CN114217514A - 基于迂回相位和共振相位杂化超构表面的信息加密方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于迂回相位和共振相位杂化超构表面的信息加密方法，包含以下步骤：步骤一，选定目标图像，并获取其相位分布；步骤二，设计超构表面单元结构；步骤三，构造共振相位梯度，筛选工作波长λ1处的单元结构组；步骤四，在步骤三中获得的单元结构组中筛选工作波长λ2处仅存在‑1级衍射的单元结构；步骤五，优化相邻单元间距，构造迂回相位；步骤六，超构表面全息设计；步骤七，电磁波以不同的入射波长、偏振及入射角度入射至超构表面，在不同出射方向上得到不同的目标图像，实现光学信息的加密。本发明在不同的波长、偏振及入射角度下分别引入共振相位和迂回相位，提高基于超构表面的光学信息加密技术的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及微纳光学技术领域，具体涉及一种基于迂回相位和共振相位杂化超构表面的信息加密方法。
背景技术
超构表面是一种由亚波长单元结构组成的二维人工复合结构，通过与电磁波相互作用，可对电磁波的多个光学参数进行灵活有效的调控，比如振幅、偏振、相位、波长等。基于多维度的光场调控，超构表面为光学信息加密、隐藏、编码等技术提供了一个全新的平台。
与传统的光学信息加密技术相比，基于超构表面全息图像的光学信息加密技术具有高像素、设计灵活、易集成、可精密调控等特点。在基于超构表面的光学信息加密技术中，加密的安全性至关重要。超表面全息技术虽然可容纳多个光学信息，但光学信息加密密钥的安全性有待提高。
发明内容
针对基于超表面全息技术的光学信息加密密钥安全性低的技术问题，本发明提出一种基于迂回相位和共振相位杂化超构表面的信息加密方法，通过在不同入射条件下引入共振相位和迂回相位，设计包含有入射角度、偏振、波长、出射角度的多维密钥，提高基于超构表面全息图像的光学信息加密技术的安全性。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种基于迂回相位和共振相位杂化超构表面的信息加密方法，包括如下步骤：
步骤一：选定目标图像，并获取目标图像的相位分布；
步骤二：设计超构表面的单元结构，使超构表面在宽波段范围内实现-1级衍射，并确定单元结构的最优结构厚度以及电磁波的最优入射角度；
步骤三：构造0~2π的共振相位梯度，筛选出在工作波长λ 1处且垂直入射情况下的不同反射共振相位所对应的单元结构组；
步骤四：对每一个单元结构组进行再次筛选，使超构表面在工作波长λ 2处且斜入射情况下仅存在-1级衍射光，并将筛选出的单元结构构建为单元集合；
步骤五：优化相邻单元结构之间的间距，使-1级衍射光所携带的共振相位和迂回相位之和覆盖0~2π范围；
步骤六：基于目标图像的相位分布，获取单元集合中每个单元结构的排布方式以及相邻单元结构的间距排布方式，实现对超构表面的全息设计；
步骤七：将电磁波以选定的工作波长、偏振方向及入射角度入射至超构表面，在超构表面不同的出射方向上得到不同的目标图像，从而实现具有多重密钥的光学信息隐藏和加密。
所述目标图像包括目标图像一和目标图像二，利用G-S算法，确定目标图像一和目标图像二的相位分布。
所述超构表面的单元结构包括从上往下依次设置的金属纳米棒、介质层和金属层，其中，金属层的厚度需要足够厚，以保证入射电磁波的透射率为零，实现反射式超构表面；利用电磁仿真软件对金属纳米棒、介质层的结构厚度以及电磁波的斜入射角度进行扫描，得到金属纳米棒的最优结构厚度、介质层的最优结构厚度以及最优的斜入射角度。
所述超构表面单元结构中的金属纳米棒和金属层的制成材料包括金、银、铝、铬、铂、铜及其中任意两种或多种材料组合，介质层的制成材料包括二氧化硅、二氧化钛、氧化锌及其中任意两种或多种材料组合。
所述步骤三中筛选单元结构组的方法为：选取工作波长为λ 1的线偏振光（偏振方向沿着纳米棒的短轴方向）垂直入射至超构表面上，利用电磁仿真软件对金属纳米棒的结构参数进行扫描，获得不同结构参数下的反射共振相位及反射率，筛选出在工作波长λ 1处反射共振相位分别为2πi/N的N组单元结构组，其中i和N均为非负整数，0≤i＜N。
所述步骤四中筛选单元结构的方法为：选取工作波长为λ 2的正交线偏振光（偏振方向沿着纳米棒的长轴方向）以最优的斜入射角度照射至超构表面上，利用电磁仿真软件对步骤三中得到的N组单元结构组中的单元结构进行模拟，从每一组单元结构组中分别筛选出一个在工作波长λ 2处仅存在-1级衍射光的超构表面单元结构，从而获得由N个不同尺寸单元结构组成的单元集合，并得到N个不同尺寸单元结构在工作波长λ 2处且斜入射时所对应的共振相位。
所述步骤五中相邻单元结构之间的间距与迂回相位的关系为：φ = 2πp/p 0，其中，p为相邻单元结构间的间距，p 0 为超构表面的周期长度；通过改变相邻单元结构之间的间距，使得-1级衍射光的共振相位和迂回相位之和实现0~2π的覆盖。
所述步骤六中获取单元集合中每个单元结构排布方式的方法为：将工作波长为λ 1的线偏振光垂直入射至超构表面上，其工作相位为共振相位，基于目标图像一的相位排布，获得单元集合中每个单元的排布方式；获取相邻单元结构的间距排布方式的方法为：将工作波长为λ 2的正交线偏振光以最优的斜入射角度照射至超构表面上，其工作相位由迂回相位和共振相位共同构成，基于目标图像二的相位排布，平移单元结构，获得相邻单元结构的间距排布方式。
所述步骤七中，当工作波长为λ 1的线偏振光垂直入射至超构表面上时，将在超构表面的垂直出射方向上得到目标图像一；当工作波长为λ 2的正交线偏振光以最优的斜入射角度照射至超构表面上时，将在超构表面的斜出射方向上得到目标图像二，从而实现光学信息的隐藏和加密。
本发明提供了一种全新的、有效的且安全的光学信息加密方法，其有益效果为：
1、本发明利用超构表面在不同入射、出射条件下的相位排布不同，实现了基于共振相位和迂回相位杂化的光学信息加密。当电磁波垂直入射且沿着纳米棒的短轴线性偏振（工作波长为λ 1）时，出射光以反射光为主，此时共振相位工作，反射的全息图像为目标图像一；当电磁波斜入射且沿着纳米棒的长轴线性偏振（工作波长为λ 2）时，出射光以-1级衍射光为主，此时迂回相位和共振相位同时工作，衍射的全息图像为目标图像二。因此，需要同时知道入射光的波长、偏振方向、入射角度及出射光的出射角度等信息，方可获得目标图像，从而实现了具有多维加密密钥的光学信息加密。
2、本发明提出的光学信息加密方法简单、有效且可靠。
3、本发明提出的光学信息加密方法是基于超构表面实现的，因此相应的加密器件具有设计灵活、工艺成熟、尺寸小、易于集成等优势。
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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为目标图像的相位分布，其中（a）为目标图像一的相位分布，（b）为目标图像二的相位分布；
图2为本发明超构表面的单元结构的示意图；
图3为本发明单元结构的侧视图及入射角度标注；
图4为本发明选定的四个单元结构以最优斜入射角度斜入射时的衍射效率，其中R0为0级衍射效率、R-1为-1级衍射效率；
图5为本发明迂回相位与相邻单元结构间距的关系曲线图；
图6为本发明基于迂回相位和共振相位杂化超构表面的信息加密方法的示意图。
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付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。
本发明提供了一种基于迂回相位和共振相位杂化超构表面的信息加密方法，通过在不同入射条件下引入共振相位和迂回相位，设计包含有入射角度、偏振、波长、出射角度的多维密钥，提高基于超构表面全息图像的光学信息加密。
本发明具体包括以下步骤：
步骤一：选定目标图像，并获取目标图像的相位分布。本实施例中选定两个目标图像，包括目标图像一和目标图像二，其中目标图像一为字母“A”图案，目标图像二为字母“B”图案。然后利用G-S算法，基于傅里叶变换，获得两个目标图像的相位分布，如图1所示。
步骤二：设计超构表面的单元结构，使超构表面在较宽波段范围内仅存在-1级衍射级次。本实施例中，如图2所示，选定“金属纳米棒-介质层-金属层（MIM）”结构为超构表面的单元结构，即从上往下依次设置为金属纳米棒、介质层和金属层，其中，金属纳米棒和金属层的材料可选用：金、银、铝、铬、铂、铜以及其中任意两种或多种的组合等；介质材料可选用：二氧化硅、氧化锌、氧化钛以及其中任意两种或多种的组合等。本实施例中金属材料选为Al，介质选为ZnO。相应的结构参数分别表示为：P x = 450 nm，为x方向的周期长度；P y =300 nm，为y方向的周期长度；t 1 表示顶层金属纳米棒结构厚度；t 2 表示介质层结构厚度； t 3 =150nm，为底层金属层结构厚度。且优选为底层金属层结构厚度t 3 足够厚，以保证入射光的透射率为零，实现反射式超构表面。沿着y方向偏振的线偏振光斜入射至超构表面上，斜入射角度θ如图3所示。利用电磁仿真软件对金属纳米棒、介质层的结构厚度以及电磁波的斜入射角度进行扫描，以获得最优的结构厚度t 1 、 t 2 以及斜入射角度θ，使得超构表面在较宽波段范围内仅存在-1级衍射级次。经过优化扫描，得到金属纳米棒的最优结构厚度为t 1 =80nm、介质层的最优结构厚度为t 2 =80nm、最优的斜入射角度为θ= 45°。
步骤三：构造0~2π的共振相位梯度，即优化超构表面的顶层金属纳米棒的结构参数，以实现0~2π的共振相位覆盖。然后筛选出梯度范围内在工作波长λ 1处不同反射共振相位所对应的单元结构组，具体方法为：首先，选取工作波长为λ 1=710nm，以沿着x方向偏振的线偏振光（偏振方向沿着纳米棒的短轴方向）垂直入射至超构表面上；其次，利用电磁仿真软件对顶层金属纳米棒的结构参数（包括长度l x 及宽度l y ）进行扫描，获得不同结构参数下的共振相位及反射率；最后，筛选出在工作波长λ 1=710nm处反射共振相位覆盖0~2π的若干组单元结构组，具体为筛选出反射共振相位分别为0、π/2、π、3π/2的四组单元结构组，每组单元结构组均具有高反射率。
步骤四：对步骤三中获得的四组单元结构组进行进一步的筛选，筛选出每一组单元结构组中使得超构表面在工作波长λ 2处仅存在-1级衍射光的单元结构。具体筛选方法为：首先，选取工作波长为λ 2=633nm的正交线偏振光（偏振方向沿着纳米棒的长轴方向）以最优的斜入射角度θ= 45°照射至超构表面上，即以沿着y方向偏振的线偏振光作为入射电磁波；其次，利用电磁仿真软件对步骤三中得到的四组单元结构组中的单元结构进行模拟仿真；最后，从每一组单元结构组中分别筛选出在工作波长λ 2=633nm处仅存在-1级衍射光的超构表面结构参数，从而获得由四个不同尺寸单元结构组成的单元集合，这四个不同尺寸的单元结构所对应的长度l x 和宽度l y 分别为：150nm和220nm、50nm和250nm、90nm和250nm、100nm和245nm，相应的-1级和0级衍射效率如图4所示。由图4可知，筛选出的四个单元结构在工作波长λ 2=633nm处仅存在-1级衍射光，且0级衍射光几乎为零。并且，得到这四个单元结构在工作波长λ 2处且以最优角度斜入射时所对应的共振相位分别为0.09 rad、0.47rad、0 rad、0.13rad。
进一步地，为了保证目标图像的高效性，超构表面在工作波长λ 1垂直入射时获得的反射率和在工作波长λ 2斜入射时获得的-1级衍射效率需要进行权衡。
步骤五：优化单元集合中相邻单元结构的相对位移，使得电磁波斜入射时四个单元结构的相位可实现0~2π的相位覆盖。基于步骤四，电磁波以最优斜入射角度入射时，超构表面-1级衍射光同时携带共振相位和迂回相位，即-1级衍射光携带的总相位为迂回相位和共振相位之和。如图5所示，迂回相位与相邻单元结构间距的关系为：φ = 2πp/p 0 ，其中，p是相邻单元结构的间距，p 0 = p x 为超构表面沿x轴方向的周期长度。通过改变相邻两个单元结构之间的间距，使得超构表面-1级衍射光的共振相位和迂回相位之和分别0、π/2、π、3π/2。
步骤六：基于超构表面的全息设计。一方面，考虑工作波长为λ 1的电磁波沿x方向偏振且垂直入射至超构表面上的情况，工作相位为共振相位，基于目标图像一的相位排布，获得单元集合中每个单元结构的排布方式；另一方面，考虑工作波长为λ 2的电磁波沿y方向偏振且斜入射至超构表面上的情况，其相位由迂回相位和共振相位共同构成，基于目标图像二的相位排布，将单元结构进行平移，获得相邻单元结构的间距排布方式，从而实现对超构表面的全息设计。
步骤七：获得光学信息加密器件。将电磁波以选定的工作波长、偏振方向及入射角度照射至超构表面，在超构表面不同的出射方向上观察到不同的目标图像，即所设计的光学信息加密器件需要同时知道入射光的波长、偏振方向、入射角度以及出射光的出射角度等，方可获得目标图像，因此，基于波长、偏振、入射角度、出射角度等多重密钥，所设计的杂化超表面实现了光学信息的隐藏和加密。具体如图6所示，当工作波长为λ 1且沿x轴偏振的电磁波垂直入射至超构表面时，将在超构表面的垂直出射方向上观察到字母“A”图案；当工作波长为λ 2且沿y轴偏振的电磁波以最优斜入射角度θ入射至超构表面时，将在超构表面的44.5°斜出射的方向上观察到字母“B”图案，从而实现了具有多重加密密钥的光学信息加密。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于迂回相位和共振相位杂化超构表面的信息加密方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：选定目标图像，并获取目标图像的相位分布；
步骤二：设计超构表面的单元结构，使超构表面在宽波段范围内实现-1级衍射，并确定单元结构的最优结构厚度以及电磁波的最优入射角度；
步骤三：构造0~2π的共振相位梯度，筛选出在工作波长λ 1处且垂直入射情况下的不同反射共振相位所对应的单元结构组；
步骤四：对每一个单元结构组进行再次筛选，使超构表面在工作波长λ 2处且斜入射情况下仅存在-1级衍射光，并将筛选出的单元结构构建为单元集合；
步骤五：优化相邻单元结构之间的间距，使-1级衍射光所携带的共振相位和迂回相位之和覆盖0~2π范围；
步骤六：基于目标图像的相位分布，获取单元集合中每个单元结构的排布方式以及相邻单元结构的间距排布方式，实现对超构表面的全息设计；
步骤七：将电磁波以选定的工作波长、偏振方向及入射角度入射至超构表面，在超构表面不同的出射方向上得到不同的目标图像，从而实现具有多重密钥的光学信息隐藏和加密。
2.根据权利要求1所述的基于迂回相位和共振相位杂化超构表面的信息加密方法，其特征在于，所述目标图像包括目标图像一和目标图像二，利用G-S算法，确定目标图像一和目标图像二的相位分布。
3.根据权利要求1或2所述的基于迂回相位和共振相位杂化超构表面的信息加密方法，其特征在于，所述超构表面的单元结构包括从上往下依次设置的金属纳米棒、介质层和金属层，利用电磁仿真软件对金属纳米棒、介质层的结构厚度以及电磁波的斜入射角度进行扫描，得到金属纳米棒的最优结构厚度、介质层的最优结构厚度以及最优的斜入射角度。
4.根据权利要求3所述的基于迂回相位和共振相位杂化超构表面的信息加密方法，其特征在于，所述超构表面单元结构中的金属纳米棒和金属层的制成材料包括金、银、铝、铬、铂、铜及其中任意两种或多种材料组合，介质层的制成材料包括二氧化硅、二氧化钛、氧化锌及其中任意两种或多种材料组合。
5.根据权利要求4所述的基于迂回相位和共振相位杂化超构表面的信息加密方法，其特征在于，所述步骤三中筛选单元结构组的方法为：选取工作波长为λ 1的线偏振光垂直入射至超构表面上，利用电磁仿真软件对金属纳米棒的结构参数进行扫描，获得不同结构参数下的反射共振相位及反射率，筛选出在工作波长λ 1处反射共振相位分别为2πi/N的N组单元结构组，其中i和N均为非负整数，0≤i＜N。
6.根据权利要求5所述的基于迂回相位和共振相位杂化超构表面的信息加密方法，其特征在于，所述步骤四中筛选单元结构的方法为：选取工作波长为λ 2的正交线偏振光以最优的斜入射角度照射至超构表面上，利用电磁仿真软件对步骤三中得到的N组单元结构组中的单元结构进行模拟，从每一组单元结构组中分别筛选出一个在工作波长λ 2处仅存在-1级衍射光的超构表面单元结构，从而获得由N个不同尺寸单元结构组成的单元集合，并得到N个不同尺寸单元结构在工作波长λ 2处且斜入射时所对应的共振相位。
7.根据权利要求6所述的基于迂回相位和共振相位杂化超构表面的信息加密方法，其特征在于，所述步骤五中相邻单元结构之间的间距与迂回相位的关系为：φ = 2πp/p 0，其中，p为相邻单元结构间的间距，p 0 为超构表面的周期长度；通过改变相邻单元结构之间的间距，使得-1级衍射光的共振相位和迂回相位之和实现0~2π的覆盖。
8.根据权利要求2或7所述的基于迂回相位和共振相位杂化超构表面的信息加密方法，其特征在于，所述步骤六中获取单元集合中每个单元结构排布方式的方法为：将工作波长为λ 1的线偏振光垂直入射至超构表面上，其工作相位为共振相位，基于目标图像一的相位排布，获得单元集合中每个单元的排布方式；获取相邻单元结构的间距排布方式的方法为：将工作波长为λ 2的正交线偏振光以最优的斜入射角度照射至超构表面上，其工作相位由迂回相位和共振相位共同构成，基于目标图像二的相位排布，平移单元结构，获得相邻单元结构的间距排布方式。
9.根据权利要求8所述的基于迂回相位和共振相位杂化超构表面的信息加密方法，其特征在于，所述步骤七中，当工作波长为λ 1的线偏振光垂直入射至超构表面上时，将在超构表面的垂直出射方向上得到目标图像一；当工作波长为λ 2的正交线偏振光以最优的斜入射角度照射至超构表面上时，将在超构表面的斜出射方向上得到目标图像二，从而实现光学信息的隐藏和加密。
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