基于卷曲空间原理的数码化声波特异介质的物理机制研究

Metamaterials, can manipulate the propagation of the incident wave to achieve the non-normal effective constitutive parameters by composing subwavelength artificial microstructures. Then it can satisfy the new functionality of novel devices, but is often with complex fabrications. Digital metamaterials, for electromagnetic wave, using two effective units with careful design and simplifying the fabrication, can balance the simplicity and functionality of the whole metamaterials. However, in airborne sound, the impedances mismatch between general solid and air are too huge and the lack-off of wide material dispersive range in air, natural material is not suitable for digital metamaterials units directly. Based on principle of coiling-up space (PRL_108_114301_2012) proposed by the applicant, the resulting metamaterial with curve channels built only by hard solids can achieve a wide range of dispersion and control the elapse phase of the acoustic wave arbitrarily, can potentially apply for digital units. Therefore, this project will further focus on the mechanism of the different modes of propagating paths in the coiling-up space, declare the relation between the resonant/nonresonant modes of paths and the range of dispersion, explore the physics between phase spacial profile and effective medium, the general scheme of digital design and the effects between digital units. Finally, the scheme of digital acoustic metamaterial and the functional devices will be designed, fabricated and demonstrated by experiments. It is believed that the project can advance the simplicity and functionality of acoustic metamaterials with digitalization.

特异介质，通过亚波长人工微结构控制入射波传播以获得等效的超常材料本构参数，能满足新型元器件材料特性要求，但往往制备不容易。数码化特异介质，现只应用于电磁波，使用两种有效单元，立足简化制备，平衡功能的丰富性与制备的可行性。对于空气中声波，一般固体材料阻抗失配极大，缺乏丰富材料色散参数可直接利用；基于申请人提出的卷曲空间(PRL_108_114301_2012)特异介质，能用固体材料组成弯曲波导控制波传播获得等效材料色散与相位变化，有实现数码化有效单元的潜在可能。因此，本项目将进一步研究卷曲空间原理弯曲波导路径多样化问题，厘清共振与非共振路径模式的纯几何特征与材料色散的关系，揭示波相位空间分布与等效材料属性的物理关系，探索数码化单元通用构建方案，及数码化下声波在单元结构间传播的相互作用特性，实验验证数码化声波特异介质及器件，将推动声波特异介质在数码化下制备简化与功能丰富化。

按照研究计划，项目组以卷曲空间原理为出发点，对波传播的模式、传播路径结构特性、关键几何参数、数码化方案及相关控制效应与应用、新型特异介质单元结构及其等效材料参数、变换光学理论等问题进行了探索。在可重构数码化特异介质单元设计、卷曲空间原理应用以及微结构非对称传输特性如非对称通道等方面有较为重要的研究结果。获得了一种可重构特异介质单元设计方案。该设计方案仅依赖具备可旋子结构单一特异介质单元，通过旋转子结构可控制特异介质单元对波的响应，并使子结构的旋转角度成为控制特异介质单元特性的唯一参数，单元设计与制备得到简化；基于该设计思想获得三种新型特异介质单元结构，可用于透射型共振通道、反射型谐振腔数码化超材料设计及基于单一各向异性特异介质单元的多功能变换光（声）学器件设计，使得特异介质功能丰富化；实验验证了一种从亚波长到无穷远焦段的可调焦数码化平面声学透镜。基于卷曲空间对波动的控制原理，获得了弹性波的亚波长弯曲通道，以该类通道组成的周期渐变圆环形超表面人工微结构，可实验验证类变换光学原理的点源变换、平移、劈裂效应；拓展卷曲空间到弯曲空间，使波的传播依赖空间曲率，实验验证了变换光学下弹性波空间虫洞现象。通过打破通道对称性及引入谐振微结构，实现非对称传播通道，并利用法布里-伯罗共振及材料吸收调节效应，可实验验证微结构通道反射振幅及相位的非对称效应及单向零反射效应；探讨了特殊材料缺陷体对周期结构禁带波导路径的选择作用及谐振腔特性对极子发射的控制效应。部分研究结果发表在包括1篇Phys. Rev. X、2篇Phys. Rev. Lett.、1篇Opt. Lett.等9篇期刊论文上。上述研究的主要意义在于探索新型波动传播控制机制，指出微结构中的几何特征对特异介质性质的特殊控制效应，从而能够获得特异介质设计制备简化与功能丰富化的数码化功能器件设计方案；探索以纯几何结构实现对波动现象调控的可能，有关的研究结果进一步缩短了与这一目标的距离。