导 读
近日，中山大学物理学院王雪华教授和周张凯副教授研究组利用超构表面结构实现了一种任意多维光参数调控图像变化和加密的功能。在该结构中，可以利用光的所有参数，如入射角度，波长和偏振，实现不同图像的变换。这种方法解决了传统多图像变换设计中的诸多缺点，包括不同波长图像串扰、只能通过线偏振光实现图像变换以及无法通过入射角度进行调控。相关研究成果以“Coherent Pixel Design of Metasurface for Multidimensional Optical Control of Multiple Printing-Image Switching and Encoding”为题发表在《Advanced Function Materials》(DOI: 10.1002/adfm.201805306)上。论文共同第一作者是中山大学物理学院包燕军和虞应研究员，通讯作者为周张凯副教授。
超构表面结构（metasurface）是一层具有特殊电磁属性单元的二维平面结构，能够在亚波长尺度范围对光的振幅、相位和偏振进行灵活的调控，在广义斯涅耳定律、超透镜、光自旋霍尔效应、全息等领域有着广泛的应用。在彩色打印领域，基于超构表面结构的打印图像具备不易褪色、亚波长的分辨率、高密度信息存储等优点。除了单一的静态打印图像显示之外，人们越来越关注于更高级功能的动态图像变换。目前，研究人员一般采用空间交错的方法，将多幅图像基本像素叠加在一起，从而实现不同入射光条件下的不同图像显示。然而这种方法却存在着许多问题，如在不同波长下存在图像串扰、只能通过线偏振光实现图像变换以及无法通过入射角度进行调控等缺点。
研究人员提出了一种全新的相干像素设计思路，将一个像素中的所有结构元素单元作为一个整体考虑（图1b），而不是传统设计方法中的一副图像对应于一个单元结构（图1a）。然后分别根据整体像素对于不同入射光的响应来构建相应的超构表面像素（图2）。该设计方法可以利用入射角度（图3），偏振（图4）和波长（图5）的任意取值来操控图像变换，从而实现了多维光参数对图像的调控，并完全解决了上面提到的传统设计方法中存在的问题。同时该方法还可以扩展到多个图像的变换中。在图6中，他们通过任意的光参数调控实现“广州”、“中山”和“大学”三幅汉字图像的变换。该研究工作不仅为基于超构表面结构的图像变换提供了新的设计方案，同时更重要的是，他们可以将入射角度、波长、偏振的任意组合作为得到特殊加密信息的钥匙，开发基于超构表面的信息加密技术。该加密方法由于利用的是三种光学参量的任意组合，大大提高了超构表面图像加密技术的安全性，很有希望推动超构表面的研究在信息加密和信息安全领域做出贡献。
(a)相干像素设计示意图。一个像素的强度大小由其内所有单元共同决定；
(b)传统多图像变换像素设计示意图。一个像素中的一个单元对应于一个图像；
(c-d)相干像素的俯视图(c)和侧视图(d)。
（a）实现二副图像变换中的四种像素的电镜图。
(b-e) 四种设计的像素在不同入射角度下的远场散射图和理论模拟成像图。
(a) 实现数字图像2和4变换的原理示意图；
(b) 超构表面电镜图；
(c) 实验测量光路图。入射光经过一个偏振片和四分之一玻片后改变偏振态，入射在样品背面，由一个物镜收集散射光，经过另一对四分之一玻片和偏振片，并由透镜成像在CCD中；
(d-e) 实验测量到的在不同入射角度下的成像图。
（a）设计的不同偏振态下的图像示意图；
(b-c)右旋光和左旋光入射下的图像变换。入射波长为532 nm, 入射角度为45度。
（a）超构表面图像加密示意图。一个结构中包含了2幅图像，分别需要不同的入射光条件才能解密；
（b）不同入射条件下的解密图像；
（c）图像信噪比与三个入射光参数的关系。
（a）实现三幅图像变换的超构表面结构电镜图；
（b）在入射条件为θ1=40°,σ =+i，λ 1=470 nm下的实验测量图像；
（c）在入射条件为θ2=30°,σ =-i，λ 2 =532 nm下的实验测量图像；
（d）在入射条件为θ3=20°,σ =0，λ3=633 nm下的实验测量图像。
文章链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201805306
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