מאת פסח בנסון • 9 בספטמבר 2025
ירושלים, 9 בספטמבר 2025 (TPS-IL) — מדענים בישראל פיתחו שיטה פורצת דרך לקיפול יריעות זכוכית למבנים תלת-ממדיים מיקרוסקופיים ישירות על שבב, תהליך שהם מכנים "אוריגמי פוטוני", כך הודיעה היום (שלישי) אוניברסיטת תל אביב. הטכניקה, שיכולה לסלול את הדרך לדורות חדשים של מכשירי עיבוד נתונים, חישה ופיזיקה ניסויית, מאפשרת לעצב זכוכית לרכיבים אופטיים חלקים במיוחד ובעלי ביצועים גבוהים, בקנה מידה שבעבר נחשב בלתי מושג.
"מדפסות תלת-ממדיות קיימות מייצרות מבנים תלת-ממדיים מחוספסים שאינם אחידים מבחינה אופטית ולכן אינם יכולים לשמש לאופטיקה בעלת ביצועים גבוהים", אמר פרופסור טל כרמון, שהוביל את המחקר בבית הספר להנדסת חשמל בפקולטה להנדסה ע"ש צ'ייס, אוניברסיטת תל אביב. "בחיקוי האופן שבו קשקשי אצטרובל מתקפלים החוצה כדי לשחרר זרעים, הטכניקה שלנו המושרה בלייזר מפעילה כיפוף מדויק ביריעות זכוכית דקות במיוחד ויכולה לשמש ליצירת מכשירים מיקרו-פוטוניים שקופים במיוחד וחלקים במיוחד למגוון יישומים".
על פי המחקר, תהליך הקיפול המושרה בלייזר של הצוות הפיק מבני זכוכית באורך של עד 3 מילימטרים ובעובי של 0.5 מיקרון בלבד – דקים פי 200 משערת אדם. החוקרים עיצבו בהצלחה את הזכוכית לסלילים וכן למראות קעורות וקמורות, והשיגו משטחים כה חלקים – פחות מננומטר אחד של שינוי – שהאור השתקף ללא עיוות. הממצאים פורסמו בכתב העת Optica, העובר ביקורת עמיתים.
"בדומה לאופן שבו מדפסות תלת-ממדיות גדולות יכולות לייצר כמעט כל פריט ביתי, אוריגמי פוטוני יכול לאפשר מגוון מכשירים אופטיים זעירים", אמר כרמון. "לדוגמה, ניתן להשתמש בו ליצירת עדשות מיקרו-זום שיכולות להחליף את חמש המצלמות הנפרדות המשמשות ברוב הסמארטפונים, או לייצר רכיבים מיקרו-פוטוניים המשתמשים באור במקום בחשמל – מה שיסייע בהנעת המעבר לחלופות מהירות ויעילות יותר לאלקטרוניקה מסורתית במחשבים שלנו".
הגילוי נעשה במקרה. כרמון ביקש מהסטודנטית לתואר שני, מאניה מלעות'רה, לזהות את הנקודה שבה לייזר בלתי נראה פוגע בחתיכת זכוכית על ידי הגברת ההספק עד שהחומר זוהר. במקום לזהור, הזכוכית התקפלה.
"זה היה רגע פשוט אך בלתי צפוי", נזכר כרמון. מלעות'רה הפכה למומחית החלוצה במה שהקבוצה מכנה כעת "אוריגמי פוטוני".
הפיזיקה מאחורי הקיפול אלגנטית באופן מפתיע. כאשר צד אחד של יריעת הזכוכית מתחמם באמצעות לייזר, הוא הופך לזמן קצר לנוזלי. מתח הפנים הופך אז חזק יותר מכוח הכבידה, ומושך את הזכוכית המרוככת לקיפול בדיוק במקום שבו הלייזר ממוקד.
כדי ליישם את הטכניקה בהגדרות מעשיות, מהנדס המעבדה רונן בן דניאל יצר שכבות דקות של זכוכית סיליקה על שבבי סיליקון, אשר נאכלו כדי לשחרר את הזכוכית תוך השארת תומכים קטנים. באמצעות פולסים מלייזר פחמן דו-חמצני, הצוות הדגים שיריעות זכוכית ניתנות לקיפול בפחות ממילי-שנייה, בתנועה במהירות של 2 מטרים לשנייה עם תאוצה העולה על 2,000 מטרים לשנייה בריבוע. "היה מרגש לראות את הסיליקה המתקפלת תחת המיקרוסקופ", אמר כרמון. "רמת השליטה שהייתה לנו על ארכיטקטורה מיקרו-פוטונית תלת-ממדית הגיעה כהפתעה נעימה – במיוחד בהתחשב בכך שהיא הושגה עם מערך פשוט הכולל רק אלומת לייזר אחת הממוקדת בקיפול הרצוי".
החוקרים כיפפו יריעות בעובי של עד 10 מיקרון לצורות הנעות מזוויות ישרות ועד ספירלות, בדיוק של 0.1 מיקרו-רדיאן. אחת ההדגמות המרשימות ביותר שלהם הייתה שולחן זכוכית קל משקל ומתקפל עם מראה קעורה מובנית בבסיסו. בהשראת הצעה תיאורטית של פ.ק. לאם מהאוניברסיטה הלאומית של אוסטרליה, המכשיר יכול באופן עקרוני להיות מרחף אופטית כדי לבחון סטיות אפשריות מכוח הכבידה הניוטוני בסקאלות קטנות מאוד – ניסויים שעשויים לשפוך אור על חידות קוסמיות כמו חומר אפל.
היישומים הפוטנציאליים רחבי היקף. אוריגמי פוטוני יכול ליצור עדשות מיקרו-זום שיחליפו את עדשות הפוקוס הקבועות המרובות הנמצאות כיום ברוב הטלפונים. במקום להשתמש בחמש מצלמות נפרדות לצילומים רחבים, סטנדרטיים וטלפוטו, מבנה זכוכית מקופל יחיד יכול לבצע את כל הפונקציות הללו.
ניתן לשלב מכשירים אופטיים זעירים ובעלי ביצועים גבוהים בשבבים לאבחון רפואי, ניטור סביבתי וחישה תעשייתית, שם גודל ודיוק הם קריטיים. מראות מיקרו וחיווט חלקים במיוחד המיוצרים על ידי אוריגמי פוטוני יכולים לשפר רשתות סיבים אופטיים, ולאפשר ניתוב נתונים קומפקטי ויעיל יותר על שבבים.
בתחום המחשוב האופטי, קיפול זכוכית חלקה במיוחד לרכיבים תלת-ממדיים מדויקים יכול לסייע בבניית מעגלים מיקרו-פוטוניים המשתמשים באור במקום בחשמל, ותומכים בעיבוד נתונים מהיר ויעיל יותר בהשוואה לאלקטרוניקה מבוססת סיליקון.
אופטיקה מתקפלת יכולה גם להשתלב בלוויינים, מל"טים או מערכות אחרות שבהן גודל, משקל ועמידות חשובים.
"מיקרו-פוטוניקה תלת-ממדית בעלת ביצועים גבוהים לא הודגמה בעבר", אמר כרמון. "טכניקה חדשה זו מביאה פוטוניקת סיליקה – שימוש בזכוכית להנחיית אור ושליטה בו – לממד השלישי, ופותחת אפשרויות חדשות לחלוטין למכשירים אופטיים משולבים בעלי ביצועים גבוהים".
