學習強國:【科創上海】上理工團隊研發世界首個超寬帶光學全息技術

時間:2019-12-19浏覽:0編輯:董真攝影:    通訊員:設置



原理示意圖


假設這樣一個場景:你和朋友收到了同一份加密全息數據,然而利用不同的“光鑰”解碼,你們眼前卻出現了截然不同的全息圖像。如果將這一技術用于銀行,也許將來人們無需記住密碼,用酷炫的全息“光鑰”就能打開小金庫。

上海理工大学科研团队研发的轨道角动量全息技术,就将让这一场景成为可能。该技术不仅颠覆了全息影像的传输方式,更是为传输过程設置了一把“安全锁”。

據悉,這支由中國工程院外籍院士顧敏教授領銜的科研團隊,創造性地利用軌道角動量光束作爲光學全息過程中的信息載體,實現了世界上首個超寬帶的光學全息過程,也爲大數據信息時代提供了大容量全息術。12月10日淩晨,相關研究成果以長文形式發表在世界光學頂尖期刊《自然-光子學》上。


爲全息技術加裝安全“鎖”

近日,微軟公司找到了一種全新的數據存儲方式,他們將數據多達75.6GB的1978版《超人》儲存在了一塊杯墊大小的玻璃中。和壽命只有數年的CD和硬盤相比,該玻璃硬盤中的內容可以存儲1000年以上。

在顧敏院士看來,光盤並沒有退出曆史舞台,相反,隨著大數據存儲的能耗越來越大,光存儲技術有著巨大的應用前景,“只要電子技術可以做的,光都可以替代。”


顧敏院士


除了壽命長、耗能低之外,光存儲技術還有著存儲能力高的特點。據介紹,由于光的角動量屬性,利用最新發現的軌道角動量全息技術,相同的內存能夠將圖片信息存儲能力提高100倍。這也意味著,角動量傳輸的信息存儲能力是光纖傳輸的100倍,這爲大數據時代的大容量全息技術打下基礎。

据论文第一作者、上理工光電信息與計算機工程學院特聘研究员方心远博士介绍,传统全息显示技术中,只能通过增加信号源,提升信息通道的数目,以实现复杂的显示效果。这种情况下,往往会出现带宽不够、分辨率不高等情况。

在研究中,方心遠發現,“螺旋程度”不同的軌道角動量光則對應了同一信號源不同的信息通道。結合納米光子學技術,將來人們可以僅僅利用一個納米級的信號源,便可以實現超寬帶的全息顯示效果。“這將爲大衆提供更優質的信息記錄手段和出色的視覺體驗。”方心遠說。

在顧敏院士看来,大容量存储能力只是该项技术的优势之一。它的“硬实力”还在于创造性地为全息技术加装一把安全“锁”。“传统意义上,一把全息‘锁’只有一种解码方式,而我们的研究把‘螺旋光’配成多把‘钥匙’,可以将同一把全息‘锁’解码出不同的信息。收信人根据手里的‘光钥’,解读出只有他自己才能看到的最终信息,这就保护了信息传递的安全性。”据顧敏院士介绍,5G时代的通讯中,保密性的重要程度将进一步凸显,发展轨道角动量全息技术将成为“必经之路”。


源于一份“不可能”完成的作業

这一课题的起源,来自一份“不可能”完成的作业。去年,尚在读博的方心远虽取得了不小的成绩,但深感遇到科研瓶颈。那时,他刚好看到顧敏院士课题组在期刊《科学》(Science)发表的一篇前沿文章,就试着联系顧敏院士,看能否取得与世界顶级团队短期交流的机会。

加入團隊後,顧院士給了方心遠博士一個命題作業:螺旋光束能不能在全息場景下攜帶信息?這是顧院士腦海中一直在琢磨的課題。方心遠想了兩周之後,卻告訴老師:“這不可能啊。”原來,這一課題按照現有的原理來推算的話,是根本不可能實現的一種假設,就好像是一道數學題,雖給出了“答案”卻根本沒有“推導過程”一樣。

“要不试试,让布拉格衍射定律在傅里叶空间延伸?”一个月后,方心远打破了自己的结论,有了新的灵感。过去,光的衍射和螺旋光束完全“不沾边”,而由于傅里叶空间的轨道角动量伪色散关系,螺旋光成为了可操控的“同心圆”。“这是这一研究最妙的地方,可以说是实现了科学上0到1的突破。”顧敏院士说。

最终,仅仅耗时9个月,这份“不可能”的作业就被方心远攻破了。“我已经全职加入顧敏院士的团队,我想要把这份‘作业’继续做下去,在光学领域做深做实。”方心远说。

该项技术在未来将如何应用?据顧敏院士介绍,轨道角动量全息技术在人工智能、三维显示、数字全息显微技术、数据存储、人工神经网络、精准医疗等多种领域将大有可为。比如,人们将来将可以看到人体的全息图像,通过螺旋光就能“穿透”人体,精确地“看到”并记录人体器官的情况。此外,该技术还可以将应用在量子光学领域,为信息交互过程提供前所未有的安全保障。




來源:學習強國

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