撰稿|由课题组供稿
能同时且高效调控纵波和横波的弹性波超格栅在地质勘探和无损探伤等领域具有广泛的应用前景。近日，华南理工大学物理学院的梅军教授课题组与机械学院洪晓斌教授合作，在这方面取得突破，提出了一种能高效率调控弹性体波的超格栅。超格栅的基体是铁，其原胞结构简单，仅由两个空心椭圆柱组成。但借助波动衍射理论分析和遗传算法优化设计，这种简单结构的超格栅能实现各种波前操控功能，包括：对纵波、横波的镜面反射、异常反射，以及纵、横波间的模态转换等，且效率接近100%。有趣的是，截然不同的波场操控功能可通过大角度转动原胞中的椭圆柱而实现。由于弹性波的非共振散射性质，此种超格栅对工作频率和原胞结构的细小变化并不敏感，展现了一定的鲁棒性。相关成果以“Elastic Metagratings with Simultaneous Highly Efficient Control over Longitudinal and Transverse Waves for Multiple Functionalities”为题发表在《Physical Review Applied》上。
超格栅作为近年来提出的新概念，基于格栅衍射理论而不是广义Snell定律，在合适的条件下能将散射波能量全部集中于特定的衍射通道中，即使在大角度衍射时，仍然能保持接近100%的操控效率，克服了超表面的不足。而超表面需要对快速变化的阻抗或相位函数实施离散化处理，在大角度会导致显著的阻抗失配。尽管学者们对弹性板中传播的Lamb波和SH波开展了大量有趣的研究，但在地质勘探和无损检测等应用场景中，需要对弹性体波（包括纵波和横波）实施高效和完全的操控。众所周知，纵波和横波在遇到散射体或界面时会相互耦合甚至转化，这使得作为矢量波的弹性体波，其散射过程比作为标量波的声波更为复杂。因此，弹性波超格栅或超表面的设计更具挑战性。在实际应用中，常常希望以空间分离和高度可靠的方式分别操控纵波和横波，且它们之间不产生任何串扰。此外，即使在大角度散射时，也希望波场操控的效率越高越好，以便进行信号处理和能量采集。更进一步，倘若不同的波场操控功能可在同一个结构简单的平台上实现，那就更好了。
该团队所设计的弹性波超格栅，其原胞由铁基体中周期性排列的空心椭圆柱组成。通常情况下，不管是纵波入射还是横波入射，反射波同时含有纵波（p波）和横波（s波）成分，而且存在p0,±1和s0,±1等多个衍射阶。结合矢量波衍射理论和遗传算法，对椭圆柱的半长轴a、半短轴b、方位角
、圆心位置(x,y)等参数（如图1(b)所示）进行优化，能实现对纵波和横波的同时和高效操控。比如对正入射的p波，让反射纵波只沿着p-1通道，而反射横波只沿着s+1通道（如图2(c)所示）。此时所有其他衍射通道的反射被完全抑制，实现了高效率的定向超控，且反射的p波和s波在空间上完全分离，它们之间不会产生任何串扰。在此基础上，经过二次优化，发现只需要转动原胞中的1个或者2个椭圆柱，即只改变椭圆柱的方位角
，所有其他参数（半长轴a、半短轴b、圆心位置(x,y)）都保持不变，就可实现截然不同的多种波场操控效果，如图2和图3所示。比如对正入射的p波，随着2个椭圆柱的转动，反射波依次从p-1和s+1通道，切换至p+1和s-1通道，接着切换至p0,+1和s±1通道，甚至变成只沿着p0通道且压制所有横波的反射。这种多功能的波场操控，在实际应用中能实现高效完全的模态转换：入射的纵波完全转化为反射的横波，入射的横波完全转化反射的纵波。由于椭圆柱对弹性波的反射是非共振，这种波场操控功能具有一定的鲁棒性，它对于工作频率和原胞参数的小范围改变并不十分敏感，这有利于实际场景中的应用。
原文链接：
https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.18.014002
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