声学相位渐变超构表面的衍射机制研究

Metasurfaces with phase gradient have provided an effective way to realize anomalous reflection and refraction of both electromagnetic wave and acoustic wave, however the diffraction mechanism therein is a great puzzle that needs to be solved, as there are complicated higher-order diffractions. By constructing a generalized refractive-type acoustic metasurface with phase gradient, this proposal will employ multiple reflection effect combined with classical diffraction theory and coupled mode theory to reveal the diffraction mechanism of acoustic metasurfaces. Based on the discovered diffraction mechanism, this proposal will excavate some new physical phenomena，such as simultaneous realization of anomalous reflection and refraction in a single device, and explore the new design of acoustic planar devices. This proposal is a fundamental project that combines classical gratings and modern metasurfaces, and its study can improve the diffraction theory of acoustic metasurfaces, which has important scientific significance and enables a significant guidance value for planar electromagnetic/acoustic devices with functionalities.

基于相位渐变的超构表面为实现电磁波/声波的异常散射、传播提供了一个有效的途径， 然而其中的衍射机制依旧是个有待解决的问题，存在复杂的高级次衍射现象。 本项目拟通过构建一般性透射型声学相位渐变超构表面，利用多重反射效应，结合经典衍射理论和耦合波理论深入分析其衍射机制。 在此基础上，本项目将进一步挖掘其中新的物理现象和效应(比如，单一结构同时实现异常折射现象和异常反射现象)，探索新型声学功能性器件的设计。 本项目是传统光栅与现代超构表面概念相结合的基础性课题，它的研究可以完善超构表面中的衍射理论，具有重要的科学意义，并且对平面光学/声学功能器件设计具有重要的指导价值。

相位梯度超构表面为实现电磁波/声波的异常散射、传播提供了一个有效的途径， 然而其中的衍射机制依旧是个有待解决的问题，存在复杂的高级次衍射现象。本项目通过构建一般性透射型声学相位渐变超构表面，利用多重反射效应，并通过发展经典光栅衍射方程，揭示了“奇偶宇称衍射新方程”波场调控新规律，解决了相位梯度超构表面中复杂的高级次衍射问题。将该相位梯度超构表面衍射物理及其渐变调制概念从自由空间推广到波导受限空间，并拓展到近零超构材料下的静态空间，本项目进一步提出了“人工拓扑荷衍射”、“对称性自由的连续体中束缚态”等波场调控新机制，实现了涡旋声场非对称产生与传输、非对称波束分离、多功能反射、表面等离激元局域态等一系列新效应、新器件。研究成果促进了人们对超构表面衍射物理的深入理解，为基于人工结构材料的波场调控提供了新的理论依据，推动了新型声学功能器件设计及其应用与发展。