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超强激光科学卓越创新简报

(第六百五十八期)

2025年6月5日

上海光机所在角度和偏振选择性长波红外双波段窄带热辐射器用于红外多级加密研究方面取得新进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所邵宇川研究员团队，报道了一种面向红外多级加密解密的角度、偏振和波长选择性窄带热辐射器。研究人员提出了使用亚波长双层超构薄膜（金属层+近零折射率(ENZ)层）实现入射角和偏振角选择性的双波长窄带热辐射器，并使用长波红外相机进行了信息加密解密的应用演示。研究成果以“An Angle- and Polarization-selective Dual-wavelength Narrowband Thermal Emitter for Infrared Multilevel Encryption”为题发表于Research。

随着数据量的爆炸式增长，信息安全问题日益严峻，加密技术作为保障信息安全的核心手段受到广泛关注。仅依赖数字加密难以完全避免信息在传输过程中被截获或泄露，因此结合数字算法与物理密钥的联合加密技术应运而生，以进一步提升安全性。光学密钥作为物理密钥的重要组成部分，在高端加密系统中扮演着关键角色。现有研究主要集中在可见光波段，红外波段的光学防伪与信息加密技术仍面临诸多挑战。红外热辐射加密技术因其可利用红外相机直接可视化数据的优势，成为一种有效的解决方案。通过精确调控热辐射的偏振或强度，可实现信息的编码与存储。

针对上述挑战，本研究提出了一种低成本、无需复杂光刻、可晶圆级制备的红外热辐射器，具有角度和偏振选择性的双波长窄带特性，可用于高安全性红外信息加密与解密。该热辐射器由超薄ENZ（近零折射率）材料与金属层组成，通过Berreman模式和反对称法布里-珀罗（FP）共振，在长波红外（LWIR，7.5-14 µm）波段实现双吸收峰，并展现出角度与偏振依赖的热辐射特性。基于这一物理层密钥，研究团队构建了一套高安全性加密通信方案，结合数字加密与物理密钥，显著提升了信息传输的安全性，为红外通信网络的加密系统与光学可重构安全框架提供了新思路。

相关工作得到了国家自然科学基金、上海市自然科学基金、中国科协青年人才托举工程等项目的支持。

原文链接

图1. (A) 提出的具有角度和偏振敏感特性的双层热辐射器结构示意图，该结构由顶层ENZ极性电介质层和底层金属反射镜组成。(B)-(D) 不同检测条件下结构的光学特性及由图案显现("1")或消失("0")所确定的对应编码。(E)-(F) SiO₂、Al₂O₃和TiO₂在长波红外区域的介电常数。(G)-(H) 在Berreman厚度下，长波红外区域TE和TM偏振的反射光谱，对应入射角分别为45°、55°和73°。

图2. (A) 用于红外加密-解密应用的具有角度和偏振选择性的窄带红外热辐射器探测示意图。该热辐射器样品发射双波长窄带红外光，随后通过7.5-8.5 μm高透射滤光片和偏振片进行滤波。(B)-(C) 在θ = 0°和45°时测量的辐射强度谱。(D)-(K) 在长波红外相机前加装或不加装滤光片条件下，于θ = 0°或45°、φ = 0°或90°时采集的红外图像。

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