CN111310199B - 一种螺旋复用集成超表面元件、实时光学加密方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种螺旋复用集成超表面元件、实时光学加密方法及系统。该方法包括：制定密码信息表，所述密码信息表由发送者和接收者事先确定，所述密码信息表包含编码、全息几何图像以及对应的信息；获取微缩印彩色图像，所述微缩印彩色图像由所述发送者编辑确定；将把由光源和偏振方向组合而成的密钥编码到所述微缩印彩色图像中，得到加密的微缩印彩色图像；将所述加密的微缩印彩色图像添加至基于螺旋复用集成超表面元件的谐振腔中；通过电子设备扫描所述加密的微缩印彩色图像，得到全息几何图像信息和编码信息；根据所述全息几何图像信息和所述编码信息读取所述密码信息表中对应的信息，得到解密信息。本发明能够实现实时加密效果。

Description

一种螺旋复用集成超表面元件、实时光学加密方法及系统

技术领域

本发明涉及微纳光学及光学加密领域，特别是涉及一种螺旋复用集成超表面元件、实时光学加密方法及系统。

背景技术

光学加密具有多通道、高复杂度和艺术性的特点，已成为现代信息安全的重要手段之一。信息加密与防伪技术是当今信息安全领域的重要组成部分，光加密技术为信息安全领域的发展提出了独特的策略，保证了信息的多维性、复杂性、艺术性和完整性。与传统的光学加密方法相比，基于微/纳米光学的加密设备具有存储容量大、体积小、多样性和集成能力强等许多不可替代的优势。在各种微/纳米光学设备中，由亚波长单元结构组成的超表面已经成为一个特别强大调制光参数的平台，如振幅、相位、波长、偏振极化和混合参数的调制，从而提供了潜在的可能的信息加密、数据存储和光通信应用。

在独立的超表面器件中，通常使用微缩印图像和全息作为两种独立的光学加密策略，这可以通过在纳米尺度上控制表面等离激元结构或全介电体结构来实现。为了加强光学信息安全，人们还探索了偏振、波长和空间自由度等参数，以实现多通道微缩印或全息加密装置。最近，人们尝试将缩微印刷品和全息术结合在一个设备上。然而，尽管全息术和微缩术的结合带来了加密尺寸的增加，但不同通道之间的串扰仍然是一个棘手的问题，而且设备一旦制作完成，发送方和接收方之间就不能重复传输。

发明内容

本发明的目的是提供一种螺旋复用集成超表面元件、实时光学加密方法及系统，通过独立地控制螺旋复用集成超表面元件的入射光，能够具有微印、全息和螺旋度的加密维度，利用可编辑的微缩印彩色图像，发送者可以随时在线编辑二维码中的加密密钥，从而实现实时加密效果。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种螺旋复用集成超表面元件，包括：由下至上依次排列的介质衬底、谐振腔、中间介质包覆层和螺旋复用纳米结构阵列，所述谐振腔包括由下至上依次排列的第一金属层、介质层和第二金属层。

可选的，所述介质衬底采用石英衬底、玻璃衬底、氧化铝衬底或金刚石衬底。

可选的，所述第一金属层和所述第二金属层采用银、铝或铬，所述第一金属层和所述第二金属层的厚度范围为10nm～70nm。

可选的，所述中间介质包覆层的厚度范围为50nm～10um。

可选的，所述螺旋复用纳米结构阵列采用金属，所述螺旋复用纳米结构列阵的形状为矩形、椭圆形、非对称十字架形、L形、非对称X形或非对称孔洞形，所述螺旋复用纳米结构阵列的高度范围为5nm～1500nm。

一种基于螺旋复用集成超表面元件的实时光学加密方法，包括：

制定密码信息表，所述密码信息表由发送者和接收者事先确定，所述密码信息表包含编码、全息几何图像以及对应的信息；

获取微缩印彩色图像，所述微缩印彩色图像由所述发送者编辑确定；

将把由光源和偏振方向组合而成的密钥编码到所述微缩印彩色图像中，得到加密的微缩印彩色图像；

将所述加密的微缩印彩色图像添加至基于螺旋复用集成超表面元件的谐振腔中；

通过电子设备扫描所述加密的微缩印彩色图像，得到全息几何图像信息和编码信息；

根据所述全息几何图像信息和所述编码信息读取所述密码信息表中对应的信息，得到解密信息。

可选的，所述全息几何图像由采用红光源、绿光源、蓝光源和两个偏振通道的激光在所述基于螺旋复用集成超表面元件的螺旋复用纳米结构阵列照射形成的图像。

可选的，所述获取微缩印彩色图像，具体包括：

获取微缩印彩色图像，所述微缩印彩色图像采用活码二维码或活码条形码。

可选的，所述通过电子设备扫描所述加密的微缩印彩色图像，得到全息几何图像信息和编码信息，具体包括：

通过手机扫描所述加密的微缩印彩色图像，得到全息几何图像信息和编码信息。

一种基于螺旋复用集成超表面元件的实时光学加密系统，包括：

密码信息表制定模块，用于制定密码信息表，所述密码信息表由发送者和接收者事先确定，所述密码信息表包含编码、全息几何图像以及对应的信息；

图像获取模块，用于获取微缩印彩色图像，所述微缩印彩色图像由所述发送者编辑确定；

加密图像制作模块，用于将把由光源和偏振方向组合而成的密钥编码到所述微缩印彩色图像中，得到加密的微缩印彩色图像；

加密图像添加模块，用于将所述加密的微缩印彩色图像添加至基于螺旋复用集成超表面元件的谐振腔中；

图像扫描模块，用于通过电子设备扫描所述加密的微缩印彩色图像，得到全息几何图像信息和编码信息；

解密模块，用于根据所述全息几何图像信息和所述编码信息读取所述密码信息表中对应的信息，得到解密信息。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供一种螺旋复用集成超表面元件、实时光学加密方法及系统，通过独立地控制螺旋复用集成超表面元件的入射光，能够具有微印、全息和螺旋度的加密维度，利用可编辑的微缩印彩色图像，发送者可以随时在线编辑二维码中的加密密钥，从而实现实时加密效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明螺旋复用集成超表面元件的单元结构示意图；

图2为本发明螺旋复用集成超表面元件的整体示意图；

图3为本发明基于螺旋复用集成超表面元件的实时光学加密方法流程图；

图4为本发明扫描电镜图；

图5为本发明螺旋复用集成超表面元件的实时光学加密方法算法流程图；

图6为本发明在显微镜下观察到的彩色图案；

图7为本发明螺旋复用集成超表面元件实时光学加密方法的光学表征的仿真和实验结果图；

图8为本发明螺旋复用集成超表面元件实时光学加密方法的光学加密解密原理；

图9为本发明螺旋复用集成超表面元件实时光学加密方法的光学加密解密实施例；

图10为本发明基于螺旋复用集成超表面元件的实时光学加密系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种螺旋复用集成超表面元件、实时光学加密方法及系统，通过独立地控制螺旋复用集成超表面元件的入射光，能够具有微印、全息和螺旋度的加密维度，利用可编辑的微缩印彩色图像，发送者可以随时在线编辑二维码中的加密密钥，从而实现实时加密效果。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明螺旋复用集成超表面元件的单元结构示意图。如图1所示，一种螺旋复用集成超表面元件包括：由下至上依次排列的介质衬底1、谐振腔2、中间介质包覆层3和螺旋复用纳米结构阵列4，所述谐振腔2包括由下至上依次排列的第一金属层、介质层和第二金属层。

所述介质衬底1采用石英衬底、玻璃衬底、氧化铝衬底或金刚石衬底。所述第一金属层和所述第二金属层采用银、铝或铬，所述第一金属层和所述第二金属层的厚度范围为10nm～70nm，所述谐振腔2介质层厚度根据所需谐振波长进行选择。所述中间介质包覆层3的厚度范围为50nm～10um。所述螺旋复用纳米结构阵列4采用金属或介质，所述螺旋复用纳米结构列阵的形状为矩形、椭圆形、非对称十字架形、L形、非对称X形或非对称孔洞形，所述螺旋复用纳米结构阵列4的高度范围为5nm～1500nm。

图2为本发明螺旋复用集成超表面元件的整体示意图。其中，7为激光光源，1为介质衬底，2为金属-介质-金属叠层谐振腔，3为中间介质包覆层，4为螺旋复用纳米结构阵列，5为螺旋复用多通道几何图案全息，6为光学解密的电子设备。

图3为本发明基于螺旋复用集成超表面元件的实时光学加密方法流程图。如图3所示，一种基于螺旋复用集成超表面元件的实时光学加密方法包括：

步骤101：制定密码信息表，所述密码信息表由发送者和接收者事先确定，所述密码信息表包含编码、全息几何图像以及对应的信息。所述密码信息表包含2⁶-1个密码信息。

步骤102：获取微缩印彩色图像，所述微缩印彩色图像由所述发送者编辑确定，所述微缩印彩色图像采用活码二维码或活码条形码。

步骤103：将把由光源和偏振方向组合而成的密钥编码到所述微缩印彩色图像中，得到加密的微缩印彩色图像。

步骤104：将所述加密的微缩印彩色图像添加至基于螺旋复用集成超表面元件的谐振腔中。

步骤105：通过电子设备扫描所述加密的微缩印彩色图像，得到全息几何图像信息和编码信息。通过电子设备识别，可以获取活码二维码或活码条形码承载的信息，通过承载的信息对激光光源的入射波长和偏振态进行调控，获取不同颜色和空间位置的全息几何图像。所述电子设备可以采用手机。

步骤106：根据所述全息几何图像信息和所述编码信息读取所述密码信息表中对应的信息，得到解密信息。

所述全息几何图像由采用红光源、绿光源、蓝光源和两个偏振通道的激光在所述基于螺旋复用集成超表面元件的螺旋复用纳米结构阵列照射形成的图像。所述全息几何图像分别对应密匙-解密表中的一个密匙，将得到的全息几何图像与密码信息表进行对比，获得加密的信息，即实现了对加密信息的解密。

图4为实施例的扫描电镜图。其中，4-1为加工样品的部分电镜图，4-2为红色分量的样品结构局部放大电镜图，4-3为绿色分量的样品结构局部放大电镜图，4-4为蓝色分量的样品结构局部放大电镜图。

选取作为振幅的加密微缩印彩色图像和作为目标全息的彩色图像输入到算法的流程中，此微缩印彩色图像将被加工成空间排列的谐振腔，因为谐振腔单元的中间层厚度不同会对不同波长响应而滤过不同的颜色，所以需要对微缩印彩色图像与金属-介质-金属谐振腔谐振波长所代表的颜色进行配色。根据RGB三基色原理，所述彩色全息分解为红、绿、蓝三分量图像，又由于菲涅尔全息计算时具有色散效应，因此需要对红、绿、蓝各分量图像进行预补偿，分别乘上用于抵消色散的因子。采用改进的经典的傅里叶迭代算法，将输入振幅和目标全息分别作为输入面和输出面的强度替代，在菲涅尔衍射区进行多次反复迭代，设置预定误差容忍度来终止迭代获得相位分布。根据几何相位的原则，将所述迭代得到的相位分布耦合到两个圆偏振旋转通道中，得到最终所述螺旋复用纳米结构的相位分布，即对应纳米结构的空间形状和分布。加密算法将微缩印和全息结合在一起，即实现谐振腔和螺旋复用纳米结构阵列的集成。图5为本发明螺旋复用集成超表面元件的实时光学加密方法算法流程图。

图6为本发明在显微镜下观察到的彩色图案。图7为本发明螺旋复用集成超表面元件实时光学加密方法的光学表征的仿真和实验结果图。

下面提供一种具体的实施例，图8为本发明螺旋复用集成超表面元件实时光学加密方法的光学加密解密原理。如图8所示，如果一个接收机通过测试入射光分别是绿色激光左圆偏振、红蓝激光右圆偏振、红绿蓝激光线偏振，接收者捕获三个全息图，通过与密码信息表的短语对比，获得了“姓名-Yao”，“年龄-39”和“身高-226厘米”这三组信息。同时，发送者可以在线编辑二维码提供的信息，允许密钥更新。

下面再提供一种具体的实施例。图9为本发明螺旋复用集成超表面元件实时光学加密方法的光学加密解密实施例。小明和小美事先约定设计好一个2⁶-1的密码表，其中包含了编码、全息几何图像以及对应的信息，小美获得制作好的超表面器件。小明想在不同的时间给小梅发送机密信息，提醒她按时吃饭以及吃的食物。早上6:30，小明将网上的二维码编辑成在密码表中代表“NO.000400”和“NO.123000”的信息。同时，在扫描超表面器件上的二维码并显示解密过程后，结合实验和与表格的对比，小美读出了两条信息，分别是“早餐”和“面包”。然后是上午11:30和下午5:30，小明在网上又编辑了四条信息，此时小美通过扫描设备上显示应该使用的激光和RCP/LCP条件下进行实验，测量了螺旋复用全息图，因此，被解密的信息是“午餐”和“米饭”、“晚餐”和“面条”。同样，小明想发送给小梅的任何其他信息都可以随时发送。换句话说，加密的文本短语可以在创建者和接收者之间平稳安全地传输。

图10为本发明基于螺旋复用集成超表面元件的实时光学加密系统结构图。如图10所示，一种基于螺旋复用集成超表面元件的实时光学加密系统包括：

密码信息表制定模块201，用于制定密码信息表，所述密码信息表由发送者和接收者事先确定，所述密码信息表包含编码、全息几何图像以及对应的信息。

图像获取模块202，用于获取微缩印彩色图像，所述微缩印彩色图像由所述发送者编辑确定。

加密图像制作模块203，用于将把由光源和偏振方向组合而成的密钥编码到所述微缩印彩色图像中，得到加密的微缩印彩色图像。

加密图像添加模块204，用于将所述加密的微缩印彩色图像添加至基于螺旋复用集成超表面元件的谐振腔中。

图像扫描模块205，用于通过电子设备扫描所述加密的微缩印彩色图像，得到全息几何图像信息和编码信息。

解密模块206，用于根据所述全息几何图像信息和所述编码信息读取所述密码信息表中对应的信息，得到解密信息。

本发明提出一种螺旋复用集成超表面元件、实时光学加密方法及系统，能够将彩色微印与多路全息模式集成到元表面中。该发明不仅克服了基本的串扰限制，而且提供了多通道、多任务的平面光学系统。此外，由于波长和螺旋度复用的组合状态，能够提供多种组合来编码信息。更重要的是，增加的维度，即形成可编辑二维码的微缩图，可以赋予多个复杂信息的实时加密解密，在发送方和接收方之间具有更高的安全级别。由于本发明在结构色彩、全息和偏振控制等方面具有典型的优势，因此在数据存储、彩色显示、光束表征、信息处理和安全等领域也有广泛的应用潜力。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种基于螺旋复用集成超表面元件的实时光学加密方法，其特征在于，所述方法应用于一种螺旋复用集成超表面元件，所述螺旋复用集成超表面元件包括由下至上依次排列的介质衬底、谐振腔、中间介质包覆层和螺旋复用纳米结构阵列，所述谐振腔包括由下至上依次排列的第一金属层、介质层和第二金属层，所述实时光学加密方法包括：

制定密码信息表，所述密码信息表由发送者和接收者事先确定，所述密码信息表包含编码、全息几何图像以及对应的信息；

获取微缩印彩色图像，所述微缩印彩色图像由所述发送者编辑确定；

将把由光源和偏振方向组合而成的密钥编码到所述微缩印彩色图像中，得到加密的微缩印彩色图像；

将所述加密的微缩印彩色图像添加至基于螺旋复用集成超表面元件的谐振腔中；

通过电子设备扫描所述加密的微缩印彩色图像，得到全息几何图像信息和编码信息；所述微缩印彩色图像采用活码二维码或活码条形码，通过电子设备识别，可以获取活码二维码或活码条形码承载的信息，通过承载的信息对激光光源的入射波长和偏振态进行调控，获取不同颜色和空间位置的全息几何图像；所述全息几何图像由采用红光源、绿光源、蓝光源和两个偏振通道的激光在所述基于螺旋复用集成超表面元件的螺旋复用纳米结构阵列照射形成的图像；

根据所述全息几何图像信息和所述编码信息读取所述密码信息表中对应的信息，得到解密信息。

2.根据权利要求1所述的基于螺旋复用集成超表面元件的实时光学加密方法，其特征在于，所述通过电子设备扫描所述加密的微缩印彩色图像，得到全息几何图像信息和编码信息，具体包括：

通过手机扫描所述加密的微缩印彩色图像，得到全息几何图像信息和编码信息。

3.一种基于螺旋复用集成超表面元件的实时光学加密系统，其特征在于，所述系统应用于一种螺旋复用集成超表面元件，所述螺旋复用集成超表面元件包括由下至上依次排列的介质衬底、谐振腔、中间介质包覆层和螺旋复用纳米结构阵列，所述谐振腔包括由下至上依次排列的第一金属层、介质层和第二金属层，所述实时光学加密系统包括：

密码信息表制定模块，用于制定密码信息表，所述密码信息表由发送者和接收者事先确定，所述密码信息表包含编码、全息几何图像以及对应的信息；

图像获取模块，用于获取微缩印彩色图像，所述微缩印彩色图像由所述发送者编辑确定；

加密图像制作模块，用于将把由光源和偏振方向组合而成的密钥编码到所述微缩印彩色图像中，得到加密的微缩印彩色图像；

加密图像添加模块，用于将所述加密的微缩印彩色图像添加至基于螺旋复用集成超表面元件的谐振腔中；

图像扫描模块，用于通过电子设备扫描所述加密的微缩印彩色图像，得到全息几何图像信息和编码信息；所述微缩印彩色图像采用活码二维码或活码条形码，通过电子设备识别，可以获取活码二维码或活码条形码承载的信息，通过承载的信息对激光光源的入射波长和偏振态进行调控，获取不同颜色和空间位置的全息几何图像；所述全息几何图像由采用红光源、绿光源、蓝光源和两个偏振通道的激光在所述基于螺旋复用集成超表面元件的螺旋复用纳米结构阵列照射形成的图像；

解密模块，用于根据所述全息几何图像信息和所述编码信息读取所述密码信息表中对应的信息，得到解密信息。

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