2018年5月26日
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物理学院声学所程建春教授课题组在Nature Communications发表基于损耗型声超材料实现声波精细操控的工作

最近,我校物理学院声学研究所、人工微结构科学与技术协同创新中心程建春教授和梁彬教授在声波操控研究方面取得重要突破,最新研究成果以“Fine manipulation of sound via lossy metamaterials with independent and arbitrary reflection amplitude and phase” 为题发表在2018年4月24日的Nature Communications上 [Nature Communications, 9, Article number:1632(2018), doi:10.1038/s41467-018-04103-0]。论文的第一作者是南京大学博士生朱一凡,南京大学梁彬教授、程建春教授和华中科技大学祝雪丰教授为共同通讯作者。

该工作利用损耗型声超材料首次实现了声波振幅和相位的解耦操控,并通过实验展示高质量单平面二维和多平面三维声全息生成等现象,证明了此类超材料对三维声场的精细操控的能力。与传统的纯相位声全息相比,基于振幅和相位解耦操控的声全息方法具有设计简便、成像质量好和保真度高等重要优势。

三维声场的精细控制是声学领域中长期存在的关键科学问题,在超声成像与治疗、建筑声学及粒子操控等多个领域都具有重要的应用前景。然而,任意一个声信号包含幅值和相位信息,声波的完全控制要求能够对两个自由度进行独立调制,但这仍然是一个具有挑战性的难题。另一方面,能量损耗的存在通常被认为会破坏声波操控效果,因此现有的声超材料研究大都局限于无损耗的声学系统。程建春课题组提出了全新的研究思路,通过人为引入受控的能量损耗,开辟了新的声波操控自由度,发展了损耗型声超材料的设计理论,实现了对声波振幅和相位的解耦调制。所设计的损耗型声超材料具有简单的开孔结构,可利用3D打印进行快速制备。通过在超材料背部设置吸收边界和调控结构参数,引入可控的泄漏损耗,严格证明了该体系中反射声波的振幅和相位可以分别在[0,1]和[0,2π]范围内进行独立操控,并通过产生高质量的Airy束、多焦点聚焦及声学全息投影,在理论和实验上展示了基于新机制的声波精细操控效果。

图1 (a)声全息重建示意图。(b)LAM声全息示意图。(c)目标全息图像。(d)幅值相位全操控的数值模拟全息像。(e) 传统纯相位法数值模拟全息像。

图1对比了幅度相位解耦调控与传统的纯相位调控方法在产生高复杂度声全息方面的能力,幅值相位法声全息具有简单的设计过程(图1a,b),目标像为南京大学校徽图案(图1c)。数值模拟结果证明,通过利用损耗型超材料对幅度和相位进行独立操控,可产生高质量、高保真度的声全息(图1d),不仅避免了繁复的计算机优化设计过程,其效果亦明显优于传统纯相位优化方法(图1e)。

图2(a)目标全息图像。(b)计算振幅相位分布。(c)LAM样品。(d)数值模拟的振幅相位全息图。(e)实验测量的振幅相位全息图。(f)纯相位数值模拟图。(g)相关度与频率的关系。(h)相关度与距离的关系。(i)相关度与背面阻抗的关系。

图3 (a)多平面三维全息示意图。(b)计算振幅相位分布。(c)LAM样品。(d)数值模拟的三个平面的全息像。(e)实验测量的三个平面的全息像。

图2和3分别展示了二维及三维声全息的实验结果。利用损耗型超材料在单个平面上投射出树叶图案的二维声全息像(图2a-c),实验结果(图2d)与模拟(图2e)结果吻合较好,优于传统纯相位方法(图2f),并通过计算相关度来定量分析(图2g-i)。基于此,进一步在实验上实现了多平面的三维声全息(图3a-c)生成,数值(图3d)和实验(图3e)结果展示了损耗型超材料可在三个不同平面上分别投射字母“N”, “J”, “U”。

该项工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、南京大学登峰人才计划(B类)、江苏高校优势学科建设工程项目和南大博士研究生创新能力提升计划(A类)等项目支持。

(物理学院 科学技术处)