基于超构表面的突破衍射极限的声波聚焦和成像

How to overcome the diffraction limit within the classic wave system has been an important fundamental scientific research topic for years. The emergence of artificially constructed meta-structure materials has provided a rare opportunity for such breakthrough. Based on the previous research outputs of the applicant in the field of acoustic metamaterial, acoustic metasurface and acoustic super-imaging, this proposed project will also take advantage of the applicant’s experience in acoustics and structured materials, to systematically study the realization of sub-diffraction limit acoustic wave super-focusing and super-imaging trough acoustic metasurface with multi-dimensional gradient refractive indexes. This project aims at building and improving the physics model associated with the modulation on spoof surface acoustic wave by the metasurface, and discusses the corresponding spatial separation and convergence of different frequency components. The focus is on the optimization of multi-dimensional gradient refractive indexes profiles and the design of metasurface unit cell. Through air-based and water-based experimental study, this project will investigate the impact of different environment medium to the performance of proposed acoustic metasurface, and explore the possibility that resulted material can play an essential role, as a device, in important applications such as high intensity focused ultrasound. It is expected that the anticipated accomplishment contains not only high scientific value in enhancing the fundamental research on acoustic wave modulation with multi-dimensional anisotropic acoustic metamaterials, but also potential contribution to the key applications about the national economy and the people's livelihood.

如何在经典波系统中突破衍射极限一直是基础科学研究的重要课题，人工超构概念的出现为实现这一目标提供了契机。本项目基于申请人在声超构材料，超构表面和超分辨率成像方面的研究基础，结合近年来在声学，功能材料设计，制备和表征等方面的工作，采用具有多维梯度折射率的声超构表面材料，深入系统地研究声波通过该类超构表面实现突破衍射极限的超聚焦和超分辨率成像的独特效应。通过建立和完善相应的物理模型来描述多维梯度超构表面对于类表面声波的调制，探讨此类超构表面对于不同频率分量在空间上的分离，压缩和汇聚功能，开展对多维梯度折射率分布函数以及单元设计的优化研究。通过基于空气声和水声的实验研究，探讨不同媒质对于此类超构表面的影响，并探索其器件化以及在聚焦超声的诊断与治疗等关键领域产生重要应用的可能性。本项目实施的预期成果不仅在声波调控的基础研究方面有重要的学术价值，也在有关国计民生的若干重要领域具备潜在的应用前景。

如何在经典波系统中突破衍射极限一直是基础科学研究的重要课题，人工超构概念的出现为实现这一目标提供了契机。本项目基于声超构材料，声超构表面和超分辨率声学成像方面的前期研究基础，深入系统地研究了梯度折射率对于声超构表面材料性能的影响，设计并制备了多种多维梯度折射率的声超构表面材料，探索并在实验中成功验证和展示了类声表面波实现突破衍射极限的声波超聚焦和超分辨率成像的独特效应。在超聚焦中，实现的声波聚焦点半高宽仅为自由空间中声波长的约1/8，并在水声环境中实现了穿越阻抗失配材料的高传输率超声波聚焦。而在声波超分辨率成像中，不仅实现了突破衍射极限的点成像和复杂字母成像，还首次实现了突破衍射极限的声学成像蒙太奇处理技术。本项目的开展厘清和完善了梯度折射率声超构表面对于类声表面波调制的物理模型，获得了多维梯度折射率超构表面对于不同频率分量类声表面波在空间上剥离，压缩和汇聚的规律。通过提出以降维设计为代表的设计方法，以及结合逆向设计方法，优化基因算法等，实现了对多维梯度折射率声超构表面材料折射率分布函数以及单元设计方法的简化和优化，并应用到了一系列突破衍射极限声超构表面材料的设计开发中。本项目融合了物理声学理论研究，结构功能材料设计方法，先进材料和结构加工制备技术，以及声学实验表征方法等方面的前沿成果，并分别搭建和完善了基于空气声和基于水声的实验测试平台，保证了不同突破衍射极限声超构表面材料样品的精确测量。项目开展过程中，还成功探索了应用可突破衍射极限的多维梯度折射率声超构表面材料抑制高超声速飞行器边界层转捩，从而达到减阻降热的目的，以及声波泰伯放大器等声学器件的设计。本项目的研究成果在声波反常规调控方面有重要的学术价值，也在超声诊断与治疗，高超声速飞行器设计等领域具备应用前景。