导读。 近日，湖南大学段辉高教授课题组联合同济大学程鑫彬教授课题组和斯图加特大学刘娜教授课题组合作共同回顾了基于超构表面的光学信息加密技术，并对该研究方向提供了开放性的展望。相关综述以“Metasurface-empowered optical cryptography”为题于7月1日在线发表在国际顶级学术期刊《Materials Today》上。湖南大学杨辉博士和同济大学欧凯博士为论文的共同第一作者，湖南大学胡跃强副教授和段辉高教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、湖南省科技创新领军人才、湖南省自然科学基金等项目的支持。
研究背景 信息安全在人们生活的各个方面都至关重要，由此衍生了各种各样的加密策略来保护敏感信息不被窃取和破译。其中，光学信息加密技术以其并行处理、高速、低功耗和光子丰富的自由度等特点成为信息编码和解码的理想选择。然而，基于传统光学元件的光学加密系统通常体积庞大且只能利用有限的光子维度。超构表面是一种由亚波长散射体周期或准周期阵列组成的二维超材料，通过对散射体结构参数和排布方式的优化设计，可以在亚波长尺度上实现对光子振幅、相位、频率和偏振等物理维度的有效调控。超构表面的出现为光学加密技术的发展提供了新一代多才多艺的平台，有望开启光学信息安全的全新篇章。
近年来，各种各样的光子维度，譬如波长、振幅、偏振和角动量等以及它们的组合被开发用于光学信息加密技术。但是由于超构表面能够利用的光子维度是有限的，随着所有的光子维度被完全开发利用，基于这种策略的光学加密技术也将迅速接近其极限。此外，有限的信息加密通道使得仅仅利用光子维度的光学加密技术容易受到特定暴力破解算法的攻击。为了解决这一问题，对超构表面调制的光场进一步编码和解码或者在时空域中调控光子自由度，为进一步提升光学信息加密的容量和安全性提供新的有效途径。
图1展示了利用超构表面调制的光场进行光学信息加密和解密的原理示意图。其中，光学信息加密从根本上源于超构表面对光子多个维度的调控，信息加密的过程利用了超构表面光子不同维度调控所产生的光场作为信息传输载体。图1c中概括了超构表面可以调控的光子维度，其中空间维度表示人们可以在空间中实现光场调制，时间维度表示人们可以在时间域中调制光场。现阶段常见的光学信息加密可以分为直接加密和间接加密。直接加密指的是直接利用超构表面产生的光场作为携带信息的载体，而间接加密指的是对超构表面产生的光场进一步编码再作为携带信息的载体。通过超构表面光学加密技术，各种信息，如水印、防伪图案和敏感数据等可以在用户之间快速安全传输。
图1. 利用超构表面调制的光场进行光学信息加密和解密的原理示意图。 研究亮点 迄今为止，在超构表面多维光场调控领域已经发表了几篇相关综述文章。然而，在所有这些综述中，超构表面的多维光场调控能力尚未被系统地开发用于光学信息加密。该综述论文回顾了近年来在自由度空间、算法空间和时空域中超构表面光学密码术的研究成果，如图2所示。在自由度空间光学密码术部分，论文系统回顾了光子的多个物理维度（波长、偏振、入射场、角度、角动量和多个自由度组合）用于光学信息加密的研究进展。在算法空间光学密码术部分，论文系统回顾了各种编码手段（计算鬼成像、码分复用、密钥共享、矢量视觉密码术等）用于光学信息加密的研究进展。在时空域中光学密码术部分，论文系统回顾了时域上超构表面光场调控的实现机制（化学反应、改变环境介质、机械拉伸、电压调控、相变和磁光效应等），并展示了时空域光学信息加密的研究进展。在这些过程中，论文也详细介绍了超构表面的相关设计原理、典型的加密策略和潜在的应用。
图2. 超构表面光学密码术在自由度空间、算法空间和时空域的最新进展概述图。 总结与展望 该综述提供了超构表面光学密码术的进一步研究方向，总结了超构表面光学密码术发展存在的一些挑战。第一个挑战与光子调控自由度数量相关。尽管现阶段开发了光子的多个自由度以及组合的自由度用于光学加密，但是全自由度的光子态调控尚未实现。借助目前快速发展的逆向设计方法，有望基于超构表面开发全光子自由度光场调控，从而进一步提升光学信息加密的容量与安全性。第二个挑战与超构表面动态光场调控相关。近年来基于不同的调控机制开展了动态光场调控的系列工作，然而在光学频段尚未实现像素化的动态调控。第三个挑战与超构表面加密元器件的商业化相关。目前所提出的超构表面光学加密元器件大多处于实验室阶段，通常面积小、制造成本高。光学加密元器件的商业化需要大面积制造、合理的制造成本和高吞吐量。因而，低成本、跨尺度、大面积精准制造变得尤为重要。尽管超构表面光学加密技术存在着各种挑战，作者们相信随着纳米光子学和纳米制造技术的迅速发展，蓬勃发展的超构表面光学加密技术将在不久的未来走向实际应用。
Hui Yang #, KaiOu#, Hengyi Wan, Yueqiang Hu*,Zeyong Wei, HonghuiJia, Xinbin Cheng, Na Liu, and Huigao Duan*, “Metasurface-empoweredoptical cryptography”, Materials Today, (2023).
论文链接： https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.06.003
| 
