CN116165863A - 一种基于超表面光场多维度复用全息的嵌套加密方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超表面光场多维度复用全息的嵌套加密方法，所述加密方法包括以下步骤：用于实现自旋、轨道角动量和偏振矢量复用的全息超表面是由不同椭圆形横截面的二氧化钛椭圆柱阵列组成。本发明基于超表面光场多维度复用全息的嵌套加密方法利用光场的多个维度协同嵌套加密，单次或者未按顺序解密无法获取有用信息，加密的安全性极强。与传统的单维度或者多个维度叠加复用加密技术相比，设计自由度更高，安全性更强，可广泛的应用于信息加密等领域，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于超表面光场多维度复用全息的嵌套加密方法，属于微纳光学应用技术领域。
背景技术
近年来，超表面凭借其独特的相位调制方式成功地在微纳光学中提供了广泛的实际应用，包括光束整形，光学隐身，全息显示和光学加密等。与传统的加密方法相比，光学加密具有多通道、高复杂度的特点，已成为现代信息安全的重要手段之一。基于超表面的光学加密设备具有信息容量大、体积小、多样性和易集成等诸多不可替代的优势，已经成为现代加密技术的重要研究内容之一。
现有的超表面加密技术绝大多数致力于开发光场的各个维度(波长、偏振、振幅、轨道角动量等)，以单一维度复用(譬如偏振复用或轨道角动量复用)的方式实现加密，达到增加信息容量和通道数的目的。此外，通过两个或者多个光场维度复用叠加的方式可以进一步提升加密的容量和安全性。然而，光场的维度是有限的，在未来会很快被开发完。上述加密方式作为一种普通的单密钥或者多密钥组合加密方式，信息安全性处于一个较低的水平。当密文被非法窃取时，在拥有部分先验知识的情况下，加密信息很容易被一些暴力破解的算法攻克。因此研究和开发新的加密方法以进一步提升信息加密的安全性，具有特别深远的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种光场多维度复用超表面全息的嵌套加密方法。
一种基于超表面光场多维度复用全息的嵌套加密方法，所述加密方法包括以下步骤：
S1：用于实现自旋、轨道角动量和偏振矢量复用的全息超表面是由不同椭圆形横截面的二氧化钛椭圆柱阵列组成。利用修正的计算全息图像相位恢复算法生成16个独立通道的相位分布图，其中角动量全息图和矢量全息图各有8个通道，都可以分解为正交圆偏振基下全息图的叠加，结合介质椭圆柱的传输相位和几何相位以及计算的全息图相位实现超表面的排布，通过控制入射光携带的自旋和轨道角动量数目和出射光的偏振态，利用CCD或者其他光电器件在距离超表面特定位置的成像面上可得到对应的全息重建图像；
S2：根据S1确定的超表面结构生成加工文件；
S3：利用S2所得超表面的加工文件，通过二氧化钛镀膜工艺、电子束曝光以及后续的刻蚀手段等微纳加工方法，制备所需的透射型介质超表面；
S4：将加工好的介质超表面实物放置在实验光路中，通过控制入射光携带的自旋和轨道角动量数目和出射光的偏振态，在距离超表面特定位置的成像面上得到对应的全息重建图像；通过改变入射光的角动量可以得到不同的重建图像；通过设定入射光为高斯光，在成像面上提取特定的偏振矢量可以得到不同的重建矢量全息图像，作为示意图此处展示了8个通道，其他通道以省略号代替，当入射光携带特定的自旋和轨道角动量(|σ＝-1,l＝1>，|σ＝-1,l＝2>，|σ＝+1,l＝1>，和|σ＝+1,l＝2>)，在成像面上出现不同的字母图像(XYRL)，当入射光为拓扑荷数为0的高斯光时，在成像面上出现特定的矢量全息数字图像(1234)，对应的偏振态分别为x线偏振，45°线偏振，左旋圆偏振和椭偏；
S5：提供一种具体的嵌套加密实施方案，将需要传输的明文信息编码为矢量全息图像，图像对应的偏振态记为密钥<a,β|，然后对此密钥再次加密并将其编码为角动量全息图像，图像对应的自旋和轨道角动量记为密钥|σ,l>，不同的信息最终编码为同一个超表面(密文)，将次密文和密钥I传输给特定的用户，解密过程经历相反的操作，利用密钥I：|σ,l>获得角动量全息图像，对照密钥编码表获取第二次解密需要的密钥II：<a,β|，再次解密，用户1和用户2可以根据对应的信息编码表获得最初的编码信息。
优选为，所述二氧化钛椭圆柱的折射率为n＝2.28。
优选为，步骤S2中确定二氧化钛椭圆柱的长轴和短轴的变化范围在100nm-350nm。
本发明基于超表面光场多维度复用全息的嵌套加密方法利用光场的多个维度协同嵌套加密，单次或者未按顺序解密无法获取有用信息，加密的安全性极强。与传统的单维度或者多个维度叠加复用加密技术相比，设计自由度更高，安全性更强，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为本发明基于超表面光场多维度复用全息的嵌套加密方法涉及的加密和解密过程示意图。
图2为本发明基于超表面光场多维度复用全息的嵌套加密方法中超表面单元结构示意图及传输特性图。
图3为本发明基于超表面光场多维度复用全息的嵌套加密方法的超表面光场多维度复用全息在不同入射光时展示的角动量全息图像和矢量全息图像。
图4为本发明基于超表面光场多维度复用全息的嵌套加密方法嵌套加密方法同时传输多组信息的具体嵌套加密及解密过程示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，基于超表面光场多维度复用全息的嵌套加密方法，在635nm波长的激光照射下对出射光束的相位进行调控，加密方法包括以下步骤：
步骤一：用于实现自旋、轨道角动量和偏振矢量复用的全息超表面是由不同椭圆形横截面的二氧化钛椭圆柱阵列组成。利用修正的计算全息图像相位恢复(GS)算法生成16个独立通道的相位分布图，其中角动量全息图和矢量全息图各有8个通道，都可以分解为正交圆偏振基(左旋圆偏振和右旋圆偏振)下全息图的叠加。结合介质椭圆柱的传输相位和几何相位以及计算的全息图相位实现超表面的排布。通过控制入射光携带的自旋和轨道角动量数目和出射光的偏振态，利用CCD或者其他光电器件在距离超表面特定位置的成像面上可得到对应的全息重建图像。椭圆柱几何尺寸包括高度h，长轴a，短轴b，面内旋转角度θ以及超表面结构单元的周期P。
基于有限时域差分方法确定二氧化钛椭圆柱的高度h，全息超表面单元的周期P，扫描二氧化钛椭圆柱的长轴a和短轴b。针对入射波长635nm，实施例所用二氧化钛椭圆柱的折射率为n＝2.28。通过参数扫描得到沿x轴和y轴方向的线偏振光分别通过不同尺寸二氧化钛椭圆柱的传输特性，由所得的电场结果得到不同尺寸二氧化钛椭圆柱后的相位分别为φx和φy,并且使相位可以覆盖0～2π的范围，同时透射强度Tx和Ty应尽量大。根据先前计算的16个全息图的复用相位逐个像素寻找满足条件的超表面单元，至此超表面结构排布及结构尺寸确定。
步骤二：如图2所示，根据步骤一确定的超表面结构生成加工文件。确定二氧化钛椭圆柱的长轴和短轴的变化范围在100nm-350nm，。
步骤三：利用步骤二所得超表面的加工文件，通过二氧化钛镀膜工艺、电子束曝光以及后续的刻蚀手段等微纳加工方法，制备所需的透射型介质超表面。
步骤四：将加工好的介质超表面实物放置在实验光路中，通过控制入射光携带的自旋和轨道角动量数目和出射光的偏振态，在距离超表面特定位置的成像面上得到对应的全息重建图像；通过改变入射光的角动量可以得到不同的重建图像；通过设定入射光为高斯光，在成像面上提取特定的偏振矢量可以得到不同的重建矢量全息图像。如图3所示，作为示意图此处展示了8个通道，其他通道以省略号代替。当入射光携带特定的自旋和轨道角动量(|σ＝-1,l＝1>，|σ＝-1,l＝2>，|σ＝+1,l＝1>，和|σ＝+1,l＝2>)，在成像面上出现不同的字母图像(XYRL)。当入射光为拓扑荷数为0的高斯光时，在成像面上出现特定的矢量全息数字图像(1234)，对应的偏振态分别为x线偏振，45°线偏振，左旋圆偏振和椭偏。
步骤五：提供一种具体的嵌套加密实施方案，图4为本发明超表面光场多维度复用全息的嵌套加密方法加密和解密过程实施图。将需要传输的明文信息(“YES”和“HUN”)编码为矢量全息图像，图像对应的偏振态记为密钥<a,β|，然后对此密钥再次加密并将其编码为角动量全息图像，图像对应的自旋和轨道角动量记为密钥|σ,l>。不同的信息最终编码为同一个超表面(密文)，将次密文和密钥I传输给特定的用户。解密过程经历相反的操作，利用密钥I：|σ,l>获得角动量全息图像，对照密钥编码表获取第二次解密需要的密钥II：<a,β|，再次解密，用户1和用户2可以根据对应的信息编码表获得最初的编码信息(“YES”和“HUN”)。
本发明基于超表面光场多维度复用全息的嵌套加密方法利用光场的多个维度协同嵌套加密，单次或者未按顺序解密无法获取有用信息，加密的安全性极强。与传统的单维度或者多个维度叠加复用加密技术相比，设计自由度更高，安全性更强，可广泛的应用于信息加密等领域，具有广阔的应用前景。
最后应说明的是：以上实施例仅说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (3)
1.一种基于超表面光场多维度复用全息的嵌套加密方法，其特征在于，所述加密方法包括以下步骤：
S1：用于实现自旋、轨道角动量和偏振矢量复用的全息超表面是由不同椭圆形横截面的二氧化钛椭圆柱阵列组成，利用修正的计算全息图像相位恢复算法生成16个独立通道的相位分布图，其中角动量全息图和矢量全息图各有8个通道，分解为正交圆偏振基下全息图的叠加，结合介质椭圆柱的传输相位和几何相位以及计算的全息图相位实现超表面的排布，通过控制入射光携带的自旋和轨道角动量数目和出射光的偏振态，利用CCD或者其他光电器件在距离超表面特定位置的成像面上得到对应的全息重建图像；
S2：根据S1确定的超表面结构生成加工文件；
S3：利用S2所得超表面的加工文件，通过二氧化钛镀膜工艺、电子束曝光以及刻蚀手段微纳加工，制备所需的透射型介质超表面；
S4：将加工好的介质超表面实物放置在实验光路中，通过控制入射光携带的自旋和轨道角动量数目和出射光的偏振态，在距离超表面特定位置的成像面上得到对应的全息重建图像；通过改变入射光的角动量得到不同的重建图像；通过设定入射光为高斯光，在成像面上提取特定的偏振矢量得到不同的重建矢量全息图像，当入射光携带特定的自旋和轨道角动量，在成像面上出现不同的字母图像，当入射光为拓扑荷数为0的高斯光时，在成像面上出现特定的矢量全息数字图像，对应的偏振态分别为x线偏振，45°线偏振，左旋圆偏振和椭偏；
S5：提供一种具体的嵌套加密实施方案，将需要传输的明文信息编码为矢量全息图像，图像对应的偏振态记为密钥<a,β|，然后对此密钥再次加密并将其编码为角动量全息图像，图像对应的自旋和轨道角动量记为密钥|σ,l>，不同的信息最终编码为同一个超表面即密文，将密文和密钥I传输给特定的用户，解密过程经历相反的操作，利用密钥I：|σ,l>获得角动量全息图像，对照密钥编码表获取第二次解密需要的密钥II：<a,β|，再次解密，用户1和用户2根据对应的信息编码表获得最初的编码信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于超表面光场多维度复用全息的嵌套加密方法，其特征在于，所述二氧化钛椭圆柱的折射率为n＝2.28。
3.根据权利要求1所述的一种基于超表面光场多维度复用全息的嵌套加密方法，其特征在于，步骤S2中确定二氧化钛椭圆柱的长轴和短轴的变化范围在100nm-350nm。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant |