Представлен вывод нелинейных уравнений, описывающих взаимодействие лазерных импульсов с системой двухуровневых атомов и обладающих решениями в виде оптических солитонов. Рассмотрены ситуации распространения резонансных и квазирезонансных солитонов огибающей, а также солитонов типа предельно коротких импульсов длительностью от нано- до фемтосекунд. Обзор адресуется студентам, аспирантам и научным работникам, специализирующимся в различных областях современной физической науки.

Работа посвящена обзору нового и альтернативного плазмонике подхода к разработке оптических наноантенн. Этот подход состоит в замене металлических структурных компонентов известных плазмонных наноантенн на наноэлементы, выполненные из материала с большим и положительным значением диэлектрической проницаемости. В силу этой замены наноантенны приобретают новые и уникальные свойства, такие как магнитный отклик и сверхнаправленность. Особое внимание уделено оптическим антеннам Яги–Уда и сверхнаправленным наноантеннам на основе диэлектрических наночастиц.

Развивается подход к реализации магнитных метаматериалов микроволнового диапазона частот с характеристиками, перестраиваемыми при помощи света. Исследуются характеристики разомкнутого кольцевого резонатора, в который интегрированы варикап (для обеспечения частотной перестройки) и фотодиод (для подачи постоянного смещения, зависящего от освещенности). Показано, что изменение освещенности сдвигает резонансный отклик единичного резонатора вверх или вниз по частоте в зависимости от полярности включения фотодиода. Рассмотрена система связанных кольцевых резонаторов, продемонстрировано расщепление отклика системы на четную (яркую) и нечетную (темную) моду при помощи света.

 Из дисперсионного уравнения для бесконечного фотонного кристалла выведены формулы для точного расчета границ запрещенных зон, ширины запрещенных зон и точного положения центров запрещенных зон фотонных кристаллов с кратными оптическими длинами слоев в двухслойной ячейке для терагерцового диапазона частот от 0,1 до 1 ТГц. Формулы проверены при численном моделировании фотонных кристаллов методом матриц передачи и методом конечных разностей временной области для первой, второй и третьей кратностей оптических длин в двухслойной ячейке фотонного кристалла. Формулы для второй кратности подтверждены экспериментально.

Рассмотрены конструктивные особенности и основные технико-эксплуатационные характеристики лабораторного спектрофотометра для видимой области спектра (λ = 380–760 нм). Приводятся результаты калибровки прибора. Рассматриваются возможности его использования для контроля технологий фотооптического отбеливания, тонирования и окрашивания бумаги.

Произведен выбор и расчет основных параметров оптико-электронной системы с оптической равносигнальной зоной для измерения вертикального градиента температур воздушного тракта, который является основным фактором, влияющим на угол рефракции. Рассматривается особенность выбора источников излучения для создания полихроматической равносигнальной зоны, заключающаяся в необходимости выбора одной длины волны излучения из синей области спектра, а другой – из инфракрасной. Подобран объектив задатчика базового направления, исходя из рассчитанного диаметра выходного зрачка передающей части и требования минимальной величины сферической аберрации. Проведен энергетический расчет, выбран диаметр зрачка, подобран объектив приемной части системы. Определен способ совмещения излучения и предложена оптическая схема задатчика базового направления с использованием четырех двухлинзовых конденсоров.

Динамическая острота зрения – важный показатель зрительной работоспособности лиц, связанных с восприятием движущихся объектов. Согласно существующему патенту создана рабочая модель прибора, содержащего вращающийся цилиндр с таблицей оптотипов. Работа прибора и расчеты осуществляются с помощью авторских программ. Среднее значение динамической остроты зрения, измеренное у 42 человек, равно 25 мс. Проведен статистический анализ в MATLAB, показавший, что распределение экспериментальных данных соответствует закону Вэйбулла с параметрами масштаба A=22,029 и формы B=1,527. Статистическая гипотеза проверена критерием Колмогорова–Смирнова.

Разработан алгоритм расчета геометрических параметров решеточного оптического фильтра с заранее заданной угловой селективной характеристикой светопропускания. Для оптимизации фильтрования солнечного излучения разработана методика определения углов наклона решеток фильтра для окон с разными азимутами ориентации по сторонам света при заданных географических координатах местности и расчетном времени года и суток. Применение полученных результатов позволит достичь оптимальных условий освещения и инсоляции помещения за счет предварительной адаптации параметров фильтра к заранее известной траектории движения Солнца относительно заданного окна и будет иметь преимущества по сравнению с жалюзи.

Рассмотрена проблема перекрестных помех, появляющаяся вследствие многократных отражений одиночных импульсов в массиве волоконных брэгговских решеток. В ходе работы создана компьютерная модель перекрестных помех в конкретной конструкции информационно-измерительного волоконно-оптического прибора на основе решеток Брэгга. Созданная компьютерная модель позволяет рассчитать мощности, фазы и пути следования всех импульсов, приходящих на фотоприемник и блок демодуляции. На основе построенной модели выполнен расчет уровня влияния перекрестных помех на интерференционные сигналы, а также выработаны рекомендации для коэффициентов отражения волоконных брэгговских решеток в массиве.

Представлены результаты эллипсометрических исследований оптических характеристик поверхностных слоев элементов оптотехники, выполненных из натриевосиликатного стекла К8 при различной технологической обработке. Показано, что равенство средних значений толщины и показателя преломления поверхностных слоев, определяемых для неоднородной и однородной моделей отражающей системы в процессе полирования детали, является критерием качества полированной поверхности элементов оптотехники для их оптических соединений. Проведено сопоставление оптических характеристик поверхностных слоев деталей, обработка которых проводилась методами обычного шлифования и полирования, глубокого шлифования и полирования и с использованием магнитореологической суспензии. В последнем случае можно получить поверхность детали с малыми значениями толщины поверхностных слоев и отклонения показателя преломления поверхностных слоев от объемного значения, малой среднеквадратической величиной высоты шероховатой поверхности

Показано, что сферические поверхности, формирующие стигматическое изображение осевой точки предмета, являются частным случаем поверхностей, полученных вращением картезианского овала; поверхности первого и второго вида формируют апланатическое изображение предмета. Показано, что астигматизм изображения не зависит от толщины апланатического мениска. Однако с увеличением толщины мениска уменьшается пецвалева кривизна поверхности изображения, что приводит к уменьшению продольных меридиональной и сагиттальной составляющих астигматизма. Показано, что при высокой числовой апертуре коэффициент пропускания падающих пучков света апланатической поверхностью первого вида резко падает, при этом растет коэффициент поляризации света.

Представлены результаты изменений оптических и электрических характеристик макетов светодиодных сборок, выполненных по технологии «чип на плате», излучающих в УФ-А (320–400 нм) диапазоне ультрафиолетового излучения, с течением времени работы на номинальном токе. Сопоставляются данные для различных вариантов конструкций. Отмечается ускоренная деградация оптических и электрических характеристик образцов с увеличением количества чипов в корпусе. Увеличение мощности излучения в 1,5 раза при неизменной токовой нагрузке на единичный чип привело к увеличению скорости деградации в 3 раза, что выразилось в 2%-ном повышении напряжения и 5%-ном уменьшении коэффициента преобразования электрической энергии в мощность излучения за 1000 часов работы устройств на постоянном токе.

Для решения задачи управления положением гидропривода при слежении за линейной траекторией предложен релейно-пропорциональный закон управления, дополненный компенсацией статической нелинейности гидроусилителя. Для предложенного закона управления показана устойчивость замкнутой системы. Экспериментальные исследования, проведенные на лабораторном прототипе крана-манипулятора, применяющегося в лесозаготовительной технике, иллюстрируют достигнутую высокую точность слежения.

Рассмотрены особенности построения математических моделей сложных пространственных многозвенных механических систем, положение центров тяжести звеньев которых относительно приборной системы координат определяеются уравнениями движения звеньев. Предложена математическая модель и алгоритм для имитационного моделирования подобной системы на примере корабельного визира.

Описывается операция помещения имплантата под мягкие ткани. Показывается, что в такой операции ткани могут достигать растяжений, при которых проявляются нелинейные свойства. Разрабатывается модификация модели масс-спружинками, позволяющая моделировать нелинейную деформацию растяжения. Описывается подход к построению модуля упругости с помощью сплайнов. Моделирование коэффициента Пуассона производится за счет различных жесткостей для различных типов пружин в кубической решетке. Для определения значений жесткостей решается система уравнений, описывающая растяжение материала. Модель проверяется с помощью эксперимента по растяжению квадратного образца материала. Тестирование показывает, что величина растяжения под действием различных внешних сил совпадает с задаваемым нелинейным модулем упругости. Также коэффициент Пуассона моделируется с погрешностью не более 35%, что лучше результатов для имеющегося способа моделирования коэффициента.

Показано, что инертная нагрузка пьезоэлектрического преобразователя может быть представлена в виде индуктивного сопротивления в его цепи питания, а упругая – в виде емкостного. Предложены модели колебательных систем с элементами различной физической природы, в которых могут возникать свободные гармонические колебания. Показано, что в инертно-емкостной (mC) колебательной системе происходит взаимное превращение энергии электрического поля конденсатора в кинетическую энергию массивного элемента; в упруго-индуктивной (kL) колебательной системе происходит взаимное превращение энергии магнитного поля соленоида в потенциальную энергию пружины.

Описываются результаты первых экспериментов по обработке изображений, маскированных уникальными М-матрицами 22-го порядка. Приводятся общие сведения об М-матрицах и их месте в ряду известных типов структурированных ортогональных матриц, а также кратко обосновываются выгоды от применения данных матриц с целью защиты изображений от несанкционированного доступа. Экспериментально оценивается степень искажений, вызванных применением алгоритмов сжатия с информационными потерями, и проводится моделирование потери некоторого массива маскированной информации при передаче. В качестве объективных индикаторов возникающих изменений после восстановления искаженных маскированных данных выступает метрика оценки отношения пикового сигнала к шуму и метрика структурного подобия. Основная цель работы состоит в определении принципиальной целесообразности применения аппарата М-матриц для маскирования изображений при их передаче или хранении в современных технических системах.

Представлен новый метод обнаружения участков изображения, имеющих цвет, близкий к цвету кожи человека. В основе метода лежит применение непараметрического детектора и детектора движения. Для классификации цвета используется наивный байесовский классификатор, непрерывно обучающийся в процессе работы. Приведена качественная оценка работы детектора. Проведенные эксперименты показывают эффективность метода.

Описаны принципы работы правил по автоматическому установлению антецедентов местоимений для семантикосинтаксического анализатора SemSin. Показано, что при должном использовании морфологической, синтаксической и семантической информации, полученной из дерева разбора, возможно выявление анафорических отношений не только в пределах одного предложения, но и в пределах абзаца. Приведены примеры использования семантического классификатора для правильного определения антецедента.

Разработано программное обеспечение для вычисления групп гомологий и групп направленных гомологий элементарных сетей Петри. Метод вычисления основан на алгоритме нахождения групп гомологий комплекса свободных конечно-порожденных абелевых групп с помощью нормальной формы Смита. Основная идея автора состоит в методе вычисления коэффициентов матрицы дифференциала, допускающем визуальную проверку. Кроме того, рассмотрена задача наглядного построения изучаемой сети Петри с возможностью исследования ее динамики. Приведены примеры ручного расчета групп гомологий и групп направленных гомологий. Описано взаимодействие пользователя с разработанным приложением. Приведены примеры построения и вычисления групп гомологий и направленных гомологий с помощью данного приложения. Программное средство реализовано в среде Embarcadero RAD Studio 2010 на языке программирования С++.

В работе приведена общая схема проектирования и анализа вычислительного процесса на основании графоаналитической модели. Рассматривается анализ по исполнимому коду программы. Представлен обзор существующих алгоритмов восстановления информации об объектах на стеке. Приведены их важные особенности, достоинства и недостатки. Представлен алгоритм, сочетающий в себе предложенные ранее концепции, новые решения некоторых задач и их исследования.

Рассматривается способ интеграции компьютерных систем, использующих традиционные реляционные хранилища данных, на основе технологии связанных данных, затрагивается вопрос интероперабельности таких систем и проблемы ее обеспечения. Для реализации семантической интероперабельности предлагается использовать семантиче- ские технологии, в частности, модели данных RDF и RDF Schema, язык описания онтологий OWL, язык запросов SPARQL и общий подход открытых связанных данных. Рассматривается разрабатываемый авторами программный инструмент R2RMapper, предназначенный для извлечения информации, хранящейся в реляционных базах данных, в семантические форматы. Представлен алгоритм, позволяющий преобразовать такую информацию в единое информационное поле, доступное всем интегрируемым системам.

Исследованы методы измерения параметров движения нижних конечностей опорно-двигательного аппарата человека. Основное внимание уделено исследованию параметров цикла ходьбы. Применена технология инерциального захвата движения. Проведены эксперименты по исследованию ходьбы человека с использованием беспроводных измерительных устройств, оснащенных акселерометрами. Выбрана и описана методика проведения исследования параметров цикла ходьбы. Уделено внимание методике выбора мест крепления измерительных устройств на теле человека с использованием опыта специалистов Научно-исследовательского детского ортопедического института им. Г.И. Турнера (г. Санкт-Петербург, Россия). Описана конфигурация фаз движения нижних конечностей человека при ходьбе, показано соответствие фаз движения полученным в экспериментах данным.

В исходно неупорядоченном ансамбле квантовых стержней, внедренных в пористую матрицу, проведена селективная фотохимическая реакция в условиях продолжительного облучения поляризованным светом. Результатом протекания реакции стало возникновение фотоиндуцированной анизотропии люминесценции нанокристаллов. После завершения длительного периода облучения наблюдался специфический темновой процесс релаксации фотоиндуцированной анизотропии, предположительно обусловленный вращательной диффузией нанокристаллов в порах матрицы. Характерное время протекания процесса – около 10 минут. Биэкспоненциальный вид зависимости интенсивности люминесценции квантовых стержней от времени в ходе фотохимической реакции обусловлен развитием двух фотоиндуцированных процессов в системе – фотоиндуцированного увеличения квантового выхода люминесценции и фотоокисления.

Создана методика повышения ударопрочности эпоксидных композиций путем введения 0,01–0,12 мас.% фуллерена С60. Показано, что при таком низком уровне наполнения эпоксидной композиции углеродными нанокластерами происходит рост прочностных характеристик (модуля Юнга, предельной прочности) более чем на 20% и ударопрочности почти в три раза. Показано, что рост механических характеристик композиций связан с изменением механизма разрушения отвержденных эпоксидных композиций от хрупкого к пластичному. С помощью диэлектрической спектроскопии показано, что изменения механизма разрушения обусловлены ростом межмолекулярных взаимодействий матрица–наночастица, вызывающих замедление подвижности молекулярных цепей в полимерной матрице.

Рассмотрена проблема обеспечения контроля качества сварных соединений в процессе сварки. Для контроля качества предложен метод акустической эмиссии с набором возможных методов фильтрации сигналов. Проведен анализ имеющихся методов, на основе которого выбраны наиболее информативные. Представлены методы анализа полученных сигналов по скорости нарастания переднего фронта и по форме сигнала. Информативность выбранных методов подтверждена экспериментально. Представлены данные, полученные в ходе эксперимента, показывающие изменения характеристик сигналов при имитации дефектов (вставки Ti,W) в процессе сварки.

Рассматриваются аспекты информационной безопасности групповых мобильных робототехнических комплексов с роевым интеллектом. Обсуждаются способы воздействия противоборствующей стороны на роевой алгоритм. Выполнено численное моделирование возможных деструктивных информационных воздействий на роевые робототехнические системы. Показана возможность реализации уникальной угрозы для коллективов роботов – рефлексивного управления роем со стороны злоумышленников. Обоснованы требования к перспективным механизмам обеспечения информационной безопасности роевых систем.

Для задач синтеза траекторий адаптивного управления регионом, адекватных стратегиям регионального развития, предложен метод комплексной оценки безопасности региональных социально-экономических систем, основанный на формировании и анализе интегрального индекса глобальной безопасности. Метод обеспечивает возможность формализации и численного решения задач синтеза траекторий рискоустойчивого развития сложных слабоструктурированных динамических систем в многомерном пространстве критериев на основе когнитивного моделирования.

Предложена модель лабораторного исследования затухающих колебаний пружинного маятника на наклонной плоскости при наличии в системе трения скольжения. Данная модель является примером неэкспоненциального характера затухания гармонических колебаний, объяснение которого возможно в рамках курса общей физики. Показано, что колебания такого маятника происходят с постоянной частотой, равной частоте собственных колебаний пружинного маятника, при этом амплитуда колебаний каждые полпериода уменьшается на одинаковую величину. На основе предложенной методики исследования можно определить работу силы трения скольжения. Предложенная дидактическая модель реализована в виде двух лабораторных работ – компьютерной и натурной. Работы способствуют расширению представлений студентов о методах исследования затухающих колебаний в системах с различной природой сопротивления среды.

Изучена концентрационная зависимость оптических спектров поглощения полиметилфенилсилана, допированного фуллереном С60. Показано, что при степени допирования, превышающей 0,8 мас.%, наблюдается сильный батохромный сдвиг, свидетельствующий об образовании комплекса полиметилфенилсилан-С60. Установлена возможность использования комплекса в качестве оптического ограничителя излучения в видимом диапазоне спектра.

В ANSYS CFX проведено моделирование обтекания снаряда для пращи, определены аэродинамические параметры вращающегося снаряда в диапазоне скоростей 0–50 м/с и угловых скоростей 0–15 об/с. Показано, что конструкция средневековых пращей должна была обеспечить минимальное закручивание снаряду, и, вероятно, диапазон скоростей не превышал 40–50 м/с.

Представлена платформа для оперативного прогноза и оптимизации движения общественного транспорта в Санкт-Петербурге, функционирующая в рамках концепции экстренных вычислений.

Представлена среда суперкомпьютерного эксперимента для поддержки процессов создания лекарственных препаратов нового поколения на основе рекомбинантных белков, функционирующая на основе облачной платформы CLAVIRE.

Рассматривается универсальный метод автоматического определения молекулярно-динамических потенциалов методом квантовой химии. Описаны задачи, возникающие перед исследователем при выборе и использовании стандартных молекулярно-динамических потенциалов. Предлагаемый метод целесообразен во всех случаях, когда их решение оказывается трудно выполнимым и потенциально неточным. Он также позволяет повысить сопоставимость результатов молекулярно-динамического моделирования.