具有定制化色散的超宽带消色差声波超构表面

近日，《国家科学评论》杂志在线发表了北京理工大学方岱宁院士和董浩文副教授、香港理工大学成利院士、天津大学汪越胜教授、美国罗文大学沈宸助理教授、青岛大学赵胜东副教授，联合德国锡根大学张传增院士、美国杜克大学Steven A. Cummer教授、深圳先进技术研究院郑海荣教授和邱维宝研究员的最新研究成果，该研究团队将波动力学与先进结构技术相结合，提出了可获得定制化色散的逆向设计方法，成功构造了消色差声波超构表面，实现了高效、超宽带声波定向传输、能量汇聚和超声粒子悬浮等波控功能，并进一步揭示了超宽带消色差特性的协同作用机理，为超宽带声波超构材料及器件的实现提供了理论指导与结构基础。

近年来，作为一种可调控声波相位、幅值、传播模式的亚波长人工表面结构，声学超构表面(Acoustic metasurfaces)具备非凡的波阵面整形能力，可实现高效甚至可控的声波吸收、反射和透射特性，在通信、医学检测、航空航天、国防工程等领域展现了广阔的应用前景。然而，绝大多数声学超构表面都面临突出的窄带和功能色散问题。虽然可调或编码的方法可在一定程度上增加带宽，但依然均存在明显的功能色散、低可靠性、高系统复杂度以及制造成本等问题。此外，可调策略高度依于操纵频率，虽然可保证离散频率下有效的波控功能，但不太可能适用于含多个频率的波包。因此，声学超构表面亟需被动式超宽带、非频变特性。

针对上述挑战，研究者提出了超宽带消色差超构表面“自下而上”逆向设计框架（图1）。理论上，若不同频率的透射/反射波阵面是一致的，则认为超构表面具有消色差特性（图1a）。为了在宽频内实现具有消色差特性的定向传输波束、聚焦束和局域空心束（图1b），超构表面需分别获得线性非色散、非色散结合色散、非线性非色散（图1c）。因此，针对特定的色散、严苛的相位分布与高传输效率（图1d），所有的超构表面单元必须同时满足特定的等效折射率、相对群延迟以及相对群延迟色散。为兼顾上述所有的波动特征，本文建立了超构表面单元的“相位-效率-色散”的拓扑优化模型，发展了超宽带、消色差、高效超构表面的逆向设计方法（图1e）。

研究者首先设计了具有非对称局部腔体、弯曲空气通道的超构表面单元（图2a），可在[1600 Hz, 4400 Hz]内具备恒定的等效折射率、高传输率（图2b, 2c），从而实现了具有恒定折射角度的高效、异常声波定向传输功能（图2d，2e）。进一步，研究者设计了相似的非对称超构表面单元（图3a），可在[1000 Hz, 4000 Hz]内具有恒定折射率（图3b, 3c），且折射率增加的程度逐渐降低，进而实现了具有恒定焦距、高效（>80%）、声波聚焦功能（图3d，3e），证实了其超宽带[1000 Hz, 4000 Hz]、消色差特性。更进一步，研究者设计了在[16.5 kHz, 66 kHz]内具有非色散、非线性色散特性的超构表面单元（图4a-4c）。由于可产生具有恒定悬浮位置的局域空心束（图4e），超构表面可非常稳定地将聚乙烯小球（重量：0.022克）悬浮在目标位置（图4f，动画a, b, c）。与已有的超声悬浮技术相比，这种基于消色差超构表面的超声悬浮技术具有稳定、超宽带、单边操纵等多重优势。值得注意的是，上述逆向设计的超构表面单元均存在明显的内部共振（图5a-5c），也存在一定程度的双各向异性，且与单元的色散程度呈正相关（图5d-5f）。此外，还存在显著的多散射效应（图5g-5i），且不同色散特性表现出完全不同的多散射。这意味着，多散射也有助于获得超宽带、消色差特性，可被视为一种新的超构表面设计自由度。因此，超宽带、消色差、高效的声波功能得益于集成内部共振、双各向异性和多散射效应的协同作用。

上述研究表明，通过逆向设计方法可实现具有任意色散特性的消色差超构表面，在实现被动式、超宽带、多功能超构材料方面具有巨大的潜力，可为宽带、高效的定向声能量辐射、噪声屏蔽、能量捕获提供有效策略，甚至有助于实现不同类别的微粒操纵和输运。虽然研究对象为声波超构表面，但该研究所发展的设计策略和超宽带消色差机制可被拓展至弹性波/电磁波超构材料领域。

研究详情请见原文：

Achromatic metasurfaces by dispersion customization for ultra-broadband acoustic beam engineering

https://doi.org/10.1093/nsr/nwac030

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