CN112564814B - 一种基于超表面的近场双密钥加密方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于信息光学技术领域，公开了一种基于超表面的近场双密钥加密方法，将超表面作为公钥，将入射光的相位分布作为私钥；包括选择入射光的工作波长，优化纳米砖的尺寸参数，使得工作波长下的入射光入射至纳米砖时，纳米砖的交叉偏振转化效率最高、同向偏振转化效率最低；计算获得记录公钥图像的超表面的相位分布信息；确定纳米砖阵列中若干个纳米砖的方向角排布信息并在基底上进行排布，完成公钥的设计；计算获得入射光的相位分布信息，完成私钥的设计。本发明设计的算法简单，设计的自由度更高，安全性极强，且双密钥加密模式更加灵活。

Description

一种基于超表面的近场双密钥加密方法

技术领域

本发明涉及信息光学技术领域，尤其涉及一种基于超表面的近场双密钥加密方法。

背景技术

光学加密技术作为一种新型的加密手段，以其独特的技术特点受到了越来越多的关注，成为现代加密技术的重要研究内容之一。然而，目前现有的近场加密技术多是基于光的偏振态、振幅、信息通道数的增加或者是信息变换方式进行加密，但是上述加密技术的设计方式复杂，且密钥比较简单，导致加密系统的安全性较低。

例如，传统近场光学加密技术多采用偏振复用的方式进行加密记录，利用不同偏振态形成不同的信息通道，从而实现加密的目的。但是这种加密方式作为一种普通的单钥加密机制，信息的安全性处于一个较低水平，当非法用户取得加密资料后，在拥有部分先验知识的情况下，将会很快的获取加密的信息。

发明内容

本发明通过提供一种基于超表面的近场双密钥加密方法，解决了现有技术中光学加密的设计方式复杂、安全性较低的问题。

本发明提供一种基于超表面的近场双密钥加密方法，将超表面作为公钥，将入射光的相位分布作为私钥；

所述超表面由基底及在所述基底上设置的纳米砖阵列构成，所述纳米砖阵列包括呈周期性排布的若干个纳米砖；所述纳米砖为亚波长尺寸，所述纳米砖为长方体结构；若干个所述纳米砖的尺寸一致、方向角不同；所述基底的互相垂直的两边分别为X轴和Y轴，所述方向角为所述纳米砖的长轴与X轴的夹角；

所述入射光的强度均匀、振幅相等、相位分布不同，单个相位单元的大小与所述纳米砖阵列的周期大小一致；

所述基于超表面的近场双密钥加密方法包括以下步骤：

步骤1、选择所述入射光的工作波长，优化所述纳米砖的尺寸参数，使得所述工作波长下的入射光入射至所述纳米砖时，所述纳米砖的交叉偏振转化效率最高、同向偏振转化效率最低；

步骤2、根据所述工作波长、选定的公钥图像，计算获得记录所述公钥图像的超表面的相位分布信息；

步骤3、根据所述纳米砖的尺寸参数、所述记录所述公钥图像的超表面的相位分布信息，确定所述纳米砖阵列中若干个所述纳米砖的方向角排布信息，将若干个所述纳米砖按照所述方向角排布信息在所述基底上进行排布，完成公钥的设计；

步骤4、根据所述记录所述公钥图像的超表面的相位分布信息、选定的加密信息，计算获得所述入射光的相位分布信息，完成私钥的设计。

优选的，所述基底划分为若干个尺寸一致的周期性正方形单元结构，每个所述单元结构的工作面上设有一个所述纳米砖；

所述纳米砖的尺寸参数包括纳米砖的长度、纳米砖的宽度、纳米砖的高度，单元结构的边长。

优选的，所述步骤2中，所述记录所述公钥图像的超表面的相位分布信息采用以下公式计算得到：

其中，

表示记录公钥图像的超表面的相位分布，A(x,y)表示公钥图像的复振幅分布，R(x,y)表示用于干涉记录的参考光的复振幅分布。

优选的，所述步骤3中，所述纳米砖的方向角为所述记录所述公钥图像的超表面的相位分布中对应单元相位大小的一半。

优选的，所述步骤4中，所述入射光的相位分布信息采用以下公式计算得到：

其中，

表示入射光的相位分布，

表示加密信息的相位分布，

表示记录公钥图像的超表面的相位分布。

优选的，所述加密信息的相位分布采用以下公式计算得到：

其中，B(x,y)表示加密信息的复振幅分布，R(x,y)表示用于干涉记录的参考光的复振幅分布。

优选的，所述纳米砖的长轴方向和短轴方向的相位延迟为π，且振幅保持一致。

优选的，所述纳米砖的个数与所述公钥图像的像素数相同。

优选的，所述纳米砖为反射式纳米砖或透射式纳米砖；所述纳米砖采用单晶硅材料制成，所述基底采用氧化铝材料制成。

优选的，所述工作波长为633nm，所述纳米砖的长度为225nm，所述纳米砖的宽度为110nm，所述纳米砖的高度为230nm，所述单元结构的边长为340nm。

本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

在发明中，提出的基于超表面的近场双密钥加密方法，将超表面作为公钥，将入射光的相位分布作为私钥，与传统的近场偏振加密技术相比，其优势在于设计算法简单，设计自由度更高，安全性极强，且双密钥加密模式更加灵活，可广泛的应用于信息加密等领域，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于超表面的近场双密钥加密方法中采用的纳米砖单元的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于超表面的近场双密钥加密方法中采用的纳米砖单元的偏振转换效率示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于超表面的近场双密钥加密方法中公钥图像初始的振幅分布和相位分布图；

图4为本发明实施例提供的一种基于超表面的近场双密钥加密方法中公钥图像记录的振幅分布和相位分布图；

图5为本发明实施例提供的一种基于超表面的近场双密钥加密方法中加密信息初始的振幅分布和相位分布图；

图6为本发明实施例提供的一种基于超表面的近场双密钥加密方法中加密信息记录的振幅分布和相位分布图；

图7为本发明实施例提供的一种基于超表面的近场双密钥加密方法中私钥的振幅分布和相位分布图；

图8为本发明实施例提供的一种基于超表面的近场双密钥加密方法在工作波长入射下仅拥有公钥的示意图；

图9为本发明实施例提供的一种基于超表面的近场双密钥加密方法在工作波长入射下仅拥有私钥的示意图；

图10为本发明实施例提供的一种基于超表面的近场双密钥加密方法在工作波长入射下的工作示意图。

其中，1—纳米砖、2-单元结构。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

超表面作为新兴的光学材料，以其优越的光学性能受到越来越多的关注，表面的微小周期性结构将会改变物体表面的等效折射率，从而实现对光波参数的精细操控。且超表面加工工艺成熟，结构简单，便于复制，是一个用来实现近场双密钥加密技术中公钥的优秀选择。

本实施例提供了一种基于超表面的近场双密钥加密方法，将超表面作为公钥，将入射光的相位分布作为私钥。

所述超表面由基底及在所述基底上设置的纳米砖阵列构成，所述纳米砖阵列包括呈周期性排布的若干个纳米砖；所述纳米砖为亚波长尺寸，所述纳米砖为长方体结构；若干个所述纳米砖的尺寸一致、方向角不同；所述基底的互相垂直的两边分别为X轴和Y轴，所述方向角为所述纳米砖的长轴与X轴的夹角。

所述入射光的强度均匀、振幅相等、相位分布不同，单个相位单元的大小与所述纳米砖阵列的周期大小一致。

所述基于超表面的近场双密钥加密方法包括以下步骤：

步骤1、选择所述入射光的工作波长，优化所述纳米砖的尺寸参数，使得所述工作波长下的入射光入射至所述纳米砖时，所述纳米砖的交叉偏振转化效率最高、同向偏振转化效率最低。

具体的，所述基底划分为若干个尺寸一致的周期性正方形单元结构，每个所述单元结构的工作面上设有一个所述纳米砖。参见图1，一个所述纳米砖1及其对应的所述单元结构2构成一个纳米砖单元。所述纳米砖1的长记为L、宽记为W、高记为H，所述单元结构2的周期大小(边长)为C。所述纳米砖1与所述单元结构2的中心在XOY平面的投影重合。本发明所采用的坐标系，以所述基底的长和宽的方向分别为X轴和Y轴方向，以所述基底的高的方向为Z轴方向，XOY平面即所述基底的上表面所在平面。

所述纳米砖的尺寸参数包括纳米砖的长度、纳米砖的宽度、纳米砖的高度，单元结构的边长。所述纳米砖阵列中，所述纳米砖的数目与公钥的像素数相等，所有的所述纳米砖的尺寸相同，各个所述纳米砖的转角由公钥的相位分布决定。

所述纳米砖的长轴方向和短轴方向的相位延迟为π，且振幅保持一致。即通过优化设计所述纳米砖的结构尺寸大小，使所述纳米砖的长轴和短轴方向相位延迟为π的同时振幅保持一致。所述纳米砖可等效为一个微型的半波片。半波片具有相位调控功能，当一束圆偏光通过一个转角为α电介质纳米砖半波片时，将会受到电介质纳米砖的调制变成旋向相反的圆偏光，并且附加了一个±2α的相位延迟。这就是本发明中超表面的相位调制原理。所述超表面的工作方式为透射或反射(取决于具体的工作性能要求)，工作位置在所述超表面的表面。

所述步骤1相当于选择工作波长，并根据工作波长和半波片的性能需求来优化反射式纳米砖的几何参数。所述工作波长为可见光波段。

所述步骤1可利用现有的电磁仿真软件平台完成。利用电磁仿真工具仿真时，将一束圆偏光垂直入射于所述纳米砖阵列的表面，以所述纳米砖的反射光的转化效率为优化对象，寻找一组交叉偏振转化效率最高、同向偏振转化效率最低的几何参数。所述交叉偏振指左旋圆偏振光转化为右旋圆偏振光或右旋圆偏振光转化为左旋圆偏振光；所述同向偏振指左旋圆偏振光或右旋圆偏振光的旋向不发生变化。

例如，选取可见光波段主波长λ＝633nm为近场双密钥加密技术的工作波长。所述纳米砖采用单晶硅材料制成，所述基底采用氧化铝材料制成。优化后的几何参数为：L＝225nm，W＝110nm，H＝230nm，C＝340nm。该几何参数下，所述纳米砖的宽带响应和偏振转化效率曲线图见图2。所述纳米砖的数目与公钥图像像素数保持一致，即一个所述纳米砖对应着一个公钥图像的像素，例如，可选取公钥图像大小为500*500个像素。

步骤2、根据所述工作波长、选定的公钥图像，计算获得记录所述公钥图像的超表面的相位分布信息。

具体的，所述记录所述公钥图像的超表面的相位分布信息采用以下公式计算得到：

其中，

表示记录公钥图像的超表面的相位分布，A(x,y)表示公钥图像的复振幅分布，R(x,y)表示用于干涉记录的参考光的复振幅分布。

参考光为计算全息的一部分，仅用于记录超表面上的信息。

公钥图像对应的振幅分布和相位分布如图3所示。

可令R(x，y)＝1。其中，a(x,y)为公钥图像的振幅分布，

为公钥图像的相位分布。记录时的公钥图像对应的超表面的相位分布

如图4所示。

步骤3、根据所述纳米砖的尺寸参数、所述记录所述公钥图像的超表面的相位分布信息，确定所述纳米砖阵列中若干个所述纳米砖的方向角排布信息，将若干个所述纳米砖按照所述方向角排布信息在所述基底上进行排布，完成公钥的设计。

具体的，所述纳米砖的方向角为所述记录所述公钥图像的超表面的相位分布中对应单元相位大小的一半。且振幅分布均一。

步骤4、根据所述记录所述公钥图像的超表面的相位分布信息、选定的加密信息，计算获得所述入射光的相位分布信息，完成私钥的设计。

具体的，所述加密信息的相位分布采用以下公式计算得到：

其中，

表示加密信息的相位分布，B(x,y)表示加密信息的复振幅分布，R(x,y)表示用于干涉记录的参考光的复振幅分布。

可令R(x，y)＝1。b(x,y)为加密信息的振幅分布，

为加密信息的相位分布。记录时的公钥图像对应的相位分布

如图6所示。

所述入射光的相位分布信息采用以下公式计算得到：

且入射光的振幅分布均一，如图7所示。

其中，

表示入射光的相位分布，

表示加密信息的相位分布，

表示记录公钥图像的超表面的相位分布。

图8至图10分别是工作波长下分别拥有公钥、私钥以及双密钥的情况示意图。

本发明实施例提供的一种基于超表面的近场双密钥加密方法至少包括如下技术效果：

(1)近场相位加密技术有着比偏振态等其他参数更多的加密通道，加密设计的自由度更高；

(2)超表面和入射光相位分布的双加密技术安全性更高；

(3)公钥和私钥相结合的加密模式更加灵活；

(4)本发明中的相位算法计算简单，不需要多步迭代算法，对计算的要求很低；

(5)本发明中基于超表面的近场双加密模式对于入射光的偏振态不敏感，采用任意偏振光照射均能得到加密信息。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于超表面的近场双密钥加密方法，其特征在于，将在基底上按照方向角排布信息进行排布的纳米砖阵列作为公钥，将入射光的相位分布作为私钥；

超表面由所述基底及在所述基底上设置的所述纳米砖阵列构成，所述纳米砖阵列包括呈周期性排布的若干个纳米砖；所述纳米砖为亚波长尺寸，所述纳米砖为长方体结构；若干个所述纳米砖的尺寸一致、方向角不同；所述基底的互相垂直的两边分别为X轴和Y轴，所述方向角为所述纳米砖的长轴与X轴的夹角；

所述入射光的强度均匀、振幅相等、相位分布不同，单个相位单元的大小与所述纳米砖阵列的周期大小一致；

所述基于超表面的近场双密钥加密方法包括以下步骤：

步骤1、选择所述入射光的工作波长，优化所述纳米砖的尺寸参数，使得所述工作波长下的入射光入射至所述纳米砖时，所述纳米砖的交叉偏振转化效率最高、同向偏振转化效率最低；

步骤2、根据所述工作波长、选定的公钥图像，计算获得记录所述公钥图像的超表面的相位分布信息；

步骤3、根据所述纳米砖的尺寸参数、所述记录所述公钥图像的超表面的相位分布信息，确定所述纳米砖阵列中若干个所述纳米砖的方向角排布信息，将若干个所述纳米砖按照所述方向角排布信息在所述基底上进行排布，完成公钥的设计；

步骤4、根据所述记录所述公钥图像的超表面的相位分布信息、选定的加密信息，计算获得所述入射光的相位分布信息，完成私钥的设计。

2.根据权利要求1所述的基于超表面的近场双密钥加密方法，其特征在于，所述基底划分为若干个尺寸一致的周期性正方形单元结构，每个所述单元结构的工作面上设有一个所述纳米砖；

所述纳米砖的尺寸参数包括纳米砖的长度、纳米砖的宽度、纳米砖的高度，单元结构的边长。

3.根据权利要求1所述的基于超表面的近场双密钥加密方法，其特征在于，所述步骤2中，所述记录所述公钥图像的超表面的相位分布信息采用以下公式计算得到：

其中，

表示记录公钥图像的超表面的相位分布，A(x,y)表示公钥图像的复振幅分布，R(x,y)表示用于干涉记录的参考光的复振幅分布。

4.根据权利要求3所述的基于超表面的近场双密钥加密方法，其特征在于，所述步骤3中，所述纳米砖的方向角为所述记录所述公钥图像的超表面的相位分布中对应单元相位大小的一半。

5.根据权利要求1所述的基于超表面的近场双密钥加密方法，其特征在于，所述步骤4中，所述入射光的相位分布信息采用以下公式计算得到：

其中，

表示入射光的相位分布，

表示加密信息的相位分布，

表示记录公钥图像的超表面的相位分布。

6.根据权利要求5所述的基于超表面的近场双密钥加密方法，其特征在于，所述加密信息的相位分布采用以下公式计算得到：

其中，B(x,y)表示加密信息的复振幅分布，R(x,y)表示用于干涉记录的参考光的复振幅分布。

7.根据权利要求1所述的基于超表面的近场双密钥加密方法，其特征在于，所述纳米砖的长轴方向和短轴方向的相位延迟为π，且振幅保持一致。

8.根据权利要求1所述的基于超表面的近场双密钥加密方法，其特征在于，所述纳米砖的个数与所述公钥图像的像素数相同。

9.根据权利要求1所述的基于超表面的近场双密钥加密方法，其特征在于，所述纳米砖为反射式纳米砖或透射式纳米砖；所述纳米砖采用单晶硅材料制成，所述基底采用氧化铝材料制成。

10.根据权利要求2所述的基于超表面的近场双密钥加密方法，其特征在于，所述工作波长为633nm，所述纳米砖的长度为225nm，所述纳米砖的宽度为110nm，所述纳米砖的高度为230nm，所述单元结构的边长为340nm。

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