CN115327677B - 一种实现偏振信息加密的矢量超表面及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种实现偏振信息加密的矢量超表面及设计方法，涉及微纳光学技术和信息光学技术领域。所述矢量超表面由基底和刻蚀在基底上的纳米结构阵列构成；所述纳米结构阵列在线偏振光入射条件下，可对其正交圆偏振分量的振幅与相位进行同时且独立的调控，进而通过正交圆偏振基矢的叠加实现任意偏振态的产生。通过巧妙地构建出射光场的偏振分布函数，能够将多个图像信息加密到空间非均匀分布的偏振结构中，并且出射光场的强度保持杂乱或均匀分布。本发明提供了一种新的图像加密的方法，可应用于加密显示、高端防伪等领域。
Description
技术领域
本发明属于微纳光学技术、信息光学技术领域，涉及一种实现偏振信息加密的矢量超表面及设计方法。
背景技术
信息化时代的到来，为现代通信技术的发展带来了极大的机遇与挑战，为了防止隐私信息的泄露与盗用，加密技术的改进与转型成为必然。相比于传统的加密手段，光学加密系统具有高速、并行处理、多自由度等优势。通常，光学加密是通过对光的基本属性进行调控，将图像信息加密至不可识别的视觉效果中，达到信息保护的目的。
近年来，超表面由于其平面化的结构、可对光场振幅、相位和偏振等参量进行灵活调控的优势备受关注，现已被广泛应用于光学的各个领域，如微纳光学元件、特殊光场生成、全息显示与成像等。利用超表面可多自由度调控光场的特性并设计有效的加密方案，可以显著提高光学加密的安全性和信息密度。目前基于超表面的加密都是通过将信息直接加载到光场的不同偏振分量(通道)上，如将加密图像编码至水平、竖直以及45°线偏振态上，通过偏振滤波直接获得不同加密图像[Light:Science&Applications 2018,7(1),95]；以及通过复振幅调控将待加密图像编码至一对非正交线偏振态上[Adv.Mater.2021,33(43),2103472]。这样的加密方案易通过暴力破解，在设计灵活性、信息安全性以及信息密度等方面还有待提高。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种实现偏振信息加密的矢量超表面及设计方法，旨在解决现有超表面加密方案中存在的设计不灵活、信息安全性低、信息密度低等问题。将多个不同的待加密图像编码至空间非均匀分布的偏振结构中，结合具有产生任意偏振态功能的超表面，在远场显示强度杂乱或均匀分布的全息图像，所述全息图像通过偏振分析的解密方法，可提取出不同的图像信息。
技术方案
一种实现偏振信息加密的矢量超表面，其特征在于包括基底和刻蚀在基底上的单层纳米结构阵列；所述纳米结构阵列采用多个周期性排布的四原子结构，每个四原子结构为2×2的纳米结构，且纳米结构为各向异性结构，具有相同高度，不同长、短轴尺寸以及方位角，其中方位角为纳米结构的长轴与X轴之间的夹角；所述纳米结构的方位角θ与其对沿长、短轴方向的偏振光的相位调制量满足：/>其中，/>为所述纳米结构分别对右、左旋圆偏振光的预设相位调制。
所述纳米结构的横截面形状为几何图形，尺寸为亚波长尺度。
所述基底采用透明材料，包括但不限于石英玻璃或蓝宝石。
所述纳米结构采用低损耗电介质材料，包括但不限于硅或二氧化钛。
所述纳米结构的几何图形包括但不限于长方形或椭圆形。
所述每个纳米结构周期基底的单元边长为P，四原子结构采用周期性排布组成单层纳米结构阵列，每个四原子结构周期基底的单元边长为2P。
入射光为线偏振。
一种所述实现偏振信息加密的矢量超表面的设计方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将三张待加密图像编码至斯托克斯参量S1、S2、S3中，或经穆勒矩阵调制的斯托克斯参量S1、S2、S3；
步骤2：根据斯托克斯参量S1、S2、S3计算光场偏振分布；
步骤3：根据偏振分布计算光场左、右旋偏振分量的复振幅；
步骤4：根据左、右旋偏振分量的复振幅得到所述纳米结构的方位角θ与其对沿长、短轴方向的偏振光的相位调制量
步骤5：根据纳米结构方位角θ及相位调制量设计超表面。
一种所述实现偏振信息加密的矢量超表面的设计方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将两张待加密图像编码至斯托克斯斯托克斯参量的方位角、椭圆度中。
步骤2：根据斯托克斯参量的方位角、椭圆度计算S1、S2、S3；
步骤3：根据斯托克斯参量S1、S2、S3计算光场偏振分布；
步骤4：根据偏振分布计算光场左、右旋偏振分量的复振幅；
步骤5：根据左、右旋偏振分量的复振幅得到所述纳米结构的方位角θ与其对沿长、短轴方向的偏振光的相位调制量
步骤6：根据纳米结构方位角θ及相位调制量设计超表面。
所述纳米结构的几何图形尺寸由待加密图像决定。
按照上述技术方案，当线偏振光入射所述矢量超表面时，其振幅、相位以及偏振态均被调制后出射，通过设计所述四原子结构、所述纳米结构阵列，可以使具有空间非均匀分布的偏振结构在远场显示为强度杂乱或均匀分布的全息图像。
按照上述技术方案，对于远场显示的全息图像，通过偏振分析的解密方法，如通过强度测量法测量斯托克斯参量，或基于测量得到的斯托克斯参量进行数值运算等方法，可以从强度杂乱或均匀分布的全息图像中提取出加密图像。
有益效果
本发明提出的一种实现偏振信息加密的矢量超表面及设计方法，涉及微纳光学技术和信息光学技术领域。所述矢量超表面由基底和刻蚀在基底上的纳米结构阵列构成；所述纳米结构阵列在线偏振光入射条件下，可对其正交圆偏振分量的振幅与相位进行同时且独立的调控，进而通过正交圆偏振基矢的叠加实现任意偏振态的产生。通过巧妙地构建出射光场的偏振分布函数，能够将多个图像信息加密到空间非均匀分布的偏振结构中，并且出射光场的强度保持杂乱或均匀分布。本发明提供了一种新的图像加密的方法，可应用于加密显示、高端防伪等领域。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明的单层电介质纳米结构、四原子结构、基底周期均为亚波长量级，具有平面化、小型化、轻量化、易加工的优点，具备工业化生产、可系统集成的潜力。
(2)本发明提出的可实现偏振信息加密的矢量超表面，通过将待加密图像信息编码至空间分均匀分布的偏振结构中，在远场显示为具有杂乱或均匀强度分布的全息图像，可利用特定的偏振分析方法进行提取。
(3)本发明提出的可实现偏振信息加密的矢量超表面，可以将多个待加密图像编码至一个全息图像中，具有较高的信息密度；同时，全息图像具有杂乱或均匀的强度分布，无法直接识别信息，有效地提高了加密的安全性。
(4)本发明的提出的可实现偏振信息加密的矢量超表面，可通过合理的设计扩展到加密显示、高端防伪等领域。
附图说明
图1为实施例中电介质纳米结构以及四原子结构的示意图，1为多晶硅纳米柱，2为石英玻璃基底；
图2为实施例中加密图像重建示意图，入射的水平线偏振光Ein|H>经超表面调制后在远场显示全息图像；
图2(b)、(c)、(d)分别为实施例1、2、3中加密方案示意图；
图3为实施例1中将三幅待加密图像编码至斯托克斯参量中的实验结果图；
图3(a)为待加密原始图像以及解密远场全息图像得到的解密图像；
图3(b)为实验测量得到的远场全息图像的总强度分布和各偏振分量强度分布；IT、IH、IV、IA、ID、IR、IL分别为总强度、水平线偏振分量强度、竖直线偏振分量强度、45°线偏振分量强度、135°线偏振分量强度、右旋圆偏振分量强度、左旋圆偏振分量强度分布；
图4为实施例2中将三幅待加密图像编码至经穆勒矩阵调制的斯托克斯参量中的实验结果图；
图4(a)为待加密原始图像以及解密远场全息图像得到的解密图像；
图4(b)为实验测量得到的远场全息图像的总强度分布和各偏振分量强度分布；IT、IH、IV、IA、ID、IR、IL分别为总强度、水平线偏振分量强度、竖直线偏振分量强度、45°线偏振分量强度、135°线偏振分量强度、右旋圆偏振分量强度、左旋圆偏振分量强度分布；
图5为实施例3中将两幅待加密图像编码至基于斯托克斯参量的方位角、椭圆度中的实验结果图；
图5(a)为待加密原始图像以及解密远场全息图像得到的解密图像；
图5(b)为实验测量得到的远场全息图像的总强度分布和各偏振分量强度分布；IT、IH、IV、IA、ID、IR、IL分别为总强度、水平线偏振分量强度、竖直线偏振分量强度、45°线偏振分量强度、135°线偏振分量强度、右旋圆偏振分量强度、左旋圆偏振分量强度分布。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：提供一种可实现偏振信息加密的矢量超表面，将多个不同的待加密图像编码至空间非均匀分布的偏振结构中，结合具有产生任意偏振态功能的超表面，在远场显示强度杂乱或均匀分布的全息图像，所述全息图像通过偏振分析的解密方法，可提取出不同的图像信息。
按照上述技术方案，所述矢量超表面由基底和刻蚀在基底上的单层纳米结构阵列组成；所述基底采用透明材料，如石英玻璃、蓝宝石等；所述纳米结构采用低损耗电介质材料，如硅、二氧化钛等。
具体的，所述纳米结构为各向异性结构，具有相同高度，不同长、短轴尺寸以及方位角；所述纳米结构其横截面形状为几何图形，例如长方形，椭圆形；所述纳米结构的尺寸为亚波长尺度，所述方位角为纳米结构的长轴与X轴之间的夹角。
具体的，所述纳米结构在长、短轴方向上具有相同的透射率系数；所述纳米结构的方位角(θ)与其对沿长、短轴方向的偏振光的相位调制量满足：
其中，为所述纳米结构分别对右、左旋圆偏振光的预设相位调制作用。
具体的，所述纳米结构以2×2的正方形晶格形式组成四原子结构；所述四原子结构中正对角线上两个纳米结构相同，命名为“N1”，反对角线上两个纳米结构相同，命名为“N2”。
具体的，所述纳米结构采用周期性排布组成所述四原子结构，每个纳米结构周期基底的单元边长为P；所述四原子结构采用周期性排布组成单层纳米结构阵列，每个四原子结构周期基底的单元边长为2P。
具体的，所述纳米结构“N1”，“N2”在线偏振入射条件下对所述线偏振入射光中两正交圆偏振分量的作用表示为：当琼斯矢量为[1 0]T的线偏振光通过纳米结构时，出射光的琼斯矢量为
出射场中具有相同偏振态的分量在干涉后产生振幅与相位同时且独立调控的正交圆偏振分量：
通过设计两个正交圆偏振分量的复振幅，可以实现光场振幅、相位以及偏振态的同时调控，进而实现任意偏振态的产生：
为凸显本发明的发明目的、特征、优点，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，所描述的实施例仅为本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域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。
本发明提出的可实现偏振信息加密的矢量超表面，包括基底和单层纳米结构阵列。纳米结构为各向异性结构，其横截面为几何图形，例如长方形、椭圆形。基底采用透明材料，例如玻璃、蓝宝石等；纳米结构采用低损耗电介质材料例如硅、氧化钛等。
以下实施例均以工作波长λ＝633nm，横截面为长方形的多晶硅纳米柱为例。如图1所示，超表面结构包含两个部分，1为多晶硅纳米柱，2为石英玻璃基底。超表面的纳米结构在基底上采用周期性排布，周期为P＝450nm；纳米结构以2×2的形式组成四原子结构，四原子结构采用周期性排布组成单层电介质超表面，周期为2P＝900nm；纳米结构的高度均为H＝550nm。
以下实施例采用如图2(a)所示的示意图进行加密图像的重建，入射的具有均匀强度分布的水平线偏振光Ein|H>(Ein＝1)通过超表面调制后，经远场衍射将全息图像投影至一白屏，并通过相机拍摄采集。
实施例1
本实施例提供一种可实现偏振信息加密的矢量超表面，三幅待加密图像被编码至斯托克斯参量中。首先，如图3(a)所示的三幅待加密图像的灰度值分布被转换至[-1,1]，本实施例中采用线性转换的方式，即(2X/255-1)，其中X表示图像的原始灰度值。随后，将编码至斯托克斯参量S1、S2、S3上的信息按照下式的关系转换为电场分量的振幅与相位差分布：
S2＝2AHAVcos(δHV)。
S3＝2AHAVsin(δHV)
其中，AH、AV、δHV分别为水平偏振分量振幅、竖直偏振分量振幅、水平和竖直偏振分量的相位差。进一步，将上式获得的电场分量振幅与相位差分布转换为右旋圆偏振和左旋圆偏振分量的复振幅分布。最后，利用本发明提出的矢量超表面对该正交圆偏振分量的复振幅分布进行再现。
图3是本发明提出的基于本设计方法的偏振信息加密方案的实验实现，三幅待加密图像被编码至斯托克斯参量S1、S2、S3中。图3(a)是待加密原始图像以及解密远场全息图像得到的解密图像。图3(b)是实验测量得到的远场全息图像的总强度分布和各偏振分量强度分布，其总强度(IT)呈杂乱分布。
实施例2
本实施例提供一种可实现偏振信息加密的矢量超表面，三幅待加密图像被编码至经穆勒矩阵调制的斯托克斯参量中。穆勒矩阵的调制过程可表示为
其中，M(θ)表示4×4的穆勒矩阵。本实施例中，采用5×5像素化的四分之一波片和二分之一波片级联构成的穆勒矩阵，并且在每个像素内，波片的方向随机分布。编码过程为在实施例1的基础上利用上式对斯托克斯参量进行调制。
图4是本发明提出的基于本设计方法的偏振信息加密方案的实验实现，三幅待加密图像被编码至经穆勒矩阵调制斯托克斯参量S1、S2、S3中。图4(a)是待加密原始图像以及解密远场全息图像得到的解密图像，可以看出待加密图像经穆勒矩阵调制后其强度信息已重新分布。图4(b)是实验测量得到的远场全息图像的总强度分布和各偏振分量强度分布，其总强度(IT)呈杂乱分布。
实施例3
本实施例提供一种可实现偏振信息加密的矢量超表面，两幅待加密图像编码被至基于斯托克斯参量的方位角、椭圆度中。方位角(ψ)、椭圆度(χ)与斯托克斯参量的关系可表示为
从上式可以看出，在实施例1的基础上，待加密图像信息可以被进一步加密。
图5是本发明提出的基于本设计方法的偏振信息加密方案的实验实现，两幅待加密图像被编码至基于斯托克斯参量的方位角、椭圆度中。图5(a)是待加密原始图像以及解密远场全息图像得到的解密图像。图5(b)是实验测量得到的远场全息图像的总强度分布和各偏振分量强度分布，其总强度(IT)呈均匀分布。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何在本发明的精神实质与原理之内，所做的任何修改、替换、改进、组合、简化等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种实现偏振信息加密的矢量超表面的设计方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将三张待加密图像编码至斯托克斯参量S1、S2、S3中；
步骤2：根据斯托克斯参量S1、S2、S3算光场偏振分布；
步骤3：根据偏振分布计算光场左、右旋偏振分量的复振幅；
步骤4：根据左、右旋偏振分量的复振幅得到纳米结构的方位角θ与其对沿长、短轴方向的偏振光的相位调制量
步骤5：根据纳米结构方位角θ及相位调制量设计超表面；
所述纳米结构的几何图形尺寸由待加密图像决定；
所述实现偏振信息加密的矢量超表面包括基底和刻蚀在基底上的单层纳米结构阵列；所述纳米结构阵列采用多个周期性排布的四原子结构，每个四原子结构为2×2的纳米结构，且纳米结构为各向异性结构，具有相同高度，不同长、短轴尺寸以及方位角，其中方位角为纳米结构的长轴与X轴之间的夹角；所述纳米结构的方位角θ与其对沿长、短轴方向的偏振光的相位调制量满足：/>其中，为所述纳米结构分别对右、左旋圆偏振光的预设相位调制。
2.根据权利要求1所述实现偏振信息加密的矢量超表面的设计方法，其特征在于：所述纳米结构的横截面形状为几何图形，尺寸为亚波长尺度。
3.根据权利要求1所述实现偏振信息加密的矢量超表面的设计方法，其特征在于：所述基底采用透明材料。
4.根据权利要求3所述实现偏振信息加密的矢量超表面的设计方法，其特征在于：所述透明材料为石英玻璃或蓝宝石。
5.根据权利要求1所述实现偏振信息加密的矢量超表面的设计方法，其特征在于：所述纳米结构采用低损耗电介质材料。
6.根据权利要求5所述实现偏振信息加密的矢量超表面的设计方法，其特征在于：所述低损耗电介质材料为硅或二氧化钛。
7.根据权利要求1所述实现偏振信息加密的矢量超表面的设计方法，其特征在于：所述纳米结构的几何图形包括长方形或椭圆形。
8.根据权利要求1所述实现偏振信息加密的矢量超表面的设计方法，其特征在于：所述每个纳米结构周期基底的单元边长为P，四原子结构采用周期性排布组成单层纳米结构阵列，每个四原子结构周期基底的单元边长为2P。
9.根据权利要求1所述实现偏振信息加密的矢量超表面的设计方法，其特征在于：入射光为线偏振。
10.一种权利要求1所述实现偏振信息加密的矢量超表面的设计方法的另一种设计方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将两张待加密图像编码至斯托克斯斯托克斯参量的方位角、椭圆度中；
步骤2：根据斯托克斯参量的方位角、椭圆度计算S1、S2、S3；
步骤3：根据斯托克斯参量S1、S2、S3计算光场偏振分布；
步骤4：根据偏振分布计算光场左、右旋偏振分量的复振幅；
步骤5：根据左、右旋偏振分量的复振幅得到纳米结构的方位角θ与其对沿长、短轴方向的偏振光的相位调制量
步骤6：根据纳米结构方位角θ及相位调制量设计超表面；
所述纳米结构的几何图形尺寸由待加密图像决定。
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