חוקרים מאוניברסיטת תל אביב פיתחו שיטה חדשה, שמאפשרת להמיר את התדר של האור (ובכך לשנות את הצבע שלו) - גם כאשר הוא אקראי ולא "מסודר" כמו אור לייזר. צוות המחקר הסביר שבמשך עשרות שנים ההנחה המקובלת היתה שתהליכים אופטיים לא ליניאריים, הממירים את התדר של מקור האור, דורשים שימוש באור לייזר - אור קוהרנטי, אחיד ומסונכרן מאוד.
למעשה, חקירת תהליכים אופטיים לא ליניאריים התחילה רק לאחר המצאת הלייזר, לפני כ 65 שנה. מקורות אור רבים המוכרים לנו, כמו אור השמש או אור מנורת פלורסנט אינם קוהרנטיים, ולכן נחשבו לבלתי שימושיים לתהליכים אלה משום שהאור שהם פולטים מפוזר ואקראי. המחקר החדש מערער על התפיסה הזו ומראה שניתן "לארגן" אור אקראי בצורה מתאימה שתייצר, לאחר המרת התדר, אלומת אור בעלת תכונות נדרשות. החוקרים אמרו: "מדובר בפריצת דרך בתחום האופטיקה, שעשויה להשפיע בעתיד על טכנולוגיות דימות, מיקרוסקופיה ויישומים רפואיים מתקדמים".
3 צפייה בגלריה
שלוש דוגמאות לעיצוב הקוהרנטיות של אלומת אור בתהליך הכפלת תדר בגביש לא לינארי, ליצירה של "פני סמיילי", אלומת וורטקס ואלומת איירי. שורה תחתונה: עבור המקרה של "פני סמיילי", במדידה בודדת של האור ביציאה מהגביש, מקבלים צירוף אקראי של כתמי אור, אך אם מסכמים מדידות שונות, מתגלה תמונת הסמיילי
(איור: פרופ' עדי אריה)
המחקר נערך בהובלת הדוקטורנט זיהאו פאנג (Zihao Pang) ופרופ׳ עדי אריה, ראש הקתדרה לננופוטוניקה ע"ש מרקו ולוסי שאול, שניהם מבית הספר להנדסת חשמל ומחשבים, הפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל אביב. המחקר פורסם בכתב העת Light Science and Applications ותקציר שלו נבחר להופיע ברשימת פריצות הדרך באופטיקה לשנת 2025 בעיתון Optics & Photonics News .
במרכז המחקר עומד תהליך פיזיקלי של הכפלת תדר שבו אור משנה את צבעו על ידי מעבר בגביש לא לינארי. בניסוי שבוצע, נשלח אור בתחום האינפרא אדום, שהפך לאור ירוק ביציאה מהגביש הלא ליניארי. במקום להסתמך על אלומת אור אחידה, קוהרנטית ו"מסודרת", החוקרים השתמשו באור שאינו מסודר, אך עיצבו מראש את התכונות הסטטיסטיות שלו. כשאור זה עבר דרך הגביש הלא ליניארי, נוצרה אלומת אור חדשה שתכונות הקוהרנטיות שלה - כמו מידת הסדר והצורה - נקבעו מראש על ידי החוקרים.
כדי להמחיש את הרעיון, יצרו החוקרים דוגמה פשוטה ומשעשעת: תמונה של "פני סמיילי" מאור אקראי לחלוטין. כל תמונה בודדת נראתה כצירוף אקראי של כתמי אור, אך כאשר חיברו יחד תמונות רבות, הדמות של "פני סמיילי" הופיעה בצורה ברורה. המשמעות: גם מאור שנראה חסר סדר לחלוטין, ניתן לחלץ מידע וליצור תמונה ברורה.
בנוסף, הראו החוקרים שניתן ליצור בעזרת השיטה הזו אלומות אור לא קוהרנטיות בעלות תכונות ייחודיות, המשמשות כיום במחקר מתקדם, בתקשורת אופטית ובמדידות מדויקות כגון אלומות וורטקס ואלומות איירי - וכל זאת בלי הצורך באור לייזר קוהרנטי.
החוקרים הוסיפו כי היכולת לשלוט באור אקראי פותחת דלת לאפשרויות חדשות, במיוחד בתחומים שבהם אלומות אור קוהרנטיות ומסודרות אינן זמינות, למשל כאשר האור צריך לעבור דרך רקמה ביולוגית מפזרת או דרך תווך אטמוספרי טורבולנטי. המחקר מציע כי גם במקרים אלה, עדיין ניתן להמיר את התדר של האור ולעצב את הקוהרנטיות שלו.
המחקר נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע והמרכז לאינטרקציה של אור וחומר באוניברסיטת תל אביב.
