分数阶涡旋声束的产生及其操控多层复合微粒的研究

Acoustic vortices have become a research hotspot in recent years because of their wide applications in the micro-particle trapping and manipulation, imaging technique, acoustic communication, and biomedicine. Compared with traditional integer acoustic vortices, fractional acoustic vortices (FAVs) exhibit the continuous modes between two integer acoustic vortices. The continuous fractional topological charges (FTCs) provide a new degree of freedom for further modulating the physical properties of the FAV and hence many interesting effects and potential applications occur. In this project, we will design several kinds of acoustic artificial structures (AASs) for realizing high-quality FAVs in different environments. The transmission, phase and pressure field distributions, and angular momentum of the FAV will be carefully investigated. The influences of the FTC, structure parameters of the AAS, and surrounding medium on the physical properties of the FAV will be clarified. Furthermore, we will study the acoustic radiation forces (ARFs) of the FAVs on multi-layered composite micro-particles and expound the effects of the structure and acoustic parameters of each layer of the micro-particle on the ARF. We will focus on the modulation of the FTC on the ARF and the transfer of the fractional angular momentum. Finally, based on the theoretical optimization designs, some experiments will be carried out to achieve various precise manipulations of the multi-layered micro-particles using well-designed FAVs. The results of this project will be beneficial for further researches and applications of FAVs.

涡旋声束由于在微粒俘获与操控、成像技术、通信技术及生物医学中的广泛应用而成为人们关注的热点。相比于传统的整数阶涡旋声束，分数阶涡旋声束展现为两整数涡旋之间的连续变化模式，连续变化的分数拓扑荷提供了额外的新调制自由度，可以进一步调控声束的物理性质，有望展现出更多有趣的物理效应与应用。本申请项目拟设计多种无源声学人工结构，实现不同环境下的高质量分数阶涡旋声束。探讨分数阶涡旋声束的传输、相位和声场分布、角动量等物理性质，阐明分数拓扑荷、声学人工结构的结构参数、环境等对分数阶涡旋声束物理特性的影响。深入研究分数阶涡旋声束对多层复合微粒的声辐射力，明确微粒各材料层结构和声学参数对声辐射力的影响，探究分数拓扑荷连续变化对辐射力的调控和分数阶角动量的传递。在优化设计的基础上，实验上实现分数阶涡旋声束对多层复合微粒的多种精确操控。本申请项目的研究成果将为分数阶涡旋声束相关研究和应用的深入开展提供依据。

近年来，具有螺旋形相位波前、携带轨道角动量的声涡旋一直是声学领域关注的热点，被广泛的应用于细胞与微粒的俘获与操控、声学通信和声学成像。分数阶声涡旋的可连续变化的拓扑荷将提供额外的调制自由度，可以进一步调控声束的物理性质，导致诸多新颖的物理效应与应用。本项目设计了多种无源声学人工结构分别在空气和水中实现了高质量的分数阶声涡旋，阐明了相关物理性质和调控机制，探索了其在微粒操控中的应用。主要研究工作包括：(1)构建了环形超表面在空气中实现了分数阶声涡旋，探讨了其声场分布和相位奇点随拓扑荷变化的演化过程及物理机制，研究了其在空气环境中的传输行为；进一步优化设计了一个多层的环形超表面，实现了分数阶声涡旋的有效增强，实验研究了其对微粒的俘获和轨道角动量传递导致的吸声体旋转。(2)设计出复合离散螺线衍射栅格结构平板，通过调整离散螺缝在结构板上的分布，在水中实现了聚焦的整数和分数阶超声涡旋；详细研究了分数阶超声涡旋作用于不同大小微粒的声辐射力，阐明了相关调制因素。(3)构建了多种基于人工结构平板的新型声镊子，利用人工结构平板调制声场形成多种杂化的复合超声涡旋场，应用其声辐射力特性实验上实现了对不同大小的微粒的二维和三维稳定俘获和自由操控。(4)构建了多种简并的多孔人工结构平板，实现了多种新颖的复合声涡旋，深入探讨了其在声学微粒操控和声通讯中的应用。此外，我们基于Mie散射理论，推导并计算了三层微球在聚焦高斯声波中的声散射和声辐射力，详细探讨了波束参数和微粒结构的变化对声辐射力的影响。还进行了项目相关的基于人工结构调控声场的探索研究，设计出多种人工结构，分别实现了多种声聚焦、低频声放大、异常声散射、全向通风隔声等。本项目的研究成果将为声学涡旋及其相关研究和应用的深入开展提供依据。在项目支持下，我们在国内外知名学术期刊共发表相关研究论文28篇；申请国家发明专利6项，已获授权2项。