哈工大（深圳）肖淑敏深圳团队实现超大通道数可编程超表面

导读

近日，哈尔滨工业大学（深圳）微纳光电信息信息系统理论与技术工信部重点实验室中心团队设计实现了一种可编程超表面。通过将相位信息矩阵分成入射光相位矩阵和超表面相位矩阵两个部分，该可编程超表面可以利用一块超表面实现任意远场全息图案。该设计在信息加密、信息调制解调领域具有十分重要的应用。

       不同于传统的单一超表面相位调制，该创新研究将相位信息矩阵拆分成一个可调的相位矩阵和一个固定的相位矩阵。通过调制空间任意分布的相位分布，全息图案能够以很高的加密程度被加密传输，这对于信息加密、信息解调制等应用具有十分重要的价值。研究成果以“Reprogrammable meta-hologram for optical encryption”为题在线发表在《自然·通讯》（Nature Communications）期刊上。哈尔滨工业大学（深圳）肖淑敏教授和香港理工大学蔡定平（Din-Ping Tsai）教授为共同通讯作者，哈工大（深圳）电子信息与技术学院2018级博士生曲歌扬为第一作者。

研究背景

在当今互联网时代，信息，往往具有非比寻常的价值。而层出不穷的黑客事件，又在提醒我们信息加密的重要性和紧迫性。在各种加密方式中，基于传统光学或量子光学的光学加密是一种低功耗、高加密度的解决方案。而在过去，光学加密又由于体积较大等缺点难以走向应用。光学超表面，一种能精准调控光场振幅、相位、偏振等特征的光学器件，由于其集成化、小型化的特点，受到了越来越多的关注。超表面集成化、精准控制光场的特性恰恰可以解决传统光学加密的痛点。 

       在当前的国内外研究中，通过利用波长、偏振等光学基本特性，多通道复用的光学超表面加密已经得到了实现。但是由于光学参数数量有限的限制，复用通道的个数目前最多只达到了26个。低通道数不仅限制了信息传输的密度，而且还将信息加密的程度大大缩减。

创新研究

为了解决上述问题，肖淑敏研究团队提出了一种可编程的超表面。研究者将相位信息一分为二，一份加载到入射光场中，另一份加载到超表面上。当调制过的入射光场照射到超表面上时，二者将发生相互作用，生成一份全新的相位分布。而这份全新的相位分布即可在远场产生任意的强度分布，也就是在远场实现全息图案。如图1(a) 所示，只有入射光加载的相位分布和超表面加载的相位分布以正确的方式发生相互作用时，才可以生成正确的全息图案--“HIT 100”（纪念哈工大建校100周年）。而入射光场或者超表面单独作用时，远场图案要么呈现散斑效果，要么呈现误导信息。

图1：工作原理示意图 

研究者指出，在实际应用中，可以将入射光相位分布作为云端将要传递的信息，而超表面则作为硬件分发到具有资质的用户手中。只有用户同时掌握了云端的入射光信息和本地的超表面硬件信息，才可以正确解读出“HIT 100”这个信息。假如黑客盗取了云端传输的入射光相位分布，在没有超表面的前提下，黑客没有任何可能得到有效的信息。而即使用户的超表面硬件不慎丢失，单凭超表面也只会得到故意设计的误导信息。

       如图2所示。肖淑敏团队在实验上验证了上述构想。图2(d) 从左到右分别是正确的远场全息图案、超表面相位信息解读出的随机远场图案以及入射光相位信息解读出的误导性远场全息图案。

图2: 可重构超表面的示意图。（a）目标图案、模拟全息重构图案、入射光相位分布以及超表面相位分布。（b）可重构超表面的扫描电镜图片。（c）实验光路图。（d）实验结果。

研究者还验证了该方案的加密强度。如图3所示，研究者展示了当信息被盗取不同比例时的全息图案。为了清楚的验证抗盗取能力，人为的扰动被引入到了入射光相位分布中来。可以看到，当有50%的信息被扰动时，全息重构图案已经接近噪声级别，完全无法辨认。这意味着如果黑客想要破解正确的图案，至少需要盗取50%的信息才有可能正确破解加密信息。这个数值甚至高过了利用鬼成像加密技术所能达到的比例。

图3：可重构超表面的扰动测试。

除了高灵活性和高加密强度外，接近无限的通道复用数也是该研究的一大亮点。在使用同一固定超表面的前提下，通过改变入射光场的相位分布，研究者可以实现多幅不同的全息图案。如图4所示，通过不停改变入射光相位分布，研究者实现了一整个化学元素周期表上118个元素的全息图像。需要指出的是，118个元素并不是该方案的通道复用数目上限。理论上，该方案可以实现任意的全息图案。

图4: 元素周期表全息图。

最后，肖淑敏团队通过连续切换入射光相位分布，实现了一段桌上弹球小游戏的展示。这段视频展示了该应用在加密传输视频方向的巨大潜力。
 
       综上所述，团队回顾了光-超表面相互作用，并通过实验实现了可编程的超表面。通过将设计的相位分布分解为两个矩阵，并将其定义为入射光场和超表面，发现通过全光控制可以弥补超表面在光学频率范围内像素级控制的不足。通过对入射光束的相位控制，实验证明了单个超表面可以显示任意全息图像和加密视频。该技术将在信息安全和认证中得到应用。同时，它也在动态显示领域迈出了一大步。