宋海洋同学等撰写的全息加密存储特邀论文发表
全息数据存储具有存储容量大、数据传输率快等特点，是大数据时代可持续发展的技术。相位编码全息数据存储系统因其光能效率高、结构稳定、易于被相位空间光调制器调制等优点而备受关注。参考光编码的正交相位加密技术以其低串扰性能和最小码存储需求的优势而成为一种有效的加密方法，它可以在物平面上直接对参考光进行加密，利用空间光调制器对参考光进行相位调制，精简实验装置，简化实验流程，实现全相位的调制，本文将正交相位加密技术应用到同轴全息存储系统中，探究正交相位加密技术在同轴全息存储系统中的应用可能性，并对加密效果做出简单的讨论。 图1 显示了正交相位加密技术的加密系统，信息光通过振幅型空间光调制器上载，利用相位型空间光调制器调制正交相位，通过物镜将信息记录到全息存储材料上，读取时，材料上的信息会通过反射到达相机中，读取出材料中记录的信息。当使用原始相位的参考光进行读取时，相机能够获取的整个再现信息光的全部内容，当使用正交相位编码时，相机将无法获取再现信息光。 |
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| 图1 正交相位加密同轴全息数据存储系统 | |
编码方式是将密钥信息转换成特定形式的过程。在同轴全息存储系统中，正交相位编码方式扮演着至关重要的角色。编码方式的设计直接影响到信息的加密效率和加密质量，为更好的观察正交相位加密在同轴全息存储系统中的效果，文中采用两种方式来进行实验验证。第一种是扇形编码模式（SOPCR），相位型空间光调制器的相位编码单元如图2(a) 所示，另一种是随机位置编码模式（ROPCR）如图2(b) 所示 |
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| 图2 正交相位编码模式 | |
在正交编码中，常用哈达玛矩阵生成正交码，正交码则决定了像素点的相位值。通过对哈达玛矩阵的行或列进行选择和排列，可以得到多组正交码。哈达玛矩阵是一种特殊的矩阵，具有正交性和等距性，利用哈达玛矩阵生成正交相位编码，可以有效地降低码间干扰。表1 中展示了本文所使用的8阶正交相位编码。 |
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表1 参考光单元的相位编码密钥 |
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图3、4 展示了在两种相位编码方式下，进行正交相位编码存储图案的效果。图3 中的两张信号光图案使用不同相位密钥 Key2 和 Key3 存储进材料中，并且能够通过正交相位密钥进行读出，得到再现图，完成正交相位密钥的加密与解密功能。 |
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| 图3 SOPCR和ROPCR在相同位置下的记录的两幅图案 （a）使用 Key2 记录的图案（b）使用 Key3 记录的图案 |
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图4 （a）SOPCR和（b）ROPCR在 Key3 下的读取结果 |
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此外，信息的加密存储不仅要完成加密与解密的过程，还要具有安全性，需要综合考虑各种因素，采取多种安全措施，才能够有效地保证信息的安全性。为验证正交相位编码安全性，文中还将信息光设计成数据页的形式进行记录与读取，记录图案如图5所示。通过比较每个密钥读出图案之间的相关系数和均方误差来判断存储图案的安全性。 |
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| 图5用于测试安全性的振幅型空间光调制器上载图 | |
通过比较可以得到SOPCR下得到的均方误差均值为 537，ROPCR的均方误差均值为 1872，ROPCR展现出的均方误差明显大于SOPCR，这表明ROPCR在错误密钥读取情况下偏离原始再现图案程度相较于SOPCR更高。SOPCR下得到的相关系数均值为 0.57，ROPCR的相关系数的均值为0.02，这表明ROPCR单个密钥包含其他密钥所存储的信息要小于SOPCR单个密钥包含其他密钥所存储的信息。 本论文聚焦于同轴全息存储领域，使用相关系数和均方误差计算结果表明，正交相位编码技术具有一定的安全性，能够实现信息的加密。证明了正交相位加密可以应用在同轴全息存储系统中。同时，在扇形正交相位编码模式下存在串扰问题，在随机位置正交相位编码模式下存在对比度低的问题。未来将研究引起这些问题的原因，进一步提高正交相位加密同轴全息存储系统的安全性与稳定性。 |
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上述研究成果以“正交相位编码的同轴全息加密存储系统的研究”为题整理发表在中国科学院上海光机所和中国光学学会主办的中文期刊杂志《中国激光》（Chinese Journal of Lasers），Vol.50，No.18, 1813017（2023）上。 论文的相关链接：https://www.opticsjournal.net/Articles/OJc5131b72f30acc70/Abstract |
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(2023.09.10)
