上海理工大学提出一种激光诱导的石墨烯全息重构技术

近日，上海理工大学光子芯片研究院顾敏院士团队博士后董毅博以第一作者身份在国际知名光学期刊《激光与光子学评论》（Laser & Photonics Reviews，中科院一区，IF：10.947）上发表了题为“用于防监听多秘密分享的激光诱导石墨烯全息重构”（Laser-induced graphene hologram reconfiguration for countersurveillance multisecret sharing）的研究成果。光子芯片研究院栾海涛研究员为共同第一作者，顾敏院士、方心远副教授、陈希教授为共同通讯作者。

光学秘密分享被认为是一种高速度、与光通信兼容的新一代信息加密方式。全息术是光学加密的重要手段之一，通过将加密信息以全息图的形式存储在光学元件中，再用适当方法进行读取是主要的实现形式。但是，现有方法中全息元件的制造存在成本过高、效率过低的问题，并且这些元件可以被反复多次读取，存在信息被窃听的隐患。

图一：激光诱导全息重构原理示意图

在研究中，团队提出了一种激光诱导的石墨烯全息重构技术，展示了低成本、高效率、防窃听的全光秘密分享过程。如图一所示，一幅预先编码好的全息图被写入氧化石墨烯薄膜中，此时全息图会呈现一幅虚假信息的图案，用于迷惑窃听者。当使用特定密钥（即激光诱导全息重构）进行解密后，真正包含加密信息的全息图才会出现。

图二：激光诱导全息可重构实现多秘密分享

这一重构过程的物理机制由通过激光还原氧化石墨烯所产生的超像素来实现。全息重构过程是一个不可逆的材料变化过程，因此赋予了该加密策略防窃听的功能：一旦信息在传递过程中被窃听，无论窃听者是否成功破解信息，都会造成石墨烯的性质变化，人们可以进而及时评估信息的安全性。团队利用全息算法优化，实现了如图二中展示的26个信息通道的复用全息重构（即通过不同的密钥可以解密出不同的信息），提供了更高安全性、更高信息容量的多秘密分享策略。氧化石墨烯是一种可实现低成本制造的碳材料，激光还原氧化石墨烯具有低阈值和高反应速度的特点，因此相比于其他光学加密方案，该研究是一种低成本、高效率和高速的信息加密存储方式。

未来可以基于一些小型的激光光源，研制类于家用打印机的光学加密设备。氧化石墨烯可以像我们现在使用的纸张一样，作为信息传递的媒介，实现便捷、高安全性的信息写入和读取。文章中报道的全息重构技术也为目前基于全息的光学神经网络的可重构研究提供了一条可行路线。该工作得到了国家自然科学基金委员会和上海市科委等单位的支持。

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