Feature Article | 级联超构表面阵列——构建高维结构光场，助力光学信息加密

研究背景

      随着信息技术的迅速发展，信息安全问题和由此衍生的信息加密技术得到了愈发广泛的关注。光学加密技术融合光子的多个自由度，具有高速并行处理的优势，为高性能、低功耗的信息加密提供了可靠的解决方案。然而，传统的光学加密系统往往依赖复杂、笨重的光学组件，并且对于光场的操控能力有限，导致加密效率低下，安全性能难以保障。超构表面作为一种人工设计的二维平面光学元件，可以在亚波长尺度下对光场进行灵活调控，为小型化、高效化的光学加密系统提供了极具潜力的平台。

      超构表面光学加密是一种将明文信息隐藏到超构单元响应中的加密策略。借助超构表面的多维光场调控能力，不同的光参量包括入射角度、波长、偏振、轨道角动量模式等能够构建密钥空间以提升加密的复杂性。同时，超构表面的多维复用通道可以作为编码通道加载不同信息。尽管如此，单个超构表面提供的密钥空间和编码空间有限，加密系统的安全性和信息容量有待进一步提升。

论文导读

      得益于超薄的器件尺寸和易于集成的优势，超构表面具有空间可扩展性，级联式和阵列化的超构表面有望为高安全性、大容量的光学信息加密和防伪开辟新的途径。根据这一思路，本文提出了一种基于级联超构表面阵列的高维庞加莱光束加密方案。通过级联不同的超构表面子单元，按需生成完美高维庞加莱光束，展示了光学信息加密功能，有望推动光学信息安全的快速发展。该研究以“High-dimensional Poincaré beams generated through cascaded metasurfaces for high-security optical encryption”为题目发表于 PhotoniX 期刊。

主要研究内容

      庞加莱光束具有空间变化的偏振、相位分布，携带多个可调控的自由度，在光学加密和编码领域展现出了巨大的应用潜力。本文针对超构表面加密中密钥空间、编码空间受限的问题，首先探究了单个手性超构表面生成多通道完美混合阶庞加莱光束的可行性，进一步通过级联两片超构表面验证了高维庞加莱光束的产生机制，同时有效调控了高维庞加莱光束的多个参数属性。最后基于阵列化的超构表面构建了高维庞加莱光束信息加密框架，为光学加密系统高性能、小型化、集成化的发展提供了一种极具前景的策略。

技术突破

      本工作首先利用手性超构表面设计了左右旋解耦的三个独立相位通道，通过正交圆偏通道的相干叠加，在不同入射圆偏振条件下生成两种独立的完美混合阶庞加莱光束（图1）。

      为了获取更多调控自由度，研究人员提出级联两片手性超构表面，在左右旋圆偏振入射下分别产生不同的完美高维庞加莱光束（图2）。同时通过改变级联超构表面参数，精确调控了高维庞加莱光束的偏振级数、椭偏度以及方位角等属性。根据上述设计，可以将信息加载到高维庞加莱光束对应的可调控参数上，从而完成光学编码功能。

      作为光学加密功能的概念验证，研究人员构建了两组包含16×10个子单元的超构表面阵列（图3）。发送方首先将明文信息隐藏在超构表面阵列中，同时将阵列间的对齐坐标作为密钥。接收方根据定制的坐标密钥，对齐并级联相应的超构表面子单元，随后对生成高维庞加莱光束的空间光场分布进行分析，解码出加载的明文信息，实现高维庞加莱光束加密的功能。

观点评述

      本工作展示了利用级联手性超构表面生成完美高维庞加莱光束的方法，并基于超构表面的空间可扩展性，提出了基于级联超构表面阵列的光学加密方案，利用超构表面阵列中子单元的组合和高维庞加莱光束的多维参数极大地拓展了加密系统的密钥空间和编码空间。该研究为多层超构表面光场调控提供了可行的思路，丰富了复杂矢量涡旋光场的产生手段，有望推动庞加莱光束在信息加密、光通信、激光雷达、量子信息等领域的潜在应用。