אור

01.06.2006
מימין לשמאל: לירן שמשי, פרופ' ניר דוידזון , פרופ' אשר פריזם וורדית אקהויז. שילובים

אחוז בזה, וגם מזה אל תנח ידך.
קהלת ט"ז, י"ח

מציאת שיווי המשקל הנכון בין סיכונים לסיכויים בהשקעות היא רק דוגמה אחת למציאות מוכרת היטב שבה יש צורך לאזן בין שתי תכונות רצויות - שאינן יכולות לדור יחד בכפיפה אחת. אבל מדענים ממכון ויצמן למדע, שסירבו להיכנע למודל הזה, הצליחו באחרונה, בכל זאת, למצוא דרך ליצור אלומות של קרני לייזר בעלות עוצמה רבה ואיכות קרן טובה בעת ובעונה אחת.

 
בתהליך הפיתוח של מטול קרני לייזר יש להתחשב בשתי תכונות מרכזיות של הקרן המבוקשת: עוצמה ואיכות. קרן בעלת איכות גבוהה יכולה להתמקד - כמו פגיון - בנקודות קטנות ומדויקות. קרן בעלת איכות נמוכה מתאפיינת, לעומת זאת, בפיזור רב יותר, שגורם לכך שהיא פועלת כמעין סכין קהה. עד לאחרונה אי-אפשר היה לשלב את שתי התכונות האלה של קרני לייזר באופן פשוט. אפשר היה ליצור קרן חזקה אבל קהה - או קרן חלשה אבל חדה. מדענים רבים קיבלו את מצב העניינים הזה כעובדת חיים שיש ללמוד לחיות עמה. אבל צוות של מדענים ממכון ויצמן למדע סבר, שאם עובדות החיים אינן מתאימות לצרכיך, אתה יכול - וצריך - להעלות שאלות שיעלו אותך על הדרך לשינוי העובדות. והם שאלו: מה יקרה אם נשלב כמה לייזרים חלשים? האם הקרן המשולבת תהיה חזקה ובעלת איכות טובה בעת ובעונה אחת? והאם היא תקיים תכונות אלה לאורך זמן? השאלות האלה הובילו את פרופ' אשר פריזם, פרופ' ניר דודזון, ותלמידי המחקר עמיאל ישעיה, ורדית אקהויז ולירן שמשי מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות לשילוב של 16 קרני לייזר חלשות וליצירת קרן אחת, חזקה ובעלת איכות גבוהה. מאמר המתאר את המחקר הזה התפרסם באחרונה בכתב העת המדעי Optics Letters.
 
שילוב יעיל של קרני לייזר אפשרי רק כאשר קרני הלייזר המיועדות לשילוב הן בעלות תכונות קוהרנטיות, כלומר, שכל מאפייניהן זהים לחלוטין. כמו כן, גלי האור השונים חייבים להתמקם זה ליד זה בהתאמה מושלמת. רק כאשר שני התנאים האלה מתקיימים, נוצרת "קרן-על" חזקה המשמרת את תכונות האיכות הגבוהה של הקרניים שמרכיבות אותה. קל, יחסית, להקליד את המילים והמשפטים האלה, אבל הרבה יותר קשה להכיל בכפיפה אחת את שני התנאים האלה. כל הפרעה זעירה עלולה להזיז את הקרניים כך שלא תהיה ביניהן התאמה מלאה.
 
כדי להתגבר על הקושי הזה פיתחו המדענים מתקן שמאפשר מעין "ברירה טבעית" של קרני לייזר אשר עונות על דרישות השילוב, ופוסל את אלה שאינן עונות על הדרישות האלה. במתקן נוצרות 16 קרני אור, הטסות, כמעין חיצים, אל התקן אופטי מיוחד שפיתחו המדענים. אבל, רק אם הן עונות במדויק על דרישות ההתאמה הקוהרנטית, הן עוברות לצדו האחר ללא הפסדים, שם הן צוברות עוצמה. הקרניים שאינן עומדות בדרישות הקוהרנטיות סובלות מהפסדים חזקים במעבר דרך האלמנט. "זה פועל כמעט כמו קסם", אומר פרופ' דודזון, "כאילו שלקרני הלייזר יש אישיות והן יכולות להחליט בעצמן כיצד לנהוג. הן 'מחליטות' להתאים את עצמן זו לזו, מכיוון שהן 'יודעות' שאם לא יעשו כן, הן 'ינודו' ולא יוכלו להמשיך בדרכן. למעשה, הן מסוגלות להמשיך ולהתאים את עצמן במהירות רבה גם בתנאי חוסר יציבות. לכן, התוצאה הסופית המתקבלת היא קרן יציבה, בעלת עוצמה רבה, חדה וממוקדת".
 
קרני לייזר כבר שולבו בעבר, במקומות שונים בעולם, אבל התוצאה שהשיגו מדעני המכון טובה במידה משמעותית מתוצאות אחרות שהתקבלו עד כה. למשל, בשיטות השילוב הקודמות אפשר היה לשלב באופן קוהרנטי מספר מוגבל של קרני לייזר. בשיטת השילוב החדשה אין, באופן תיאורטי, גבול למספר הקרניים המשתלבות - דבר שמאפשר ליצור קרן משולבת חדה מאוד ובעלת עוצמה רבה מאוד. הקרן הנוצרת בשיטה זו היא גם יציבה יותר - תכונה חשובה ליישומים מעשיים שעשויים להיות, בין היתר, במתקני מכ"ם, תקשורת אופטית, טכנולוגיות חלל, עיבוד חומרים, וטיפולי לייזר רפואיים שונים.
 

פסגות ועמקים

העיקרון הבסיסי של הלייזר הוא הגברה ו"ארגון מחדש" של האור. מכשיר הלייזר מכיל שתי מראות, אחת בכל קצה של חלל סגור שבו נמצא גם מקור אור. האור הנפלט מוחזר מהמראות שוב ושוב. תוך כדי התנועה הזאת, חלקיקי האור גורמים לייצור חלקיקי אור נוספים בעלי תכונות (כיוון, תדירות ומופע) הזהות לאלה של החלקיקים המקוריים. כך נוצרת אלומה של גלי אור מקבילים, מסודרים וזהים, הנעים יחד בכיוון אחד.
 
מטול הלייזר שיצרו מדעני המכון מכיל מרכיבים נוספים, המשלבים קרני לייזר יחידות לאלומה מאוחדת. מרכיב זה מבוסס על העיקרון של ברירת קרני האור ושילוב של אלה המתאימות זו לזו בתדירות ובמופע (ה"פסגות" וה"עמקים" של גלי האור). כאשר אין התאמה מלאה בין ה"פסגות" וה"עמקים", הקרניים יתאבכו זו כנגד זו ויבטלו זו את זו. הקרניים הנותרות, המתאימות זו לזו, הן ה"מובחרות" שיוצרות יחד את קרן הלייזר המשולבת.
 
 
 
 
מימין: 16 אלומות לייזר הנוצרות במערכת שפיתחו מדעני המכון. משמאל: הקרן המשולבת
 
 

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם