南开新闻网讯（通讯员 程丹）近日，南开大学涂成厚教授研究组与南京大学王慧田教授研究组合作，通过重新考虑近轴条件下的纵向场分量，将关注点聚焦于其相位空间结构而非强度上。尽管在近轴条件下纵向场由于强度微弱而难以探测，但其相位的空间结构分布却真实存在，并且可以通过横向场来进行重构。基于此，团队采用逆向定制的方法，设计并构筑了一系列具有空间拓扑结构的纵向场相位分布，并基于不同类型的拓扑结构来编码信息，最终实现基于纵向场相位拓扑结构的信息加密。该方法完全利用了纵向场这一光学自由度，构建了新的信息载体,实现了全新的光学加密方案。相关研究成果以“Topological encryption enabled by longitudinal component of structured light field”（基于结构光场纵向分量实现拓扑加密）为题，发表在Advanced Photonics期刊上。
随着科技的进步,信息交流的日益频繁,信息的安全性越来越重要。近年来,光学加密技术因其高速性、并行性、多维度等优势受到广泛关注。传统的光学加密技术主要是利用不同的光学自由度和维度对信息进行加密处理，如偏振加密、轨道角动量加密等。然而，迄今为止，光场的纵向偏振分量(纵向场)这一自由度在光学加密中尚未被充分利用。纵向场是光场在非傍轴条件下所产生的，其电矢量平行于光传播方向。光学纵向场的存在扩展了光场偏振空间结构的可调控维度，从而可以实现一些具有三维分布特征的特殊结构，如偏振莫比乌斯带、斯格明子等。在一些研究中，利用纵向场可实现在三维空间具有任意取向的偏振分布，而实现基于全矢量的偏振加密，则需要在非傍轴条件下产生和调控纵向场，其技术难度大及实验条件苛刻，限制了纵向场在多数场景中的应用。而在近轴条件下，由于光场纵向场强度远小于横向场，故纵向场通常被认为无用而被忽略。
基于纵向场拓扑结构定制实现信息加密示意图
在研究过程中，研究人员首先给定预设纵向场，基于此计算得到相应的唯一横向场分布，实现逆向设计；且其横向场可在实验中生成，而实际中所获得的定制的纵向场则可通过测量的横向场来重构。在实验中，通过调制加载在空间光调制器(SLM)上的初始全息图，可以对这些定制的纵向场结构进行动态控制，从而产生不同类型的纵向场结构。基于此方法，研究团队产生了一系列具有拓扑纽结(链)的相位空间结构的纵向场，并演示了如何利用纵向场的纽结(链)作为信息载体进行信息加密。由于利用了纵向场这一自由度，其在一定程度上有助于增加信息容量。该工作的策略使得“纵向场空间结构定制调控”这一极具挑战性的任务成为可能，并将为实现具有良好稳定性、更高容量的信息编码和加密提供新的解决方案。据悉，该研究组在前期的工作中还实现了非傍轴条件下纵向场的生成调控及光学信息加密实验研究（Adv. Photon. Res. 2300236 (2023). Inside Cover article）。
本工作以南开大学为第一完成单位，南开大学2020级博士生王强（2024年毕业，现为汕头大学讲师）为第一作者。南开大学涂成厚教授与南京大学王慧田教授为共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省自然科学基金和汕头大学科研启动基金的支持。
论文链接：http://doi.org/10.1117/1.AP.8.1.016003
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