一种基于全内反射原理的高环境稳定性光学PUF的新方案

近日，中科院上海光机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。

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图1.基于全内反射原理高环境稳定性光学PUF原理示意图

相关链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c03283