撰稿|由课题组供稿
近日，北京交通大学和天津大学研究团队联合在国际著名力学刊物《应用力学评论》(Applied Mechanics Reviews)上发表综述文章，详细介绍了声学/弹性相位梯度超表面的研究进展及未来展望。
论文作者包括北京交通大学陈阿丽教授、北京交通大学/天津大学汪越胜教授、天津大学王艳锋副教授、天津大学博士生周红涛和北京交通大学博士生袁思敏，通讯作者为陈阿丽教授和汪越胜教授。论文工作受到了国家自然科学基金创新群体、重大和优青等项目资助。
反射型（a）和透射型（b）功能梯度超表面
声学/弹性超表面是一种亚波长厚度的二维超材料，具有很强的声波/弹性波操控能力。由于超薄厚度（亚波长或深亚波长）、低损耗和易于制造/集成等特点，超表面已被证明是用于波动控制的最佳候选之一。超表面具有各种奇特性质（例如，异常反射和折射、聚焦、波束自加速、声涡旋、散射扩散等），其在声学成像、扩散、通信、隐身和伪装、振动/噪声控制、能量收集、无损检测、粒子操控、信号模拟计算、信息存储、声学安全等领域的潜在应用已经得到展示。超表面的研究是人们关注的热点之一。
文章主要综述了声学/弹性相位梯度超表面的最新发展。首先介绍了波前调制的基本原理，包括广义斯涅尔定律（GSL）、格栅衍射理论（LDT）和表面阻抗理论（SIT）。之后针对空气声、水声和弹性波分别介绍了实现超表面功能所需的功能基元的设计，包括卷曲空间基元、共振基元、复合介质基元以及为了提高波的调制效率而提出的各种改进基元。并阐明了不同类型基元的相位调节机理。接着介绍了超表面对波场的操控及应用，包括超表面可实现的各种功能和应用，如异常折射/反射、聚集、波束自弯曲、涡旋波、非对称传输及声全息等。
可调声学/弹性超表面仅在5、6年前才出现，其研究仍然非常有限。本文将可调声学/弹性超表面的实现方法归结为三类：即可重构基元设计、超表面整体方位调整和利用智能材料，通过外加偏场实现基元或超表面的可重构性。相关的研究正在成为一个热点方向，在功能切换、可调声透镜和二极管、频率选择扩散器、频率自适应斗篷等多功能、超薄宽带实时可调声波/弹性波器件中具有广阔的应用前景。该方向仍然存在许多具有挑战性的问题，例如可重构性的设计及其机理、可调性实现的策略和方法、编程和反馈控制的实现等。
文章还对新兴的数字编码超表面做了简单综述，该类超表面只包含幅值相同相移不同的几种（通常是两种）组分单元，通过不同的排布序列即可实现对波场的调控。最后，文章探讨了声学/弹性相位梯度超表面在未来研究中可能遇到的挑战，包括设计原理的改进、水声超表面、弹性波超表面、跨界质传输调控、可调超表面、编码超表面、宽频和频率选择设计、逆向设计等。
文章链接：
A-Li Chen*, Yue-Sheng Wang*, Yan-Feng Wang, Hong-Tao Zhou, and Si-Min Yuan. Design of acoustic/elastic phase gradient metasurfaces: principles, functional elements, tunability, and coding. Applied Mechanics Reviews, 2022, 74(2): 020801. https://doi.org/10.1115/1.4054629
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