החוקרים פיתחו שיטה לקיפול יריעות זכוכית דקות במיוחד ליצירת התקנים פוטוניים תלת־ממדיים שקופים וחלקים, עם פוטנציאל ליישומים בתחומי תקשורת, חישה ומחשוב
פיתוח חדש של צוות חוקרים מבית הספר להנדסת מחשבים וחשמל באוניברסיטת תל אביב מאפשר לקפל יריעות זכוכית, שעוביין קטן ממאית קוטרה של שערה, למבנים פוטוניים תלת־ממדיים מיקרוסקופיים ישירות על שבב – תהליך שהם מכנים "אוריגמי פוטוני". השיטה מאפשרת, לראשונה, בניית מיקרו מכשירים אופטיים תלת מימדים בשקיפות גבוהה.
המחקר נערך בהובלת הסטודנטית לתואר שני, מניה מלהוטרה ובהשתתפות מהנדס המעבדה, רונן בן דניאל, וסטודנט המחקר פאן צ'אנג, מהפקולטה להנדסה. המחקר פורסם ב-Optica , כתב העת המוביל של החברה האמריקאית לאופטיקה.
פרופ' טל כרמון: "מדפסות תלת המימד הטובות ביותר שקיימות היום מייצרות מבנים בעלי פני שטח מחוספסים שאינם שקופים ואחידים אופטית ולכן אינם מתאימים לאופטיקה בעלת ביצועים גבוהים. הדבר נובע מטבעו של תהליך הקשיית הזכוכית במדפסת שאינו אחיד במרחב. כדי לתת קנה מידה, המדפסות האופטיות הטובות ביותר מאפשרות לאור להתקדם סנטימטר, בעוד ההתקנים שאנחנו יכולים לקפל לצורות תלת מימדיות מאפשרים לאור להתקדם קילומטר, שמהווה שיפור של 10,000 בביצועי מיקרו אופטיקה תלת מימדית.
בהשראת אופן פתיחת קשקשי האצטרובל כדי לשחרר זרעים, טכניקת הלייזר שפיתחנו גורמת לכיפוף מדויק ביריעות זכוכית דקות במיוחד, ויכולה לשמש ליצירת התקנים מיקרו־פוטוניים תלת־ממדיים, שקופים במיוחד וחלקים להפליא, למגוון רחב של יישומים."
במסגרת המחקר, צוות החוקרים דיווח כי שיטת הקיפול החדשה בלייזר מאפשרת יצירת מבנים באורך 3 מ"מ ובעובי של 0.5 מיקרון בלבד – כ־1/200 מרוחב שערת אדם – ובכך נקבע שיא חדש ביחס אורך לעובי במבנים תלת־ממדיים. הם יצרו גם צורות לולייניות ומראות קעורות שקוטרן קטן מעובי שערה.
"בדומה לאופן שבו מדפסות תלת־ממד גדולות יכולות לייצר מגוון פריטים לבית, אוריגמי פוטוני יכול לאפשר מגוון רחב של התקנים אופטיים זעירים," הוסיף כרמון. "למשל, ניתן לייצר באמצעותו עדשות מיקרו־זום שיחליפו את חמש המצלמות הנפרדות שבמרבית הסמארטפונים, או לייצר רכיבי מיקרו־פוטוניקה המשתמשים באור במקום בחשמל – וכך לקדם את המעבר לחלופות אופטיות מהירות ויעילות יותר לאלקטרוניקה המסורתית במחשבים."
שיטת האוריגמי הפוטוני התגלתה במקרה, כאשר כרמון ביקש ממניה לזהות היכן פוגע לייזר בלתי נראה בזכוכית על ידי הגברת ההספק עד שהנקודה תקרון, ממש כמו ברזל מלובן. הזכוכית התקפלה – וכך התגלה פתרון פשוט ובלתי צפוי לקיפול זכוכית. מניה הפכה מאז לחלוצה בתחום האוריגמי הפוטוני.
הזכוכית מתקפלת משום שכאשר צד אחד שלה מחומם בלייזר, היא מתנזלת ומתח הפנים של המשטח גדל ומתגבר על כוח המשיכה. כתוצאה מכך, הזכוכית נמשכת לקיפול בדיוק במקום שבו פוגע הלייזר.
כדי ליישם את התגלית, רונן בן־דניאל יצר שכבה דקה של זכוכית סיליקה על שבב סיליקון ועיצב אותה בצורה הדו־ממדית הנדרשת. לפני קיפול הזכוכית, החוקרים הסירו את הסיליקון שמתחת ליריעה תוך השארת אזור תמיכה קטן להחזקתה במקומה. באמצעות פולסי לייזר הם הראו כי ניתן לקפל יריעות זכוכית דקות שעל שבב סיליקון בפחות מאלפית שנייה, במהירות של 2 מטר לשנייה ובתאוצה של 200g, תאוצה גדולה פי 20 מזו שמרגיש מטוס קרב.
"זה היה מרגש לראות את הזכוכית מתקפלת מתחת למיקרוסקופ," אמר כרמון. "אני בקהילה שמייצרת מכשירים אופטיים על שבב דו מימדי מזה שנים רבות וחשבתי שראיתי הכל, אולם רמת השליטה שלנו בהפיכת הפוטוניקה לתלת־ממדית הפתיעה אותנו – במיוחד לאור העובדה שהדבר הושג במערך פשוט שכלל קרן לייזר אחת בלבד, ממוקדת בקפל הרצוי כשכל העבודה נעשית, כמובן, תחת מיקרוסקופ."
באמצעות שיטת האוריגמי הפוטוני החדשה הצליחו החוקרים לכופף יריעות זכוכית בעובי של עד 10 מיקרון לצורות מגוונות – החל מ"זווית ברך" של 90 מעלות ועד ללוליינים – עם שליטה עדינה ברמת דיוק של 0.1 מיקרורדיאן.
"פרופ' כרמון מסכם: "אופטיקה מיקרו־פוטונית תלת־ממדית בעלת ביצועים גבוהים לא הודגמה בעבר. השיטה החדשה מביאה את הפוטוניקה מבוססת הסיליקה – שימוש בזכוכית להכוונה ולשליטה באור – לממד השלישי, ופותחת אפשרויות חדשות לחלוטין למכשירים אופטיים משולבים עתירי ביצועים."
