2017年4月30日
[本篇访问: 5160]
程建春课题组在Appl. Phys. Lett.发表封面文章

最近,南京大学物理学院声学研究所程建春课题组在声学聚焦研究方面取得进展, 最新工作作为封面文章(Featured Article)在Appl. Phys. Lett.发表[Appl. Phys. Lett. 109, 243501 (2016)](图1),论文第一作者是硕士研究生范旭东,通信作者是梁彬教授。该工作提出了“二元反射相位”(binary reflected phases)的设计思想,首次通过一个只包含两种相位的反射表面实现了声能量的汇聚,并成功的制备了原理性器件。

图一

声能量的空间汇聚是声学研究领域的一个重要问题。然而,传统的声学聚焦方法通常需要将材料制成特殊的几何形状,或利用大量复杂的人工结构来产生连续变化的等效参数,这将带来结构复杂、相位分辨率及工作带宽受限等问题,限制了其在实际中产生应用的潜力。如何利用简单的结构实现宽带的声能量的汇聚,不仅是一个重要的科学问题,更具有显著的应用价值。

为解决上述问题,该工作中提出了了一种声波聚焦的新机制,仅采用两种具有不同相位延迟的基本单元,在理论上严格证明了通过调制不同单元的排列方式,即可在实现声能量在三维空间的高效汇聚,并在实验中产生了单焦点聚焦及三维“声针”(acoustic needle)这两种典型聚焦效果,展现了其设计制备简单、相位分辨率高、外形平整及工作频带宽等重要特性。图2展示了一种采用商用的玻璃试管、通过手工装配得到的简单样品,图3为数值模拟和实验测量结果的对比图。由图可看出,尽管该实验样品构造简单且存在肉眼可见的装配误差,仍可精确高效地将入射声波能量聚集至预设的空间位置。

图二

图三

这一设计理论并未限定两种基本单元具体的结构及尺寸,因而具有很大的灵活性与鲁棒性。其材料选择广泛,可利用简单、紧凑的声学结构加以实现,在极大降低设计与制备难度的同时,保证了深亚波长尺度的相位分辨率,并且可以在极宽的频率范围内工作。该研究成果开辟了声波聚焦的新思路,有望在超声诊断与治疗以及无损检测等重要场合产生广泛应用。

该工作得到科技部重大研究计划、国家自然科学基金以及南京大学登峰人才计划(B类)的支持。

(物理学院 科学技术处)