一种基于超表面材料的三重光学加密方法

1.本发明属于微纳光学和偏振光学技术领域，尤其涉及一种基于超表面材料的三重光学加密方法。


背景技术：

2.随着计算机技术的不断发展，人们几乎一切都与互联网密切相关。因此无论是现在还是在不久的将来，信息安全和认证都极具挑战性。一个提高安全性的通用方法就是信息加密技术。在众多加密技术中，光学加密技术由于具有多维密钥空间、天然的快速并行处理大容量的数据，多种调控自由度等优势，得到越来越多人的重视。超表面材料作为一种人造的、强大的二维平面结构材料，为光学信息加密提供了一种新的实现途径。基于超表面材料的光学加密技术，如超表面全息术，超表面纳米印刷术等，极大的丰富了光学加密的研究内涵。本发明基于超表面材料，提出了一种新的三重光学加密技术。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种基于超表面材料的三重光学加密方法。本发明通过排布相同尺寸的多个纳米砖结构单元的转向角，可以在一片超表面上同时编码一幅灰度均匀图像、一幅连续灰度图和一副二值图。其中灰度均匀图像和连续灰度图为预设的伪造信息，另一幅二值图为真实的信息。伪造信息和真实信息具有不同的解码难度，因此可以保证即便伪造信息被解密，真实信息仍然安全。预设的第二伪造信息，也被隐藏在第一伪造信息中，需要秘钥才能解密。因此，真实信息被三重加密，具有很高的安全性。
4.为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
5.一种基于超表面材料的三重光学加密方法，超表面由多个尺寸相同的纳米砖结构单元阵列于一平面上构成，将阵列中每个纳米砖结构单元都等效为一个起偏器，以超表面的纳米砖起偏器为载体，当光垂直入射至超表面或者在光路中引入滤光片时，由于多个纳米砖具有相同尺寸(即超表面的多个纳米砖具有相同尺寸)，仅能看到一片强度均匀的图像，这就构成了第一伪装信息；在入射光路中引入滤光片的同时，还可以引入起偏器来构建第一出射光强度调制函数，用于编码第二码伪装信息；然后在出射光路中再引入检偏器，可进一步构建第二出射光强度调制函数，用于编码真实信息。由此设计构建出的两种伪装信息和一种真实现象具有不同解密难度等级，且真实信息被编码在最高解码难度中，因此可以实现三重加密。
6.进一步地，所述第一伪装信息为灰度均匀图像，第二伪装信息可以为灰度图像或二值图像，真实信息为二值图像。
7.超表面结构由透明基底和沉积在其上的纳米砖阵列构成。当直接观测超表面时，只能看到一片均匀的灰度，没有任何信息，这就构成了第一伪装信息。当在光路中加入一个滤光片和一个起偏器，并将起偏器转动到特定位置，可借助放大系统，在超表面材料结构的表面，观察到另一个伪造信息。即便在[0,180
°
]的角度范围内转动起偏器，也观察不到真实
信息。只有在出射光路中再加入一个检偏器，并且同时转动起偏器和检偏器到特定的角度，才能观察到真实信息。
[0008]
所述纳米砖结构单元包括透明基底和纳米砖，透明基底放置于所述平面上，纳米砖沉积于透明基底上；纳米砖结构单元的转向角为θ，θ取值范围为[0,180
°
]；所述透明基底沉积有纳米砖的一面为边长为c的正方形工作面，边长c为亚波长级；所述纳米砖长l、宽w和高h均为亚波长级；所述l、w和h根据选定的入射光波长通过电磁仿真优化得到；以单元结构直角边为x轴和y轴建立xoy坐标系，纳米砖长边为长轴、短边为短轴，纳米砖的长轴与x轴夹角为纳米砖的转向角θ。
[0009]
在上述技术方案基础上，作为优选，所述的透明基底为熔融石英玻璃材料，所述的纳米砖为金、银、铝，硅等材料。
[0010]
在上述技术方案基础上，通过优化设计，使得某一工作波长下沿纳米砖长轴方向入射的线偏振光具有较高的反射率(或者透射率)，同时抑制其透射率(或者反射率)到接近0。或(和)使得沿纳米砖短轴方向入射的线偏振光具有较高的透射率(或者反射率)，同时抑制其反射率(或者透射率)接近0。实现透射型、反射型，或者同时为透射和反射型的起偏器的作用。
[0011]
在上述技术方案基础上，为了把预设的第二伪造信息和真实信息编码到不同的解密难度等级中，需要设计两种不同的强度调制函数。所述光路中引入滤光片是用以过滤得到特定波长的入射光，所述光路中引入起偏器是用以将过滤得到特定波长的入射光转换为线偏振光，该线偏振光的偏振方向记为α1。偏振方向为α1的线偏振光经过纳米结构单元后，出射光强i1能够表示为：
[0012]
i1＝i0[a2cos2(θ-α1) b2sin2(θ-α1)]
[0013]
其中，i0为入射光强，a和b分别为纳米砖长轴和短轴的复透射系数或者反射系数；当纳米砖为起偏器，即a＝0、b＝1(或者a＝1，b＝0)时，通过设计入射线偏光的偏振方向，以及设置入射强度i0取值，即可以实现出射光强调制函数为i1＝sin2θ，这个函数用来编码第二伪装信息。
[0014]
进一步地，在光路中引入的检偏器的检偏方向记为α2，以入射强度为i0、偏振方向为α1的线偏振光依次入射纳米砖结构单元以及检偏方向为α2的检偏器，得到出射光强i1与所述线偏光的偏振方向α1、纳米砖转向角θ以及检偏器的检偏方向α2之间的函数关系：
[0015][0016]
并设置入射强度i0为4，以及设置偏振方向α1、检偏方向α2的角度为特定值，即可以实现出射光强调制函数为i2＝cos2(2θ-45
°
)，这个函数用来编码真实信息。
[0017]
在[0,180
°
]范围内转动纳米砖转向角时，观察两个强度调制函数在各个范围内的强度变化情况，可以得到如下规律。
[0018]
转向角θ范围i1＝sin2θi2＝cos2(2θ-45
°
)[0,45
°
]0-0.50-0.5[45
°
,90
°
]0.5-10.5-1[90
°
,135
°
]0.5-10-0.5[135
°
,180
°
]0-0.50.5-1
[0019]
由此可知，在第一出射光强度调制函数中可以编码一幅连续灰度图像，在第二出射光强度调制函数中可以编码一幅二值图像。
[0020]
在上述技术方案基础上，可以基于单种单尺寸纳米结构来构建超表面材料。当直接用光照射超表面材料上时，只能看到灰度均匀的一片，没有任何信息，这就是第一伪装信息；当在光路中加入滤光片和起偏器，并转动起偏器到设定的角度，可以观察到一幅图像，为预设的第二伪造信息；当在光路中再加入一个检偏器，并把起偏器和检偏器转动到特定角度的时候，才能观测到隐藏的真实信息。因此本发明的方法具有较高的安全性。
[0021]
本发明所设计的一种基于超表面材料的三重光学加密技术具有以下优点和积极效果：
[0022]
1、本发明仅仅需要排列单尺寸纳米砖结构的转向角，不需要组合多个纳米砖结构，因此大大降低了其加工和设计的难度。
[0023]
2、本发明的工作模式也任意，可以在透射模式下或者在反射模式下工作，也可以实现透射和反射模型下同时工作，在实际应用中具有极大的便利。
[0024]
3、本发明的方法引入预设的伪造信息，并把其设计在与真实信息不同的解密难度等级，且本发明的真实信息仅能在几个特定的起偏器和检偏器组合下才能被解码，进一步增加了光学信息加密的安全性。
[0025]
4、本发明不仅兼具光学加密技术的共性优点，还具有较强的原创性、新颖性和扩展性，由于设计方法巧妙，所用结构简单，因此非常易于扩展到其他波段和光学平台。
[0026]
5、由于超表面体积小、重量轻、可高度集成，因此本发明也非常适合于未来小型化、微型化、便携式光学加密技术的发展。
附图说明
[0027]
图1是本实施例中纳米砖单元结构示意图。
[0028]
图2是本实施例中纳米单元结构透反射率扫描图。
[0029]
图3是本实施例中强度调制函数随纳米砖转向角的关系图。
[0030]
图4是本实施例中实现三重光学加密的示意图。
具体实施方式
[0031]
为了更清楚地说明本发明实施例和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
[0032]
下面以具体实施例结合附图对本发明作进一步说明。图1中，l为纳米砖长度，w为纳米砖宽度，h为纳米砖高度，c为纳米砖单元大小，θ为纳米砖的转向角，为纳米砖长轴与x轴之间的夹角。
[0033]
实施例本实施例为一种基于超表面材料的三重光学加密方法的具体实施过程。
[0034]
本实施例中，纳米单元结构由银纳米砖，硅基底层构成，选取设计波长为λ＝633nm，针对该波长，通过电磁仿真软件cst对纳米转单元结构进行优化仿真，得到优化后的银纳米砖的尺寸参数为：长为l＝160nm，宽为w＝80nm，高为h＝70nm，单元结构基底边长为c
＝300nm。该结构参数下纳米砖对沿着纳米砖长轴和短轴入射的线偏振光的透反射效率如图2所示，其中r
l
、rs分别代表沿纳米砖长轴和短轴反射的反射光效率。具体来说，在工作波长633nm处，纳米砖长轴方向的反射率r
l
和纳米砖短轴方向的透射率ts分别达到92.6％和95.3％，而沿着纳米砖短轴方向的反射率rs和沿着纳米砖长轴方向的透射率t
l
被抑制在4％和2％以下。因此，在633nm处，优化后的纳米砖在反射和透射两种模式下都可以看作理想的起偏器。
[0035]
当入射工作波长为633nm、沿着y轴方向振动的线偏振光至纳米砖起偏器时，出射光强度与纳米砖转向角之间的变化关系见图3，满足i1＝sin2θ函数。当在光路中再加入一个检偏器后，入射光强设置为4时，出射光强与纳米砖转向角之间的变化关系见图3，满足i2＝cos2(2θ-45
°
)，因此可以依据两种强度调制函数，来编码两幅图像。作为示例，本发明分别编码了两幅二值图像。
[0036]
本实施预期实现的效果如图4，当直接用key1去解密超表面材料时，什么信息也观察不到，这个为预设的第一虚假信息。当在key1的基础上再加入新的解码条件，可以得到key2，从中可以解码出一幅二值图像，但是这个为预设的第二虚假信息，是用来混淆视听的。要想从其中真正的获取真实信息，需要在key2的基础上再加入解码条件，并设定到特定的情况下，才能真正获取到被加密的真实信息，因此本发明的技术具有三重加密保证，具有很高的安全性。其中key1为直接用光照射或者加入滤光片，key2为用光照射的过程中加入滤波片和起偏器，key3为在key2的基础上再加入检偏器。
[0037]
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出任何的修改和改变，都落入本发明的保护范围。