图1 四通道超构表面成像示意图
1. 导读
随着信息时代的到来，人们对信息安全的要求越来越高。传统加密方法已经变得难以分辨真假，很容易被不法之徒复制，如传统印刷技术、化学油墨防伪、激光防伪标签、图像隐藏技术等。光学防伪由于其散射、反射、透射、吸收和衍射等光学现象，可以产生独特的视觉效果，在防伪市场中具有很大的潜力。然而，传统的基于干涉和衍射的光学防伪技术提出时间较长，其设计和制造方法已经为公众所熟知，因此很容易被模仿和复制。此外，常规的光学防伪标签面积较大，对一些小型商品的防伪应用具有很大的局限性，如高端手表，卡片，艺术品及小型集成电路。
针对这些问题，近日，东南大学物理学院董正高教授团队与其合作者在Nanophotonics发表最新文章，提出了一套基于近场反射型超构表面实现四通道加密成像方案，利用三个光学参数作为安全密钥(振幅、偏振和波长)对信息进行加密，可在近场实现四通道加密成像。该方法可以有效地提高信息存储容量，增加信息泄露难度。
该研究成果不仅为多通道超构表面成像提供了清晰的理论和设计指导，并为纳米显示、信息存储、光学防伪等相关领域的研究与应用打开了新思路。
2. 研究背景
超构表面是近几十年来迅速发展起来的一种超薄光学元件，其在亚波长尺度对电磁波表现出了超常的操控能力。研究初期，科学家们设计的超构表面仅能调控入射光的一个特性来实现单一功能器件，比如，超构光栅、超构透镜、全息成像和纳米打印。目前，超构表面已经实现了单一的高分辨率图像和多幅图像的复用存储，这可以作为一种信息加密的有效方法。从理论上来说，加密的安全性越高，信息就越难被窃取，这也是信息加密者所一直追求的目标。为了提高储存信息的容量，超构表面通过调控入射光的一个或多个自由度逐步实现多通道/多功能器件。近年来，越来越多的研究者报道了各式各样的多通道/多功能超构表面，在信息加密、数据存储、光学通讯等领域具有广阔的应用前景。然而，目前基于多通道超构表面成像的加密技术大多采用近场和远场相结合的方式，需要两种不同的成像光路，成本较大，限制了多通道成像超构表面的应用范围。
为解决这些实际问题，目前提出了一种由单层金属纳米结构组成的复合加密超构表面，为增加信息容量提供了新的自由度，同时又不会增加样品设计难度和制造成本，为超构表面成像在防伪领域的应用提供了可能性。基于超构表面，国内外研究人员首先对单一的高分辨率成像进行了一系列尝试，实现了高分辨成像超构表面。基于马吕斯定律，对近场双通道成像超构表面也有较为成熟的研究，可成功的将防伪图像隐藏于不同成像通道中。然而，在近场中，对于更多通道的超构表面成像仍然是一个挑战。
3. 创新研究
针对上述挑战，研究人员从基于单层金属纳米结构单元的超构表面出发，提出了一种实现具有多通道、高集成度、高存储容量和成像系统简单的加密超构表面的新方法。基于复合超构表面编码原理，研究者利用振幅、偏振和波长三个光学参数作为超构表面编码的安全密钥，实现了近场四通道加密成像（见图1）。首先，通过利用人工结构的各向异性，对同一个纳米结构在不同偏振条件下进行二值编码，实现两种不同线偏振光入射时显示两幅不同的图像（见图2）。不同于以往编码成像超构表面，该方案可以将入射偏振作为一种自由度，通过改变入射线偏振光的偏振角度实现双通道成像。实验结果证明该设计方法具有可行性，可以在不增加结构复杂度的情况下引入新的自由度。这意味着该方案具有较强的普适性和可操作性。
图2 偏振编码超构表面原理图和实验结果
随后，研究人员又将波长作为一个自由度，通过设计不同尺寸金属纳米结构分别在1064和850 nm波长处对反射光强进行调控，通过复合超构单元实现两种波长入射条件下呈现双通道成像。在完整的理论指导下，团队通过实验验证了入射光为1064和850 nm时的双通道成像结果（见图3）。实验结果表明，波长调控的双通道超构表面可以呈现两幅完全不同的图像，与设计方案和模拟结果相吻合。
团队又进一步设计了更加复杂的四通道编码超构表面。从实验结果图中可以看出，在1064和850 nm波长，两种不同偏振角度的入射光照射时，同一超构表面可以实现四通道成像（见图4）。由于实验条件的限制，虽然在850 nm波长入射时成像结果存在一定的干扰，但从进一步的模拟结果可以看出，四通道编码超构表面成像方案具有可行性。
图3 波长编码超构表面实验结果
图4 四通道编码超构表面成像示意图和实验结果
4. 应用与展望
研究团队提出的基于单层金属超构表面实现近场多通道编码成像的新方法，能够在近场中实现四通道显示，得力于超构表面的亚波长尺度，使得多通道超构表面成像在高端、小型商品的防伪应用提供了理论基础和技术支撑。同时，设计的四通道编码超构表面具有四个独立的成像通道，可以通过切换安全密钥获取对应通道的加密图像，且无需变换成像系统。此外，设计的四通道编码超构表面具有超紧凑、存储容量大、加密安全等优势，在光学防伪、纳米显示、信息存储、量子通信等领域都具有广阔的应用前景。
该研究工作受到国家自然科学基金(NSFC Nos. 12174052, 11774053)和国家建设高水平大学公派研究生项目(No. 202106090162)的资助, 以“Four-channel display and encryption by near-field reflection on nanoprinting metasurface”为题在线发表在Nanophotonics。
本文作者分别是Yue Cao, Lili Tang, Jiaqi Li, Chengkuo Lee, Zheng-Gao Dong，其中Chengkuo Lee和 Zheng-Gao Dong教授为共同通讯作者。董正高教授团队隶属于东南大学物理学院。
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