《自然-光子学》：用于高安全加密的超宽带光学全息技术

近日，来自上海理工大学顾敏教授领衔的科研团队成功实现了可用于高安全加密的超宽带轨道角动量（OAM）光学全息。研究人员通过在空间频域中构建强OAM选择性，打破了理论螺旋指数限制，从而对多种OAM依赖的全息图像进行复用。研究人员展示了多达2¹⁰个依赖于OAM的独特全息图像，从而利用OAM自由度实现了超大容量、高安全加密的全息信息系统。相关研究成果以“Orbital angular momentum holography for high-security encryption “为题发表于世界光学顶尖期刊《自然-光子学》，顾敏教授为该论文通讯作者，上海理工大学光电信息与计算机工程学院特聘研究员方心远博士为第一作者，本论文的共同第一作者任浩然博士目前在Ludwig-Maximillians-University 担任洪堡研究员。

全息提供了一种重建强度和相位信息的方法，能够在不同物理尺寸进行三维显示，从而提供了光学加密、显微成像和人工智能领域的重要平台。在不同的物理尺度下，光的偏振、波长、相位等都能够作为高容量全息系统中独立的信息通道。轨道角动量（OAM）表征了光的螺旋波前，这是一种新的光学自由度，能够极大提升光学信息通道的信息容量。然而，所有的OAM模式在照明中都将根据布拉格衍射公式以相同的方式进行衍射。因此，OAM 的选择性在常规的数字全息图中完全不能体现，因此从该自由度获得的潜在信息增益就被抵消了，这对实现OAM全息图提出了极大的挑战。

在重建全息图的过程中，想要采用光的螺旋相位或波阵面作为信息载体，则必须在不破坏OAM自身属性的前提下保证OAM的选择性。空间频域分析为解决这一难题提供了一种有效的手段。空间频域分析能够表征出由傅里叶变换所定义的空间系统的完整物理特性，从而被广泛应用于图像重建、提高神经元灵敏度等方面。在空间频域内操纵复杂光束也为开发新型光学仪器（如Zernike相衬显微镜）提供了新的强大的物理手段。对于具有不同螺旋指数的OAM光束，其在傅里叶空间中的空间频率分布不同。这意味着通过精确设计全息图的阵列周期，使其等于入射OAM光束的空间频率分布，则不同螺旋指数的OAM就具有不同的采样阵列周期，从而成功使数字全息图与OAM自由度产生关联。 

研究人员展示了一种全新的OAM全息技术，利用空间频域分析能够重建大量的OAM全息图像，成功打破了理论螺旋模指数限制。该全息图具有离散的空间频率分布，从而在重建全息图的每个像素点中都保持入射OAM光束的特性，并为入射OAM光束叠加了线性空间频率偏移。因此，离开全息图的出射光束在空间频域中具有从入射OAM光束继承的螺旋波阵面。将特定螺旋相位分布与保留OAM的全息图重叠，可得到具有OAM选择性的全息图。

在传统的数字全息技术中，常规的数字全息图由于波干扰而具有准连续的空间频率分布，因而入射的OAM光束所携带的螺旋波阵面会被完全破坏。而通过空间频率采样的方式来设计OAM全息图，OAM在全息重建中成为守恒量，从而成功克服了传统数字全息技术与OAM不相融合的技术难点。

由于OAM守恒，只有特定的具有反螺旋模式指数（-1）的入射OAM光束可以成功转换成全息图中高强度的高斯模式。因此，可以通过编码不同OAM通道中的OAM多路复用全息图，成功实现高安全度的光学加密技术。

利用这种方法，研究人员对多种OAM依赖的全息图像进行复用，其螺旋指数范围为-50到50，从而产生10比特的OAM编码全息图。研究人员展示了多达2¹⁰个依赖于OAM的独特全息图像，从而提供了一种崭新的途径，利用OAM自由度实现了超大容量、高安全度全息信息系统。

图1：时域-频域OAM全息原理图 （图片来源：Nature Photonics：Orbital angular momentum holography for high-security encryption）

图2：具有选择性的OAM全息图的设计原理 （图片来源：Nature Photonics：Orbital angular momentum holography for high-security encryption）

图3：具有独立OAM信道的全息编码，可用于多路复用显示。（图片来源：Nature Photonics：Orbital angular momentum holography for high-security encryption）

图4：利用10比特OAM多路复用全息图进行高安全度全息加密。 （图片来源：Nature Photonics：Orbital angular momentum holography for high-security encryption）

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 文章链接

文章链接：Fang, X., Ren, H. & Gu, M. Orbital angular momentum holography for high-security encryption. Nat. Photonics (2019) doi:10.1038/s41566-019-0560-x.  https://doi.org/10.1038/s41566-019-0560-x

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