《Light-Science & Applications》：Multi-parameter enhanced optical encryption with biphasic chiral photonic crystals
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将信息编码到刺激响应材料的多级结构中，利用光的自旋、波长、振幅和相位等多个自由度，是光学加密的一种极具前景的策略。本文提出了一种双相手性光子晶体平台，解决了光子自旋、波长和功能之间的内在耦合问题，从而提供了一个多参数安全框架，显著增强了加密复杂性。通过将两种具
将信息编码到刺激响应材料的多级结构中，利用光的自旋、波长、振幅和相位等多个自由度，是光学加密的一种极具前景的策略。本文提出了一种双相手性光子晶体平台，解决了光子自旋、波长和功能之间的内在耦合问题，从而提供了一个多参数安全框架，显著增强了加密复杂性。通过将两种具有相反手性且可分别进行光图案化的手性光子晶体集成到单个单元中，实现了正交自旋和离散波长的独立几何相位调制。研究人员演示了具有部分温度鲁棒和部分热响应信息的近场偏振干涉成像和远场自旋复用全息术。此外，研究人员将两个远场图像中的目的地经纬度坐标隐藏起来，只有在温度、光学自旋和波长的正确组合下才能显示。这种双相系统充分利用了光在高级加密方面的潜力，将大幅提高安全物流、防伪和硬件认证的安全性。
论文解读
研究背景
在当今数字时代，云计算、物联网和人工智能的发展使得信息安全成为全球关注的重点。传统的电子加密依赖计算复杂度，面临着计算能力快速增长的威胁，特别是量子计算的出现。相比之下，物理层安全策略（如光学加密）通过利用光的高维并行处理能力，提供了对算法攻击的固有抵抗能力。这对安全物流、高价值防伪、敏感领域的隐私保护显示器、加密AR/VR系统以及物联网的硬件级认证等新兴市场提出了对紧凑、坚固且低成本的光学解决方案的迫切需求。
光子晶体因其空间周期性纳米结构而在光学加密中发挥关键作用，其角度依赖的窄带布拉格反射特性，以及对外部刺激的响应能力，允许动态调谐其光子带隙和反射率。然而，以往大多数利用此类结构的工作仅依赖于光的一个自由度（包括振幅和波长）的调制。引入更多自由度有望显著增强信息熵的不可克隆性。因此，将圆偏振无关或方向分离的功能引入光学加密和防伪技术具有重要意义。胆甾相液晶能自发形成一维手性光子晶体，提供光子带隙内的本征圆偏振选择性。蓝相液晶则由双扭柱的立方晶格组成，构成三维光子晶体。这两种材料独特的性质使其成为多维光操纵的卓越介质。
本文研究人员提出了一种双相手性光子晶体平台，实现了高容量、多通道的光学加密。该系统同时产生独特的近场和远场光学信息。在近场中，通过反射圆偏振干涉产生两个独立的图像。在远场中，形成对应于特定圆偏振和波长的每个相位的独立全息图。该平台通过洗去未反应的单体，然后将相反手性的胆甾相液晶重新填充到聚合物稳定的蓝相液晶中来制备。这一过程产生了两个稳定共存的光子晶体：原始的蓝相液晶和在由网络收缩产生的大气间隙中新形成的胆甾相液晶层。关键在于，蓝相液晶层具有热鲁棒性，而胆甾相液晶层的光学性质对温度敏感。这种多重刺激响应性，结合两相的正交光学响应，意味着隐藏信息只能在正确的温度、偏振和波长下被检索。该设计不仅大幅提高了加密安全性，还为先进平面光学提供了一个多功能平台。
关键技术方法
研究人员采用“聚合稳定-洗出-再填充”的分步工艺制备双相手性光子晶体。首先，将蓝相液晶前体毛细管填充到光图案化液晶盒中，冷却以促进有序蓝相I纹理的成核和生长，随后通过原位光聚合稳定化，得到聚合物稳定的蓝相液晶薄膜。接着，将薄膜浸入溶剂中以去除未反应的单体和可提取成分，形成聚合物模板并产生大气间隙。最后，将相反手性的胆甾相液晶重新填充到含模板的盒中，在同一器件架构内产生双相手性光子晶体。表征手段包括光谱仪记录反射光谱、偏振光学显微镜捕获显微照片、扫描电子显微镜获取截面图像，以及使用超连续激光器和声光可调滤波器输出单色光束进行光学测试。
研究结果
多通道光学加密通过光图案化双相手性光子晶体实现
研究人员展示了由左手性胆甾相液晶和聚合物稳定的右手性蓝相液晶堆叠而成的双相手性光子晶体示意图。它们相反的手性赋予了正交的自旋选择性，而其不同的带隙和分别光图案化的排列允许对近场反射和远场衍射进行波长和形状控制。在近场通道，匹配各层手性和带隙的圆偏振分量被反射，获得局部排列方向两倍值的几何相位。该相位调制的反射与反射的相反圆偏振发生干涉，重组的线偏振在通过分析器时形成目标“花”和“叶”图案。旋转分析器可切换图像至其互补版本。同时，远场通道在特定自旋和波长下投射出不同的全息图像。聚合物稳定的蓝相液晶层记录的光学信息只能通过正确的自旋和波长解码，并且由于聚合物稳定作用表现出高热稳定性。相比之下，胆甾相液晶的螺旋节距具有温度依赖性，使其工作波长能够进行热调谐。
双相手性光子晶体的制备
研究人员通过洗去聚合物稳定的蓝相液晶中未反应的单体，随后用相反手性的胆甾相液晶重新填充所得模板，实现了双相光子晶体结构的制备。这一过程产生了两个堆叠的光子晶体：原始的聚合物稳定的蓝相液晶和在新形成的大气间隙中形成的胆甾相液晶层。横截面扫描电子显微镜图像证实了不可逆收缩和平坦表面的形成，验证了大气间隙的产生，促进了第二手性光子晶体——胆甾相液晶层的形成。反射光谱的结构演变进一步证实了这一点，原始聚合物稳定的蓝相液晶表现出强烈的窄布拉格反射带，洗去单体后反射带移至紫外区域，重新填充后电池显示出两个不同的反射带，分别对应胆甾相液晶和聚合物稳定的蓝相液晶。
近场成像
研究人员在初始聚合物稳定的蓝相液晶中记录了二进制图案化排列，洗去未反应单体并产生大气间隙后，进行了新的图案化光对齐。重新填充的胆甾相液晶在聚合物模板中仍形成右手性聚合物稳定的蓝相液晶并保持原始排列，而间隙中的胆甾相液晶是左手性的并遵循新的排列。圆偏振干涉的光学表征表明，当用左旋圆偏振光照亮时，“花”图像仅在温度降至清亮点以下时出现，随着温度进一步降低至室温，图像颜色从红色变为黄色，对应于光子带隙的热致蓝移。当从相反侧照亮时，观察到“叶”图像，其颜色和反射率因聚合物稳定赋予的优异热稳定性而保持稳定。这些观察结果得到了自旋选择性反射光谱的证实。对于左旋圆偏振光，反射带随冷却从650纳米连续移至580纳米，反映了左手性胆甾相液晶的热响应性。对于右旋圆偏振光，中心波长保持固定，证明了右手性聚合物稳定的蓝相液晶的热稳定性。
远场全息术
研究人员进一步演示了双相光子晶体作为远场自旋解复用全息术的应用，为光学加密提供了两个新的独立通道。通过Gerchberg-Saxton算法生成对应于南京地理坐标的两个相位图，然后将获得的全息图编码到双层的单独排列中。解密过程可以设想为一个象征性的“寻宝”，正确的位置一直隐藏直到应用特定的密钥：波长、自旋和温度。在55摄氏度时，左手性胆甾相液晶是各向同性的，在500纳米和540纳米的左旋圆偏振光照亮下，远场仅出现零级衍射斑。对于500纳米右旋圆偏振光也是如此，因为波长位于右手性聚合物稳定的蓝相液晶的光子带之外。相反，540纳米右旋圆偏振光照亮落在右手性聚合物稳定的蓝相液晶的光子带隙内，成功重建了纬度信息。然而，整个加密信息仍未成功检索。在室温下，入射500纳米左旋圆偏振光清晰地揭示了经度信息，而入射540纳米右旋圆偏振光重建了纬度信息。不同自旋光产生的全息图之间的串扰对于双相层的优异自旋选择性来说可以忽略不计。
讨论与结论
研究人员通过简单的洗出-再填充策略成功制备了双相光子晶体。该方法能够在单个单元内堆叠两个具有相反手性且可光图案化的光子晶体层。所得结构克服了传统液晶系统的本征自旋-波长耦合，允许对入射光的正交自旋态和离散波长进行独立功能化。从而在近场反射和远场衍射中演示了双通道光学加密。胆甾相液晶层的热响应性为解码过程增加了进一步的物理维度。对于近场反射，引入了二进制图案化排列技术以建立两个独立的成像通道；此处的解密需要精确组合自旋、温度、波长和检偏器方向。在远场衍射模式下，全息信息一直隐藏直到应用正确的自旋、波长和温度组合。这种双相设计在保留简单且可扩展的制造路线的同时，显著增强了加密复杂性。两种光子晶体层都表现出几十纳米量级半高全宽的窄布拉格反射带。值得注意的是，半高全宽随着中心波长的红移而略微扩展。在热调谐中，相邻波长应超过半高全宽以确保光谱可区分性。由于不同层的独立正交自旋选择性，不同层产生的近场反射和远场衍射完全独立。与传统体光学、超表面和液晶制成的传统光学加密相比，所提出的平台通过引入更多的光自由度（如自旋、传播方向和近/远场）显著增强了信息熵的不可克隆性。通过引入对多个光子态（自旋、波长以及与外部热刺激耦合的偏振）的独立控制，该平台创造了一个极大扩展且动态可重构的加密维度，从而实现了显著更高水平的加密安全性。
