ACS NANO：基于形貌柔性超表面的手势交互动态全息显示

摘要：平面光学通过利用超薄超表面为调节电磁波创造了前所未有的可能性，促进了各种有前景的功能和应用的发展，包括紧凑型金属、高分辨率结构色、多功能全息术等。除了这些尖端的探索，非平面和灵活的超表面已经出现，具有更强大的光学操纵能力和更广阔的应用前景。通过将超表面集成到非

第一作者：Zejing Wang

通讯作者：Zhongyang Li

通讯单位：武汉大学

DOI: 10.1021/acsnano.4c13569

背景介绍

平面光学通过利用超薄超表面为调节电磁波创造了前所未有的可能性，促进了各种有前景的功能和应用的发展，包括紧凑型金属、高分辨率结构色、多功能全息术等。除了这些尖端的探索，非平面和灵活的超表面已经出现，具有更强大的光学操纵能力和更广阔的应用前景。通过将超表面集成到非平面表面或附着柔性超表面，各种光学功能，包括全息显示、边缘检测、微波隐身和光学聚焦，可以被整合到各种光学或可穿戴设备中。此外，柔性元表面还通过机械拉伸表现出主动可调性，以操纵元器件的光学特性，包括结构颜色、焦距和菲涅耳区的全息显示位置等。凭借其主动可调性和可重构性，柔性超曲面在集成光学、自由曲面光学和可穿戴设备中的高级应用前景广阔。

迈向下一代交互式光学器件，元光学主动可调性是扩展传统光学器件之外的多功能性的最理想特性之一。具有调谐功能的超曲面允许一系列超光学功能，包括先进的动态信息显示/存储/加密、自适应相机系统和光学传感。到目前为止，已经开发了各种调谐机制。通常，主动控制元器件条件，如化学、电、热和环境刺激，可以增加由于反射率变化而携带额外信息通道的调谐能力。此外，将多路复用元表面与可调光学器件（例如液晶）集成可以提供一个主动调谐按钮，单独提取并发光学信息。

然而，尽管取得了上述有前景的进展，但支持众多动态信息通道的编码自由度（DoF）仍然是一个重大限制，阻碍了元光学在现实应用中的广泛参与和动态。据我们所知，表S1展示并量化了最先进的动态元光学的调谐能力和独立编码信道数。通常，之前的动态调谐方法通常表现为两个或三个编码信道，而不涉及空间复用或同时编码多个光学参数。为了启用额外的信息通道，大多数调谐方法需要复杂的元原子架构库来解耦光学响应简并。然而，不同条件之间有限的折射率偏移阻碍了可调功能和编码能力的扩展。此外，制造限制阻碍了像素级可调超表面在没有空间复用的情况下显示多通道光学图像。因此，当前的动态调谐机制在进一步提高调谐能力的编码DoF方面遇到了瓶颈挑战。

本文亮点

1. 本工作提出了一种通过拓扑柔性元表面（TFM）的手势交互方案，以扩展调谐能力的编码自由度

2. 通过调节不同的表面形貌，已经充分探索了潜在的调谐自由度（DoF），以动态显示/加密多达16个独立的全息图像，超过了最先进的调谐DoF。

3. 这种形貌灵活性通过手势触发、手动弯曲和其他大面积可重复控制方法进行交互式调整，以提取和显示相应的全息图像。

图文解析

图1. TFM的工作原理和设计程序。（a） TFM工作原理的概念图。具有定制相位分布Φflat（左）的平坦元曲面与两个具有传播相位分布Φtopo1和Φtopo2（中）的定义地形曲面相结合，最终生成元光学ΦMO（右）的总相位分布，即ΦMO=Φflat+Φtopo。（图中的一些元素是从微软的Paint 3D中复制的。）（b）设计的元原子的透视图（左）和俯视图（右），几何参数为p=400 nm，l=230 nm，w=130 nm，hSi=380 nm，hCr=15 nm。θ是纳米砖的旋转角度。（c）模拟中元原子的归一化交叉极化转换效率（黑色曲线）和Panchalatnam-Berry（PB）相位延迟（蓝色曲线）随θ的变化。（d）基于改进的Gerchberg-Saxton（GS）算法的超表面相位分布优化程序。插图：所有加密图像的总均方根误差（RMSE），作为迭代的函数，以及第一、第二和第十次迭代中相应的预测全息图像。

图2. 三通道TFM演示的制造和光学特性。（a）柔性超表面制造工艺的示意图。（b）超表面样品的扫描电子显微镜（SEM）图像和光学图像。（c）全息图像光学特性的实验装置。LP：线偏振器；QWP：四分之一波片。（d）通过定制的地形表面控制表面地形的实验调谐方法，包括对几何表面的成型、机械站或手动弯曲。紫色矩形表示超表面样品。（e–g）针对不同表面曲率κ=−0.2 mm-1（e）、0 mm-1（f）和0.2 mm-1（g）捕获的全息图像。插图是相应的表面形貌。

图3. 手势交互式动态全息切换。（a） TFM的概念示意图。通过手势触发的地形变换，可以主动切换检索到的多通道全息图像。（图中的一些元素是从微软的Paint 3D中复制的。）（b–d）手势交互式地形变换调整的实际照片，以提供目标曲率κ=0 mm-1（b）、1/12 mm-1（c）和1/6 mm-1（d）。将粘附在塑料片上的超表面样品以不同的手势附着在手模型上，以提取相应的全息图像。（e–g）分别对应于手模型（b–d）的不同手势设置的捕获全息图像。