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一直以來，精確產(chǎn)生任意三維矢量光場(chǎng)是一個(gè)世界性難題。
解放日?qǐng)?bào)·上觀新聞?dòng)浾邚纳虾＠砉ご髮W(xué)獲悉，就在前兩天，該校科研團(tuán)隊(duì)首次利用機(jī)器學(xué)習(xí)反求設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)三維矢量全息新技術(shù)，這一研究成果已發(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)域的開放性、綜合性科學(xué)刊物。
這項(xiàng)光學(xué)全息技術(shù)領(lǐng)域的突破性研究，由上海理工大學(xué)莊松林院士和顧敏院士領(lǐng)銜的未來光學(xué)國(guó)際實(shí)驗(yàn)室完成。眾所周知，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，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)，超出了人類知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的邊界。
這一新研究成果運(yùn)用人工智能的反求設(shè)計(jì)，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)，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)。比如說，如果設(shè)計(jì)者想設(shè)計(jì)出一個(gè)三維袋鼠全息影像，以往只能設(shè)計(jì)出大致影像，但現(xiàn)在可以精準(zhǔn)地設(shè)計(jì)出每一個(gè)立體方向，甚至將袋鼠身上的毛發(fā)方向也能精準(zhǔn)表達(dá)出來。“通過機(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。”顧敏說，“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說：“機(jī)器學(xué)習(xí)在光學(xué)設(shè)計(jì)中扮演著越來越重要的作用。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。”
此外，這項(xiàng)發(fā)明為光學(xué)全息開辟了一條新道路，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。顧敏說：“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)。”據(jù)悉，這一技術(shù)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。