西安光機(jī)所在智能光鑷研究方面取得新進(jìn)展

近日，中科院西安光機(jī)所在智能光鑷研究方面取得新進(jìn)展，研究成果在線發(fā)表于PhotoniX。論文第一作者為博士研究生李星，通信作者為徐孝浩和姚保利。

全息光鑷（HOT）是構(gòu)造新穎物質(zhì)結(jié)構(gòu)、研究細(xì)胞相互作用、實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的重要手段，該技術(shù)通過(guò)光場(chǎng)調(diào)控手段構(gòu)建多光阱，可同時(shí)捕獲并操控多個(gè)粒子，從而將它們排列組裝成特定圖案結(jié)構(gòu)。然而在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，并行操控易使粒子間發(fā)生碰撞（尤其是對(duì)于高密度的微粒集群），繼而引起粒子團(tuán)聚或丟失，使得組裝結(jié)構(gòu)存在缺陷，因此需分批、依次將微粒移動(dòng)到目標(biāo)位置，導(dǎo)致組裝效率低下。

圖1.基于人工勢(shì)場(chǎng)全息光鑷的微粒陣列無(wú)缺陷全并行組裝及變換

為解決上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)受無(wú)人機(jī)集群控制和水下機(jī)器人隊(duì)列操縱技術(shù)啟發(fā)，提出人工勢(shì)場(chǎng)（APF）全息光鑷(圖1a)，解決了多微粒動(dòng)態(tài)光學(xué)微操控過(guò)程中粒子間相互碰撞問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了微粒集群的全并行最優(yōu)路徑控制和結(jié)構(gòu)組裝。該技術(shù)通過(guò)人工智能算法為光阱中的微粒額外添加虛擬排斥場(chǎng)，排斥作用力與微粒間距成反比，使微粒在碰撞即將發(fā)生時(shí)通過(guò)局部位移有效繞過(guò)障礙(圖1b)，基于此，可通過(guò)全額并行操控實(shí)現(xiàn)對(duì)微粒陣列的無(wú)缺陷組裝（圖1c,d)，使組裝效率最大化，同時(shí)，利用匈牙利算法得到的最小路徑優(yōu)化方案可以實(shí)現(xiàn)不同圖案間的高效轉(zhuǎn)換(圖1e)。

此項(xiàng)研究為西安光機(jī)所加速布局“AI+光學(xué)”技術(shù)探索的重要成果，有助于推進(jìn)光鑷在多比特量子計(jì)算、微納級(jí)顯示和生命科學(xué)等領(lǐng)域研究中的應(yīng)用，對(duì)于發(fā)展其它微觀物質(zhì)組裝方法（如全息聲鑷）也具有啟示性意義。

西安光機(jī)所姚保利團(tuán)隊(duì)近年來(lái)在AI光學(xué)交叉領(lǐng)域開展了深入研究，形成了多種新型光學(xué)顯微成像和微操縱技術(shù)，在Nat. Commun.、PNAS、PRL、Rep. Prog. Phys.、Adv. Opt. Photon.等期刊上發(fā)表300多篇論文，授權(quán)多項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利，曾獲陜西省科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)和陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等獎(jiǎng)勵(lì)和榮譽(yù)。

論文鏈接：https://photonix.springeropen.com/articles/10.1186/s43074-024-00144-5