撰稿人 | 方心遠
論文題目 | 超寬帶全息技術：應用於高安全性能加密的軌道角動量全息技術
作者 | 方心遠，任浩然，顧敏
完成單位 | 上海理工大學
概述
近日，上海理工大學光電學院人工智慧納米光子學研究中心顧敏院士領導的研究團隊，首次將軌道角動量（OAM）維度用作全息過程的信息載體，提出了超寬帶軌道角動量全息理論。實驗中實現了高階軌道角動量的操控，由此大大提升了信息光學領域的安全性能。該研究成果於2019年12月在線發表於光學頂尖期刊《自然-光子學》上，論文題目為「應用於高安全性能加密的軌道角動量全息技術"（Orbital angular momentum holography for high-security encryption）。
研究背景
伴隨著信息社會的飛速發展，信息光學已成為現代光學的重要分支，為了滿足人們對光學設備的信息容量需求，光的偏振、波長等物理屬性通常被用作信息載體進行編碼、傳輸和解碼。光的多維度特性也是其相較電而言作為信息載體的重大優勢。雖然OAM已經在光通信領域展示出對於提升帶寬的重要價值。然而，在應用更為廣泛的全息領域，OAM的高維特性始終無法發揮作用。
技術突破
本研究創造性地將布拉格衍射定律延伸到了傅立葉空間。如圖1所示，在傅立葉空間中，具有不同螺旋階數的OAM光束表現出不同的空間頻率分布，螺旋階數越大則空間頻率越大。顧敏團隊利用這一特性，根據入射OAM光束的空間頻率分布設計出相應的採樣陣列，對數字圖像進行重新編碼，由此計算出能夠保存螺旋相位的全息圖。為了實現全息圖的OAM選擇性，研究者在全息圖中疊加螺旋相位分布，根據軌道角動量守恆定律，只有當再現光擁有對應的反向螺旋相位時才能復原出像素為擁有高斯頻率分布的圖像。
圖1 OAM全息理論。（a）OAM空間頻率分析及採樣點陣設計；（b）採樣間距與OAM階數的關係；（c）(d）OAM-保存全息圖的設計及表徵；（e）(f)具有OAM選擇性全息圖的設計及表徵。
觀點評述
二十一世紀被譽為人工智慧的時代，佔領光學人工智慧的高地是我國光學科研工作者的時代使命。近兩年的研究表明，基於全息技術構建全光衍射神經網絡是實現光學人工智慧的重要手段之一，然而，傳統全息技術帶寬的限制導致目前衍射神經網絡的信息處理能力有限，功能單一。因此，軌道角動量全息的誕生有效提升了信息通道數目，增強光學衍射神經網絡的信息處理能力，為下一代高容量人工智慧光學晶片的到來提供理論支撐。
主要作者介紹
顧敏，教授，中國工程院外籍院士。首位華裔澳大利亞科學院院士、澳大利亞技術科學與工程學院院士。榮獲國際光學及光子學學會丹尼斯蓋博獎。現任上海理工大學校務委員會執行主席及光電信息與計算機工程學院人工智慧納米光子學中心主任。中國教育部長江學者講座教授。中國科學院愛因斯坦講席教授。曾獲澳大利亞光學學會Beattie Steel獎 (澳大利亞光學界最高榮譽),澳大利亞物理學會Boas獎 (澳大利亞物理界最高榮譽),澳大利亞科學院Ian Wark獎 (澳大利亞科技界最高榮譽), 及澳大利亞維多利亞科學創新獎 (澳大利亞科學創新最高榮譽)。
方心遠，上海理工大學光電學院特聘研究員。目前共發表SCI論文十餘篇，包括Nature Photonics（兩篇，其中一篇為第一作者），Nature Communications等。在此過程中發表了一系列國際主流學術期刊（Applied Physics Letters, Optics Letters, Optics Express，OSA Continuum等）。研究成果得到國內外60家以上媒體關注報導，其中包括光明日報、科技日報、上海科技報、新民晚報等。
任浩然，博士，洪堡學者研究員，目前以第一作者身份在Science, Nature Photonics, Nature Communications, Science Advances, Laser Photonics & Reviews, Optics Letters等國際頂級學術期刊發表近10篇文章。