人工声子带隙材料及声学器件的研究

人工声子带隙材料包括声子晶体和声超构材料、声学超晶格和离子型声子晶体及压电半导体量子阱构成的压电超晶格。研究人工声子带隙材料中声波的激发、传播和耦合物理过程，通过材料、周期结构和"人工原子"等的设计，利用局域共振结构和压电振动耦合，调制人工声子带隙材料的能带结构，实现对声场的调控。在此基础上，一、设计制备声子晶体和声超构材料，研究声学表面消失波及其亚波长物理效应，探索实现亚波长、小尺度、宽带和高指向性的换能器阵列的新途径；二、声子晶体与声表面波结合，调控声表面波的色散，研究声表面波器件设计的新方法；三、利用GaN基的半导体量子阱的压电调制，设计制备周期为纳米量级的声学超晶格，探索甚高频声子（数十GHz）的激发和调控的新途径；四、关注亚波长效应在声相控阵换能器阵列中的作用，探索高性能相控阵声纳的新思路。发展人工声子带隙材料的设计理论和材料，为新一代超高频、亚波长和宽带声学器件的发展铺平道路。

在理论和实验上深入地研究了人工声子带隙材料的设计、制备和物理效应及其器件应用。取得如下进展:1) 在基础物理方面,发展了拓扑声学、狄拉克声学、功能声学材料等方向。在拓扑声学方向，基于近邻耦合，在双Dirac锥附近实现能带反转，进而实现声学类比的类Kramers简并态的声学量子自旋霍尔效应，从实验上首次实现了声的拓扑绝缘体。在狄拉克声学方向，基于声表面波声子晶体，系统地研究了一种声表面波类石墨烯，在该人工石墨烯系统中观测到声波的类扩散传播以及弹道输运，并首次观测到声表面波“颤动”效应，即实现了一种类Dirac粒子和反粒子的干涉现象。在功能声学材料方向，设计了声隐身地毯、全向声吸收器件、声波单向传输器件、声频谱分析器件、声滤波器件。2）材料体系上，发展了新的声功能材料：研究了用于水声换能器的声阻抗匹配材料，利用石英尖锥阵列和环氧树脂制备了适用于超声换能器的宽带梯度超构材料声阻抗匹配层，由之装配的换能器获得了超过100%的-6dB带宽，这个指标远远优于传统的λ/4匹配层的带宽。3）在材料制备技术和表征技术方面取得重要进展：发展了基于FIB、光刻、湿法腐蚀与化学电镀工艺相结合的LIGA技术,在LiNbO3晶体表面制备了表面波声子晶体,其优点是换能器、声子晶体、接收器相集成，工作于微波声学波段。在表征技术方面，研制了三台基于激光扫描干涉成像技术的高分辨声振动探测设备：1、利用基于光折变晶体的外差激光干涉技术，能够实时、准确地捕捉频率在百兆赫兹的弹性体声波的振幅及相位信息。2、进一步集成微米量级的二维激光干涉扫描系统，成功实现了声表面波声场的成像测量。3、基于脉冲激光的“泵浦-探测”原理，研制了一套超快皮秒相干仪以及时域热反射谱系统，可高效、无损地探测固体材料的弹性力学参数。本项目在实验和理论方面的进展，以及制备技术和声振动探测技术的进展，为下一步对声功能材料和物理的深入研究奠定了基础。