CN112882369B - 基于级联超颖表面全息术的光学秘密共享方法 - Google Patents
基于级联超颖表面全息术的光学秘密共享方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于级联超颖表面全息术的光学秘密共享方法,属于微纳光学、全息显示、加密与防伪、信息安全应用技术领域。本发明使用一种迭代的梯度下降优化算法获得多张超颖表面全息图的相位分布,并将其通过沉积、光刻、剥离和蚀刻等过程用非晶硅纳米棒天线编码于不同的玻璃基底上。使用该方法进行秘密共享时,只有作为密钥的超颖表面全息图数量齐全且正确堆叠时,加密信息才能够在对应的偏振信道中被读取。该种级联超颖表面系统加密信道多,信息容量大,安全性高,能够应用于需要隐藏保密数据的信息安全,全息显示,加密和防伪等领域,具有极大的发展潜力。
Description
技术领域
本发明涉及一种秘密共享方法,尤其涉及一种基于级联超颖表面全息术的光学秘密共享方法,属于微纳光学、全息显示、加密与防伪、信息安全应用技术领域。
背景技术
近年来,为了确保信息安全,保护涉密的数据或资料不被窃取和篡改,信息加密技术获得了大量关注和快速发展,被广泛应用于个人信息安全、身份认证、知识产权保护、产品安全认证等相关领域。由Adi Shamir和George Blakley在1979年发明的秘密共享技术是一种将秘密分散存储的信息加密技术,它解决了在多个秘密持有者之间拆分加密信息的密码学任务。采用这一方法,只有当足够多的秘密持有者将自身所拥有的信息组合在一起时,才能获得最终的共享加密信息。这样一来,单一秘密持有者的腐败和背叛行为造成的信息泄露和破坏就不会透露任何有关共享加密信息的线索,能够达到分散风险和容忍入侵的目的,是信息安全和数据保密中的重要手段。另一方面,光学全息技术已成为一种重要的加密防伪手段,广泛应用于信息安全领域。在现有的全息技术中,与超颖表面相结合的超颖表面全息技术是一个重要的发展方向,利用超颖表面的超小像素、宽带特性,能够克服传统全息技术所面临的带宽窄、视场角小、存在多级衍射级次串扰、零级背景光和孪生像等挑战。作为信息的载体,超颖表面能够以相位和振幅空间分布的形式密集地存储并加密光学信息,且具有面积小,隐蔽,难以仿制,防伪信道多,信息容量大等诸多优势,可作为数据存储、模式识别、信息处理和光学加密的平台,有望在防伪溯源体系、身份证、银行卡、人民币、文物及收藏品鉴定、医学药品认证以及其他军用、民用信息安全领域发挥关键作用。
然而,到目前为止,超颖表面加密防伪技术通常使用的都是单层解决方案,只能通过设计并排布超颖表面上的纳米结构来将加密信息置于不同的信息通道中,而不允许在多个秘密持有者之间物理拆分加密信息。若能使用级联超颖表面实现秘密共享技术,则能够将加密信息拆分,并实现其物理分离和分散存储。但是,现有的级联超颖表面布局通常用于实现新功能或提高已有超颖表面光学元件的性能,如高波长选择性、多光谱变焦超透镜、非对称传输全息图以及圆偏振滤波器等等。
目前,几乎没有使用多级联超颖表面进行信息共享的尝试,更无法在每张超颖表面全息图都对应彼此独立的再现像的同时,实现两组超颖表面全息图之间的交叉组合信息加密。这些缺陷大大限制了级联超颖表面布局在加密防伪和信息安全等领域的实际应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于级联超颖表面全息术的光学秘密共享方法,该方法能够利用多张超颖表面全息图作为密钥将加密信息拆分,并实现加密信息在多个秘密持有者之间的物理分离和分散存储。每张超颖表面全息图都对应一个彼此独立的再现像作为自身的唯一标识符,同时,当两张超颖表面全息图相隔预设距离进行堆叠时,整个级联超颖表面系统能够产生一个不同于组成其的两张单层超颖表面全息图所对应再现像的全新的再现像。该方法可以实现两组超颖表面全息图之间的交叉组合信息加密,用一组M张超颖表面全息图和另一组N张超颖表面全息图分散存储M×N个加密信息。该方法还能够借助不同种类的纳米天线来实现不同的相位调制原理,以此引入偏振复用功能,只用一个超颖表面,即能够使用x偏振和y偏振,或者左/右旋圆偏振两个信息通道同时记录两张相互独立的全息图,且这两张全息图均可作为密钥参与秘密共享。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的:
基于级联超颖表面全息术的光学秘密共享方法,包括如下步骤:
步骤一、使用一种迭代的梯度下降优化算法,高效且直接地获得自身对应一个再现像的同时,存储被物理拆分的加密信息,在秘密共享时作为密钥的多张超颖表面全息图的相位分布。
所述的迭代的梯度下降优化算法的具体步骤为:
1)根据需求将多张超颖表面全息图分为A组和B组,A组中有i张图,B组中有j张图;计算每张超颖表面全息图所对应的再现像;将所述再现像与目标图像进行对比,计算得到i+j个均方误差;
2)通过穷举法将步骤一所得的A组和B组的多张超颖表面全息图进行级联;计算级联后的相位分布所对应的再现像;将所述再现像与目标图像进行对比,计算得到i*j个均方误差;
3)将i+j个均方误差与i*j个均方误差求和,得到总误差;
4)通过步骤3)所得总误差得到梯度:所述梯度为总误差对A、B两组超颖表面全息图的相位分布的导数;
5)依据步骤4)所得梯度,基于Adam(adaptive moment estimation)梯度下降优化算法对A、B两组超颖表面全息图的相位分布进行更新;
6)重复步骤1)到步骤5),进行多次迭代,在迭代优化过程中不断更新超颖表面全息图的相位分布,确保最终将梯度收敛至局部最优,找到一组使总误差最小的超颖表面全息图的相位分布。
步骤二、通过介质纳米天线编码步骤一所得的超颖表面全息图的相位分布。
所述编码能够通过不同的相位调制原理实现。
其一是使用几何相位调制原理,具体方法为:使用反旋圆偏振透射率较高的介质纳米天线,根据目标光场的空间相位分布决定超颖表面中各个位置的介质纳米天线的不同面内方位角。基于几何相位独特的手性选择性的相位调控特性,当左/右旋圆偏入射光入射到方位角为θ的介质纳米天线上时,能够对右/左旋圆偏振出射光形成大小为±2θ的相互共轭的相位调制,其中“+”或“-”是由入射光和出射光的具体偏振态组合(左旋/右旋,右旋/左旋)决定的。
其二是使用传播相位调制原理,通过改变介质纳米天线的长和宽,在确保透射率足够高的同时给予x偏振光和y偏振光能够覆盖0到2π的相位调制范围。因为x偏振光和y偏振光的相位调制是相互独立的,所以所述的传播相位调制原理可以用于超颖表面的偏振复用,即用一个超颖表面通过x偏振和y偏振两个信息通道同时记录两张相互独立的全息图。
其三是将几何相位调制原理和传播相位调制原理相结合,使用反旋圆偏振透射率较高,同时自身尺寸变化引入的传播相位针对反旋圆偏振信道能够覆盖0到2π的多种不同尺寸的介质纳米天线充当微纳半波片,通过前述介质纳米天线不同的面内方位角和不同的结构尺寸同时使用几何相位和传播相位调制原理对出射的反旋圆偏振光的相位分布进行调制。由于引入了传播相位,此时左/右旋圆偏振出射光的相位调制将不再是共轭的,而可以彼此独立调控,故该方法也可以用于超颖表面的偏振复用,即用一个超颖表面通过左/右旋圆偏振两个信息通道同时记录两张相互独立的全息图。
步骤三、通过沉积、光刻、剥离和蚀刻等过程将非晶硅纳米棒天线构成的多张全介质超颖表面全息图加工在不同的玻璃基底上。所述的多张全介质超颖表面全息图均可以通过透镜在远场重建出彼此独立的再现像;也可以作为秘密共享的密钥相互交叉组合,以预设距离进行堆叠,组成级联超颖表面系统,产生一个不同于组成其的两张单层超颖表面全息图所对应再现像的全新的再现像,即重新再现出了被物理拆分的加密信息,实现了基于级联超颖表面全息术的光学秘密共享。
步骤二所述的介质纳米天线为非晶硅纳米棒天线。
所述的非晶硅纳米棒天线的形状和尺寸通过严格耦合波分析法(RCWA)或时域有限差分法(FDTD)确定。
有益效果:
1、本发明公开的基于级联超颖表面全息术的光学秘密共享方法能够在多个秘密持有者之间物理拆分加密信息,将超颖表面全息图作为密钥实现秘密共享。在每张超颖表面全息图都对应一个彼此独立的再现像作为自身的唯一标识符的同时,当两张超颖表面全息图相隔预设距离进行堆叠时,整个级联超颖表面系统能够产生一个不同于组成其的两张单层超颖表面全息图所对应再现像的全新的再现像。也就是说,单层超颖表面全息图的再现像与级联超颖表面系统对应的再现像完全无关,二者之间没有泄露或串扰,单个秘密持有者无法通过自身所携带的密钥获得与他人共享的加密信息,只有当作为密钥的超颖表面全息图数量齐全且正确堆叠时,加密信息才能够被读取。利用这一特性,该种全介质超颖表面能够应用于需要隐藏保密数据的信息安全,加密和防伪等领域;
2、本发明公开的基于级联超颖表面全息术的光学秘密共享方法可以实现两组超颖表面全息图之间的交叉组合信息加密,用一组M张超颖表面全息图和另一组N张超颖表面全息图分散存储M×N个加密信息。这大大增加了超颖表面的信息容量和信息密度,也在秘密共享时为加密信息的物理分离和分散存储提供了极高的自由度和安全性;
3、本发明公开的基于级联超颖表面全息术的光学秘密共享方法可以通过设计不同种类的介质纳米天线来实现不同的相位调制原理,并以此引入偏振复用功能。只用一个超颖表面,即可通过x偏振和y偏振,或者左/右旋圆偏振两个信息通道同时记录两张相互独立的全息图,且这两张全息图均可作为密钥参与秘密共享。这进一步增加了超颖表面的信息容量和信息密度,也为秘密共享提供了额外的自由度和安全性;
4、本发明公开的基于级联超颖表面全息术的光学秘密共享方法使用了一种基于Adam优化算法的梯度下降优化算法,该算法可以在优化过程中调整学习率,确保将梯度收敛至局部最优。
附图说明
图1为本发明公开的基于级联超颖表面全息术的光学秘密共享方法的流程图;
图2为本发明公开的基于级联超颖表面全息术的光学秘密共享方法所使用的梯度下降优化算法的流程图;
图3为实施例1和实施例2所使用的用于观察全息图再现像的实验装置示意图;
图4为实施例1所加工出的用于秘密共享的超颖表面样品的功能示意图,单层超颖表面全息图实验再现出的再现像,以及由A、B两组单层超颖表面全息图交叉组合而成的级联超颖表面系统实验再现出的再现像;图(a)为分为A、B两组的超颖表面全息图的功能示意图,每张超颖表面全息图在自身对应一个再现像的同时,能够与另一组超颖表面全息图中的每一张构成级联超颖表面系统,再现出一个全新的再现像;图(b)为A、B两组单层超颖表面全息图实验再现出的再现像;图(c)为由A、B两组单层超颖表面全息图交叉组合而成的级联超颖表面系统实验再现出的再现像;
图5为实施例2中使用的三种不同的介质纳米天线的介绍图;图(a)为偏振无关超颖表面中,使用传播相位调制原理的各向同性介质纳米天线;图(b)为线偏振光偏振复用超颖表面中,使用传播相位调制原理的无旋转的各向异性介质纳米天线;图(c)为圆偏振光偏振复用超颖表面中,将传播相位调制原理和几何相位调制原理相结合的,具有不同面内方位角和不同结构尺寸的充当微纳半波片的介质纳米天线;
图6为实施例2所设计出的用于秘密共享的偏振复用级联超颖表面系统的仿真再现像。图(a)为A组中的偏振无关超颖表面全息图的仿真再现像;图(b)为B组中的偏振复用超颖表面全息图的仿真再现像,其中甲为线偏振光偏振复用超颖表面全息图,乙为圆偏振光偏振复用超颖表面全息图;图(c)为由A、B两组单层超颖表面全息图交叉组合而成的偏振复用级联超颖表面系统的仿真再现像。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点,下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1
基于级联超颖表面全息术的光学秘密共享方法实现两组超颖表面全息图之间的交叉组合信息加密,用一组2张超颖表面全息图和另一组3张超颖表面全息图分散存储6个加密信息。
如图1所示,本实施例包括如下步骤:
步骤一:使用一种迭代的梯度下降优化算法,高效且直接地获得自身对应一个再现像的同时,还存储了被物理拆分的加密信息,在秘密共享时作为密钥的多张超颖表面全息图的相位分布。
该实施例共需要5张超颖表面全息图,其中2张属于A组,3张属于B组,各自对应一个彼此独立的目标图像。将A组中的超颖表面全息图和B组中的超颖表面全息图进行交叉组合,共可获得6种不同的级联超颖表面系统,它们同样各自对应一个彼此独立的目标图像,即被分散存储的6个共享加密信息。
使用的迭代的梯度下降优化算法的流程图如图2所示,其具体步骤如下:
1)将5张超颖表面全息图分为A组和B组,A组中有2张图,B组中有3张图;计算每张超颖表面全息图所对应的再现像;将所述再现像与目标图像进行对比,计算得到5个均方误差;
2)通过穷举法将步骤一所得的A、B两组超颖表面全息图进行级联;计算级联后的相位分布所对应的再现像;将所述再现像与目标图像进行对比,计算得到6个均方误差;
3)将总共5+6=11个均方误差求和,得到总误差;
4)通过步骤3)所得总误差得到梯度:所述梯度为总误差对A、B两组超颖表面全息图的相位分布的导数;
5)依据步骤4)所得梯度,基于Adam(adaptive moment estimation)梯度下降优化算法对A、B两组超颖表面全息图的相位分布进行更新;
6)重复步骤1)到步骤5),进行多次迭代,在迭代优化过程中不断更新超颖表面全息图的相位分布,确保最终将梯度收敛至局部最优,找到一组使总误差最小的超颖表面全息图的相位分布。
上述计算过程是一个用显式公式计算的前向过程,其中两个超颖表面之间100微米间隔层的传播使用角谱理论进行模拟,而每张超颖表面全息图以及所有交叉组合产生的级联超颖表面系统对应的全息再现像则通过FFT,即快速傅里叶变换计算得到。
步骤二:采用严格耦合波分析法或时域有限差分法设计组成超颖表面全息图的介质纳米天线。
通过基于严格耦合波分析法和时域有限差分法进行的一系列仿真模拟,选取了非晶硅纳米棒天线作为全介质超颖表面全息图的基本组成单元,使用几何相位调制原理来编码超颖表面全息图的相位分布。
在结构设计过程中,非晶硅纳米棒天线的高度固定为600纳米,x和y方向上的周期固定为500纳米,工作波长设置为800纳米,而后在此条件下以5纳米的步长在70纳米到300纳米的范围内扫描了非晶硅纳米棒天线的长度和宽度。由于使用了几何相位调制原理,故应选择在工作波长下具有高反旋圆偏振透射率和低同旋圆偏振透射率的结构尺寸。考虑到制作精度和结构性能的平衡,该实施例选择了长度为190纳米,宽度为130纳米非晶硅纳米棒天线。
步骤三:通过沉积、光刻、剥离和蚀刻等过程将非晶硅纳米棒天线构成的多张全介质超颖表面全息图加工在不同的玻璃基底上。
该实施例将A组的2张超颖表面全息图加工在一个玻璃基底上,将B组的3张超颖表面全息图加工在另一个玻璃基底上。
其具体实现方法包括如下步骤:
1)通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD),制备600纳米厚的非晶硅薄膜。随后,将聚甲基丙烯酸甲酯抗蚀剂层旋涂于非晶硅薄膜上,并在加热板上以170℃烘烤2分钟以去除溶剂;
2)用标准电子束光刻法制作出所需的结构,随后在1:3的MIBK:IPA溶液中显影样品,并用IPA洗涤,之后通过电子束蒸发涂覆20纳米厚的铬层;
3)在热丙酮中完成剥离过程;
4)利用电感耦合等离子体反应离子刻蚀(ICP-RIE)将所需的结构从铬转换为硅,最后使用标准湿法蚀刻工艺去除残余的铬掩模。
根据设计,实施例所加工出的全介质超颖表面全息图样品的尺寸为400微米×400微米,包含80×80个像素,像素尺寸为5微米,每个像素由一个10×10的非晶硅纳米棒天线阵列组成,其栅格周期为500纳米。每个非晶硅纳米棒天线的长度为190纳米,宽度为130纳米。选择较大的像素尺寸是为了便于在实验中将级联堆叠的超颖表面对齐。
为了实验验证实施例所加工的全介质超颖表面全息图样品,及其作为秘密共享的密钥相隔预设距离堆叠而成的级联超颖表面系统的光学特性,需使用图3所展示的实验装置对加工出的全介质超颖表面进行实验验证。该实施例加工的样品使用几何相位调制原理实现相位调制,故需要在样品前后分别放置一个线偏振片和四分之一波片的组合,用以选择入射光与透射光所需的圆偏振状态,满足几何相位调制原理独特的手性选择性。样品后方放置了一个显微物镜和一个透镜用以对超颖表面进行放大和成像。由于重建出的全息再现像位于k空间中,需要再放置一个透镜以便用CCD照相机观察傅里叶平面。
实验结果如图4所示,图4(a)为分为A、B两组的超颖表面全息图的功能示意图,每张超颖表面全息图在自身对应一个再现像的同时,能够与另一组超颖表面全息图中的每一张构成级联超颖表面系统,再现出一个全新的再现像;图4(b)为A、B两组单层超颖表面全息图实验再现出的5个不同的再现像;图4(c)为由A、B两组单层超颖表面全息图交叉组合而成的级联超颖表面系统实验再现出的6个不同的再现像,即被分散存储的6个共享加密信息。
综上所述,本实施例提供了一种基于级联超颖表面全息术的光学秘密共享方法,该方法能够利用多张超颖表面全息图作为密钥将加密信息拆分,并实现加密信息在多个秘密持有者之间的物理分离和分散存储。每张超颖表面全息图都对应一个彼此独立的再现像作为自身的唯一标识符,同时,当两张超颖表面全息图相隔预设距离进行堆叠时,整个级联超颖表面系统能够产生一个不同于组成其的两张单层超颖表面全息图所对应再现像的全新的再现像。单层超颖表面全息图的再现像与级联超颖表面系统对应的再现像完全无关,二者之间没有泄露或串扰,单个秘密持有者无法通过自身所携带的密钥获得与他人共享的加密信息,只有当作为密钥的超颖表面全息图数量齐全且正确堆叠时,加密信息才能够被读取。利用这一特性,该种全介质超颖表面能够应用于需要隐藏保密数据的数据存储,信息安全,全息显示,加密和防伪等领域。
实施例2
设计不同种类的介质纳米天线用以构建偏振复用超颖表面,依靠偏振复用增加超颖表面的信息容量和信息密度。将偏振复用超颖表面应用于基于级联超颖表面系统的光学秘密共享方法中,能够为其提供额外的自由度和安全性。
如图1所示,本实施例包括如下步骤:
步骤一:使用一种迭代的梯度下降优化算法,高效且直接地获得自身对应一个再现像的同时,还存储了被物理拆分的加密信息,在秘密共享时作为密钥的多张超颖表面全息图的相位分布。
该实施例共需要5张全息图,其中1张属于A组,4张属于B组,各自对应一个彼此独立的目标图像。将A组中的1张全息图和B组中的4张全息图分别组合,4种组合方式同样各自对应一个彼此独立的目标图像,即被分散存储的4个共享加密信息。
使用的迭代的梯度下降优化算法的流程图如图2所示,其具体步骤如下:
1)将5张超颖表面全息图分为A组和B组,A组中有1张图,B组中有4张图;计算每张超颖表面全息图所对应的再现像;将所述再现像与目标图像进行对比,计算得到5个均方误差;
2)通过穷举法将步骤一所得的A、B两组超颖表面全息图进行级联;计算级联后的相位分布所对应的再现像;将所述再现像与目标图像进行对比,计算得到4个均方误差;
3)将总共5+4=9个均方误差求和,得到总误差;
4)通过步骤3)所得总误差得到梯度:所述梯度为总误差对A、B两组超颖表面全息图的相位分布的导数;
5)依据步骤4)所得梯度,基于Adam(adaptive moment estimation)梯度下降优化算法对A、B两组超颖表面全息图的相位分布进行更新;
6)重复步骤1)到步骤5),进行多次迭代,在迭代优化过程中不断更新超颖表面全息图的相位分布,确保最终将梯度收敛至局部最优,找到一组使总误差最小的超颖表面全息图的相位分布。
上述计算过程是一个用显式公式计算的前向过程,其中两个超颖表面之间100微米间隔层的传播使用角谱理论进行模拟,而每张超颖表面全息图以及所有交叉组合产生的级联超颖表面系统对应的全息再现像则通过FFT,即快速傅里叶变换计算得到。
步骤二:采用严格耦合波分析法或时域有限差分法设计组成超颖表面全息图的介质纳米天线。
通过基于严格耦合波分析法和时域有限差分法进行的一系列仿真模拟,选取了非晶硅纳米棒天线作为上述三个全介质超颖表面的基本组成单元。在结构设计过程中,非晶硅纳米棒天线的高度固定为600纳米,x和y方向上的周期固定为500纳米,工作波长设置为800纳米。而后在此条件下以5纳米的步长在70纳米到300纳米的范围内扫描了非晶硅纳米棒天线的长度和宽度,获得其在不同结构尺寸情况下针对各种偏振信道的透射振幅和透射相位,并以此为基础根据全息图的目标相位分布进行结构挑选。
如图5所示,该实施例中,A组中的1张全息图由单个偏振无关的超颖表面组成,使用正方形截面的各向同性非晶硅纳米棒天线;B组中的4张全息图则分为两组,每组包含两张全息图,分别由甲乙两个偏振复用超颖表面组成。偏振复用超颖表面甲,利用矩形截面的各向异性非晶硅纳米棒天线实现线偏振光的偏振复用,使用传播相位调制原理,通过x偏振和y偏振两个信息通道分别记录两张相互独立的全息图;偏振复用超颖表面乙,利用多种不同尺寸的非晶硅纳米棒天线充当微纳半波片实现圆偏振光的偏振复用,通过其不同的面内方位角和不同的结构尺寸同时使用几何相位和传播相位调制原理对出射的反旋圆偏振光的相位分布进行调制,用左/右旋圆偏振两个信息通道同时记录两张相互独立的全息图。
步骤三:通过沉积、光刻、剥离和蚀刻等过程将非晶硅纳米棒天线构成的多张全介质超颖表面全息图加工在不同的玻璃基底上。
该实施例将A组的一个偏振无关超颖表面加工在一个玻璃基底上,将B组的两个偏振复用超颖表面加工在另一个玻璃基底上。
其具体实现方法与实施例1中类似,加工出的全介质超颖表面全息图样品的尺寸为400微米×400微米,包含80×80个像素,像素尺寸为5微米,每个像素由一个10×10的非晶硅纳米棒天线阵列组成,其栅格周期为500纳米。选择较大的像素尺寸是为了便于在实验中将级联堆叠的超颖表面对齐。
为了实验验证实施例所加工的全介质超颖表面全息图样品,及其作为秘密共享的密钥相互交叉组合,相隔预设距离堆叠而成的偏振复用级联超颖表面系统的光学特性,需使用与图3所展示的实验装置类似的实验装置。当A组的偏振无关超颖表面与B组中的超颖表面甲,即线偏振光偏振复用超颖表面级联时,需要在样品前后分别放置一个线偏振片,用以选择入射光与透射光所需的x偏振状态或y偏振状态;当A组的偏振无关超颖表面与B组中的超颖表面乙,即圆偏振光偏振复用超颖表面级联时,需要在样品前后分别放置一个线偏振片和四分之一波片的组合,用以选择入射光与透射光所需的圆偏振状态。样品后方放置了一个显微物镜和一个透镜用以对超颖表面进行放大和成像。由于重建出的全息再现像位于k空间中,需要再放置一个透镜以便用CCD照相机观察傅里叶平面。
图6展示了该实施例所设计出的用于秘密共享的偏振复用级联超颖表面系统的仿真再现像。图(a)为A组中的偏振无关超颖表面全息图的仿真再现像;图(b)为B组中的偏振复用超颖表面全息图的仿真再现像,其中甲为线偏振光偏振复用超颖表面全息图,乙为圆偏振光偏振复用超颖表面全息图;图(c)为由A、B两组单层超颖表面全息图交叉组合而成的偏振复用级联超颖表面系统的仿真再现像。
综上所述,本实施例提供了一种通过设计不同种类的介质纳米天线来实现不同的相位调制原理,并以此将偏振复用功能引入级联超颖表面全息图系统之中的方法,进一步增加了超颖表面的信息容量和信息密度,也为秘密共享提供了额外的自由度和安全性。
以上所述的具体描述,对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.基于级联超颖表面全息术的光学秘密共享方法,其特征在于:包括如下步骤:
步骤一、使用迭代的梯度下降优化算法,高效且直接地获得自身对应一个再现像的同时,存储被物理拆分的加密信息,在秘密共享时作为密钥的多张超颖表面全息图的相位分布;
所述的迭代的梯度下降优化算法的具体步骤为:
1)根据需求将多张超颖表面全息图分为A组和B组,A组中有i张图,B组中有j张图;计算每张超颖表面全息图所对应的再现像;将所述再现像与目标图像进行对比,计算得到i+j个均方误差;
2)通过穷举法将步骤一所得的A组和B组的多张超颖表面全息图进行级联;计算级联后的相位分布所对应的再现像;将所述再现像与目标图像进行对比,计算得到i*j个均方误差;
3)将i+j个均方误差与i*j个均方误差求和,得到总误差;
4)通过步骤3)所得总误差得到梯度:所述梯度为总误差对A、B两组超颖表面全息图的相位分布的导数;
5)依据步骤4)所得梯度,基于Adam梯度下降优化算法对A、B两组超颖表面全息图的相位分布进行更新;
6)重复步骤1)到步骤5),进行多次迭代,在迭代优化过程中不断更新超颖表面全息图的相位分布,确保最终将梯度收敛至局部最优,找到一组使总误差最小的超颖表面全息图的相位分布;
步骤二、通过介质纳米天线编码步骤一所得的超颖表面全息图的相位分布;
步骤三、通过沉积、光刻、剥离和蚀刻将非晶硅纳米棒天线构成的多张全介质超颖表面全息图加工在不同的玻璃基底上;所述的多张全介质超颖表面全息图均能够通过透镜在远场重建出彼此独立的再现像;也能够作为秘密共享的密钥相互交叉组合,以预设距离进行堆叠,组成级联超颖表面系统,产生一个不同于组成其的两张单层超颖表面全息图所对应再现像的全新的再现像,即重新再现出了被物理拆分的加密信息,实现了基于级联超颖表面全息术的光学秘密共享。
2.如权利要求1所述的基于级联超颖表面全息术的光学秘密共享方法,其特征在于:步骤二具体实现方式为:是使用几何相位调制原理,具体方法为:使用反旋圆偏振透射率较高的介质纳米天线,根据目标光场的空间相位分布决定超颖表面中各个位置的介质纳米天线的不同面内方位角;基于几何相位独特的手性选择性的相位调控特性,当左/右旋圆偏入射光入射到方位角为θ的介质纳米天线上时,能够对右/左旋圆偏振出射光形成大小为±2θ的相互共轭的相位调制,其中“+”或“-”是由入射光和出射光的具体偏振态组合决定的。
3.如权利要求1所述的基于级联超颖表面全息术的光学秘密共享方法,其特征在于:步骤二具体实现方式为:使用传播相位调制原理,通过改变介质纳米天线的长和宽,在确保透射率足够高的同时给予x偏振光和y偏振光能够覆盖0到2π的相位调制范围;因为x偏振光和y偏振光的相位调制是相互独立的,所以所述的传播相位调制原理能够用于超颖表面的偏振复用,即用一个超颖表面通过x偏振和y偏振两个信息通道同时记录两张相互独立的全息图。
4.如权利要求1所述的基于级联超颖表面全息术的光学秘密共享方法,其特征在于:步骤二具体实现方式为:将几何相位调制原理和传播相位调制原理相结合,使用反旋圆偏振透射率较高,同时自身尺寸变化引入的传播相位针对反旋圆偏振信道能够覆盖0到2π的多种不同尺寸的介质纳米天线充当微纳半波片,通过前述介质纳米天线不同的面内方位角和不同的结构尺寸同时使用几何相位和传播相位调制原理对出射的反旋圆偏振光的相位分布进行调制;由于引入了传播相位,此时左/右旋圆偏振出射光的相位调制将不再是共轭的,而能够彼此独立调控,故该方法也能够用于超颖表面的偏振复用,即用一个超颖表面通过左/右旋圆偏振两个信息通道同时记录两张相互独立的全息图。
5.如权利要求1所述的基于级联超颖表面全息术的光学秘密共享方法,其特征在于:步骤二所述的介质纳米天线为非晶硅纳米棒天线。
6.如权利要求5所述的基于级联超颖表面全息术的光学秘密共享方法,其特征在于:所述的非晶硅纳米棒天线的形状和尺寸通过严格耦合波分析法或时域有限差分法确定。
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