撰稿人 | 方心远
论文题目 | 超宽带全息技术：应用于高安全性能加密的轨道角动量全息技术
作者 | 方心远,任浩然,顾敏
完成单位 | 上海理工大学
近日，上海理工大学光电学院人工智能纳米光子学研究中心顾敏院士领导的研究团队，首次将轨道角动量（OAM）维度用作全息过程的信息载体，提出了超宽带轨道角动量全息理论。实验中实现了高阶轨道角动量的操控，由此大大提升了信息光学领域的安全性能。该研究成果于2019年12月在线发表于光学顶尖期刊《自然-光子学》上，论文题目为“应用于高安全性能加密的轨道角动量全息技术”（Orbital angular momentum holography for high-security encryption）。
伴随着信息社会的飞速发展，信息光学已成为现代光学的重要分支，为了满足人们对光学设备的信息容量需求，光的偏振、波长等物理属性通常被用作信息载体进行编码、传输和解码。光的多维度特性也是其相较电而言作为信息载体的重大优势。虽然OAM已经在光通信领域展示出对于提升带宽的重要价值。然而，在应用更为广泛的全息领域，OAM的高维特性始终无法发挥作用。
本研究创造性地将布拉格衍射定律延伸到了傅立叶空间。如图1所示，在傅立叶空间中，具有不同螺旋阶数的OAM光束表现出不同的空间频率分布，螺旋阶数越大则空间频率越大。顾敏团队利用这一特性，根据入射OAM光束的空间频率分布设计出相应的采样阵列，对数字图像进行重新编码，由此计算出能够保存螺旋相位的全息图。为了实现全息图的OAM选择性，研究者在全息图中叠加螺旋相位分布，根据轨道角动量守恒定律，只有当再现光拥有对应的反向螺旋相位时才能复原出像素为拥有高斯频率分布的图像。
图1 OAM全息理论。（a）OAM空间频率分析及采样点阵设计；（b）采样间距与OAM阶数的关系；（c）(d）OAM-保存全息图的设计及表征；（e）(f)具有OAM选择性全息图的设计及表征。
二十一世纪被誉为人工智能的时代，占领光学人工智能的高地是我国光学科研工作者的时代使命。近两年的研究表明，基于全息技术构建全光衍射神经网络是实现光学人工智能的重要手段之一，然而，传统全息技术带宽的限制导致目前衍射神经网络的信息处理能力有限，功能单一。因此，轨道角动量全息的诞生有效提升了信息通道数目，增强光学衍射神经网络的信息处理能力，为下一代高容量人工智能光学芯片的到来提供理论支撑。
顾敏，教授，中国工程院外籍院士。首位华裔澳大利亚科学院院士、澳大利亚技术科学与工程学院院士。荣获国际光学及光子学学会丹尼斯盖博奖。现任上海理工大学校务委员会执行主席及光电信息与计算机工程学院人工智能纳米光子学中心主任。中国教育部长江学者讲座教授。中国科学院爱因斯坦讲席教授。曾获澳大利亚光学学会Beattie Steel奖 (澳大利亚光学界最高荣誉),澳大利亚物理学会Boas奖 (澳大利亚物理界最高荣誉),澳大利亚科学院Ian Wark奖 (澳大利亚科技界最高荣誉), 及澳大利亚维多利亚科学创新奖 (澳大利亚科学创新最高荣誉)。
方心远，上海理工大学光电学院特聘研究员。目前共发表SCI论文十余篇，包括Nature Photonics（两篇，其中一篇为第一作者），Nature Communications等。在此过程中发表了一系列国际主流学术期刊（Applied Physics Letters, Optics Letters, Optics Express，OSA Continuum等）。研究成果得到国内外60家以上媒体关注报道，其中包括光明日报、科技日报、上海科技报、新民晚报等。
任浩然，博士，洪堡学者研究员，目前以第一作者身份在Science, Nature Photonics, Nature Communications, Science Advances, Laser Photonics & Reviews, Optics Letters等国际顶级学术期刊发表近10篇文章。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41566-019-0560-x
