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2022-11-25 作者:物理学院 来源:科学技术处

物理学院程建春、梁彬课题组首次实现高效率和高纯度的声波频率转换

物理学院程建春和梁彬课题组在声波高效频率转换方面取得重要进展,首次理论设计并实验演示了一种新的频率转换机制,在远小于波长的尺度内实现了可听声的高效频率转换,打破了传统非线性机制在模式纯度、转换效率、频移灵活性和器件紧凑性等方面的限制。

低频波的频率转换是波动物理研究中的关键问题,在通信和检测等诸多领域中具有广阔的应用前景。光学中最直接的频率转换方式是利用强激光电场中的非线性过程将基波能量部分转化为高次谐波,亦或利用上/下转换材料发射比吸收光子能量更高/低的光子。然而由于整体转换效率较低,这两种机制在实际应用中存在较大的限制。在声学中,脉动气泡等介质的不均匀性可以显著增强等效非线性系数,但是仍具有作用距离长、频移大小固定、谐波成分复杂及依赖高声强驱动等局限,使得小振幅低频声波不可能只产生单一模式的谐波,无法实现高效高纯度的频率转换。

图1所提出的频率转换机制的示意图及实验结果。(a)静态超表面产生涡旋声束;(b)动态超表面产生涡旋声束并改变声波波长;(c) 频率转换器;(d) 不同螺旋相位分布(拓扑荷数)的超表面的频率转换实验结果

课题组提出了一种基于旋转超表面的线性频率转换机制,通过旋转具有螺旋相位分布的超表面,在远小于波长的尺度内实现了可听声频段声波的高效、高纯度的频率转换。该机制的直观物理图像解释如图1(c)所示,有螺旋形相位分布的超表面可将平面声波转换为具有螺旋形波阵面的涡旋束,通过驱动超表面稳定旋转可以产生旋转多普勒效应,进而实现频率转换。换言之,这种转动的超表面就像是一种声波"搅拌器",可以在扭转声波波阵面的同时拉长或者缩短声波波长【图1(a)(b)】。由于旋转多普勒效应所产生的频率偏移与超表面的旋转角速度和螺旋相位拓扑荷数成正比,因此可通过调节旋转角速度和螺旋相位分布来实现频移大小的灵活调节。此外,在该机制中,频率的转换效率和纯度只取决于超表面的透射率而不再受入射声波幅值和介质等效非线性系数等传统因素的影响,受益于所设计超表面的高透射效率,该转换机制的模式纯度和能量转换效率分别可达和93%和65%以上。课题组利用3D打印技术制作了样品并在波导管内进行了实验,实验结果证明了这种机制的有效性【图1(d)】。通过研究入射面被遮挡一半的平面波入射【图2(a)(b)】和完整螺旋形波阵面的涡旋束入射【图2(c)(d)】后的频率成分,课题组进一步验证了所提机制的鲁棒性。这意味着该机制可通过级联来进一步增大频移,并且可通过调节各级联超表面上螺旋相位的拓扑荷数来操控透射声波的波阵面形状与频移大小。级联后的频率转换效果同样得到了实验验证【图2(e)(f)】。

图2所提出的频率转换机制的鲁棒性及级联效果的实验验证。入射面遮挡一半的(a)实验条件及 (b)实验结果;入射声波为螺旋形波阵面的(c)实验条件及 (d)实验结果;两个超表面级联的(e)实验条件及(f)实验结果。

这种基于旋转多普勒效应的线性频率转换机制突破了传统方法在能量转换效率和输出频率纯度等方面的性能限制,且不再依赖高入射能量和长作用距离,极大地丰富了声波在频域的操控自由度,有望在声学通信、信号处理和非接触检测等方面带来技术革新。

最新研究成果以"Efficient and High-Purity Sound Frequency Conversion with a Passive Linear Metasurface"为题发表于Advanced Science上[DOI: 10.1002/advs.202203482]。南京大学物理学院博士生王未、胡成博博士和新加坡国立大学博士后倪劲成为文章共同一作,南京大学物理学院梁彬教授、程建春教授和新加坡国立大学仇成伟教授为论文的共同通讯作者。该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、江苏高校优势学科建设工程项目等项目支持。

论文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202203482