Latest News

סיבים אופטיים, לא רק תקשורת

כשאנחנו שומעים על המושג סיבים אופטיים, בדרך כלל זה מגיע בהקשר של שימוש בסיבים להעברת תקשורת. ואכן, תשתית הסיבים האופטיים אשר התקנתה החלה לפני 45 שנה הובילה למהפכה חסרת תקדים בעולם התקשורת והשפיעה על כל אורחות חיינו. מיליוני קילומטרים של סיבים אופטיים המקיפים את כל העולם מאפשרים העברת מידע בנפח הולך וגדל, והטמעת טכנולוגיות חדשות במהירות מסחררת. כיום ניתן להעביר על-גבי סיב אופטי בודד עשרות טרה-ביטים (Tbit/s) של מידע בשנייה, (עשרות אלפי גיגה-ביטים (Gbit/s) לשנייה), לטווחים של אלפי קילומטרים מקצה העולם ועד קצהו.

ואחרי כל זאת, מאמר זה אינו עוסק בהעברת תקשורת בסיבים, אלא ביישומים בהם הסיבים האופטיים לא נושאים על גבם מידע אלא משהו אחר לגמרי. בישומי תקשורת אופטית הסיב משמש כצינור שקוף להולכת האור בלבד. בניגוד לכך, ניתן להשתמש בסיב האופטי גם עבור תהליכים לבליעה או לייצור אור/פוטונים חדשים. תהליכים אלו מאפשרים לבצע פעולות אשר לא ניתן לעשותן באמצעים אחרים. מספר היישומים בהם משתמשים בסיבים אופטיים הולך וגדל מיום ליום. לא אוכל במאמר אחד להקיף את כל מגוון היישומים, אתיחס לכמה מהם.

סיבים אופטיים ברפואה

המאפיינים הפיזיקלים של סיבים אופטיים, בשילוב עם מגוון יכולות החישה והשליטה מרחוק, הופכים את הסיבים האופטיים לטכנולוגיה אטרקטיבית עבור יישומים רפואיים וביו-רפואיים. עם גידול האוכלוסיה בעולם והארכת תוחלת החיים, ספקי הבריאות בעולם נדרשים למכשירים ביו רפואיים מתקדמים כדי לאפשר אבחון, ניטור וטיפול יעילים יותר. בהקשר זה, יישומי חישה ביו רפואית מבוססי סיב אופטי הם בעלי חשיבות גוברת. במקביל, ישנה התקדמות  בניתוחים בעלי פולשנות מינימלית באמצעות סיבים

(MIS) Minimally Invasive Surgery . השימוש בלייזרים, בסיבים אופטיים ובהתקנים אלקטרו-אופטיים אחרים ברפואה מוביל לחיסכון עצום בהוצאות הרפואיות, בימי אישפוז, בחומרים רפואיים ועוד. יחד עם השיפור באיכות הטיפול עלתה גם איכות החיים.

סיבים המשמשים לאינדוסקופיה התבססו הייטב בעולם הרפואה. הסיבים משמשים להולכת אור ותמונה באינדוסקופ. מקור המילה Endoscope משתי מילים יוניות: Endom (Within) & Skopein (View). האינדוסקופ בנוי מאוגד ( Bundle) של סיבים מסודרים באופן מדוייק בתוך צינור גמיש, כאשר חלקם משמשים לשם קבלת תמונה וחלקם להולכת אור. בנוסף ישנם בתוך הצינור הגמיש שרוולים נוספים להולכת אויר, מים ואמצעי שליטה וביצוע של פעולות כירורגיות. בשנים האחרונות השתנו מקורות האור המזינים את האינדוסקופים למקורות לד (LED) שהם יעילים, חסכוניים וזולים יותר. סיבים דקים יותר גמישים יותר יחד עם מצלמות CCD  משוכללות מאפשרים הגדלת מגוון היישומים באינדוסקופ ברפואה, לא רק לשם בדיקות או הוצאת עצמים זרים אלא גם לניתוחים מורכבים ללא צורך בביצוע חתכים גדולים ואישפוז ארוך. הודות לתכונות הפיסיקליות של הסיבים, אפשר לקבל מדדי חישה חיוניים לצד תמונה באמצעות אותו הסיב עצמו. סיבים חשופים, בדרך כלל בקוטר של פחות מ 250 מיקרומטר, ניתנים לשילוב ישיר בתוך מחטים וצנתרים ללא קושי. לפיכך השימוש בהם יכול להיות פולשני באופן מינימלי, וממוקד ביותר. חישני סיב אופטיים (FOS) יכולים לבצע מספר מדידות במקביל בעת ובעונה אחת ללא כל הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI), וללא חשש לרעלים או להשפעה מכל מכשור אחר הנמצא בבית החולים. טכנולוגיה זו הינה אידאלית לשימוש בזמן אמת במערכות הדמייה / אבחון עם MRI, CT, PET, או  SPECT וגם במהלך טיפולים תרמיים או טיפולים המערבים קרינת RF או מיקרוגל.

חיישן סיב אופטי המיועד להשתלה תת עורית


איור 2. עיקרון הולכת אור באופן
הומגני בתוך אינדוסקופ

שימוש בלייזרים בעולם הרפואה המתבססים על הולכה בסיבים אופטיים.

שימוש בלייזרים בניתוחים מאפשר טיפול מדוייק יותר, צמצום סיכונים, ריפוי מהיר יותר, והפחתת כאבים והטראומה למטופל בהשוואתה לאמצעים מסורתיים. סיבים אופטיים מסייעים למנתח לבצע את הניתוח ללא פעולה כירורגית מורכבת. חתך קטן מאפשר להכניס כלי ניתוח וסיבים קטנים ולקבל תמונה מלאה של כל התהליך הכירורגי. אור מקורות לייזר מתקדם לאורך סיבים אופטיים לנקודת הניתוח, ומשמש בניתוחי מוח ועמוד שדרה מיקרוסקופיים, ניתוחי חזה  ועוד.  יישום מוכר פחות הינו ניתוחי לייזר דנטליים. השימוש בלייזרים ברפואת שיניים זכה לאישור ה FDA  כבר ב 1990. בתחילה הוא נועד בעיקר לניתוחי חניכיים (רקמה רכה). עם התפתחות לייזרים מבוססי סיבים אופטיים (fiber lasers), הופיעו בשוק גם פתרונות לקידוח בשיניים בעת טיפול דנטלי, תיקון ציפויי אמייל ועוד מגוון טיפולי שיניים וחניכיים. אל לייזרי הסיב אחזור בהמשך. מקורות אלו עשויים לפעול באופן רציף או בפולסים קצרים ביותר, עד כדי מספר פמטו-שניות (femto-second, 10-15 sec). ניתן להגיע באמצעותם להספק אור גבוה, והם זמינים בטווח רחב של אורכי גל. בנוסף, איכות האלומה הנפלטת מקצה הסיב גבוהה ביותר, השימוש בהם פשוט ועלותם נמוכה.

לייזר דנטלי

כיום ניתן למצוא לייזרי סיב ביישומים רפואיים רבים כגון טומוגרפיה קוהרנטיות אופטית ((OCT, ניתוחים מיקרונים (micro-surgery)  וניתוחים/טיפולים אסטטיים. הם יעילים הן בניתוחים והן לצורך אבחון והדמיה. מומחים רבים צופים, כי לייזרי סיב יחליפו בעתיד הקרוב מקורות אור אחרים ביישומים רבים נוספים.

חברת IPG החלה לעבוד עם רופאים באורולוגיה, דרמטולוגיה, אופתלמולוגיה על יישום סוגים שונים של לייזרי סיב לניתוח רקמות רכות. הניתוחים עושים שימוש בלייזרי סיב אשר מבוססים על יונים של Thulium (Tm). מקורות אלו פועלים באורך של של 1940 nm, ומגיעים להספק של 100 וואט לפחות.  כבר היום משמשת טכנולוגיה זאת לטיפול בגידולים שפירים בבלוטת הערמונית:benign prostatic hyperplasia. מחקר שפורסם לאחרונה הראה יעילות פנטסטית בחיתוך ואידוי רקמות רכות עם דיוק משופר. חוקרים טוענים כי לייזרי סיב מסוג זה הינם פלטפורמה מבטיחה ביותר, אשר מסוגלת לבצע מספר רב של יישומים: חתך מדויק, אידוי מהיר, קרישה נאותה עבור hemostasis במהלך פרוצדורות רקמות רכות, ועוד.

יציאתה של מדינול (Medinol)  הישראלית עם התומכן (Stent) המאפשר טיפול בהיצרויות בעורקי הלב בעת צינתור הייתה מהפכה הרבה מעבר להמצאה הגאונית של התומכן עצמו. הפתרון שפותח חוצה את הגבולות בין פעולת אבחון והַדמָיָה לבין טיפול של ממש בהיצרות העורק. לעיתים הצנתר עצמו אינו יכול לחדור את העורק עקב חסימה. חברת  EXIMO הישראלית  פיתחה סיב אופטי המוליך הספק לייזר בפולסים קצרים יחד עם סכין מיוחדת. השילוב בין השניים מאפשר הסרת החסימה והמשך הבדיקה/טיפול .

עורק צר שאינו מאפשר מעבר צנתר. שילוב טיפול של לייזר סיב יאפשר זאת

ליזר סיב ( Fiber laser)

חלוץ לייזרי הסיב היה פרופ’ אלי שניצר, שפירסם מאמר תאורטי בנושא כבר ב 1961. הטכנולוגיה של לייזרי סיב מתפתחת באופן מואץ בשנים האחרונות, וכבר מצויה בשימושים רבים.

עיקרון פעולה של לייר סיב (Fiber Laser)

בלייזר סיב התווך המגביר הינו סיב אופטי מאולח ( (dopedביונים של עפרות נדירות (rare earth) כדוגמת erbium, ytterbium, neodymium, thulium, praseodymium, holmium  או dysprosium. פעולת הלזירה מחייבת היפוך אוכלוסין: העלאה של חלק ניכר מהאלקטרונים של אותם יונים פעילים לרמת אנרגיה גבוהה מרמת היסוד. היפוך האוכלוסין מושג באמצעות שאיבה (pumping): בליעה של פוטונים באורך גל קצר יחסית. השאיבה מבוצעת על-פי רוב דרך המעטה (cladding) של הסיב, מאחר והליבה שלו לרוב קטנה מדי עבור צימוד יעיל של מקור השאיבה. האלקטרונים המעוררים דועכים לבסוף בחזרה לרמת היסוד, תוך כדי פליטה של פוטונים אחרים, באורך גל ארוך יותר מזה המשמש לשאיבה. האור באורך גל שני זה הוא הנפלט ממקור הלייזר ומשמש לצרכים שונים. כאשר מספר הפוטונים הנפלטים גדול דיו, תהליך הפליטה שלהם הופך מאולץ: פוטון ראשון מגיב עם אלקטרון מעורר ומוביל לפליטה של פוטון שני בעל תכונות זהות. בכך תווך הסיב הנשאב מתפקד כמגבר. לבסוף, המגבר עשוי להפוך למקור אור כאשר הוא מצוי בתוך משוב מתאים: מעין מראות אשר מאפשרות לפוטונים להשלים מספר רב של מהלכים הלוך ושוב לאורך הסיב ובכך להגדיל מאות את ההסתברות לפליטת פוטונים נוספים. בלייזרי סיב, המשוב מושג באמצעות סריגים (Fiber Bragg Gratings).

בהשוואה לדיודות לייזר במוליכים למחצה, למשל, האור הנוצר בלייזר סיב פרוש על פני שטח חתך גדול יותר, מסדר גודל של מאות מיקרונים רבועים. עקב כך, ניתן להפיק מלייזר סיב הספק גבוה יותר, ולדחוק את המגבלות הנובעות ממנגנוני פיזור מתחרים כגון Raman Scattering או Brillouin scattering.

השימוש המוכר ביותר להגברה ופליטה של אור בסיבים אופטיים מבוסס על יוני של ארביום (erbium). ניתן לשאוב את היונים באמצעות אורך גל של 980 nm, ולקבל הגברה ופליטה של אור באורך גל של 1550 nm. חשיבותם של מקורות אלו היא בכך שזהו אורך הגל המשמש בתקשורת אופטית, מאחר והפסדי הסיב בו הם הנמוכים ביותר. ואולם, שימוש ביונים אחרים מוביל בשנים האחרונות לפיתוח לייזרי סיב בטווח רחב של אורכי גל נוספים.

עקרון מבנה של לייזר סיב (Fiber Laser)

דוגמאות לישום באמצעות ליזרי סיב.

סימון שילוט ( Marking  Laser)

ביישום זה החומר מסומן באמצעות קרן לייזר, כתחליף לחריטה. הוא שכיח ביותר בעיבוד זכוכית. הסימון נעשה על פני השטח של החומר בלבד. רוב השילוטים נעשים כיום בשיטה זו.

גילוף (Laser engraving )

לייזר המשמש לגילוף חודר, בעמוק רב יותר מאשר סימון בלבד. כן שיטה זו יעילה שימושים תעשיתיים, כגון עיבוד יהלומים.

הסרה (Laser ablation)

ביישום זה לייזר הסיב ממיס באופן חלקי את השכבה העליונה של החומר ומסיר אותה (לדוגמא: הסרת כתובת קעקוע). טכנולוגיה דומה עשויה לשנש גם לניקוי משטחים (Laser cleaning)

חיתוך  ( Cutting  Laser)

השימוש בלייזרי סיב לחיתוך מתכות יוצר מהפכה של ממש בתעשייה. השימוש בדיסק לחיתוך הינו תהליך יקר ומסורבל המחייב החלפת דיסקים לעיתים קרובות. לייזר סיב מאפשר חיתוך ללא מגע בחומר עצמו. אין צורך לעבד את החומר לאחר החיתוך, ואיבוד החומר הוא מיזערי (אם בכלל).

לייזר סיב לחיתוך ( Cutting Laser)

קידוח  ( Drilling  Laser)

השימוש בלייזר מאפשר מהירות קידוח וחדירה באופן שלא ניתן להשיגו בכל טכנולוגיה אחרת. השימוש בלייזר סיב חוסך חומר, זמן  (אין צורך להחליף מקדחים), ואת הצורך לעבד את הקדח בסיום הקידוח. אחד השימושים הנפוצים הינו קידוח ביהלומים בדיוק גבוה, אשר מעלה את ערכם באופן ניכר. חברה ישראלית בולטת בתחום זה Sarine Technologies Ltd. כיום ניתן למצוא גם לייזרי סיב המסוגלים לקדוח סלעים.

ריתוך חומרים ומתכות ( Welding  Laser)

השימוש בלייזרי סיב מאפשר ריתוך שתי מתכות זו לזו, כולל מתכות שונות. יישומים נפוצים הינם בתעשית הרכב, בעיבוד מתכות וחלקי פלסטיק, בתעשיית האלקטרוניקה, במוליכים למחצה ובסוללות.

עיבוד “קר” של bio-degradable polymer stents באמצעות לייזר סיב

חיישנים אופטיים מבוססי סיבים.

חיישנים אופטיים מתמירים ערכים פיסיקלים לאותות חשמליים הניתנים למדידה. חיישנים מתוכננים לזהות גדלים פיזיקליים ומדדים שונים כגון טמפרטורה, מעוותים מכאניים, לחץ, קול ורעידות, שדות חשמליים ומגנטיים, נוכחות וריכוז של חומרים כימיים וביולוגיים, קרינה, ועוד. לשימוש בסיבים אופטיים יתרונות רבים ביישומי חישה: פעולה לטווח ארוך של מאות ק”מ, שילוב קל ופשוט ברכיבים ומבנים תוך השפעה מינימלית על תפקודם, חסינות בפני הפרעות אלקטרו-מגנטיות (EMI), התאמה לתנאי סביבה קשים ומסוכנים, ויכולת למדידות מפולגות בהן כל מקטע סיב משמש כחיישן נפרד. כדוגמה, חיישנים מפולגים מבוססי סיבים אופטיים מסוגלים למדוד טמפרטורה ומעוות מכאני על-פני מאות קילומטרים, ברזולוציה מרחבית של עשרות סנטימטרים. במחקר המדעי מופיעות דוגמאות למדידה של למעלה מיליון נקודות רזולוציה בניסוי בודד!  יכולת זו משמעותית ביותר בניטור תשתיות קריטיות, בעיקר במשק האנרגיה, המים, הנפט והגז. יישום מרכזי נוסף הינו בתחומי התעופה והחלל, לצורך בדיקות חוזק ותקינות של חלקים קריטיים בשלבי תכנון, שירות ותיקון. בשנים האחרונות מתרחב מאוד השימוש בסיבים אופטיים לחישה אקוסטית, בה סיב יחיד מתפקד כמערך מרחבי של מאות ואלפי מיקרופונים לאורך קילומטרים רבים. חיישנים מסוג זה תופסים מקום הולך וגדל ביישומים ביטחוניים ובהגנה על מתחמים רגישים.

מדחף של מטוס משובץ ב Fiber Bragg gratings לניטור מעוותים

חיישנים סיב-אופטיים מפולגים מבוססים כולם על תופעות של פיזור האור לאחור.

תופעות אלו נחלקות לשלושה סוגים.

פיזור ריילי (Rayleigh scattering) נגרם עקב חוסר אחידות מובנה בזכוכית הסיב. זהו אותו מנגנון האחראי לכך שהשמיים ביום בהיר נראים לנו כחולים. זהו המנגנון השכיח ביותר בחיישנים אקוסטיים, אולם הוא משמש גם במדידות מעוות מכאני, טמפרטורה, והפסדים לאורך הסיב.

פיזור ראמאן (Raman scattering) נובע מתנודות של מולקולות הזכוכית, והוא משמש מאז שנות ה- 80′ למדידות טמפרטורה.

פיזור ברילואן (Brillouin scattering) מתרחש עקב גלי קול בתדרים אולטרה-סוניים המצויים באופן טבעי בליבה של הסיב. טכנולוגית החישה על-בסיס מנגנון זה היא השכיחה ביותר במדידות טמפרטורה ומעוות מכאני. ארחיב מעט על השימוש בחיישנים מסוג זה.

חיישנים סיב-אופטיים מפולגים על-בסיס פיזור ברילואן עושים שימוש בסיבי תקשורת סטנדרטיים. דיוק המדידה מגיע לחלקי מעלת צלסיוס בחישת טמפרטורה, ולזיהוי התארכות יחסית של הסיב בשיעור של 10 חלקים למיליון. מוצרים מסחריים מספקים כיום טווח מדידה של 100 ק”מ, וניסויי מעבדה הדגימו מדידות לאורך למעלה מ- 300 ק”מ. הרזולוציה המרחבית של ציוד סטנדרטי הינה כמטר אחד, ואולם בספרות המדעית מדווחות מדידות ברזולוציה מרחבית של 800 מיקרון לאורך מקטעים מוגבלים. חיישני ברילואן שכיחים ביותר בקידוחי נפט וגז, מכרות, צינורות ארוכים להובלת נפט, גז ומים, בתחנות להפקת חשמל מאנרגית רוח, בכבלי מתח גבוה ועוד.

מגוון ישומי חישה Strain and Temperature sensing בתעשית הדלק והגז

חישה כימית וביולוגית

מהודי סיב בתצורה של סלילים קטנים (microcoil resonator  ) מעוררים עניין, מאחר ותגובת התדר שלהם כוללת תדרי תהודה ברוחב ספקטרלי צר ביותר עד כדי פיקו-מטרים (pico-meters) בודדים. ערכו המדויק של תדר התהודה מושפע ממקדם השבירה של התווך בו מצוי ההתקן. מקדם השבירה, בתורו, עשוי להשתנות עקב נוכחות חומרי עניין כימיים או ביולוגיים. משום הרוחב הספקטרלי הצר של תגובת ההתקן, ניתן לזהות שינויים מזעריים במקדם השבירה ולפיכך ריכוזים נמוכים מאוד של חומרים שונים. בנוסף, מימדיו של ההתקן עשויים להיות קטנים מאוד.

סיבים בעלי קוטר של מאות ננומטרים (nano-wires) מתאימים במיוחד ליישומים אלו, מאחר והאור המתקדם בהם “גולש” במידה רבה לסביבה החיצונית ומושפע ממנה (evanescent wave). הסיב עשוי להיות מותקן סביב צינור חלול (ראה איור 9), המשמש להזרמת הנוזל הנבדק (micro-fluidic channel). חיישן microoil nanowire שכזה מיוצר על ידי סלילת סיב אופטי דק על מוט מתכלה עם עיטוי של חומר פולימרי בעל מקדם שבירה נמוך. סיב ננו בגודל של 200 ננו מטר, רגישות הגילוי מגיעה למולקולת מטרה אחת מבין 10 מיליון מולקולות של תמיסה.

סיב בקוטר של 200 ננו מטר המשמש כחיישן כימי

כיווני התפתחות עתידיים

סיבים אופטיים, ולצידם מקורות אור מגוונים, צפויים להשתלב בתחומים טכנולוגיים חדשים ומרתקים נוספים. ננו-פוטוניקה (Nano-photonics) הינו תחום חדש ומלהיב העוסק באינטראקציה של אור עם חומר במימדים של למטה ממיקרון: מימדים המשתווים לאורך הגל של האור או אף קטנים ממנו. במימדים אלו תכונותיו האופטיות של החומר עשויות להשתנות באופן דרסטי, וליצור הזדמנויות חדשות בטכנולוגיות תקשורת, חישוב, חישה, ובמחקר כימיה וביולוגיה.

תחום נוסף הינו סיבים הכוללים מספר רב של ליבות, תומכים במספר רב של אופני התקדמות, או בעלי תכנון חתך מורכב ולא סטנדרטי (איור 10). מכשור מתקדם לעיבוד זכוכית מאפשר לחבר בין סיבים מיוחדים אלו לבין סיבים סטנדרטים, לשנות את הקטור שלהם, ללטש אותם, ועד. מכונות מסוג זה נקראות fusion splicers (איור 11). יכולות העיבוד מאפשרות לייצר רכיבים שונים, על-בסיס סיבים לא סטנדרטיים, לעיתים תוך שילוב של עד עשרות סיבים ברכיב הבודד.

. סיבים מורכבים מרובי ליבות

איור Fujikura Co2 Laser .12
splicer

נחום גלבוע, קבוצת לייזר מהיר

 

 

נחום גלבוע, קבוצת לייזר מהיר

תגובות סגורות