本文選題：聲超表面 + 聲聚焦　； 參考：《武漢大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：近些年來,光學(xué)超表面的發(fā)展引起了研究者們的廣泛興趣。超表面大大降低了光學(xué)器件的厚度,并且產(chǎn)生了許多非常規(guī)的物理現(xiàn)象和功能,例如反常反射／折射、光渦旋片、波片以及超薄的聚焦透鏡。超表面的核心思想在于在兩種自然材料的界面上覆蓋亞波長結(jié)構(gòu),達到引入所需的相位排布的目的。經(jīng)過精心設(shè)計的相位分布為調(diào)控光波的傳播提供了新的途徑。另一方面,常規(guī)聲學(xué)器件的實際應(yīng)用常常受到兩個關(guān)鍵因素的束縛：一個是天然固體相對于空氣的巨大阻抗不匹配所導(dǎo)致的低透效率；另一個是器件的厚度太大,尤其是對于同日常應(yīng)用息息相關(guān)的可聽見范圍的聲波。基于惠更斯.菲涅爾原理,在本論文中,我們研究了幾種具有新穎功能的非常規(guī)聲學(xué)結(jié)構(gòu),包括彎曲縫單元組成的平板透鏡,空間卷曲單元組成的聲超表面和多尺度閃耀光柵。具體內(nèi)容如下：1.彎折縫平板透鏡的聲聚焦和定向聲發(fā)射基于惠更斯.菲涅爾原理,我們設(shè)計了一種平板透鏡來實現(xiàn)空氣中點聲源與高斯聲束之間的互相轉(zhuǎn)換。這種透鏡由精心設(shè)計的貫穿平板的非均勻彎折縫陣列構(gòu)成,其中每條縫的出口都作為攜帶所需聲學(xué)響應(yīng)的亞波長大小次級源。在可聽見的聲波頻率范圍內(nèi),我們的實驗結(jié)果同理論計算符合得很好。這種小巧的結(jié)構(gòu)對一些日常應(yīng)用有很大的幫助,比如用于醫(yī)療和檢測。2.超表面對聲波的反常折射類似于光學(xué)器件,聲學(xué)組件也常常被用來靈活地調(diào)控聲波的傳播。然而,在實際應(yīng)用中,尤其是對于波長較大的空氣聲波而言,常常受限于器件的厚度影響。在本章中,我們將展示一種用于控制聲波反常折射的超表面結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)由隨空間位置而變化的卷曲縫.亞單元組成,厚度處于亞波長尺度。通過精心優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu),這種設(shè)計在調(diào)控聲波波前方面表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。在頻率為2.55kHz時進行的空氣聲波實驗與理論預(yù)測的結(jié)果吻合得很好。這項研究為眾多日常生活應(yīng)用開辟了新的途徑,例如通過裝上質(zhì)量輕而厚度薄的超表面結(jié)構(gòu)來控制室內(nèi)聲場效應(yīng)。3.利用超表面構(gòu)造半貝塞爾聲束同艾里束在超過傍軸角時會發(fā)生變形情況不同的是,半貝塞爾束可以沿更陡峭的角度發(fā)生彎曲,這一特點對于實際應(yīng)用是非常有幫助的。在這一章節(jié)中,我們提供了一種構(gòu)造二維半貝塞爾聲束的超表面結(jié)構(gòu)設(shè)計。這種結(jié)構(gòu)由隨空間位置發(fā)生變化的卷曲縫單元組成,每個單元均被用以摹擬從半貝塞爾聲束表達式中推導(dǎo)出來的聲學(xué)響應(yīng)。為了減少設(shè)計過程的復(fù)雜度,我們采用了一種權(quán)衡的方法來簡化多變的幅度響應(yīng)。全波模擬和實驗測量的結(jié)果自治地表明了這種設(shè)計思路的有效性。從這里采用超表面結(jié)構(gòu)所構(gòu)造的半貝塞爾聲束中,我們可以預(yù)見到一些潛在的應(yīng)用,比如粒子的大角度彎曲輸運。4.基于梳狀梯度單元的高效閃耀光柵在本章中我們提出了一種具有杰出閃耀性能的多尺度反射光柵。在預(yù)測的頻率和空間取向上,光柵表現(xiàn)出了接近完美的閃耀特性。這種光柵結(jié)構(gòu)由周期排列的金屬超胞構(gòu)成,每個超胞由深度線性減少的等距亞波長直縫組成。我們提出了一種基于惠更斯一菲涅爾原理的簡單模型來預(yù)測光柵對不同極化方向入射微波的響應(yīng)：對于橫電場(TE)極化,只存在全反射；對于橫磁場(TM)極化,入射波會被反射到由狹縫出口處相位梯度所決定的特定方向�？紤]到聲波與橫磁場(TM)極化的電磁波之間的數(shù)學(xué)相似性,類似的設(shè)計方法也可以推廣到聲波中。
[Abstract]:In recent years , the development of the optical supersurface has attracted extensive interest from researchers . The ultra - surface greatly reduces the thickness of the optics and produces many unconventional physical phenomena and functions , such as anomalous reflection / refraction , optical vortex sheet , wave plate and ultra - thin focusing lens . The core idea of the super - surface is to cover the sub - wavelength structure on the interface of the two natural materials .
In this chapter , we design a kind of ultra - surface structure for controlling the abnormal refraction of sound waves .
For the transverse magnetic field ( TM ) polarization , the incident wave is reflected to a particular direction determined by the phase gradient at the exit of the slit . Similar design methods can also be extended into the acoustic wave , taking into account the mathematical similarity between the acoustic wave and the electromagnetic wave polarized by the transverse magnetic field ( TM ) .
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O42

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本文編號：1900551