מגבר הלייזר המרחף

כתב העת Physical Review X מדווח על פיתוחו של מָהוֹד אופטי, חסר תקדים ביכולות הההעצמה התהודתית שלו. את המהוד פיתח יעקב ח’יר-אלדין בזמן שהשתלם במעבדתו של פרופ’ טל כרמון.

מהוד (Resonator) הוא מתקן הכולא בתוכו גלים ומעצים אותם באמצעות החזרתם מדופן לדופן בתהליך הקרוי העצמה תהודתית (Resonance enhancement). כיום יש בעולם מהודים מתוחכמים ומשוכללים מסוגים שונים אך גם על מהודים פשוטים המוכרים לכולנו – למשל תיבת התהודה של גיטרה, המעצימה את הצלילים שמפיקים המיתרים, או גוף החלילית המעצים את הצלילים הנוצרים בפיית הכלי.

הגיטרה והחלילית הן מהודים אקוסטיים שבהם מהדהד הקול בין קירות המהוד. בפיזיקה קיימים גם מהודים אופטיים, למשל במכשירי לייזר. לדברי פרופ’ כרמון, מהוד הוא אחד המכשירים החשובים ביותר באופטיקה – “הוא הטרנזיסטור של האופטיקאים.”

מהודים מצריכים שתי מראות לפחות, אולם הם יכולים להכיל גם יותר משתיים – למשל שלוש מראות המחזירות את האור במסלול בצורת משולש, ארבע במרובע וכן הלאה. אפשר גם לסדר הרבה מראות בצורה כמעט מעגלית כך שהאור מסתובב בצורה כמעט מעגלית, וככל שנגדיל את מספר המראות בטבעת האמורה נתקרב למבנה של מעגל מושלם.

אבל זה אינו סוף פסוק, שכן הטבעת מגבילה את תנועת האור למישור יחיד. הפתרון הוא כמובן מבנה כדורי, המאפשר לאור להסתובב בכל המישורים העוברים דרך מרכז המעגל, בלי קשר להטייתם, כלומר במרחב התלת-ממדי.

כעת אנו עוברים מהפיזיקה להנדסה: כיצד לייצר מהוד שהוא כדור נקי, חלק ומדויק ככל האפשר, שהאור יסתובב בתוכו פעמים רבות ככל האפשר וכך יועצם באופן המרבי? אתגר זה העסיק קבוצות מחקר רבות והניב בין השאר מהוד זכוכית זעיר בצורת כדור או טבעת, המוחזק ליד סיב האופטי מדוקק שמצמד לתוכו את האור. דוגמה לכך הציג פרופ’ טל כרמון לפני שנתיים בכתב העת Nature.

אולם גם מהוד הזכוכית הכדורי אינו סוף פסוק, שכן נקודת החיבור שלו לסיב האופטי יוצרת עיוות בצורתו הכדורית. מכאן נולדה השאיפה לייצר מהוד מרחף – מהוד שאינו מוחזק על ידי שום עצם חומרי.

המיקרו-מהוד הראשון בעולם הודגם בשנות ה-70 על ידי ארתור אשקין, חתן פרס נובל בפיזיקה לשנת 2018, שאכן הציג מהוד מרחף. למרות ההישג, כיוון מחקר זה ננטש עד מהרה. כעת, בהשראת עבודתו החלוצית של אשקין, מציגים חוקרי הטכניון את המהוד המרחף המפגין העצמה תהודתית של 10,000,000 סיבובי אור, וזאת לעומת כ-300 סיבובים במהוד של אשקין.

המהוד המרחף

במהוד העשוי מראות המחזירות 99.9999 אחוז מהאור, האור יסתובב כמיליון סיבובים או “טיולים מעגליים”, כפי שקוראים להם בשפה מדעית. אם ניקח אור שהספקו 1 ואט, בדומה לאור של המבזק (פלאש) בטלפון סלולרי, וניתן לו להסתובב הלוך וחזור בין המראות הללו, הספק האור יתעצם לכמיליון ואט – הספק המשתווה לצריכת החשמל של שכונה גדולה בחיפה. בהספק האור הרב נוכל להשתמש, למשל, כדי לעורר תגובת גומלין בין אור לחומר שקוף הנמצא בין המראות.

למעשה, מיליון הוואט מורכבים מאותו חלקיק אור בודד העובר הלוך ושוב דרך החומר, אבל החומר אינו “יודע” שזה אותו חלקיק אור שנע שוב ושוב דרך החומר, ורק “מרגיש” בהספק הרב. בהתקן מסוג זה חשוב גם שמיליון הוואט יעברו דרך שטח חתך קטן, ואכן, המכשיר שפיתח ח’יר-אלדין מוליך את האור ב-10 מיליון טיולים מעגלים, כשהאור ממוקד לשטח אלומה הקטן פי 10,000 משטח החתך של שערה. בכך שבר ח’יר-אלדין את שיא העולם בהעצמה תהודתית של אור.

המהוד שפיתחו חוקרי הטכניון עשוי מטיפת שמן זעירה בקוטר של כ-20 מיקרון – רבע מעובייה של שערה. הטיפה מוחזקת באוויר באמצעות אור בטכניקה הקרויה “מלקחיים אופטיים”.  טכנולוגיה זו, המאפשרת להחזיק חלקיקים באמצעות אור, משמשת כאן להחזקת הטיפה באוויר בלי תמיכה חומרית – סיב או עמוד אחר – העלולה לפגום בצורתה הכדורית או ללכלך את הטיפה. לדברי פרופ’ כרמון, “ההמצאה האופטית הגאונית הזאת, המלקחיים האופטים, משמשת המון במדעי החיים, בכימיה, בהתקני מיקרו-זרימה ועוד, ודווקא האופטיקאים כמעט ולא משתמשים בה – קצת כמו סנדלר שהולך יחף. במחקר הנוכחי אנחנו מראים שלמלקחיים האופטיים יש פוטנציאל עצום בתחום ההנדסה האופטית. אפשר למשל לבנות מעגל אופטי באמצעות מלקחיים אופטיים מרובים המחזיקים מהודים רבים ושולטים על מיקומם של המהודים ועל צורתם בהתאם לצורך.”

גם ממדיה הזעירים של הטיפה מסייעים לשיפור שלמותה הכדורית, משום שכוח הכבידה כמעט אינו מעוות אותה, שכן הוא שולי בממדים הללו יחסית לכוחות מתח הפנים של הנוזל המקנים לו צורת כדור.

במערכת הייחודית שפיתחו חוקרי הטכניון מוחזקת טיפת השמן על ידי קרן לייזר ומקבלת את האור מסיב אחר, שגם מקבל את האור חזרה אחרי שעבר במהוד. על פי תכונותיו של האור החוזר בסיב יכולים החוקרים לדעת מה קרה בתוך הטיפה. לדוגמה, הם יכולים לכבות את האור הנכנס למהוד ולבדוק כמה זמן ישרוד פוטון במהוד לפני שידעך, ועל סמך נתון זה ומהירות האור לחשב את מספר הסיבובים שעושה הפוטון (בממוצע) בטיפה. כאן, כאמור, מדובר בשיא עולם בהעצמת אור: 10,000,000 סיבובים העוברים דרך שטח חתך של כמיקרון בריבוע ומגבירים את האור פי 10 מיליון.

במחקר השתתפו גם  שי מעייני, מארק דוידזון ולאונרדו מרטין מהטכניון ולב דייץ מהפקולטה לפיזיקה ב-Queens College of CUNY. המחקר נערך במסגרת מרכז מצויינות “מעגל האור” של הקרן הלאומית למדע ושל הועדה לתכנון ותקצוב (ICORE), קרן ארה”ב-ישראל למדע (BSF), קרן המדע האמריקאית (NSF), והקרן הלאומית למדע (ISF).

למאמר בכתב העת Physical Review X  לחצו כאן

מלמעלה למטה: המערכת שבמרכזה הטיפה המרחפת באוויר המשמשת מהוד אופטי (הנקודה הירוקה היא הטיפה המרחפת); הטיפה במבט על, באמצעות מיקרוסקופ; הטיפה במבט צד (העצם הארוך מימין הוא הסיב האופטי המחדיר את האור למהוד); והגדלה של הטיפה במבט צד.