南京大学陆延青、王瑜团队：光学标签新突破，绿色防伪两不误 | 专题封面

导读：为应对现有光学标签对石化资源的依赖及制备工艺复杂等挑战，南京大学陆延青教授、王瑜教授团队联合苏州大学乔文教授开发了一种基于生物质材料的绿色、多维信息光学标签体系。以棉花中绿色制备得到的纤维素纳米晶为基质，并将其与光栅、衍射光学元件结构耦合，使得这种生物质标签成功集成角度依赖的近场结构色与远场全息投影功能，实现了多维光学响应。该文被选为《光学学报》“显示光学”专题（第46卷第9期）封面文章。

封面解析

以棉花中绿色提取的纤维素纳米晶作为柔性薄膜材料，通过将其与光栅、衍射光学元件（DOE）耦合，构建多维加密平台。在自然光照射下，光栅呈现出可见光波段的角度依赖光学响应；而在激光照射下，DOE元件可激发特定的衍射图样。两者在不同激发光源下产生的差异化光学响应，可在同一物理载体中实现多模态、可切换的信息呈现，从而构建高安全性的多维信息加密系统。

文章来源：《光学学报》2026年第9期封面文章 | 瞿文雨, 汪书杰, 汪涛, 闵书强, 王瑜, 乔文, 陆延青. 基于纤维素纳米晶的绿色多维光学标签（特邀）[J]. 光学学报, 2026, 46(9): 0911008.

01

研究背景

随着光子技术的飞速发展，基于微纳结构与光相互作用（如衍射、干涉、散射）的光学标签技术，在高端商品包装与信息安全领域占据重要地位。然而，这些光学标签通常采用石化基聚合物作为基底材料，不仅环境兼容性差，其加工过程往往依赖光刻或电子束刻蚀技术，导致高昂的制造成本与能源消耗。

纤维素作为地球上储量最丰富的可再生生物质，因其优异的生物相容性与可降解性，被认为是替代石化基聚合物的理想材料之一。传统的纤维素纳米晶（CNC）制备过程中会产生大量酸性废液，利用2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基（TEMPO）介导的氧化反应处理纤维素，虽然大大减少了环境污染，却极易形成高度缠结的柔性网络，难以在常温常压下实现其对微纳结构的高精度复制。

基于以上背景，课题组改进了TEMPO氧化绿色制备方法，成功制备了具有类传统CNC刚性与尺寸特性的短棒状纳米纤维素（TEMPO-CNCs），并通过集成微纳光学结构，得到绿色多维光学标签。

02

氧化CNC多维光学标签的构筑

本研究在TEMPO氧化绿色制备方法中，优化了化学氧化过程及提取策略，有效改善了纤维素纳米纤维的尺寸分布。该方法在保留TEMPO氧化体系绿色环保、表面电荷丰富等优势的同时，成功制备了具有类传统CNC刚性与尺寸特性的短棒状纳米纤维素（TEMPO-CNCs），并以其为构建单元，制备得到基于TEMPO-CNCs的绿色多维光学标签（图1）。

在课题组已有研究的基础上，通过水蒸气辅助丝蛋白压印技术构筑光栅图案，并以此类图案为模板，利用聚二甲基硅氧烷（PDMS）制备模具用于TEMPO-CNC的浇铸成型，最终获得宏观平整度高、自支撑的兼具结构色与全息信息的光学薄膜[图1(a)]。双重光学响应的实现，得益于在单一薄膜平面内集成具有不同光学特性的微纳结构，从而构建了彼此独立的光学信息通道。

如图1(b)所示，在自然光反射模式下，薄膜表面的周期性光栅结构基于布拉格衍射效应显示出角度依赖的结构色，清晰呈现“南京大学”字样；而在绿色激光照射特定区域时，则可在远场接收屏上投射出清晰的南京大学校徽全息图像[图1(c)]。

图1 纤维素基光学标签的制备流程与光学表现。(a)利用图案化PDMS模板在TEMPO-CNCs薄膜上集成衍射光栅与全息结构的示意图；(b)携带“南京大学”光栅图案与定制全息结构的自支撑TEMPO-CNCs标签光学照片；(c)激光照射下显示的南京大学校徽全息图像

实现高保真的图案复制是确保光学标签性能有效性的关键。激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）的表征结果[图2(a)]证实了本工艺的有效性，各周期光栅对应的截面轮廓曲线所显示的结构间距与理论周期基本一致。图2(b)展示了压印在薄膜上的多阶梯状衍射光学元件（DOE）的LSCM图像，其离散的微结构特征得到了清晰呈现。激光照射压印DOE的区域，可以清楚显示图2(c)英文“Cellulose and Silk Optics”的全息图像，这表明这种工艺对于复杂微纳结构同样展现出良好的复制能力。

图2 光学微纳结构形貌表征。(a) 压印在TEMPO-CNCs薄膜上的不同周期（从左至右依次为300、600、1200 line/mm）闪耀光栅的LSCM图（中）、截面轮廓（下）及其对应的远场衍射图案（上）；(b) 压印在TEMPO-CNCs薄膜上的DOE的LSCM图；(c) “Cellulose and Silk Optics”全息图像的显示照片

基于这种多维度光学信息存储能力，课题组构建了从简易的“隐形物理密钥”到多维度的加密体系，以扩展其在高级防伪加密领域的应用。

首先，针对传统二维码信息被复制或篡改的风险，设计了简易的“隐形物理密钥”。如图3（a）所示，在外观看似普通的二维码微观结构中，巧妙嵌入了隐藏的DOE。扫描二维码后，需输入正确密钥（全息信息）才可进入目标网站。

为进一步提升防伪的复杂性与交互性，引入逻辑运算机制，构建视觉识别-逻辑解密-信息提取的三级加密体系。如图3（b）所示，在特定角度下看到的光栅信息仅为两串数字（视觉层），激光照射下可得到待解数独的全息图像（逻辑层）。用户需先按六宫格数独解法解出数独谜题，将完整的数独作为“密码簿”，再将光栅数字信息作为行列索引，才可依次序在密码簿中一一对应得到真正密钥，打开保险箱获取最终的文件，完成闭环运行。

这种设计将防伪验证过程从单一的“视觉辨识”提升到“逻辑解密”的维度，通过物理特征与逻辑运算的深度融合，显著提高了伪造的门槛。

图3 基于TEMPO-CNCs光学标签的多级防伪加密。(a)集成隐形全息密钥的加密二维码标签；(b)基于数独索引解密的三级加密标签

03

后续工作展望

本研究制备的基于CNC的多维光学防伪标签，依托光栅、DOE结构实现了多维度光学防伪效果，绿色环保且制备简便。后续研究将通过引入其他刺激响应单元，进一步丰富标签加密维度；同时优化图案化制备工艺，推进大面积低成本量产，提升其实际应用空间。

王瑜，南京大学现代工程与应用科学学院教授，国家“海外高层次青年人才计划”入选者。担任中国激光杂志社青年编辑委员会委员、江苏省复合材料学会青年工作委员会委员。主要从事绿色软物质光子学与智能软体器件的交叉研究，发展了一系列性能优异、功能多维、智能感控的生物质基软体功能材料体系。

乔文，苏州大学光电科学与工程学院教授，入选教育部国家级重大人才工程青年项目。主要从事微纳光学与新型显示的理论和基础应用研究，包括3D显示、抬头显示、近眼显示、微纳制造等。获2022年江苏省科学技术一等奖、2022中国智能制造十大科技进展、2021年第二十二届中国专利优秀奖。

陆延青，南京大学现代工程与应用科学学院教授，教育部长江学者特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者、国家级科技创新领军人才、教育部创新团队带头人、Chinese Optics Letters 执行主编。主要围绕介电体超晶格、液晶材料、光纤光学等方向开展工作。曾获国家自然科学一等奖、中国物理学会饶毓泰物理奖、第十一届中国青年五四奖章等。

科学编辑 | 瞿文雨

编辑 | 杨晨

推荐阅读：

1.浙江大学刘旭、吴仍茂团队：多视点图像生成新方法——“深”域清晰，全背光兼容 | 专题亮点

2.东南大学亮点文章：神经网络赋能的偏振体全息波导优化