声二极管器件的设计、制备与性能优化

声波是比电更常见的能量载体，若能像电子二极管控制电流一样实现声波的整流，其学术意义及应用价值的重要性是显而易见的。申请人最近率先提出了可产生声整流效应的"声二极管"的理论模型并制造出了第一个示意性样品，完成了初步的理论设计及实验研究，但目前尚不了解如何设计与制备出具有实用价值的声二极管器件，并缺乏有效提高其声整流效率的方法及手段。本项目基于申请人在声二极管方面的研究基础，结合近年来在非线性声学及声人工材料两方面的工作，深入系统的研究复杂声学系统中的声二极管效应。通过进一步发展和完善声二极管理论、并重点开展对声整流效应的实验研究，旨在探索声二极管器件的设计原理、制备技术和性能优化方法，并探讨声二极管在聚焦超声的诊断与治疗等关键领域中产生应用甚至引起变革的可能性。其成果不仅在声能量控制研究领域中富含基础性的学术意义，更有望应用于国防安全及经济建设等重要领域，蕴含着潜在的经济价值。

本项目结合在声二极管研究及声人工材料研究两方面的工作基础，在声单向传播这一新兴领域中开展理论与实验研究。通过深入系统的研究复杂声学系统中声二极管效应，发展了多种声二极管器件的设计理论及制备技术，使此类器件的性能得到了显著优化和提高。同时，将声波单向操控研究拓展到了广义的声波操控研究领域，建立了利用声人工结构对声波实现特殊操控的理论方法，开发出一系列可使声波在传播、散射、反射及折射等方面表现出新颖性质的声学原理性器件。主要科学创新点包括：(1) 结合声学人工材料的新奇声学特性，提出了一系列声学二极管器件的设计理论及制备方法，并制备了部分原理性的器件，包括：基于声子晶体的单向声学波导、基于声学梯度材料的宽带不对称声学器件、基于近零折射率材料的声单向棱镜及单向反射镜、基于声学超常表面的声学单向隧道等。这些工作使声二极管器件在效率、带宽及尺寸等方面的性能得到了极大增强，为此类器件原有的效率低下、带宽受限、波形混乱及路径阻塞等问题提供了解决方案。并在声二极管研究的基础上，提出了可以像电子三极管操控电流般操控声流的声三极管理论模型，首次实现了声波对声波的操控与放大，提供了声学逻辑门等新概念器件的实现可能性。(2) 在基于声学人工材料的声波波前操控这一新兴领域开展了研究工作，提出了一系列具有特殊的波前操控效果的声学人工材料，并在实验上制备了部分原理性器件，包括：可将声波阵面旋转任意角度的声场旋转器、可突破传统Snell定律的“声超常表面”、可实现声波路径任意操控的虚拟声势场、可高效聚焦低频声波的平面超薄声学超材料透镜、不需要传统吸声材料的超宽带人工材料吸声体及可消除甚至操控物体散射声场的声学隐身和幻象斗篷等。这些工作突破了天然材料声学性能的局限，极大地拓展了声学调控的性能。本项目成果不仅在声能量控制研究领域中富含基础性的学术意义，更有望应用于国防安全及经济建设等重要领域，蕴含着潜在的经济价值。