西安光机所在智能光镊研究方面取得新进展

近日，中科院西安光机所在智能光镊研究方面取得新进展，研究成果在线发表于PhotoniX。论文第一作者为博士研究生李星，通信作者为徐孝浩和姚保利。

全息光镊（HOT）是构造新颖物质结构、研究细胞相互作用、实现量子计算的重要手段，该技术通过光场调控手段构建多光阱，可同时捕获并操控多个粒子，从而将它们排列组装成特定图案结构。然而在实际应用过程中，并行操控易使粒子间发生碰撞（尤其是对于高密度的微粒集群），继而引起粒子团聚或丢失，使得组装结构存在缺陷，因此需分批、依次将微粒移动到目标位置，导致组装效率低下。

图1.基于人工势场全息光镊的微粒阵列无缺陷全并行组装及变换

为解决上述问题，研究团队受无人机集群控制和水下机器人队列操纵技术启发，提出人工势场（APF）全息光镊(图1a)，解决了多微粒动态光学微操控过程中粒子间相互碰撞问题，实现了微粒集群的全并行最优路径控制和结构组装。该技术通过人工智能算法为光阱中的微粒额外添加虚拟排斥场，排斥作用力与微粒间距成反比，使微粒在碰撞即将发生时通过局部位移有效绕过障碍(图1b)，基于此，可通过全额并行操控实现对微粒阵列的无缺陷组装（图1c,d)，使组装效率最大化，同时，利用匈牙利算法得到的最小路径优化方案可以实现不同图案间的高效转换(图1e)。

此项研究为西安光机所加速布局“AI+光学”技术探索的重要成果，有助于推进光镊在多比特量子计算、微纳级显示和生命科学等领域研究中的应用，对于发展其它微观物质组装方法（如全息声镊）也具有启示性意义。

西安光机所姚保利团队近年来在AI光学交叉领域开展了深入研究，形成了多种新型光学显微成像和微操纵技术，在Nat. Commun.、PNAS、PRL、Rep. Prog. Phys.、Adv. Opt. Photon.等期刊上发表300多篇论文，授权多项国家发明专利，曾获陕西省科学技术一等奖、二等奖和陕西省重点科技创新团队等奖励和荣誉。

论文链接：https://photonix.springeropen.com/articles/10.1186/s43074-024-00144-5