面向红外多级加密的角度与偏振选择性双波长窄带热发射器研究

为解决数据爆炸时代信息安全挑战，研究人员通过设计基于ε-近零(ENZ)材料/金属层的双层结构热发射器，实现了长波红外(LWIR)波段角度/偏振选择性双波长窄带辐射，结合Berreman模式与不对称Fabry–Pérot(FP)共振，构建了融合物理密钥与数字算法的多级加密系统，为红外通信安全提供了新范式。

　　

在数字化浪潮中，数据爆炸性增长使得信息安全面临前所未有的挑战。尽管数字加密技术如AES、RSA等已广泛应用，但纯数字加密在传输过程中仍存在被截获的风险。为此，科学家们开始探索将物理密钥与数字算法结合的联合加密技术。红外波段因其独特的可视化优势成为研究热点，但现有技术面临环境不稳定性、光谱带宽受限或制备成本高昂等问题。

中国科学院上海光学精密机械研究所的研究团队在《Research》发表了一项突破性研究，通过创新设计角度与偏振选择性双波长窄带热发射器，为红外多级加密提供了新方案。该团队采用无光刻工艺制备了由1,000 nm SiO₂/100 nm Al组成的超薄结构，利用ε-近零(ENZ)材料特性同时激发Berreman模式和不对称Fabry–Pérot(FP)共振，在7.5-14 μm长波红外(LWIR)波段实现了双峰辐射。

研究采用转移矩阵法(TMM)和时域有限差分法(FDTD)进行光学响应模拟，结合红外椭圆偏振仪(IR-VASE)测定材料光学参数。通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)和长波红外相机(LWIR)验证了器件的角度/偏振选择性。样本制备采用电子束蒸发技术，结合聚焦离子束(FIB)进行结构表征。

结果与讨论部分揭示：

1. 在8.02 μm(ENZ波长)处观察到角度/偏振依赖的Berreman模式，45°入射时TM偏振吸收率达90%；9.89 μm处则呈现角度不敏感的FP共振。
2. 电场分布模拟显示，8.02 μm处能量集中在SiO₂层表面，符合Berreman模式特征；9.89 μm处呈现典型FP共振场分布。
3. 实验测得TE/TM偏振消光比在45°入射时超过10:1，验证了强偏振选择性。
4. 基于基尔霍夫定律验证了吸收率(A)与发射率(E)的等效性，为热辐射调控提供理论支撑。

应用验证中，研究团队构建了三维(角度θ/偏振φ/波长λ)加密系统：

• 通过调节检测条件(如θ=45°、φ=90°、λ=8 μm)实现8种独立状态编码
• 以热发射器红外图像作为物理密钥，结合预设编码表完成"SIOM"等信息加密传输
• 系统通过非确定性密文生成机制抵抗频率分析攻击

结论指出，这种无光刻、晶圆级制备的热发射器兼具结构简单与高性能优势：

1. 首次在单一器件实现LWIR波段角度/偏振/波长三重选择性
2. 通过ENZ材料厚度调控实现Berreman模式与FP共振的协同激发
3. 为下一代红外通信安全提供了可扩展的物理加密方案

该研究突破了传统红外加密材料的环境稳定性与制备成本限制，通过多物理维度调控实现了信息密度的数量级提升。特别是将热辐射特性转化为可编程物理密钥的创新思路，为发展新型光学安全系统提供了重要参考。