图1 “四合一”液晶全息的灵感及原理图
1. 导读
基于超表面和液晶的全息加密技术已经被提出，它们能够通过对波长、偏振等的操纵对信息进行加密。然而，被盗的全息图的任何部分都可能导致隐藏信息的泄露，因此，全息加密的安全性还需要进一步增强。
针对这一问题，近日武汉大学郑国兴教授团队和南京大学陆延青教授团队在Nanophotonics发表最新文章，提出了一种简单而有效的加密方法，并设计了基于液晶的“四合一”全息片。该方法受到中国古代虎符思想的启发，具体来说，只有将同一组的四个液晶全息片按照设计顺序拼接成一个整体时，才能显示出最重要的加密信息。相反，如果将全息片分别放置在光路上或以错误的顺序进行拼接，则会显示伪装信息（见图1）。更有趣的是，当液晶的平面外方向角随着外部电压改变，全息片的全息效率会相应发生变化。这就对解密条件提出了更严苛的要求，从而提高了加密方案的安全性。该加密方案不仅具有设计简单、安全性高、串扰低等优点，并且在信息隐藏和图像加密等领域具有很大的潜力。
2. 研究背景
近年来，基于Pancharatnam-Berry（PB）相位的超表面研究引起了广泛的关注。由于相位调节的连续性和精确性，超表面全息在光学加密领域得到了越来越多的应用。许多可行的方法都是通过操纵波长、偏振、入射角、拓扑荷数、观测空间或空间频率范围等来对信息进行加密。
最近，研究人员发现液晶可以像超表面一样控制光波的PB相位，基于液晶的全息加密方法也已经被相继提出。与超表面全息相比，液晶全息加密具有光谱响应可调、易于大面积制造、效率高、成本低、能够动态切换、易于切割和拼接，并与现有的商用液晶设备兼容等优点。然而，上述加密方案的解码条件在一定程度上不是完全严格，因此加密信息的安全性并不能完全保证。在一定小范围内的波长偏移、偏振状态误差、入射角偏差等情况下，仍然有可能得到隐藏的信息。即使这些信息可能不那么清晰和准确，它离完全解密也不远了。此外，无论相位延迟的产生方式如何（几何相位、传输相位等），介质材料的选择如何（超表面、液晶等），传统算法设计的全息图的任何部分都包含近乎所有隐藏信息，这意味着任何丢失的部分都可能导致隐藏信息的泄露。因此，其安全性还需要进一步增强。
3. 创新研究
针对上述挑战，研究人员提出了一个基于液晶的“四合一”全息加密的新方法，设计出独立的小全息片来显示不同的全息图像。得益于全息设计的自由度，当多个小全息片的相位矩阵按照设计的顺序组合成一个大全息片的相位矩阵时，可以显示出不同于之前图像的全新图像。基于这一总体思想，采用加密迭代算法（HEIA）以计算液晶全息片的相位分布，实现“四合一”全息加密。对于单个全息图的优化，则采用了改进的角谱算法（IASM）。
实验结果显示，当四个小的全息片分别被照亮时，可以重建获得不同的全息图像。当四个小全息片以正确的顺序拼接为一个整体并被同时照亮时，可以得到额外加密的信息，如图案“U”，证明了该加密方法的有效性（见图2）。实验还测量了480nm~710nm波长范围内的全息效率，在设计波长560nm处，全息效率达到最大值22.7%（见图2）。
图2 不外加电压的“四合一”液晶全息实验结果
为了研究所设计的液晶全息片在不同施加电压下的宽带响应，研究团队又进一步测试了0~5V的外加电压下，不同波长激光照射下的全息效率，并记录了所重建的全息图像（见图3）。实验结果显示，存在一个阈值电压，当电压没有达到阈值时，全息效率将不会改变。然后，电压的继续增加将带来全息效率的变化，这表明了可调谐光谱响应的潜在能力。比如，当选择波长为470nm、560nm、620nm时，在不同外加电压下可以得到不同亮度的全息图像。此外，对于一定的工作波长，在特定的外加电压下，全息效率可以从最大值下降到几乎为零，这意味着可以将此特性应用于加密过程，电信号也可以作为密钥的一部分。
图3 不同外电场条件下“四合一”液晶全息光谱响应结果
4. 应用与展望
研究团队提出的受虎符启发的高安全性全息加密的新方法，设计简单、安全性高、串扰低、易于大面积制造。只有当同一组中的四个全息片按照设计顺序同时被放置在光路上时，才能显示最重要的加密图像。相反，当小全息片在光路中单独工作时，就会显示出其他的伪装图像。由于观察到的全息图像会随着施加的外部电压的变化而变化，因此也可以将电信号作为密钥的一部分，从而进一步提高加密信息的安全性。该方案在信息隐藏、图像加密等领域有着广阔的应用前景。
该研究成果以“Tiger Amulet inspired high-security holographic encryption via liquid crystals”为题在线发表在Nanophotonics。
本文作者分别是Xianjing Huang, Dong Zhu, ZhouZhou, Kuixian Chen, Guoxing Zheng, Peng Chen, Yan-Qing Lu，Zile Li。其中，武汉大学本科生黄显婧、研究生周舟和南京大学研究生朱栋为共同第一作者，南京大学陈鹏副教授和武汉大学李子乐研究员为共同通讯作者，该工作得到了郑国兴教授和陆延青教授的悉心指导。该研究由国家重点研发计划、国家自然科学基金、湖北省自然科学基金、江苏省前沿引领技术基础研究专项等资助完成。
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