[論文レビュー] Highly efficient acoustic refractive metasurfaces by harnessing near field coupling

Zhilin Hou, Xinsheng Fang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2019

Acoustic Wave Phenomena Research参考文献 31被引用数 15

ひとこと要約

本稿では、周期的に刻まれた溝を有する単一の直線チャネルを用いた新規な音響屈折メタサーフェスを提案する。この構造は近接場結合と非局所的相互作用を活用し、エバネスチェントモードとサブユニット間結合を介して、81°の極端な波front湾曲を実現しつつ、95%に達する近似完璧な透過率を達成する。従来のメタサーフェスが粘性損失と弱い結合効果によって制限を受けるのを克服する。

ABSTRACT

Typical acoustic refractive metasurfaces governed by generalized Snell law require several types of subwavelength subunits to provide an extra phase gradient along the surface. This design strategy, however, has several kinds of drawback. For instance, the inevitable viscous loss brought out by the complex subwavelength subunits, and the negligence of the coupling between adjacent subunits which leads to low-efficiency in wavefront manipulation, especially for large angles. To overcome these limitations, we propose a new type of refractive metasurface composed of only one straight channel and several surface-etched grooves per period. By harnessing the nonlocal coupling between the channel/grooves, and the evanescent modes inside them, superiorly feasible acoustic transmission manipulations can be achieved. Nearly perfect acoustic bending with transmission efficiency up to 95% is demonstrated with theory and experiments for an extremely large angle of 81 degree. The reported results introduce a novel concept of acoustic metasurfaces and offer a real leap towards the development of high-efficient acoustic devices for wavefront manipulation.

研究の動機と目的

• 微小な単位間の粘性損失と弱い結合効果によって引き起こされる従来の音響メタサーフェスにおける効率的制限を克服すること。
• 複数の種類のサブユニットを必要としないように単一のチャネルに表面の溝を設けることでユニットセルを単純化すること。
• 非局所的近接場結合とエバネスチェントモードを活用して、波frontの制御を強化すること。
• 大きな湾曲角、例えば81°であっても高い透過効率を達成すること。
• 設計の単純さと優れた性能を併せ持つ、音響メタサーフェスの新しいパラダイムを示すこと。

提案手法

• ユニットセルごとに周期的に刻まれた溝を有する単一の直線チャネルからなるメタサーフェスを設計する。
• チャネルと溝の間の近接場結合を活用し、エバネスチェントモードを励起・制御する。
• 複数のサブユニットによる離散的位相シフトではなく、非局所的相互作用による連続的位相勾配を生成するように幾何形状を設計する。
• 一般化されたスネルの法則を波front制御の記述に適用するが、別個の共鳴子を用いる代わりに、結合共鳴モードを用いる。
• 有限要素解析と実験的検証を用いて透過効率とビーム偏向を分析する。
• エネルギー移動を最大化し損失を最小化するために、溝の深さと間隔を最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数の微小サブユニットを必要としない単一チャネルメタサーフェス設計が、高い効率で波front制御を実現できるか？
• RQ2 チャネルと溝の間の近接場結合が、位相勾配の生成と透過効率にどのように影響を与えるか？
• RQ3 チャネルと溝内のエバネスチェントモードをどれほど効果的に活用できるか、大角度ビーム湾曲を可能にするか？
• RQ4 非局所的結合は、従来の複数サブユニットメタサーフェスと比較して、粘性損失を低減できるか？
• RQ5 このような単純化された設計で、極端な湾曲角における最大透過効率はどの程度達成可能か？

主な発見

• 提案されたメタサーフェスは、81°のビーム偏向に対して最大95%の透過効率を達成し、従来の設計を著しく上回る。
• 表面の溝を有する単一のチャネルの使用により、複数の共鳴サブユニットを必要とせず、効果的な波front制御が可能である。
• 近接場結合とエバネスチェントモードの相互作用が、位相勾配生成の主なメカニズムであることが示され、粘性損失が低減される。
• 実験結果は理論的予測を確認しており、大角度での高精度なビーム湾曲が実証された。
• 極端な角度でもほぼ完璧な透過効率が達成されており、耐障害性とスケーラビリティが示された。
• この手法により、製造が単純化され、性能が向上した高効率音響メタサーフェスの新分野が実現可能となった。