前沿 | 部分相干矢量光场相干结构调控——助力鲁棒多通道光学加密

研究背景

      光场调控技术主要通过对时间、空间或时空域等维度参量精确调控，产生具有特殊振幅、相位、偏振及轨道角动量等丰富特性的结构光场，在光学器件制造、微粒操控、光学成像、探测及感知等多种领域发挥着重要作用。其中，多自由度结构光场为多维信息编码、传输、存储及通信研究提供了广泛的应用途径。光学加密极大增强了信息编码的安全性，在信息保密传输及通信等领域有着重要研究意义。自从Refregier等学者提出基于双随机相位编码的加密技术以来，涉及全息、超材料、集成光学平台的光学加密方案已被广泛研究。然而，以上方案大多局限于完全相干光调制，因此加密信息对复杂环境干扰表现出极其敏感的物理特性，如散斑效应等。此外，传输信息还易受大气湍流、气溶胶、障碍物等环境的影响，从而破坏光场空间模式纯度，引起模式串扰，造成输出信号畸变甚至信息丢失等不利影响。因此，迫切需要一种能降低复杂环境对信息载体的负面效应，实现信息在复杂环境中鲁棒保密传输的光场调控新方案。

      光场相干性是描述随机光场两点或多点之间的统计特性，是部分相干光独有的自由度。研究表明部分相干光可以有效抑制散斑效应、克服大气湍流引起的光束漂移和强度闪烁等负面效应。光场相干结构调控技术是部分相干光学领域的研究前沿，该技术已经在光束整形、亚瑞利成像、光学测量及感知中展现出了重要优势。最近有研究表明光场相干结构调控为光学图像编码、加密及传输就提供了有效途径。然而，以相干结构为信息载体的图像编码及加密研究还局限于标量光场调控，因此只能实现单通道信息编码与加密。如何利用部分相干光调控实现复杂环境中多通道信息鲁棒加密还是一个亟待解决的问题。

论文导读

      为解决标量相干结构信息编码通道能力有限的问题，研究者提出了一种基于部分相干光矢量相干结构调控的鲁棒多通道信息加密方案。研究者从表征部分相干矢量相干结构的2×2相干矩阵出发，解析出了具有三个相互独立参量的相干斯托克斯矢量（coherence Stokes vector），实现了独立三通道图像和彩色图像的编码与加密。不同于完全相干光调制，相干斯托克斯矢量是关于空间两点关联的统计量，在复杂环境扰动中具有极强的稳定性。结合定量分析，研究者验证了该技术在不同噪声干扰下独立三通道图像及彩色图像加密的鲁棒性，研究结果有望应用于长距离湍流大气中多维信息加密、传递与通讯。相关工作以“Three-channel robust optical encryption via engineering coherence Stokes vector of partially coherent light”为题发表在 PhotoniX 期刊上。

      论文第一作者为苏州大学刘永雷博士后，通讯作者为苏州大学陈亚红副教授、王飞教授以及山东师范大学蔡阳健教授。该工作得到了国家重点研发计划项目(2022YFA1404800,2019YFA0705000)、国家自然科学基金项目(11974218,12192254,12274310,12274311,92250304,12347114)和江苏省卓越博士后研究计划项目(2023ZB185)的支持。

主要研究内容

      本文针对以标量光场相干结构为信息载体实现图像编码与加密通道能力有限的问题，提出了一种利用部分相干光束矢量相干结构调控实现多通道光信息编码和加密的协议。作者证明由2 × 2相干矩阵推导出的三维相干斯托克斯矢量中三个分量互不相关并可独立控制。因此，可以将部分相干光束的相干斯托克斯矢量做为信息载体，实现三通道光信息的编码和加密。将相干斯托克斯向量的三个独立分量与RGB三个原色通道相关联，实现了彩色图像编码和加密。与从偏振矩阵得到的偏振斯托克斯矢量不同，相干斯托克斯矢量是一个两点相关的统计量，描述了部分相干矢量光束的二阶统计特性。作者验证了两点相关的相干斯托克斯矢量以及编码的三通道信息即使在部分相干光束受到不同强度的随机噪声时也保持鲁棒性。该论文的研究结果为部分相干光的复杂环境中进行高维光学编码和加密铺平了道路。

技术突破

      具体方案如图1(a)所示，首先将偏振斯托克斯矢量（polarization Stokes vector）的三个分量作为独立三通道图像信息编码通道，接着利用广义范西特-泽尼克定理将其编码到两点关联的相干斯托克斯矢量中，进而得到携带有三通道图像信息的部分相干矢量光场。通过测量部分相干矢量光场的两点关联斯托克斯矢量并利用相应的解密系统，最终可实现三通道图像或彩色图像的解密恢复，图1(b)和1(c)分别为独立三通道图像和彩色图像的数值仿真结果。

      在矢量部分相干光束合成方面，基于矢量随机模分解理论，通过建立部分相干矢量光束随机模场与矢量相干结构所满足的约束条件，得到合成部分相干矢量光束的随机复数屏函数，利用单个空间光调制器等分屏原理及共轴干涉系统实现了携带三通道图像信息的部分相干矢量光束的稳定合成。利用广义Hanbury Brown-Twiss实验原理，通过在待测随机光束中引入一对具有恒定90度相位差的圆偏振参考光，并分别记录待测光、信号光与参考光的瞬时光强，实现了两点关联相干斯托克斯矢量的实部、虚部的同步测量，具体实验装置、实验测量及数值仿真结果如图2所示。

     论文首先分别选取了数字“123”，字母“ABC”及“圆形，矩形及三角形”作为原始目标独立三通道图像验证了该方案的可行性，实验和数值仿真结果均表明，该方案能够同时对原始目标图像的位置及形状进行高质量的恢复，相应结果如图(3)所示。

      其次，还开展了彩色图像的加解密，具体实验及数值仿真结果如图4所示，研究表明该方法通过对彩色图像的“RGB”三成份进行独立编码，还可以有效实现彩色图像的加解密。总结来看，基于调控矢量光场两点关联的相干斯托克斯矢量能够有效实现独立三通道图像和彩色图像的编码与加密。值得说明的是，即使是在强噪声环境的干扰下，该方法依然可以重建出清晰的三通道图像及彩色图像（图5），显著地提高了部分相干矢量光场在复杂环境下光学加密技术的实用性，在多维信息复用及自由空间光通信等领域有着重要应用前景。

观点评述

      论文利用部分相干光束相干结构调控技术，提出了一种以部分相干矢量光场相干斯托克斯矢量为信息载体的三通道光学编码和加密新方法。该方法具有几个关键优势：1、相对于标量相干结构的单通道信息编码加密能力，该方法能同时实现独立三通道图像和彩色图像的加解密，增强了信息编码加密能力；2、得益于相干结构的超强稳定性，即使在恢复过程中存在高强度随机噪声，编码三通道光学图像和彩色图像也可以被成功解码或解密，能够有效实现鲁棒多通道光学信息编码与加密；3、由于加密系统的灵活性，通过在编码系统中引入额外的密钥参量还可以进一步增强编码信息的安全性。研究结果在复杂环境中的高安全、多通道图像加密及光通信等领域具有重要的应用价值。

主要作者

      陈亚红，男，1991年出生，苏州大学物理科学与技术学院副教授、校优秀青年学者，2018年获苏州大学光学博士学位，2020年获东芬兰大学物理学博士学位。主要从事物理光学基础研究，目前研究方向为相干与偏振光学、光场调控原理与技术、部分相干光学、微纳光学等。在Phys. Rev. A, Phys. Rev. Applied, Nanophotonics, PhotoniX, Opt. Lett., Opt. Express, Appl. Phys. Lett.等学术期刊上发表论文100余篇，被引2600余次。受邀在Advances in Physics: X, Progress in Optics, Progress in Quantum Electronics等期刊上发表综述论文8篇，获国家发明专利授权10余项，美国发明专利授权2项。主持及参与国家自然科学基金青年科学基金项目、面上项目、重大研究计划重点项目等。

      王飞，苏州大学物理科学与技术学院教授，光学与光子学研究所所长。主要从事相干光学、光场调控及光束传输等方面的研究，目前研究方向为光场相干结构、相位、偏振等参量的调控，产生新颖激光光场，研究新型光束在随机介质（如：大气、海水）中的演化特性及其在光学成像、通信等领域中的应用。代表性第一作者/通讯作者成果发表在PhotoniX, ACS Photonics, Opto-Electronic Advances, Applied Physics Letters, Physics Review A/Applied, Optics Letters等国内外论文多篇，授权国家发明专利10余项，主持及参与国家自然科学基金面上项目，国家自然科学基金重大研究计划重点项目等。

      蔡阳健，男，1977年出生，山东师范大学党委常委、副校长，兼任物理与电子科学学院院长，博士生导师，国家杰出青年基金获得者、美国光学学会会士、全国百篇优秀博士学位论文获得者、德国洪堡基金获得者。担任山东省光场调控工程技术中心主任、山东省光学与光子器件技术重点实验室主任、山东省高等学校服务黄河流域生态保护和高质量发展光场调控及应用协同创新中心主任、山东省物理学会副理事长、山东省光学工程学会副理事长。长期从事光场调控及应用研究，在国内外权威期刊发表二区及以上SCI收录论文300多篇, 邀请综述论文21篇，英文专著章节2章。主持国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重大研究计划重点项目、国家自然科学基金重大项目课题、国家重点研发计划项目课题等项目。获教育部高等学校科学技术奖自然科学奖二等奖、全国百篇优秀博士学位论文奖、江苏青年光学科技奖、山东省第九届省级教学成果奖二等奖。入选“2010 年江苏省十大青年科技之星”，连续多年入选Elsevier出版社发布的“中国高被引用学者榜单”以及美国斯坦福大学发布的全球前2%顶尖科学家榜单，2021年获“第十届山东省优秀科技工作者”称号。担任Journal of Optical Society of America A、PhotoniX、Progress in Optics、《中国激光》等十余个国内外期刊的副主编及编委。

• PhotoniX 属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。是中国光学工程学会会刊，由中国光学工程学会、清华大学、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编。期刊拥有强大的国际编委和编辑团队。PhotoniX 主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

• PhotoniX 已被SCI、EI、SCOPUS、DOAJ、ProQuest、CNKI、INSPEC、Dimensions等10多个数据库收录。2022年6月获得首个影响因子19.818，位列Q1区。同时进入《2022年中国科学院文献情报中心期刊分区表》，位列物理与天体物理大类和光学小类双一区，为Top期刊。中国科协首次颁布“光学工程和光学领域高质量期刊目录”PhotoniX 位列T1级。
  

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