Создание функционирующего в режиме удаленного доступа интерактивного учебно-научного комплекса на базе установок фемтосекундной и нелинейно-оптической диагностики наноматериалов и структур

Название проекта: Создание функционирующего в режиме удаленного доступа интерактивного учебно-научного комплекса на базе установок фемтосекундной и нелинейно-оптической диагностики наноматериалов и структур.

На основании: Государственный контракт с Министерством образования и науки Российской Федерации от «15» июля 2011 г. № 16.647.12.2046

Исполнитель: Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики» (МГТУ МИРЭА»), 
119454 г. Москва, пр. Вернадского, 78.

Цель работы Создание функционирующего в режиме удаленного доступа интерактивного учебно-научного комплекса для выполнения работ на установках фемтосекундной и нелинейно-оптической диагностики наноматериалов и структур, обеспечивающего дистанционное обучение и экспериментальные исследования в области изучения наноструктур и наноструктурированных материалов, имеющих потенциальное применение в устройствах микро- нано- и оптоэлектроники нового поколения.

Сайт проекта: http://nano.fel.mirea.ru/lwpsite/главная

Проект предназначен для обеспечения удалённого доступа студентов, исследователей, разработчиков к многофункциональному учебно-научному комплексу по лазерным технологиям изготовления и лазерной и оптической диагностике наноматериалов и устройств на их основе, что будет способствовать решению задач, стоящих перед научно-образовательным и бизнес сообществами наноиндустрии. Непосредственный народно-хозяйственный эффект выполнения проекта обусловлен подготовкой квалифицированных специалистов в области наноинженерии и наноэлектроники (в том числе в системе дополнительно профессионального образования и переподготовки кадров), а также проведением научных исследований, как в рамках образовательного процесса, так и на коммерческой основе и способствует решению научных, инженерных, производственных и образовательных задач в сфере наноиндустрии  для использования в ключевых областях науки и техники, ресурсо- и энергосбережении, промышленном производстве, здравоохранении и производстве продуктов питания, а также для поддержания необходимого уровня обеспечения обороноспособности и безопасности государства;

Полученные в результате выполнения госконтракта результаты способствуют развитию и реализации российского потенциала наноиндустрии в международной научно-технической кооперации; созданию системы учета информации о результатах научных исследований и технологических разработок в сфере наноиндустрии и обеспечивают доступ к этой информации; совершенствованию методической базы научно-технической и инновационной деятельности в сфере наноиндустрии; созданию и ресурсному обеспечению  уникальных научных установок, сети центров коллективного пользования уникальным научным и экспериментальным оборудованием; созданию и развитию инновационной инфраструктуры, совершенствованию механизма взаимодействия участников инновационного процесса, включая организацию взаимодействия научных организаций и высших учебных заведений с промышленными организациями, в целях продвижения новых нанотехнологий и наноматериалов в производство; сохранению и развитию кадрового потенциала, в том числе созданию условий для привлечения и закрепления талантливой молодежи в сфере наноиндустрии, возвращению в Российскую Федерацию ведущих российских ученых и специалистов в сфере наноиндустрии.

В ходе выполнения проекта реализованы следующие направления:

1) Создан функционирующий в режиме удаленного доступа интерактивный учебно-научный комплекс для выполнения работ на установках фемтосекундной и нелинейно-оптической диагностики наноматериалов и структур и обеспечивающий неразрушающий контроль параметров наноструктур и наноструктурированных материалов, имеющих потенциальное применение в устройствах микро- нано- и оптоэлектроники нового поколения, в том числе: наноразмерных тонких пленок, многослойных наноструктур, поверхностных слоев, ансамблей наночастиц, фотонных кристаллов, с использованием методик линейной оптической и нелинейно-оптической микроскопии и спектроскопии, конфокальной микроскопии, генерации второй оптической гармоники и люминесценции, реализованных в многофункциональном комплексе по лазерным технологиям изготовления, обработки, оптического манипулирования и лазерной и оптической диагностике наноматериалов и устройств на их основе.

2) Разработана концепция и архитектура учебно-научного комплекса функционирующего в режиме удаленного доступа для выполнения работ на установках фемтосекундной и нелинейно-оптической диагностики наноматериалов и структур, учитывающих мировой опыт интерактивного дистанционного обучения и соответствующих последним стандартам для онлайновых обучающих ресурсов и обеспечивающих дистанционное обучение и экспериментальные исследования

3) Проведена подготовка и модернизация компонентов установок фемтосекундной и нелинейно-оптической диагностики наноматериалов и структур для функционирования в режиме удаленного доступа

4) Разработаны алгоритмы и программное обеспечение, включая:

• реализацию взаимодействия пользователей с лазерно-диагностическим комплексом для директивного и удалённого управления;
• интерфейсы, обеспечивающие директивное и удалённое управление, построенные на базе персональных компьютеров;
• возможность интеграции интерфейсов управления установкой и интерфейсов средств измерения в режиме удалённого доступа, обеспечивающую непрерывность процесса исследования и защищённость доступа удалённых пользователей к оборудованию.

5) Созданы информационные и пользовательские сервисы учебно-научного комплекса и проведено согласование с телекоммуникационным оборудованием системы удаленного доступа к учебно-научному комплексу

6) Создана централизованная система хранения, обеспечивающая формирование и наполнение базы данных по результатам сбора,  систематизации, обработки и интерпретации экспериментальных данных и имеющая в своем составе программный инструментарий для работы с этой базой.

7) Разработан полнофункциональный интерактивный симулятор  комплекса на базе  установок фемтосекундной и нелинейно-оптической диагностики наноматериалов и структур и банка функциональных, оптических и нелинейно-оптических параметров наноматериалов, в том числе:

• комплекс полнофункциональных компьютерных программ (виртуальных симуляторов), использующих 3D-графику для реалистичной имитации работы реального оборудования, а также динамически моделирующих экспериментальные методы исследований и визуализирующих процессы, происходящие внутри прибора;
• банк функциональных, оптических и нелинейно-оптических параметров наноматериалов для разных образцовых и практически значимых наноматериалов, а также моделей структур наноматериалов, интегрированных в мультимедийный комплекс;
• программа генерации (используя банк данных) и обработки виртуальных параметров наиболее важных нанообъектов и наноматериалов и сравнения с параметрами, полученными в реальном эксперименте;
• расширяемая коллекция виртуальных лабораторных работ, реализованных на базе симуляторов приборов и банка данных и позволяющих обучаемым знакомиться с устройством приборов, принципами работы и последовательностью выполняемых при работе операций, а также выполнять эксперименты онлайн в асинхронном режиме и изучать методы интерпретации их результатов.

8) Разработан мультимедийный учебно-научный комплекс, предоставляющий образовательный контент для интерактивного дистанционного изучения наноструктур, а также методов и процессов исследований, выполняемых в режиме удаленного доступа к комплексу на базе установок фемтосекундной и нелинейно-оптической диагностики наноматериалов и структур, выполнения лабораторных работ, рубежного контроля.

Состав, аппаратная и программная части проекта.

В соответствии с  требованиями задания разработанный в результате выполнения госконтракта функционирующий в режиме удаленного доступа  интерактивный учебно-методический комплекс на базе установок фемтосекундной и нелинейно-оптической диагностики наноматериалов и структур и лазерной диагностики наноматериалов и устройств на их основе включает в себя следующие лазерные технологии изготовления наноматериалов: лазерную абляцию; лазерный пинцет; лазерный отжиг и кристаллизацию, используя следующие диагностические лазерные методы: нелинейно-оптическая спектроскопия (фотонные и плазмонные кристаллы); симметрийный нелинейно-оптический анализ для определения ориентации поверхности срезов материалов микро- и наноэлектроники (кремний, арсенид галлия: поверхности (001), (100), (111)); методы фемтосекундной оптики (pump-probe: плазмонные и фотонные кристаллы, материалы с отрицательным показателем преломления); однофотонная и двухфотонная люминесценция (в наноструктурах оксида цинка – экситонные пики); электро-оптическая диагностика (линейная и нелинейно-оптическая; в тонких пленках и наноструктурах сегнетоэлектриков титаната бария, титаната бария-стронция); магнитооптическая диагностика (линейно и нелинейно оптическая; в тонких пленках и наноструктурах никеля, терфенола, манганитов). Аппаратная часть комплекса обеспечивает следующие  режимы измерения: длительность импульса 100 нс; плотность энергии в импульсе до 10ГВт/см²; спектральные диапазоны в фемтосекундном режиме 750-850 нм, 375-425 нм; 250-283 нм; спектральный диапазон для линейной оптики – 400-1000 нм; режим модуляционной спектроскопии; режим синхронного детектирования; режим счета фотонов; контролируемое перемещение оптических ловушек с точностью не хуже 10 нм; температурный диапазон 77-300 К; режим нелинейно-оптической микроскопии с пространственным разрешением до 5 мкм.

Все компоненты разработанного программного комплекса соответствуют стандарту SCORM 2004 (Sharable Content Object Reference Model) и совместимы с программным обеспечением и сервисами, удовлетворяющими спецификации IMS (Instructional Management System) и OKI (Open Knowledge Initiative). Разработанное программное обеспечение функционирут в операционных системах: Linux (на ядре версии не ниже 2.6) и MicrosoftWindows семейства NT (версия не ниже XP или Server 2003 – ядро NT 5.2). Созданный комплекс разработан на основе технологии, поддерживающей автоматизацию интеграции с внешними системами (WCF, Web-Services и т.п.),  разработанные web-решения совместимы с распространенными браузерами: MS Internet Explorer (версии 7.0 и выше), Firefox (версии 3.0 и выше), Chrome (версии 5.0 и выше), Opera (версии 10.0 и выше, а система сбора, обработки, хранения и анализа экспериментальных данных реализуется с использованием SQLсервера, позволяющего производить доступ к данным с использованием средств удаленного доступа (MySQL, PostgreeSQL, MS SQL).

Московский государственный технический
университет радиотехники, электроники и автоматики