导读
近日，深圳大学医学光子学创新研究院屈军乐教授团队与深圳华大生命科学研究院沈梦哲、王大鹏团队合作取得重要进展，相关研究成果发表于国际光学期刊《Opto-Electronic Technology》[Opto-Electronic Advances（IF=22.4）姊妹期刊]。
团队创新提出“矢量光笔”（Vectorial Optical Pen, VOP）概念，实现了像素级多自由度光学加密系统，可对成像面上每个光学焦点的空间位置、偏振态和轨道角动量（OAM）等多种自由度进行独立精准调控，从物理层面拓展光学加密的密钥空间，提升光学加密的安全性，为大容量、高安全级别的微型光信息加密系统的实现提供了切实可行的方案。
深圳大学医学光子学研究院博士研究生彭建中为论文第一作者，深圳华大生命科学研究院副研究员王大鹏与深圳大学医学光子学研究院翁晓羽教授、屈军乐教授为共同通讯作者，深圳大学为第一完成单位。
成果入选2026年《Opto-Electronic Technology》第2卷、第3期封面
1. 研究背景
在数字化浪潮席卷全球的今天，信息安全已成为关乎国计民生的核心议题。光学加密技术凭借光波的多维物理属性（如振幅、相位、偏振、轨道角动量等）和高速并行处理的先天优势，已成为保障信息安全的关键手段。
然而，传统光学加密系统大多建立在“全局傅里叶变换”的耦合机制之上，不仅容易受到迭代检索算法的攻击，且加密密钥空间受到严重限制，难以满足日益增长的大容量、高安全性需求。如何打破“牵一发而动全身”的全局耦合物理限制，在微观尺度上实现更多自由度的独立调控，从而实现更大密钥空间和更高安全性的光学加密，是该领域亟待突破的重大挑战。
2. 技术创新
针对上述瓶颈，研究团队提出了"矢量光笔"的概念，构建了像素级矢量全息光学加密系统（图1）。如果说传统全息加密如同在画板上"涂布"，那么"矢量光笔"则实现了光学领域的"工笔画"创作：成像面即画布，每个光学焦点都是一笔独立的笔触，其空间位置、偏振与轨道角动量均可被独立定制。在系统构成上，矢量光笔由加载于空间光调制器（SLM）上的光笔全息相位与涡旋偏振片（VP）协同实现——光笔全息相位对上述多自由度进行像素级编码，作为加密系统的密文；由VP产生的入射矢量涡旋光束则充当密钥。这种将空间分布与多物理维度解耦的编码方式，在结构上有效减少了不同模式间的相干串扰，为高容量信息加密奠定了物理基础；相应地，解密也要求光束参数与加密预设严格匹配，任何参数失配均无法还原信息，从而在机制上保障了系统的安全性。
图1 像素级解析光学加密原理图
3. 验证与应用成果
研究团队利用“矢量光笔”的多自由度编码机制，设计了一套“双重锁”式高安全性加密验证（图2）。加密端（上锁）：将需要加密的信息（如字母“S”、“Z”、“U”）转换为ASCII码（83、90、85），将十位数与个位数分别编码在两个正交偏振态中，并定制各光学焦点的自由度，将数字信息巧妙隐藏在全息相位中形成密文——相当于为每个像素点都设置了一把独特的“锁”。解密端（开锁）：只有当入射光同时具备正确的轨道角动量阶数与正确的正交偏振态时，才能作为“钥匙”打开这把锁，使光场正确干涉，提取出加密信息；参数一旦错误，光场即发生畸变，完全无法破译，从而在物理层面严格保障了加密的可靠性。
图2 像素级解析光学加密演示
为进一步证实加密方案的抗干扰与防破译能力，团队结合形态交叉特征提取算法进行了严格的定量概率分析（图3）。结果表明：当入射光束阶数偏离设计值时（11、21、31阶），联合解码概率趋近于零；仅当入射光束为正确的32阶矢量涡旋光束时，解密准确率方可达到96.8%。尤为关键的是，即便错误密钥与正确密钥仅相差1阶，解密结果也已彻底畸变，无法从中提取任何有效信息。上述结果充分验证了系统极低的模式串扰与高度的密钥敏感性，证明该方案为大容量、高安全级别的光信息加密提供了切实可行的技术路径。
图3 光学加密系统的安全性分析
4. 研究总结
本文提出的“矢量光笔”技术，将加密系统的调制分辨率提升至焦斑尺度，实现了像素级精度的多自由度独立调控，将加密密钥空间拓展至多个物理维度。该方案兼具动态可编程、实现方式灵活等优势，有效克服了传统光学加密系统易受迭代攻击、密钥空间受限的难题，在信息安全、防伪加密、全息显示等领域具有广阔的应用前景。
项目支持
本研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市光子学与生物光子学重点实验室、深圳市生物医学光学微纳检测与成像重点实验室、深圳市科技计划项目等项目的资助。
原文链接：http://dx.doi.org/10.29026/oet.2026.260018
