突破衍射极限，实现超分辨的成像和聚焦一直是一个重要的研究方向。如果我们用一束声波去照射物体，通过收集和处理散射回来的声波便能够得到物体的结构信息。散射的声波可以看成一系列不同波矢的平面波的叠加，这些平面波携带了不同尺度的结构信息向空间传播。其中携带了亚波长结构信息的平面波的波矢超过了介质中的模式所能支持的最大的波矢，因此这些模式是无法辐射出去的，会在传播方向上沿着离开物体的距离呈指数衰减，也被称作为倏逝波。为了得到突破衍射极限的分辨率，需要尽可能的收集倏逝波的全部信息。
在光学超构材料领域，研究者首先提出了superlens 和 hyperlens的概念，在声学领域后来也有相对应的实现。superlens是利用具有等效负参数的超材料实现对包含亚波长信息的倏逝波的放大，而hyperlens是通过设计高各向异性的材料（具有双曲型或者椭圆型的色散曲线）将倏逝波转化为可以传播的模式，并在远场实现放大成像。此外在声学领域，可以利用共振结构，比如Fabry–Pérot共振腔，形成一个局域共振所导致的平带色散。这样的平带色散可以提供很大范围的波矢来支持倏逝波的传播。
近日，香港科技大学的马冠聪老师和沈平老师，以及法国朗之万研究所的Mathias Fink教授合作的文章发表在了《Nature physics》杂志，标题为“Towards anti-causal Green’s function for three-dimensional sub-diffraction focusing”。与上文提到的不同的是，这篇工作是实现了一个三维的球面波的亚波长聚焦。
如下图1a所示，在三维空间，一个向中心会聚的球面波（红色）到达中心点后，总会转变成向外扩散的球面波（蓝色）。这两种球面波的干涉会在中心点附近形成一个满足sinc函数的场分布，如图1b所示，可以看出声场在中心聚焦处的半峰宽约为1/2波长，聚焦的尺度还是受到了波长的限制。
如果能够将向外扩散的球面波（蓝色）除去会怎样？我们可以考虑一个向外辐射声波的点源，点源产生的声场强度与距点源的距离成反比，并且在点源处的声场强度是无穷大的，强度峰的半峰宽可以看成是无穷小。点源辐射出的是一个扩散的球面波，如果将这个过程时间反演（time-reversal）一下，如图1c所示，即球面波向内会聚，同时在中心点的位置被全部吸收掉，因为时间反演并不会改变声场的分布，这样就可以实现远小于波长尺度的声聚焦（图1d）。
图1 a. 向内会聚的球面波会同时产生一个向外辐射的模式 b. 两种模式相干涉形成的声场分布 c. 一个点源辐射的时间反演过程就是球面波会聚到中心点，并在中心点被完全吸收d. 突破了衍射极限的声场聚焦
这样的想法看似很简单，但是难点在于怎么才能设计一个全向的点状（远小于波长尺度）的完美吸声结构。解决的方案就是利用薄膜声学超构材料（membrane-type acoustic metamaterial）。薄膜作为一种能够和声波发生很强相互作用的弹性结构，在声学超构材料领域有着广泛的应用，并且沈平老师课题组在利用薄膜结构实现完美吸声方面做出了一系列的工作。利用薄膜结构可以实现远小于波长尺度的完美吸声；如果将薄膜做成一个多面体结构，就可以实现全向的吸声（图2）。
图2 球型的薄膜吸声结构可有效的吸收入射的球面波
实验结果也很好验证了亚波长聚焦的效果：在中心点处放置吸声体后，声场能够实现一个更小尺度的声场聚焦。当然由于吸声体的尺寸原因，以及不能够实现百分之百的完美吸声，中心点处声场强度的半峰宽实验测量值为0.4个波长，比衍射极限值低了20%（图3）。如果能够进一步减小吸声体的尺寸以及优化吸声性能，聚焦的效果还可以进一步提升。
图3 a.实验测量示意图 b. 红点为放置了吸声体后的测量到的声场分布，黑色圆圈为没有吸声结构的测量值
这篇文章展示了如何利用亚波长的吸声结构来实现三维空间的突破衍射极限的声聚焦。一般来说，人们研究吸声材料是为了完全的吸收掉声波。而这篇文章则启发了我们，利用吸声结构选择性的吸收部分声场，或者再结合散射体，可以实现对三维声场的有效调控。
如果对薄膜声学超构材料感兴趣，可以访问马冠聪老师的课题组网站（https://www.acoustmeta.com），来了解更多的相关工作。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41567-018-0082-3
作者：葛浩
责编：Jane Chou
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