Laser & Photonics Reviews: 激光诱导石墨烯全息重构的多秘密分享策略

撰稿|由课题组供稿

光学秘密分享被认为是一种安全、高效的新一代信息加密方式。近日，上海理工大学光子芯片研究院顾敏院士团队提出了一种激光诱导的石墨烯全息重构技术，展示了从信息加密存储到信息解密的全光秘密分享过程。团队通过激光直写进行振幅调制，实现了在氧化石墨烯中将一幅全息图重构为另一幅任意全息图（图1a）。在重构过程中，团队设计了石墨烯超像素，实现了一束激光对氧化石墨烯的不同区域同时产生不同的振幅调制效果，从而使密钥信息可以被隐藏在激光参数中，赋予了全息重构防监听加密的功能。进一步，团队利用全息算法优化，分别实现了26个信息通道的复用全息重构和一幅全息图的多次重构，提供了更高安全性、更高信息容量的多秘密分享策略。氧化石墨烯是一种可实现低成本制造的碳材料，激光还原氧化石墨烯具有低阈值和高反应速度的特点，因此，相比于其他光学加密策略，该研究是一种低成本、高效率和高速的信息加密存储方式。研究成果以“Laser-induced graphene hologram reconfiguration for countersurveillance multisecret sharing”为题于2023年3月9日在线发表在《Laser & Photonics Reviews》上。光子芯片研究院博士后董毅博、特聘研究员栾海涛为本文共同第一作者，顾敏院士、方心远副教授、陈希教授为本文通讯作者。

信息时代中，信息的安全性变得至关重要。光学秘密分享具有高传输速率、高安全性和高信息处理速度的特点，在近几年被广泛关注。全息术是光学加密的重要手段之一，目前基于多维度光场调控和光学信息材料调控的光学全息加密手段是两种主要的实现形式。通过多维光场调控可以实现复用全息，能够有效提高信息存储的容量和安全性，其中基于超表面的加密策略被不断报道。但是，超表面等全息元件可以被多次读取，无法对信息传递中发生的信息失窃提供及时的预警。在此方面，基于信息材料在解密过程中的不可逆变换提供了很好的防监听功能，一旦信息被窃听，材料性质会发生变化，人们可以及时获得预警并评估信息的安全性。但是，信息材料的全息编码过程普遍较为复杂和耗时，降低了实用性，且普遍难以实现复用，限制了信息存储的容量。因此，实现低成本、高效的防监听全息加密策略对于推动光学秘密分享的应用十分重要。

文章中，作者设计了一种激光诱导的GO超像素，它是由激光还原GO和同时热扩散还原GO所形成（如下图1b和c）。由于石墨烯较高的热导率，当使用激光对全息图中的一个像素进行透射率调制时，热扩散会对该像素周围的GO产生还原，因此会同步调制周围环绕的8个像素的透射率，该效果可实现对激光直写区域和热扩散区域产生不同的透射率调制效果。在此基础上，作者设计了二元振幅全息图，通过激光产生的石墨烯超像素对初始全息图1中特定像素的振幅进行调制，使其能够变换为另外一幅独立的全息图2。由于部分振幅调制信息是隐藏在热扩散中的，因此，不同于使用空间光调制器，在GO全息重构中所写入的信息不会显露全息图2的内容（下图1d），赋予了其加密功能。这一全息重构过程类似于经典信息通讯中的秘密分享，全息图2（秘密）被拆解为了全息图1和密钥（全息重构中的激光直写图案以及参数）两部分，只有当先写入全息图1，然后再用密钥进行全息重构，才能够解密得到隐藏信息。同时，这一过程中，不可逆的材料变化，赋予了加密过程的防监听功能，一旦信息在传递过程中被窃听，无论窃听者是否成功破解信息，都会造成元件的不可逆变化，人们可以进而评估信息的安全性并及时止损。

图1 石墨烯全息重构。（a）激光诱导石墨烯全息重构示意图；（b）激光还原和热扩散还原示意图；（c）石墨烯超像素和普通石墨烯像素产生示意图；（d）全息重构实验结果。

在此基础上，作者基于梯度下降算法进行多幅全息图编码，实现了复用全息重构。如下图，在初始全息图上写入不同的密钥，全息图将变换不同的内容，该方法增加了信息存储的容量，提供了复用型的多秘密分享策略。

图2 石墨烯复用全息重构。（a）石墨烯复用全息重构示意图；（b）复用全息重构实验结果。

更进一步，作者设计了多次全息重构的方案。如下图，当在初始全息图1上写入密钥后，全息图1将会变为另一幅全息图2。之后，可以在全息图2上再次写入密钥，全息图2将会再次重构变为全息图3。值得一体的是，两次重构过程中，激光直写的像素区域完全相同，不同的地方在于改变激光参数来控制写入的是石墨烯超像素或者普通石墨烯像素。该实验为多秘密分享提供了更丰富的策略，例如：我们可以将全息图3当作加密信息，如果窃听者不知道使用正确的激光参数来产生石墨烯超像素，即使他们知道解密的图案也无法完成解密，反而会得到错误信息，来产生误导。

图3 石墨烯多次全息重构。（a）石墨烯多次全息重构示意图；（b）3幅全息图归一化像素透射率；（c）多次全息重构实验结果。

该工作基于激光还原GO，实现了从信息加密存储到信息解密的全光过程。目前的绝大多数方法中，光学加密元件需要通过微纳加工技术制造，存在成本较高、制备效率低的问题，制约了方案的应用。GO作为一种低阈值光还原材料，在文章中，作者所使用的功率仅为十几毫瓦，同时，光还原的极快反应速度，使得整个全息图写入只需几分钟，信息编码实现了较高的效率和较低的能耗。同时，作为碳材料，GO的制备未来可以实现较低成本。因此，该方法有望成为一种广泛的低成本、高安全性的全光加密方案。未来，可以想象，基于一些小型的激光光源（例如：垂直腔面发射激光器），研制类于家用打印机的光学加密设备。GO可以像我们现在使用的纸张一样，作为信息传递的媒介，通过加密设备实现在GO中的高安全性的信息写入和读取。同时，文章中使用的全息重构技术也为目前基于全息的光学神经网络的可重构研究提供了一条路线。

链接： 

https://doi.org/10.1002/lpor.202200805