声学编码超材料

计算机采用二进制编码，“0”和“1”分别代表电路的关和开两种状态。基于二进制编码单元，计算机能够实现复杂的运算功能。在声学超表面是不是也可以基于编码单元，实现复杂的声波处理功能呢？近日，南开大学的陈树琪（点击查看介绍）团队提出一种新型声学编码超表面，实现了包括产生特定天线方向图、聚焦等功能。

超表面是最新发展的方向和研究热点之一。2011年通过超表面实现了异常电磁波的透射和反射，对传统电磁波折射定律拓展的工作在美国《科学》杂志发表后引起了广泛的关注。超表面是一种平面型超材料，它具有亚波长的厚度，通过改变表面的相位梯度分布，可实现对电磁波和声波透射与反射性质的灵活调控。通过超表面可实现异常折射、异常反射、汇聚成像、矢量波束生成、传播波向表面波转化等新颖物理效应。编码超材料是最近提出的一种超材料设计思路。编码超材料由有限的逻辑单元构成（如二进制单元的“0”和“1”），相比于传统的基于等效媒质理论的超材料，它的调控功能取决于所赋予的编码序列，极大地简化了设计的流程和难度。技术上讲，编码系统具有技术上容易实现、稳定可靠、可动态调控的特点。但目前编码超表面还只限于电磁超表面，能否将这种设计思路拓展到声学系统，仍是一个具有挑战性的课题。

南开大学团队成功将编码的概念融入了声学超表面的设计中，并通过理论和实验表明该超表面具有实现复杂应用的实用性和潜力。这种声学编码超表面用振幅一致且相位延迟为0和π 的结构，作为二进制编码“0”和“1”的单元。这种单元结构的特点是在一定频率下能够保持稳定的相位，克服了传统超表面只在单频下工作的缺点，使超表面具有更高的可靠性和实用性。这种相位差源于结构内部腔之间的强局域共振，两种单元之间的差别仅在于结构表面不同的开口位置，使得从“0”到“1”的动态变换更容易实现。用编码单元做类似天线阵列的排布，如000000…/000000…、010101…/010101…、010101…/101010…，可以产生单瓣、双瓣和四瓣的天线方向图（图1）。

图1. (a) 编码单元“0”和“1”的示意图与结构图；(b) 三种不同编码产生的声场分布；(c) 编码单元“0”和“1”的透射率和相位；(d) 成果在Advanced Materials 当期的Frontispiece。

除了产生特定的天线方向图外，这一排布还可以构成菲涅尔透镜实现聚集的功能（图2）。

图2. 声学编码超表面菲涅尔透镜

可以预见，通过更复杂的编码序列排布，可以实现更复杂的声学调控功能。这项工作在声波信息处理、声隐身和声场调制等方向有重大的前景。这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是南开大学的博士研究生谢博阳。

该论文作者为：Boyang Xie, Kun Tang, Hua Cheng, Zhengyou Liu, Shuqi Chen, and Jianguo Tian

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Coding Acoustic Metasurfaces

Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201603507

导师介绍

陈树琪

http://www.x-mol.com/university/faculty/40478

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