Feature Article | 基于随机光场相干结构调控的光学加密
Optical coherence encryption with structured random light
作者 | 彭德明, 黄钊锋, 刘永雷, 陈亚红*,王飞*, Sergey A. Ponomarenko*, 蔡阳健*
完成单位 | 苏州大学
论文导读
2021年4月20日，PhotoniX最新上线苏州大学蔡阳健教授团队研究论文”Optical coherence encryption with structured random light“，提出了一种基于随机光场相干结构调控的光学加密方法。在该方法中明文信息通过广义范西特泽尼克原理加密到随机光场的二阶空间相干结构中，通过基于Hanbury Brown-Twiss强度关联测量实现了明文信息恢复。论文的理论分析和实验结果表明基于随机光场相干结构调控的光学加密手段在复杂环境（例如：大气湍流）中具有非常好的鲁棒特性。该研究结果有望应用于长距离湍流大气中光学信息加密、传递与通讯。该论文的合作单位包括山东师范大学和加拿大戴尔豪斯大学。该工作受到国家自然科学基金委“新型光场调控物理及应用”重大研究计划重点项目的资助。
研究背景
由于自发辐射的普遍存在，自然界中的光场或多或少都是随机涨落的。相干性是描述随机光场统计特性重要参量，它描述了随机光场在空间（或时间、频率）两点或多点之间的关联程度。具有较好方向性的随机光场也被称为部分相干光束。对部分相干光束相干性大小调控在实现无散斑光学成像和克服大气湍流引起的光斑漂移和闪烁中具有重要应用。近年来研究表明部分相干光束的二维空间相干结构赋予了随机光场调控新的自由度。具有特殊空间相干结构的部分相干光束在传输过程中表现出诸多新颖特性，例如在自由空间中传输可以表现出自分裂、自聚焦、自整形甚至自修复的特性。这些新颖特性在部分相干光学衍射成像、光学目标追踪、微粒俘获中具有重要应用。
另一方面，由于光场多自由度特性，利用光场调控实现光学加密一直是光学中的研究热点。已有的研究表明，光场的波长、振幅、相位、偏振态、角动量等参量都可以作为载体实现信息加载。然而当光场与物质相互作用或者在复杂环境中传输时，光场以上参量很容易受到湍流等效应影响受到破坏，从而使得加载的信息丢失。而在对部分相干光束传输特性的研究中发现，光束二阶统计参量（即空间相干结构）在复杂环境中传输具有很强的稳定性并且还表现出超强自修复特性。因此，利用随机光场相干结构作为信息加载载体有望实现复杂环境中信息的高保真度传递与通讯。
技术突破
该工作首先提出了一种广义范西特泽尼克原理将光学图像信息加载到了随机光场二阶空间相干结构中。在实现广义范西特泽尼克原理的实验系统中（如图1a所示），加密系统可以采用传统光学加密系统中任意线性或非线性光学系统，这导致输出的随机光场的空间相干结构是否具有空间均匀特性。与传统加密方法不同的是该系统产生的密文（空间相干结构）是随机光场的二阶统计特性，对它的测量比起测量光场其他参量复杂得多，因此基于相干结构调控的光学加密具有更高的安全性。此外，该工作通过在传统Hanbury Brown-Twiss实验中引入一圆偏振参考光与待测随机光场相互作用（示意图如图1b所示）实现了二维空间相干结构振幅和相位的同时测量，这也为基于相干结构调控的光学加密方法的光学实现提供了可能性。
作者利用分数阶傅里叶变换光学系统实现了基于相干结构调控光学加密的实验验证。实验结果表明随机光场的空间相干结构可以作为有效的光学信息载体，且比起传统的光学自由度，相干结构加密具有更高的安全性。该工作中作者还在实验研究了加载信息后的随机光场在热湍流中的传输特性。实验结果（如图2所示）表明随机光场的空间相干结构在通过热湍流后仍然能保持其空间结构稳定分布，因此加载的光学信息仍然能够高质量恢复。以上发现揭示了基于随机光场相干结构调控的光学加密手段在某些特定应用中具有独特优势，例如该方法可有效防止密文在传输过程中受到攻击者的恶意破坏。
图1 基于随机光场相干结构调控的光学加密方法示意图。（a）明文信息加密到随机光场相干结构中的过程；（b）空间相干结构（密文）测量过程；（c）通过秘钥实现明文信息恢复过程。
图2 基于随机光场相干结构调控的光学加密在热湍流中的鲁棒特性；（a）加载信息的随机光场在热湍流中传输；（b-f）随着热湍流强度增加（温度升高）时随机光场相干结构的测量结果及明文信息恢复结果。
主要作者
蔡阳建，男，1977年出生，博士，国家杰出青年科学基金获得者、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、苏州大学特聘教授，山东师范大学物理与电子科学学院院长。长期从事光场调控及应用研究，在光场相干性调控方面取得了系统性成果，在权威刊物发表SCI收录论文300多篇，发表邀请综述论文15篇，英文专著章节2章，获发明专利授权24项。获教育部高等学校科学技术奖自然科学奖二等奖、浙江省高校优秀科研成果奖一等奖、浙江省自然科学优秀论文一等奖、江苏青年光学科技奖。主持国家杰出青年科学基金、“新型光场调控物理及应用”重大研究计划重点项目、国家自然科学基金面上/青年、国家重点研发计划子课题、全国百篇优秀博士学位论文专项基金等项目。入选“2010年江苏省十大青年科技之星”，2014-2019连续6年入选Elsevier发布的“中国高被引用学者榜单（物理学和天文学）”，2021年获“第十届山东省优秀科技工作者”称号。担任Integrated Optics and Lightwave: An International Journal (OPTLJ)主编、Journal of the European Optical Society-Rapid Publications副主编、Journal of Optical Society of America A专题编辑、PhotoniX专题编辑、Photonics专题编辑、Progress in Optics编委、《中国激光》编委、《现代物理》编委等。