全息图像 新技术颠覆全息影像传输方式

想象一个场景，两个女孩坐在咖啡馆里，在一个悠闲的下午接收同样的加密全息数据。然而，使用不同的“光学键”来解码，一个是看音乐会，而另一个是呈现电影的全息图像。

比科幻电影里的场景更进了一步！上海科技大学人工智能纳米光子学研究中心的顾敏教授领导的研究团队，创造性地将具有“螺旋”特性的轨道角动量光束作为光学全息过程中的信息载体，实现了世界上首个超宽带光学全息过程，为大数据信息时代提供大容量全息。他们开发的轨道角动量全息技术，不仅颠覆了全息图像的传输模式，还为传输过程设置了“信息安全”的保护屏障，让这样一个酷炫的场景成为现实。

最近，相关研究成果以长文形式发表在世界领先的光学期刊《自然-光子学》上。

它可以将图片信息的存储容量提高100倍

对于传统的全息显示技术，一个平面全息图只能记录一张图片。然而，随着信息时代的快速发展，我们需要用同样的内存来记录更多的图片。利用新发现的轨道角动量全息技术，同样的存储器可以将图像信息存储容量提高100倍，为下一代大容量全息技术奠定基础。

这是近年来中国研究人员在该期刊上发表的唯一一篇全息信息安全技术领域的长文。本文作者为上海科技大学人工智能纳米光子学研究中心顾敏教授，第一作者为上海理工大学光电信息与计算机工程学院特聘研究员方鑫源博士。

方心远认为，“在传统的全息显示技术中，只有通过增加信息通道的数量来实现复杂的显示效果，往往会出现‘带宽不足’和‘分辨率低’等情况。但是我们发现不同‘螺旋度’的轨道角动量光对应同一信号源的不同信息通道。结合纳米光子技术，只用一个纳米级信号源就可以实现超宽带全息显示效果。这可以为公众提供更好的信息记录方式和出色的视觉体验。”

在顾敏看来，这只是这项技术的优势之一，它的“硬实力”在于创造性地为全息技术安装了一把安全“锁”。“传统意义上，一把全息‘锁’只有一种解码方法，我们的研究将‘螺旋光’结合成多个‘钥匙’，可以从同一把全息‘锁’中解码出不同的信息，接受者可以根据手中的‘光钥匙’解读出只有自己才能看到的最终信息，保护了信息传递的安全性。”

在人工智能和三维显示领域有很大的潜力

全息技术本身是数据并行处理的重要信息处理手段，而轨道角动量全息术最大的优点是增加了带宽，利用轨道角动量全息术可以在一组数据中记录更多的信息。

前段时间，微软利用3D体积全息术的思想，在玻璃上记录可以保存几百年的数据。早在2013年，顾敏院士课题组就利用双光束超分辨率原理突破了光学衍射极限，获得了9 nm加工特征尺寸的世界纪录。处理规模越小，芯片容量越大，芯片价值越高。

方心远告诉记者:“以我们的技术，完全可以在二维平面上记录基于全光学方法读出的数据。结果，处理过程变得更简单，读取数据更节能。这就是现在的世界。达到这个效果的唯一手段。”

顾敏院士表示:“轨道角动量全息术将在人工智能、三维显示、数字全息显微术、数据存储、人工神经网络等领域具有巨大的潜力。此外，它还可以应用于量子光学领域，为信息交互过程提供前所未有的安全性。”

它来自一项“不可能”的任务

机会总是偶然相遇的。这样的突破源于一项无法完成的任务。也像是现代版的伯乐和千里马的故事。

去年，还在读博的方心远刚刚看到顾敏院士在《科学》杂志上发表的一篇前沿文章，试图联系顾敏，获得了与世界顶尖团队的短期交流机会。

加入团队后，顾敏给方心远布置了一个命题任务。"螺旋光束能在全息场景中携带信息吗？"这是顾敏一直在思考的话题。然而，经过两周的苦思冥想，方心远不得不给老师这样一个答复:“这不可能。”原来，如果按照现有的原理来计算这个学科，那就是一个根本无法实现的假设。这就像一道数学题。虽然给出了答案，但完全没有“推演过程”。

"为什么不试着把布拉格衍射定律推广到傅立叶空之间？"一个月后，方心远打破自己的结论，创造性地将物理和数学理论结合起来，得到了新的启发。最终，这个“不可能”的任务在短短九个月内被方心远打破。这位想做“高水平科研”的年轻学者，以只有9%的点击率让自己的名字出现在顶级科研杂志上，而且是一篇八页不删的长文。在他看来，这一切都得益于顾敏的“功课”。现在，他已经全职加入顾敏的团队，继续做这项“功课”，并想在光学领域深入实际地做这件事。