記者18日從上海理工大學(xué)獲悉，上海理工大學(xué)莊松林院士和顧敏院士領(lǐng)導(dǎo)下的未來(lái)光學(xué)國(guó)際實(shí)驗(yàn)室首次利用機(jī)器學(xué)習(xí)反求設(shè)計(jì)(machine-learninginversedesign)實(shí)現(xiàn)了三維矢量全息(Three-dimensionalvectorialholography)的新概念。

據(jù)介紹，這項(xiàng)發(fā)明是光學(xué)全息技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破，其提供的基于機(jī)器學(xué)習(xí)的反求設(shè)計(jì)可精準(zhǔn)且迅速地產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)任意三維矢量光場(chǎng)，有望應(yīng)用在超寬帶全息顯示、超安全信息加密以及超容量光存儲(chǔ)、超精確粒子操控等各個(gè)領(lǐng)域。

相關(guān)研究成果于4月18日凌晨發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)刊物《科學(xué)進(jìn)展》上。該雜志為《科學(xué)》(Science)刊物旗下子刊，是一個(gè)涵蓋所有學(xué)術(shù)領(lǐng)域的開(kāi)放性、綜合性科學(xué)刊物。

光是一種電磁波，其在介質(zhì)中傳播的同時(shí)伴隨著電磁和磁場(chǎng)的振蕩，被稱為光的矢量特性。基于光波的橫波特性，光的振蕩通常被限制在與其傳播方向垂直的二維平面上。近些年，研究發(fā)現(xiàn)光的振蕩可打破傳統(tǒng)二維平面的束縛，通過(guò)干涉產(chǎn)生縱向光振蕩，即形成第三維光矢量。

在物理學(xué)上，通過(guò)求解三維麥克斯韋方程可以正向得到一個(gè)三維矢量光場(chǎng)分布，但其不可控。一直以來(lái)，精確產(chǎn)生任意三維矢量光場(chǎng)是一個(gè)世界性難題，因其需要十分復(fù)雜的反求設(shè)計(jì)，超出了人類(lèi)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的邊界。

顧敏院士指導(dǎo)的科研人員利用機(jī)器學(xué)習(xí)反求設(shè)計(jì)率先實(shí)現(xiàn)了三維矢量全息，可精確地控制三維全息圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的任意三維矢量狀態(tài)。

“通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)的人工智能新科技，我們首次實(shí)現(xiàn)了三維矢量光的操控，并將機(jī)器學(xué)習(xí)的算法延伸到光學(xué)全息中去，”顧敏院士說(shuō)，“這樣的操控是全方位的，包括對(duì)每個(gè)三維矢量光攜帶的信息進(jìn)行編碼、傳輸和解碼，因而消除了傳統(tǒng)二維偏振光的束縛。”

文章第一作者任浩然博士(目前在德國(guó)慕尼黑大學(xué)從事洪堡博士后研究)說(shuō)：“機(jī)器學(xué)習(xí)在光學(xué)設(shè)計(jì)中扮演著越來(lái)越重要的作用。我們研究證明訓(xùn)練后的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可有效地、快速地產(chǎn)生任意三維矢量光場(chǎng)，達(dá)到接近百分之百的準(zhǔn)確性，極大地提高了光場(chǎng)調(diào)控的效率。”

這項(xiàng)發(fā)明還為光學(xué)全息開(kāi)辟了一條新道路，首次在全息中證明光的三維矢量狀態(tài)可以作為獨(dú)立的信息載體，實(shí)現(xiàn)信息的編碼和復(fù)用。顧敏院士說(shuō)：“這項(xiàng)發(fā)明作為光學(xué)全息技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破，不僅為下一代超寬帶、超大容量、超快速并行處理的光學(xué)全息系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也為加深理解光與物質(zhì)的相互作用(例如粒子操控)提供了一個(gè)嶄新的平臺(tái)。”

該項(xiàng)工作得到了墨爾本皇家理工大學(xué)(RMIT)人工智能納米光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室以及計(jì)算機(jī)科學(xué)系的大力支持。