книги / Фотоника и оптоинформатика. Введение в специальность

чающих диодов. Опытные образцы показали производительность 4,096 Тб·с–1 , а оценки свидетельствуют, что данная система способна развить скорость 1015 операций в секунду с энергией менее 1 фДж на одно переключение. В настоящее время фирма Opticomp Corporation разработала новый интегральный оптический элемент, состоящий из матрицы лазеров и фотодетекторов, соединенных волноводом, и планирует использовать данные устройства как для обработки информации, так и для создания сверхбыстрых переключателей всверхплотных волоконныхлиниях связи.

Применение фотоники в разработке оптических компьютеров стремительно расширяется и, подобно тому, как это произошло с электроникой, с ее прежними компьютерами, в будущем мы, вероятно, будем иметь дело не с электронами, а с фотонами. Соответствующие проектно-конструкторские работы ныне успешно продвигаются. Оптические компьютеры смогут обрабатывать более значительные объемы информации, чем электронные. Впрочем, оптические компьютеры вряд ли смогут в ближайшее время полностью вытеснить электронные, более того, предполагается дополнять электронные устройства соответствующими оптическими блоками сцелью повышенияихмощности.

Вопросы для самоконтроля

1.История информатики до компьютеров. Основные вехи создания компьютерной техники. Поколения компьютерной техники.

2.Как вы можете объяснить бытовой термин «переизбы-

ток информации»? Что имеется в виду: излишняя полнота данных; излишняя сложность методов; неадекватность поступающих данных и методов, имеющихся в наличии?

3. Как вы понимаете термин «средство массовой информации»? Что это? Средство массовой поставки данных? Средство, обеспечивающее массовое распространение методов? Средство, обеспечивающее процесс информирования путем поставки

371

данных гражданам, обладающим адекватными методами их потребления?

4.Как вы понимаете следующие термины: аппаратнопрограммный интерфейс, программный интерфейс, аппаратный интерфейс? Как бы вы назвали специальность людей, разрабатывающих аппаратные интерфейсы? Как называется специальность людей, разрабатывающих программные интерфейсы?

5.Как вы понимаете динамический характер информации? Что происходит с ней по окончании информационного процесса?

6.Можем ли мы утверждать, что данные, полученные в результате информационного процесса, адекватны исходным? Почему? От каких свойств исходных данных и методов зависит адекватностьрезультирующихданных?

7.Что характеризуют свойства информации: объективность, полнота, достоверность, адекватность, доступностьиактуальность?

8.Перечислите этапы возможных операций с данными.

9.В каких единицах измеряется информация? Энтропия

как количественная мера информации. Свойства энтропии.

10.При каких условиях энтропия источника дискретных сообщений с фиксированным числом состояний принимает максимальное значение?

11.Что понимается под архитектурой компьютера? Какие типы архитектур вам известны?

12.Концептуальная схема компьютера, основные элементы.

13.Принципиальные схемы компьютеров нетрадиционной архитектуры, иерархия архитектур.

14.В чем состоят термодинамический и квантовый преде-

лы электронной ячейки? Прогноз Г. Мура.

15.В чем состоят преимущества оптических систем для задач передачи, хранения и обработки информации?

16.Типы оптических процессоров. Аналоговый оптиче-

ский процессор. Аналоговые операции.

17. Что такое модуляция света? Какие виды модуляции вам известны?

372

18.Способы записи и хранения информации, принцип записи на компакт-диск.

19.В чем состоит преимущество записи информации при помощи средств голографии?

20.Параметры первого оптического цифрового процессора и их анализ.

13.ОСНОВЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

НЕРАВНОВЕСНЫХ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

ВФОТОНИКЕ

13.1.Роль тепло- и массообмена в фотонике

При генеририровании, усилении, модуляции и переносе оптических сигналов происходит преобразование энергии и ее диссипация.

Так, лазерные технологии обработки материалов характеризуются высокой напряженностью электрического поля с частотой 1015 Гц, амплитудой ~105–10 6 В/см и высокой плотностью мощности, достигающей 1019 Вт/см2 при скоростях нагрева более 1015 град/с. Лазерные воздействия применяются в следующих технологиях:

1.Испарение (и абляция в расплавленной фазе) – наиболее популярный процесс, который лежит в основе большинства промышленных технологий любых материалов в микроэлектронике, микромеханике и микрооптике;

2.Нагревание до температуры размягчения (или плавления) с последующим деформированием в вязкотекучей фазе (дополненное тем или иным механическим воздействием – вытяжкой, вращением и т.п.) применяется для изготовления ближнепольных оптических зондов, медицинского оптического инструментария и т.п.

3.Направленное локальное нагревание, вызывающее появление контролируемого поля напряжений, приводящего

373

к управляемому деформированию листовых материалов (laser forming), причем не только с целью формообразования, но и прецизионной сборки и юстировки микромеханических компонентов.

4. Послойный синтез трехмерных объектов методом послойного наращивания, в том числе стереолитография, селективное лазерное спекание и послойная сборка из листовых материа-

лов (laminated object manufacturing).

На поверхности твердых тел при этом возникают различные физические процессы (табл. 13.1).

Таблица 1 3 . 1

Физические процессы, возникающие на поверхности твердых тел при лазерном воздействии

374

Процессы диссипации приводят к тепловыделениям и сопровождаются неоднородным распределением температуры.

Клокализации тепловыделений приводит и стремление

куменьшению характерного размера микросхем. Энергия активных и пассивных потерь полностью диссипируется в электронных логических ячейках и порождает проблемы теплоотвода.

13.2. Виды теплообмена.

Законы молекулярного тепло- и массообмена

Теплообменом или теплопередачей называют учение о само-

произвольных необратимых процессах распространения теплоты впространстве.

Различают три способа (механизма) распространения теплоты в пространстве:

–теплопроводность (кондукция, диффузия);

–конвекция;

–тепловое излучение (радиация).

Явление теплопроводности состоит в переносе теплоты микроскопическими структурными частицами вещества (молекулами, атомами, электронами) в процессе их теплового движения в телах с неоднородным распределением температуры.

Механизмы теплопроводности:

–в газах– вследствие обмена энергией при упругом соударениимолекул, имеющихразличнуюскоростьтепловогодвижения;

–в жидкостях, полупроводниках и твердых диэлектри-

ках – путем непосредственной передачи теплового движения молекул и атомов соседним частицам вещества, передачей упругих волн колебаний кристаллической решетки;

–в металлах – главным образом движением свободных электронов, а также передачей колебаний кристаллической решетки.

Таким образом, в основе теплопроводности лежит молеку-

лярный (кондукционный, диффузионный) механизм переноса тепла.

375

Явление конвекции наблюдается в текучих теплоносителях (жидкостях, газах) и состоит в переносе теплоты крупными (макроскопическими) частицами вещества (молями). Конвекция сопровождается теплопроводностью.

Виды конвекции:

–свободная – в неоднородном поле массовых или поверхностных сил, например, тепловая, термокапиллярная конвекция;

–вынужденная – под действием внешних вынуждающих сил (перепада давлений, электромагнитных сил, вибраций и пр.).

Теплообмен излучением (радиация) представляет собой перенос теплоты посредством электромагнитного поля. При этом происходит двойное превращение энергии: внутренняя энергия излучающего тела переходит в энергию электромагнитного поля, которая вновь переходит во внутреннюю энергию поглощающего тела. Особенность теплообмена излучением: теплом могут обмениваться тела, разделенные вакуумом.

В природе все три вида переноса теплоты осуществляются одновременно. Их совокупность называют сложным тепло-

обменом.

Виды сложного теплообмена:

–радиационно-кондуктивный теплообмен представляет совокупность теплообмена излучением и теплопроводностью;

–радиационно-конвективный теплообмен включает все три способа переноса теплоты;

– теплоотдача – это теплообмен между текучей средой

итвердой поверхностью тела;

–теплопередача – это теплообмен между двумя жидкими или газообразными средами, разделенными твердой стенкой.

Процесс переноса тепла в сложном теплообмене всегда сопровождается переносом массы, поэтому говорят о явлениях

тепломассообмена.

Процесс теплопроводности подчиняется закону Фурье,

в соответствии с которым плотность теплового потока (количество теплоты dQ, проходящей через площадку dS за время dt) пропорциональна температурному градиенту

376

Коэффициент теплопроводности является важнейшим теплофизическим свойством веществ и характеризует плотность теплового потока при единичном температурном градиенте. Знак «минус» отражает противоположность направлений векторов плотности теплового потока и температурного градиента, т.е. плотность теплового потока возрастает в соответствии со вторым законом термодинамики в направлении уменьшения температуры.

При конвективном тепломассообмене перенос теплоты неразрывно связан с переносом массы. Если текучая среда плотностью ρ [кг/м3] движется в направлении оси x со скоростью ux [м/с], то ее массовая скорость характеризует массу среды, проходящей в единицу времени через единичную площадку:

Теплосодержание среды может быть выражено через массо-

Плотность теплового потока, определяемая конвекцией, равна произведению массовой скорости на теплосодержание,

377

Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью, поэтому общая плотность теплового потока при конвективном тепломассообмене

Нагретая поверхность является источником теплового излучения, плотность теплового потока которого определяется законом Стефана– Больцмана, в соответствии с которым плот-

ность потока поверхностного излучения тела пропорциональна его абсолютной температуре в четвертой степени.

где σ = 5,67 10–8 Вт/(м2 К4) − постоянная Стефана– Больцмана;

ε– степень черноты излучающей поверхности (0 < ε < 1).

13.3.Перенос тепла теплопроводностью

Взакрытой физической системе, в которой не происходит фазовых переходов, отношение между температурой и количеством тепла выражается соотношением

где m – масса; с – удельная массовая теплоемкость.

Однако в случае реальных взаимодействий лазерного излучения с веществом необходимо учитывать потери тепла, которые происходят вследствие теплопроводности, конвективного теплообмена и теплового излучения.

Температура является основной физической величиной, характеризующей все тепловые взаимодействия света с материалом. Основной задачей теории теплопроводности является опре-

378

деление и изучение пространственно-временного изменения температуры, Т = f(x, y, z, t); x, y, z – пространственные прямоугольные координаты, t – время.

Совокупность значений температур для всех точек пространства в данный момент времени t называется температурным полем. Если температура является функцией только от координат, то поле является стационарным. Если же температура также зависит от времени, поле будет нестационарным.

Дифференциальное уравнение теплопроводности связывает пространственное распределение температуры Т с изменением ее во времени t и записывается следующим образом:

где ρ – плотность, кг/м3; с – удельная массовая теплоемкость, Дж/(кг·К); а = λ/(ρc) – коэффициент температуропроводности, м2/c; λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К); qV – объем-

оператор Лапласа.

Уравнение является частным случаем первого закона термодинамики и показывает изменение энергии вещества в элементарном объеме. Это изменение определяется количеством теплоты, накопленной за счет теплопроводности, и количеством теплоты, выделившейся в элементарном объеме за счет внутренних источников тепла.

В частном случае одномерного нестационарного температурного поля и отсутствия объемных источников тепла уравнение (13.9) принимает вид

379

Дифференциальное уравнение теплопроводности имеет бесконечное множество решений. Чтобы найти единственное решение, характеризующее конкретный процесс, необходимо задать краевые условия.

Краевые условия включают в себя начальное (временное) и граничные (пространственные) условия.

Начальное краевое условие необходимо для нестационарного процесса и характеризует распределение температуры

в начальный момент времени: T ( x, y, z, 0) = f ( x, y, z ), часто его принимают однородным:

Граничные краевые условия характеризуют форму тела и условия его теплообмена с окружающей средой. Различают четыре видаграничных краевыхусловий.

При граничных условиях 1-го рода на поверхности тела для каждого момента времени задается распределение температуры Tп = f ( xп, yп , zп,t ), в частном случае температура поверх-

ности может поддерживаться постоянной во времени, такая граница называется изотермической:

При граничных условиях 2-го рода на поверхности тела для каждого момента времени задается плотность теплового потока qп = f ( xп , yп , zп,t ) . В частном случае плотность теплового

потока может поддерживаться постоянной во времени, например при нагревании металла в высокотемпературных печах:

Частным случаем граничного условия 2-го рода является адиабатная граница, теплообмен на которой отсутствует ( qп = 0 ), например ось симметрии тела.

380