Применение информационных технологий при исследовании фоторегистрирующих полимерных материалов

 

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выпускная работа по 
«Основам информационных технологий»

 

 

 

Магистрантки

физического факультета

кафедры физической оптики

Толстик Е.А.

руководитель:

ст. преподаватель 

Кожич П.П.

 

 

 

 

Минск – 2007

 

Реферат по ИТ в предметной области

«Применение информационных технологий при исследовании фоторегистрирующих полимерных материалов»

Оглавление реферата

 

Список обозначений

ИТ – информационные технологии

ФХ –  фенантренхинон

ПММА - пролиметилметакрилат

 

 Введение

Развитие современных оптических методов записи и обработки изображения непрерывно расширяет требования, предъявляемые к регистрирующим материалам, стимулируя создание новых светочувствительных сред [1,2].  Полимерные фоторегистрирующие материалы являются в настоящее время предметом интенсивных исследований в силу их расширяющегося применения в различных фототехнологиях (оптическая запись информации, изготовление элементов голографической, дифракционной и волноводной оптики, фотолитография и т.д.).

Набор объемных регистрирующих сред, позволяющих получать высокоэффективные голограммы со стабильными свойствами, в настоящее время ограничен [3]. Один из таких материалов представляет собой полимерное стекло с фенантренхиноном [4]. Он позволяет получать как отражательные, так и пропускающие голограммы с почти 100%-ной эффективностью, которые могут полноценно использоваться как носители информации [5] и голографические интерференционные фильтры со спектральной селективностью менее 0.1 нм для астрономии и спектроскопии [6], а также другие голографические оптические элементы [7,8].

Для проведения экспериментальных  работ по данной тематике, а также для обработки полученных результатов применяются как текстовые редакторы. Так и математические редакторы Mathcad  и Origen, позволяющие провести подробное исследование и математическое моделирование постэкспозиционного поведения фотоиндуцированных (голографических) решеток в модельной среде с диффузионным усилением, состоящей из полиметилметакрилата (ПММА) с распределенным в нем фенантренхиноном (ФХ).

 Цель работы состоит в  анализе использования современных средств информационных технологий, позволяющих компьютерное моделирование процессов термического усиления объемных фазовых решеток различного периода и выявления причин их несинусоидальности, на примере четырех наиболее распространенных программ, таких как Microsoft Word,   Origen, Microsoft Excel и МathCAD .

 

Глава 1 Обзор литературы

 

Фотопревращения регистрирующих полимерных материалов и их постэкспозиционная обработка всегда приводят в той или иной степени к изменению показателя преломления, зависящему от количества поглощенного света [3]. Если величина этого изменения достигает значений и выше, то говорят, что материал обладает фоторефрактивными свойствами. В исследуемых полимерных слоях в процессе термического усиления происходит диффузия неприсоединеных в процессе регистрации молекул ФХ, что приводит к увеличению амплитуды модуляции показателя преломления.

Для более точного  анализ причин диффузии и нагладного представления данного процеса, необходимо проведение математического  моделирования и хорошая обработка полученных экспериментальных данных, включающая аппроксимирование результатов сложными экспоненциальными выражениями.

Естественно, для  проведения таких объемных и тщательных исследований в полимерном материале не достаточно простых программ. Большую роль в написании научной работы, статьи или реферата играют текстовые редакторы такие как Microsoft Office Word и  Microsoft Office Excel, позволяющие съэкономит время и сделать качественное описание проделанных экспериментов. Данный цикл программ не только позволяет придать работе эстетичный внешний облик, но и провести глубокий и точный математический анализ, свесьти данные в простые таблицы и хорошо представить результаты.

Использование  такой программы, как  Origen, упрощает сложные математические выкладки и позволяет построить точные графические представления физических процессов.

В то же время  программа Mathcad - это мощный и эффективный  инструмент количественного представления  и исследования аналитических моделей. Особенностью этой программы является наличие "умного" рабочего поля (woprksheet), позволяющего ставить Маткаду задачи и получать решения в форме, близкой к привычной математической. Наличие Маткада в арсенале исследователя или инженера просто необходимо для проведения точных экспериментов, а также для обработки полученных результатов. MATHCAD - универсальный математический пакет, предназначенный для выполнения инженерных и научных расчетов. Основное преимущество пакета - естественный математический язык, на котором формируются решаемые задачи. Объединение текстового редактора с возможностью использования общепринятого математического языка позволяет пользователю получить готовый итоговый документ. Создание физических моделей диффузии в полимерных слоях при помощи обыкновенных компьютерных программ для рисования было бы крайне затруднимо и практически невозможно.

В этой работе рассматриваются наиболее используемые среди экспериментаторов компьютерные программы, обладающие достаточно простым и легко доступным в изучении содержанием, и в то же время обширными возможностями в области анализа данных.

 

Глава 2 Описание программ

 

Microsoft Word является наиболее популярным из используемых в данный момент текстовых процессоров, что сделало его закрытый формат документа .DOC стандартом де-факто, и вынудило конкурирующие программы добавить поддержку совместимости с данным форматом. Фильтры экспорта и импорта в данный формат присутствуют в большинстве текстовых процессоров, например, в AbiWord и OpenOffice.org Writer (подробнее см. Текстовый процессор). Большая часть информации, нужной для работы с данным форматом, добывается посредством обратного инжиниринга, поскольку большая её часть отсутствует в открытом доступе. Формат документа разных версий Word часто меняется, различия бывают довольно тонкими. Форматирование, нормально выглядящее в последней версии, может не отображаться в старых версиях программы, поскольку обратная совместимость часто отсутствует.

Формат файлов .DOC Word 97 был опубликован Microsoft, однако более поздние версии спецификации держатся в секрете и предоставляются только партнёрам Microsoft, правительствам и некоторым учреждениям. Ходят слухи, что некоторые аспекты формата файлов .DOC полностью не понимают даже в Microsoft. Недавно Microsoft сообщила о планах по переходу на XML-ориентированный формат файлов для всех своих офисных приложений. Word 2003 имеет собственный XML-формат, опционально использующий публично документированную схему, названную WordprocessingML, которая доступна во всех редакциях Word 2003 и одобрена несколькими организациями, включая правительство Дании. «Профессиональная» версия имеет возможность использования не-Майкрософтовских схем прямо из WinWord. Apache Jakarta POI — программная библиотека, написанная на Java, цель которой — предоставить возможность чтения и записи в бинарный формат файлов Microsoft Word.

Как и прочие приложения из Microsoft Office, Word может расширять свои возможности посредством использования встроенного макроязыка (сначала использовался WordBasic, однако с версии Word 97 применяется VBA — Visual Basic для приложений). Однако это предоставляет широкие возможности для написания встраиваемых в документы вирусов (так называемые «макровирусы»). Наиболее ярким примером была эпидемия червя Melissa. В связи с этим, многие считают разумной рекомендацию всегда выставлять наивысший уровень настроек безопасности при использовании Word (Меню: «Tools>Macro>Security», «Сервис>Макрос>Безопасность…» в локализованных русских версиях). Также нелишним будет использовать антивирусное программное обеспечение. Первым вирусом, поражавшим документы Microsoft Word, был Concept, созданный для демонстрации возможности создания макровирусов.

 

Электронные таблицы Microsoft Excel - чрезвычайно мощная программа, позволяющая достигать нужного результата различными способами даже, в самых, казалось бы, простых ситуациях. Excel предлагает богатые возможности для построения сложных формул. Вооружившись несколькими математическими операторами и правилами ввода значений в ячейки, можно превратить рабочий лист в мощный программируемый калькулятор.

Excel имеет несколько сотен встроенных функций, которые выполняют широкий спектр различных вычислений. Функции - это специальные, заранее созданные формулы, которые позволяют легко и быстро выполнять сложные вычисления, производить финансовый и статистический анализ.

С помощью Excel можно создавать сложные диаграммы для данных рабочего листа. Использование макросов в рабочих листах Excel, позволяет вести работу с пользователем в интерактивном режиме и выполнять громоздкие и рутинные операции всего несколькими щелчками кнопки мыши.

 

МathCAD является интегрированной системой программирования, ориентированной на проведение математических и инженерно-технических расчетов.

Система MathCAD содержит текстовый редактор, вычислитель и графический процессор.

Текстовый редактор - служит для ввода и редактирования текстов. Тексты являются комментарии и входящие в них математические выражения не выполняются. Текст может состоять из слов, математических выражений и формул, спецзнаков. Отличительная черта системы - использование общепринятой в математике символики (деление, умножение, квадратный корень).

Вычислитель - обеспечивает вычисление по сложным математических формулам, имеет большой набор встроенных математических функций, позволяет вычислять ряды, суммы, произведения, определенный интеграл, производные, работать с комплексными числами, решать линейные и нелинейные уравнения, проводить минимизацию функции, выполнять векторные и матричные операции и т.д.. Легко можно менять разрядность чисел и погрешность интеграционных методов.

Графический процессор - служит для создания графиков. Он сочетает простоту общения с пользователем с большими возможностями графических средств. Графика ориентирована на решение типичных математических задач. Возможно быстрое изменение размеров графиков, наложение их на текстовые надписи и перемещение их в любое место документа. MathCAD автоматически поддерживает работу с математическим процессором. Последний заметно повышает скорость расчетов и вывода графиков, что существенно в связи с тем, что MathCAD всегда работает в графическом режиме. Это связано с тем, что только в этом режиме можно формировать на экране специальные математические символы и одновременно применять их вместе с графиками и текстом. MathCAD поддерживает работу со многими типами принтеров, а так же с плоттерами.

MathCAD - система универсальная, т.е. она может использоваться в любой области науки и техники, везде, где применяются математические методы. Запись команд в системе MathCAD на языке, очень близком к стандартному языку математических расчетов, упрощает постановку и решение задач.

Математический интерпретатор системы - наиболее интересная её часть. Математические формулы, подлежащие интерпретации, записываются в общепринятом виде. Например, вычисление квадратного корня из двух в системе MathCAD задаётся как √2    =, а не в виде PRINT SQR (2) , как это делается, скажем, на Бейсике. Для ввода формул используются шаблоны, вводимые определёнными комбинациями клавиш. Имеется возможность изменения формата представления чисел, например числа знаков после разделительной точки, погрешности вычислений и обозначения мнимой единицы (i  на j и наоборот) при операциях с комплексными числами.

В MathCAD  предусмотрены средства для решения нелинейных уравнений, не имеющих аналитических решений. Так , функция root (f(x,y,z,),x) ищет значение переменной x, при котором f(x,y,z) = 0. Более сложные вычисления (решение систем нелинейных уравнений, минимизация функций нескольких переменных и др.) обеспечиваются организацией вычислительного блока, открываемого словом Given.

Специалистов в электротехнике и радиотехнике наверняка привлечёт  способность системы MathCAD выполнять все предусмотренные в ней вычисления как с действительными, так и с комплексными числами.

В MathCAD введён функционально полный набор векторных и матричных операций. Это существенно облегчает решение задач линейной алгебры. В качестве примера в документе 3 даётся решение системы линейных уравнений с комплексными коэффициентами, в ходе которого производится обращение комплексной матрицы. К таким уравнениям приводит анализ электрических и электронных цепей на переменном токе.

Есть средства линейной и сплайн-интерполяции и экстраполяции данных. Линейная интерполяция графически означает просто соединение узловых точек графика отрезками прямых. В отличии от неё сплайн-интерполяция напоминает соединение этих точек с помощью гибкой линейки. Строго математически это означает проведение через каждые три точки линии, описываемой кубическим полиномом. При этом во всех стыкуемых точках обеспечивается непрерывность как первой , так и второй производной каждого из полиномов. Сплайн-интерполяция - это мощное средство представления данных, заданных небольшим числом узловых точек.

OriginLab производит профессиональный анализ данных и графиков программного обеспечения для ученых и инженеров. Продукт предназначен для простого  использования, но есть возможность и гибкость для обеспечения самых требовательных пользователей. Ориджен продлил инструменты анализа статистики, 3D установки, обработки изображений и обработки сигналов.