【摘要】：近年來,聲學超構(gòu)材料的研究引起了人們的廣泛關注。聲學超材料以亞波長尺寸的結(jié)構(gòu)為基本單元,能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)自然材料所不具備的特殊性質(zhì),如密度各向異性、負的質(zhì)量密度、負的彈性模量等。聲學超構(gòu)材料在波形操控領域的作用十分顯著,能夠?qū)崿F(xiàn)對入射聲波陣面的自由控制,以獲得所需要的目標聲場,這極大地豐富了對聲波的操控能力�；诖�,研究者已經(jīng)設計出了大量的聲學器件來完成對聲場的調(diào)控。聲學超構(gòu)材料有著廣闊而誘人的應用前景,例如,聲學負折射率材料的設計,聲波單向傳輸?shù)膶崿F(xiàn)和聲學隱身衣的發(fā)明等。另一方面,對聲學軌道角動量的探索日益成為一個研究熱點。攜帶軌道角動量的聲學螺旋波,其波陣面將呈現(xiàn)出螺旋式的扭曲,扭曲程度用拓撲電荷數(shù)來表征。對于聲學螺旋波,僅用頻率、幅值、相位這三個維度已經(jīng)不能完整地描述這種聲波的基本特性,必須引入軌道角動量這個新的維度。作為一個全新的自由度,聲學軌道角動量為自由操控聲波提供了新的可能。因此,對聲學軌道角動量的研究具有基礎性的理論價值。同時,在實際應用中,攜帶軌道角動量的聲學螺旋波能夠作為聲鑷子,以實現(xiàn)對粒子的準確局域控制;利用聲螺旋場中的聲輻射力,能夠?qū)崿F(xiàn)對粒子的非接觸推拉操控;利用聲學螺旋場中的聲扭矩,能夠?qū)崿F(xiàn)對物體的非接觸式旋轉(zhuǎn)操控等。這些例子說明,對聲軌道角動量的研究具有顯著的實際應用價值。值得注意的是,在現(xiàn)階段,基于聲學超構(gòu)材料已實現(xiàn)的對聲波的操控,包括各種特殊聲學透鏡的設計、聲學隱身及聲學幻像的實現(xiàn)等,大部分都仍然局限于對僅攜帶線性動量的聲波進行控制。本文利用聲學超構(gòu)材料的獨特聲學特性以及亞波長的幾何優(yōu)勢,在實現(xiàn)對聲波的線性動量的基礎上,進一步實現(xiàn)了對聲波角動量的自由操控。此外,本文將聲學軌道角動量作為全新的自由度擴展在聲學通信系統(tǒng)中,提出了基于聲軌道角動量的多路復用技術中。本文對聲學超構(gòu)材料和聲軌道角動量的結(jié)合進行了系統(tǒng)而深入的研究。主要包括以下內(nèi)容:第一章為緒論,回顧了聲學超構(gòu)材料的研究背景,介紹了該領域當前的研究方向和最新成果。并針對本文的研究內(nèi)容,介紹了聲學超構(gòu)材料和聲學螺旋波的相關基礎理論和計算方法。第二章中,本文將首先介紹聲學軌道角動量和聲螺旋波的物理概念,以及其在不同的研究領域中的重要理論意義和實際應用價值。其次,簡要介紹產(chǎn)生聲螺旋波的傳統(tǒng)方法:主動式聲學相控陣方法和被動式螺旋厚度結(jié)構(gòu)法,并對比說明了傳統(tǒng)方法的固有缺陷。為了解決傳統(tǒng)方法的局限性,我們利用結(jié)構(gòu)對聲波的衍射原理,提出一種利用超薄的亞波長螺旋裂縫耦合型的聲學超表面,用以產(chǎn)生寬頻帶、拓撲階數(shù)穩(wěn)定的聲學螺旋波。通過所設計的螺旋裂縫結(jié)構(gòu),可以有效地將具有均勻相位分布的入射平面聲波轉(zhuǎn)化為攜帶軌道角動量的聲學螺旋波,使其具有螺旋扭曲的等相位面分布。通過改變超表面結(jié)構(gòu)中的螺旋裂縫的數(shù)目,在理論和實驗中,我們實現(xiàn)了自由地產(chǎn)生具有不同拓撲階數(shù)的聲螺旋波。同時,我們展示了該超表面在不同工作頻率下的效果,證明了該螺旋裂縫耦合結(jié)構(gòu)具有傳統(tǒng)方法所不具備的寬頻帶的工作特性。此外,所設計的螺旋裂縫型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的聲螺旋波能夠在沿傳播方向的長距離范圍內(nèi)保持其拓撲階數(shù)穩(wěn)定不變,這種拓撲階數(shù)的空間穩(wěn)定性在實際中同樣具有重要意義。第三章,本文將首先介紹利用聲學雜化共振原理所設計的透射型聲學超表面,并展示利用這種超表面來產(chǎn)生沿特定預設軌跡傳播的非軸向自加速聲束。本文將著重介紹基于聲學共振原理所提出的,利用聲學共振產(chǎn)生聲軌道角動量的全新物理機制�；谶@種物理機制,在理論上,本文嚴格推導了如何通過在亞波長尺寸的非螺旋狀平面聲學共振型超構(gòu)材料中,產(chǎn)生依賴于角度方向的等效聲波矢量,將聲學共振轉(zhuǎn)化為聲軌道角動量。在數(shù)值仿真和具體的實驗測量中,本文利用所提出的基于聲學共振轉(zhuǎn)換的物理機制,成功地產(chǎn)生一階貝塞爾型聲學螺旋場,為產(chǎn)生聲學軌道角動量提供了理論上的創(chuàng)新和實驗上的支持。同時,我們展示了在該物理轉(zhuǎn)換機制的指導下設計的結(jié)構(gòu)所具有的重要性能:高轉(zhuǎn)換效率、亞波長的幾何尺寸、制備簡單、外形平整且不包含幾何螺旋性,彌補了傳統(tǒng)方法中的缺陷,成功地完成了用亞波長的平面型聲學結(jié)構(gòu)高效地產(chǎn)生聲學螺旋波的目標,開辟了生成聲軌道角動量的新途徑,對相關領域的研究具有重要價值。第四章中,本文將首先回顧利用聲波為載體的信息傳輸技術的應用背景,以及聲學多路復用通信技術的發(fā)展過程,并將簡要地介紹該領域的一些前沿代表性工作。已有的聲學多路復用技術的發(fā)展,包括在時間、頻率、幅值、相位等自由度及編碼調(diào)制技術上的創(chuàng)新,已經(jīng)不能滿足日益增長的以聲波為載體的大容量信息傳輸?shù)男枨�。為提高現(xiàn)有的聲學通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率,本文引入聲軌道角動量作為一個獨立于傳統(tǒng)多路復用自由度的全新維度,提出基于聲軌道角動量的多路復用手段。通過將二進制信息編碼在由具有不同拓撲階數(shù)的聲螺旋模態(tài)所組成的通訊信道上,在同一物理線路中進行同步傳輸,并在接收端利用聲學超構(gòu)材料實現(xiàn)純被動式的模態(tài)解耦和高效率和高準確度的信息解碼,能夠在現(xiàn)有的以聲波為載體的通信系統(tǒng)的發(fā)展基礎上,進一步低成本并顯著地擴充聲學通信系統(tǒng)的信息傳輸效率。本文首次在實驗上展示了利用基于聲軌道角動量的聲學多路復用技術的實時信號傳輸?shù)男Ч?并成功地重構(gòu)出一系列的圖像信息。將聲學軌道角動量作為一個新的自由度應用于聲學通信技術中,不僅能夠擴展聲軌道角動量的應用領域,更將為高速度和大容量的聲學通信系統(tǒng)的發(fā)展開辟新的途徑,這將為相關領域的發(fā)展,例如水下探測和通訊等,提供更大的可能性。最后,第五章給出了本文的主要結(jié)論,以及對未來的工作展望。論文的主要創(chuàng)新點包括以下三個方面。(1)利用聲學超材料實現(xiàn)對聲軌道角動量的控制。已有的聲超構(gòu)材料大多都僅能實現(xiàn)對攜帶線性動量的聲波進行控制。本文將聲超構(gòu)材料的操控能力擴展至對聲軌道角動量的控制領域,提出一種利用超薄的平面狀螺旋裂縫型聲學結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生寬頻帶、拓撲階數(shù)穩(wěn)定的聲螺旋波的設計方案。本文通過實驗結(jié)果,展示傳統(tǒng)方法所不具備的獨特寬頻帶特性及拓撲階數(shù)穩(wěn)定性,這兩個基本特性在實際中將具有重要意義。(2)提出將聲學共振轉(zhuǎn)換為聲軌道角動量的全新物理機制。利用聲學共振原理,有效地將具有均勻相位分布的平面聲波轉(zhuǎn)化為攜帶軌道角動量的聲螺旋波。嚴格推導了通過在亞波長的非螺旋狀平面聲學共振超結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生等效聲波矢量以產(chǎn)生攜帶軌道角動量的聲螺旋波,在實驗上成功產(chǎn)生一階貝塞爾型聲螺旋場。其高轉(zhuǎn)換效率、亞波長的幾何尺寸、制備簡單、外形平整且不包含螺旋結(jié)構(gòu)等重要特性,將彌補傳統(tǒng)方法的缺陷,對相關領域的研究具有重要價值。(3)提出基于聲軌道角動量的多路復用技術。將聲軌道角動量作為全新的多路復用自由度,引入到聲學通信系統(tǒng)中,首次利用聲學超構(gòu)材料實現(xiàn)純被動式螺旋模態(tài)解耦和高效的信息解碼,在實驗中實現(xiàn)動態(tài)信號的傳輸,并成功地重構(gòu)出一系列的圖像信息。能夠在現(xiàn)有的聲學通信系統(tǒng)的發(fā)展基礎上,顯著提高以聲波為載體的信息傳輸效率。將對高速度、大容量的聲學通信系統(tǒng)的發(fā)展開辟新的途徑,為相關領域的發(fā)展提供更大的可能性。
【圖文】：

圖１．１．１自然界中存在的傳統(tǒng)材料和人工設計的電磁學超構(gòu)材料示意圖。自然材料中，其基逡逑本組成單元是原子或分子，其基本屬性由原子、分子的種類和排布方式?jīng)Q定；電磁學超構(gòu)材逡逑料中，其基本組成單元是人工設計的特殊幾何結(jié)構(gòu)，如不同的亞波長共振單元，使得整體的逡逑復合結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了傳統(tǒng)自然材料所不具有的特殊屬性。逡逑在電磁學中，人們通常定義兩個宏觀的電磁學參數(shù)用來表征材料的性質(zhì)：介逡逑電常數(shù)Ｓ和磁導率Ａ。通常情況下，我們習慣于使用與真空中的介電常數(shù)Ａ和磁逡逑導率的相對比值：相對介電常數(shù)ｅ，邋＝￡■／￡■。和相對磁導率同時，電逡逑磁學中通常使用折射率《＝７＾７、阻抗＾來描述材料在電磁波的作用下逡逑的平均響應。在傳統(tǒng)的自然材料中，除了大多數(shù)金屬的介電常數(shù)ｅ為負值以外，逡逑

圖１．１．３空間折疊型聲學超構(gòu)材料及其相位操控能力。逡逑（ａ）邐ｈ邐Ｗ邐＾逡逑＾Ｑｈ逡逑0邋Ｘ逡逑（ｂ）？ｈ0逡逑■邋Ｉ邐—雜化型邐ｉ邋？邐＾逡逑２ｎ邋．邋Ｉ邋＼＼Ｙ＇／邐－—雜化型邐．Ｐｉ逡逑＾？５邋＇邋Ｉ邋ｙｆ邋ｆ＊］．．．．．．．．．．ｉ．．．．．．一邋－．邋ｉ邋—邋■…．級聯(lián)ＨＲ邋—邋—邋．－０．５逡逑：．｜具邋ｊ■十？？「？邐丫？…逡逑Ｉ邋Ｉ邋＾ｒ＼邋Ｉ邋■逡逑．＾－－ｇ－－Ｌ－ｉ■■■■■－—１－——＾—ｉ＾Ｌ＿一＊邐Ｕ＿，邐１邐ｄ——１０．０逡逑
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB34

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本文編號：2602489