日本科学家利用“耳语廊原理”研发出仿制难度极高的新型防伪图像技术
June 2020

 

近期,在一项新研究中,日本科学家研发出一种极其复杂,难以复制或伪造的图案,这一成果将有效应用于防伪溯源领域。筑波大学的研究人员采用“耳语廊效应”的基础原理来阻止造假者制造假货。这些图案的关键在于一个两步验证系统,将微图案与回音壁的基本原理整合在一起。

 

耳语廊源于英国伦敦圣保罗大教堂内有一个设计奇特的环形结构回廊。当两个人贴近回廊内壁站立时,即使一个人在一端对着回廊窃窃私语,走廊另一端与他相隔遥远的另一个人也可以清楚地听到,犹如耳边低语,因此得名“耳语廊”。

 

 

 

早在19世纪,英国著名科学家瑞利勋爵(Lord Rayleigh)就首次分析了其中的声学原理并给出了物理解释。他认为:这是由于声波沿着回廊光滑的墙内壁连续反射来进行传播,传播损耗很小。这种声波模式也因此被命名为“耳语廊模式”,也称为“回音壁模式”。事实上,北京天坛的回音壁也有类似的现象。所有这些空间都有一些共同之处:都是圆形的,而且表面能将声音反射到意想不到的地方。不过,在开发这种不可能复制的图案时,研究人员使用的是在微观腔室中反射的光波,而不是巨大房间里的声波。

 

“耳语廊效应”不仅局限于声波,近来科学家们越来越多的兴趣集中在光波。由于电磁波在从光密介质向光疏介质传播时会发生全反射现象,当光线沿着旋转对称的几何结构边界内壁传播时会发生连续的全反射,光束被约束在环形边界上,从而产生类似的回音壁现象。若光束绕几何结构边界行走一圈的光程满足波长的整数倍时,会产生干涉加强现象即共振现象,其中用来约束光场的环形结构即被称为“回音壁模式光学微腔”。


 

 

举例来说,美国宾夕法尼亚州立大学工程师开发的一种具有光学回音壁模式的谐振器。它能将光线沿着微型小球的圆周旋转数百万次,从而创造出一种基于微芯片的超灵敏传感器,用于感知运动、温度、压力、生物化学指标等。

 

在量子物理研究中,光学回音壁模式也有很好的应用。例如,美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员团队为了创造“纠缠的量子对”,设计出一种特殊定制的光学回音壁,即一个纳米级氮化硅谐振器。它能操控光线围绕着微型赛道传播,类似声波围绕着曲面墙壁畅通无阻地传播。当选定波长的激光被引导到谐振器中时,由可见光与近红外光的光子纠缠而成的光子对就会出现。

 

 

 

筑波大学研究人员采用耳语廊光波创造出一种难以复制的图案,目的是用于认证和防伪。类似的安全措施通常是在生产过程中将物理功能嵌入到产品中。在该研究中,研究人员将光波产生的现象嵌入到一张显微图像中。创造出了一幅毫米尺寸的类似蒙娜丽莎画像的作品。这幅作品内部嵌入了不可复制的独特荧光指纹。通过这样做,他们创造出了一个难以逾越的新型防伪系统。

 

 

 

Yamamoto 教授表示:“我们在优化后的微芯片上实现了每平方厘米几百万的像素密度。我们开发出了一款高度安全的两步光学鉴权系统,第一步是微图案本身;第二步是微芯片内隐含的像素荧光指纹。”

 

为了创造毫米尺寸的微芯片,研究人员首先沉积染料小颗粒,颗粒发出的荧光可以被打开和关闭。然后,他们选择性地以特定的图案点亮芯片,图案分为明亮颗粒的区域以及黑暗颗粒的区域。每个染料颗粒都具有独特的直径和形状。由于回音廊效应的基础原理,每个颗粒发出的荧光都是独特的。这样就在微芯片上创造出了一幅独特的彩色图案,也可以说是一个“指纹”,而这个“指纹”是无法被复制或者伪造的。

 

这创造了一种复杂的、不可伪造的颜色图案。企业、政府以及许多其他的组织都需要无法伪造的明确身份验证。通过采用一颗无法伪造的微芯片,对安全性要求高的组织有了一个新的防伪选项,以确保数据和设备的保密性以及完整性。

 

 





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