近日，北京理工大學黃玲玲教授團隊與天津大學張學遷教授團隊合作，提出了一種能夠通過溫度變化實現(xiàn)信息的可逆加密與再現(xiàn)的太赫茲超表面，該工作巧妙結(jié)合了相變材料氧化釩與電磁感應透明效應（EIT）二者的特性與工作原理。

該項研究成果發(fā)表在國際著名期刊Laser & Photonics Reviews上，題目為“Dynamic Terahertz Metasurface for Thermally Controlled Optical Encryption”。 相變材料具有廣闊的應用領域，氧化釩是最為常用的相變材料之一，其能夠在絕緣態(tài)和金屬態(tài)之間通過溫度變化實現(xiàn)相態(tài)與光學參數(shù)改變，并且所需相變溫度只有68攝氏度，同時具備易逝與可逆性，因此氧化釩十分適合應用溫度變化實現(xiàn)動態(tài)功能。

超表面是一種利用“人工原子”，按照特定排列方式構(gòu)建成的準二維平面材料，工作在太赫茲波段的超表面同時具有微波和紅外波段的光學性質(zhì)，并且其天線結(jié)構(gòu)尺寸遠大于工作在可見光和近紅外波段的超表面結(jié)構(gòu)尺寸，使其相對來說易于加工，更容易實現(xiàn)一些宏觀的動態(tài)操縱，近年來始終是學者們的研究熱點。

目前，基于相變材料氧化釩的動態(tài)太赫茲超表面多是實現(xiàn)異常折射或是全息顯示的功能，還沒有將其應用于光學加密，若通過簡單的溫度調(diào)節(jié)就實現(xiàn)加密信息的可逆顯示與隱藏，具有重要研究價值與應用意義。 研究創(chuàng)新點

基于相變材料氧化釩的太赫茲超表面工作多是直接利用氧化釩構(gòu)成主要天線，再通過改變溫度使得氧化釩的光學參數(shù)改變，進而實現(xiàn)動態(tài)功能。本項工作與上述傳統(tǒng)設計方法不同，北京理工大學與天津大學共同提出了一種動態(tài)超表面的全新設計方法，結(jié)合傳統(tǒng)的電磁感應透明效應（EIT），并引入氧化釩材料作為控制EIT效應的開關，進而實現(xiàn)二值全息圖的再現(xiàn)與消失，即光學解密與加密過程。

圖1 熱控光學加密太赫茲超表面的工作示意圖

所提出的太赫茲超表面由動態(tài)像素和靜態(tài)像素兩種像素構(gòu)成，二者共同點在于都由一根金棒與兩個開口相對的金開口諧振環(huán)組成，不同之處在于動態(tài)像素中有一對氧化釩結(jié)構(gòu)開關。當氧化釩處于絕緣狀態(tài)，控制EIT效應開啟，故此時動態(tài)像素和靜態(tài)像素的振幅均處于高值，光通過后不顯示任何有效信息。溫度改變后，氧化釩切換至金屬狀態(tài)，此時動態(tài)像素中的金開口諧振環(huán)導通，導致其內(nèi)部電流分布改變，控制EIT效應關閉，同時像素振幅下降，此時整個超表面將呈現(xiàn)出一幅二值全息圖，當工作頻率0.63THz的光通過后，能夠良好全息再現(xiàn)出設計的字母X。

圖2 靜態(tài)與動態(tài)天線的結(jié)構(gòu)圖與EIT效應的開與關示意圖

研究團隊針對氧化釩的相變方式在實驗驗證過程中采用全局熱調(diào)控，該方式相對于逐像素調(diào)控更易實現(xiàn)相態(tài)的轉(zhuǎn)變，并且具備更快的調(diào)相速度。此外，將傳統(tǒng)EIT效應帶來的寬波段內(nèi)的窄帶透射峰的開啟與關閉用于實現(xiàn)二值振幅全息也是本項工作的亮點之一，從而驗證了該溫控太赫茲超表面的光學加密性能，完備的展現(xiàn)了器件的可行性。

這種結(jié)合相變材料、溫控實現(xiàn)光學加密與解密的太赫茲超表面器件不僅為結(jié)合相變材料實現(xiàn)動態(tài)功能的太赫茲超表面提供了新思路，也為利用氧化釩材料與EIT效應實現(xiàn)可逆光學加密與解密提供了清晰的理論和設計指導，還為未來光信息安全和成像等領域的研究與應用奠定了基礎。未來有望更改現(xiàn)有算法，擴展加密圖像數(shù)量，由此增加信息的存儲容量或引入干擾因素增強信息的安全性，使得該類工作具有更加廣闊的應用前景和可觀的應用價值。

論文共同第一作者為北京理工大學的博士生祝雙琦和軍事科學院助理研究員董博文，通訊作者為北京理工大學黃玲玲教授和天津大學張學遷教授。該工作受到科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金聯(lián)合基金重點項目等資助。

審核編輯：劉清