פרויקטי גמר - אלקטרו-אופטיקה תשפ"ד

הרקע לפרויקט:

על מנת לזהות גורמי מחלה בשלב מאוד מוקדם יש צורך במערכות זיהוי ביומרקרים מאוד רגישות. מערכות המבוססות על סימון גורמי המחלה במולקולה פלואורוסנטית וזיהוי אופטי רגיש מאוד של המולקולות הללו הן אתגר משמעותי בתחום של פיתוח מכשירי דיאגנוסטיקה במבחנה. בפרוייקט זה נעבוד עם ה-state of the art בתחום הדיאגנוסטיקה.

מטרת הפרויקט:

הסטודנטים יתכננו את המערכת האופטית, ילמדו להרכיב מערכות אופטיות על שולחן אופטי, יבצעו ניסויים לזיהוי מולקולות פלואורוסנטיות בתמיסה ויאפיינו את רגישות המערכת מבחינת סף גילוי, טווח דינאמי, טעות מדידה.

תכולת הפרויקט:

1. הסטודנטים ילמדו כיצד עובדת מערכת אופטית בעלת ערוץ אחד המאפשרת זיהוי פליטה פלאורוסנטית.
2. הסטודנטים יתכננו מערכת בעלת שני ערוצים
3. הסטודנטים ילמדו כלים במטלב לזיהוי האות הפלואורונסטי ויכתבו קוד שיאפשר כימות של ריכוז המולקולות הפלואורוסנטיות בתמיסה
4. הסטודנטים יבדקו את המערכת שיבנו בעזרת מולקולות פלואורוסנטיות וחלקיקים מגנטים.

קורסי קדם:

מבוא לאופטיקה, מבוא ללייזרים

דרישות נוספות:

עקרונות וטכנולוגיות אופטיות לדיאגנוסטיקה במבחנה

מקורות:

http://www.amosdaniellilab.com/

הרקע לפרויקט:

תקשורת אופטית היא קריטית להעברת מידע בלי להשתמש בתחנות קרקע. בפרויקט זה ניצור מערכת מתאימה לבדיקת התכנות

מטרת הפרויקט:

הדגמת מערכת תקשורת אופטית מלאה

תכולת הפרויקט:

תכנון המערכת, הזמנת הציוד, בניית המערכת, הדגמת המערכת המלאה

קורסי קדם:

• אופטיקה
• לייזרים

דרישות נוספות:

• קוונטים

מקורות:

Goodman, Joseph W. Introduction to Fourier Optics / Joseph W. Goodman, Stanford University. Fourth edition. New York: W.H. Freeman, Macmillan Learning, 2017.
 

הרקע לפרויקט:

בפרויקט זה נפתח מערכת אופטיקה קוונטית שמעבדת אותות בזמן. ננצל שימוש בעדשות זמן כדי לזהות פוטונים בודדים ואת הצורה הזמנית של הפוטונים

מטרת הפרויקט:

זיהוי המודים הזמניים השונים של פוטונים

תכולת הפרויקט:

פיתוח מערכת, בניית הניסוי ועיבוד המידע

קורסי קדם:

אופטיקה, לייזרים, קוונטים

מקורות:

quantum optics

הרקע לפרויקט:

במהלך הפרויקט נמדוד אינטרקציה אנושית בין 16 נגני כינור. נבנה מערכת אוטומטית מבוססת AI לזיהוי איזה נגן עוקב אחרי איזה נגן. נשנה את הקישוריות בין הנגנים ואת הרשת שנוצרת בינהם. נוסיף השהייה בין הנגנים כדי לגרום לתסכול. ונמדוד איזה נגן מוביל ואיזה נגן מובל. באמצעות המערכת נחקור איך נוצרים מנהיגים והאם אפשר לשלוט במי נוצר מנהיג רק על ידי שינוי פרמטרים של הרשת האנושית

מטרת הפרויקט:

מערכת אוטומטית המסוגלת בזמן אמת לזהות איזה נגן כינור עוקב אחרי איזה נגן

תכולת הפרויקט:

בנית מערכת AI לזיהוי נגינת כינור וזיהוי מי עוקב אחרי מי

קורסי קדם:

עיבוד אותות,

דרישות נוספות:

מקורות:

Shahal, S., Wurzberg, A., Sibony, I. et al. Synchronization of complex human networks. Nat Commun 11, 3854 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-17540-7
 

הרקע לפרויקט:

נדרש ידע באופטיקה, עיבוד תמונה ואותות ומומלץ גם ידע במערכות לומדות

מטרת הפרויקט:

הסטודנטים ייחשפו לנושאי המחקר של המעבדה וילמדו איך לתכנן ניסויים, לבנות אותם ולבצע אנליזה לנתונים.

תכולת הפרויקט:

טרם נקבע

קורסי קדם:

• קורסים באופטיקה
• קורסים בעיבוד אותות בדגש על עיבוד תמונות
• קורסים במערכות לומדות מומלץ

מקורות:

הפרויקט מבוסס על טכנולוגית SCOC ו DCS.

הרקע לפרויקט:

בתעשיית איכות המים קיים צורך מובהק בזיהוי מזהמים במים. בפרט, לדעת את סוג המזהם ואת ריכוזו באופן אבסולוטי. לצורך כך יש לנטר את השינויים בתכונות האופטיות של הדוגמה: פיזור ובליעה, אבל קשה להפריד ביניהם. בעבר גילינו כי יש נקודת המכיילת פיזור ועל כן מיטבית למדידות בהן דרושה הפרדה בין הבליעה לפיזור. תופעה זו אומתה במדמי רקמה גליליים בקטרים המדמים אצבע, ועבור זיהוי מתכות כבדות בריכוזים נמוכים. כעת נרצה לשפר את יכולות המערכת ולרדת לריכוזים מאד נמוכים ולזהות חומרים ביולוגים.

מטרת הפרויקט:

הוכחת שיפור יכולות הזיהוי של המערכת האופטית עבור מדידות של בקטריות במים.

תכולת הפרויקט:

בפרויקט הסטודנטים ימדדו מים מזוהמים על ידי בקטריות בריכוז של ppm בכלי זכוכית גלילי ובאורכי גל שונים של בקטריות שונות. לאחר מכן יתחילו את העבודה העיקרית על שיפור המערכת האופטית למדידת פרופיל הפיזור בעזרת אמצעים וכלים אופטיים מגוונים. הסטודנטים יוכיחו כי שיפרו את יכולות הזיהוי של המערכת בכך שמדדו את המזהמים בריכוזים נמוכים יותר של PPB.

קורסי קדם:

מבוא לאופטיקה, שדות אלקטרומגנטיים.

דרישות נוספות:

גלאים, מעבדה באופטיקה.

מקורות:

1. Duadi, H.; Feder, I.; Fixler, D., Linear dependency of full scattering profile isobaric point on tissue diameter. Journal of biomedical optics 2014, 19 (2), 026007.
2. Duadi, H.; Feder, I.; Fixler, D., Influence of detector size and positioning on near-infrared measurements and ISO-pathlength point of turbid materials. Frontiers in Physics 2021, 9, 43.
3. Feder, I.; Duadi, H.; Fixler, D., Single wavelength measurements of absorption coefficients based on iso-pathlength point. Biomedical optics express 2020, 11 (10), 5760-5771.
4. Feder, I.; Duadi, H.; Fridman, M.; Dreifuss, T.; Fixler, D., Experimentally testing the role of blood vessels in the full scattering profile: solid phantom measurements. Journal of Biomedical Photonics & Engineering 2016, 2 (4).
5. Feder, I.; Wróbel, M.; Duadi, H.; Jędrzejewska-Szczerska, M.; Fixler, D., Experimental results of full scattering profile from finger tissue-like phantom. Biomedical optics express 2016, 7 (11), 4695-4701.
6. Organization, W. H., Guidelines for drinking-water quality: incorporating the first and second addenda. World Health Organization: 2022.
7. Zulkifli, S. N.; Rahim, H. A.; Lau, W.-J., Detection of contaminants in water supply: A review on state-of-the-art monitoring technologies and their applications. Sensors and Actuators B: Chemical 2018, 255, 2657-2689.

הרקע לפרויקט:

חישה וניטור אחר השינויים בתכונות האופטיות של החומר, פיזור ובליעה, הינה פעולה קשה לביצוע מאחר ואין שיטה המאפשרת להפריד ביניהן במדידה ישירה. בעבר גילינו כי יש נקודה (Iso-pathlength point) שאיננה תלויה בתכונות הפיזור ועל כן מיטבית למדידות בהן דרושה הפרדה בין הבליעה לפיזור. תופעה זו אומתה במדמי רקמה גליליים בקטרים המדמים אצבע, ועבור זיהוי מתכות כבדות בריכוזים נמוכים. בפרויקט נרצה לפתח משוואה המתארת תופעה זו באופן אנליטי לפי ניסויים וכן לפי סימולציות.

מטרת הפרויקט:

מידול פונקציה אנליטית עבור תופעת ה- Iso-pathlength point ואישורה לפי סימולציות.

תכולת הפרויקט:

בפרויקט הסטודנטים ימדדו מים מזוהמים בריכוזים נמוכים של ppm בכלי זכוכית גלילי. הם יכינו מערך ניסויים עצמאי הנישען על עבודות עבר במטרה למדל את התופעה הפיזיקלית. תוך כדי הם יתחילו בביצוע של סימולציות לחומרים השונים והניסויים השונים. הסטודנטים יחלצו מהניסויים משוואה אנליטית החוזה את התופעה לפי פרמטרי מערכת ואופטיים שונים של החומר. לבסוף הם יבדקו את ביצועה וימחישו זאת חומרים אחרים.

קורסי קדם:

מבוא לאופטיקה, שדות אלקטרומגנטיים.

דרישות נוספות:

גלאים, מעבדה באופטיקה.

מקורות:

1. Alon Tzroya, Shoshana Erblich, Hamootal Duadi, and Dror Fixler Detecting contaminants in water based on full scattering profile within the single scattering regime ACS Omega 2023 8 (26), 23733-23738 DOI: 10.1021/acsomega.3c01977
2. Duadi, H.; Feder, I.; Fixler, D., Linear dependency of full scattering profile isobaric point on tissue diameter. Journal of biomedical optics 2014, 19 (2), 026007.
3. Duadi, H.; Feder, I.; Fixler, D., Influence of detector size and positioning on near-infrared measurements and ISO-pathlength point of turbid materials. Frontiers in Physics 2021, 9, 43.
4. Feder, I.; Duadi, H.; Fixler, D., Single wavelength measurements of absorption coefficients based on iso-pathlength point. Biomedical optics express 2020, 11 (10), 5760-5771.
5. Feder, I.; Duadi, H.; Fridman, M.; Dreifuss, T.; Fixler, D., Experimentally testing the role of blood vessels in the full scattering profile: solid phantom measurements. Journal of Biomedical Photonics & Engineering 2016, 2 (4).
6. Feder, I.; Wróbel, M.; Duadi, H.; Jędrzejewska-Szczerska, M.; Fixler, D., Experimental results of full scattering profile from finger tissue-like phantom. Biomedical optics express 2016, 7 (11), 4695-4701.
7. Organization, W. H., Guidelines for drinking-water quality: incorporating the first and second addenda. World Health Organization: 2022.
8. Zulkifli, S. N.; Rahim, H. A.; Lau, W.-J., Detection of contaminants in water supply: A review on state-of-the-art monitoring technologies and their applications. Sensors and Actuators B: Chemical 2018, 255, 2657-2689.

הרקע לפרויקט:

מדובר על טכנולוגיית חישה חדשנית המבוססת על ניתוח שינויים זמניים-מרחביים של תבנית פיזור אור לייזר מרקמה ביולוגית. על בסיס פיזור זה נבחנת יכולת חישה של פרמטרים ביו רפואיים מרחוק. תבניות הפיזור הנוצרות עקב התאבכות עצמית של אור הלייזר ניקראות ספקלס. אלו תבניות אקראיות המשתנות בזמן כתלות בתהליכים הזמניים הקורים בתוך הרקמה הביולוגית. עי הפעלת ארכיטקטורה פשוטה של עיבוד תמונה המבוססת על קורלציה ניתן לשייך את השינויים המרחביים-זמניים של תבניות אלו עם ננו-רעידות המתרחשות ברקמה. מתוך ניתוח תבניות הננו-רעידות ניתן לבצע שערוך של פרמטרים בו רפואיים שונים הכוללים לחץ דם, מאפיני זרימת דם בכלי דם ועוד.

מטרת הפרויקט:

חישה מרחוק של פרמטרים ביו רפואיים באמצעים אופטיים

תכולת הפרויקט:

ניסויי נעבדה ועיבודי תוצאות במחשב ב מטלב

קורסי קדם:

מבוא לאופטיקה

מקורות:

Z. Zalevsky, Y. Beiderman, I. Margalit, S. Gingold, M. Teicher, V. Mico and J. Garcia, "Simultaneous remote extraction of multiple speech sources and heart beats from secondary speckles pattern," Opt. Express 17, 21566-21580 (2009).

הרקע לפרויקט:

מדובר על טכנולוגיית חישה חדשנית המבוססת על ניתוח שינויים זמניים-מרחביים של תבנית פיזור אור לייזר מרקמה ביולוגית. על בסיס זה ניבחנת יכולת חישה של פרמטרים ביו רפואיים מרחוק. תבניות הפיזור הנוצרות עקב התאבכות עצמית של אור הלייזר ניקראות ספקלס. אלו תבניות אקראיות המשתנות בזמן כתלות בתהליכים הזמניים הקורים בתוך הרקמה הביולוגית. במסגרת הפרויקט ניבנה אלגוריתם לימוד מכונה שילמד את מאפיני תבנית הפיזור וידע לקשר אותה לננו-רעידות המתרחשות ברקמה. מתוך ניתוח תבניות הננו-רעידות ניתן לבצע שערוך של פרמטרים בו רפואיים שונים הכוללים לחץ דם, מאפיני זרימת דם בכלי דם ועוד. אלגוריתמיקת למידת המכונה שתופעל פה תבוסס על רשתות ניורונליות.

מטרת הפרויקט:

אלגוריתמיקה חדשה מבוססת למידת מכונה לניתוח תבניות פיזור אור לייזר

תכולת הפרויקט:

פיתוח אלגוריתמי בינה מלאכותית ואלגוריתמי לימוד מכונה בחישה ביו רפואית

קורסי קדם:

קורס למידת מכונה בסיסי

מקורות:

Zeev Kalyuzhner, Sergey Agdarov, Aviya Bennett, Yafim Beiderman, and Zeev Zalevsky, "Remote photonic sensing of blood oxygen saturation via tracking of anomalies in micro-saccades patterns," Opt. Express 29, 3386-3394 (2021)

הרקע לפרויקט:

בתחום של ניתוח כשלים במעגלי מיקרו אלקטרוניקה ניסרקים שבבי הסיליקון עי מיקרוסקופ אופטי תוך הפעלת שני קרני אור. הקרן האחת המכונה probe היא בתחום הניראה שניבלע הסיליקון ומייצר נושאי מטעם חופשיים. הקרן השנייה המכונה pump היא באינפרא אדום קרוב שבמצב רגיל לא ניבלע בסיליקון אבל כתוצאה מיצירת האלקטרונים החופשיים, קרן זו מקבלת הפסדים ופיזורים הגורמים להצרות הכתם שנוצר. כך שבצמב של סריקת שבב הסיליקון עי שתי הקרניים בו זמנית אפשר למפות שת השבב ברזולוציה מרחבית גבוהה מאוד המתאימה למה שנידרש כדי למפות התקני ננו-אלקטרוניקה כנידרש באפליקציית ניתוח כשלים. הפרויקט כולל שימוש בתכונה לא לנארית אופטית הקורת בסיליקון לצרכי סופר רזולוציה ויישום יכולת זו לאפליקציית ניתוח כשלים במעגלים משולבים.

מטרת הפרויקט:

שיפור שיטת סופר רזולוציה לדימות שבבי סיליקון

תכולת הפרויקט:

ניסויי מעבדה לדימות משופר רזולוציה ל שבבי סיליקון, עיבוד תמונות

קורסי קדם:

מבוא לאופטיקה

מקורות:

H. Pinhas, O. Wagner, Y. Danan, M. Danino, Z. Zalevsky and M. Sinvani, “Plasma dispersion effect based super-resolved imaging in silicon,” Opt. Exp. 26, 25370-25380 (2018).

הרקע לפרויקט:

במעבדה בוצע פיתוח של סנסור פוטוני המבוסס על סיב אופטי מיוחד שהדגים יכולת ראשונה לניטור נזילות של מים מצינור ומדידת שינויי ספיקה. יש רצון להרחיב יכולות אלו למדידה יותר נרחבת של ניטור צינורות מים. עיקרון הפעולה של סנסור הסיב הפוטוני כולל הזרקת אור דרך סיב מרובה מודים ומדידת שינוי בבניות ההתאבכות של המודים בינן לבין עצמם ביציאת הסיב. תבניות התאבכות אלו קשורות במעוותים שונים הנוצרים בסיב החישה ויכולים להעיד על מצב של נזילה בצנרת בה סיב החישה הותקן. ניתוח תבניות האור כולל הן ניתוח קלאסי והן הפעלה של אלגוריתמיקת למידת מכונה ובינה מלאכותית.

מטרת הפרויקט:

פיתוח סיב חישה חדיש

תכולת הפרויקט:

ביצוע ניסויי מעבדה וניתוח תוצאות ב מטלב

קורסי קדם:

מבוא לאופטיקה

מקורות:

A. Bennett, Ye. Beiderman, S. Agdarov, Ya. Beiderman, R. Hendel, B. Straussman and Z. Zalevsky, “Monitoring of vital bio-signs by analysis of speckle patterns in fabric-integrated multimode optical fiber sensor,” Opt. Exp. 28(14), 20830-20844 (2020).

הרקע לפרויקט:

The iterative multi-plane optical properties extraction (IMOPE) technique was designed to study opaque material in a noninvasive manner. It uses spatially coherent illumination on the sample and extract the optical properties (mainly the reduced scattering coefficient but also the absorption coefficient) of the measured samples. To do so, the technique uses the Gerchberg-Saxton algorithm in a multi-plane version to reconstruct the phase. The root mean square of the phase is then calculated and from a comparison with the theoretical model the optical properties of the sample can be extracted. The technique was used for detection of milk components, blood flow and tissue viability, anti-leishmania nanoparticles, nanodiamonds in different skin layers and more.

מטרת הפרויקט:

In this project the laser will be modulated in accordance with the camera, and the effect on the phase analysis will be examined.

תכולת הפרויקט:

1. Learn the theoretical fundamentals of the technique.
2. Learn how to operate the optical system.
3. Learn how to analyze the phase image.
4. Modulate the laser in accordance with the camera.
5. Prepare calibration samples.
6. Measure and analyze the samples.

קורסי קדם:

מבוא לאלקטרואופטיקה

מקורות:

1. C. Shapira, I. Yariv, R. Ankri et al., “Effect of optical magnification on the detection of the reduced scattering coefficient in the blue regime: theory and experiments,” Optics Express, 29(14), 22228-22239 (2021).
2. C. Shapira, I. Yariv, H. Duadi et al., "Extracting the reduced scattering coefficient in different optical magnifications in the blue regime: theory and experiments." 11976, 18-25.
3. I. Yariv, H. Duadi, R. Chakraborty et al., “Algorithm for in vivo detection of tissue type from multiple scattering light phase images,” Biomedical optics express, 10(6), 2909-2917 (2019).
4. I. Yariv, H. Duadi, and D. Fixler, “Optical method to extract the reduced scattering coefficient from tissue: theory and experiments,” Opt. Lett., 43(21), 5299-5302 (2018).
5. I. Yariv, H. Duadi, and D. Fixler, [An optical method to detect tissue scattering theory, experiments and biomedical applications] SPIE, 1089105-1-9 (2019).
6. I. Yariv, H. Duadi, and D. Fixler, “Depth Scattering Characterization of Multi-Layer Turbid Media Based on Iterative Multi-Plane Reflectance Measurements,” IEEE Photonics Journal, 12(5), 1-13 (2020).
7. I. Yariv, M. Haddad, H. Duadi et al., “New optical sensing technique of tissue viability and blood flow based on nanophotonic iterative multi-plane reflectance measurements,” Int. J. Nanomed., 11, 5237-5244 (2016).
8. I. Yariv, S. Kannan, Y. Harel et al., “Iterative optical technique for detecting anti-leishmania nanoparticles in mouse lesions,” Biomedical Optics Express, 12(7), 4496-4509 (2021).
9. I. Yariv, Y. Kapp-Barnea, E. Genzel et al., “Detecting concentrations of milk components by an iterative optical technique,” J. Biophotonics, 8(11-12), 979-984 (2015).
10. I. Yariv, G. Rahamim, E. Shliselberg et al., “Detecting nanoparticles in tissue using an optical iterative technique,” Biomed. Opt. Express, 5(11), 3871-3881 (2014).
11. I. Yariv, C. Shapira, H. Duadi et al., “Media characterization under scattering conditions by nanophotonics iterative multiplane spectroscopy measurements,” ACS omega, 4(10), 14301-14306 (2019).
12. I. Yariv, C. Shapira, H. Duadi et al., "Spectroscopy measurements of opaque material by nanophotonics iterative multi-plane technique." 11254, 121-128.

הרקע לפרויקט:

העולם הקוונטי, ובפרט אופטיקה קוונטית, מאפשרים לשפר את הרגישות של סנסורים קיימים תוך שימוש במצבים קוונטיים של אור. אנו בוחנים יישומים של מצבים כאלה לטובת גילוי עצמים מרוחקים ומציאת המרחק אליהם באופן מדויק. הפרויקט יעמיק את הניתוח הקיים בקבוצה שלנו ויתמקד בסנסורי דמויי מכ"ם במטרה לכמת את היתרון שניתן להשיג תוך שימוש בטכנולוגיות קוונטיות של אור.

מטרת הפרויקט:

ההישג הצפוי הוא ניתוח מפורט של ביצועי סנסור קוונטי שמאפשר לגלות מטרות ולמדוד במדויק את המרחק אליהן. התוצר הסופי יהיה סימולציה מפורטת שכוללת מגוון פרמטרים המתייחסים למקור האור הקוונטי ולתכונות האובייקט אותו מעוניינים לגלות במטרה לאמוד את השיפור הצפוי בעולם הקוונטי ביחס לעולם הקלאסי.

תכולת הפרויקט:

הסטודנטים יכירו את התיאוריה הבסיסית עליה מסתמך הסנסור שבנדון וכן את הסימולציה הקיימת (בתוכנת מתמטיקה). הסטודנטים יעבו את הסימולציה הנוכחית וינתחו אפשרויות חדשות לשימוש במצבים דחוסים של אור כמו גם תוספת של chirp וכיצד אלו מושפעים מרעש. לבסוף, יכמתו הסטודנטים את הביצועים של הסנסור במונחים של רגישות (או SNR) ורזולוציה בטווח.

קורסי קדם:

מכניקה קוונטית שימושית, מבוא ללייזרים. כמו כן, מומלץ לקחת במקביל את הקורס חישוב קוונטי.

מקורות:

1. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.173603
2. https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-29-25-41282&id=465502

הרקע לפרויקט:

רוב הטכנולוגיות הקוונטיות סובלות מבעיות ברגע שהמערכת הקוונטית מצומדת לסביבתה ונהיית פתוחה. לפיכך, קיימת חשיבות רבה לאפיון של מערכות קוונטיות פתוחות - כיצד פוחתת הקוהרנטיות שלהן וכיצד ניתן להקטין את האפקט הזה (ואולי אפילו להשתמש בו). הפרוייקט יבצע ניתוח השוואתי של דינמיקה קוונטית מכמה היבטים: הילוכים קוונטיים, ערכים חלשים מרוכבים והתניה ביחס לתת-מערכת במטרה להבין את החוזק היחסי של כל אחד מהתיאורים ולשפר את הטיפול במערכות קוונטיות פתוחות.

מטרת הפרויקט:

ההישג הצפוי הוא ניתוח של מערכות קוונטיות פשוטות יחסית שהן בעלות דינמיקה לא אוניטרית במובן של כימות הפגיעה בשזירה וקוהרנטיות וניסוח שיטות להתגבר על כך תוך שימוש במספר כלים תיאורטיים. התוצר העיקרי יהיה מערכת של חישובים שיתרמו להבנת הדינמיקה של מערכות קוונטיות פתוחות מכמה היבטים שונים. התוצר המשני יהיה הבנת הקשרים בין ההיבטים הללו וזיהוי החוזקות והחולשות של כל אחד מהם.

תכולת הפרויקט:

ראשית, הסטודנטים יכירו את הכלים העיוניים העיקריים בפרוייקטים זה: הילוכים קוונטיים, מדידות קוונטיות מסוגים שונים וכן מדדים שונים ל"קוונטיות". לאחר מכן ישתמשו בכלים אלו בכדי לנתח מערכות קוונטיות פתוחות ברמת מורכבות הולכת וגדלה (ככל שהתאפשר) ממספר נקודות מבט על מנת ליצור תיאור כמה שיותר עשיר ולהבין את הייחוד של כל פרספקטיבה. הפרוייקט יהיה תיאורטי לחלוטין ויתבסס ברובו על חישובים אנליטיים. היכן שנזדקק נשתמש בסימולציות נומריות.

קורסי קדם:

מכניקה קוונטית שימושית. יש לקחת במקביל את הקורס בחישוב קוונטי.

מקורות:

1. https://www.nature.com/articles/s42005-022-01081-0
2. https://www.mdpi.com/2673-3269/2/4/22
3. http://quanta.ws/ojs/index.php/quanta/article/view/14

הרקע לפרויקט:

בשיתוף עם המעבדה של פרופ' שרון שוורץ, הקבוצה שלנו מפתחת שיטות חדשות לדימות רפואי ותעשייתי באמצעות קרני רנטגן בעלות מבנה מרחבי. הדגמנו שיפור ברזולוציה ובמסגרת סימולציה גם הורדה בכמות הקרינה המייננת. חלק חשוב בכיוון מחקר זה, וגם בפרויקט המוצע, הוא שימוש בלמידה עמוקה על מנת לאמן רשת נוירונים בכדי לשפר את שחזור התמונות שמתקבלות במעבדה.

מטרת הפרויקט:

ההישג המצופה הוא שחזור מוצלח של תמונות X-ray בקונטקסט רפואי תוך שימוש ב-dataset מוגבל ורועש. התוצר הסופי יהיה קוד עובד שבאמצעתו ניתן לקבל קלט חדש מהמעבדה ולייצר תמונה משוחזרת (תוך שימוש בלמידה מוקדמת של datasets דומים).

תכולת הפרויקט:

היכר עולמות התוכן הרלוונטיים: ghost imaging, compressed sensing, supervised learning. השוואה בין מספר ארכיטקטורות למימוש הרשת, אימון הרשת ובחינתה. הפרוייקט יכלול עבודה עם מידע סימולטיבי ומידע שהתקבל מגלאים במעבדת שוורץ ושחזור תמונות של עצמים כגון עצמות, מפרקים וכו'.

קורסי קדם:

השאיפה היא שלסטודנטים בפרוייקט יהיה ידע בסיסי באופטיקה ותכנות בפייתון וכן כמה שיותר קורסים בלמידת מכונה (ניתן לקחת במקביל).

מקורות:

https://arxiv.org/abs/2305.12468

הרקע לפרויקט:

אופטיקה משולבת מאפשרת מזעור של מערכות אופטיות גדולות לממדים קטנים ושילובם על גבי שבבים אופטיים זעירים. על מנת לנצל את רוחב סרט המירבי ולהעביר כמות גדולה של אינפורמציה ניתן להעביר מספר אורכי גל בו זמנית באותו מוליך גל (ערוץ תקשורת באופטיקה משולבת) ולכן יש צורך בהתקנים לפיצול ואיחוד של מקורות אור שונים על גבי שבבים אופטיים. בפרויקט זה נלמד את שיטות שונות ומגבלות שלהם לפיצול ואיחוד של סיגנלים אופטיים באופטיקה משולבת.

מטרת הפרויקט:

תכנון מדגים לסינון וניתוב סיגנלים אופטיים לפי אורכי גל שלהם.

תכולת הפרויקט:

• לימוד הנושא של מוליכי גלים והתקנים המבוססים עליהם באופטיקה משולבת
• תכנון נומרי של הרכיבים
• רכישת מיומנות במערך המדידה
• ביצוע מדידות
• התאמה בין תוצאות המדידות למודלים נומריים
• כתיבת דו"ח מסכם

קורסי קדם:

• שדות אלקטרומגנטיים
• אופטיקה

דרישות נוספות:

• ננו-פוטוניקה 83-678
• תקשורת אופטית 83-466
• מבוא לאופטיקה מודרנית
• python or matlab

מקורות:

Li, A., Fainman, Y. On-chip spectrometers using stratified waveguide filters. Nat Commun 12, 2704 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-23001-6

הרקע לפרויקט:

אופטיקה משולבת היא פלטפורמה טכנולוגית מבטיחה לשימושים רבים בתקשורת אופטית ,חישוביות אופטית, חישה ואופטיקה קוונטית. תיכנון של התקנים ומערכות אופטיות דורש משאבים חישוביים רבים ולכן במשך תקופה ארוכה הושקעו מאמצים רבים לפתח יכולות של אופטמזציה עבור חישובים וסימולציות אופטיות. למידה חישובית היא כלי חדש ומתקדם בעל פוטנציאל אדיר שניתן להשתמש בו למטרות רבות ומגוונות של אופטימיזציה. אנו נרצה לפתח כלים שימושיים המבוססים על למידת מכונות לצורך תיכנון ואופטמזציה של מבניים פוטונים.

מטרת הפרויקט:

פיתוח ושימוש בכלים נומריים המבוססים על למידה חישובית לצורך תיכנון ואופטמזציה של התקנים אלקטרו אופטיים

תכולת הפרויקט:

• סקר ספרות על מוליכי גלים ולמידה חישובית
• לימוד הנושא של מוליכי גלים והתקנים המבוססים עליהם באופטיקה משולבת
• ביצוע סימולציות ואופטמזציה של פרמטרים עבור מוליכי גלים ומהודים אופטיים
• כתיבת דו"ח מסכם

קורסי קדם:

• שדות אלקטרומגנטיים
• אופטיקה

דרישות נוספות:

• ננו-פוטוניקה 83-678
• תקשורת אופטית 83-466
• מבוא לאופטיקה מודרנית
• python or matlab

מקורות:

Ma, W., Liu, Z., Kudyshev, Z.A. et al. Deep learning for the design of photonic structures. Nat. Photonics 15, 77–90 (2021). https://doi.org/10.1038/s41566-020-0685-y

הרקע לפרויקט:

בעשורים האחרונים חלה התקדמות משמעותית בתחום של העברת אינפורמציה בעזרת אור של לייזר בין שרתים, מחשבים ושבבים אופטיים. רוב רכבים אופטיים שמשתמשים בהם כיום רגישים לשינוים סביבתיים כגון לחות, טמפ' ויכולים לשנות את הביצועים שלהם לאורך זמן . אנו נרצה לפתח מערכת שיכולה לזהות שינוי ביצועים של רכיבים אופטיים שונים ולבצע תיקון אוטומטי לתדר עבודה של המערכת בהתאם.

מטרת הפרויקט:

תכנון והקמת מערכת לייצוב תדר בניסוים אופטיים.

תכולת הפרויקט:

• לימוד הנושא של יציבות מקורות אור ושיטות לייצוב תדר
• תכנון מערכת אופטית
• ביצוע מדידות
• התאמה בין תוצאות המדידות למודלים נומריים
• כתיבת דו"ח מסכם

קורסי קדם:

• שדות אלקטרומגנטיים
• אופטיקה

דרישות נוספות:

• ננו-פוטוניקה 83-678
• תקשורת אופטית 83-466
• מבוא לאופטיקה מודרנית
• python or matlab

מקורות:

K. Huang, H. Le Jeannic, J. Ruaudel, O. Morin, J. Laurat Microcontroller-based locking in optics experiments. https://arxiv.org/abs/1409.3675

הרקע לפרויקט:

Optical fibers are an excellent sensors platform. They cover long reaches, easily embedded within structures, immune to electromagnetic interference, and suitable for hazardous environments. The detection of gamma radiation is critical for the safety of nuclear and other high energy power plants. Fibers serve in radiation sensing for decades.

The choice of fiber parameters in the context of radiation environments raises an inherent dilemma: A sensitive fiber will be degraded and ruined by radiation, whereas a resilient fiber will be a poor detector. Recently, our group proposed a novel approach for raising this tradeoff, using specialty fibers: The core of the fiber is standard and can withstand high radiation with little degradation in transmission. At the same time, the cladding of the same fiber can be made highly sensitive to radiation. Measurement protocols developed by the group enable the coupling of light between core and cladding modes of the fiber and the spatially distributed analysis of radiation exposure as a function of position.

מטרת הפרויקט:

The design, simulation, and testing of specialty optical fiber for the purpose of gamma radiation sensing.

תכולת הפרויקט:

The study of propagation of light in fibers; analysis of core and cladding modes in standard fibers; numerical analysis and solutions for modes in non-standard fibers; fiber design; fiber production (at external facilities); testing of fibers; mastery of experimental setups used by the group; experiments using fibers previously exposed to gamma radiation; critical discussion of results.

קורסי קדם:

שדות אלקטרו-מגנטיים. מבוא לאופטיקה. תקשורת אופטית (במקביל). תמסורת גלים (במקביל).

מקורות:

סיכומים של מרצה הקורס (פרופ' צדוק) בתקשורת אופטית. מאמרים בנושא מדידות קרינה של קבוצת המחקר.

הרקע לפרויקט:

חילוץ פרמטרים פיזיולוגים אפשרי באמצעים אופטיים החשים בשינויי נפח וספקטרום בכלי דם המתבטאים בשינוי במקדם הבליעה. מדידת מבוססות בליעה אפשרית כיום רק בריבוי אורכי גל שכן בהתבסס על יחס בין מדידות, אולם צריך להתחשב בהבדלים בפיזור הקשים להפרדה. בעבר גילינו כי יש נקודה המכיילת פיזור ועל כן אופטימלית למדידות מבוססות בליעה. תופעה זו אומתה במדמי רקמה גליליים בקטרים המדמים אצבע, כמו גם במדידת אצבעות אנושיות וזרועות. השיטה האופטית שאנו מציעים היא שיטה חדשה לגילוי תכונות אופטיות מרקמות גליליות בהתבסס על פיזור העוצמה הזוויתי שלהן, מה שמכונה Full scattering profile (FSP), וזאת במטרה לשפר את הדיוק והרגישות של מדידת פרמטרים ביולוגיים, כגון דופק, רוויון חמצן (סטורציה), קצב נשימה, שונות קצב הלב, לחץ דם, וכדומה. בפרויקט זה נשתמש בשיטה זו לזיהוי סוכר. לסוכר אין בליעה אלא קיטוב יחודיים ביחס לרקמה. נרצה לבחון את השימוש בשיטה שלנו לזיהוי מבוסס על קיטוב.

מטרת הפרויקט:

להוכיח את האפשרות לזהות סוכר בטווח מפזר באמצעות פרופיל הפיזור המלא ובהתבסס על קיטוב.

תכולת הפרויקט:

בפרויקט זה הסטודנטים יבנו מערכת למדידת פרופיל פיזור מלא ויוסיפו לו מקטבים. כמו כן הם יכינו דוגמאות של מדמי רקמה בריכוזי פיזור שונים וכן עם תמיסת סוכר בריכוזים שונים .

קורסי קדם:

שדות אלקטרומגנטיים

דרישות נוספות:

בפרויקט זה הסטודנטים יבנו מערכת למדידת פרופיל פיזור מלא ויוסיפו לו מקטבים. כמו כן הם יכינו דוגמאות של מדמי רקמה בריכוזי פיזור שונים וכן עם תמיסת סוכר בריכוזים שונים .

מקורות:

Idit Feder, Hamootal Duadi, and Dror Fixler, "Single wavelength measurements of absorption coefficients based on iso-pathlength point," Biomed. Opt. Express 11, 5760-5771 , 2020

הרקע לפרויקט:

במעבדה לנוירופוטוניקה, עוסקים במדידות של מטבוליזם וזרימת דם במח באמצעים אופטיים, בשיטות של DCS , SCOS , Interferometric speckle contrast
גם מהכיוון הטכנולוגי וגם מהכיוון הפונקציונלי.

במהלך הפרויקט, הסטודנטים יבנו ויאפיינו מערכת אופטית עם רגישות גבוהה לניטור זרימות דם מהמוח ויעבדו את האות הנקלט לצורך אבחון וניטור פרמטרים ניורווסקולריים

מטרת הפרויקט:

מדידה סימולטנית של מהירות זרימת דם יחסית באיזורים שונים במח תוך כדי משימות שונות של הנבדקים - למעשה להבין איך נראית תגובה פונקציונלית של הפעילות המוחית במערכת SCOS

תכולת הפרויקט:

השתתפות בבניית המערכת - האופטיקה, המכניקה והאלגוריתם, מציאת הפרמטרים האופטימליים למדידה, ביצוע מדידות על נבדקים, עיבוד נתונים , ריכוז תוצאות. וכמובן דוח מסכם.

קורסי קדם:

מבוא לאופטיקה

דרישות נוספות:

גלאים, עיבוד אותות

מקורות:

https://opg.optica.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-48-6-1427

הרקע לפרויקט:

חתימה ייחודית וחזרתית לרכיבים אלקטרונים שמקורה בשונות בתהליך הפיסיקלי ומנגנון חילוץ החתימה מספקים אמצאי להעלאת רמת האבטחה של רכיבים בצורה זולה ופשוטה בהשוואה לשיטות קריפטוגראפיות קונבנציונליות. כמוכן שמירת מפתחות סודיים בצורה אופטית\פוטונית רובסטית המאפשרת חזרתיות ופילוג אחיד בין רכיבים בהתאם לשונות בהתליך הייצור. לשם כך הרעיון החדשני של זכרון פוטוני ניתן לתכנות יכול לספק מענה.

מטרת הפרויקט:

מטרת הפרויקט הינה לבחון, לתכנן ולממש מנגנונים אלו. לתכנן ניסוים על גבי המימוש הנובע מהתכנון ולספק אנליזת אבטחה לפתרון.

תכולת הפרויקט:

• מטלות הסטודנטים יהיו לסקור שיטות קיימות ופתרונות קודמים קיימים.
• לתכנן ניסוי בהתבסס על מנגנון קיים ולשחזר תוצאות קודמות.
• לתכנן מנגנון לחילוץ חתימה ייחודית בעירור פוטוני מרכיבים.
• למדוד את התגובה ולחשב מטריקות קריפטוגראפיות לניתוח רמת האבטחה.
• להרחיב את הנושא לרעיון הכללי יותר של זכרון ניתן לתכנות פוטוני.

קורסי קדם:

מבוא לחומרה בטוחה

מקורות:

1. T. Raviv et-al., "Optical Memory Based on Scattering from Nano Gold Particles"
2. B. Grubel et-al., "Silicon photonic physical unclonable function "
3. F. Pavanello et-al., "Recent Advances in Photonic Physical Unclonable Functions"

הרקע לפרויקט:

כדי לאבחן, להבין ולפתח מעגלים קוונטיים יש צורך במדידות לא פולשניות של פרמטרים פיזיקליים של המערכת. מגנטומטריה מאפשרת למפות תכונות אלקטרוניות בעזרת החותמת המגנטית שלהן, וללא מגע חשמלי ישיר עם הדגם. אחת הדרכים היא טכנולוגית הסקוויד, המאפשרת למפות תכונות אלקטרוניות בצורה מרחבית. אנו מתעניינים במערכות הבנויות ממוליכי על, ביניהן מערכי צמתי ג'וזפסון, והתקנים המתאימים לפיתוח ביטים קוונטים. במערכות אלה הגודל שאנו חפצים למפות הוא צפיפות נושאי המטען מוליכי-העל. במדידה כזו מבנה החיישן מוטמע במדידה עצמה, ויש צורך להבינו ולחלץ את הצפיפות.

מטרת הפרויקט:

בפרויקט זה נפתח שיטה לאבחון ליבת החיישן המודד, וטיפול בהשפעתה, נעשה שימוש בחיישן ה SQUID על מנת להבין את יחסי הזרם פאזה של טבעות מולכות-על והתקנים אחרים, ובנוסף נבדוק את השפעת גיאומטריית החיישן על התוצאות.

תכולת הפרויקט:

שתמש בחיישן הSQUID על מנת להסתכל על דגמים אשר יאפשרו הבנה מעמיקה של הפיזיקה והתכונות הקוונטיות של מוליכי על וצומתי ג'וזפסון בדגש על יחסי זרם פאזה, נפתח דגם אבחון ותוכנה שמחלצת את צפיפות מוליך העל מתמונות סוספטביליות מגנטית, וניישם את הטכנולוגיה שפיתחנו על רשתות של מוליכי על.

קורסי קדם:

מכניקה קוונטית שימושית / קוונטים 1. מומלץ לקחת במקביל את חישוב קוונטי (לא חובה)

מקורות:

1. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/book/10.1002/3527603646
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Josephson_effect

הרקע לפרויקט:

מדובר על טכנולוגיית חישה חדשנית המבוססת על ניתוח שינויים זמניים-מרחביים של תבנית פיזור אור לייזר מרקמה ביולוגית. על בסיס זה ניבחנת יכולת חישה של פרמטרים ביו רפואיים מרחוק. תבניות הפיזור הנוצרות עקב התאבכות עצמית של אור הלייזר ניקראות ספקלס. אלו תבניות אקראיות המשתנות בזמן כתלות בתהליכים הזמניים הקורים בתוך הרקמה הביולוגית. במסגרת הפרויקט ניבנה אלגוריתם לימוד מכונה שילמד את מאפיני תבנית הפיזור וידע לקשר אותה לננו-רעידות המתרחשות ברקמה. מתוך ניתוח תבניות הננו-רעידות ניתן לבצע שערוך של פרמטרים בו רפואיים שונים הכוללים לחץ דם, מאפיני זרימת דם בכלי דם ועוד. אלגוריתמיקת למידת המכונה שתופעל פה תבוסס על רשתות ניורונליות.

מטרת הפרויקט:

חישה של פרמטרים ביו רפואיים מרחוק

תכולת הפרויקט:

איסוף דאטה בניסוי ביו רפואי וניתוחו בעזרת מחשב

קורסי קדם:

מבוא לאופטיקה

דרישות נוספות:

למידת מכונה

מקורות:

1. Z. Kalyuzhner, S. Agdarov, A. Bennett, Y. Beiderman and Z. Zalevsky, “Remote photonic sensing of blood oxygen saturation via tracking of anomalies in micro-saccades patterns,” Opt. Exp..

הרקע לפרויקט:

Tunable metasurfaces are the next frontier in flat optics and nanophotonics, with emerging applications such as LIDAR, AR, VR and many more. One of the few mechanisms that can meet the demanding requirements for tunable metasurface, is the insulator to metal phase transition in vanadium dioxide VO2, which occurs around 67 Celsius degrees. When undergoing this phase transition, the optical properties of VO2 changes abruptly and by a very large magnitude. In this project we use this material system to fabricate and characterize VO2 metasurfaces.

מטרת הפרויקט:

The purpose of the project is to study the optical properties and scattering response of tunable Mie resonator metasurfaces for both the far and near electromagnetic scattered fields. The metasurfaces will be implemented using vanadium dioxide (VO2) which undergoes an insulator-metal phase transition around 67C degrees. Using global and local heating, the tuning capabilities along with field patterns and linewidth a will be studied.

תכולת הפרויקט:

1. Design metasurfaces using electromagnetic numerical simulations.
2. Fabricate devices and
3. Test and characterize the devices.

קורסי קדם:

• מבוא לאלקטרואופטיקה
• שדות אלקטרומגנטיים
• קווי תמסורת

מקורות:

אתר הקבוצה של תומר לוי

הרקע לפרויקט:

בשנים האחרונות מתפתחת שיטת דימות מבטיחה בתחום הרנטגן - דימות רפאים. לצד הדימות, לעיתים אנו נדרשים לזהות פרטים ספצפיים בתמנות, למשל, שבר בצילום רנטגן של כף היד. הפרויקט יתבסס על data sets שהתקבלו בשיטה זו של דימות רפאים (הן data סימולטיבי והן data ניסיוני מהמעבדה של פרופ' שרון שוורץ) ויחיל עליו אלגוריתמי קלסיפקציה מבוססי למידת מכונה.

מטרת הפרויקט:

הסטודנטים בפרויקט ישוו שיטות קלסיפיקציה שונות ויבחרו את זו שמתאימה ביותר (מבחינת הדיוק ומבחינת זמן הריצה) ליישום של דימות רפאים רפואי בתחום הרנטגן, לרבות מימוש של התאמות ושכלולים בשיטות קלסיפיקציה מוכרות.

תכולת הפרויקט:

הסטודנטים ילמדו את הרקע הדרוש - גם בתחום של דימות רפאים וגם בתחום של למידת מכונה בדגש על אלגוריתמי קלסיפיקציה. לאחר מכן, יממשו בקוד ויבחנו מספר לביצוע קלסיפקיציה (החל מ- SVM ועד רשתות נוירונים עמוקות). תבוצע השוואה בין השיטות השונות על פני מאגרי מידע סימולטיביים וניסיוניים במטרה לאתר את השיטה המתאימה ביותר לכל יישום ולכל יחס דחיסה של התמונות.

קורסי קדם:

קורס מבוא ללמידת מכונה

מקורות:

1. https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-27-3-3284&id=404491
2. https://link.springer.com/article/10.1007/s00340-020-07514-4
3. https://opg.optica.org/ao/abstract.cfm?uri=ao-60-29-9180