撰稿人 | 计吉焘，陈晨，李涛
论文题目 | High-dimensional Poincaré beams generated through cascaded metasurfaces for high-security optical encryption
作者 | 计吉焘，陈晨*，孙嘉程，叶欣，王志章，李坚，王骏溢，宋万鸽，黄春玉，邱凯，祝世宁，李涛*
完成单位 | 南京大学
研究背景
随着信息技术的迅速发展，信息安全问题和由此衍生的信息加密技术得到了愈发广泛的关注。光学加密技术融合光子的多个自由度，具有高速并行处理的优势，为高性能、低功耗的信息加密提供了可靠的解决方案。然而，传统的光学加密系统往往依赖复杂、笨重的光学组件，并且对于光场的操控能力有限，导致加密效率低下，安全性能难以保障。超构表面作为一种人工设计的二维平面光学元件，可以在亚波长尺度下对光场进行灵活调控，为小型化、高效化的光学加密系统提供了极具潜力的平台。
超构表面光学加密是一种将明文信息隐藏到超构单元响应中的加密策略。借助超构表面的多维光场调控能力，不同的光参量包括入射角度、波长、偏振、轨道角动量模式等能够构建密钥空间以提升加密的复杂性。同时，超构表面的多维复用通道可以作为编码通道加载不同信息。尽管如此，单个超构表面提供的密钥空间和编码空间有限，加密系统的安全性和信息容量有待进一步提升。
论文导读
得益于超薄的器件尺寸和易于集成的优势，超构表面具有空间可扩展性，级联式和阵列化的超构表面有望为高安全性、大容量的光学信息加密和防伪开辟新的途径。根据这一思路，本文提出了一种基于级联超构表面阵列的高维庞加莱光束加密方案。通过级联不同的超构表面子单元，按需生成完美高维庞加莱光束，展示了光学信息加密功能，有望推动光学信息安全的快速发展。该研究以“High-dimensional Poincaré beams generated through cascaded metasurfaces for high-security optical encryption”为题目发表于 PhotoniX 期刊。
主要研究内容
庞加莱光束具有空间变化的偏振、相位分布，携带多个可调控的自由度，在光学加密和编码领域展现出了巨大的应用潜力。本文针对超构表面加密中密钥空间、编码空间受限的问题，首先探究了单个手性超构表面生成多通道完美混合阶庞加莱光束的可行性，进一步通过级联两片超构表面验证了高维庞加莱光束的产生机制，同时有效调控了高维庞加莱光束的多个参数属性。最后基于阵列化的超构表面构建了高维庞加莱光束信息加密框架，为光学加密系统高性能、小型化、集成化的发展提供了一种极具前景的策略。
技术突破
图1 手性超构表面自旋解耦相位调控。
本工作首先利用手性超构表面设计了左右旋解耦的三个独立相位通道，通过正交圆偏通道的相干叠加，在不同入射圆偏振条件下生成两种独立的完美混合阶庞加莱光束（图1）。
图2 级联超构表面生成、调控高维庞加莱光束。
为了获取更多调控自由度，研究人员提出级联两片手性超构表面，在左右旋圆偏振入射下分别产生不同的完美高维庞加莱光束（图2）。同时通过改变级联超构表面参数，精确调控了高维庞加莱光束的偏振级数、椭偏度以及方位角等属性。根据上述设计，可以将信息加载到高维庞加莱光束对应的可调控参数上，从而完成光学编码功能。
图3 级联超构表面阵列光学加密方案。
作为光学加密功能的概念验证，研究人员构建了两组包含16×10个子单元的超构表面阵列（图3）。发送方首先将明文信息隐藏在超构表面阵列中，同时将阵列间的对齐坐标作为密钥。接收方根据定制的坐标密钥，对齐并级联相应的超构表面子单元，随后对生成高维庞加莱光束的空间光场分布进行分析，解码出加载的明文信息，实现高维庞加莱光束加密的功能。
观点评述
本工作展示了利用级联手性超构表面生成完美高维庞加莱光束的方法，并基于超构表面的空间可扩展性，提出了基于级联超构表面阵列的光学加密方案，利用超构表面阵列中子单元的组合和高维庞加莱光束的多维参数极大地拓展了加密系统的密钥空间和编码空间。该研究为多层超构表面光场调控提供了可行的思路，丰富了复杂矢量涡旋光场的产生手段，有望推动庞加莱光束在信息加密、光通信、激光雷达、量子信息等领域的潜在应用。
主要作者
李涛，南京大学教授，博士生导师。国家自然科学杰出青年基金和优秀青年基金获得者，香港“王宽诚”教育基金获得者，入选科技部中青年科技创新领军人才、南京大学首批“登峰人才支持计划”。曾获先后5次获中国光学十大进展/重要成果。做国际会议邀请报告50余次。在Nature及其子刊Phys. Rev. Lett., Light Sci. Appl.等刊物发表论文130余篇，他引超7000次。目前担任中国激光杂志社青年编委、Science Bulletin、ADI等多家杂志社和刊物的编委，担任中国材料学会超构材料分会理事，江苏省物理学会理事，江苏省光学学会理事。
陈晨，南京大学助理研究员。2016年于南京大学获学士学位，2021年于南京大学取得博士学位。主要从事超构表面多维光场调控及超构透镜成像、偏振探测等方面的技术研究。近年来发表SCI论文20余篇，其中以第一/通讯作者身份发表成果在Light Sci. & Appl.，Optica，Nano Lett., Photon. Insights等期刊上。
计吉焘，南京大学现代工程与应用科学学院2021级博士研究生。研究方向包括超构表面多维光场调控，铌酸锂光子集成器件等。近年来以第一/共同作者身份在Nano Lett.，Nanophotonics，Light Sci. & Appl.，Photonics Res.等期刊上发表论文多篇。
本文出处
发表于：PhotoniX
论文链接：
https://photonix.springeropen.com/articles/10.1186/s43074-024-00125-8
文献检索：
PhotoniX 5, 13 (2024). https://doi.org/10.1186/s43074-024-00125-8
更多原文内容，请点击“阅读原文”
推荐阅读
关于PhotoniX
PhotoniX 属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。是中国光学工程学会会刊，由中国光学工程学会、清华大学、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编。期刊拥有强大的国际编委和编辑团队。PhotoniX 主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。
PhotoniX 已被SCI、EI、SCOPUS、DOAJ、ProQuest、CNKI、INSPEC、Dimensions等10多个数据库收录。2022年6月获得首个影响因子19.818，位列Q1区。同时进入《2022年中国科学院文献情报中心期刊分区表》，位列物理与天体物理大类和光学小类双一区，为Top期刊。中国科协首次颁布“光学工程和光学领域高质量期刊目录”PhotoniX 位列T1级。
了解PhotoniX最新动态
阅读原文
查看全文
声明：本文所用视频、图片、文字如涉及版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除。邮箱：wanghaiming@csoe.org.cn
公众号投稿请联系：wanghaiming@csoe.org.cn
商务合作/文章转载请联系：022-59013419
欢迎分享
↓点赞
↓在看
