לייזר גל-מים

Prof. Tal Carmon (at left) and graduate student Shai Maayani

חוקרים בטכניון פיתחו “לייזר גל-מים” – התקן ראשון מסוגו היוצר קרינת לייזר באמצעות תגובת גומלין בין אור לגלי מים. יישומים אפשריים של ההתקן כוללים גלאי רב חושי שמתבסס על  גלי אור, קול וגלי מים; וקירור אופטי של גלי מים לצורך הבאתם לתחום הקוואנטי בו האנרגיה משתנה ביחידות בדידות.

המחקר, המתפרסם בכתב העת Nature Photonics, נערך על ידי הסטודנטים שמואל קמינסקי ושי מעייני בהנחייתו של פרופ’ טל כרמון, ראש המרכז לאופטומכניקה בפקולטה להנדסת מכונות. זהו גישור ראשון בין שני תחומי מחקר שנחשבו לא קשורים זה לזה: אופטיקה לא לינארית וגלי מים.

התקני לייזר מבוססים על עקרון הפליטה המאולצת, שאותו ניסח אינשטיין. במילים פשוטות מדובר בכך שאטומים פולטים קרינה כאשר פוגע בהם אור. לרוב מבוססים התקני לייזר על מעבר אלקטרונים בין רמות האנרגיה של האטום. כאן, לעומת זאת, מוצע התקן נוזלי בו מחוללות תנודות גלי המים את קרינת הלייזר. טיפת המים רכה פי מיליון בהשוואה למה שהטכנולוגיה הנוכחית בהתקנים אופטיים מאפשרת, ולכן הלחץ שמפעיל האור על הטיפה גורם לדפורמציה גדול פי מיליון.

האפשרות ליצירת לייזר באמצעות אינטראקציית אור-עם גלי מים לא נבחנה בעבר, אפילו לא על ידי תיאורטיקנים, בעיקר בשל הפער העצום בין תדירותם הנמוכה של גלי המים (כ-1,000 תנודות בשנייה) לבין תדירותה הגבוהה של קרינת הלייזר. פער תדירויות זה מקטין את יעילות העברת האנרגיה בין אור לגלי מים. כדי לצמצם את אותו פער השתמשו החוקרים במכשיר מגביר תהודה (מהוד) בו חולפים גלי מים ואור האחד דרך השני פעמים רבות. בדומה להד ש”מכפיל” צעקה אחת, גלי האור וגלי המים חולפים זה דרך זה פעמים רבות.  כדי להגדיל למליון את מספר ״ההדים האופטיים” השתמשו החוקרים בנוזלים שקופים מאוד, וכדי להגדיל את מספר הדי המים ל-20 נבחרו נוזלים שצמיגותם נמוכה.

לפנינו אם כן הדגמה ראשונה של פליטת לייזר המבוססת על תגובת הגומלין בין אור לגלי מים. קרינת הלייזר נוצרת בתוך טיפה קטנה המוחזקת ב”מלקחיים אופטיים”, כלומר על ידי קרינת אור. באותו זמן מאפשר סיב אופטי, המגיע מהצד, צימוד אור המסתובב בתוך הטיפה אלפי פעמים. כך נוצרת אינטראקציה המעצימה את עצמה וגורמת לפליטה של קרינת לייזר היוצאת מצדו השני של הסיב האופטי.