本发明属于超表面器件和光学全息及光学加密，具体涉及一种基于超表面纳米印刷术和全息术的偏振调控多级加密方法。
背景技术：
1、近年来，个人信息安全的需求变得越来越重要，为了保护信息在交互过程中不受恶意窃取和篡改的干扰，各种加密技术相继被提出，如凹版印刷技术、激光防伪标签和光学加密等。其中，光学加密技术得益于光子的各种显著优势(如高速、多维、大容量)而具有良好的光场控制能力和复杂的自由度，为提高信息安全水平提供了一种新的解决方案。然而，传统的基于干涉和衍射光学加密技术易被破解，导致光学加密方法的安全等级受限。相比之下，超表面加密技术因在亚波长尺度上操纵入射光的振幅、偏振和相位方面表现出非凡的能力，使得其能满足加密技术对信息安全、信息容量和小型化的需求。通过人工设计亚波长单元结构的尺寸、形状和排列，超表面可以实现电磁波的特定调节功能，如消色差透镜、功率分束器、纳米印刷器件和全息成像器件等。与传统的空间光调制器相比，超表面成像可以实现更高的空间分辨率和更宽的视场。此外，作为信息的载体，超表面能够以超高的自由度控制不同通道的加密图像信息，且其具有体积小、隐蔽性高、信息容量大等优势，被视为一种有效的微型化信息加密设备。
2、现有的大多数超表面加密技术的加密通道有限，且在对单通道信息解码过程中，直接访问不同的通道会暴露出完整的信息。这些缺陷导致传统超表面加密技术难以满足加密安全性最大化的要求。
技术实现思路
1、本发明的目的是为了解决现有超表面加密技术因其信息容量较小、隐藏性低而难以满足实际应用需求的问题。本发明提供一种基于超表面纳米印刷术和全息术的偏振调控多级加密方法，通过本发明可以实现信息的多级加密，并有效提高信息存储的容量。该方法可以以适当的方式将有效信息分割为多个看似随机的、相互无关的全息共享密钥，并将每个全息共享密钥分别存储在独立的远场加密通道中(其中，每个密钥分别对应一个用于解码的光学键)。该方法还能够借助多个不同尺寸的纳米棒来实现振幅调制，以此引入近场纳米印刷功能。当利用单个光学键解码时，可以显示近场的加密图案，而远场的全息图无法观测到任何有效信息；当两两光学键组合解码时，通过对两张全息图进行叠加，可以重建远场加密信息。该方法可以实现4个共享密钥之间的交叉组合信息加密，共存储24-1个加密信息。
2、本发明目的是通过下述技术方案实现的。
3、基于超表面纳米印刷术和全息术的偏振调控多级加密方法，具体的设计方法包括如下步骤：
4、步骤一：设计远场全息加密图像pfar和近场加密图像pnear；
5、本步骤具体为：
6、1)定义多组由2×2个像素组合的超级像素。这些超级像素之间可以通过配对并组合成一个新的像素单元，作为秘密共享密钥中的单个像素。当不同共享密钥中两个超级像素的像素分布完全相同时，组合得到的像素定义为白色像素单位。相反，当两个超级像素的像素分布互补时，组合得到的像素定义为黑色像素单位；
7、2)通过1)中的像素分割方法将秘密图像编码成两个随机的纯振幅二进制共享密钥，其中，每张秘密图像中包含6个不同通道的正确信息。将包含不同通道正确信息的图像进一步分解为两个不同的子共享密钥，即一个二进制共享密钥总共由6个子共享密钥组成。为了保证图像长度和宽度的一致性，对于总像素数为m×m的共享密钥，我们将每个子共享密钥的结构大小设置为m/2×m/3。通过重构子共享密钥的分布，我们可以在两个超表面上的四个极化通道上获得秘密共享密钥(重构的编码信息由4×6个子共享密钥组成)，并将该四个共享密钥作为远场加密图像(pfar_1,pfar_2,pfar_3,pfar_4)；
8、3)利用近场和远场的加密图像，获取对应的目标图像振幅信息pfar(x,y)和pnear(x,y)。
9、步骤二：采用gerchberg-saxton(gs)算法获取超表面振幅和相位分布矩阵；
10、本步骤具体为：
11、根据步骤一获得的近场图像振幅信息pnear(x,y)和远场图像振幅信息pfar(x,y)，使用gs算法将得到的目标图像转换为随机纯相位密钥(ψfar_1,ψfar_2,ψfar_3,ψfar_4)。
12、步骤三：设计超表面的纳米棒单元结构；
13、本步骤具体为：
14、通过结构参数扫描来建立超表面上不同几何尺寸纳米棒对应的相位分布数据库。图2(a)所示为纳米棒单元结构，其中，基底为二氧化硅基底，纳米棒为硅纳米棒。以800nm为目标波长，在确定单元周期p和高度h的基础上，硅纳米棒的长度l和宽度w在50～360nm范围内进行扫描，间隔为5nm。图2(b)-(e)所示为硅纳米棒尺寸的扫描结果，分别包含x/y偏振光入射时x/y偏振光出射的振幅分布txx/tyy和x/y偏振光入射时x/y偏振光出射的相位分布根据传播相位调制原理选择合适的纳米棒尺寸大小，确保互相垂直的x偏振光和y偏振光可以同时满足独立的相位要求并覆盖整个0-2π的相位调制范围。这种双折射的发生是因为硅纳米棒沿其长轴和短轴有不同的有效折射率。因此，每根硅纳米棒都可以作为一个双折射波板，通过操纵其两个输出正交偏振分量的相位延迟和振幅，从而独立地调节近场纳米打印图像和远场全息图像。
15、步骤四：优化并最终确定纳米棒单元结构尺寸；
16、本步骤具体为：
17、根据步骤二得到的目标振幅和相位分布与步骤三的纳米棒尺寸的参数扫描结果，来一一匹配纳米棒结构并选取适当尺寸，并最终确定具有相应结构尺寸的硅纳米棒。
18、可选的，步骤二所述的纳米棒为非晶硅材料。
19、所述的非晶硅纳米棒参数扫描结果通过时域有限差分法(fdtd)确定。
20、优选的，步骤三所述的纳米棒单元结构的周期p固定并满足亚波长尺寸，高度h根据具体加工能力确定。
21、优选的，步骤三所述的超表面1或超表面2中所有硅纳米棒结构在x偏振光入射时x偏振光出射通道和y偏振光入射时y偏振光出射通道共四种振幅状态：(1,1)，(1,0)，(0,1)，(0,0)。
22、优选的，共使用两个不同的超表面。
23、优选的，共四个解码光学键：x偏振光入射第一个超表面、y偏振光入射第一个超表面、x偏振光入射第二个超表面、y偏振光入射第二个超表面。
24、当单个光学键作用时，只能用于解码近场的加密图像，而不能在远场观察到加密图像；
25、当两个光学键作用时，在远场能够观察到加密图像；
26、当三个光学键作用时，在远场能够观察到加密图像；
27、当四个光学键作用时，在远场无法观察到加密图像。
28、有益效果：
29、1、本发明公开的基于超表面纳米印刷术和全息术的偏振调控多级加密方法，加密图像的分辨率极高；
30、2、本发明公开的基于超表面纳米印刷术和全息术的偏振调控多级加密方法，用于实现近场图像加密和远场图像加密的超表面是由一系列不同尺寸的纳米棒构成。该超表面可以通过实现不同入射偏振光的双折射效应而独立控制不同通道的加密图像，大大增加了信息存储容量和信息密度；
31、3、本发明公开的基于超表面纳米印刷术和全息术的偏振调控多级加密方法，当光学键不足时，将用于近场加密的二维码图像作为远场加密图像的一级密钥，通过扫描该二维码可以获得共享密钥的编码组合方式(此时，共享密钥作为二级密钥)。只有完成上述两个步骤才能获得正确的远场秘密信息，从而提高了超表面全息加密的安全水平；
32、4、本发明公开的基于超表面纳米印刷术和全息术的偏振调控多级加密方法，所使用的相位和振幅计算算法简单，计算成本低；
33、5、本发明公开的基于超表面纳米印刷术和全息术的偏振调控多级加密方法，可以通过简单地切换入射光的偏振状态实现对图像的解码，而不需要进行复杂的光控或电控操作。
34、6、本发明公开的基于超表面纳米印刷术和全息术的偏振调控多级加密方法，采用秘密共享技术将有效信息分割为多个看似随机的、相互无关的全息共享密钥，远场全息成像的加密图像只能用一组共享密钥而不是一个共享密钥进行解码和显示，进一步提高了超表面全息加密的安全水平。
1.基于超表面纳米印刷术和全息术的偏振调控多级加密方法，其特征在于：
2.如权利要求1所述的基于超表面纳米印刷术和全息术的偏振调控多级加密方法，其特征在于：
3.如权利要求2所述的基于超表面纳米印刷术和全息术的偏振调控多级加密方法，其特征是，所述的硅纳米棒参数扫描结果通过时域有限差分法确定。
4.如权利要求2-3所述的基于超表面纳米印刷术和全息术的偏振调控多级加密方法，所述的纳米棒单元结构的周期p固定并满足亚波长尺寸，高度h根据具体加工能力确定。
5.如权利要求2所述的基于超表面纳米印刷术和全息术的偏振调控多级加密方法，其特征是，共使用两个不同的超表面(超表面1和超表面2)。
6.如权利要求2-4所述的基于超表面纳米印刷术和全息术的偏振调控多级加密方法，其特征是，所述的超表面1或超表面2中所有硅纳米棒结构在x偏振光入射时x偏振光出射通道和y偏振光入射时y偏振光出射通道共四种振幅状态：(1,1)，(1,0)，(0,1)，(0,0)；其中，1代表高透，0代表不透。
7.如权利要求5-6所述的基于超表面纳米印刷术和全息术的偏振调控多级加密方法，其特征是，共有四个解码光学键：x偏振光入射第一个超表面、y偏振光入射第一个超表面、x偏振光入射第二个超表面、y偏振光入射第二个超表面。
