Пространственная фильтрация фурье-спектра изображения. Целью работы является знакомство с оптическим фурье-преобразованием и его практическим использованием. Студенты изучают влияние фильтрации фурье-спектра на изображение миры при различных условиях эксперимента.
Раздел: ОПТИЧЕСКИЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ. Работа 6. Векторно-матричный умножитель — простейший оптический процессор. В процессе выполнения работы студенты производят моделирование и исследование двух важнейших этапов в жизненном цикле искусственной нейросети: формирование матрицы связей двух векторов по алгоритму векторного произведения и формирование ассоциативного отклика при предъявлении обученной сети входного вектора.
Раздел: ОПТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА. Работа 7. Оптический вентиль нечеткой (многозначной) логики. Целью работы является изучение возможности реализации операторов многозначной логики методами геометрической оптики с использованием физического процесса фоторегистрации. Студенты измеряют пропускание модельных транспарантов и рассчитывают значения истинности для заданной логической операции.
Работа 8. Распознавание образов методом голографической согласованной фильтрации. В процессе выполнения работы осуществляется практическое знакомство с архитектурой и работой голографического коррелятора Ван-дер-Люгта: проводится исследование параметров корреляционного отклика в зависимости от свойств изображения и голографического согласованного фильтра; инвариантность к сдвигу по оси, неинвариантность к повороту вокруг оптической оси.
Раздел: ДЕТЕКТОРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ. Работа 9. Полупроводниковые фотоприемники — детекторы оптического излучения в устройствах оптоинформатики. Целью работы является изучение конструкции, принципов работы и использования в устройствах оптоинформатики фотоприемников на основе полупроводниковых диодов. Студенты должны исследовать основные характеристики и определить диапазон линейности исследуемых фотодиодов при различных режимах их работы.
Разработанный практикум включает элементы всех основных направлений современной оптоинформатики: передачу, обработку и хранение информации, а также содержит работы по оптическим вычислениям и оптическим технологиям искусственного интеллекта.
Экспериментальные стенды для проведения лабораторных работ
по оптоинформатике
Учебная лаборатория для проведения занятий экспериментального практикума занимает в настоящее время помещение, в котором размещены 20 экспериментальных стендов, предназначенных для выполнения лабораторных работ учебной группой с двумя преподавателями (фото 1).
Фото 1. Общий вид учебной лаборатории.
Основная часть стендов для выполнения лабораторных работ размещена на стандартных учебных столах (размер 80х 120см) и укомплектована унифицированными оптико-механическими узлами, что позволяет проводить ряд лабораторных работ фронтально на 10 стендах (работы №№1, 4, 7, 9 - фото 2).
Фото 2. Установка для выполнения лабораторной работы «Оптический вентиль нечеткой логики»
Унифицированные стенды для выполнения лабораторных работ фронтально содержат два базовых узла, которые являются общими для всех установок. Узел №1 -узел источника излучения - комплектуется полупроводниковым источником излучения (лазерный модуль KLM-650, изготовитель «ФТИ-Оптроник», Санкт-Петербург), подключен к источнику питания 4,5 В и измерительному прибору (мультиметр типа UNIT). Узел №2 - узел приемника излучения - содержит полупроводниковый фотодиод со схемой переключения в различные режимы работы, подключен к измерительному прибору (мультиметр типа UNI-T). Основной блок каждого узла (блок источника излучения и блок фотоприемника) установлен в стойке и закреплен на рейтере.
Базовые узлы расположены на оптическом рельсе, который определяет оптическую ось системы. Кроме оптического рельса и двух базовых узлов, полная комплектация каждой установки включает еще один узел - функциональный (узел №3), отличающийся для различных работ:
• поляроид для выполнения работы № 1;
• поворотный столик с устройством ножа и щели для усложненного варианта работы №1;
• поворотный столик с голограммой для выполнения работы №4;
• дисковая система ступенчатых ослабителей для выполнения работы №7;
• нейтральный светофильтр для выполнения работы №9.
Замена одного функционального узла на другой производится в считанные секунды, так как сменные элементы устанавливаются либо в дополнительном рейтере на рельсе, либо конструктивно изготовлены в виде сменной насадки на оправу фотоприемника.
Таким образом, комплект из 10-ти унифицированных стендов, размещенных на стандартных столах учебной лаборатории, имеющих централизованное электропитание 4,5 В, может обслуживать учебную группу (численностью до 30 студентов) в режиме выполнения 4-х лабораторных работ фронтально, практически без затрат времени на изменение комплектации установок.
Для выполнения работы №2 имеются 3 экспериментальных стенда, также размещенных на учебных столах лаборатории.
Для выполнения работы №:6 имеются 2 экспериментальных стенда, укомплектованных необходимыми оптико-механическими узлами и деталями (фото 3).
Фото 3. Установка для выполнения лабораторной работы «Векторно-матричный умножитель - простейший оптический процессор»
Экспериментальные стенды для выполнения лабораторных работ №3, №5 и №8 представлены в одном экземпляре и содержат большое количество оптико-механических узлов и элементов (фото 4).
Большое число экспериментальных стендов и возможность фронтального выполнения ряда лабораторных работ позволяют обеспечить удобный режим работы в течение всего учебного года для преподавателей и студентов. Наличие в учебной лаборатории электропитания не выше 4,5 В обеспечивает электробезопасность при проведении занятий экспериментального практикума. Вертикальные перегородки между установ-
ками и комплектация стендов источниками излучения мощностью 3 мВт обеспечивают лучевую безопасность, а имеющиеся возможности общей и локальной светозащиты позволяют проводить измерения с той точностью, которую обеспечивает измерительная техника
Фото 4. Установка для выполнения лабораторной работы «Световой жгут - исследование основных характеристик»
Перспективы развития экспериментального практикума по оптоинформатике
Дальнейшее развитие экспериментального практикума по одной из основных дисциплин нового образовательного направления авторы связывают с развитием двух направлений деятельности коллектива.
Первое направление деятельности ориентировано на совершенствование обучения по новому образовательному направлению и обеспечивает внутренние потребности кафедры, которые связаны с решением следующих задач:
• постановка новых лабораторных работ;
• совершенствование имеющихся лабораторных работ;
• создание на имеющейся экспериментальной базе многофункциональных стендов для выполнения различных лабораторных работ;
• подготовка методических материалов, рассчитанных на различный образовательный уровень и специфику профессиональной подготовки;
• формирование цикла лабораторных работ по смежным дисциплинам с учетом имеющейся экспериментальной базы.
Второе направление деятельности связано с разработкой коммерческого (тиражируемого) варианта экспериментального практикума по оптоинформатике, который может быть предложен другим вузам, проводящим подготовку студентов по данному образовательному направлению, а также образовательным учреждениям любого уровня, которые заинтересованы в том, чтобы на практике ознакомить учащихся с достижениями одного из самых высокотехнологичных направлений в информатике.
Возможность создания коммерческого варианта практикума обусловлена тем, что в результате многолетней методической и экспериментальной работы в данном направлении предлагаемый экспериментальный практикум, в отличие от известных учебных практикумов по смежным дисциплинам и направлениям, включает элементы всех основных направлений современной оптоинформатики, а для выполнения лабораторных
работ экспериментального практикума имеются разработки многофункциональных стендов с унифицированными оптико-механическими узлами.
Авторы благодарят акционера Петербургской топливной компании В.С. Барсукова за оказание финансовой помощи при создании учебной лаборатории. Разработка коммерческого варианта экспериментального практикума для школ, проводимая по программе «Оптоинформатика в средней школе», в настоящее время поддержана грантом правительства Санкт-Петербурга.
Литература
1. Андреева О.В., Беспалов В.Г., Васильев В.Н., Ефимов Ю.Н., Капорский Л.Н., Козлов С.А., Михайлов В.Н., Сизов В.Н., Стаселько Д.И. Оптоинформатика. Часть 1, 2. Учебно-методическое пособие. СПб: СПб ГУ ИТМО, 2003.
2. Андреева О.В., Васильев В.Н., Козлов С.А., Павлов А.В. Учебный комплекс «Оптоинформатика». / В кн.: Физика в системе современного образования (ФССО-05): Труды 8-й международной конф. СПб: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена, 2005. С.150-151.
