[论文解读] 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 15

一句话总结

本文提出了一种新型声学折射超表面，采用单一直通通道并周期性刻蚀凹槽，以利用近场耦合与非局域相互作用。通过利用倏逝模态与亚单元间耦合，实现了高达95%的近完美透射率，并在81°处实现极端波前弯曲，克服了传统超表面因粘性损耗和耦合效应差而产生的局限性。

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.

研究动机与目标

• 解决传统声学超表面因粘性损耗及亚波长单元间耦合不良导致的效率限制问题。
• 通过将单元结构简化为单一通道并带表面凹槽，消除对多种亚单元的需求。
• 利用非局域近场耦合与倏逝模态，实现增强的波前调控。
• 即使在大弯曲角度（如81°）下，也实现高透射效率。
• 展示一种新型声学超表面范式，具备优异性能与设计简洁性。

提出的方法

• 设计一种由单一直通通道构成的超表面，每个单元结构中周期性刻蚀表面凹槽。
• 利用通道与凹槽之间的近场耦合，激发并调控倏逝模态。
• 通过几何结构设计，利用非局域相互作用而非多个亚单元产生的离散相位跃迁，实现连续相位梯度。
• 应用广义斯涅尔定律描述波前调控，但通过耦合共振模态实现，而非独立谐振器。
• 使用有限元仿真与实验验证分析透射效率与波束偏转特性。
• 优化凹槽深度与间距，以最大化能量传递并最小化损耗。

实验结果

研究问题

• RQ1 单一直通通道的超表面设计是否能在无需多种亚波长亚单元的情况下实现高效率波前调控？
• RQ2 通道与凹槽之间的近场耦合如何影响相位梯度生成与透射效率？
• RQ3 通道与凹槽中的倏逝模态在多大程度上可被利用以实现大角度波束偏转？
• RQ4 与传统多亚单元超表面相比，非局域耦合是否能降低粘性损耗？
• RQ5 在该简化设计中，极端弯曲角度下的最大可实现透射效率是多少？

主要发现

• 所提出的超表面在81°波束偏转下实现了高达95%的透射效率，显著优于传统设计。
• 采用单一通道与表面凹槽的设计，无需多种谐振亚单元，即可实现有效的波前控制。
• 近场耦合与倏逝模态相互作用被证明是相位梯度生成的主要机制，有效降低了粘性损耗。
• 实验结果证实了理论预测，展示了在大角度下高保真度的波束偏转。
• 该设计即使在极端角度下也实现了近乎完美的透射效率，表明其具有鲁棒性与可扩展性。
• 该方法可实现一类新型高效率声学超表面，具备简化制造工艺与增强性能的潜力。