פרויקטי גמר - אלקטרו-אופטיקה תשפ"ה
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:
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:
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:
- 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.
- 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.
- 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).
- 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.
- Yahav, Gilad, et al. "Pathogen detection using frequency domain fluorescent lifetime measurements." IEEE Transactions on Biomedical Engineering 65.12 (2018): 2731-2741.
- 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.
- 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.
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.
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.
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.
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:
- 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 .
- 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.
- 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.
- 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
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:
- Prahl, S. (1999). Optical property measurements using the inverse adding-doubling program. Oregon Medical Laser Center, St. Vincent Hospital, 9205, 1-53.
- 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)
- 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.
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:
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
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
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).
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).
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).
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).
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).
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
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
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
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
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:
- 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,
- https://davidson.weizmann.ac.il/en/online/sciencenews/quantum-insights-…
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
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:
- Jones, R., & Wykes, C. (2012). Holographic and speckle interferometry (2nd ed., Vol. 6). Cambridge University Press.
- P. Jacquot and J.-M. Fournier, Eds., Interferometry in speckle light. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2000.
- InSARPrinciples P1, P2 (NASA)
- Antenna Theory, Analysis & Design, C.Balanis
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:
- Yariv, Inbar, et al. "Media characterization under scattering conditions by nanophotonics iterative multiplane spectroscopy measurements." ACS omega 4.10 (2019): 14301-14306.
- 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.
- 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.
- 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.
