一种基于几何相位的声场可重构调控超表面器件

1.本发明属于声波调控技术领域，具体涉及一种基于几何相位的声场可重构调控超表面器件。

背景技术：

2.随着科技的进步，高端装置制造所需材料的性能逐渐提升，天然材料已无法满足社会的发展，超材料应运而生，它通常指那些具有不同于天然材料的物理特性的人工结构。在声学领域，声学超材料的提出拓宽了声学的研究范围，也丰富了人们对声波的操控与应用。但由于常规的超材料需要将人工单胞周期性排布才能实现其功能，体积大、损耗大等缺点难以忽视，将材料轻薄化便显得尤为重要，因此超表面的概念被提出，它被描述为一种亚波长尺度的声波操纵器件，可以看作超材料的二维对应。近年来，声学超表面方向的研究已取得十足的进展，声异常折射、聚焦、声隐身、声全息等的一系列声波操纵超表面被设计实现，但目前所设计出的超表面大多是采用传统传播相位或共振相位原理设计，通过改变单胞的几何参数实现相位调制，因此器件一旦被制作便无法改变，可重构性差，这极大的限制了其发展与应用。
3.另一方面，1956年，pancharatnam发现电磁波在偏振态转化的过程中会产生一个与偏振态演化路径相关的相位，该相位可以利用偏振态空间庞加莱球上闭合路径所对应的立体角一半来表示。1984年，berry提出了几何相位的概念，当一个量子系统的某些参量经过一个绝热演化过程并回到参量起点时，会产生一个与系统表象中演化路径相关的相位，即几何相位。在光学领域，作为一种新型的相位控制手段，几何相位为自由控制光的行为提供了前所未有的机会，特别是在亚波长超表面上，当入射圆偏振(自旋)光通过空间方向(θ)的超原子时，会产生的相移，得益于这样一种简单的相位调控方法，几何相位在设计各种超表面器件时展现出了强大的能力。但由于声波为标量场，不存在自旋自由度，无法通过自旋态的改变来调控几何相位，因此声学几何相位的研究与应用受到了极大的限制。
4.针对上述问题，在声学中实现几何相位，并基于此设计一种声场可重构调控超表面是十分必要的。

技术实现要素：

5.发明目的：本发明提供了一种基于几何相位的声场可重构调控超表面器件，通过扭转具有相反人工拓扑荷的双层微结构，实现平面波模式与倏逝涡旋模式之间轨道角动量的闭合路径演化，产生可调控的声学几何相位。
6.技术方案：本发明提供了一种基于几何相位的声场可重构调控超表面器件，所述超表面器件由亚波长双层微结构的阵列组成；所述双层微结构能实现可调谐的声学几何相位，由圆柱波导和两个具有相反人工拓扑荷
±
l
ξ
的相位梯度超构声栅pgm组成，分别为pgm-1、pgm-2；所述双层微结构能通过旋转pgm-2的角度θ实现线性连续变化的声学几何相位的调节，满足关系式
7.进一步地，所述pgm-1和pgm-2具有l
ξ
组扇形超元胞，每组超元胞由m个圆心角为α＝2π/(ml
ξ
)的扇形元胞构成，m个元胞的相移依次为φn＝2(n-1)π/m(n＝1,2,
···
,m)。
8.进一步地，所述超表面器件还包括一个位于双层微结构外的长方体框架，长方体框架侧面为正方形。
9.进一步地，所述pgm-1、pgm-2的厚度为h＝0.45λ，半径为r＝0.15λ，且两边留有厚度为d＝0.2λ的耦合层，双层微结构厚度为l＝2h+2d＝1.3λ。
10.进一步地，所述扇形元胞由渐变的空间折叠超材料结构设计。
11.进一步地，所述扇形元胞包括内外壁、侧壁、以及与外、侧壁相连的4个柱子、与内、侧壁相连3个柱子，交叉排列而成；内外壁与柱子厚度均为t＝0.01λ，侧壁的厚度为f＝0.0025λ，通过改变柱子高度为b和相邻两个柱子之间的间距g，到高于95％的透射效率的，且相移匹配的扇形元胞。
12.进一步地，所述扇形元胞的材质为声波无法穿透的声硬材料。
13.有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明中通过扭转具有相反人工拓扑荷的双层微结构，实现平面波模式与倏逝涡旋模式之间轨道角动量的闭合路径演化，产生可调控的声学几何相位，并进一步设计了声场可重构调控超表面；基于声场可重构调控超表面，通过对其进行编码(改变各个微结构中pgm-2的扭转角度)以达到所需的相位分布，可以任意实现所期待的声波操纵功能，例如声波异常折射、分离、聚焦等，为声波的操纵提供了全新的便捷的途径。
附图说明
14.图1为本发明中双层微结构的原理示意图；
15.图2为本发明中pgm-1的原理示意图；
16.图3为本发明中pgm-2的原理示意图；
17.图4为本发明中扇形元胞的设计原理示意图；
18.图5为本发明中扇形元胞的截面示意图；
19.图6为本发明具体实施例中pgm的结构示意图；
20.图7为本发明具体实施例中pgm各扇形元胞的参数曲线图；
21.图8为本发明具体实施例中双层微结构的结构示意图；
22.图9为本发明具体实施例中双层微结构相位φ、透射效率t与扭转角度θ的关系曲线图；
23.图10为本发明具体实施例中超表面声波偏射功能的声场模拟图；
24.图11为本发明具体实施例中超表面声聚焦功能的声场模拟图；
25.图12为本发明具体实施例中超表面实现约49
°
声束分离功能的声场模拟图；
26.图13为本发明具体实施例中超表面实现30
°
声束分离功能的声场模拟图；
27.图14为本发明具体实施例中超表面全透射功能的声场模拟图；
28.图15为本发明具体实施例中超表面全反射功能的声场模拟图；
29.图16为本发明具体实施例中超表面不对称传输功能左侧入射的声场模拟图；
30.图17为本发明具体实施例中超表面不对称传输功能右侧入射的声场模拟图。
具体实施方式
31.下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
32.本发明公开了一种基于几何相位的声场可重构调控超表面器件，如图1所示，由亚波长双层微结构的阵列组成；双层微结构能实现可调谐的声学几何相位，由圆柱波导和两个具有相反人工拓扑荷
±
l
ξ
的相位梯度超构声栅pgm组成，分别为pgm-1、pgm-2；pgm-1固定不动，pgm-2具有可旋转性，双层微结构能通过旋转pgm-2的角度θ实现线性连续变化的声学几何相位的调节，满足关系式
33.如图2和图3所示，pgm-1、pgm-2有l
ξ
组扇形超元胞组成，每组超元胞由m个扇形元胞排列而成，子单元的圆心角α＝2π/(ml
ξ
)，m个扇形元胞相移满足覆盖0到2π的相位梯度分布，即φ＝2(n-1)π/m(n＝1,2,
···
,m)，由于pgm-1、pgm-2具有相反的拓扑荷，所以双层微结构中pgm-2应反向放置。
34.双层微结构中对几何相位的调控具体表现为，入射平面波通过人工拓扑荷为+l
ξ
的pgm-1后，会激发出高阶l＝l
ξ
的倏逝涡旋声场，由于pgm-1、pgm-2的紧密排列，倏逝涡旋场将无衰减地继续通过人工拓扑荷为-l
ξ
的pgm-2，演化为携带几何相位的平面波出射，其中几何相位与声波涡旋态演化的闭合路径有关，当pgm-2的扭转角度θ改变时，会导致演化路径的改变，进而携带有的几何相位。
35.将上述双层微结构阵列组合成可重构超表面，分别对每个双层微结构进行编码(即改变旋转角度θ)，以匹配所需声波调控的相移，可以实现波束偏折、聚焦和分离等在内的多种声场调控功能。
36.实施例1：在工作波长λ＝10cm的条件下,设计了l
ξ
＝2,m＝6的pgm-1与l
ξ
＝-2,m＝6的pgm-2，参考图6，pgm的长度为h＝0.45λ,半径r＝0.15λ，将两个pgm放入t＝0.15λ的波导中即组成双层微结构，为了保证声波透射效率，双层微结构两侧的耦合层厚度d＝0.2λ，故总长为l＝2h+2d＝1.3λ。
37.pgm中扇形元胞由渐变的空间折叠超材料结构设计，如图4、图5所示，扇形元胞是其截面绕z轴旋转α＝2π/(ml
ξ
)＝30
°
所得，扇形元胞结构包括扇形腔、腔内4个与外壁连接柱子、3个与内壁连接的柱子，7个柱子交替均匀分布在元胞中心，每两个相邻的柱子之间的距离均为g，柱子的高度均为b，厚度均为t＝0.01λ，上下壁的厚度也为t＝0.01λ。为了避免相邻元胞互相干扰，扇形腔，侧壁厚f＝0.0025λ。扇形元胞结构材料均为声硬介质(即声波无法穿过)。通过改变柱子高度为b和相邻两个柱子之间的间距g，到高于95％的透射效率的，且相移匹配的扇形元胞，进而组成pgm；如图6所示，6个元胞(图6所标注的#1、#2、#3、#4、#5、#6)满足0、π/3、2π/3、π、4π/3、5π/3的相位分布，且透射效率均高于97％，如图7所示。
38.实施例2：如图8所示，将所设计的pgm正向放置在圆柱波导中作为pgm-1，反向放置在波导中作为pgm-2，pgm位于双层微结构中心。为了便捷地组合成阵列超表面，图8中的长方体框架的双层微结构被设计，长方体框架侧面为正方形，边长为a＝λ/3，材料为声硬介质，且不影响几何相位的调控。
39.在双层微结构中，通过改变pgm-2的扭转角度θ，计算不同θ值对应的透射相位与透射效率，如图9所示，所设计的双层微结构具有优异的几何相位调控能力，满足关系，且能使透射效率均大于96％。
40.实施例3：将18个长方体双层微结构紧贴组成1
×
18的一维阵列超表面(长6λ，宽1.3λ)，在comsol中数值仿真其调控性能(1
×
18超表面阵列仅作为本实施例中的一个范例，类似于此范例，任意组合形式的超表面阵列均具有实现声波操控的能力)。为了描述方便，将单胞透过相位为0、π/3、2π/3、π、4π/3、5π/3的六种情况分别编码为1、2、3、4、5、6。
41.将超表面编码为
“……
1，2，3，4，5，6，
……”
，编码周期为p＝2λ，即相位分布满足
“……
0，π/3，2π/3，π，4π/3，5π/3，
……”
，如图10所示，左侧入射高斯平面波，正如广义斯奈尔定律所预测的那样，声波发生30
°
的偏转并出射，即实现声波的异常折射功能。
42.为了使声波穿过超表面后聚焦在4λ处，将超表面编码与4λ处发出的球面波相匹配，将超表面编码设置为“5，4，3，2，2，1，6，6，6，6，6，6，1，2，2，3，4，5”，如图11所示，左侧入射高斯平面波，出射声波完美汇聚在距超表面4λ处，实现声波的聚焦功能。
43.超表面还可以实现声波分束的功能。将超表面编码为
“……
1，1，4，4，1，1，4，4
……”
，编码周期为p＝4λ/3，如图12所示，左侧入射高斯平面波，在超表面右侧激发出近似49
°
的声波分束现象；将超表面编码改为
“……
1，1，1，4，4，4，
……”
，编码周期为p＝2λ，如图13所示，将会在超表面右侧激发出30
°
的声波分束现象。
44.同样，声波的全透射、全反射功能也被验证。将超表面编码为
“……
1，1，1，1，
……”
，即相位均为0，如图14所示，声波的透射功能被实现，声波不受超表面的影响，高效率的按原路径继续传播；对于全反射而言，将超表面编码为
“……
1，4，1，4，
……”
，即相位分布为
“……
0，π，0，π，
……”
，如图15所示，当声波从左侧入射时，因无法穿过超表面而发生了高效率地反射现象，基于此功能可以实现声波的高效导通与截止。
45.此外，声波的不对称传输也可以在超表面中实现。将超表面编码为
“……
1，3，5，
……”
，编码周期p＝λ，即相位分布为
“……
0，2π/3，4π/3，
……”
，当左侧高斯平面波以向右下30
°
方向入射超表面时，如图16所示，会发生异常折射现象，以-30
°
的角度出射；但是当右侧高斯平面波向左上30
°
方向入射到超表面时，如图17所示，声波无法穿过超表面，会激发出按原路径返回的反射平面波，实现声波的不对称传输，而此功能也可以进一步利用并制作“声二极管”。
46.当然超表面并不仅仅局限于上文所描述的功能。通过调控波前相位实现的任何功能，均可以通过本文所设计的超表面得以实现，包括并不限于声学全息、涡旋声束的激发等。
47.本发明中揭示了通过改变声波涡旋态演化路径以实现对声波几何相位的机制，该机制开创性的实现了对声波中的几何相位研究与应用，基于此机制所设计的双层微结构具有可调谐的几何相位，因此超表面可以实现任意的声波波前操纵，通过编码超表面，可以实现丰富的声波调控功能，打破了由于几何结构的固定，超表面器件功能单一的限制。在声学通信、声学计算等领域有着极大的应用前景。
48.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
49.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一
个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

技术特征：

1.一种基于几何相位的声场可重构调控超表面器件，其特征在于，所述超表面器件由亚波长双层微结构的阵列组成；所述双层微结构能实现可调谐的声学几何相位，由圆柱波导和两个具有相反人工拓扑荷
±
l
ξ
的相位梯度超构声栅pgm组成，分别为pgm-1、pgm-2；所述双层微结构能通过旋转pgm-2的角度θ实现线性连续变化的声学几何相位的调节，满足关系式2.根据权利要求1所述的一种基于几何相位的声场可重构调控超表面器件，其特征在于，所述pgm-1和pgm-2具有l
ξ
组扇形超元胞，每组超元胞由m个圆心角为α＝2π/(ml
ξ
)的扇形元胞构成，m个元胞的相移依次为φ
n
＝2(n-1)π/m(n＝1,2,
···
,m)。3.根据权利要求1所述的一种基于几何相位的声场可重构调控超表面器件，其特征在于，所述超表面器件还包括一个位于双层微结构外的长方体框架，长方体框架侧面为正方形。4.根据权利要求1所述的一种基于几何相位的声场可重构调控超表面器件，其特征在于，所述pgm-1、pgm-2的厚度为h＝0.45λ，半径为r＝0.15λ，且两边留有厚度为d＝0.2λ的耦合层，双层微结构厚度为l＝2h+2d＝1.3λ。5.根据权利要求2所述的一种基于几何相位的声场可重构调控超表面器件，其特征在于，所述扇形元胞由渐变的空间折叠超材料结构设计。6.根据权利要求2所述的一种基于几何相位的声场可重构调控超表面器件，其特征在于，所述扇形元胞包括内外壁、侧壁、以及与外、侧壁相连的4个柱子、与内、侧壁相连3个柱子，交叉排列而成；内外壁与柱子厚度均为t＝0.01λ，侧壁的厚度为f＝0.0025λ，通过改变柱子高度为b和相邻两个柱子之间的间距g，到高于95％的透射效率的，且相移匹配的扇形元胞。7.根据权利要求2所述的一种基于几何相位的声场可重构调控超表面器件，其特征在于，所述扇形元胞的材质为声波无法穿透的声硬材料。

技术总结

本发明公开了一种基于几何相位的声场可重构调控超表面器件，所述超表面器件由亚波长双层微结构的阵列组成；双层微结构能实现可调谐的声学几何相位，由圆柱波导和两个具有相反人工拓扑荷

技术研发人员：

伏洋洋 张琨 李潇 董大兴

受保护的技术使用者：

南京航空航天大学

技术研发日：

2022.10.24

技术公布日：

2023/2/23