撰稿人：鄧子嵐、涂清安

超構(gòu)表面的一個重要應(yīng)用是信息隱藏技術(shù)，主要體現(xiàn)身份證、貨幣、信息卡等信息安全領(lǐng)域的信息加密與防偽功能。受馬呂斯定律啟發(fā)，一幅圖像的強度信息可以間接地通過光波的偏振態(tài)來實行編碼。通過這種方式，私密信息可以安全地隱藏在均勻照明的光束下，只有借助于檢偏器，才能將隱藏的圖像信息在特定的偏振化方向上窺探出來。其中，正交偏振態(tài)通常被認(rèn)為是其實現(xiàn)信息復(fù)用和隱藏技術(shù)應(yīng)用的必要條件，即通過給相互正交的偏振光施加獨立的編碼信息，實現(xiàn)信息復(fù)用及隱藏等應(yīng)用?；谠摲椒ㄑ苌墓鈭霆毩⒄{(diào)控和信息安全問題，往往受到光場調(diào)控自由度和加密層級的限制。

為了提升信息防偽與加密的安全級別，人們通常將兩幅甚至多幅圖像信息加載到相互正交的物理量基矢（如偏振態(tài)或偏振態(tài)組合）上，需要在多個預(yù)設(shè)通道態(tài)下解碼多個圖像，增加了顯示隱藏信息的難度。如人們已經(jīng)實現(xiàn)了在正交線偏振態(tài)基矢，正交圓偏振態(tài)基矢、甚至是正交橢圓偏振態(tài)下圖像信息的復(fù)用隱藏技術(shù)。

鑒于正交偏振態(tài)通常被認(rèn)為是實現(xiàn)信息復(fù)用和隱藏技術(shù)應(yīng)用的必要條件，當(dāng)人們找到一個圖像信息泄露通道時，便很容易想到另一個信息泄露通道必為其正交態(tài)，從而降低防偽的安全性能。

針對這一問題，暨南大學(xué)光子技術(shù)研究院海外英才創(chuàng)新團(tuán)隊與哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）、深圳大學(xué)研究組合作，提出了一種雙原子全電介質(zhì)超構(gòu)表面的偏振衍射光學(xué)元件，利用復(fù)合單元結(jié)構(gòu)中雙原子旋轉(zhuǎn)角之和/差對衍射光的偏振角/振幅的同時獨立調(diào)控，實現(xiàn)了基于馬呂斯定律的任意偏振角圖像復(fù)用及信息隱藏功能，在信息加密防偽和光學(xué)存儲等領(lǐng)域有著潛在應(yīng)用前景。

效果圖：任意非正交偏振復(fù)用超構(gòu)表面

相關(guān)研究成果以"Vectorial compound meta-pixels for arbitrary non-orthogonal polarization steganography”為題發(fā)表在 Advanced Materials。

為了打破正交基矢信息復(fù)用的局限性，本研究工作重新審視了馬呂斯定律I=I0cos2θ中的可用自由度發(fā)現(xiàn)，以往人們僅僅利用了定律中的方向轉(zhuǎn)角θ自由度，而另一個強度I0自由度完全被忽略。雖然定律中存在轉(zhuǎn)角簡并性（即：一個光強值可以由多個不同的方向轉(zhuǎn)角加以調(diào)制），可以在一定程度上增加圖像信息的存儲通道，但受限于簡并度的大小，額外的信息通道僅能編碼二值圖像。

本研究工作將雙原子多自由度超構(gòu)表面對光場振幅、偏振同時獨立調(diào)控的特征（如圖1所示）與馬呂斯定律結(jié)合，完全開發(fā)了馬呂斯定律中轉(zhuǎn)角、強度兩個自由度，打破了獨立信息復(fù)用的正交性固有限制，實現(xiàn)了任意非正交偏振角復(fù)用隱寫的衍射光學(xué)元件（如圖2所示）。

圖1 雙原子全電介質(zhì)超構(gòu)光柵架構(gòu)的原理示意和仿真分析。（a）雙原子全電介質(zhì)超構(gòu)表面的原理示意圖；（b）雙原子復(fù)合單元結(jié)構(gòu)的俯視圖；（c）雙原子旋轉(zhuǎn)角與振幅之間的調(diào)制關(guān)系；（d）雙原子旋轉(zhuǎn)角與出射光場偏振角之間的調(diào)制關(guān)系。

圖2 基于雙原子全電介質(zhì)超構(gòu)表面的任意偏振角圖像復(fù)用(a)和任意偏振角圖像隱藏(b)。

本研究工作通過打破正交偏振復(fù)用的限制，提供了一種先進(jìn)的超構(gòu)表面信息隱寫技術(shù)，具有任意偏振角圖像復(fù)用和隱藏功能。

雙原子復(fù)合單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計，實現(xiàn)了對衍射光的振幅與偏振的同時獨立調(diào)控，從而能將馬呂斯定律中的轉(zhuǎn)角與光強自由度同時利用起來，為任意角偏振復(fù)用及隱藏技術(shù)提供了技術(shù)條件。

這種任意偏振角復(fù)用方案可以促進(jìn)超構(gòu)表面光學(xué)的發(fā)展，將超構(gòu)表面偏振衍射光學(xué)元件的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到更為廣泛的空間。

論文信息：

Zi-Lan Deng, Qing-An Tu, Yujie Wang, Zhi-Qiang Wang, Tan Shi, Ziwei Feng, Xiao-Chen Qiao, Guo Ping Wang, Shumin Xiao, and Xiangping Li, "Vectorial Compound Metapixels for Arbitrary Nonorthogonal Polarization Steganography," Advanced Materials, 2021, 2103472.

暨南大學(xué)為論文完成第一單位，暨南大學(xué)鄧子嵐副教授為論文第一作者，暨南大學(xué)鄧子嵐副教授、李向平教授，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）肖淑敏教授為該論文的共同通訊作者。本研究受國家自然科學(xué)基金、廣東省珠江人才計劃創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊項目、廣東省自然科學(xué)基金等資助完成。

論文地址：

https://doi.org/10.1002/adma.202103472

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監(jiān)制 | 趙陽

編輯 | 趙唯

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