暨南大学李向平课题组：基于激光直写三维等离激元微纳结构的角度加密隐写术

2018-11-30

近期，暨南大学光子技术研究院李向平课题组与关柏鸥课题组，新加坡国立仇成伟课题组在超短脉冲激光彩色图案加密打印技术方面取得重要进展。他们利用紧聚焦的单个飞秒脉冲对“银-氮化硅-钛”夹心膜结构进行直接辐照，制备了具有三维形貌的纳米“火山”结构，并利用其具有的角度各向异性实现了依赖入射光角度进行彩色图案隐藏和读取的加密隐写术。

信息的隐写加密（steganography）技术指将秘密信息嵌入或隐藏到信息载体媒介中，只有当接收信息者经过适当地处理，隐写的文字或者图画信息才能被解读出来。超表面作为一种新兴的微型化多功能光学元件，通过亚波长的微结构来调控电磁波的偏振、相位、振幅、频率等特性，是实现微型隐写加密技术的最佳方案。要在超表面上加密信息，需要利用光波的正交特性，将信息存储在不同的光学通道上，只有经过恰当的通道才能读取到正确的信息。迄今为止，利用偏振和波长正交性的超表面器件已经实现，它们都是基于平整纳米共振结构，但利用角度响应的超表面仍没有报道。这很大程度受限于现有的电子束微纳加工技术，目前该技术只能制备相对简单的平面结构，因而一般来说制备的时候需要利用干涉原理，在同一个像素内放置多个“超原子（meta-atom）”，利用不同超原子之间的相位延迟实现对散射光场的调控。此外，传统超表面制备基本上是采用电子束光刻、聚焦离子束刻蚀等方法，其成本高昂且效率较低。采取何种加工制备方法，获得可利用本身的特性实现对入射角度进行响应的纳米结构，仍然面临挑战。

该项研究打破现有超表面设计思路的局限，提出利用具有三维形貌的纳米结构对入射角度的特异性响应实现将信息隐藏在“入射角度”的光学通道里。实验采用飞秒脉冲激光在“银-氮化硅-钛”的特殊夹心结构上进行单脉冲直写，使其在几个皮秒内实现等容升温，诱导外层金属钛膜获取动量往外喷射，类似水花溅射的效果。同时借助热量的耗散冷却，最终凝固形成具有不同形貌的纳米“火山”结构[图1（a）、（b）]。区别于人们在超表面领域常用的平整型超原子，这种火山形状的纳米结构具有三维形貌，能支持横向和纵向的共振模式，在不同入射角度下会有不同的强度变化，使得纳米“火山”结构具有高度的角度各向异性，在入射光不同角度的激发下，会显示出不同的颜色。该课题组成员表示，基于这种超短脉冲的特殊加工方法，他们能够展示具有纳米尺度像素大小的超高分辨率彩色图案打印以及全新的通过改变入射光角度对加密信息进行隐藏和读取的技术[图1（c）、（d）]。该种基于激光打印三维形貌纳米结构的方法，为超表面的加工制备提供了新的思路；其演示的角度各向异性加密隐写技术在信息安全、防伪标记等方面有着很高的应用价值。

图1 飞秒脉冲打印实现角度各向异性加密隐写术。（a）飞秒激光诱导钛薄膜喷射形成火山结构；（b）具有不同形貌的火山结构示意图；（c）小角度入射光读取时信息被隐藏；（d）大角度入射光读取被隐藏信息。

纳米火山结构之所以表现出对入射光的角度各向异性，是因为这种结构具有三维形貌，使其能支持横向和纵向两种共振模式，在不同入射角度下，两种模式之间出现强度竞争，导致其散射的谱线乃至颜色逐渐发生变化，体现出很强的角度各向异性。这种角度各向异性的强弱，与纳米结构的高度有着很大的关系，具有较大高度的结构，色彩变化明显；而那些高度很小的结构，比如纳米坑，则具有最不明显的颜色变化。利用此特性，选择两种具有不同变色特性的像素，在低角度下它们显示相同的粉色；当增大入射角度之后，具有较大高度的锥形纳米火山结构发生明显颜色变化，从粉色变成青绿色；而另外一种纳米坑结构的颜色并没有太大变化，借此将锥形纳米火山结构组成的隐藏信息凸现出来，如图2（a）~（g）所示。

图2 两种具有不同入射角度响应特点的结构以及利用其实现的角度隐写技术。

研究人员通过调控飞秒脉冲的能量密度，可以对钛金属的纳米火山形貌乃至其光谱实现精确控制。图3显示了这种精准的调控性能，通过增加脉冲能量密度，调控纳米火山不同“喷发”阶段，加工得到从月形纳米泡、锥形火山到纳米井形状的结构。在更高的能量密度下直接将钛膜“打飞”，形成纳米坑状结构。图3（b）~（k）展示了利用飞秒脉冲技术打印获得的彩色图像，其尺寸从几百微米到亚厘米量级，而分辨率可高达12700 dpi。

图3 飞秒脉冲实现不同形貌纳米火山结构的制备以及彩色打印。（a）不同形貌的纳米火山结构正视和侧视扫描电镜图，其中图v对应较高能量密度情况下打印出的纳米坑；（b）~（k）不同尺寸的超高分辨率彩色打印图案。

该项目提出的飞秒脉冲制备纳米火山结构技术，相较传统的超表面加工方法而言，大幅度降低了加工制备成本，缩短了加工时间。通过精确调控脉冲能量密度可制备具有不同形貌的三维纳米火山口结构，进而在入射角响应这一新自由度上调控单像素散射特性。由此无需利用多个超原子的干涉效应即可获得角度各向异性，以实现基于入射角度的加密隐写术。该研究为高分辨彩色打印技术、彩色图像加密术的实现提供了新的思路，在信息安全、防伪标记方面有重要的应用前景。

该项工作的成果近期以Laser Splashed Three-Dimensional Plasmonic Nanovolcanoes for Steganography in Angular Anisotropy为题，发表在ACS Nano [12 (9), 9233-9239 (2018)]上。暨南大学光子技术研究院的博士后胡德骄博士为论文第一作者，新加坡国立大学仇成伟教授和暨南大学光子技术研究院李向平教授为共同通讯作者。此外，四川大学和深圳大学的合作者也为这项研究作出了贡献。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b03964