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图3:实验样品照片及实验测量结果

目前,声学轨道角动量的引入必须依赖具有螺旋分布初始相位的主动声源技术,或使用传播路径在角度方向呈螺旋形状的特殊结构。然而,第一种原理需要大量独立设计的换能器和繁杂的电路控制,带来的高成本和复杂性限制了其在现实中的应用。根据第二种原理所设计的结构则具有庞大的体积和螺旋形的几何结构,且难以达到平整的表面形状。如何利用小尺度、平面状的简单结构来高效产生声学轨道角动量,是一个亟待解决的关键科学问题。

图2:拓扑阶数m=1的贝塞尔型声涡旋场仿真结果

Physical Review Letters刊登我校物理学院声学所程建春教授课题组在声学角动量操控方面研究的重要进展。该工作得到科技部重大研究计划、国家自然科学基金以及南京大学登峰人才计划的支持。

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在声学及光学领域中,涡旋场的典型特点表现为沿角度方向螺旋分布的相位,以及对称中心处的零场强,其所携带的轨道角动量(Orbital
angular momentum,
OAM)通常用拓扑阶数m来表征。近年来对声涡旋场的研究得到了大量的关注,由于所携带声学轨道角动量在众多领域有广泛的应用,包括对粒子的非接触操控等,因而研究声涡旋场的产生与操控机理具有重要的科学意义与应用价值。

图1:基于声学共振引入轨道角动量的原理示意图

最近,我校物理学院声学研究所、人工微结构科学与技术协同创新中心程建春教授和梁彬教授在声学轨道角动量操控方面的研究取得突破,
最新研究成果以“Convert Acoustic Resonances to Orbital Angular Momentum”
为题发表在2016年7月15日的Physical Review
Letters上[PhysRevLett.117.034301
]。该工作与德克萨斯大学奥斯汀分校的张黎昆博士及法国Jean
Lamour研究所的李勇博士合作,论文第一作者为博士生江雪,南京大学是第一作者单位。该工作首次提出利用声学共振引入声轨道角动量的新机理,并利用基于该机理构建的人工器件在计算和实验上成功地产生了拓扑阶数m=1的贝塞尔型声学涡旋场,展示了其效率高、尺寸小、设计制备简单、外形平整且不包含螺旋结构等重要特性。

(物理学院 科学技术处)

这项工作提出一种引入声学轨道角动量的全新机制,通过在厚度远小于波长的非螺旋状平面声学共振体中产生沿角度方向分布的等效声波矢量,将声学共振转化为声学轨道角动量,并在实验中产生了拓扑阶数m=1的贝塞尔型声学涡旋场。这一设计思路具有很大的灵活性,能够通过调整声学共振体的几何参数对声学轨道角动量的拓扑阶数进行精确控制。基于这种新原理设计的声学共振结构具有大于95%的高能量透射率、超薄的结构尺度及完全平整和非螺旋状的几何结构,并且其材料选择广泛,结构简单,极大降低了设计与制备的难度。此研究成果为使用微型化、集成化的声学结构产生任意拓扑阶数的声学轨道角动量提供了关键支持,开辟了声学角动量产生与操控的新途径,具有广阔的应用前景。

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