הנה כמה עובדות ידועות על קרני לייזר: אלומות ממוקדות של קרני לייזר משמשות לחיתוך מתכות כבר כמה עשורים. הן יכולות גם להחליף את איזמל המנתחים וגם לשמש כמקור אור בהדמיה רפואית ובשיטות מיקרוסקופיה מתקדמות. ברבים מהשימושים הללו נדרש למקד את הקרן לנקודה אחת כדי לרכז את עוצמת האור. לעיתים, כדי לבצע חיתוך מדויק מבלי לגרום נזק באיזור, משתמשים המדענים בהבזקי אור קצרים מאוד (פחות ממיליונית-מיליונית השנייה), שהם בעלי עוצמה רגעית גבוהה.
כאשר נקודת המוקד היא על פני השטח, אין קושי לרכז את האור בנקודה אחת. אבל מה קורה כאשר מנסים למקד את האור מתחת לפני השטח, למשל בגידול סרטני בעומק הגוף? במקרה כזה מתעוררים קשיים לא פשוטים, אפילו כשנקודת המטרה היא בעומק של פחות ממילימטר מתחת לעור. הקושי נעוץ בכך שרקמות ביולוגיות אינן שקופות - המבנה הלא-אחיד של הרקמות גורם לפיזור האור, כך שבמקום להתמקד בנקודה אחת, הוא מתפזר באופן בלתי-מבוקר. בנוסף, הבזק האור, שהיה קצר כאשר שוגר ממקור קרני הלייזר, מתארך ומתעוות, כתוצאה מהמעבר דרך הרקמה המפזרת. התוצאה היא החלשה משמעותית בעוצמת האור, ואובדן היכולת לעשות בו שימוש כאיזמל חד.
פרופ' ירון זילברברג, ותלמידי המחקר אורי כץ, ערן שמאל וירון ברומברג, מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע, בחנו כיצד ניתן למקד הבזקים מהירים של אור לייזר העוברים דרך תווך מפזר. הם פיתחו דרך המבוססת על משוב: המערכת בוחנת בזמן אמיתי כיצד מתפזר האור העובר דרך התווך, ומעצבת בעזרת אלגוריתם מתמטי קרן לייזר ש"מפצה" על הפיזור הצפוי.
המערכת הממוחשבת מייצרת קרן לייזר בעלת מאפיינים ה"תפורים" בדיוק לרקמה, כך שהקרן מגיעה אל המטרה בעומק הרקמה כשהיא ממוקדת. במחקרם, שפורסם באחרונה בכתב-העת המדעי Nature Photonics, מתארים המדענים מערכת אשר מבצעת תיקון של קרן הלייזר באמצעות מסך גביש נוזלי (LCD) פשוט כמו זה הנמצא בכל מקרן ממוחשב. עד כה היה ידוע, כי באמצעות מסך כזה ניתן לתקן עיוותים מרחביים בלבד. המדענים הראו, כי באופן מפתיע למדי, שימוש במערכת פשוטה זו מאפשר תיקון העיוותים של הבזק האור גם במימד הזמן. במילים אחרות, הבזק האור המתוקן יכול לחדור את הרקמה, ולהגיע אל המטרה כשהוא ממוקד במרחב וגם פועל במשך זמן קצר. המדענים מקווים, כי מערכת זו תסייע, בעתיד, בפיתוח יישומים של קרני לייזרת ברפואה ובמיקרוסקופיה ביולוגית בעומק הרקמות, וכן במחקר בסיסי בתווכים מורכבים.
תמונה: עוצמת הפלואורסנציה שיוצר הבזק אור העובר דרך פיסת עצם בעובי חצי מ"מ - (משמאל) לפני הפעלת האלגוריתם הממקד את עוצמת האור בנקודה אחת, (מימין) ואחרי הפעלת האלגוריתם.
