היחידה להנדסת אלקטרואופטיקה באוניברסיטת בן גוריון-המשך לימודים עם הפנים למחקר ולתעשייה

היחידה להנדסת אלקטרואופטיקה באוניברסיטת בן גוריון היא ייחודית במינה בארץ. היחידה נוסדה בשנת 1999 במטרה לקדם את החינוך והמדע בנושאים הקשורים בהנדסת אלקטרואופטיקה ופוטוניקה, והיא מקנה תואר שני ושלישי בהנדסת אלקטרואופטיקה. התמקדות בתחום האלקטרואופטיקה והפוטוניקה משקף את החזון שתחום זה צפוי להחליף במאה ה 21 את התפקיד שתפסה האלקטרוניקה במאה ה 20 .

חזון זה מתחיל להיות מזוהה בעולם, ואוניברסיטת בן גוריון מצטרפת למספר מוסדות בארה"ב, אירופה והמזרח הרחוק שפתחו מסגרות לימוד ייעודיות לתחום זה. תוכנית הלימודים הינה מולטי דיסציפלינארית מטבעה. סטודנטים בעלי תואר ראשון ממדעי הטבע וההנדסה יכולים להצטרף ליחידה להנדסת אלקטרואופטיקה, בכפוף לביצוע קורסי השלמה מותאמים אישית לפי הרקע הלימודי, לביסוס הידע הנדרש ללימודי התואר השני. מבנה הלימודים מותאם לסטודנטים המשלבים את לימודיהם תוך כדי עבודה בתעשייה. אכן כמחצית מהסטודנטים הם כאלה. חברי סגל הליבה בהנדסת אלקטרואופטיקה מונים שישה חברים והיחידה נעזרת בחברי סגל נוספים העוסקים בתחום ממחלקות אחרות ומהתעשייה, לצורך הדרכת סטודנטים והרחבת מגוון הקורסים הניתנים.

לחברי היחידה לאלקטרואופטיקה והמרצים הנוספים בה, פרסומים רבים בכתבי עת מדעיים יוקרתיים. למחקריהם יש הדים ברחבי העולם והערכה בינלאומית רבה במגוון רחב של תחומים. ההכרה הבינלאומית מתבטאת בחברויות כבוד בארגוני האלקטרואופטיקה המובילים בעולם, בהשתתפות בעריכת כתבי העת, בנוסף לציטוטים הרבים של המחקרים בעולם. לרוב המחקרים והפרסומים הללו שותפים סטודנטים לתארים מתקדמים שלמדו ולומדים ביחידה. הכרות בינלאומיות אלו הן כבוד גדול ליחידה ולאוניברסיטה בכלל. מבין התרומות הבולטות למחקרים שהתבצעו ביחידה להנדסת אלקטרואופטיקה וממשיכים לפתח אותם אפשר למנות את הבאות:

1. מערכת דימות ספקטרו-פולרימטרית לדימות רפואי:
מערכת זו פותחה בקבוצתו של פרופ' אברהים עבדולחלים, מבוססת על שילוב של התקני גבישים נוזליים קומפקטיים שנשלטים על ידי מתח של כמה וולטים שגם הם פותחו באותה מעבדה. ניסויים קליניים בוצעו במחלקת פלסטיקה בבית חולים סורוקה וקורלציה נעשתה בין תמונות של נגעים בעור לבין תוצאות הפתולוגיה. השלב הבא של המחקר הוא שיפור המערכת כך שתתופעל על ידי הרופא בלבד ולאסוף מספר יותר גדול של נתונים.

2. התקני גביש נוזל לאינטגרציה במערכות דימות אופטיות :
מעבדת גבישים נוזליים של פרופ' עבדולחלים היא ייחודית במינה בארץ ובה מפתחים התקני נוזליים כאשר המטרה העיקרית היא שילובם במערכות דימות ובעיקר דימות רפואי. לגבישים נוזליים יש את האפקט האלקטרואופטי החזק ביותר ועל כן ניתן להשתמש בהם לאפנון של האור בכמה מובנים לדוגמה שליטה על הפזה, הקיטוב ואורך הגל. הצגים שעשויים מ-LCD, הגיעו למצב מעולה מבחינת איכות התמונה וגודל הצג ונמכרים במחירים סבירים. על כן הנטייה היום היא לפתח התקנים אלה לשימושים פוטוניים אחרים. שליטה על הפזה עוזרת לבצע תיקונים של עיוותים אופטיים, שינוי מוקד של עדשה, יצירת צורות תאורה שונות ועוד.

התקi גביש נוזל לאינטגרציה במערכות דימות אופטיות. קרדיט תמונה: פרופסור אדריאן שטרן. אוניברסיטת בן גוריון

שליטה על הקיטוב עוזרת לדימות בקיטובים שונים, שיטת דימות מתפתחת שמאפשרת ראייה דרך תווכים מפזרים דוגמת העור. שליטה על אורך הגל מאפשרת מסננים אופטיים מתכווננים שיש להם שימושים אדירים בדימות מולטי-ספקטראלי והיפר-ספקטראלי. אותם התקני גביש נוזל ניתן להשתמש בתחומים אחרים כמו בתקשורת אופטית, בביוחיישנים אופטיים, במערכות מדידה פולארימטריות וספקטראליות שונות בתעשייה.

3. מצלמה זולה ומערכת דימות בתחום הטרא הרץ וגלים מילימטריים

מצלמה זולה ומערכת דימות בתחום הטרא הרץ וגלים מילימטריים. קרדיט תמונה: פרופסור אדריאן שטרן. אוניברסיטת בן גוריון

תחום ספקטרלי זה הוא בעל יכולת עצומה לדימות בטחונית ורפואית. המגבלה העיקרית היא המחסור בגלאים רגישים, מהירים וזולים, שמהן ניתן להרכיב מערך (focal plane array FPA ) המאוד רגיש הדרוש עבור דימות בזמן אמת, ובמיוחד של מטרות נעות. המערכות היום הן מאוד יקרות וכמעט כולן אינן פועלות בזמן אמת בגלל יוקר הגלאי שמונע שימוש בכמות גדולה למערך אחד. מצאנו שנוריות ניאון מזעריות שעולות כחצי דולר יכולות לענות על כל הדרישות הנ"ל, והצלחנו לפתח FPAs קטנות ודרכם לקבל תמונות איכותיות בתחום ה – 100GHz-300GHz, בעלות רזולוציה טובה שהושגה בשיטות של דגימת יתר וקליברציה מסודרת. כעת, המחקר מתרכז בפיתוח FPA גדול יותר והשגת דימות תלת ממדית, ושיפורים נוספים ברזולוציה.

4. דימות אופטי באיכות גבוהה דרך האטמוספירה

דימות אופטי באיכות גבוהה דרך האטמוספירה.
קרדיט תמונה: פרופסור אדריאן שטרן. אוניברסיטת בן גוריון

דימות ותקשורת אלחוטית לטווח רחוק מושפעים ונפגמים בעיקר כתוצאה מהתווך האטמוספרי. חקר התווך האטמוספרי והשפעתו על איכות התמונה נחקרו רבות בשני העשורים האחרונים ע"י קבוצתו של פרופ' קופיקה, מייסד היחידה להנדסת אלקטרואפטיקה. במסגרת המחקרים נלמדו ההשפעות של גורמים שונים הכוללים את הנתונים המטאורולוגיים, ציוד הדימות, החלקיקים באטמוספירה והטורבולנסיה באוויר.

בקבוצתו של פרופ' יצחקי פותחו שיטות חדשניות להתגברות על ההשפעות המזיקות של התווך, הגורמות לטשטושים ותזוזות אקראיות באות המצולם. השיטות האוטומטיות שפותחו מאפשרות צילום איכותי דרך התווך האטמוספרי, אף ללא שימוש בידע מקדים כמותי על הגורמים המפריעים.

5. ביו-חיישנים אופטיים בעלי רגישות גבוהה
החשיבות של ביוחיישנים אופטיים היא עצומה היום לשימושים קיליניים וסביבתיים. חיישן אופטי מתאפיין בפשטות שלו, פעולה ללא זרמים ומתחים, ואפשרות לחישה מרחוק וברגישות גבוהה. פרופ' עבדולחלים מפתח ביוחיישנים המבוססים על מבנים ננומטריים מתכתיים איפה שאפשר לעורר פלסמונים משטחיים שידועים ברגישותם הגבוהה לריכוזים של מזהמים בתוך נוזל.

קרדיט תמונה: פרופסור אדריאן שטרן. אוניברסיטת בן גוריון

אחד הפרויקטים עוסק בשכבות דקות המעוצבות בצורת מוטות ננומטריים, מבנה אשר שימושי גם להגברת אות הפלואורוסנציה ופיזור ראמאן ממולקולות שנמצאות בסביבת המשטח של הננו חלקיק. פרויקט אחר עוסק במפתחים ננומטריים בשכבת מתכת דקה, ושם פרופ' עבדולחלים פיתח חיישן בלתי רגיש להשתנויות בטמפרטורת הסביבה. השימושים בהם עוסקת הקבוצה מרוכזים במזהמים במים ובמדידת אנליטים בדם בעיקר אצל תינוקות.

6. שיטת סופר – רזולוציה חדישה על ידי שימוש בחלקיקים ננומטריים

דימות ברזולוציה גבוהה ממה שמאפשר האופי הגלי של האור הוא האתגר המרכזי באופטיקה כבר מעל למאה שנה. לאחרונה פותחו מספר שיטות כאלו, אבל רובן מתבססות על מדידת השדה הקרוב או על מיקרוסקופיה מבוססת אלקטרונים, דבר שמגביל את היישומים למערכות ביולוגיות. מבין השיטות הבודדות שמאפשרות רזולוציה גבוהה (עד ננומטרים בודדים) במערכות ביולוגיות בשיטות של שדה רחוק, השיטה המצליחה ביותר נקראת (Stimulated-emission depletion microscopy (STED. היא מבוססת על שיפור הקטנה אפקטיבית של האזור ממנו נפלט אור על ידי פליטה מאולצת על ידי אלומות אור טבעתיות. מגרעות השיטה הן שהיא מצריכה עוצמות אור גבוהות במיוחד, מה שמוביל לפגיעה ברקמות הביולוגיות ומצריך שימוש בלייזרים יקרים מאוד.

שיטת סופר- רזולוציה חדישה על ידי שימוש בחלקיקים ננומטריים
קרדיט תמונה: פרופסור אדריאן שטרן. אוניברסיטת בן גוריון

לאחרונה הראנו שהשימוש בחלקיקי מתכת לצורך הגברת השדות האלקטרומגנטיים יכול לספק פתרון יעיל לבעיה זו הוא יאפשר להנחית את העוצמות הדרושות בכמה סדרי גודל ואף לשפר – את הרזולוציה וחדות התמונה. המחקר הנוכחי מתמקד במציאת גיאומטריות אידאליות לחלקיקי ומבני המתכת הדרושים ובביסוס השיטה באופן ניסיוני.

7. דימות וחישה חישובית (Computational Imaging and Sensing)
דימות וחישה חישובית מנצלות את הסינרגיה בין הכלים האופטיים והכלים החישוביים המודרנית: האלגוריתמים החישוביים מותאמים בהתאם לחומרה (אופטיקת ואלקטרוניקה) של מערכת הצילום / חישה, וגם להיפך, דהיינו החומרה מתוכננת על פי היכולות החישוביות ויעוד המערכת. דימות חישובי מאפשר לשבור פרדיגמות של דימות קונבנציונאלי, למשל הרחבת עומק השדה, הגדלת רזולוציה,
הגדלת שדה הראיה, שיפור רגישות הספקטראלית, הקטנת כמות המידע הנרכש, ועוד.

במסגרת זו קבוצתו של פרופ' אדריאן שטרן, ראש היחידה, הייתה בין החלוצות בעולם ליישם את תיאורה ואלגוריתמים חדישים של דימות דחוס (compressive sensing) באופטיקה.

תיאוריה זו מציעה מסגרת איסוף מידע יעיל יותר מאשר היה מוכתב על ידי משפט הדגימה של שנון, אשר הכתיב את תנאי הדגימה במאה ה – 20 . במסגרת יישום תיאוריה זו לאפליקציות אופטיות פרופ' שטרן וקבוצתו פיתחו את השיטה הראשונה לצילום דחוס בחשיפה אחת, פיתחו שיטות לצילום דחוס בתחום בספקטרום הנראה והגלים המילימטריים, פיתחו את מערכת החישה לתנועה הדחוסה היעילה ביותר הקיימת עד היום, שיטות לצילום היפר ספקטראלי דחוס, והובילו יישומי חישה דחוסה בהולגרפיה קוהרנטית וא-קוהרנטית.

לפיתוחים אלה חשיבות רבה. למשל יישום עקרונות החישה הדחוסה במערכות דימות בגלים המילימטריים והטראהרץ מאפשרים לצמצם את מספר הגלאים, אשר הינם יקרים מאוד באורכי גל אלה. מערכות חישה ועקיבה אחרי תנועה הדחוסה שפותחו מאפשרים זיהוי תנועה מהירה מאוד. שיטות של הולוגרפיה דחוסה שפותחו מאפשרות בין השאר לממש מיקרוסקופיה עם רזולוציה משמעותית מעבר למגבלות הרזולוציה הקלאסיות של ריילי. אחד היתרונות הבולטים של מערכות הדימות ההיפרספקטראלי הדחוס שפותחו הוא צמצום כמות המידע שנאסף, אשר במערכות קונבנציונליות הוא עצום. הדבר חשוב למשל במערכות מוטסות או לווייניות.

8. צילום ותצוגה תלת ממדית
לצילום ותצוגה תלת ממדית חשיבות רבה ב"שוק היעודי" (למשל דימות רפואי, מיפוי משטחים, חישה מרחוק, ועוד), וב"שוק הצרכני" (למשל: טלוויזיה תלת ממדית, מולטימדיה תלת ממדי, פרסום, הוראה מקוונת ועוד).

קבוצתו של פרופ' שטרן עוסקת הן בצילום תלת ממדי קוהרנטי והן א-קורהרנטי. בתחום הצילום והתצוגה האקוהרנטית, פרופ' שטרן נחשב כמומחה בעל הכרה עולמית.

9. שיפור היעילות של תאים פוטו וולטאיים על ידי שילובם עם חלקיקים ננומטרים מתכתיים
על ידי שימוש בתופעת הפלסמונים המשטחיים (תנודה קולקטיבית של האלקטרונים החופשיים במתכת) שממוקמים על פני השפה של החלקיים, השדה האלקטרומגנטי מוגבר ויחד אתו מוגברים תהליכים אופטיים שונים שגורמים להגברה בזרם שנוצר על ידי אור חיצוני במוליך למחצה. לעובדה זו יש חשיבות להגברת היעילות של תאים פוטו וולטאיים, גלאים והתקנים – אופטואלקטרוניים אחרים. פרופ' עוזי אפרון והקבוצה שלו הגיעו לתוצאות מרשימות בנושא.

10. מעקב דיגיטאלי והבנת תמונה בדימות לטווח רחוק
הקושי הרב במעקב אחר מטרות בדימות לטווח רחוק נובע מההשפעה המטשטשת של התווך ומתזוזות מקומיות אקראיות באות הוידיאו (הנובעות מהטורבולנסיה האטמוספרית) שמתבטאות בהתראות שווא רבות. בקבוצתו של ד"ר יצחקי מבוצעים מחקרים לפיתוח שיטות להבנת תמונה במצבי צילום קשים, ביניהם צילום לטווח רחוק. במעקב דיגיטאלי לטווח רחוק מבוצעים גילוי, עקיבה וסיווג של עצמים נעים והתנהגותם, שלעיתים קשה גם לעין האנושית להפרידם מההפרעות האטמוספריות. התהליך מבוצע בעזרת טכניקות חדשות בעיבוד תמונה ובהתבסס על הכרת השפעות התווך.

11. מערכת דימות משופרת מבוססת על טומוגרפיה אופטית קוהרנטית בשדה מלא
מטרת מערכת זו בקבוצתו של פרופ' עבדולחלים היא לפתח מערכת דימות תלת מימדית מהירה מאוד, כמעט בזמן אמת שלדעתו יכולה להחליף את המיקרוסקופ הקונפוקלי.

המערכת מבוססת על קוהרנטיות נמוכה, שימוש במיקרוסקופיה אינטרפרומטרית ובהתקני גבישים נוזליים ששולטים בפזה ובאורכי הגל.
12. משקפיים חכמות לראיית לילה.
הפרויקט שיזם פרופ' גבי סרוסי ואף מוביל אותו, הוא בין חוקרים באוניברסיטת בין גוריון ובין אוניברסיטאי הכולל חוקרים מאוניברסיטאות נוספות בארץ. מטרתו לפתח משקפי ראיית לילה יעילים וזולים. המחקר הוא מולטי דיציפלינארי שמשתתפים בו אנשי סגל וסטודנטים מהנדסת – אלקטרואופטיקה, הנדסת חומרים, פיסיקאים וכימאים העוסקים במספר תחומים: חומרים אורגניים יעילים לפליטת אור או גבישים נוזליים ההופכים אפנון של אותות זרם חלשים לאפנון באור נראה, שכבות דקות בעובי מספר מאות ננומטרים המורכבות מנקודות קוונטיות או עמודות קוונטיות הבולעות אור אינפרא אדום בצורה יעילה תוך כדי הגברה נוספת של הבליעה ע"י שימוש באפקט פלסמוני משטחי.

כמו כן נכלל במחקר פיסיקה של התקני מוליכים למחצה קוונטיים והתקני גבישים נוזליים והתקני תצוגה מסוג OLED. בגישה שלנו הזרם שנוצר בשכבת הבולע כתוצאה מפגיעת פוטון אינפרא אדום מומר לפוטון באור נראה תוך שמירת מבנה המרחבי של התמונה המתקבלת על שכבת החומר הבולע תמונה המשוקפת בהמשך ישירות לעין של הצופה.
היות ופרויקטים אלה הם בעלי חשיבות תעשייתית, הם זוכים במענקי מחקר גבוהים שמסתכמים ביותר ממיליון דולר בשנה. חלק מהתמיכה מגיע מהתעשייה, חלק מקרנות מחקר ממשלתיים, חלק ממפא"ת וחלק מקרנות בינליאומיות.

קרנות המחקר מאפשרות לבצע מחקר על ידי שימוש באמצעים ברמה גבוהה ולסבסד מלגות של סטודנטים מצטיינים הן לתואר שני והן לתואר שלישי.

היחידה דוגלת בסמל שהמאה ה – 21 זו המאה של הפוטון בדומה למה שהיה האלקטרון במאה ה – 20 . הפיתוחים שנעשו באלקטרוניקה, מחשבים ותקשורת עוזרים רבות היום לאופטיקה ופוטוניקה בכך שמתאפשרת בנייתם של מכשירים ומערכות אופטיות קומפקטיות, מהירות ובעלות סבירה לשימושים מגוונים החל מתקשורת אופטית, דימות בטלסקופים, מיקורוסקופיה ברזולוציה גבוהה, דיאגנוסטיקה וניתוחים רפואיים, ביו – חישה ועוד.

כחלק מיעד היחידה להגדיל את מספר הסטודנטים לתארים גבוהים, היחידה מנתה עשר סיבות חשובות ביותר לכדאיות של מועמדים לבחור בלימוד תואר שני או שלישי בהנדסת אלקטרואופטיקה:
1. הפוטון הוא האלקטרון של המאה ה – 21 .
2. תחום רב גוני שחודר לאפליקציות תעשייתיות אזרחיות וצבאיות. קיימות כ – – 400 חברות בתעשיית האלקטרואופטיקה.
3. התקנים ומערכות אלקטרואופטיות הם הבסיס למגוון רחב של מוצרים שבקדמת הטכנולוגיה.
4. לתקשורת אופטית היה תפקיד עיקרי במהפכת התקשורת וטכנולוגיות האינפורמציה במהלךה – 25 שנים האחרונות ומצפים שתמשיך כך במאה הזאת.
5. אופטיקה רפואית מחוללת מהפכות בדיאגנוסטיקה לא חודרנית, ניתוחי לייזר, הסרת שיער, פלסטיקה, אופטלמולוגיה ועוד.

6. דימות אופטי נכנס לכל תחומי החיים החל מבקרה על תהליכי ייצור במפעלים, פוטוגרפיה, צילום מדיה תלת ממדית, שמירה, ראייה מרחוק, ראיית לילה ועד הדמאת כוכבים וגלקסיות.

7. ננו-פוטוניקה הוא אחד מהתחומים החמים והמבטיחים ביותר במחקר היישומי העדכני.
8. לייזרים רבי הספק ורבי אנרגיה הם מצד אחד סכיני החיתוך הבאים של המנתחים, המשורים החדשים בעולם המתכת והנשק העתידי.
9. ייצור אנרגיה סולרית והעברת אנרגיה בצורה יעילה מתבצעים באמצעים ורכיבים אלקטרואופטיים.
10. תואר גבוה בהנדסת אלקטרואופטיקה מקנה מפתח לעבודה בתעשיית ההייטק בנושאים המעניינים והחמים ביותר.
יותר אינפורמציה ניתן למצוא באתר היחידה:
http://in.bgu.ac.il/engn/electrop/Pages/default.aspx

או להתקשר למזכירה גב' מרטין גולן:08-6461448

אימייל: martine@bgu.ac.il