一种基于纯相位型的光学加密-解密系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学信息处理领域，涉及一种实现纯相位型光学加密-解密系统。
【背景技术】
[0002] 随着计算机网络技术的快速发展，信息安全问题已经凸显为一个重要的议题，得 到国内外研宄者的广泛关注。与传统基于电子手段的信息安全技术相比，采用光学信息安 全技术具有信息容量大、高速并行等优势。此外，由于光本身具有振幅、频率、相位、偏振等 多重信息，因此，采用光学信息进行加密-解密本身具有高安全性的潜力。目前，针对采用 光学信息进行加密-解密，国内外研宄者已经提出了多种信息加密-解密的办法，主要包括 基于双随机相位编码的加密-解密方法、基于分数阶傅里叶变换的加密-解密方法、基于菲 涅尔变换的信息加密-解密方法、基于联合变换原理的信息加密-解密方法和基于数字全 息技术的信息加密-解密方法等。然而，上述信息加密-解密方法主要存在以下缺点：（1) 对于上述大部分信息加密-解密方法而言，其加密获得的编码结果一般为复振幅形式，既 包含振幅信息的编码，也包含相位信息的编码，这就必然导致了记录、传输和解密编码信息 的不便；（2)针对上述大部分信息加密-解密方法而言，整个加密-解密系统一般基于4f?系 统，整个系统相对较复杂，且对各个元器件位置的精确对准要求高；(3)上述各种加密-解 密方法其加密-解密系统的灵活性相对较差。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于纯相位型的光学加 密-解密系统，以解决传统信息加密-解密方法中记录、传输编码信息不便、加密-解密系 统灵活性相对较差等不足，实现信息加密-解密的高安全性、快速性和方便性。
[0004] 本发明的技术方案是，
[0005] -种基于纯相位型的光学加密-解密系统，包括相干光源、准直系统、3dB光学分 束器、偏振旋转器、相位生成器、相位生成器控制模块、相位复原生成器、光学合束器、起偏 器、光电探测模块和相位恢复控制模块；
[0006] 相干光源输出的光束首先通过准直系统准直输出，随后注入到3dB光学分束器； 3dB光学分束器将准直输出的光束按照50:50的分束比分为两束；一路光束经过第一偏振 旋转器入射到相位生成器，相位生成器连接有相位生成器控制模块，通过相位生成器控制 模块给相位生成器施加控制程序，相位生成器控制模块一方面将待加密-解密的光学信息 按照一定的编码方式转换为纯相位信息，施加到相位生成器上；另一方面，相位生成器控制 模块产生对光学信息进行加密的纯相位密钥，施加到相位生成器上；这样，待加密-解密的 光学信息隐藏在纯相位密钥中，完成对整个光学信息的纯相位加密；经过3dB光学分束器 后的另一路光束经过第二偏振旋转器后入射到相位复原生成器，随后反射至第三偏振旋转 器；经相位生成器加密后的光束和第三偏振旋转器透射的光束在光学合束器上进行合成； 合成后的光束经过起偏器后入射到光电探测模块；光电探测模块将光信号转换为电信号， 随后伺服给相位恢复控制模块；相位恢复控制模炔基于一定的评价函数和优化算法不断调 整相位复原生成器上的波前分布，实现对所需波前信息的复原；通过将相位复原生成器上 最终恢复的波前与加密系统的密钥相减，便能够解密得到真实的光学信息。
[0007] 本发明所述的相干光源为一个单频、单偏振的激光种子源，激光种子源类型不限， 可以是固体激光器、气体激光器、光纤激光器等不同类型激光种子源；种子源的输出波长不 限；
[0008] 本发明所述的准直系统实现方式多样，可以是单个准直透镜，也可以是多透镜组 合而成的准直系统；准直系统中透镜材料的选择不限，可以是石英材料、K9材料等；
[0009] 本发明所述的3dB光学分束器其种类不限，可以是偏振不敏感的分光棱镜、偏振 不敏感的分束镜等；3dB光学分束器的材料选择不限，可以是钒酸钇、方解石、偏硼酸钡、石 英材料、K9材料等；
[0010] 本发明所述的偏振旋转器类型不限，可以是半波片或者其他具有偏振态旋转功能 的器件；所述的偏振旋转器材料不限，可以是石英材料、K9材料等；
[0011] 本发明所述的相位生成器是产生所需相位分布的装置，其实现方式不限，可以采 用纯相位型液晶空间光调制器，也可以采用其他能够产生所需相位分布的装置；
[0012] 本发明所述的相位生成器控制模块通过快速程序控制模块控制相位生成器产生 所需的相位分布；其作用主要体现在两个方面：（1)将待加密-解密的光学信息按照一定的 编码方式转换为纯相位信息（编码方式例如，若待加密-解密光学信息为一副图像，其灰度 值范围为0-255,则可以将图像的灰度值大小与0到JT之间相位的大小按照一定的比例关 系对应），施加到相位生成器上；（2)产生对光学信息进行加密的纯相位密钥，施加到相位 生成器上；
[0013] 本发明所述的相位复原生成器实现方式不限，可以采用纯相位型液晶空间光调制 器，也可以采用其他能够依据算法控制产生特定相位分布的装置；
[0014] 本发明所述的光学合束器种类和实现方式不限，可以是偏振不敏感的合束棱镜、 偏振不敏感的合束片，也可以是偏振合束片、偏振合束棱镜等，其具体选择根据实际搭建的 系统确定；光学合束器的材料选择不限，可以是钒酸钇、方解石、偏硼酸钡、石英材料、K9 材料等；
[0015] 本发明所述的起偏器实现方式不限，可以是中性起偏器，半波片与偏振分束器的 组合等；其材料选择不限，可以是石英材料、K9材料等；
[0016] 本发明所述的光电探测模块将接受到的光信号转换为电信号，其种类和响应材料 有多种选择，只需激光波长在其相应波段内；
[0017] 本发明所述的相位恢复控制模块根据光电探测模块转换后的电信号，基于一定的 评价函数和优化算法实现对所需波前信息的复原；其评价函数选取多样，可以是光电探测 模块转换后电信号的PV值、极值等；相位恢复控制模块中优化算法实现方式多样，可以是 模拟退火算法、随机并行梯度下降算法等。
[0018] 本发明的有益技术效果：
[0019] 1、本发明提供了一种基于纯相位型的光学加密-解密系统；与传统光学信息加密 中编码结果为复振幅形式相比，此系统只对相位信息进行编码，避免了传统信息加密-解 密技术中记录、传输编码信息困难等问题；
[0020] 2、与传统的光学信息加密-解密技术相比，本发明提供的纯相位型光学加密-解 密系统采用相干合成系统，避免了基于4f系统进行光学信息加密-解密的复杂性；
[0021] 3、本发明提供的纯相位型光学加密-解密系统实现方式多样；依据本发明的原理 示意图，在实际系统中，既可以采用Mach-Zehnder干涉仪型的相干合成系统完成光学信 息的解密，也可以采用相干偏振合成系统完成光学信息的解密；
[0022] 4、本发明提供的纯相位型光学加密-解密系统其光学信息解密基于自适应优化 算法，避免了人为因素导致的解密误差；自适应优化过程中评价函数的选取具有多样性，优 化算法的选取具有多样性；
[0023] 5、本发明提供的纯相位型光学加密-解密系统密钥选择具有很高的灵活性。
【附图说明】
[0024] 图1为本发明的系统结构原理示意图。
[0025] 图中：1、相干光源；2、准直系统；3、3dB光学分束器；4-1、第一偏振旋转器；4_2、 第二偏振旋转器；4-3、第三偏振旋转器；5、相位生成器；6、相位生成器控制模块；7、相位复 原生成器；8、光学合束器；9、起偏器；10、光电探测模块；11、相位恢复控制模块。
[0026] 由图1可得：在实际系统中，若光学合束器8为偏振不敏感的合束棱镜或偏振不敏 感的合束片，则整个光学加密-解密系统基于Mach-Zehnder干涉仪型的相干合成系统；若 光学合束器8为偏振合束片或偏振合束棱镜，则整个光学加密-解密系统基于相干偏振合 成系统。
【具体实施方式】
[0027] 参照附图1，为本发明一种基于纯相位型的光学加密-解密系统的结构原理图，如 图所不，本系统包括相干光源1、准直系统2、3dB光学分束器3、第一偏振旋转器4-1、第二偏 振旋转器4-2、第三偏振旋转器4-3、相位生成器5、相位生成器控制模块6、相位复原生成器 7、光学合束器8、起偏器9、光电探测模块10和相位恢复控制模块11 ;
[0028] 相干光源1输出的光束首先经过准直系统2准直输出，随后注入到3dB光学分束 器3。3dB光学分束器3将准直输出的光束等比例的分为两束；一路光束经过第一偏振旋转 器4-1入射到相位生成器5。由于对于基于纯相位型液晶空间光调制器的相位生成器5,