פרויקטי גמר - אלקטרו-אופטיקה תשפ"ה

300 Extraction of oxygen saturation using a self-calibrated optic biosensor
אחריות אקדמית:

הרקע לפרויקט:

אנו מפתחים טכנולוגיה ייחודית העושה שימוש באורך גל יחיד ומספר גלאים, לטובת חילוץ מדויק של פרמטרים אופטיים מרקמה. 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.

מטרת הפרויקט:

הפרויקט המוצע יעסוק בחילוץ סטורציה באמצעות החיישן האופטי. מטרת הפרויקט היא השוואת ערכי סטורציה הנמדדים בחיישן לערכי סטורציה הנלקחים מבדיקת דם, על מנת לוודא את תקינות החיישן.

תכולת הפרויקט:

בפרויקט זה הסטודנטים ישוו ערכי סטורציה הנמדדים בחיישן לערכי סטורציה הנלקחים מבדיקת דם עורקית בבית חולים אסותא באשדוד. בנוסף, הסטודנטים יעבדו על ניתוח התוצאות ושיפור ביצועי החיישן.

קורסי קדם:

מבוא לאופטיקה

דרישות נוספות:

לפרויקט זה אנו מחפשים סטודנטים רציניים עם ראש גדול.

מקורות:

  1. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/26309752/
  2. https://opg.optica.org/boe/fulltext.cfm?uri=boe-7-11-4695&id=352780
301 Extraction of blood pressure using a self-calibrated optic biosensor
אחריות אקדמית:

הרקע לפרויקט:

אנו מפתחים טכנולוגיה ייחודית העושה שימוש באורך גל יחיד ומספר גלאים, לטובת חילוץ מדויק של פרמטרים אופטיים מרקמה. 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.

מטרת הפרויקט:

הפרויקט המוצע יעסוק בחילוץ לחץ דם באמצעות החיישן האופטי. מטרת הפרויקט היא פיתוח התשתית למציאת לחץ דם בצורה נוחה, מדויקת ולא פולשנית.

תכולת הפרויקט:

בפרויקט זה הסטודנטים יעבדו על הוספת חישוב של לחץ דם לחיישן האופטי, בנוסף לחילוץ הפרמטרים שכבר קיימים (כגון דופק וסטורציה). עבודה זו כוללת מחקר על חילוץ לחץ דם באמצעים אופטיים, הטמעת החישוב בחיישן, כיול החיישן, מדידת לחץ דם של נבדקים באמצעותו וניתוח התוצאות.

קורסי קדם:

מבוא לאופטיקה.

דרישות נוספות:

לפרויקט זה אנו מחפשים סטודנט רציני עם ראש גדול.

מקורות:

  1. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/26309752/
  2. https://opg.optica.org/boe/fulltext.cfm?uri=boe-7-11-4695&id=352780
302 Anisotropy Sensing Using Time-Domain Fluorescence
אחריות אקדמית:

הרקע לפרויקט:

חישת אנאיזוטרופיה באמצעות פלורוסנציה במישור הזמן היא טכניקה שימושית לחקר תכונות מבניות של מערכות מורכבות. שיטה זו מודדת את קיטוב הפלואורסנציה של אור הנפלט ממולקולות פלואורסצנטיות ומספקת תובנות על דינמיקה סיבובית וסביבתן המולקולרית. היתרון של מדידות בתחום הזמן הוא היכולת לספק רזולוציה זמנית של תהליכים מולקולריים, דבר המאפשר חקירה אחר קיפולי החלבונים, אינטראקציות קישור ודינמיקה של ממברנות בזמן אמת. הפרויקט שואף לנצל את הטכניקה הזו כדי לשפר את ההבנה שלנו של אנאיזוטרופיה מולקולרית ביישומים שונים.

מטרת הפרויקט:

לשפר את ההבנה של האניאיזטרופיה באמצעות מדידות פלואורוסנציה במישור הזמן.

תכולת הפרויקט:

הסטודנט יכין את המערכת עבור מדידות פלואורוסנציה בזמן לאניזוטרופיה ויבצע את הכיול הדרושה לכך. בנוסף הסטודנט יבצע מדידות פלואורוסנציה בתחום הזמן, ינתח את הנתונים כדי להפיק תובנות על דינמיקה מולקולרית, וישתמש בממצאים כדי לחקור את האניאיזוטרופיה.

קורסי קדם:

מבוא לאופטיקה, שדות אלקטרומגנטיים

דרישות נוספות:

גלאים, מעבדה באופטיקה

מקורות:

  1. Yahav, Gilad, et al. "Imaging the rotational mobility of carbon dot-gold nanoparticle conjugates using frequency domain wide-field time-resolved fluorescence anisotropy." Journal of Biomedical Optics 28.5 (2023): 056001-056001.
  2. Yahav, Gilad, et al. "Fluorescence lifetime imaging of DAPI‐stained nuclei as a novel diagnostic tool for the detection and classification of B‐cell chronic lymphocytic leukemia." Cytometry Part A 89.7 (2016): 644-652.
  3. Gershanov, S., Michowiz, S., Toledano, H. et al. Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy, a Novel Diagnostic Tool for Metastatic Cell Detection in the Cerebrospinal Fluid of Children with Medulloblastoma. Sci Rep 7, 3648 (2017).
  4. Zahavi, Tamar, et al. "Utilizing fluorescent life time imaging microscopy technology for identify carriers of BRCA2 mutation." Biochemical and biophysical research communications 480.1 (2016): 36-41.
  5. Yahav, Gilad, et al. "Pathogen detection using frequency domain fluorescent lifetime measurements." IEEE Transactions on Biomedical Engineering 65.12 (2018): 2731-2741.
  6. Yahav, Gilad, et al. "Reference‐independent wide field fluorescence lifetime measurements using Frequency‐Domain (FD) technique based on phase and amplitude crossing point." Journal of biophotonics 10.9 (2017): 1198-1207.
  7.  Yahav, Gilad, et al. "Probing polarity and ph sensitivity of carbon dots in escherichia coli through time-resolved fluorescence analyses." Nanomaterials 13.14 (2023): 2068.
303 Developing empirical equation for the predication of the Iso-pathlength point
אחריות אקדמית:

הרקע לפרויקט:

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

מטרת הפרויקט:

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

תכולת הפרויקט:

בפרויקט הסטודנטים ימדדו מים מזוהמים בריכוזים שונים 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 אמפירית 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. 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.

304 Characterizing Contamination in Water Using Q-Sensing Technique and Utilizing the Full Scattering Profile
אחריות אקדמית:

הרקע לפרויקט:

בתעשיית איכות המים קיים צורך מובהק בזיהוי מזהמים במים. בפרט, יש צורך לדעת את סוג המזהם ואת ריכוזו באופן מוחלט. לצורך כך יש לנטר את השינויים בתכונות האופטיות של הדוגמה: פיזור ובליעה, אך בשיטות הקיימות היום 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 לשלב את שיטת ה-Q-sensing שמנצלת את קיטוב האור ומפרידה בין פיזור שטחי לפיזור עמוק על מנת לזהות מזהמים במים.

מטרת הפרויקט:

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

תכולת הפרויקט:

בפרויקט הסטודנטים ימדדו מים מזוהמים בריכוזים משתנים של חלקיק לכל מיליון ppm בכלי זכוכית גלילי ובאורכי גל שונים. לאחר מכן יתחילו את העבודה העיקרית של 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 חלקיק לכל מיליארד חלקיקים PPB.

קורסי קדם:

מבוא לאופטיקה, שדות אלקטרומגנטיים, 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.

305 Sensing Optical Depth in tissues Using the Q-sensing technique
אחריות אקדמית:

הרקע לפרויקט:

התכונות האופטיות של החומר מגדירות את אופן האינטראקציה של האור עם רקמות ביולוגיות. שיטות קיימות לא מצליחות להפריד בין אור שחוזר מפיזור מרובה ז"א מאור שחדר עמוק לרקמה לבין אור שחוזר אחרי פיזורים מועטים ז"א ממיקרונים בודדים מתחת לפני השטח. בפרויקט זה נעשה שימוש בקיטוב של האור על מנת להפריד בין סוגי הפיזורים הללו, ונחקור את עומק החדירה של פוטונים.

מטרת הפרויקט:

מדידת עומק החדירה של פוטונים לפי מיקום הקריאה של הגלאי ביחס לתכונות האופטיות של הרקמה.

תכולת הפרויקט:

במסגרת הפרויקט הסטודנטים יכיילו מערכות אופטיות קיימות ואף ישפרו אותן על מנת לשפר את הרזולוציה. הסטודנטים יכינו את הרקמות המלאכותיות במעבדה וימדדו אותן במערכת עם שיטת ה- Q-sensing.

קורסי קדם:

מבוא לאופטיקה, שדות אלקטרומגנטיים, 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.

306 Multilayer structured tissue sensing using an iterative optical properties extraction technique
אחריות אקדמית:

הרקע לפרויקט:

כאשר קרינה אלקטרומגנטית פוגעת בחומר, האינטראקציה שנוצרת היא ייחודית עבור כל חומר ואורך הגל של הקרינה. התוצאה (בליעה, פיזור, שינוי כיוון) תלויה בתכונות האופטיות של החומר עבור כל אורך גל, ולכן מדידה של תוצאת האינטראקציה, אותה ניתן לעשות באופן בלתי פולשני, מאפשרת לזהות חומרים באמצעים אופטיים. תכונות דומיננטיות של החומר הן הבליעה והפיזור. אם חומר הוא גם מפזר וגם בולע, כמו רקמות אנושיות, משימת חילוץ התכונות האופטיות מתוך המדידה נעשית עוד יותר מאתגרת מכיוון שקשה להפריד בין התכונות השונות. רוב השיטות האופטיות מתבססות על גילוי עוצמה בלבד, מאחר והסנסורים המקובלים (כולל גם העין האנושית) יכולים לחוש רק את העוצמה. במחקר שלנו פיתחנו שיטה המתבססת על שחזור הפאזה של האור. מתוך סט של תמונות עוצמה ושילוב אלגוריתם איטרטיבי, אנו משחזרים את תמונת הפאזה ומנתחים את המידע שהתקבל מתוכו ניתן לחלץ תכונות אופטיות של בליעה ופיזור באופן לא פולשני.
בשנה האחרונה השיטה מתרחבת לחישה של חומרים במבנה רב שכבתי. בדוגמאות ביולוגיות הרבה פעמים נתקלים במבנה של שכבות, ומכאן חשיבת פיתוח השיטה.

מטרת הפרויקט:

ביסוס מתודולוגי של השיטה IMOPE עבור דוגמאות במבנה דו שכבתי.

תכולת הפרויקט:

למידת עקרונות השיטה IMOPE- iterative multi-plane optical properties extraction technique.
הכנת דוגמאות אופטיות במעבדה
מדידות במערכת
ניתוח תוצאות- MATLAB

קורסי קדם:

שדות אלקטרומגנטיים / מבוא לאלקטרואופטיקה

מקורות:

  1. Yariv, I., Shapira, C., Duadi, H., & Fixler, D. (2019). Media Characterization under Scattering Conditions by Nanophotonics Iterative Multiplane Spectroscopy Measurements. ACS Omega, 4(10), 14301–14306. https://doi.org/10.1021/acsomega.9b01976 .‏
  2. Shapira, Channa, 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 (2021): 22228-22239.‏
  3. Shapira, C., Itshak, D., Duadi, H., Harel, Y., Atkins, A., Lipovsky, A., ... & Fixler, D. (2022). Noninvasive nanodiamond skin permeation profiling using a phase analysis method: ex vivo experiments. ACS nano, 16(10), 15760-15769.‏
  4. Yariv, I., Duadi, H., & Fixler, D. (2020). Depth scattering characterization of multi-layer turbid media based on iterative multi-plane reflectance measurements. IEEE Photonics Journal, 12(5), 1-13
307 Establish an integration sphere system for optical sensing
אחריות אקדמית:

הרקע לפרויקט:

כאשר קרינה אלקטרומגנטית פוגעת בחומר, האינטראקציה שנוצרת היא ייחודית עבור כל חומר ואורך הגל של הקרינה. התוצאה (בליעה, פיזור, שינוי כיוון) תלויה בתכונות האופטיות של החומר עבור כל אורך גל, ולכן מדידה של תוצאת האינטראקציה, אותה ניתן לעשות באופן בלתי פולשני, מאפשרת לזהות חומרים באמצעים אופטיים. תכונות דומיננטיות של החומר הן הבליעה והפיזור. אם חומר הוא גם מפזר וגם בולע, כמו רקמות אנושיות, משימת חילוץ התכונות האופטיות מתוך המדידה נעשית עוד יותר מאתגרת מכיוון שקשה להפריד בין התכונות השונות. כדור אינטגרציה מאפשר לנתח את האור העובר דרך דוגמת חומר ומאפשר ללמוד על התכונות האופטיות של אותו החומר.

מטרת הפרויקט:

ביסוס מתודולוגי של חילוץ בליעה ופיזור מכדור אינטגרציה.

תכולת הפרויקט:

למידה: מהו כדור אינטגרציה, אופן הפעולה, שימושים, מבנה, קוד, ממשק.
בניית סט אפ אופטי.
הכנת דוגמאות למדידה.
שימוש בקוד אנליזה.
בניית ממשק משתמש.
השוואה עם שיטות אחרות.

קורסי קדם:

שדות אלקטרומגנטיים / מבוא לאלקטרואופטיקה

מקורות:

  1. Prahl, S. (1999). Optical property measurements using the inverse adding-doubling program. Oregon Medical Laser Center, St. Vincent Hospital, 9205, 1-53.‏
  2. D. K. Edwards, J. T. Gier, K. E. Nelson, and R. D. Roddick, "Integrating Sphere for Imperfectly Diffuse Samples*," J. Opt. Soc. Am. 51, 1279-1288 (1961)
  3. Lemaillet, P., Cooksey, C. C., Hwang, J., Wabnitz, H., Grosenick, D., Yang, L., & Allen, D. W. (2017). Correction of an adding-doubling inversion algorithm for the measurement of the optical parameters of turbid media. Biomedical Optics Express, 9(1), 55-71.
308 Integration of an optic biosensor and a piezoelectric sensor for measuring physiological parameters
אחריות אקדמית:

הרקע לפרויקט:

אנו מפתחים טכנולוגיה ייחודית העושה שימוש באורך גל יחיד ומספר גלאים, לטובת חילוץ מדויק של פרמטרים אופטיים מרקמה. השיטה האופטית שאנו מציעים היא שיטה חדשה לגילוי תכונות אופטיות מרקמות
גליליות בהתבסס על פיזור העוצמה הזוויתי שלהן, מה שמכונה (FSP (profile scattering Full, 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 אנו רוצים לעשות אינטגרציה בין חיישן זה לבין רכיב
פיאזואלקטרי למדידת קצב נשימה, לכדי חיישן יחיד.

מטרת הפרויקט:

הפרויקט המוצע יעסוק במדידות קצב נשימה ודופק באמצעות שילוב החיישן הפיאזואלקטרי יחד עם החיישן
האופטי.

תכולת הפרויקט:

בפרויקט זה הסטודנטים יעבדו על השילוב בין שני החיישנים לטובת מדידת קצב נשימה ודופק. עבודה זו
כוללת מחקר על הבנת הפעולה של שני החיישנים, איפיון החיישן החדש והטמעת החישובים בו.

קורסי קדם:

מבוא לאופטיקה.

דרישות נוספות:

לפרויקט זה אנו מחפשים סטודנט רציני עם ראש גדול.

מקורות:

  1. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/26309752/
  2. https://opg.optica.org/boe/fulltext.cfm?uri=boe-7-11-4695&id=352780
309 Integrated electrooptical devices for polarization control
אחריות אקדמית:

הרקע לפרויקט:

בעשורים האחרונים חלה התקדמות משמעותית בתחום של העברת אינפורמציה בעזרת אור של לייזר בין שרתים, מחשבים ורכיבים שונים. מערכות תקשורת אופטיות של היום חסומות ביכולת שלהם להעביר כמות גדולה של מידע ולכן דרושות דרגות חופש חדשות (כמו קיטוב של אור) על מנת לקודד נפח יותר גדול של מידה שניתן להעביר בערוצי תקשורת הקיימים. הפרויקט יכלול תיכנון מפורט של רכיבים לשליטה על קיטוב של האור בפלטפורמה של אופטיקה על-שבב והתנסות במדידה של התקנים פוטונים.

מטרת הפרויקט:

פרויקט זה יעסוק בתכנון ופיתוח של התקן אלקטרו אופטי לשליטה בקיטוב האור במוליכי גלים משולבים.

תכולת הפרויקט:

• סקר ספרות על מוליכי גלים והתקנים לסיבוב קיטוב
• 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:

מבוא לאופטיקה מודרנית ואלקטרואופטיקה.
תקשורת אופטית 83-466 בסמסטר א' שנה ד'.

דרישות נוספות:

עשויים לעזור אם יילקחו במקביל: ננו-פוטוניקה 83-678 בסמסטר ב' שנה ד'.

מקורות:

Zhang, Y., He, Y., Zhu, Q. et al. On-chip silicon polarization and mode handling devices. Front. Optoelectron. 11, 77–91 (2018). https://doi.org/10.1007/s12200-018-0772-6

310 Integration of Machine Learning in optical simulations
אחריות אקדמית:

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:

מבוא לאופטיקה מודרנית ואלקטרואופטיקה.
תקשורת אופטית 83-466 בסמסטר א' שנה ד'.

דרישות נוספות:

עשויים לעזור אם יילקחו במקביל: ננו-פוטוניקה 83-678 בסמסטר ב' שנה ד'.

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

311 Remote biomedical sensing for vital bio signs based upon laser illumination
אחריות אקדמית:

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:

מימוש סנבור חדשני לאפליקציות חדשות בתחום הביו רפואה

תכולת הפרויקט:

כתיבת סימולציות מטלב, ביצוע ניסויי מעבדה , ניתוח תוצאות

קורסי קדם:

קורס מבוא לאופטיקה

דרישות נוספות:

ידע במטלב או בפייתון

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).

312 Remote biomedical sensing based upon RADAR sensing behind walls
אחריות אקדמית:

הרקע לפרויקט:

מדובר על טכנולוגיית חישה חדשנית המבוססת על ניתוח שינויים זמניים-מרחביים של תבנית פיזור של קרינה אלקטרו-מגנטית המגיעה ממכ"ם והמפוזרת מרקמה ביולוגית של אדם הנימצא מאחורי קיר. 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 התמרות שונות המופעלות על תמונת הפיזורים ניתן לשייך את השינויים המרחביים-זמניים של תבניות אלו עם מיקרו-רעידות המתרחשות ברקמה. מתוך ניתוח תבניות הרעידה שיש לאדם הנימצא מאחורי הקיר, ניתן לבצע שערוך של פרמטרים בו רפואיים שונים הכוללים פעימות לב, נשימות ועוד. בגלל שקרינת המכ"ם חודרת קירות החישה הביו רפואית מבוצעת גם ללא קו ראיה ישיר לנימדד.

מטרת הפרויקט:

פיתוח סנסור חישה בתחום ה RF ואימות פעילותו בתנאי עבודה אמיתיים

תכולת הפרויקט:

כתיבת קוד מטלב, עבודה עם חומרת RF, ביצוע ניסויי התיכנות, ניתוח תוצאות

קורסי קדם:

מבוא לאופטיקה

דרישות נוספות:

ידע במטלב או בפייתון. ידע בעבודה עם מיקרו בקרים

מקורות:

N. Ozana, R. Bauer, K. Ashkenazy, N. Sasson, A. Schwarz, A. Shemer and Z. Zalevsky, “Demonstration of a Speckle Based Sensing with Pulse Doppler Radar for Vibrations Detection,” Sensors 18(5) (2018).

313 Development and testing of fiber drawing system and for fabrication of in-fiber photonic devices
אחריות אקדמית:

הרקע לפרויקט:

במעבדה פותחה יכולת של יצירת התקנים בתוך סיב עי בניית preform מתאים וחימומו תוך הפעלת מנועי משיכה. תוכנת בקרה השולטת בצורה מבוקרת על תהליך החימום ומהירות ועוצמת המשיכה קובעת את שטח החתך של ההתקן הפנים-סיבי שמיוצר. מחקר בפרויקט זה כולל הבנה בתוכנת בקרה ושליטה ממחשב, הבנה אופטית והבנה של תהליכי תרמו-מכאניים בזכוכית

מטרת הפרויקט:

הבשלת פיתוח מערכת למשיכת סיבים ובניית התקן אופטי

תכולת הפרויקט:

ביצוע תיכנות מערכת משיכת הסיבים, ביצוע הרצות המערכת וייצור התקן. בדיקת ההתקן

קורסי קדם:

מבוא לאופטיקה

מקורות:

R. Aharoni, L. Bidani, M. Sinvani and Z. Zalevsky, “Initiatory concept of localized CO2 laser based tapering rig for realization of in-fiber devices,” Optics Engineering 51(7), 075002 (2012).

314 Pump-probe based photonic super resolution approach for failure analysis of silicon wafers and integrated circuitry
אחריות אקדמית:

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:

ביצוע ניסויי מעבדה המדגימים שיפו רזולוציית דימות בתוך שבב סיליקון בעומק של עשרות מיקרונים מתחת לפני השטח של השבב

תכולת הפרויקט:

עבודת מעבדה וניתוח תוצאות

קורסי קדם:

מבוא לאופטיקה, מוליכי גלים

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).

315 Incorporation of fiber-based water leakage detector
אחריות אקדמית:

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 אלגוריתמיקת חישה והדגמתה במערכת משאבות וצינורות מים

תכולת הפרויקט:

פיתוח אלגוריתמי, ניסויי מעבדה, ניתוח תוצאות

קורסי קדם:

מבוא לאופטיקה, אותות ומערכות

מקורות:

J. Philosof, Ye. Beiderman, S. Agdarov, Ya. Beiderman and Z. Zalevsky, “Optical multimode fiber-based pipe leakage sensor using speckle pattern analysis,” Sensors 2023, 23, 8634 (2023).

316 Dynamic infrared metasurface
אחריות אקדמית:

הרקע לפרויקט:

מטא משטחים הפכו בשנים האחרונות לטכנולוגיה פורצת דרך, אשר מאפשרות לשלוט בתכונות האופטיות של האור בסקלה של תת-אורך גל וליצור התקנים אופטים שטוחים בעלי ביצועים משופרים שלא ניתן להשיג בדרכים אחרות. הפרויקט יתמקד במטא משטחים דינמיים - רכיבים פוטונים שטוחים שמסוגלים לשלוט על התכונות האופטיות של האור שעובר דרכם, כגון מאפנני אמפליטודה, פאזה, תדר וכדומה.

מטרת הפרויקט:

מטרת הפרויקט היא לתכנן מטא משטחים דינמיים באינפרא אדום הבינוני, על ידי שימוש בחומרים שקופים לתחום אורכי גל אלו ועל ידי תכנון נומרי של המשטחים עבור מאפנני אמפליטודה ומסננים תדר צרים דינמיים

תכולת הפרויקט:

1. סקירה ספרותית של העבודות החשובות בתחום

2. לימוד והכרה של חישובים נומריים בעזרת תוכנת Lumerical לתכנון מטא משטחים.

3. תכנון מטא משטחים דינמיים כגון מאפנן אמפליטודה ומסנן צר סרט דינמי

4. מדידה אופטית של התוצרים

קורסי קדם:

קורסי החובה באלקטרואופטיקה

מקורות:

אתר הקבוצה ובתאום עם המנחה

317 Incorporation of AI and ML algorithms in remote biomedical sensing
אחריות אקדמית:

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:

פיתוח אלגוריתמי עיבוד תמונה מבוססי למידת מכונה לניתוח תבניות פיזור אור לייזר באפליקציות חישה ביו רפואית

תכולת הפרויקט:

פיתוח אלגוריתמי עיבוד תמונה מבוססי למידת מכונה לניתוח תבניות פיזור אור לייזר. הפעלת האלגוריתמים על מידע אמיתי שיאסף בניסויי מעבדה. עבודה ב מטלב או פייתון.

קורסי קדם:

קורס בסיסי בלמידת מכונה

מקורות:

Kalyuzhner, Z., Agdarov, S., Orr, I. et al. Remote photonic detection of human senses using secondary speckle patterns. Sci Rep 12, 519 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-021-04558-0

318 Advanced deep and shallow learning
אחריות אקדמית:

הרקע לפרויקט:

The realization of classification tasks using deep learning is a primary goal of artificial intelligence; however, its possible universal behavior remains unexplored. Herein, we demonstrate a scaling behavior for the test error, ϵ, as a function of the number of classified labels, 𝐾. For trained utmost deep architectures on CIFAR-100 ϵ(K)∝Kρ with ρ∼1, and in case of reduced deep architectures, ρ continuously decreases until a crossover to ϵ(K)∝log(K) is observed for shallow architectures. A similar crossover is observed for shallow architectures, where the number of filters in the convolutional layers is proportionally increased. This unified the scaling behavior of deep and shallow architectures, which yields a reduced latency method. The dependence of Δϵ/ΔK on the trained architecture is expected to be crucial in learning scenarios involving dynamic number of labels.

מטרת הפרויקט:

מימוש אלגוריתם של למידת מכונה והשוואה לאלגוריתמים נוספים

תכולת הפרויקט:

• קריאה של מאמרי רקע
• מימוש אלג' למידת מכונה
• השואה של האלגוריתמים השונים על גבי דאטה-סטים שונים
• ניתוח תאורטי של האלגוריתמים

קורסי קדם:

הסתברות וסטטיסטיקה

מקורות:

ידע בפייתון

319 Lasing detection
אחריות אקדמית:

הרקע לפרויקט:

מערכות רבות משתמשות בלייזרים לצרכי פעולתן ובמקרים רבים מועיל לגלות את הלייזר ולאפיין אותו. אנו נתמקד בטילי נ"ט רוכבי קרן כדוגמת הקורנט, כאשר המטרה שלנו, בתור הצד המגן, היא לגלות שהמפעיל לוזר עלינו בכדי לספק התראה מהירה. הטכנולוגיה הרלוונטית היא סדק-כפול עם מראה שאחריו ניצב גלאי CMOS. באופן זה, השאיפה היא להבחין בין הלייזר הקוהרנטי לבין קרינת השמש שאינה קוהרנטית באותה המידה, כלומר, תשיג ויזיביליות נמוכה בהרבה בניסוי התאבכות.

מטרת הפרויקט:

צוות הפרוייקט יבצע איפיון מלא - אנליטי וסימולטיבי - של סנסור אשר מסוגל לגלות לייזר IR שנשלח ממרחק של מספר קילומטרים לעברנו. התוצר הסופי יהיה מסמך פיתוח הכולל את מימדי המערכת וביצועיה הצפויים במטרה להוכיח את ההיתכנות של פתרון זה לגילוי לזירת אמצעי נ"ט וכן לטובת שימושים אזרחיים.

תכולת הפרויקט:

הסטודנטים ילמדו לעומק מאפיינים של לייזרים, של מערכת הסדק הכפול ושל גלאי CMOS. לאחר מכן, יגבשו את המפרט הטכני של הסנסור המוצע ויבצעו סימולציה נומרית במטלב של התפשטות קרינת הלייזר בתווך טורבולנטי בכדי להעריך את הקוהרנטיות השיורית וה- SNR לגילויה. הסטודנטים יפרטו כיצד ייראה ניסוי מעבדה אשר ידגים את הקונספט וינסו לנבא את תוצאותיו.

קורסי קדם:

מבוא לאופטיקה מודרנית ואלקטרו-אופטיקה, מבוא ללייזרים, אופטו-אלקטרוניקה, התקנים ומערכות

מקורות:

לסטודנטים המעוניינים יימסר חומר נוסף

321 Improving the "interaction-free-measurement" setup
אחריות אקדמית:

הרקע לפרויקט:

מדידה-ללא-אינטרקאציה היא טכניקה שמבוססת על קוהרנטיות של פוטונים בודדים והיא מאפשרת לגלות את קיומו של אובייקט, במקרים מסויימים, מבלי שהגיעו אליו פוטונים. באופן יותר כללי, היא מאפשרת להוריד את רמת הקרינה הנבלעת באובייקט במשימות של גילוי ודימות. המטרה שלנו היא להרחיב את תחומי המדידה-ללא-אינטראקציה מפוטונים בודדים לעבר מצבים מרובי פוטונים, בדגש על מצבים שזורים של אור. הדבר יאפשר לשפר את רגישות המערכת בנוסף ליתרון המוכר של הורדת רמת הקרינה.

מטרת הפרויקט:

התוצר יהיה ניתוח אנליטי, מבוסס אופטיקה קוונטית, של מדידה-ללא-אינטראקציה תוך שימוש במצבים שזורים כדוגמת N00N ו- Squeezed states. יבוצע ניתוח רגישות לגילוי פאזה ואמפליטודה וכן ניתוח של רמת הקרינה הנבלעת במטרה לבחון שיטה זו מול אחרות בתחום.

תכולת הפרויקט:

הסטודנטים ילמדו את הספרות בנושא מדידה-ללא-אינטרקאציה וכן את מושגי היסוד הרלוונטיים בתחום האופטיקה הקוונטית. לאחר מכן, ישתמשו בקוד שכתבנו וישכללו אותו על מנת לחשב מה יהיו תוצרי המדידה-ללא-אינטרקאציה עבור אובייקטים עם החזרה/בליעה משתנות וכן פאזה וריאבלית. הסטודנטים יחשבו בתמונת הייזנברג את הפרופגציה של אופרטורי היצירה וההשמדה בכדי להעריך מה המוצא של המערכת ועד כמה יעיל הוא מבחינת מתן אינפורמציה באשר לאובייקט אותו רוצים ללמוד.

קורסי קדם:

מבוא לאופטיקה מודרנית ואלקטרו-אופטיקה, אופטו-אלקטרוניקה, התקנים ומערכות, מבוא ללייזרים

דרישות נוספות:

עדיפות לסטודנטים שלקחו קורסים מתקדמים בתורת הקוונטים / אופטיקה קוונטית

מקורות:

  1. C. Ron, S. Sharon, and C. Eliahu, “Loss-resilient, efficient x-ray interaction-free measurements,” arXiv [quant-ph], 2024. https://arxiv.org/abs/2407.06369,
  2. https://davidson.weizmann.ac.il/en/online/sciencenews/quantum-insights-…
322 Designing a temperature invariant metalens
אחריות אקדמית:

הרקע לפרויקט:

הקבוצה שלנו מתמחה בתכנון של מטא משטחים בעלי תכונות ייחודיות. מטא משטחים הם מבנים מחזורים המסוגלים להחליף רכיבים אופטיים קונבנציונליים (עדשה/מקטב, וכו') ברכיבים בעלי מימדים מתחת לאורך גל (=שטוחים). בפרויקט הזה, מטרתינו היא לתכנן וגם לייצר מטא משטח שיתפקד כמו עדשה שטוחה אשר עמידה בפני טווח רחב של טמפרטורות. התכנון יתבצע בעזרת תוכנת סימולציות Finite Difference Time Domain של חברת "לומריקל", כך שהסטודנט/ית ירכוש מיומנות והבנה בתוכנה זו. בהמשך, המטרה היא לייצר את הדגם שתיכננו בקלין רום + לבצע מדידות במעבדה. כך שהסטודנט/ית ירכוש ידע בתהליכי ליתוגרפיה נדרשים וכן עבודה במעבדה. העבודה היא ביחד איתי (שני כהן) ותוך חניכה שלי.

מטרת הפרויקט:

תיכנון של מטא עדשה עמיד בטמפרטורה, מדידות במעבדה

תכולת הפרויקט:

ביצוע סימולציות FDTD + אופטימיזציה + ניתוח. אם יתאפשר מבחינת לוחות הזמנים - מדידות במעבדה על דגם שייוצר מתוך הדיזיין

קורסי קדם:

מבוא לאופטיקה, קווי תמסורת ומערכות מיקרוגלים, תקשורת אופטית

מקורות:

1. "Absorption and Scattering of Light by Small Particles", Bohren and Huffman, Chapter 4.
2. "Flat Optics with designer metasurface", https://www.nature.com/articles/nmat3839
3. "Temperature Invariant Metasurfaces", https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/nanoph-2023-0075/html

323 Coherence Detection of Vital Signs in X-Band using AI
אחריות אקדמית:

הרקע לפרויקט:

הניסוי מוצע כניסוי המשך לסטודנטים במסלול אלקטרו-אופטיקה בשנה ד'.
משלב עיבוד אותות, אנטנות וקרינה, התפשטות אותות אלקטרו-מגנטיים, תוכנה ואלגוריתמיקה באלקטרו-אופטיקה. מאפשר למידה בתחום חישה קוהרנטית וזיהוי בעזרת תבניות Speckle, על בסיס מערכת מקמ"ש RF ו PNA ארבע-ערוצי שמומשה בהצלחה בפרוייקט קודם

מטרת הפרויקט:

ייצוב אלגוריתם ופיתוח קוד לזיהוי אותות חיים מאחורי מחסום אור נראה

תכולת הפרויקט:

א. שיפור ממשק לעיבוד הנתונים, מימוש אוטומציה בממשק Matlab
ב. סגירת אלגוריתמיקה והוכחת תקינותה על דאטה בייס נרחב וחיצוני, עיבוד אות, ניתוח תבניות Speckle
ג. עריכת ממשק ויזואלי והצגת תמונת שטח – מכ"מ בזמן אמת, חישה וניטור תנועה
ד. מודל מתמטי ופיסיקלי
ה. קוד ML על בסיס האלגוריתמיקה

קורסי קדם:

אופטיקה, גלים אלקטרומגנטים, machine learning, עיבוד אות

דרישות נוספות:

תכנות, matlab, רקע באנטנות וקרינה

מקורות:

  1. Jones, R., & Wykes, C. (2012). Holographic and speckle interferometry (2nd ed., Vol. 6). Cambridge University Press.
  2. P. Jacquot and J.-M. Fournier, Eds., Interferometry in speckle light. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2000.
  3. InSARPrinciples P1, P2 (NASA)
  4. Antenna Theory, Analysis & Design, C.Balanis
324 Diffusion reflection analysis on phase images acquired by the iterative multi-plane optical properties extraction technique
אחריות אקדמית:

הרקע לפרויקט:

כאשר קרינה אלקטרומגנטית פוגעת בחומר, האינטראקציה שנוצרת היא ייחודית עבור כל חומר ואורך הגל של הקרינה. התוצאה (בליעה, פיזור, שינוי כיוון) תלויה בתכונות האופטיות של החומר עבור כל אורך גל, ולכן מדידה של תוצאת האינטראקציה, אותה ניתן לעשות באופן בלתי פולשני, מאפשרת לזהות חומרים באמצעים אופטיים. תכונות דומיננטיות של החומר הן הבליעה והפיזור. אם חומר הוא גם מפזר וגם בולע, כמו רקמות אנושיות, משימת חילוץ התכונות האופטיות מתוך המדידה נעשית עוד יותר מאתגרת מכיוון שקשה להפריד בין התכונות השונות. רוב השיטות האופטיות מתבססות על גילוי עוצמה בלבד, מאחר והסנסורים המקובלים (כולל גם העין האנושית) יכולים לחוש רק את העוצמה. במחקר שלנו פיתחנו שיטה המתבססת על שחזור הפאזה של האור. מתוך סט של תמונות עוצמה ושילוב אלגוריתם איטרטיבי, אנו משחזרים את תמונת הפאזה ומנתחים את המידע שהתקבל מתוכו ניתן לחלץ תכונות אופטיות של בליעה ופיזור באופן לא פולשני.
אנו רוצים להרחיב את מודל האנליזה של תמונת הפאזה ולהשתמש ברקע התיאורטי של המודל הקלאסי של החזר הדיפוזיה לניתוח תמונת הפאזה.

מטרת הפרויקט:

ביסוס שיטת אנליזה לתמונת הפאזה המבוססת על מודל הDR.

תכולת הפרויקט:

למידת עקרונות השיטה IMOPE- iterative multi-plane optical properties extraction technique.
הכנת דוגמאות אופטיות במעבדה
מדידות במערכת
ניתוח תוצאות- MATLAB

קורסי קדם:

שדות אלקטרומגנטיים / מבוא לאלקטרואופטיקה

מקורות:

  1. Yariv, Inbar, et al. "Media characterization under scattering conditions by nanophotonics iterative multiplane spectroscopy measurements." ACS omega 4.10 (2019): 14301-14306.‏
  2. Shapira, Channa, 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 (2021): 22228-22239.‏
  3. Shapira, C., Itshak, D., Duadi, H., Harel, Y., Atkins, A., Lipovsky, A., ... & Fixler, D. (2022). Noninvasive nanodiamond skin permeation profiling using a phase analysis method: ex vivo experiments. ACS nano, 16(10), 15760-15769.‏
  4. Yariv, I., Duadi, H., & Fixler, D. (2020). Depth scattering characterization of multi-layer turbid media based on iterative multi-plane reflectance measurements. IEEE Photonics Journal, 12(5), 1-13.‏

פרויקטים נוספים מומלצים

101 Development of a fluorescence-based optical biosensing system for the simultaneous detection of multiple diseases such as cancer, COVID-19, and West Nile fever
פיתוח מערכת אופטית (מבוססת פלואורסצנציה) לגילוי בו זמנית של מספר מחלות כגון סרטן, קורונה, קדחת הנילוס המערבי וכו'
מנחה:
אחריות אקדמית:

הרקע לפרויקט:

הטכנולוגיה הרלוונטית לפרויקט היא, מדידות פלואורסצנטיות באמצעות מצלמה. הפלואורסנציה הנמדדת פרופורציוני לריכוז הצבעים שנקשרו לגורמים של המלה המתבטאים בדם או ברוק של החולה

מטרת הפרויקט:

ההישג יהיה, הרכבת מערכת המסוגלת למדוד מספר צבעים הפולטים פלואורסצנציה באורכי גל שונים. כך שכל צבע ייקשרלגורם אחר המתבטא בדם או רוק של החולה.

תכולת הפרויקט:

על הסטודנטים להרכיב את המערכת, להצמיד את הצבענים לבידים מגנטיים וביצוע מדידה בה שני צבעים שונים מקשרים שני גורמי מחלה שונים

קורסי קדם:

מבוא לאופטיקה מודרנית ואלקטרו-אופטיקה

מקורות:

https://www.amosdaniellilab.com/

103 Developing machine learning models while using nanotechnology and optics for cancer treatment
פיתוח מודלים של למידת מכונה תוך שימוש בננוטכנולוגיה ואופטיקה לטיפול בסרטן
אחריות אקדמית:

הרקע לפרויקט:

שיטות רבות פותחו ונלמדו למציאת דרך חדשנית לטיפול בסרטן. אחת משיטות אלו לטיפול בגידולים סרטניים היא תרפיה פוטודינאמית. הצורך בפיתוח של ננו חלקיקים כמערכות הובלה של תרופות לגידולים סרטניים וביניהם תרופות שמשמשות לטיפול הפוטודינאמי הולך ומתגבר. נשתמש בקומפלקס שפותח במעבדה של ננו חלקיקי זהב שמחוברים לתרופה פוטודינאמית בתאי סרטן ונבחן את התאים לאחר שילוב של טיפולים נוגדי סרטן על ידי הקרנות בלייזר.

מטרת הפרויקט:

מטרת הפרויקט היא לבחון את הטיפול הפוטודינאמי והטיפול התרמי לאחר שימוש בקומפלקס של ננו חלקיקי זהב שקשורים לתרופה. לשם כך, נגדל תאים סרטניים, נבחן את התאים לאחר קליטת החלקיקים בתאים, נבצע טיפול אנטי סרטני בתאים ונאבחן את התאים לאחר הטיפול. לאחר מכן נתכנן טיפול רפואי מותאם אישי על ידי אלגוריתם שנפתח ומודלים של למידת מכונה הלוקח בחשבון פרמטרים כגון עוצמת הלייזר ומשך זמן הקרנה כדי להשיג תוצאה המותאמת לגידול ספציפי.

תכולת הפרויקט:

• לימוד תאורטי וקריאה בספרות של מחקרים רלבנטיים.
• טיפול בתאים בעזרת קומפלקס של ננו חלקיקי זהב שקשורים לתרופה.
• מעקב אחר התאים שכולל כימות של התאים לאחר הטיפול האנטי סרטני בעזרת
Image J, בדיקת מורפולוגיה ופרמטרים נוספים.

קורסי קדם:

ביולוגיה למהנדסים

דרישות נוספות:

ידע מוקדם בImage J ו-Matlab או Python

מקורות:

https://www.frontiersin.org/journals/oncology/articles/10.3389/fonc.202…

119 Brain Measurements Using Electroptics and EEG
מדידות מח באמצעים אופטיים וEEG
מנחה:
אחריות אקדמית:

הרקע לפרויקט:

EEG - Electroencephalogram is a test that measures electrical activity in the brain, has high temporal resolution, but low spatial.
SCOS - Speckle Contrast Optical Spectroscopy is a technique to measure cerebral blood flow velocity changes using Electrooptical devices (fibers, lasers, camera). Has relatively high spatial resolution, and relatively low temporal resolution.
The idea to combine both systems to get spatial and temporal resolution.

מטרת הפרויקט:

Performing measurements on participants and analysis of the data.

תכולת הפרויקט:

- Building and configuring the system
- Taking Measurements
- Organization and Analysis of the data

קורסי קדם:

Introduction to Modern Optics and Electro-Optics

דרישות נוספות:

מוכנות לאתגרים :)

מקורות:

https://www.nature.com/articles/s42003-023-05211-4

210 Physical analysis of terahertz quantum cascade laser structures
אנליזה פיזיקאלית של מבני לייזרי קסקדה קוונטים לתחום הטרה הרץ
מנחה:
אחריות אקדמית:

הרקע לפרויקט:

לייזרי קסקדה קוונטיים מבוססי גליום ארסנייד הינם המקור היעיל ביותר לקרינת טרה-הרץ. עם זאת, טמפרטורת העבודה של לייזרים אלה מוגבלת ואינה עולה על 200 קלווין. בשל כך כדיי להפעיל את לייזרי הקסקדה הקוונטיים לתחום הטרהרץ נדרש לקרר אותם לטמפרטורות נמוכות סביב 150 קלווין. כדיי לקרר יש צורך לצמד את הלייזרים למקרר המקשה על אינטגרציה של מקורות הקרינה אלה במערכות אלקטרואופטיות. הפרויקט יעסוק בחקר הביצועים של מבני לייזרי קסקדה קוונטיים לתחום הטרהרץ במטרה להבין את מנגנוני הפעולה שלהם ולאפשר מבנים איתם יהיה אפשר לעבוד בטמפרטורת החדר.

מטרת הפרויקט:

במהלך הפרויקט הסטודנטים יחקרו את ביצועיהם של מבנים שונים של לייזרי קסקדה קוונטים לתחום הטרה-הרץ בעזרת תוכנה ייעודית (נקסט-ננו). לאחר השוואה של הפרמטרים הפיזיקאליים של מספר מבנים שונים, הסטודנטים ימליצו על מבנים חדישים הצפויים לתת ביצועי טמפרטורה משופרים.

תכולת הפרויקט:

בעזרת תוכנה ייעודית (נקסט-ננו) הסטודנטים יבצעו סימולציה של מספר מבנים של לייזרי קסקדה קוונטיים לתחום הטרה-הרץ וייחלצו מהסימולציה של המבנים פרמטרים כמו עקומות זרם-מתח וספקטרום של ההגבר של הלייזר במתחים וטמפרטורות שונות.

קורסי קדם:

נטייה לקורסים פיזיקאליים.

דרישות נוספות:

הכירות עם תוכנת מטלאב. כישורי מחשב וסימולציה.

מקורות:

https://www.nextnano.com/customer/tutorials.php

229 Simulating structural and spectroscopic properties of point defect in 2D materials from first principle methods
חישוב תכונות אופטיות ומבניות של פגמים נקודתיים בשכבות דו מימדיות ע"י סימולציות המחשבות מבנה אלקטרוני של חומרים ללא ידע ניסיוני מוקדם
מנחה:
אחריות אקדמית:

הרקע לפרויקט:

המהפכה הקוונטית השנייה משנה את עולם הטכנולוגיה כבר קיום. החיפוש אחרי מקור פליטה של פוטון בודד אשר יכול לפעול בטמפרטורת החדר ובעל יעילות קוונטית גבוהה מהווה נושא מחקר בהמון תחומים שונים קיום. פגמים נקודתיים בשכבות דו ממדיות הם פלטפורמה מבטיחה לפיתוח של מרכז צבע פולט אור בטמפרטורת החדר ואינטגרציה של מבנים אלו בהתקנים אופטואלקטרוניים קיימים .

קשה לקבוע את המבנה של אותם פגמים נקודתיים בתוך השכבות הדו ממדיות ולכן חישובים של מבנה אלקטרוני של חומרים , הפותרים את משוואת שרדינגר בצורה נומרית ללא ידע מוקדם מניסוי , מהווים בסיס לקביעת המבנה של פגמים אלו ויכולים לעזור בפיענוח של תכונות ספקטרוסקופיות כלומר הבנה כיצד משפיע המבנה של הפגמים בתוך השכבות על התכונות האופטיות של החומרים . סימולציות אלו יכולות לעזור בפיתוח של מקור פליטה של פוטון בודד אשר יכול להוות אבן בסיס לטכנולוגיות קוונטיות שונות , כגון : מחשוב קוונטי , גלאים קוונטים ותקשורת קוונטית.

מטרת הפרויקט:

מטרת הפרויקט הוא חישוב תכונות אופטיות ומבניות של פגמים נקודתיים בשכבות דו מימדיות על ידי סימולציות first principle ללא ידע מוקדם מניסוי .
הסטודנט יחקור כיצד מודלים תאורטיים מבניים שונים של פגמים נקודתיים בשכבות דו ממדיות המתאימות לאירוח של מרכזי צבע פולטי אור משפיעים על התכונות האופטיות של החומרים השונים. דוגמא לחומר אחד כזה הוא בורון ניטרידי הקסגונלי . הסטודנט יחקור כיצד מבנים שונים של פגמים יכולים לשנות את מצב היסוד הספיני , דבר אשר חשוב עבור פיתוח של מקור פולט פוטון בודד בטמפרטורת החדר שיכול להוות קיוביט , אבן הבסיס של מחשב קוונטי.
הסטודנט יחקור מספר שכבות וינסה מספר שיטות המבוססות על תורת פונקציונאל הצפיפות.

תכולת הפרויקט:

  • סקר ספרות על מקורות אור בודדים המבוססים על פגמים נקודתיים בחומרים.
  • סקר ספרות על שיטות חישוב של מבנה אלקטרוני המבוססות על תורת פונקציונאל הצפיפות.
  • יצירת מודלים תאורטיים למבנים אפשריים של פגמים נקודתיים בחומרים דו ממדים.
  • סימולציות של תכונות מבניות של החומרים הננו מטרים כגון אנרגית יצירה של פגמים אלו ע"י שיטות
  • חישוב מבנה אלקטרוני המבוססות על תורת פונקציונאל הצפיפות.


קורסי קדם:

83204 מכניקה קוונטית שימושית או קורס מקביל במכניקה קוונטית

דרישות נוספות:

מבנה אלקטרוני של חומרים ומולקולות

מקורות:

  1. Tran, T. T.; Bray, K.; Ford, M. J.; Toth, M.; Aharonovich, I. Quantum Emission from Hexagonal Boron Nitride Monolayers. Nat. Nanotechnol. 2016, 11 (1), 37–41. https://doi.org/10.1038/nnano.2015.242.*
  2. Dreyer, C. E.; Alkauskas, A.; Lyons, J. L.; Janotti, A.; Van de Walle, C. G. First-Principles Calculations of Point Defects for Quantum Technologies. Annu. Rev. Mater. Res. 2018, 48 (1), 1–26. https://doi.org/10.1146/annurev-matsci-070317-124453.*
  3. Goldzak, T.; McIsaac, A. R.; Van Voorhis, T. Colloidal CdSe Nanocrystals Are Inherently Defective. Nat. Commun. 2021, 12 (1), 890. https://doi.org/10.1038/s41467-021-21153-z.
  4. Laorenza, D. W.; Kairalapova, A.; Bayliss, S. L.; Goldzak, T.; Greene, S. M.; Weiss, L. R.; Deb, P.; Mintun, P. J.; Collins, K. A.; Awschalom, D. D.; Berkelbach, T. C.; Freedman, D. E. Tunable Cr4+ Molecular Color Centers. J. Am. Chem. Soc. 2021, 143 (50), 21350–21363.
230 Applying and developing novel quantum chemistry electronic structure methods for calculating 2D materials properties
פיתוח ויישום של שיטות חדשות לחישוב מבנה אלקטרוני המבוססות על כימיה קוונטית לחומרים דו ממדיים
מנחה:
אחריות אקדמית:

הרקע לפרויקט:

חישוב תכונות של חומרים ומולקולות כיום הינו תחום רחב הנותן מענה לניבוי תכונות של חומרים חדשים ועוזר בהבנת מנגנונים של תגובות כימיות ומעבר של אלקטרונים בין ממשקים של חומרים שונים.
שיטות חישוב של מבנה אלקטרוני של מוצקים (electronic structure methods) מבוססות כיום בעיקר על תורת פונקציונאל הצפיפות . תורה זו הינה יעילה חישובית ונותנת תוצאות טובות עבור תכונות מסוימות של חומרים, אבל מתקשים בניבוי של תכונות אחרות .
שיטות חישוב מבנה אלקטרוני אשר מבוססות על כימיה קוונטית , פותרות את משוואת שרדינגר האלקטרונית בצורה נומרית ובעזרת תורת ההפרעות מרובת חלקיקים. כיום הן בעיקר משמשות לחישוב של מולקולות קטנות עד בינוניות , הם שיטות שניתן להגיע לדיוק גבוה מאד בניבוי תכונות של מולקולות , וככול שעולים בסיבוכיות של השיטה כך גם הדיוק עולה .
בשנים האחרונות יש התקדמות בפיתוח של שיטות אלו עבור חומרים בעלי מבנה מחזורי כגון מוצקים ומשטחים. שיטות אלו הראו תוצאות טובות עבור ניבוי של תכונות אופטיות של מוצקים , סיפוח של מולקולות על פני שטח ועוד.
חומרים דו ממדיים הם בחזית הטכנולוגית של יישומי אנרגיה והתקני אופטואלקטרוניקה חדשים , החיפוש המתמיד אחרי חומרים חדשים כיום נמצא בתחומי טכנולוגיה ומחקר רבים.
בפרויקט זה אנחנו נפתח וניישם שיטות חישוב המבוססות על כימיה קוונטית עבור חישוב תכונות של חומרים דו ממדיים וסיפוח של מולקולות על משטחים אלו.

מטרת הפרויקט:

מטרת הפרויקט הוא חישוב תכונות של חומרים דו מימדיים על ידי שיטות המבוססות על כימיה קוונטית ללא ידע מוקדם מניסוי ( ab-initio ).
הסטודנט ייפתח שיטות חישוב יעילות , המבוססות על תורת ההפרעות ויישם אותם על חומרים דו ממדיים. הסטודנט ישווה זמן חישוב של אלגוריתם של השיטה החדשה ביחס לשיטות הקודמות.
הסטודנט יחקור שיטות שונות ויחשב תכונות שונות של חומרים וישווה את התוצאות לשיטות המבוססות על פונקציונאל הצפיפות .
הסטודנט יחקור חומרים שונים בעלי שכבה אחת וגם בעלי כמה שכבות עם חומרים שונים .

תכולת הפרויקט:

  • סקר ספרות על חומרים דו מימדיים ושיטות לחישוב תכונות שלהם.
  • סקר ספרות על שיטות חישוב של מבנה אלקטרוני המבוססות על תורת הפרעות רב גופית.
  • סימולציות של תכונות מכניות של החומרים הדו ממדיים והשוואת התוצאות לניסוי ולשיטות קיימות.
  • השוואת חסכון בזמני חישוב וזיכרון של השיטה החדשה לעומת שיטות אחרות .
  • הגשת דוח מסכם.


קורסי קדם:

מכניקה קוונטית שימושית, 83204

מקורות:

  1. “Accurate thermochemistry of covalent and ionic solids from spin-component-scaled MP2”, T.Goldzak et al, J. Chem. Phys. 157, 174112 (2022) https://doi.org/10.1063/5.0119633.
  2. Gaussian-based coupled-cluster theory for the ground-state and band structure of solids, James McClain, Qiming Sun, Garnet Kin-Lic Chan, Timothy C Berkelbach, . Chem. Theory Comput. 2017, 13, 3, 1209–1218, https://doi.org/10.1021/acs.jctc.7b00049.
  3. Second-order Møller–Plesset perturbation theory applied to extended systems. II. Structural and energetic properties, Andreas Grüneis; Martijn Marsman; Georg Kresse, J. Chem. Phys. 133, 074107 (2010) , https://doi.org/10.1063/1.3466765.
  4. Modern Quantum Chemistry: Introduction to Advanced Electronic Structure Theory, by Attila Szabo, Neil S. Ostlund
231 Modeling quantum tunneling effects in resonant tunneling diodes
מידול של תופעות מנהור קוונטיות בדיודות המבוססות על מנהור רזונטיבי
מנחה:
אחריות אקדמית:

הרקע לפרויקט:

תהליך המנהור הקוונטי הוא תהליך קוונטי בסיסי אשר במהלכו אלקטרון יכול לעבור בהסתברות מלאה מתחת למחסום פוטנציאל אפילו שאין לו מספיק אנרגיה לעשות זאת.
על בסיס התופעה הקוונטית המעניינת הזו פותחו מגוון של התקנים אלקטרוניים כמו דיודות מנהור רזונטיביות, והתקני טרנזיסטורים קוונטיים, מיקרוסקופיים מבוססי מנהור ואלקטרוניקה מולקולרית.
דיודות מנהור רזונטיביות מבוססות על שכבות דקות של ננו – חומרים אשר מונחות אחת על השנייה.
ניתן לחשב את האנרגיות הרזונטיביות שבהן אלקטרון יכול לעבור מנהור ע"י מודלים שמתארים את השכבות הננו מטריות של החומרים השונים ופתירת משוואת שרדינגר .
הוספת לייזר למערכת כזו תגרום לאינטראקציות בין אור לחומר אשר יכולים לגרום לאפקטים קוונטים חדשים שבעזרתם ניתן לתכנן גלאים קוונטים בעלי רגישות מאד גבוהה לאורכי גל .
בפרויקט זה אנחנו נבדוק כיצד הוספת לייזר משפיעה על הסתברות המעבר בהתקנים ננו מטרים כאלו , כיצד ניתן להנדס את המבנים הננו מטרים כך שאפשר יהיה לתכנן גלאי קוונטי המבוסס על אינטראקציות לייזר עם האלקטרונים במבנה הננומטרי ומנהור קוונטי רזונטיבי.

מטרת הפרויקט:

מטרת הפרויקט הוא לחקור את השפעת הלייזר על תכונות המנהור של האלקטרון במבנה ננו מטרי של מוליכים למחצה . לבנות מודל חישובי אשר מחשב את הסתברות המעבר של אלקטרון במבנה בעל שכבות דו מיימדיות של מוליכים למחצה שונים.
בעזרת מודלים חישוביים נוכל לתכנן גלאי קוונטי מבוסס על דיודות מנהור רזונטיביות . במהלך הפרויקט הסטודנט יבנה מודל תאורטי שמחשב את הסתברות המעבר של אלקטרון במבנים ננו מטרים עם ובלי השפעת לייזר. הסטודנט יחקור כיצד שינוי הפרמטרים השונים של המבנה (סוגי החומרים ועובי השכבות ) משפיעים על התופעות הקוונטיות השונות , בכדי להבין כיצד ניתן לקבל את האפקט הקוונטי בצורה אופטימלית . בנוסף הסטודנט יחפש חומרים מתאימים ע"י חישוב מבנה אלקטרוני של ננו חומרים בעזרת סימולציות מבוססות על תורת פונקציונל הצפיפות.

תכולת הפרויקט:

  • סקר ספרות על תופעות מנהור קוונטי וכיצד הן באות לביטוי בהתקנים אלקטרוניים, בדגש על דיודות מנהור רזונטיביות.
  • למידת נושא של בניית מודלים למבנים ננו מטריים , וחישוב הסתברויות מעבר עבור מודליים כאלו בשיטות נומריות ואנליטיות.
  • בניית מודל תאורטי המחשב את הסתברות המעבר של אלקטרון במבנה ננו מטרי של שכבות מוליכים למחצה.
  • הוספת אינטרקציה של לייזר למודל וחישוב ההסתברות.
  • הגשת דוח מסכם.


קורסי קדם:

83204 מכניקה קוונטית שימושית או קורס מקביל במכניקה קוונטית

מקורות:

  1. Interatomic Coulombic decay in two coupled quantum wells, Tamar Goldzak, Liron Gantz, Ido Gilary, Gad Bahir, Nimrod Moiseyev, Phys. Rev. B 91, 165312.
  2. “Laser Control of Resonance Tunneling via an Exceptional Point”, Anael Ben-Asher, Daniel Šimsa, Tereza Uhlířová, Milan Šindelka, and Nimrod Moiseyev, Phys. Rev. Lett. 124, 253202.
  3. Safumi Suzuki, Masahiro Asada, Atsushi Teranishi, Hiroki Sugiyama, and Haruki Yokoyama, “Fundamental oscillation of resonant tunneling diodes above 1 thz at room temperature,” Applied Physics Letters 97, 242102 (2010).