随着智能设备和虚拟现实技术的快速发展，先进的人机交互沉浸式全息显示技术不再遥不可及。超表面是一种由超薄纳米结构组成的人工光学材料，能够通过其设计特性对光波进行亚波长尺寸多参量地精准操控，被认为是最有潜力的光学全息显示/存储器件之一。然而，传统超表面的一个限制是其动态调控能力十分受限。以往的光学超表面动态调控方案难以兼顾人机交互式设计，且所能编码的可调控通道数有限。
日前，武汉大学的李仲阳教授团队基于柔性超表面开发出一种手势交互式全息显示技术：利用柔性超表面的不同形貌结合几何相位原理，可以实现随手势变化的动态全息图像切换功能，所设计的柔性超表面可同时编码多达16通道的全息图像。相关工作以“Gesture-Interactive Dynamic Holo-Display via Topography Flexible Metasurfaces”发表在《ACS Nano》上，武汉大学为第一单位，王泽静、李哲、万成伟为共同第一作者，李仲阳教授为通讯作者。
柔性超表面动态调控设计原理
手势交互全息显示技术的核心在于柔性器件宏观形貌变化与超表面微观相位调制的结合。通常来说，直接利用器件形貌带来的传播相位编码亚波长尺度光学信息十分困难，其更便于利用相对宏观的形貌变化提供较平缓的传播相位。此外，超表面通过设计矩形纳米砖，利用不同的纳米砖转角可以编码亚波长尺度的几何相位。研究者们巧妙地结合超表面编码亚波长尺度的几何相位与不同的器件形貌提供不同的宏观传播相位，可以实现柔性超表面器件在不同形貌下提供完全不同的相位信息以显示出独立编码的全息图像的功能。利用这一特性，研究团队改进了传统的GS算法以在单个柔性超表面上独立编码多个对应于不同器件形貌的全息图像。
图1. 动态调控柔性超表面设计原理
柔性超表面的制备与表征
为制备柔性超表面，研究团队采用化学气相沉积、电子束曝光、热蒸发、反应离子束刻蚀和柔性基底转移技术等微纳制造工艺，最终制备出柔性超表面样品，其由嵌入到柔性PDMS基底中的硅纳米砖阵列构成，既保证了光学效率，又具有优异的机械柔性。这种利用了几何相位的超表面在圆偏振光照射下可以显示出预编码的全息图像。相比传统依赖折射率变化或外界刺激的调控方式，所设计的柔性超表面通过机械弯曲或手势操作等方法控制器件表面形貌，从而产生特定的传播相位分布，最终可以在不同的全息图像间动态切换。
图2. 柔性超表面制备及表征方法
为了进一步验证设备的人机交互特性，研究人员将柔性超表面固定在手指模型上，并通过模拟手指弯曲实现了全息图像的动态切换。三种手势对应于三种不同的全息图像，证明了柔性超表面在可穿戴设备领域的潜力。更为引人注目的是，通过扩展曲率和弯曲方向的自由度，研究团队实现了对16个全息图像的独立加密和解密。实验显示，只有当超表面被弯曲到特定的表面形状时，目标图像才会显示出来，确保了信息的安全性。
图3. 手势交互式动态全息显示
图4. 十六通道动态全息加密显示
总结
研究者通过结合宏观的传输相位与微观的几何相位，解耦了柔性超表面形貌用于多通道全息编码的自由度，从而实现了具有人机交互特性及大容量动态全息调控能力的柔性超表面器件。这种基于柔性超表面的技术在互动显示、信息加密和可穿戴设备领域具有巨大潜力。它可以用于虚拟现实（VR）和增强现实（AR）设备，提供动态、交互式的全息显示体验；其多通道加密功能为敏感信息存储提供了高安全性方案；而柔性超表面更可以集成到智能手表或衣物中，实现便携式光学显示。
该工作获得国家重点研发计划、国家自然科学基金，武汉市知识创新专项等项目的支持。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c13569
来源：高分子科学前沿
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