![]()
![]()
大容量信息隐写对于海量数据安全交互至关重要。探索正交光学存储技术可以显著提升加密水平。然而，由于缺乏稳定存储的光敏介质，隐藏的数据很容易被破解或破坏，海量信息的安全保存面临着巨大挑战。近日，东北师范大学付申成教授、张昕彤教授、刘益春院士研究团队报道了一种高安全性大容量的碳量子点/二氧化钛复合膜光盘，发现其具有光学透过率和偏振状态可转换的记忆功能。该光盘展示出良好的高温鲁棒性，可以承受150 ℃下405小时的持续破坏，预估室温（28 ℃）存储寿命高达2341年。相关研究成果以“Robust Carbon-Dot Optical Disks for Orthogonal Amplitude-Polarization Encryption Storage”为题，在线发表在国际知名学术期刊《Laser & Photonics Reviews》上。束缚在材料界面的光表面波具有二维传输的特性，探索先进的数据加密和防伪策略已成为信息交互和人工智能发展的重要保障。通常，单点多通道光学记录可以显著提高加密级别和存储密度。马吕斯定律（Malus Law）揭示了偏振介质能够通过偏振片以不同的旋转角度显示或隐藏多种图案。因此，解密信息的密钥空间可以与偏振取向空间建立映射。如果将偏振取向信息进一步转化为不可识别的形式，将极大提高信息交互的安全性。全息技术具有海量信息记录和3D图像重建的独特能力，可为光学加密存储提供振幅、偏振、波长和角动量等独立通道。但是，全息光学介质的编码制备过程较为复杂和耗时，难以实现大面积制备和实时光学信息记录，降低了实用性。碳量子点（CDs）具有优异的光学/热学稳定性和带隙可调性，被认为是一种安全、稳定、低成本的信息加密存储介质。传统方式仅利用了碳量子点的发光性能，其偏振响应特性以及在全息加密领域的应用仍有待发掘。
在本研究中，作者通过利用一步水热法制备了CDs溶液，采用旋涂法将CDs锚定在二氧化钛（TiO2）薄膜中，并实现了大面积光盘的制备（图1a）。光致双折射实验表明了CDs/TiO2光盘在线偏振光激发下会产生明显的双折射效应（图1b），这源于碳点的定向氧化行为。在线偏振激光的刺激下，CDs会在光场的电矢量方向产生更多的激发电子，这些光生电子将通过CDs/TiO2异质界面转移到 TiO2，而该方向剩下的光生空穴会导致官能团的局部氧化。实验结果表明，在激光刺激后，CDs/TiO2光盘具有明显的偏振调制能力，在线偏振光入射下，改变光盘的取向角度可以明显调控透射光束的椭圆率，这与波片的功能类似（下图1c）。图1 样品的光学表征。（a）样品的结构示意图（上）和实物照片（下）；（b）光致双折射强度随辐照时间的变化曲线；（c）样品在光学辐照前后的偏振调制能力。
通过进一步实验发现，随着激发光功率的增加，碳点光盘偏振调控能力与自身取向角度的关联度减弱（下图2a）。具体表现为低功率（如5 mW）激发下，以偏振调制效应为主，而在高功率（如50 mW）激发下，以振幅调制效应为主。受到马吕斯定律的启发，通过改变激发光的偏振方向，可以曝光刻写不同偏振角度的像素点。根据光盘旋转方向，刻写信息在偏光显微镜下展现出隐藏或显示状态（图2b和c）。而提高激发光源的功率，可以生成具有振幅调制能力的CDs像素，进而记录高对比度的二元振幅型计算机生成全息图（CGH），并展示出良好的重构效果，如图2d和2e所示。图2 偏振型和振幅型像素设计。（a）不同功率（5 mW、20 mW、35 和 50 mW）的绿色激光照射光盘后，在偏光显微镜的正交模式下测得的曝光像素点的透射率与样品取向角度（θ）的关系;（b）使用方位角为0°和 86°的线偏振光在光盘中写入偏振型像素1和2后，像素区域在偏光显微镜下透射率与θ的模拟曲线;（c）在四个旋转角度区域中捕获的偏振型CDs像素阵列的照片，以及 （d）振幅型 CGH，比例尺：100 μm;（e）CMOS 中采集到的 CDs/Ti02光盘中 CGH 的全息重构结果。在此基础上，研究者对光盘的高温鲁棒性进行了测试（图3），结果发现CDs/TiO2薄膜在393K-573K下能实现良好保存；而在423 K环境下，信息保存时间长达405 h。通过阿伦尼乌斯模型（Arrhenius-model）预测，光盘存储的加密信息在室温（301K）下的有效保存时间为2341年。图3 碳点光盘的高温鲁棒性测试。(a）程序加热过程中 CDs 的热重曲线;（b） 由 CDs像素组成的正交数字化文本在 393K、453K、513K 和 573 K 下分别热损伤10 分钟后信息展示，两种文本（“encryption”和“storage”）的“快轴”彼此正交;（c）423 K 下，偏振字符“encryption”热损伤后的信息展示; b）和 c）比例尺为 100 μm; (d) 基于阿伦尼乌斯模型预测 CDs/Ti02光盘的存储寿命与环境温度的函数关系。最后设计一种基于像素裁切的全息加密策略。如下图4a所示，通过偏振方位角为0°和86°的线偏振光在低功率下曝光，写入信息“OK”和“NO”，通过圆偏振光写入混淆信息并空间叠加，获得难以识别的密文。光盘的取向角度空间可以映射到密钥空间，这里将样品的取向角编码为密钥“4”，并将其转化为只能通过全息重构提取的图像。通过像素裁切和填充的方案将偏振密文和CGH进行空间组合。结果显示，在非偏光状态下，光学显微镜无法获取任何信息。而通过偏光显微镜观察并旋转样品角度，可以显示4种信息，通过全息重构获得密钥“4”之后，将其映射为光盘旋转角度95°-170°，最终实现正确信息“NO”的解密。图4 振幅-偏振双通道的信息解密过程。（a）双通道正交光学加密策略，其中偏振像素组成密文，角度信息被编码为 CGH。（b）填充或不填充偏振密文的CGH（上）及其重建图像（下）。（c） 解密的实验方法：用偏振光学显微镜观察不同角度区域的四种密文信息，密钥通过全息重建获得，比例尺为 100 μm。在这项工作中，研究人员实现了大面积CDs/TiO2光盘的制备，并发现了其可调谐的光学响应特性。在低功率密度的线偏振光激发下，薄膜光盘保持原有的深红色，但变为各向异性并产生显著的光致双折射。在高功率刺激下CDs/TiO2光盘则产生褪色，并表现出光学振幅调制能力。研究人员通过调控激发光的功率和偏振方向，将像素化的CGH和偏振图案进行空间编码，从而构建了一个超安全的正交全息加密存储平台。解密信息的角度密钥只能从CGH衍射重构的正交信道中获得。此外，CDs/TiO2光盘中的偏振信息表现出优异的高温鲁棒性，可以在423 K下承受405小时的持续破坏。基于阿伦尼乌斯模型合理预测，CDs/TiO2光盘的存储寿命在室温28℃下至少可达2341年。这种基于碳材料的全息加密方案也为开发低成本、长寿命、海量数据安全存储平台提供了一条光明途径。
本研究得到了中国国家自然科学基金、吉林省自然科学基金的资助。东北师范大学紫外光发射材料与技术教育部重点实验室博士生苗景迎为论文第一作者，付申成教授、张昕彤教授、刘益春院士为该论文的通讯作者。
文章信息：
Jingying Miao, Shencheng Fu, Shuo Zhang, Xiuping Qi, Hongfang Liu, Guiye Shan, Xintong Zhang, Haiyang Xu, Yichun Liu，“Robust Carbon-Dot Optical Disks for Orthogonal Amplitude-Polarization Encryption Storage”, Laser & Photonics Reviews, 2024, 2401231.
文章链接：
https://doi.org/10.1002/lpor.202401231--课题组供稿
![]()
免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理，所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。
![]()
