基于太赫茲超表面的熱控光學(xué)加密技術(shù)介紹

近日，北京理工大學(xué)黃玲玲教授團(tuán)隊(duì)與天津大學(xué)張學(xué)遷教授團(tuán)隊(duì)合作，提出了一種能夠通過溫度變化實(shí)現(xiàn)信息的可逆加密與再現(xiàn)的太赫茲超表面，該工作巧妙結(jié)合了相變材料氧化釩與電磁感應(yīng)透明效應(yīng)（EIT）二者的特性與工作原理。

該項(xiàng)研究成果發(fā)表在國際著名期刊Laser & Photonics Reviews上，題目為“Dynamic Terahertz Metasurface for Thermally Controlled Optical Encryption”。 相變材料具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，氧化釩是最為常用的相變材料之一，其能夠在絕緣態(tài)和金屬態(tài)之間通過溫度變化實(shí)現(xiàn)相態(tài)與光學(xué)參數(shù)改變，并且所需相變溫度只有68攝氏度，同時具備易逝與可逆性，因此氧化釩十分適合應(yīng)用溫度變化實(shí)現(xiàn)動態(tài)功能。

超表面是一種利用“人工原子”，按照特定排列方式構(gòu)建成的準(zhǔn)二維平面材料，工作在太赫茲波段的超表面同時具有微波和紅外波段的光學(xué)性質(zhì)，并且其天線結(jié)構(gòu)尺寸遠(yuǎn)大于工作在可見光和近紅外波段的超表面結(jié)構(gòu)尺寸，使其相對來說易于加工，更容易實(shí)現(xiàn)一些宏觀的動態(tài)操縱，近年來始終是學(xué)者們的研究熱點(diǎn)。

目前，基于相變材料氧化釩的動態(tài)太赫茲超表面多是實(shí)現(xiàn)異常折射或是全息顯示的功能，還沒有將其應(yīng)用于光學(xué)加密，若通過簡單的溫度調(diào)節(jié)就實(shí)現(xiàn)加密信息的可逆顯示與隱藏，具有重要研究價值與應(yīng)用意義。 研究創(chuàng)新點(diǎn)

基于相變材料氧化釩的太赫茲超表面工作多是直接利用氧化釩構(gòu)成主要天線，再通過改變溫度使得氧化釩的光學(xué)參數(shù)改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)動態(tài)功能。本項(xiàng)工作與上述傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不同，北京理工大學(xué)與天津大學(xué)共同提出了一種動態(tài)超表面的全新設(shè)計(jì)方法，結(jié)合傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)透明效應(yīng)（EIT），并引入氧化釩材料作為控制EIT效應(yīng)的開關(guān)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)二值全息圖的再現(xiàn)與消失，即光學(xué)解密與加密過程。

圖1 熱控光學(xué)加密太赫茲超表面的工作示意圖

所提出的太赫茲超表面由動態(tài)像素和靜態(tài)像素兩種像素構(gòu)成，二者共同點(diǎn)在于都由一根金棒與兩個開口相對的金開口諧振環(huán)組成，不同之處在于動態(tài)像素中有一對氧化釩結(jié)構(gòu)開關(guān)。當(dāng)氧化釩處于絕緣狀態(tài)，控制EIT效應(yīng)開啟，故此時動態(tài)像素和靜態(tài)像素的振幅均處于高值，光通過后不顯示任何有效信息。溫度改變后，氧化釩切換至金屬狀態(tài)，此時動態(tài)像素中的金開口諧振環(huán)導(dǎo)通，導(dǎo)致其內(nèi)部電流分布改變，控制EIT效應(yīng)關(guān)閉，同時像素振幅下降，此時整個超表面將呈現(xiàn)出一幅二值全息圖，當(dāng)工作頻率0.63THz的光通過后，能夠良好全息再現(xiàn)出設(shè)計(jì)的字母X。

圖2 靜態(tài)與動態(tài)天線的結(jié)構(gòu)圖與EIT效應(yīng)的開與關(guān)示意圖

研究團(tuán)隊(duì)針對氧化釩的相變方式在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程中采用全局熱調(diào)控，該方式相對于逐像素調(diào)控更易實(shí)現(xiàn)相態(tài)的轉(zhuǎn)變，并且具備更快的調(diào)相速度。此外，將傳統(tǒng)EIT效應(yīng)帶來的寬波段內(nèi)的窄帶透射峰的開啟與關(guān)閉用于實(shí)現(xiàn)二值振幅全息也是本項(xiàng)工作的亮點(diǎn)之一，從而驗(yàn)證了該溫控太赫茲超表面的光學(xué)加密性能，完備的展現(xiàn)了器件的可行性。

這種結(jié)合相變材料、溫控實(shí)現(xiàn)光學(xué)加密與解密的太赫茲超表面器件不僅為結(jié)合相變材料實(shí)現(xiàn)動態(tài)功能的太赫茲超表面提供了新思路，也為利用氧化釩材料與EIT效應(yīng)實(shí)現(xiàn)可逆光學(xué)加密與解密提供了清晰的理論和設(shè)計(jì)指導(dǎo)，還為未來光信息安全和成像等領(lǐng)域的研究與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。未來有望更改現(xiàn)有算法，擴(kuò)展加密圖像數(shù)量，由此增加信息的存儲容量或引入干擾因素增強(qiáng)信息的安全性，使得該類工作具有更加廣闊的應(yīng)用前景和可觀的應(yīng)用價值。

論文共同第一作者為北京理工大學(xué)的博士生祝雙琦和軍事科學(xué)院助理研究員董博文，通訊作者為北京理工大學(xué)黃玲玲教授和天津大學(xué)張學(xué)遷教授。該工作受到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目等資助。

審核編輯：劉清