就此研商声涡旋场的发生与操控机理具备重要性的精确性意义与使用价值,第一回设计出风姿洒脱种宽频带、拓扑数稳固的声涡旋场发射器

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[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。

物理学院声学研究所程建春教授团队利用声学轨道角动量实现多路复用的实时信息传输。该成果以Twisted
Acoustics: Metasurface-enabled Multiplexing and
Demultiplexing为题,于2018年3月20日在线发表在国际权威杂志《先进材料》上(Adv.
Mater. 2018,
1800257)。南京大学江雪博士为第一作者,梁彬教授、程建春教授及新加坡国立大学仇成伟教授为本文共同通讯作者。

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。

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以声信号为载体的信息传输在众多领域具有不可替代的重要性,例如深海探测、海底通讯等。由于海水对电磁波的强吸收和散射严重阻碍了电磁通讯在海洋领域的应用,使得声波成为海洋中信息传输的主要载体。高速、海量的数据传递对声信息传输系统提出了巨大挑战,多路复用成为解决这一难题的趋势。然而,现有的基于频率、幅值、相位等自由度的多路复用手段已不能满足日益增长的数据传输需求。与电磁波相比,作为标量波的声波并不具备偏振这一自由度,同时声波的低频率和低传播速度也制约了声信息传输的效率。如何进一步扩展声信息传输系统的带宽,成为亟需解决的关键技术难题。

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。

图1 2016年5月16日Appl. Phys. Lett.周刊封面。

针对这一挑战,研究团队引入声轨道角动量OAM (Orbital Angular
Momentum)这一独立于现有多路复用维度的新自由度,打开了声学多路复用的新通道,并首次利用亚波长的声学超表面进行信息解复用,真正实现了纯被动式、基于OAM的动态、高效、大容量声信息传输(如图1所示:基于OAM的声学信息传递技术的原理示意图以及与已有多路复用的对比图)。携带OAM的声涡旋场的螺旋形波前可用
来描述。由于不同拓扑电荷数m的OAM构成的希尔伯特空间的正交性和无限性,作为信息载体的OAM态的数目也是无限且相互正交,这有效避免了传输过程中的模式损坏和模间串扰,为基于OAM的声信息传输提供了广阔的可能性。通过引入基于声共振的声学超表面对拓扑电荷数的级联运算,能够仅凭单个麦克风就实现信息的直接读取,而不需要任何的算法分析或后处理过程,这将极大地简化现有声信息传输系统的复杂性。基于此,课题组在实验上成功将图片信息编码于不同OAM态进行实时同步传输,在接收端完美重现出图片信息,并达到几乎100%的传输准确度(如图2所示:实时的图片传输实验结果,图3:将基于声学轨道角动量的信息传输与多载波调制技术结合,进一步提高传输效率)。

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。

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。

该研究为使用多路复用技术进一步提高声信息传输系统的信道容量开辟了新的途径,也为声学超表面的设计和应用提供了新的方向。

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。

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。

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美高梅手机登录,图1:基于声学轨道角动量的并行信息传输原理示意图以及与已有技术的对比图。

图1:基于声学共振引入轨道角动量的原理示意图

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。

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图2:利用声学轨道角动量实现的实时图片信息传递。

图2:拓扑阶数m=1的贝塞尔型声涡旋场仿真结果

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。

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就此研商声涡旋场的发生与操控机理具备重要性的精确性意义与使用价值,第一回设计出风姿洒脱种宽频带、拓扑数稳固的声涡旋场发射器。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。

图3:将基于声学轨道角动量的信息传输与多载波调制技术结合,进一步提高传输效率,在实验上成功完成实时图片传输。

图3:实验样品照片及实验测量结果

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。

(物理学院 科学技术处)

(物理学院 科学技术处)

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