自然-光子学：顾敏 | 轨道角动量全息技术在加密领域中的应用

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图片来源：benprunty

近日，上海理工大学人工智能纳米光子学研究中心联合澳大利亚皇家墨尔本理工大学和南京大学固体微结构国家重点实验室，首次将轨道角动量全息技术应用于高安全性加密领域。该研究发现了光的轨道角动量（OAM）在空间频域中展现出的高选择性和无螺旋模数限制的特性，并由此实现了安全加密的10位OAM 编码全息图。该研究成果以长文《Orbital angular momentum holography for high-security encryption》于近期发表在世界光学顶尖期刊《自然-光子学》上。论文通讯作者为顾敏，第一作者是上海理工大学特聘研究员方心远博士。

在光通信领域中，光的偏振，波长等可调制物理属性通常被用作信息载体进行编码、传输和解码。而光的角动量则很少有人提及和使用。其实光的角动量理论早在多年前就已经被提出了。

但是在全息图像工程领域，一方面，在技术上，传统用来确定光的OAM信息的体光学元件尺寸很大，难进行纳米尺度上的信息处理。

另一方面，由于在研究人员常用的布拉格衍射公式及其的衍生公式中，光的轨道角动量（OAM）并没有作为一个明确的物理量被展示出来，这在很大程度上埋没了光的角动量与光的振幅、频率等元素一样成为信息载体的可能性。

传统全息显示技术中，只有通过增加信号源的方法提升信息通道的数目以实现复杂的显示效果，往往出现‘带宽不够’‘分辨率不高’等情况。

而该研究发现，‘螺旋程度’不同的轨道角动量光对应了同一信号源不同的信息通道，结合纳米光子学技术，仅仅利用一个纳米级的信号源便可以实现超宽带的全息显示效果。

该研究的重要意义还在于创造性地为全息技术加装一把安全“锁”。

“传统意义上，一把全息‘锁’只有一种解码方式，而使用光的轨道角动量原理，把‘螺旋光’配成多把‘钥匙’，可以将同一把全息‘锁’解码出不同的信息，收信人根据手里的‘光钥’解读出只有他自己才能看到的最终信息，保护了信息传递的安全性。

在傅立叶空间中，具有不同螺旋模指数的OAM光束表示为不同的空间频率分布，螺旋模指数越大则形成的光圈越大。顾敏团队利用这一特性，将阵列周期设计为与入射OAM光束空间频率分布相等，并由此对特定的样本阵列进行采样编码，螺旋模指数越大，采样点间隔越大。这使得不同的OAM模式具有不同的采样周期，从而实现了对OAM进行调制的数字全息图像。

要创建一个保留OAM 的全息图，需要在空间频域上对常规的数字全息图进行采样，采样常数由OAM光束不同的螺旋相位频率确定。在本研究中，螺旋模式指数范围为-50至50的OAM模式与采样常数之间的关系得到了数值计算和实验验证。

在螺旋模指数为-1的螺旋相位盘上分别使用螺旋模指数为1、2、-1、-2的OAM光束进行照射，OAM模式转换的数值表征如上图。为了验证OAM的选择性，实验将螺旋模数为-1的螺旋相板编码到全息图上。从而获得OAM选择性全息图。

实验结果表明，只有使用反螺旋指数为1的入射光时，全息图像才会出现。

基于上述OAM选择性，顾敏课题组实现了对独立OAM信息通道进行多路复用显示的全息编码。其原理如下图所示

将悉尼歌剧院的图像分为四个独立的部分，对每个部分编码螺旋相位板，生成OAM多路复用全息图。入射的OAM光束可以从OAM多路复用全息图重建出不同的全息图像。结果，分别使用螺旋模数为-2、-1、1、2的入射OAM光束重构了歌剧院的四个单独的部分。

同时在OAM多路复用全息图上照射四个OAM解码光束，可以获得完整的歌剧院图像

此外OAM全息技术还可以处理三维OAM相关全息图像。

a)OAM多路复用全息图 b) 重构距离92.1cm螺旋模指数-1的重构全息图像 c)重构距离109.5螺旋模指数-2的重构全息图像

a)多路复用全息图 b) 分别使用螺旋模指数-2、-1、1、2的解码光束的重建图像。 c) 四个解码光束同时重建的完整重建图像

高阶OAM光束可以实现安全性前所未有的全光全息加密。本研究利用螺旋模指数范围从-50到50分别对十个阿拉伯数字0到9进行编码，从而得到10位OAM多路复用全息图。

作为示例，使用阿拉伯数字的两位数字从01到26分别表示从A到Z的字母。因此，多路复用全息图可以加密5个字母。现在收到了秘钥（40，-20、40，-50、50，-10、40，-40、30、10）和秘钥（30、50、30、40、30、10、30，-10、40、30）。根据秘钥提示，分别用具有对应螺旋模指数的OAM光照射多路复用全息图，得到了如下信息：

PSERX和TUXYL。通过查询摩斯密码缩写表，得知。该密文的意思是：please receive 和thank you, wife