一、摘要
光学加密利用光的高维度特性实现物理层安全防护，具备天然抵御算法攻击的优势，是电子加密技术的强力替代方案。为满足安全物流、防伪溯源与硬件认证领域的日益增长需求，亟需可实现多光学参数调控的动态平台以充分挖掘光在高端加密领域的应用潜力。本文构建了一种基于热调控、荧光基团掺杂手性光子晶体的动态光学平台，该介质可实现波长与圆偏振态的动态可逆选择性调控，调控机制源于光子晶体带隙与荧光发射峰的匹配关系：二者匹配时可获得高不对称因子glum的强圆偏振发光，失配时glum显著衰减。同时，利用几何相位调制可将任意全息图编码至胆甾相液晶取向中，激光直写技术还可实现振幅图案的定制化制备。研究将偏振、波长、相位、振幅四大维度整合至单一加密体系，解密密钥内嵌于全息结构中，只有匹配的热调控条件与激发光源密钥，才能输出唯一的振幅、自旋态与荧光组合信号，并可进一步压缩为二进制编码。该工作建立了通用的高维光学加密策略，大幅提升了信息隐私防护的安全边界。
二、研究背景
人工智能技术的飞速发展，推动物联网、沉浸式 AR/VR 显示、数字孪生等关键领域的数据交互频次激增，对高可靠性信息安全技术的需求愈发迫切。传统电子加密依托计算复杂度实现信息防护，但算力水平的快速迭代使其安全壁垒不断被突破。物理层加密作为独立于算法之外的防护手段，可有效提升信息保密性，成为当下研究热点。
光是理想的信息载体，具备空间、时间、光谱多自由度，能够实现大容量并行光学处理。但光与光直接相互作用难以实现，通常需借助光与物质相互作用调控各类光学参数，因此开发可同步动态调控多光学参数的功能介质，对构建多级加密框架、推动下一代通信与隐私防护技术发展至关重要。
圆偏振发光（CPL）作为肉眼无法分辨的全新光学加密维度，可拓展物理编码通道，大幅提升破译与仿制难度。近年来科研人员致力于高不对称因子glum体系开发，将发光基元引入手性光子晶体，借助手性光子共振放大 CPL 信号是公认的高效策略。胆甾相液晶（CLCs）可自组装形成一维手性光子晶体，具备本征自旋选择性与光子带隙特性，能呈现鲜明结构色。其螺距对外界刺激高度敏感，可动态调谐光子带隙并实现glum值调控。同时，混合发光体间的福斯特共振能量转移（FRET）可实现荧光色彩连续可调，将 CLC 螺距调谐的glum增强机制与 FRET 色移机制结合，可极大拓展 CPL 参数调控空间，为光学加密、防伪与智能光子学应用提供全新动态高维路径。
三、研究内容
本研究基于多荧光基团与手性光子晶体的协同相互作用，构建可调谐高glum多色圆偏振发光体系，实现 CPL 增强型多维光学加密。将三种发射峰各异的荧光染料掺杂至同一胆甾相液晶螺旋体系，利用螺吡喃（SP）的紫外吸收动态变化实现时控 FRET 效应，调控荧光发射由绿色连续过渡至红色；借助胆甾相液晶的热可调光子带隙，通过布拉格反射与荧光发射的光谱重叠实现 CPL 信号放大。通过光取向技术将密钥信息全息图编码至胆甾相液晶初始螺旋取向，激光直写技术定义振幅图案。仅在特定温度与紫外辐照剂量下，体系可输出唯一的色彩与自旋态组合，依托 FRET 色变与 CLC 螺距偏移协同实现多色 CPL 增强，搭建面向光学加密的动态高维功能平台。
四、结果讨论
4.1 体系设计基本原理
三元荧光基团掺杂手性光子晶体体系选用 DPA、C6、SP 三种染料，分别发射蓝、绿、红荧光，染料间光谱重叠可构建高效 FRET 过程，实现荧光色彩连续调控。胆甾相液晶光子带隙由寻常光与非常光折射率及螺距决定，螺距受手性掺杂剂浓度、螺旋扭曲力及温度调控：温度升高会增大螺旋扭曲力，引发光子带隙蓝移；温度降低则带隙红移。当 CLC 光子带隙与荧光发射峰匹配时，凭借布拉格反射的自旋选择性，螺旋结构可显著增强 CPL 信号；glum作为 CPL 核心评价参数，可定量表征左右旋圆偏振发光强度差异。结合 CLC 微腔光子共振与混合发光体 FRET 效应，突破传统 CPL 固定发光颜色限制，构筑高glum可调色 CPL 体系，为波长与自旋态协同调制及多维光学加密奠定基础。
4.2 手性结构增强单色圆偏振发光
制备 DPA、C6、SP 三种单色 CLC - 荧光复合物，优化手性掺杂剂浓度使光子带隙与荧光光谱精准匹配。实验表明，CLC 复合物可发射稳定单色荧光，且荧光色彩与光子带隙高度契合。C6/CLC 体系可选择性反射右旋圆偏振光，经右旋圆偏振滤光片观察呈亮绿色，左旋滤光片下则呈暗态；紫外激发下左旋 CPL 强度远高于右旋，表现出高glum特性，且 CPL 手性与布拉格反射手性相反，源于 CLC 光子微腔的光子共振效应。
三种复合物glum峰值分别达 1.56、1.38、1.58，手性相反样品呈现镜像glum光谱，证实 CPL 信号的对映体特征。液晶盒厚度在 4~20 µm 范围内，布拉格反射率与glum随厚度增加而提升，20 µm 时 C6/CLC 体系glum达到最大值；厚度增至 30 µm 后，CLC 螺旋生长不均导致性能衰减。当 CLC 反射带与荧光光谱失配时，glum大幅降低且符号反转，证明光谱重叠是 CPL 放大的核心决定因素。
4.3 动态多色圆偏振发光特性
DPA 与 C6、C6 与 SP 间光谱满足 FRET 能级匹配要求，构筑双级级联 FRET 体系。紫外辐照下，螺吡喃 SP 发生开环异构化转变为部花菁 MC，共轭体系拓展且吸收光谱与 C6 发射光谱重叠，触发逐级能量转移：初期 DPA 能量传递至 C6，体系呈绿色荧光；随紫外辐照时间增加，MC 分子不断累积，能量进一步由 C6 传递至 MC，荧光由绿转白最终变为红色，且该过程可热循环恢复。
利用激光直写制备字母 “N” 图案并填充三元掺杂 CLC 体系，紫外辐照时间可精准调控荧光光谱演变。CIE 色度坐标证实体系实现绿色 - 双色白光 - 红色的连续色过渡，虽发射峰为离散切换，但可控的色彩变化仍可支撑动态 CPL 生成。结合荧光动态调控与 CLC 螺距热调特性，降温过程中 CLC 光子带隙可在 480~680 nm 宽范围连续调谐，偏振光学显微镜表征证实不同温度下 CLC 取向均匀、结构色可调，为多色 CPL 增强提供可逆调控平台。只有同时精准控制温度与紫外辐照时间，使荧光峰与布拉格带隙光谱重合，才能实现高效 CPL 增强，为波长与自旋选择性光学加密提供支撑。
4.4 胆甾相液晶超结构全息编码
通过激光直写在玻璃基底刻蚀四种扑克牌花色图案，利用光取向技术将全息相位图案记录至 CLC 螺旋初始取向。搭建全息表征光路，结合 Gerchberg–Saxton 算法，以温度、紫外辐照时间、荧光颜色、自旋态四参数生成目标全息图，依据相位与液晶指向矢取向的定量关系完成相位编码。在匹配温度条件下，样品呈现均匀绿色织构，550 nm 激光照射可精准复现编码全息图案，实现信息的全息存储与再现。
4.5 圆偏振发光增强多维加密应用
将不同手性、不同温敏特性的 CLC 复合物填充至扑克牌花色图案，构建多维加密体系。不同图案具备差异化温度响应与 CPL 发射特性，形成多重动态加密通道。以温度、紫外时间、荧光颜色、圆偏振自旋态为四维密钥，将振幅图案、自旋态、荧光颜色按规则转化为 6 位二进制编码，拓展编码通道与加密容量。不同物理条件对应海量二进制编码，破译难度大幅提升，通过全息密钥提取唯一编码可解码得到数字序列，验证了 FRET 辅助 CPL 调制在动态大容量光学信息加密与物理层防伪领域的可行性。
4.6 讨论分析
本研究开发了热可调 CLC - 荧光复合体系，实现高glum动态多色 CPL 发射，融合激光直写振幅、波长、自旋、相位多维度实现加密升级，四参数密钥直接全息编码，6 位二进制编码大幅提升信息容量。当前受限于 FRET 体系，发射峰仅能离散切换，后续开发发射波长连续可调荧光体系，可进一步挖掘 CPL 加密潜力；除热调控外，电场调控等新型刺激方式可拓展应用场景，CPL 显微表征技术还可补充手性域空间信息，推动该技术实用化落地。
五、总体结论
本文研发了基于多荧光基团掺杂热可调胆甾相液晶的多参数动态光学加密方案，将多色圆偏振发光增强、全息编码与定制化振幅图案集成于统一加密体系。依托福斯特共振能量转移与胆甾相液晶光子带隙调谐的协同效应，实现荧光发射与glum值的可逆选择性调控。通过光取向技术将解密密钥内嵌于全息结构，仅在精准匹配的热条件与光照参数下才可完成信息解密。该研究建立了多参数光学加密通用策略，为防伪溯源、安全物流、信息隐私防护提供了物理层全新技术方案，显著推动了光学安全领域的发展。
六、图文概览
图 1、基于多荧光基团掺杂手性光子晶体的 CPL 增强多维加密平台示意图；(a) 三元荧光掺杂 CLC 结构、生成全息图及 DPA、C6、SP 三种荧光分子结构式；(b) 填充样品的字母 “N” 在紫外辐照下的荧光色彩演变；(c) 温度调控下 CLC 螺距伸缩变化示意图。
图 2、(a) 三种 DPA、C6、SP 掺杂 CLC 混合物的布拉格反射谱（实线）与荧光发射谱（渐变填充曲线），插图为紫外下对应单色荧光；(b) C6-CLC 混合物在白光、紫外光照下，经左右旋圆偏振分析仪拍摄的实物图；(c) 三种样品在相反手性 CLC 中的glum光谱；(d) 布拉格反射谱、荧光发射谱、光谱失配下glum光谱及非手性向列相液晶体系对比曲线。
图 3、(a) DPA 发射光谱与 C6 吸收光谱；(b) C6 发射光谱与紫外增强部花菁吸收光谱；(c) DPA/C6/SP 体系双级级联 FRET 机理示意图；(d) 不同紫外辐照时间下荧光光谱演变，插图为激光直写字母 N 在不同辐照时间下的 CPL 图像；(e) 由 (d) 计算得到的 CIE1931 色度图。
图 4、(a) 三元荧光混合 CLC 的温度依赖反射光谱；(b) 白光照射下不同温度的偏振光学显微图像；(c) 紫外辐照下不同温度的左旋、右旋圆偏振荧光图像。
图 5、(a) 全息表征光学光路示意图，包含线偏振器、1/4 波片、非偏振分束器等器件；(b) 四参数密钥加密信息、GS 算法生成全息图、液晶指向矢分布及偏振显微放大图；(c) 样品在 21.6℃下再现的全息图案。
图 6、(a) 以温度、紫外辐照时间、圆偏振选择性构建的三维信息解密坐标系；(b) 不同样品条件对应的海量二进制编码示例；(c) 四参数密钥、信息编码规则及最终解码数值信息。
七、作者信息
作者姓名：
Lu Li, Wei-Wen Fan, Xiao-Yi Xu, Chun-Ting Xu*, Yong Zhang, Wei Hu*
通讯作者及单位：
Chun-Ting Xu*
National Laboratory of Solid State Microstructures, Key Laboratory of Intelligent Optical Sensing and Manipulation, and College of Engineering and Applied Sciences, Nanjing University, Nanjing 210023, China
Wei Hu*
National Laboratory of Solid State Microstructures, Key Laboratory of Intelligent Optical Sensing and Manipulation, and College of Engineering and Applied Sciences, Nanjing University, Nanjing 210023, China
八、论文链接
https://doi.org/10.1002/lpor.71287
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