基于卷积神经网络的智能光镊

Due to its excellent abilities to control the positions of small particles, optical tweezers have been widely used in fields of nanoscience, biomedicine and atomic and molecular physics. While the past several decades have been tremendous advances in optical tweezers research, the fundamental functions of optical tweezers have been restricted to trapping and manipulations, limiting their potential applications. Exploring the basic abilities of optical tweezers to further extend their applications is of critical importance and challenge in the field of optical tweezers. To fully exploit the potentials of modern optical tweezers, this project combines optical tweezers with emerging deep learning technology, by learning the end-to-end mappings between the scattering signals of optically trapped particles and target parameters via CNNs. Such intelligent optical tweezers can not only trap particles but also recognize precisely the temperature and the types of particle and surrounding, which may find applications in medical testing and environment sensing.

光镊由于具备对微观颗粒优良的操控能力，因此被广泛应用于纳米科学、生物医学及原子与分子物理学研究领域。在过去数十年中，虽然光镊的性能和类型得到了巨大的提升和发展，然而其最基本的功能仍仅局限于捕获与操控，光镊的绝大多数应用也是围绕其对颗粒的控制能力所展开的。如何丰富光镊的功能以进一步扩展其应用范围是目前光镊技术研究领域的难点。为充分挖掘光镊的潜能，本项目拟将近几年发展起来的深度学习技术与光镊进行融合，通过构建卷积神经网络，分别研究被光镊捕获的颗粒的散射信号和颗粒属性、环境类型及温度的端对端映射特性，以期实现能对被捕获目标及周围环境进行识别的智能光镊方案，为扩展光镊在医学检测、环境传感等领域的应用提供理论基础与技术支撑。

光镊与光操控技术为人类探索微观世界提供了非接触式的方法，是研究量子物理，生命科学及软物质科学的重要工具。本项目致力于光场的有质动力学特性基础研究，立足于从光与物质相互作用的电磁理论出发，深入探索光学力的产生原理及其在光学微操控技术中的潜在应用。在项目执行期间，预言了光镊中的非保守光强梯度力并揭示了其在颗粒识别、选择性捕获，以及环境传感方面的潜在应用；发现了光机马车轮效应并基于该效应发展出全光式双向分选微操控技术；找到了光学虚动量的涡旋态并基于此发展出新型光学扳手技术；提出了光镊与光学扳手的微集成方案，以项目负责人为第一或通讯作者在物理类高质量期刊上发表学术论文5篇，其中包含1篇Physical Review Letters，2篇Laser & Photonics Reviews, 申请国家发明专利1项，已授权1项。