沪科研团队通过人工智能实现三维矢量全息新技术

中新网上海4月18日电(记者)记者18日从上海理工大学获悉，上海理工大学庄院士和院士领导的未来光学国际实验室首次利用机器学习逆向设计实现了三维矢量全息的新概念。

据介绍，本发明是光学全息技术领域的重大突破。本发明提供的基于机器学习的逆向设计能够准确、快速地生成一个或多个任意三维矢量光场，有望应用于超宽带全息显示、超安全信息加密、超大容量光存储、超精密粒子操纵等多种领域。

相关研究结果于4月18日凌晨发表在国际*学术期刊《科学进步》上。该杂志是《科学》杂志的附属杂志，是一份涵盖所有学术领域的开放而全面的科学杂志。

光是一种电磁波，它在介质中传播，并伴随着电磁和磁场振荡。这被称为光的矢量特性。基于光波的横波特性，光的振荡通常被限制在垂直于其传播方向的二维平面内。近年来，研究发现光的振荡可以打破传统二维平面的束缚，通过干涉产生纵向光振荡，即形成三维光矢量。

在物理学中，通过求解三维麦克斯韦方程可以得到三维矢量光场分布，但它是不可控的。长期以来，任何三维矢量光场的精确生成一直是一个世界性的难题，因为它需要非常复杂的逆向设计，这超出了人类知识和经验的界限。

顾敏院士指导研究人员利用机器学习逆向设计首次实现三维矢量全息，可以精确控制三维全息图像中每个像素点的任意三维矢量状态。

顾敏院士说:“通过机器学习的人工智能新技术，我们首次实现了对三维矢量光的操纵，并将机器学习算法扩展到光学全息术。”。这种操作是全方位的，包括对每个三维矢量光所携带的信息进行编码、传输和解码，从而消除了传统二维偏振光的限制

文章的第一作者任浩然博士(目前在德国慕尼黑大学从事洪堡博士后研究)说:“机器学习在光学设计中发挥着越来越重要的作用。我们的研究证明，经过训练的人工神经网络可以有效、快速地生成任意三维矢量光场，准确率接近100%，大大提高了光场调节的效率。”

本发明还为光学全息术开辟了一条新路，并在全息术中首次证明了光的三维矢量态可以作为独立的信息载体来实现信息的编码和复用。顾敏院士说:“作为光学全息领域的重大突破，本发明不仅为下一代超宽带、超大容量、超快速并行处理光学全息系统奠定了基础，而且为加深对光与物质相互作用(如粒子操纵)的理解提供了一个全新的平台。”

这项工作得到了皇家墨尔本理工学院人工智能纳米光子实验室和计算机科学系的大力支持。(结束)