摘要：随着信息技术的发展，信息安全面临越来越复杂的挑战。光学加密因其并行处理、高速率和低功耗等优势，成为现代安全系统的重要方向。然而，传统光学加密系统存在体积大、动态调谐能力差等问题，难以满足高集成度和高安全性的需求。该文提出了一种基于可编程全息结构光和光配向液晶元
随着信息技术的发展，信息安全面临越来越复杂的挑战。光学加密因其并行处理、高速率和低功耗等优势，成为现代安全系统的重要方向。然而，传统光学加密系统存在体积大、动态调谐能力差等问题，难以满足高集成度和高安全性的需求。该文提出了一种基于可编程全息结构光和光配向液晶元件的多维复用嵌套光学加密方法。通过在单个液晶元件中集成偏振、波长和空间位置三个自由度，实现了8通道信息复用，显著提升了信息容量和系统集成度。系统构建了一个四层嵌套加密结构：明文首先被编码为受密码保护的二维码；解密过程包括通过波长和位置提取远场全息密钥，结合RSA解密算法和26进制预处理，再通过偏振解码获取二维码密码，最终恢复明文。该混合加密方案融合了物理层复用与算法解密，提升了系统的复杂性与安全性。此外，液晶的电光可调性为系统增加了动态加密能力。该方案展示了高集成性、多功能性和结构简洁性，在光学存储、显示和通信安全等领域具有广泛应用前景。该文在Laser & Photonics Reviews上以“Multidimensional Multiplexing Nested Optical Encryption of Programmable Holographic Structured Light Based on Photoalignment Liquid Crystal Elements”为题发表。
信息技术的快速发展及其在社会各个领域的深度融合，带来了日益复杂的信息安全挑战。为此，各种加密技术不断涌现，以保障数据的完整性和防止篡改攻击。其中，光学加密作为一种强大的安全范式，利用基本的光学变换对明文进行扰乱和编码，从而实现信息的隐藏。基于数字全息、相位衍射、散射和单像素成像的光学加密技术扩展了密钥空间，实现了大规模加密。近年来，多维复用技术的进步为下一代光学加密提供了有前景的路径。然而，在集成度、维度扩展性和动态可调性方面仍存在挑战。该文提出了一种高度集成的光学加密策略，通过将偏振、波长和空间位置集成于单个液晶元件中，实现了8通道复用，从而以紧凑的形式大幅提升了信息容量。构建了一个多层嵌套加密机制，其中明文首先被编码为受密码保护的二维码（QR码）。解密过程包括通过特定波长和位置提取远场全息密钥，随后进行RSA解密和26进制预处理，最后结合偏振解码数据恢复QR密码并还原明文。该混合方案将物理复用与算法解密相结合，增强了系统的复杂性与安全性。此外，液晶的电光可调性为按需加密调制提供了额外的安全保障。
可编程全息结构光通过将目标计算全息图加载到空间光调制器上实现精确控制。通过用这种结构光照射光取向层，可以在液晶平面光学器件中实现高分辨率的多畴取向。其紧凑的结构、易于集成和多功能性，为传统光学加密所面临的挑战提供了一种优雅的解决方案。这种可编程性是通过精确控制液晶分子在平面内的取向实现的，从而能够调制输出光的振幅、相位和偏振。控制振幅和偏振的基本机制在于液晶分子的取向角度。特别值得关注的是“取向简并性”现象，即多种液晶取向可以产生相同的振幅响应。这一特性使得多个灰度图像可以在近场中被编码，而不会影响远场全息图像的显示，从而成为多维信息复用的物理基础。嵌套光学加密利用光的这种多维复用能力，构建了一种分层的加密机制，其中每一层的解密都依赖于前一层的解密结果或密钥。这显著提高了破解的难度，并增强了整体系统的安全性。
该文提出了一种基于可编程全息结构光和光取向液晶元件的多维复用嵌套光学加密方案（见图1）。通过在单个元件中集成偏振、波长和位置，展示了一个8通道复用系统，并进一步构建了一个四层嵌套加密结构（见图1c）。首先，每种自由度的复用能力被扩展为5个波长、7个位置和2个偏振通道（见图1a）。在此基础上，开发出一种高度集成的液晶元件，用于紧凑的多维编码（见图1b）。通过将物理层复用与算法处理相结合，该系统在光学域和数字域之间形成了嵌套加密。系统性能通过重建图像的峰值信噪比分析进行评估。
液晶分子具有一种被称为“取向简并”的性质，即当分子在平面内以不同角度排列时，却能够让人眼或探测器看到完全相同的透射光强，这意味着光强并不能唯一决定分子的实际取向，于是相同的亮度背后可以暗藏不同的相位延迟；利用这种一一对应亮度、却对应多种相位的映射关系，就能够在保持整个画面亮度均匀、无异常的前提下，把额外的灰度信息埋藏进近场的取向分布之中，而远场的全息图样依旧按照预设的相位分布正常再现，互不干扰；具体而言，通过精心设计液晶分子的转角，可以让某一组取向在给定偏振配置下给出高亮，而另一组看似“等效”的取向在另一组偏振配置下却呈现低亮甚至消光，于是同一块液晶片对不同的偏振“通道”呈现出截然不同的图像，实现偏振维度的独立编码；同样思路可推广到波长与空间位置，只要改变照明波长或观察距离，原先隐藏的图案便浮现出来，其余图案则退居背景，由此奠定偏振、波长、位置三维复用的物理基础，并为后续把多幅近场灰度图与远场全息图层层嵌套、按序解密的高安全性加密方案提供理论支撑。
为实现这一目标，掩膜的几何参数必须经过全局优化。研究团队选取由2×2子域构成的单位晶胞作为基本单元，所有子域共享同一延迟量，但慢轴取向可变。受液晶工艺限制，延迟量在整个掩膜上保持均匀，因此优化变量缩减为四个取向角、延迟量及掩膜到相机的距离。优化目标函数基于Fisher信息矩阵导出的Cramér–Rao下界，具体做法是最大化系统矩阵的最小奇异值，即降低条件数。遗传算法在六维参数空间中搜索，最终给出的图案呈现π/3等间隔取向，延迟量约为1.16π/2，对应多个可行的掩膜-相机距离。此组参数在460–660 nm范围内均能保持条件数低于阈值，表明系统对波长漂移具有鲁棒性。
如图2所示，在液晶平面元件上同时写入两幅近场灰度图像：通过光束扩束、偏振纯化与半波片预调，将蓝激光导入空间光调制器，调制器把计算好的结构光图样投射到覆有光取向剂SD1的样品表面，SD1随光偏振方向发生分子级取向记忆，随后旋涂液晶聚合物并紫外固化，形成与取向图案对应的像素化超结构；当用红、绿、蓝三色光分别照明并在正交偏振下观察时，样品在0°方位呈现清晰熊猫，在旋转22.5°后同一区域显现兔子，两图亮度对比分明、边缘锐利，且在可见波段内响应一致，直接证明取向简并可在宽谱条件下独立存储并选择性读取两幅灰度信息。
在远场全息中，如图3所示，先利用迭代相位恢复算法在频域反复推演，把目标振幅图案转换成纯相位全息图并写入样品B，照明光无需透镜即可在预设距离处重建图像；作者用红、黄、绿、蓝、紫五种单色光依次照射，在接收屏上分别得到对应字母R、Y、G、B、P，其横向位置随波长自然偏移，长波图案更大、短波更小，与衍射角色散的规律一致，预设14 cm处实际测得13.5–14.5 cm，误差源于景深和色差，图像峰值信噪比保持在24 dB以上，证实波长维度的独立解码能力；随后在样品C中把全息算法里的接收距离设为变量，让同一绿光在不同传播距离处依次浮现数字1至7，预设值与实测值从8 cm到38 cm逐渐偏离，仍符合远场衍射随距离线性放大的规律，证明空间位置亦可作为独立密钥；这两组实验共同表明，通过把波长与位置信息嵌入全息相位，可在无需额外元件的情况下实现“一图多景”的远场复用。
完成了近场灰度处理和远场灰度处理后，将近场灰度与远场全息拼接成完整加密链路。如图4所示，研究团队在样品D中把波长、位置、偏振三个自由度同时用作密钥容器：先用532 nm光在12、16、20 cm处分别调出数字1、6、7，再用457 nm和650 nm光在25 cm处调出4和8，组合得到密文“167418”；随后把样品置于0°起偏、90°检偏的正交偏振态，视场中浮现QR码，旋转22.5°后同一区域显现字母“ABCD”，二者分别承载下一级解密线索；系统将“167418”经RSA私钥和26进制预处理解出“PZOA”，与偏振通道的“ABCD”按维吉尼亚密码合成“LCOD”，以此作为口令解锁QR码，最终读出明文“USST”；任何一步顺序错误或缺失都无法得到正确口令，彻底排除假解密路径，实验测得各图案PSNR均高于24 dB，证明光学域与算法域串联的四级嵌套既能扩容又能增安；该方案把看似独立的全息焦斑、灰度图像和二维码按既定逻辑串成“位置-波长-偏振-算法”链条，展示了一种无需额外硬件、仅靠液晶取向多维编码即可实现的大容量、高鲁棒、防暴力破解的光学加密架构。
LC的一个关键优势在于其可电调谐性，从而能够动态控制光传播。如图5所示，研究团队将聚合物分散液晶PDLC灌入ITO玻璃制成的10 μm空腔，形成电压可控的散射体，并在其外表面记录远场全息，得到样品E；无电压时PDLC微滴取向无序，入射光被强烈散射，样品呈高雾度，不仅掩盖底层任何图案，也阻断远场衍射重建，系统处于“OFF”隐匿态；施加约几十伏交流电场后，液晶分子沿电场方向重排，PDLC层瞬间透明，底层卡通图像清晰可见，同时照明光得以穿透并与表层全息相位作用，于预定距离处再现线描小狗，系统切换至“ON”显态；实验通过简单通断电，实现信息在“不可见—可见”之间的瞬时切换，既可在空间上隔离非法观测，又能在时间上按需释放密钥，且电光响应可重复百万次以上，功耗极低；该电控机制与此前位置-波长-偏振-算法四级嵌套无缝衔接，形成“静态多维编码+动态门控”的复合安防体系，使攻击者即便掌握全部光学密钥，也无法在断电状态下获取任何有用信号，从而把液晶元件的取向简并、全息复用和电光散射三者整合为一套紧凑、可重构、防窥探的光学加密终端，为下一代安全存储、身份认证和现场实时加解密提供了即插即用的硬件路径。
总的来说，该研究通过将可编程全息结构光与光取向液晶元件相结合，展示了一种高度集成的多维嵌套光学加密方案；利用单一元件同时调控偏振、波长与空间位置，可在光学域和算法域实现八通道并行加密，显著提升信息密度的同时并未增加结构复杂度；把解密钥匙分散到多个光学自由度，使破解难度呈指数级增长，而液晶分子的电光可调性进一步赋予系统按需切换的主动防护能力，形成“静态多维编码＋动态门控”的双重安全屏障；实验以八通道为概念验证，但仅需扩展波长、位置或偏振的多样性即可无缝增加通道数量，具备良好可扩展性；该平台兼具多功能、高集成和结构简洁的优势，为光学存储、超紧凑显示和安全通信等下一代信息防护应用提供了切实可行的技术路线，并推动光学加密向更高容量、更高安全性和实时可重构方向发展。
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来源：凯视迈精密测量