通过人工智能 让三维矢量全息“任意”可控

最近，上海科技大学的科研团队在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技术突破。相关研究成果发表在国际学术期刊《科学进步》上。

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。

这一光学全息技术领域的突破性研究是由中国工程院外国院士、上海理工大学人工智能纳米光子学研究中心顾敏教授领导的科研团队完成的。

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。研究人员说，基于光波的横波特性，光的振荡通常局限于垂直于其传播方向的二维平面。

近年来，科学家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，精确地生成任何三维矢量光场一直是一个世界性的问题。顾敏研究小组通过使用人工智能的机器学习逆向设计成功地解决了这个难题。它首次实现了三维矢量全息，能够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。

顾敏说，这种操作是全方位的，包括编码、传输和解码每个三维矢量光所携带的信息，从而消除了传统2D偏振光的限制。“人工智能机器学习新技术首次实现了对三维矢量光的操纵，机器学习算法扩展到光学全息术”。

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%，大大提高了光场控制的效率。”

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。顾敏说:“这项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，而且为人们加深对光和物质之间的相互作用(如粒子操纵)的理解提供了一个全新的平台。”