近日，上海理工大學科研團隊在未來光學國際實驗室首次利用機器學習反求設計實現了三維矢量全息新的技術突破，相關研究成果發表在國際學術刊物《科學進展》上。
據介紹，這項發明是光學全息技術領域的一次重大突破，其提供的基於機器學習的反求設計可精準且迅速地產生一個或多個任意三維矢量光場，有望應用在超寬帶全息顯示、超安全信息加密以及超容量光存儲、超精確粒子操控等各個領域。
這項光學全息技術領域的突破性研究，由中國工程院外籍院士、上海理工大學人工智能納米光子學研究中心顧敏教授領銜的科研團隊完成。
光是一種電磁波，其在介質中傳播的同時伴隨着電磁和磁場的振盪，被稱為光的矢量特性。研究人員介紹，基於光波的橫波特性，光的振盪通常被限制在與其傳播方向垂直的二維平面上。
近些年，科學家研究發現光的振盪可打破傳統二維平面的束縛，通過干涉產生縱向光振盪，即形成第三維光矢量。
在物理學上，通過求解三維麥克斯韋方程可以正向得到一個三維矢量光場分佈，但其不可控。一直以來，精確產生任意三維矢量光場是一個世界性難題。顧敏科研團隊利用人工智能的機器學習反求設計成功解決了這一困難，率先實現了三維矢量全息，並可精確地控制三維全息圖像中每個像素點的任意三維矢量狀態。
顧敏介紹，這樣的操控是全方位的，包括對每個三維矢量光攜帶的信息進行編碼、傳輸和解碼，因而消除了傳統二維偏振光的束縛，“通過人工智能機器學習的新技術，首次實現了三維矢量光的操控，並將機器學習的算法延伸到光學全息中去”。
文章第一作者任浩然博士（目前在德國慕尼黑大學從事洪堡博士後研究）表示，機器學習在光學設計中扮演着越來越重要的作用，“我們研究證明訓練後的人工神經網絡可有效、快速地產生任意三維矢量光場，達到接近百分之百的準確性，極大地提高了光場調控的效率”。
這項發明還為光學全息開闢了一條新道路，首次在全息中證明光的三維矢量狀態可以作為獨立的信息載體，實現信息的編碼和複用。顧敏表示：“這項發明不僅為下一代超寬帶、超大容量、超快速並行處理的光學全息系統奠定了基礎，同時也為人們加深理解光與物質的相互作用（例如粒子操控）提供了一個嶄新的平台。”