随着人工智能和高精度复制技术的发展，传统依赖二维码、图案和荧光颜色的防伪方式越来越容易被仿制。如何利用材料本身难以复制的物理特征，构建更加安全，同时又便于识别的防伪标签，成为信息安全领域亟待解决的问题。在我们最近的工作中，一项基于手性光子晶体薄膜的新型多维光学防伪技术，为这一问题提供了新的解决思路。
图1. 基于浮雕表面手性光子晶体薄膜的手性光学物理不可克隆函数加密认证过程。
具体而言，我们基于一种具有随机的浮雕表面微结构和手性光学响应的手性光学晶体膜构建了手性物理不可克隆函数（Chiroptical Physical Unclonable Functions，CP-PUF）防伪标签。核心思路其实很简单：不再只利用“图案”进行防伪，而是进一步利用光与材料内部手性结构相互作用产生的独特光学响应作为特征信号。这种新型标签能将结构色和荧光发光的“颜色”和“偏振状态”同时转化为加密的验证信息，使每一枚标签都拥有难以复制的多维“光学指纹”。
光子晶体薄膜内部的手性结构能产生光子禁带，在这个波段内能选择性调控不同偏振状态的光。理想情况下，与手性结构同手性的圆偏振光被完全调制，表现为全反射，而反手性的圆偏振光则表现为“光学透明”，表现为全透过。因此，对照射到薄膜表面的自然光而言（视为等量的左右圆偏振光均匀混合），在光子禁带波段处的透过率是50%，透过光和反射光呈现完全不同的圆偏振性质，其中反射光形成了薄膜表面的结构色。与此同时，在薄膜底部中引入多色荧光染料，使标签在紫外光照射下产生红、绿、蓝三种颜色的发光信号，为手性光学调制提供光源。但实际情况下，薄膜内部的手性微观结构并不完整，这些微观结构在制备过程中具有不可完全复制的随机性，每一枚标签都会形成略有不同的光学响应。此外，随机分布的染料以及表面压印过程中产生的浮雕结构，进一步放大了随机性，共同构成了每一枚标签独特且不可预测的物理特征。仅仅复制表面的图案，并不能复制完整的光学响应。这同样意味着，即使两枚标签采用完全相同的制备工艺，它们最终形成的微观结构和光学响应仍然存在天然差异。
图2. 浮雕表面手性光子晶体膜的形貌表征、光子禁带性能调控表征。
在自然光照下，可以获取标签的结构色图案，在紫外光照射下，可以获取随机的荧光图案。这些信息构成第一层肉眼或者普通光学可读出的光学密码。与此同时，通过线偏振片和四分之一波片，利用斯托克斯偏振测量对标签进行偏振态分析，可以解析出标签表面不同位置的光学偏振态信息，从而建立手性结构色和圆偏振发光映射。这些映射可以用椭偏角和方位角在庞加莱球上进行可视化表达。这些隐藏在偏振维度中的信息，则构成第二层更难复制的“偏振密码”。需要注意的是，荧光染料发光的偏振态调制完全依赖于手性结构。薄膜表面浮雕式的结构允许额外的手性光子墨水负载，这提供了额外的手性结构以及调制。而各种手性结构最后都外显为薄膜的结构色。因此，当薄膜结构色与多色荧光染料任一发光波长重合时，将结构色图案作为卷积核，将多色波段的圆偏振发光特征进行卷积，实现“光学密码”和“偏振密码”的压缩，让一个像素点最后读出的信息同时携带多个维度的参数。
图3. 基于浮雕表面手性光子晶体膜的手性光学不可克隆函数标签的光物理性能表征。
我们没有把这种技术停留在复杂的实验室级别光谱测试上。我们利用智能手机结合简单的偏振光学元件获取标签信息，实现更加便携的光学认证。具体而言，我们设计了由光源、滤光元件、偏振元件等模块组成的便携式认证装置。
实际密钥采集中，通过转动偏振元件，以及结合三色滤光片组，我们可以直接通过智能手机在偏振元件转动过程中分别拍摄蓝、绿、红三通道的12张结构色和荧光图像。其中序号为1的初始图像用于直接反应结构色和荧光的真实空间光学加密密钥。全部图像结合图像处理技术，可以提取出结构色和荧光图像中的手性信息，映射出手性空间。其中圆偏振发光的密钥是由手性结构色图像作为卷积核，将三通道的偏振态图像卷积得到。
图4. 手性光学物理不可克隆函数便携式认证装置示意图，以及实际认证流程。
从实验结果来看，这种多维编码具有较好的随机性、稳定性和唯一性。在50 × 50的编码分辨率下，各种模式下的密钥均表现出接近理想随机状态的统计特征。结合多种编码维度后，标签携带的信息熵达到至少3.32 bit/pixel。
图5. 手性光学物理不可克隆标签的结构色、荧光、手性结构色、圆偏振发光模式的物理不可克隆性能测试。
更值得关注的是，这种手性光学编码并不局限于人眼可见的颜色。通过改变光子晶体的光子禁带位置和染料类别，可以将编码波段进一步拓展到近红外波段。这些近红外信息无法被肉眼直接观察，却可以通过相应的光学探测设备读取，从而形成更加隐蔽的加密。
从“一个图案”到“多维光学指纹”，防伪技术正在从简单的图案识别走向更加复杂的光—物质相互作用认证。未来，这种多维手性光学PUF技术有望应用于高端商品防伪、票据与证件认证、信息加密、智能标签以及高安全等级身份识别等领域，为下一代信息安全和先进防伪技术提供新的材料与光学平台。
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