ראשי > אז מה עושים שם באוניברסיטה? > אז מה עושים שם באוניברסיטה? פרק 4: לא עוצר בצהוב – על אופטיקה לא לינארית

אז מה עושים שם באוניברסיטה? פרק 4: לא עוצר בצהוב – על אופטיקה לא לינארית

נפגשתי עם גיל פורת כדי לשאול אותו מה עושים שם באוניברסיטה.

גיל הוא סטודנט לדוקטורט בהנדסת-חשמל. את עבודת המחקר שלו הוא מבצע במעבדה לאופטיקה לא לינארית של פרופ' עדי אריה באוניברסיטת תל-אביב. הוא מתגורר בתל-אביב עם אשתו ששוקדת גם היא על עבודת הדוקטורט שלה בתחום מדעי-המחשב. גיל אוהב מאוד מדע-בדיוני, ובעבר היה מעורב בארגון כנסים בנושא.

גיל, אז מה אתם עושים שם?

המעבדה שלנו עוסקת בתחומים שונים של אופטיקה, כלומר חקר האור והאינטראקציה של אור וחומר, ובמיוחד בתחום שנקרא 'אופטיקה לא לינארית'.

מהי אופטיקה לא לינארית? במה היא שונה מאופטיקה רגילה?

כולם יודעים שחומר משפיע על אור, למשל החזרת אור ממראה, שבירת קרני האור בכניסה למים או ריכוז קרני האור בעקבות מעבר דרך עדשה. מה שלא כולם יודעים זה שאור יכול להשפיע על חומר ולשנות את תכונותיו. כך למשל, אם נקרין על גביש אור חזק מאוד ומרוכז בשטח קטן, למשל בעזרת לייזר, ישתנה האופן בו משפיע אותו גביש על האור העובר בו. כלומר, נוצר מצב בו האור משפיע בעקיפין על עצמו.

תוכל לתת דוגמא לתהליך כזה?

כן, ישנו למשל אפקט שנקרא מיקוד עצמי (self focusing). הקרנת אלומת לייזר רבת עוצמה על חומר גורמת למקדם השבירה של החומר להשתנות. ככל שהעוצמה חזקה יותר, כך מקדם השבירה גָדֵל יותר. נניח שאנו מקרינים על החומר אלומה שבה עוצמת האור חזקה במרכז ונחלשת בצדדים (ראו איור 1). מקדם השבירה של החומר ישתנה בהתאם לפילוג האור, כלומר גבוה במרכז ונחלש לצדדים. דבר זה גורם לחומר להתנהג כמו עדשה ולרכז את אלומת האור ששלחנו ושגרמה במקור לשינוי.

איור 1: עקומה גאוסית דו-מימדית להמחשת פילוג האור בקרן. ערכים במרכז גבוהים, ונעשים נמוכים ככל שהמרחק מהמרכז רב יותר. המקור לתמונה: ויקיפדיה.

כדאי להזכיר גם שאפשר לקבל שינוי צבע, למשל ניתן להקרין על גביש קרן לייזר בתחום האינפרא-אדום ולקבל ביציאה קרן לייזר ירוקה (הכפלת תדר). ואפשר גם לסכום צבעים (=תדרים), כלומר להקרין שתי קרני לייזר בתדרים מסוימים ולקבל ביציאה קרן בתדר שהוא הסכום של תדרי הכניסה.

מדוע מתרחשים כל האפקטים הלא לינארים האלה?

ניתן לחשוב על אור הנכנס לחומר שקוף כמוזיקת מעליות נעימה המעוררת את האלקטרונים. המוזיקה מתונה והאלקטרונים נעים לפי הקצב שלה. ריקוד זה גורם לפליטה של קרינת אור בתדר של האור שנכנס. לעומת זאת, ניתן לדמיין הקרנת אור חזק מאוד לתוך החומר כמוזיקה חזקה ורועשת עד כדי כך שהיא גורמת לאלקטרונים לאבד את הקצב ולפצוח בריקוד סוער המערבב מקצבים שונים. אלקטרונים אלה יפלטו אור בעל תכונות שונות משל זה שנכנס.

האם זה עובד עבור כל חומר?

לא, זה תלוי בכמה גורמים. חלק מהתופעות (כמו מיקוד עצמי) יכולות להתרחש באופן עקרוני בכל חומר שקוף, אך דרושה עוצמת אור גבוהה במיוחד על מנת לצפות בהן. חלק אחר של התופעות יכולות להתקיים רק בגבישים בעלי תכונות מבנה מתאימות.

בכל מקרה, כאשר מדובר בשינוי צבע, בדרך כלל לא יתקבל כלל אור בצבע החדש במוצא. הסיבה לכך היא שגלי האור 'החדש', המתעוררים באזורים שונים בגביש, אינם מסונכרנים זה עם זה. כתוצאה מכך מתרחש תהליך מחזורי שבו האור נכנס לגביש, נוצר מעט אור 'חדש', ולאחר מכן האור 'החדש' מומר בחזרה לאור 'הישן'. בגבישים מסוימים, ניתן להתגבר על תופעה זאת בעזרת תכנון קפדני של הגביש שיגרום לסנכרון, כך שעוצמת האור 'החדש' תלך ותגדל לאורך מסלול התקדמותו בגביש (למעוניינים להעמיק: Quasi-phase-matching).

על מה אתה עובד בתחום?

אחד הפרויקטים שעבדתי עליהם הוא הדגמת אפקט קוונטי ידוע בעזרת אופטיקה לא לינארית. מקור ההשראה לפרויקט הגיע מדר' חיים סוכובסקי שהראה כי ניתן לקחת אפקט ידוע מפיזיקה אטומית וליישם אותו בעזרת לייזרים ואופטיקה לא-לינארית.

מה הקשר בין כל הדברים האלה?

בכל המערכות האטומיות האלה האלקטרונים יכולים לקבל רק ערכי אנרגיה מסוימים, כלומר רמות האנרגיה המותרות הן בדידות. כאשר מדובר בלייזרים בגביש, ישנם צבעים מסוימים בלבד שיכולים להתקבל כתוצאה מתהליך לא-ליניארי. כלומר, הצבעים המותרים הם בדידים.

מהו האפקט הקוונטי שאותו רציתם לממש בעזרת אופטיקה לא לינארית?

נתמקד בשלוש מתוך אותן רמות בדידות. ניתן להעלות אלקטרון הנמצא ברמה התחתונה אל הרמה העליונה בשני שלבים: מתן אנרגיה שמתאימה להעברתו מרמה 1 לרמה 2, ואז מתן אנרגיה שמתאימה להעברתו מרמה 2 לרמה 3 (ראו איור 2). יש לשים לב שמכיוון שרק שלושת הרמות האלה אפשריות, אז מתן כמות אנרגיה לא מתאימה, לא תאפשר את מעבר האלקטרון בין הרמות. כמו כן, מכיוון שהאלקטרון 'שואף' להיות ברמה הנמוכה ביותר האפשרית, נצטרך לבצע את השלב השני לפני שהוא חוזר באופן ספונטני מרמה 2 לרמה 1.

אם נדמיין רמזור שבו האור הירוק נדלק כאשר יש אלקטרון ברמה 1, האור הצהוב עבור אלקטרון ברמה 2 והאור האדום עבור אלקטרון ברמה 3, הרמזור יחל בירוק, יעבור לצהוב ויסיים באדום (ראו איור 2).


איור 2: איור סכמטי של רמות אנרגיה בדידות, מעברים ביניהם והמחשה באמצעות רמזורים.

כעת, מה אתה חושב שיקרה אם ראשית ניתן לאלקטרון אנרגיה גבוהה מידי עבור המעבר מ-1 ל-2, ולאחר מכן, ניתן לו אנרגיה נמוכה מידי עבור המעבר מ-2 ל-3, אך נדאג שסכום האנרגיות שהכנסנו מתאים להפרש בין רמה 1 ל-3 (ראו איור 3)?

האינטואיציה אומרת לי שמכיוון שהמעבר הראשון לא יכול להתקיים, אז האור ברמזור יישאר ירוק.

אז בוא נניח את האינטואיציה בצד. מה שבאמת יקרה הוא שהאלקטרון יגיע לרמה שלוש מבלי שיהיה ברמה 2. כלומר הרמזור יתחיל בירוק ויעבור ישירות לאדום ללא צהוב, וזה למרות שהמעבר נעשה בשני שלבים, לכאורה על-ידי מעבר במצב אנרגיה אסור.


איור 3: איור סכמטי של המערכת המדלגת על רמה 2 הצהובה.

אוקיי, מוזר מאוד, וכיצד מימשתם את האפקט בעזרת אופטיקה לא לינארית?

בעצם החלפנו את רמות האנרגיה מהדוגמא הקוונטית בצבעים של לייזרים. אנו מקרינים קרן לייזר לתוך הגביש שהיא אנלוגית לאלקטרון ברמה 1, ואז סוכמים אותה פעמיים עם קרני לייזר אחרות, בדומה להוספת אנרגיה לאלקטרון על מנת להעבירו לרמה גבוהה יותר.

את הגביש תכננו כך שפעולות הביניים של סכימת התדרים לא יהיו יעילות, ולכן לא נקבל את תדר הביניים של החיבור ביציאה. אך את תדר הסכום הכולל כן קיבלנו ביציאה. כלומר, בדומה לדוגמא הקוונטית, עלינו לראש הסולם מבלי לדרוך על השלבים באמצע. בפועל הכנסנו למערכת לייזר באינפרא-אדום האמצעי (אורך גל 3µm) וקיבלנו ביציאה אך ורק קרן לייזר כחולה (452 nm), שהיא תוצאת חיבור התדרים (ראו תמונה).

כך הראנו שהרעיון הזה ניתן ליישום בניסוי אופטי. כמו כן, מעבר למדע הבסיסי, יש לנו גם כמה רעיונות לשימושים מעניינים, אך זה כבר נושא לשיחה אחרת.

תמונה 4: קרן לייזר אינפרא-אדומה שהומרה לקרן לייזר כחולה באמצעות התהליך המתואר למעלה ומוקרנת על מסך בחדר חשוך. המקור לתמונה: גיל.

————————————————————

אני אשמח להפגש ולשוחח עם כל תלמיד מחקר (אולי אתם?) שמוכן להשתתף ולספר לי קצת על מה הוא עושה (והכול במחיר של שיחה לא יותר מידי ארוכה). תוכלו ליצור איתי קשר דרך טופס יצירת קשר.

זה הזמן לספר לכולם מה אתם עושים, אולי הפעם הם גם יבינו :-)

מודעות פרסומת
  1. 05/02/2014 בשעה 4:56 pm

    האם ניתן לנצל את העקרונות הללו במישרין או בעקיפין לצורך הפקת אנרגיה ?

  2. 05/02/2014 בשעה 9:27 pm

    מעליות: אני לא מומחה גדול בנושא אופטיקה-לא-ליניארית, וזה בלשון המעטה, אבל אם אתה מתכוון לבניית מנוע שמבצע עבודה תוך שימוש באפקטים מהתחום, אני לא שמעתי על כיוון כזה, וגם מתקשה לדמיין עקרון פעולה. אם מישהו מכיר הוא מוזמן לספר על כך.

  1. No trackbacks yet.

כתיבת תגובה

הזינו את פרטיכם בטופס, או לחצו על אחד מהאייקונים כדי להשתמש בחשבון קיים:

הלוגו של WordPress.com

אתה מגיב באמצעות חשבון WordPress.com שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Twitter

אתה מגיב באמצעות חשבון Twitter שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Facebook

אתה מגיב באמצעות חשבון Facebook שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת גוגל פלוס

אתה מגיב באמצעות חשבון Google+ שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

מתחבר ל-%s

%d בלוגרים אהבו את זה: