撰稿人：鄧子嵐、涂清安

超構表面的一個重要應用是信息隱藏技術，主要體現身份證、貨幣、信息卡等信息安全領域的信息加密與防偽功能。受馬呂斯定律啟發，一幅圖像的強度信息可以間接地通過光波的偏振態來實行編碼。通過這種方式，私密信息可以安全地隱藏在均勻照明的光束下，只有借助于檢偏器，才能將隱藏的圖像信息在特定的偏振化方向上窺探出來。其中，正交偏振態通常被認為是其實現信息復用和隱藏技術應用的必要條件，即通過給相互正交的偏振光施加獨立的編碼信息，實現信息復用及隱藏等應用。基于該方法衍生的光場獨立調控和信息安全問題，往往受到光場調控自由度和加密層級的限制。

為了提升信息防偽與加密的安全級別，人們通常將兩幅甚至多幅圖像信息加載到相互正交的物理量基矢（如偏振態或偏振態組合）上，需要在多個預設通道態下解碼多個圖像，增加了顯示隱藏信息的難度。如人們已經實現了在正交線偏振態基矢，正交圓偏振態基矢、甚至是正交橢圓偏振態下圖像信息的復用隱藏技術。

鑒于正交偏振態通常被認為是實現信息復用和隱藏技術應用的必要條件，當人們找到一個圖像信息泄露通道時，便很容易想到另一個信息泄露通道必為其正交態，從而降低防偽的安全性能。

針對這一問題，暨南大學光子技術研究院海外英才創新團隊與哈爾濱工業大學（深圳）、深圳大學研究組合作，提出了一種雙原子全電介質超構表面的偏振衍射光學元件，利用復合單元結構中雙原子旋轉角之和/差對衍射光的偏振角/振幅的同時獨立調控，實現了基于馬呂斯定律的任意偏振角圖像復用及信息隱藏功能，在信息加密防偽和光學存儲等領域有著潛在應用前景。

效果圖：任意非正交偏振復用超構表面

相關研究成果以"Vectorial compound meta-pixels for arbitrary non-orthogonal polarization steganography”為題發表在 Advanced Materials。

為了打破正交基矢信息復用的局限性，本研究工作重新審視了馬呂斯定律I=I0cos2θ中的可用自由度發現，以往人們僅僅利用了定律中的方向轉角θ自由度，而另一個強度I0自由度完全被忽略。雖然定律中存在轉角簡并性（即：一個光強值可以由多個不同的方向轉角加以調制），可以在一定程度上增加圖像信息的存儲通道，但受限于簡并度的大小，額外的信息通道僅能編碼二值圖像。

本研究工作將雙原子多自由度超構表面對光場振幅、偏振同時獨立調控的特征（如圖1所示）與馬呂斯定律結合，完全開發了馬呂斯定律中轉角、強度兩個自由度，打破了獨立信息復用的正交性固有限制，實現了任意非正交偏振角復用隱寫的衍射光學元件（如圖2所示）。

圖1 雙原子全電介質超構光柵架構的原理示意和仿真分析。（a）雙原子全電介質超構表面的原理示意圖；（b）雙原子復合單元結構的俯視圖；（c）雙原子旋轉角與振幅之間的調制關系；（d）雙原子旋轉角與出射光場偏振角之間的調制關系。

圖2 基于雙原子全電介質超構表面的任意偏振角圖像復用(a)和任意偏振角圖像隱藏(b)。

本研究工作通過打破正交偏振復用的限制，提供了一種先進的超構表面信息隱寫技術，具有任意偏振角圖像復用和隱藏功能。

雙原子復合單元結構的設計，實現了對衍射光的振幅與偏振的同時獨立調控，從而能將馬呂斯定律中的轉角與光強自由度同時利用起來，為任意角偏振復用及隱藏技術提供了技術條件。

這種任意偏振角復用方案可以促進超構表面光學的發展，將超構表面偏振衍射光學元件的應用范圍擴展到更為廣泛的空間。

論文信息：

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.

暨南大學為論文完成第一單位，暨南大學鄧子嵐副教授為論文第一作者，暨南大學鄧子嵐副教授、李向平教授，哈爾濱工業大學（深圳）肖淑敏教授為該論文的共同通訊作者。本研究受國家自然科學基金、廣東省珠江人才計劃創新創業團隊項目、廣東省自然科學基金等資助完成。

論文地址：

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

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監制 | 趙陽

編輯 | 趙唯

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