任意非正交偏振复用超构表面信息隐写术

撰稿人：邓子岚、涂清安

超构表面的一个重要应用是信息隐藏技术，主要体现身份证、货币、信息卡等信息安全领域的信息加密与防伪功能。受马吕斯定律启发，一幅图像的强度信息可以间接地通过光波的偏振态来实行编码。通过这种方式，私密信息可以安全地隐藏在均匀照明的光束下，只有借助于检偏器，才能将隐藏的图像信息在特定的偏振化方向上窥探出来。其中，正交偏振态通常被认为是其实现信息复用和隐藏技术应用的必要条件，即通过给相互正交的偏振光施加独立的编码信息，实现信息复用及隐藏等应用。基于该方法衍生的光场独立调控和信息安全问题，往往受到光场调控自由度和加密层级的限制。

为了提升信息防伪与加密的安全级别，人们通常将两幅甚至多幅图像信息加载到相互正交的物理量基矢（如偏振态或偏振态组合）上，需要在多个预设通道态下解码多个图像，增加了显示隐藏信息的难度。如人们已经实现了在正交线偏振态基矢，正交圆偏振态基矢、甚至是正交椭圆偏振态下图像信息的复用隐藏技术。

鉴于正交偏振态通常被认为是实现信息复用和隐藏技术应用的必要条件，当人们找到一个图像信息泄露通道时，便很容易想到另一个信息泄露通道必为其正交态，从而降低防伪的安全性能。

针对这一问题，暨南大学光子技术研究院海外英才创新团队与哈尔滨工业大学（深圳）、深圳大学研究组合作，提出了一种双原子全电介质超构表面的偏振衍射光学元件，利用复合单元结构中双原子旋转角之和/差对衍射光的偏振角/振幅的同时独立调控，实现了基于马吕斯定律的任意偏振角图像复用及信息隐藏功能，在信息加密防伪和光学存储等领域有着潜在应用前景。

效果图：任意非正交偏振复用超构表面

相关研究成果以"Vectorial compound meta-pixels for arbitrary non-orthogonal polarization steganography”为题发表在 Advanced Materials。

为了打破正交基矢信息复用的局限性，本研究工作重新审视了马吕斯定律I=I0cos2θ中的可用自由度发现，以往人们仅仅利用了定律中的方向转角θ自由度，而另一个强度I0自由度完全被忽略。虽然定律中存在转角简并性（即：一个光强值可以由多个不同的方向转角加以调制），可以在一定程度上增加图像信息的存储通道，但受限于简并度的大小，额外的信息通道仅能编码二值图像。

本研究工作将双原子多自由度超构表面对光场振幅、偏振同时独立调控的特征（如图1所示）与马吕斯定律结合，完全开发了马吕斯定律中转角、强度两个自由度，打破了独立信息复用的正交性固有限制，实现了任意非正交偏振角复用隐写的衍射光学元件（如图2所示）。

图1 双原子全电介质超构光栅架构的原理示意和仿真分析。（a）双原子全电介质超构表面的原理示意图；（b）双原子复合单元结构的俯视图；（c）双原子旋转角与振幅之间的调制关系；（d）双原子旋转角与出射光场偏振角之间的调制关系。

图2 基于双原子全电介质超构表面的任意偏振角图像复用(a)和任意偏振角图像隐藏(b)。

本研究工作通过打破正交偏振复用的限制，提供了一种先进的超构表面信息隐写技术，具有任意偏振角图像复用和隐藏功能。

双原子复合单元结构的设计，实现了对衍射光的振幅与偏振的同时独立调控，从而能将马吕斯定律中的转角与光强自由度同时利用起来，为任意角偏振复用及隐藏技术提供了技术条件。

这种任意偏振角复用方案可以促进超构表面光学的发展，将超构表面偏振衍射光学元件的应用范围扩展到更为广泛的空间。

论文信息：

Zi-Lan Deng, Qing-An Tu, Yujie Wang, Zhi-Qiang Wang, Tan Shi, Ziwei Feng, Xiao-Chen Qiao, Guo Ping Wang, Shumin Xiao, and Xiangping Li, "Vectorial Compound Metapixels for Arbitrary Nonorthogonal Polarization Steganography," Advanced Materials, 2021, 2103472.

暨南大学为论文完成第一单位，暨南大学邓子岚副教授为论文第一作者，暨南大学邓子岚副教授、李向平教授，哈尔滨工业大学（深圳）肖淑敏教授为该论文的共同通讯作者。本研究受国家自然科学基金、广东省珠江人才计划创新创业团队项目、广东省自然科学基金等资助完成。

论文地址：

https://doi.org/10.1002/adma.202103472

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监制 | 赵阳

编辑 | 赵唯

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