环形超透镜实现超分辨率消色差声针- 大数跨境

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环形超透镜实现超分辨率消色差声针

两江科技评论

2023-12-01

导读：近日，华南理工大学的梅军教授课题组利用超格栅的结构特点和物理性质，实现对水中声波的消色差声针聚焦功能。设计的环形声学超透镜基于超格栅结构，具有超分辨率聚焦效果，实现了消色差的远场声针聚焦功能。

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撰稿|由课题组供稿

导读

近日，华南理工大学的梅军教授课题组利用超格栅的结构特点和物理性质，实现对水中声波的消色差声针聚焦功能。设计的环形声学超透镜基于超格栅结构，具有超分辨率聚焦效果，实现了消色差的远场声针聚焦功能。相关成果以“Achromatic needle focusing with super-resolution enabled by ring-shaped acoustic metalens”为题发表在《Physical Review Applied》上。梅军教授为该工作的通讯作者，凡利娟博士为论文第一作者, 华南理工大学为论文署名单位。

研究背景

传统透镜体积较大，制造成本较高，有2个显著特征：（1）色散，意味着它们通常无法让不同频率的波聚焦在某一个位置；（2）分辨率有限，受到瑞利-阿贝衍射极限的约束。近年来，超透镜作为一种新颖的人工结构，其反射或透射相位由有意设计的原胞所精确控制，常用于波前操控和聚焦。超透镜可基于超表面或超格栅进行设计，其扁平化构型为各种波场操纵功能提供了紧凑且高效的解决方案。在声超透镜的研究方面，研究人员采用不同的方案设计实现了声针聚焦效应：声波的焦斑为细长的针状，但这些方案几乎都是基于超表面结构。众所周知，传统的梯度型超表面基于广义斯涅耳定律，由于入射波束和散射波束之间的阻抗不匹配，在大衍射角度时效率较低。而超格栅是基于格栅衍射理论而设计，通过优化原胞结构，在大衍射角时效率仍然接近100%，更有利于提高透镜的聚焦效率。此外，超格栅不需要对快速变化的阻抗或相位函数进行离散化近似和处理，也无需采用精细的亚波长结构，可显著降低制造和测试成本。因此，如何基于超格栅平台来构建水声超透镜，实现远场声针聚焦功能，并在此基础上探索研究消色差、超分辨率聚焦性能，是一个在理论和实践上都具有价值的课题。

研究亮点

该课题组提出了一种基于超格栅平台的超透镜设计思路，实现了水声的远场、高强度、超分辨率、消色差的针状聚焦效果。选择超格栅平台的好处如下：（1）超格栅即使在很大的衍射角下也能保持很高的衍射效率，有利于同时实现近场和远场区域的高强度聚焦，有助于扩大焦深。（2）大角度的衍射波携带较大的横向波矢分量，它们在远场相干叠加后，在一定的条件下能实现超分辨率聚焦，打破瑞利-阿贝衍射极限。（3）能独立操纵超格栅中每个超原子的衍射方向，把来自不同超原子的散射波重定向到连续递增的焦点位置从而直接获得针状聚焦图案。（4）由于没有尖锐的共振，原则上超透镜可以在一定的连续频率范围内实现针状聚焦。利用超格栅的上述特性，所设计的超透镜可以实现大焦深、高分辨率的远场针状聚焦图案，且让不同频率下的焦针部分重叠，可获得消色差的聚焦功能。因为超透镜具有紧凑的平面结构，很容易与其他声学器件集成，以实现更全面、更复杂的波操纵功能，有望在医疗诊断和治疗、超声检测和导航、以及水下通信等各种场景中得到应用。