[发明专利]一种用于产生声轨道角动量的可调控型声学超表面

说明书

本发明公开了一种用于产生声轨道角动量的可调控型声学超表面，包括超表面固定结构和超表面活动结构，固定结构设置有围绕对称轴一周的八个分区，每个分区内具有外、中、内三层超表面单元，各活动结构能够在一定范围内绕固定结构的对称轴转动，在每层的固定结构内都设置有一排旁支共振腔结构，活动结构的侧壁与共振腔结构之间具有一定角度的夹缝，角度夹缝的大小与对应的活动结构与固定结构的相对位置决定；该结构简单，易于3D打印成型，装拆方便，具有较高的能量通透效率，和全相位控制的能力，可根据需求调节挡板结构与超表面固定结构所形成的夹角，从而实现所需的局部相位控制，能将平面波透射转换为所设计的携带声轨道角动量的涡旋波束。

技术领域

本发明涉及声波波阵面控制的声学器件技术领域，具体而言，涉及一种用于产生声轨道角动量的可调控型声学超表面。

背景技术

超材料在近几十年来由于其性能明显优于自然材料而发展迅速，实现了如奇异折射、非对称传输等自然材料难以实现的功能，在电磁波和声波领域产生了巨大的影响。基于广义斯涅尔定律而提出的声学超表面作为声学超材料的亚波长厚度结构，在近几年来得到广泛关注，为声波波阵面操控难题提供了新的解决方案。尽管声学超表面性能优异，但目前其功能往往针对的是平面波或球面波的操纵，而声轨道角动量因其能产生具有螺旋形相位错位的声涡旋场而具有重要的理论研究意义和应用价值，在微粒操控、细胞操控等领域具有潜力，利用声学超表面而实现声轨道角动量得到了研究人员的广泛关注。现有的几种能产生轨道角动量的声学超表面主要使用的为结构固定的被动式结构，而最新被提出的可调控型声学超表面只能实现对反射声波的操纵，能实现透射声轨道角动量的可调节型声学超表面亟待开发。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于产生声轨道角动量的可调控型声学超表面，其拥有较高的能量通透率、较高的离散精度和全相位控制能力。

本发明的实施例是这样实现的：

一种用于产生声轨道角动量的可调控型声学超表面，其包括：固定结构和活动结构，活动结构绕固定结构中心设置的对称轴可转动，固定结构设置有多个围绕对称轴一周的多个分区，每个分区内具有外、中、内三层超表面单元，每个超表面单元内的固定结构设置有通道，活动结构通过通道与固定结构相配合，活动结构在通道内与固定结构形成角度夹缝，每个分区内的固定结构包括从外到内设置的固定结构外层、固定结构中层和固定结构内层，每个分区内的活动结构包括从外到内设置的外层活动结构、中层活动结构和内层活动结构，活动结构的各层分别嵌入在固定结构各层设置的通道内匹配，活动结构的各层绕对称轴可独立转动，以实现对声波的不同调节。

在本发明较佳的实施例中，上述固定结构外层、固定结构中层和固定结构内层分别设置有沿对称轴方向排布的多个旁支亥姆霍兹共振腔。

在本发明较佳的实施例中，上述固定结构外层和固定结构中层之间、固定结构中层和固定结构内层之间通过设置圆筒形的外壁间隔开来，其分别为中层外壁和内层外壁，固定结构外层的外侧设置有圆筒形的外层外壁，这样形成了三层外壁。

在本发明较佳的实施例中，上述外层活动结构、中层活动结构和内层活动结构分别为中空设置的挡板结构，各分区的各超声表面单元的挡板结构绕对称轴独立转动，挡板结构呈框状，挡板结构的外侧和内侧分别开口且分别朝向相邻层的外壁。

在本发明较佳的实施例中，上述挡板结构的侧面与多个排列的亥姆霍兹共振腔之间具有夹缝，夹缝形成的角度通过挡板结构绕对称轴转动而变化。

在本发明较佳的实施例中，上述固定结构外层、固定结构中层和固定结构内层分别设置有相同的结构，其包括共振腔颈部、共振腔腔体和外壁，外壁为内层外壁、中层外壁或外层外壁，多个共振腔颈部等距间隔并排列在相邻层的外壁之间，将每个超表面单元分别分隔为并列排布的多个共振腔体，共振腔体为亥姆霍兹共振腔。