由此讨论声涡旋场的产生与操控机理具备首要性的不错意义与应用价值,利用螺旋遍及厚度的规律仅能设计对单纯频率有效的涡旋场发射器

金沙真人网上开户,最近,南京大学物理学院声学研究所程建春课题组在声学涡旋场的研究方面取得进展,
最新工作于2016年5月16日作为封面文章(Featured Article)在Appl. Phys.
Lett. 发表[Appl. Phys. Lett. 108, 203501
]。论文第一作者为博士生江雪,共同通信作者是梁彬教授和新加坡国立大学仇成伟。该工作提出了“宽带稳定的声涡旋场发射器”(Broadband
and stable acoustic vortex
emitter)的设计思想,首次设计出一种宽频带、拓扑数稳定的声涡旋场发射器,并成功地在实验上实现该项设计。

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学轨道角动量操控方面的研究取得突破,
最新研究成果以“Convert Acoustic Resonances to Orbital Angular Momentum”
为题发表在2016年7月15日的Physical Review
Letters上[金沙真人赌场开户,PhysRevLett.117.034301
]。该工作与德克萨斯大学奥斯汀分校的张黎昆博士及法国Jean
Lamour研究所的李勇博士合作,论文第一作者为博士生江雪,南京大学是第一作者单位。该工作首次提出利用声学共振引入声轨道角动量的新机理,并利用基于该机理构建的人工器件在计算和实验上成功地产生了拓扑阶数m=1的贝塞尔型声学涡旋场,展示了其效率高、尺寸小、设计制备简单、外形平整且不包含螺旋结构等重要特性。

最近,南京大学物理学院声学研究所程建春课题组在声学单向传播研究方面取得进展,
最新工作于真人真钱网上娱乐,bbin真人开户,网上真人赌场开户,2015年9月14日作为封面文章(Featured Article)在Appl.
Phys. Lett.
真人赌场开户, 发表 [mg真人娱乐,Appl. Phys. Lett. 107, 113501
]。论文第一作者为博士生朱一凡。共同通信作者是梁彬教授。该工作提出了
“声学单向隧道” (Acoustic one-way
tunnel)的设计思想,首次在一个完全连通的、具有平直形状内壁的通道中实现了声波的单向传输,并成功的制备了原理性器件。

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在声学及光学领域中,涡旋场的典型特点表现为沿角度方向螺旋分布的相位,以及对称中心处的零场强,其所携带的轨道角动量(Orbital
angular momentum,
OAM)通常用拓扑阶数m来表征。近年来对声涡旋场的研究得到了大量的关注,由于所携带声学轨道角动量在众多领域有广泛的应用,包括对粒子的非接触操控等,因而研究声涡旋场的产生与操控机理具有重要的科学意义与应用价值。

声波的单向操控是近年来的一个研究热点。然而,传统的声学单向传输通常是通过在声路径上放置一层特殊设计的体材料(例如声子晶体、声栅格或其他声学超构材料)来实现。这将不可避免的导致声路径受到部分或完全的阻塞,造成背景媒质的间断。若能在实现声学单向传输的同时允许其它物体(如背景媒质或其他能量流)通过,达到通风或可视的特殊效果,不仅对声单向操控的研究领域有着重要科学意义,更将具有广阔的应用前景。

图1 2016年5月16日Appl. Phys. Lett.周刊封面。

目前,声学轨道角动量的引入必须依赖具有螺旋分布初始相位的主动声源技术,或使用传播路径在角度方向呈螺旋形状的特殊结构。然而,第一种原理需要大量独立设计的换能器和繁杂的电路控制,带来的高成本和复杂性限制了其在现实中的应用。根据第二种原理所设计的结构则具有庞大的体积和螺旋形的几何结构,且难以达到平整的表面形状。如何利用小尺度、平面状的简单结构来高效产生声学轨道角动量,是一个亟待解决的关键科学问题。

为解决传统设计中声路径受到阻塞的难题,课题组采用了一种全新的物理机制,巧妙地在通道内壁上敷设了声学超常表面,利用其特殊的反射特性对通道中声波的路径产生了不对称的操控。超表面是近年来新出现的光学/声学元件,通过引入相位和振幅的突变,可实现对光波/声波的丰富操控方式。本设计中采用了课题组先前提出的一种具有简单构造方式及高分辨率的声学超表面结构[Sci.
Rep. 5, 10966
],通过在平面下设计一系列深度受到调制的亚波长单元来实现表面相位的精确调控。声学单向隧道一侧的壁面上包含两种不同梯度的超表面组合,可对沿两个方向正入射的平面声波实现非对称的异常反射,其路径可以利用解析方法来定量分析。通过对结构参数进行适当设计,可在该声学隧道中实现正向入射声波可以穿透、而反向入射声波基本被反射的单向效果。

对携带轨道角动量、具有螺旋相位分布的声涡旋场的研究,是相关领域的一个研究热点。然而,已有研究中,声涡旋场发射器主要基于利用大量的换能器构成声学阵列、或利用厚度呈螺旋分布的结构。通过繁杂的电路独立控制每个单元的相位延迟,将带来巨大的成本和复杂的操作过程,而单元固有的几何尺寸也限制其在高频范围的应用。利用螺旋分布厚度的原理仅能设计对单一频率有效的涡旋场发射器。同时,由于螺旋状几何厚度的固有限制,使其不能在入射/出射端同时具有平面形状。而平面状、小体积的特点在实际中具有重要价值。此外,已有研究中产生的声涡旋场,仅能够在很短的传播距离内保持拓扑数稳定。

这项工作提出一种引入声学轨道角动量的全新机制,通过在厚度远小于波长的非螺旋状平面声学共振体中产生沿角度方向分布的等效声波矢量,将声学共振转化为声学轨道角动量,并在实验中产生了拓扑阶数m=1的贝塞尔型声学涡旋场。这一设计思路具有很大的灵活性,能够通过调整声学共振体的几何参数对声学轨道角动量的拓扑阶数进行精确控制。基于这种新原理设计的声学共振结构具有大于95%的高能量透射率、超薄的结构尺度及完全平整和非螺旋状的几何结构,并且其材料选择广泛,结构简单,极大降低了设计与制备的难度。此研究成果为使用微型化、集成化的声学结构产生任意拓扑阶数的声学轨道角动量提供了关键支持,开辟了声学角动量产生与操控的新途径,具有广阔的应用前景。

图1声学单向隧道示意图利用超表面实现非对称传播的原理示意

为解决传统设计中的难题,课题组采用了一种全新的物理机制,巧妙地利用结构对声波的衍射作用,设计一种由亚波长螺旋裂缝耦合形成的平面型声涡旋场发射器,并首次在理论和实验中在宽频范围内产生拓扑数稳定的声涡旋场。该声涡旋场发射器的设计具有很大的灵活性,能够通过调整螺旋形裂缝的数目控制涡旋场的拓扑数。此外,该涡旋场发射器的材料选择广泛,结构简单,极大降低了设计与制备的难度,为在宽频范围内产生拓扑数稳定的声涡旋场提供了崭新的设计可能性,不仅对声涡旋场的研究领域有着重要科学意义,更将具有广阔的应用前景。

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的支持。

图2为数值模拟和实验测量结果的对比,可以看出所设计的声学通道可以对两个相反方向入射的声波实现高效的单向操控,验证了上述设计思想的正确性。这种声学概念性器件为声学单向器件的设计带来了新的可能性,有望在管道噪声控制、隔声窗设计及建筑声学等重要场合产生广泛应用。

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图2数值模拟和实验结果:正向和反向的声压场分布

图2不同拓扑数的声涡旋场发射器原理示意图、声场相位分布图及声强分布图。

图1:基于声学共振引入轨道角动量的原理示意图

该项工作得到国家重大科学研究计划、人工微结构科学与技术协同创新中心、国家自然科学基金等重大科研项目的支持。

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(物理学院 程建春 科学技术处)

图3 不同频率及不同传播距离上声涡旋场相位分布的实验、仿真对比图。

图2:拓扑阶数m=1的贝塞尔型声涡旋场仿真结果

图2为具有不同拓扑数的声涡旋场发射器的原理示意图,以及所产生的涡旋场的相位、声强分布图。图3为不同频率及不同传播距离上涡旋场相位分布的实验、仿真结果对比图,显示该设计能够在宽频带、长距离内产生拓扑数稳定的声涡旋场,且其拓扑数可灵活控制。

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该项工作得到国家重大科学研究计划、人工微结构科学与技术协同创新中心、国家自然科学基金等重大科研项目的支持。

图3:实验样品照片及实验测量结果

(物理学院 科学技术处)

(物理学院 科学技术处)

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