超强激光科学卓越创新简报

(第五百二十六期)

2024年6月26日

上海光机所提出了一种基于全内反射原理的高环境稳定性光学PUF的新方案

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光元件技术与工程部邵宇川研究员团队，提出一种基于全反射原理高环境稳定性光学PUF的新方案，相关研究成果以“Robust Optical Physical Unclonable Function Based on Total Internal Reflection for Portable Authentication”为题发表于ACS Applied Materials & Interfaces。

目前，常见的防伪标签因其确定性的生产过程而易于被仿制。物理不可克隆函数（Physical Unclonable Functions, PUFs）利用材料制备过程中不可控的制备偏差，生成独特且不可复制的响应信号。光学PUF因其高编码容量和高响应对比度而受到研究人员的广泛关注。但光学PUF也面临着诸多挑战，如散射PUF的响应信号不稳定；荧光PUF的使用寿命受荧光漂白影响；拉曼PUF的认证系统复杂，需要昂贵的光谱解码设备。新一代光学PUF不仅需具备高环境稳定性，其认证系统还需足够便携，足以满足日常认证需求。

研究人员提出了一种新方案，通过利用聚合物小球破坏全内反射条件来获取原始响应图像，成功制备了一种基于全内反射原理的高环境稳定性光学PUF。该光学PUF由低成本的透明玻璃和聚合物小球组成，采用旋涂工艺将聚合物小球均匀分散在基底表面，通过电子束蒸发在聚合物小球表面镀上一层氧化铝保护层。这一保护层通过增加折射率差值提高了响应信号对比度，同时隔绝了水氧，增强了光学PUF的环境稳定性。通过优化制备工艺，实现了聚合物小球的最佳面密度排列，最大限度地提升了PUF的编码能力。制备出的光学PUF不仅满足了唯一性、可靠性、位均匀性等PUF性能要求，其编码秘钥还通过了NIST随机数测试，验证了其随机性。研究人员对该PUF的环境稳定性进行了一系列测试，结果表明该PUF具有良好的机械稳定性、热稳定性、光稳定性和化学稳定性，证明了其高环境稳定性的特点。此外，研究人员利用手持式显微镜、棱镜和低功率激光器搭建了该PUF的便携式认证装置，为光学PUF的实际应用奠定了基础。

原文链接

图 1：基于全内反射原理高环境稳定性光学PUF原理示意图