基于太赫兹超表面的热控光学加密技术介绍

近日，北京理工大学黄玲玲教授团队与天津大学张学迁教授团队合作，提出了一种能够通过温度变化实现信息的可逆加密与再现的太赫兹超表面，该工作巧妙结合了相变材料氧化钒与电磁感应透明效应（EIT）二者的特性与工作原理。

该项研究成果发表在国际著名期刊Laser & Photonics Reviews上，题目为“Dynamic Terahertz Metasurface for Thermally Controlled Optical Encryption”。 相变材料具有广阔的应用领域，氧化钒是最为常用的相变材料之一，其能够在绝缘态和金属态之间通过温度变化实现相态与光学参数改变，并且所需相变温度只有68摄氏度，同时具备易逝与可逆性，因此氧化钒十分适合应用温度变化实现动态功能。

超表面是一种利用“人工原子”，按照特定排列方式构建成的准二维平面材料，工作在太赫兹波段的超表面同时具有微波和红外波段的光学性质，并且其天线结构尺寸远大于工作在可见光和近红外波段的超表面结构尺寸，使其相对来说易于加工，更容易实现一些宏观的动态操纵，近年来始终是学者们的研究热点。

目前，基于相变材料氧化钒的动态太赫兹超表面多是实现异常折射或是全息显示的功能，还没有将其应用于光学加密，若通过简单的温度调节就实现加密信息的可逆显示与隐藏，具有重要研究价值与应用意义。 研究创新点

基于相变材料氧化钒的太赫兹超表面工作多是直接利用氧化钒构成主要天线，再通过改变温度使得氧化钒的光学参数改变，进而实现动态功能。本项工作与上述传统设计方法不同，北京理工大学与天津大学共同提出了一种动态超表面的全新设计方法，结合传统的电磁感应透明效应（EIT），并引入氧化钒材料作为控制EIT效应的开关，进而实现二值全息图的再现与消失，即光学解密与加密过程。

图1 热控光学加密太赫兹超表面的工作示意图

所提出的太赫兹超表面由动态像素和静态像素两种像素构成，二者共同点在于都由一根金棒与两个开口相对的金开口谐振环组成，不同之处在于动态像素中有一对氧化钒结构开关。当氧化钒处于绝缘状态，控制EIT效应开启，故此时动态像素和静态像素的振幅均处于高值，光通过后不显示任何有效信息。温度改变后，氧化钒切换至金属状态，此时动态像素中的金开口谐振环导通，导致其内部电流分布改变，控制EIT效应关闭，同时像素振幅下降，此时整个超表面将呈现出一幅二值全息图，当工作频率0.63THz的光通过后，能够良好全息再现出设计的字母X。

图2 静态与动态天线的结构图与EIT效应的开与关示意图

研究团队针对氧化钒的相变方式在实验验证过程中采用全局热调控，该方式相对于逐像素调控更易实现相态的转变，并且具备更快的调相速度。此外，将传统EIT效应带来的宽波段内的窄带透射峰的开启与关闭用于实现二值振幅全息也是本项工作的亮点之一，从而验证了该温控太赫兹超表面的光学加密性能，完备的展现了器件的可行性。

这种结合相变材料、温控实现光学加密与解密的太赫兹超表面器件不仅为结合相变材料实现动态功能的太赫兹超表面提供了新思路，也为利用氧化钒材料与EIT效应实现可逆光学加密与解密提供了清晰的理论和设计指导，还为未来光信息安全和成像等领域的研究与应用奠定了基础。未来有望更改现有算法，扩展加密图像数量，由此增加信息的存储容量或引入干扰因素增强信息的安全性，使得该类工作具有更加广阔的应用前景和可观的应用价值。

论文共同第一作者为北京理工大学的博士生祝双琦和军事科学院助理研究员董博文，通讯作者为北京理工大学黄玲玲教授和天津大学张学迁教授。该工作受到科技部重点研发计划、国家自然科学基金联合基金重点项目等资助。

审核编辑：刘清