【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光学加密，具体涉及一种基于超构表面的加密方法。
技术介绍
1、光学加密利用光学技术的高并行处理能力、抗电磁干扰性和大容量数据处理优势，通过傅里叶变换、相位加密、空间光调制和全息技术实现信息加密，广泛应用于军事通信、数据存储、金融交易和医疗数据保护等领域。
2、相关技术中，光学加密多采用双随机相位编码的方法，通过在空间域和频率域分别引入随机相位掩模，对图像进行加密，加密后的图像是随机噪声，无法直接识别原始图像，只有同时拥有两个随机相位掩模才能正确解密还原出原始图像。该方法通过双重加密机制提高了安全性，但是其存在信息容量有限和密钥管理复杂的缺陷。
3、因此，实有必要提供一种基于超构表面的加密方法以解决上述问题。
技术实现思路
1、本专利技术提供一种基于超构表面的加密方法，利用超构表面来执行解密矩阵的功能，充分利用了超构表面的高集成度、调制能力强和设计自由度高的优势，可以有效提升系统的安全性，并且还可以提高加密过程中的信息容量，无需存储和传送复杂的密钥，解决
技术介绍
中涉及的至少一个技术问题。
2、为了解决上述技术问题，本专利技术是这样实现的：
3、一种基于超构表面的加密方法，包括如下步骤：
4、构建代理模型：基于逆向设计的方法，构建代理模型来模拟超构表面对光场的调制过程，学习不同波长光场作用下超构表面的结构参数到光学响应的映射关系；
5、超构表面设计：设定加密矩阵，随机生成振幅值范围为0-1的训练矩阵，
6、超构表面制作：选定光场的波长，采用该波长的光场作用下所需的最优结构参数制作超构表面；
7、电子加密：提供原始图案，采用加密矩阵对原始图案进行电子加密；
8、掩膜设计：将加密后的图案编码为掩膜；
9、光学解密：在选定波长的光场作用下，利用掩膜将加密后的图案传递给超构表面，经超构表面调制后还原出原始图案。
10、作为一种优选的改进，超构表面工作在可见光波段下，采用二氧化钛材料制备而成，超构表面的结构参数包括每个纳米单元的尺寸数据。
11、作为一种优选的改进，代理模型为全连接神经网络模型，将超构表面的结构参数和光场的波长作为全连接神经网络模型的输入，将超构表面输出光场的复振幅作为全连接神经网络模型的输出目标，采用fdtd对超构表面的调制过程进行仿真模拟，将fdtd仿真模拟的结果作为真实值，将全连接神经网络模型的输出目标作为预测值，以预测值和真实值的平均绝对误差作为损失函数，采用随机梯度下降法作为优化算法，以损失函数最小化为目标进行迭代训练，直至模型拟合或者达到最大迭代次数。
12、作为一种优选的改进，超构表面由多个矩形结构的纳米单元组成，结构参数包括每个纳米单元的长度和宽度，全连接神经网络模型的物理模型表示为：
13、；
14、；
15、；
16、式中，表示经第 i个纳米单元的复值透射系数；表示超构表面上第 i个纳米单元的空间坐标；表示光场的波长；表示光场的振幅；表示光场的虚部；表示光场的相位；分别表示第 i个纳米单元的长度和宽度；表示全连接神经网络模型处理；表示光场在自由空间中传播的衍射系数；表示全连接神经网络模型的输出；表示全连接神经网络模型的输入；其中：
17、；
18、式中，表示光场在自由空间中传播后的空间坐标，。
19、作为一种优选的改进，每个特定波长的光场作用下，每个加密矩阵有且仅有一组最优结构参数的超构表面与之对应。
20、作为一种优选的改进，超构表面上设置有多个调制区域，每个调制区域设定不同波长的光场作用，每个调制区域上设置有多个调制通道，每个调制通道与一个加密矩阵相对应，用于在调制区域特定波长的光场作用下执行与该加密矩阵相匹配的光学解密过程。
21、作为一种优选的改进，加密以及解密过程具体包括如下步骤：
22、电子加密：提供原始图案，将原始图案划分为多个子图案，每个子图案与一个调制区域相对应，采用调制区域内任意一个调制通道所对应的加密矩阵对该子图案进行电子加密；
23、掩膜设计：将每个子图案加密后的图案编码为掩膜；
24、光学解密：在每个调制区域选定波长的光场作用下，利用掩膜将加密后的图案传递给超构表面，由对应调制区域内的调制通道进行解密，最后将解密后的图案拼接还原出原始图案。
25、作为一种优选的改进，超构表面和掩膜采取的是分离式的架构，超构表面和掩膜制造在不同的透明衬底上。
26、作为一种优选的改进，超构表面和掩膜采取的是集成式的架构，超构表面及掩膜集成到同一透明衬底上形成光学调制件，然后将光学调制件与cmos图案处理器胶合固定实现片上集成，cmos图案处理器用于采集超构表面的输出光场并读取其光强，使用时在特定调制区域入射特定波长的光场，即可直接恢复出原始图案。
27、作为一种优选的改进，光学调制件的制备过程包括如下步骤：
28、步骤s1，以ito玻璃为衬底，通过离子束溅射工艺在衬底表面镀一层铝膜并剥离出掩膜的形状；
29、步骤s2，在掩膜表面旋涂一层隔离层；
30、步骤s3，在隔离层表面旋涂光刻胶，通过曝光显影方式在隔离层上制作设计出的超构表面版图；
31、步骤s4，使用原子层沉积技术在隔离层表面交替循环沉积四氯化钛和去离子水，通过气固相化学吸附反应形成氧化钛，确保曝光图案被氧化钛完全填充；
32、步骤s5，通过离子束刻蚀技术去除光刻胶上多余的氧化钛，得到被光刻胶包裹的氧化钛纳米柱阵列；
33、步骤s6，通过反应离子束刻蚀，用氧气将包裹纳米柱的光刻胶缓慢反应完从而释放被包裹结构，完成光学调制器件的制作。
34、本专利技术的有益效果在于：
35、本专利技术将待加密图案经电子加密后制作成掩膜，在光场作用下，利用掩膜将加密后的图案信息编码给超构表面，通过逆向设计的方法设计出能具有线性运算映射能力的超构表面，被加密好的图案被超构表面调制后，可以还原出原始图案。本专利技术利用超构表面来执行解密矩阵的功能，充分利用了超构表面的高集成度、调制能力强和设计自由度高的优势，可以在不同的空间位置进行排布，通过光场的波长和超构表面空间信息的耦合来增加加密组合形式，提高了系统的安全性，并且还可以提高加密过程中的信息容量，无需存储和传送复杂的密钥。
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1.一种基于超构表面的加密方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于超构表面的加密方法，其特征在于，超构表面工作在可见光波段下，采用二氧化钛材料制备而成，超构表面的结构参数包括每个纳米单元的尺寸数据。
3.根据权利要求2所述的基于超构表面的加密方法，其特征在于，代理模型为全连接神经网络模型，将超构表面的结构参数和光场的波长作为全连接神经网络模型的输入，将超构表面输出光场的复振幅作为全连接神经网络模型的输出目标，采用FDTD对超构表面的调制过程进行仿真模拟，将FDTD仿真模拟的结果作为真实值，将全连接神经网络模型的输出目标作为预测值，以预测值和真实值的平均绝对误差作为损失函数，采用随机梯度下降法作为优化算法，以损失函数最小化为目标进行迭代训练，直至模型拟合或者达到最大迭代次数。
4.根据权利要求3所述的基于超构表面的加密方法，其特征在于，超构表面由多个矩形结构的纳米单元组成，结构参数包括每个纳米单元的长度和宽度，全连接神经网络模型的物理模型表示为：
5.根据权利要求1所述的基于超构表面的加密方法，其特征在于，每个特
6.根据权利要求1所述的基于超构表面的加密方法，其特征在于，超构表面上设置有多个调制区域，每个调制区域设定不同波长的光场作用，每个调制区域上设置有多个调制通道，每个调制通道与一个加密矩阵相对应，用于在调制区域特定波长的光场作用下执行与该加密矩阵相匹配的光学解密过程。
7.根据权利要求6所述的基于超构表面的加密方法，其特征在于，加密以及解密过程具体包括如下步骤：
8.根据权利要求1所述的基于超构表面的加密方法，其特征在于，超构表面和掩膜采取的是分离式的架构，超构表面和掩膜制造在不同的透明衬底上。
9.根据权利要求7所述的基于超构表面的加密方法，其特征在于，超构表面和掩膜采取的是集成式的架构，超构表面及掩膜集成到同一透明衬底上形成光学调制件，然后将光学调制件与CMOS图案处理器胶合固定实现片上集成，CMOS图案处理器用于采集超构表面的输出光场并读取其光强，使用时在特定调制区域入射特定波长的光场，即可直接恢复出原始图案。
10.根据权利要求9所述的基于超构表面的加密方法，其特征在于，光学调制件的制备过程包括如下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种基于超构表面的加密方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于超构表面的加密方法，其特征在于，超构表面工作在可见光波段下，采用二氧化钛材料制备而成，超构表面的结构参数包括每个纳米单元的尺寸数据。
3.根据权利要求2所述的基于超构表面的加密方法，其特征在于，代理模型为全连接神经网络模型，将超构表面的结构参数和光场的波长作为全连接神经网络模型的输入，将超构表面输出光场的复振幅作为全连接神经网络模型的输出目标，采用fdtd对超构表面的调制过程进行仿真模拟，将fdtd仿真模拟的结果作为真实值，将全连接神经网络模型的输出目标作为预测值，以预测值和真实值的平均绝对误差作为损失函数，采用随机梯度下降法作为优化算法，以损失函数最小化为目标进行迭代训练，直至模型拟合或者达到最大迭代次数。
4.根据权利要求3所述的基于超构表面的加密方法，其特征在于，超构表面由多个矩形结构的纳米单元组成，结构参数包括每个纳米单元的长度和宽度，全连接神经网络模型的物理模型表示为：
5.根据权利要求1所述的基于超构表面的加密方法，其特征在于，每个特定波长的光场作用下，每个加密矩阵有...
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