基于声超构材料的声轨道角动量研究及应用

发布时间：2020-03-27 04:51

【摘要】：近年来,声学超构材料的研究引起了人们的广泛关注。声学超材料以亚波长尺寸的结构为基本单元,能够实现传统自然材料所不具备的特殊性质,如密度各向异性、负的质量密度、负的弹性模量等。声学超构材料在波形操控领域的作用十分显著,能够实现对入射声波阵面的自由控制,以获得所需要的目标声场,这极大地丰富了对声波的操控能力。基于此,研究者已经设计出了大量的声学器件来完成对声场的调控。声学超构材料有着广阔而诱人的应用前景,例如,声学负折射率材料的设计,声波单向传输的实现和声学隐身衣的发明等。另一方面,对声学轨道角动量的探索日益成为一个研究热点。携带轨道角动量的声学螺旋波,其波阵面将呈现出螺旋式的扭曲,扭曲程度用拓扑电荷数来表征。对于声学螺旋波,仅用频率、幅值、相位这三个维度已经不能完整地描述这种声波的基本特性,必须引入轨道角动量这个新的维度。作为一个全新的自由度,声学轨道角动量为自由操控声波提供了新的可能。因此,对声学轨道角动量的研究具有基础性的理论价值。同时,在实际应用中,携带轨道角动量的声学螺旋波能够作为声镊子,以实现对粒子的准确局域控制;利用声螺旋场中的声辐射力,能够实现对粒子的非接触推拉操控;利用声学螺旋场中的声扭矩,能够实现对物体的非接触式旋转操控等。这些例子说明,对声轨道角动量的研究具有显著的实际应用价值。值得注意的是,在现阶段,基于声学超构材料已实现的对声波的操控,包括各种特殊声学透镜的设计、声学隐身及声学幻像的实现等,大部分都仍然局限于对仅携带线性动量的声波进行控制。本文利用声学超构材料的独特声学特性以及亚波长的几何优势,在实现对声波的线性动量的基础上,进一步实现了对声波角动量的自由操控。此外,本文将声学轨道角动量作为全新的自由度扩展在声学通信系统中,提出了基于声轨道角动量的多路复用技术中。本文对声学超构材料和声轨道角动量的结合进行了系统而深入的研究。主要包括以下内容:第一章为绪论,回顾了声学超构材料的研究背景,介绍了该领域当前的研究方向和最新成果。并针对本文的研究内容,介绍了声学超构材料和声学螺旋波的相关基础理论和计算方法。第二章中,本文将首先介绍声学轨道角动量和声螺旋波的物理概念,以及其在不同的研究领域中的重要理论意义和实际应用价值。其次,简要介绍产生声螺旋波的传统方法:主动式声学相控阵方法和被动式螺旋厚度结构法,并对比说明了传统方法的固有缺陷。为了解决传统方法的局限性,我们利用结构对声波的衍射原理,提出一种利用超薄的亚波长螺旋裂缝耦合型的声学超表面,用以产生宽频带、拓扑阶数稳定的声学螺旋波。通过所设计的螺旋裂缝结构,可以有效地将具有均匀相位分布的入射平面声波转化为携带轨道角动量的声学螺旋波,使其具有螺旋扭曲的等相位面分布。通过改变超表面结构中的螺旋裂缝的数目,在理论和实验中,我们实现了自由地产生具有不同拓扑阶数的声螺旋波。同时,我们展示了该超表面在不同工作频率下的效果,证明了该螺旋裂缝耦合结构具有传统方法所不具备的宽频带的工作特性。此外,所设计的螺旋裂缝型结构产生的声螺旋波能够在沿传播方向的长距离范围内保持其拓扑阶数稳定不变,这种拓扑阶数的空间稳定性在实际中同样具有重要意义。第三章,本文将首先介绍利用声学杂化共振原理所设计的透射型声学超表面,并展示利用这种超表面来产生沿特定预设轨迹传播的非轴向自加速声束。本文将着重介绍基于声学共振原理所提出的,利用声学共振产生声轨道角动量的全新物理机制。基于这种物理机制,在理论上,本文严格推导了如何通过在亚波长尺寸的非螺旋状平面声学共振型超构材料中,产生依赖于角度方向的等效声波矢量,将声学共振转化为声轨道角动量。在数值仿真和具体的实验测量中,本文利用所提出的基于声学共振转换的物理机制,成功地产生一阶贝塞尔型声学螺旋场,为产生声学轨道角动量提供了理论上的创新和实验上的支持。同时,我们展示了在该物理转换机制的指导下设计的结构所具有的重要性能:高转换效率、亚波长的几何尺寸、制备简单、外形平整且不包含几何螺旋性,弥补了传统方法中的缺陷,成功地完成了用亚波长的平面型声学结构高效地产生声学螺旋波的目标,开辟了生成声轨道角动量的新途径,对相关领域的研究具有重要价值。第四章中,本文将首先回顾利用声波为载体的信息传输技术的应用背景,以及声学多路复用通信技术的发展过程,并将简要地介绍该领域的一些前沿代表性工作。已有的声学多路复用技术的发展,包括在时间、频率、幅值、相位等自由度及编码调制技术上的创新,已经不能满足日益增长的以声波为载体的大容量信息传输的需求。为提高现有的声学通信系统的数据传输效率,本文引入声轨道角动量作为一个独立于传统多路复用自由度的全新维度,提出基于声轨道角动量的多路复用手段。通过将二进制信息编码在由具有不同拓扑阶数的声螺旋模态所组成的通讯信道上,在同一物理线路中进行同步传输,并在接收端利用声学超构材料实现纯被动式的模态解耦和高效率和高准确度的信息解码,能够在现有的以声波为载体的通信系统的发展基础上,进一步低成本并显著地扩充声学通信系统的信息传输效率。本文首次在实验上展示了利用基于声轨道角动量的声学多路复用技术的实时信号传输的效果,并成功地重构出一系列的图像信息。将声学轨道角动量作为一个新的自由度应用于声学通信技术中,不仅能够扩展声轨道角动量的应用领域,更将为高速度和大容量的声学通信系统的发展开辟新的途径,这将为相关领域的发展,例如水下探测和通讯等,提供更大的可能性。最后,第五章给出了本文的主要结论,以及对未来的工作展望。论文的主要创新点包括以下三个方面。(1)利用声学超材料实现对声轨道角动量的控制。已有的声超构材料大多都仅能实现对携带线性动量的声波进行控制。本文将声超构材料的操控能力扩展至对声轨道角动量的控制领域,提出一种利用超薄的平面状螺旋裂缝型声学结构来产生宽频带、拓扑阶数稳定的声螺旋波的设计方案。本文通过实验结果,展示传统方法所不具备的独特宽频带特性及拓扑阶数稳定性,这两个基本特性在实际中将具有重要意义。(2)提出将声学共振转换为声轨道角动量的全新物理机制。利用声学共振原理,有效地将具有均匀相位分布的平面声波转化为携带轨道角动量的声螺旋波。严格推导了通过在亚波长的非螺旋状平面声学共振超结构中产生等效声波矢量以产生携带轨道角动量的声螺旋波,在实验上成功产生一阶贝塞尔型声螺旋场。其高转换效率、亚波长的几何尺寸、制备简单、外形平整且不包含螺旋结构等重要特性,将弥补传统方法的缺陷,对相关领域的研究具有重要价值。(3)提出基于声轨道角动量的多路复用技术。将声轨道角动量作为全新的多路复用自由度,引入到声学通信系统中,首次利用声学超构材料实现纯被动式螺旋模态解耦和高效的信息解码,在实验中实现动态信号的传输,并成功地重构出一系列的图像信息。能够在现有的声学通信系统的发展基础上,显著提高以声波为载体的信息传输效率。将对高速度、大容量的声学通信系统的发展开辟新的途径,为相关领域的发展提供更大的可能性。
【图文】：

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图１．１．１自然界中存在的传统材料和人工设计的电磁学超构材料示意图。自然材料中，其基逡逑本组成单元是原子或分子，其基本属性由原子、分子的种类和排布方式决定；电磁学超构材逡逑料中，其基本组成单元是人工设计的特殊几何结构，如不同的亚波长共振单元，使得整体的逡逑复合结构表现出了传统自然材料所不具有的特殊属性。逡逑在电磁学中，人们通常定义两个宏观的电磁学参数用来表征材料的性质：介逡逑电常数Ｓ和磁导率Ａ。通常情况下，我们习惯于使用与真空中的介电常数Ａ和磁逡逑导率的相对比值：相对介电常数ｅ，邋＝￡■／￡■。和相对磁导率同时，电逡逑磁学中通常使用折射率《＝７＾７、阻抗＾来描述材料在电磁波的作用下逡逑的平均响应。在传统的自然材料中，除了大多数金属的介电常数ｅ为负值以外，逡逑

声学,操控,杂化,相位

图１．１．３空间折叠型声学超构材料及其相位操控能力。逡逑（ａ）逦ｈ逦Ｗ逦＾逡逑＾Ｑｈ逡逑0邋Ｘ逡逑（ｂ）？ｈ0逡逑■邋Ｉ逦—杂化型逦ｉ邋？逦＾逡逑２ｎ邋．邋Ｉ邋＼＼Ｙ＇／逦－—杂化型逦．Ｐｉ逡逑＾？５邋＇邋Ｉ邋ｙｆ邋ｆ＊］．．．．．．．．．．ｉ．．．．．．一邋－．邋ｉ邋—邋■…．级联ＨＲ邋—邋—邋．－０．５逡逑：．｜具邋ｊ■十？？「？逦丫？…逡逑Ｉ邋Ｉ邋＾ｒ＼邋Ｉ邋■逡逑．＾－－ｇ－－Ｌ－ｉ■■■■■－—１－——＾—ｉ＾Ｌ＿一＊逦Ｕ＿，逦１逦ｄ——１０．０逡逑
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34

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