[论文解读] Nonlocal elastic metasurfaces: enabling broadband wave control via intentional nonlocality

Hongfei Zhu, Timothy Walsh+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2020

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 56被引用 92

一句话总结

本文通过使用工程化柔性连接件，在弹性超表面中引入有意的非局域性，实现单元之间远距离的波数相关耦合力，从而实现完全无源、宽带的波控。实验与数值验证表明，其工作带宽达1 kHz（相对带宽24.69%），比传统局域设计宽六倍以上，通过全内反射机制实现有效宽带波阻断。

ABSTRACT

While elastic metasurfaces offer a remarkable and very effective approach to the subwalength control of stress waves, their use in practical applications is severely hindered by intrinsically narrow band performance. This work introduces the concept of intentional nonlocality as a fundamental mechanism to design passive elastic metasurfaces capable of an exceptionally broadband operating range. The nonlocal behavior is achieved by exploiting nonlocal forces, conceptually akin to long-range interactions in nonlocal material microstructures, between subsets of resonant unit cells forming the metasurface. These long-range forces are obtained via carefully crafted flexible elements whose specific geometry and local dynamics are designed to create remarkably complex transfer functions between multiple units. The resulting nonlocal coupling forces enable achieving phase gradient profiles that are function of the wavenumber of the incident wave.The identification of relevant design parameters and the assessment of their impact on performance are explored via a combination of semi-analytical and numerical models. The nonlocal metasurface concept is tested, both numerically and experimentally, by embedding a total-internal-reflection design in a thin plate waveguide. Results confirm the feasibility of the intentionally nonlocal design concept and its ability to achieve a fully passive and broadband wave control.

研究动机与目标

• 克服基于局域共振的常规无源弹性超表面固有的窄带性能限制。
• 提出一种基于有意非局域性的根本性新设计范式，以扩展工作带宽。
• 实现完全无源、宽带波控，无需依赖主动元件或复杂控制系统。
• 在薄板波导中通过全内反射型超表面实现该概念的实验验证。

提出的方法

• 通过特殊设计的柔性连接元件，在远距离谐振单元之间引入长程耦合力，实现非局域超表面的设计。
• 开发半解析传递矩阵模型，以考虑非局域耦合力，并预测非局域超胞的动力学行为。
• 利用该模型识别关键设计参数，并评估其对波控性能的影响。
• 将非局域超表面嵌入薄板波导中，进行数值模拟与实验测试。
• 采用3D打印制造结构，对金属化连接件进行电镀处理，并将其粘接到振子质量块上，实现非局域连接。
• 通过白噪声激励（3–6 kHz）下的扫描激光多普勒测振技术验证性能，测量超表面前后空间平均振幅比。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在弹性超表面中工程化实现有意非局域性，以实现宽带波控？
• RQ2 非局域连接产生的波数相关耦合力如何影响相位梯度与波前调控？
• RQ3 与局域对应结构相比，非局域弹性超表面可实现的带宽是多少？
• RQ4 在工作范围与鲁棒性方面，完全无源的非局域设计是否能优于主动或局域共振设计？
• RQ5 制造公差与材料变异性在多大程度上影响非局域超表面的实验性能？

主要发现

• 非局域超表面实现了1 kHz的工作带宽（3.55–4.55 kHz），相对带宽24.69%，中心频率为4.05 kHz，约为局域设计带宽的六倍。
• 实验结果表明，超表面后的空间平均振幅比显著降低，证实了在目标频段内实现宽带波阻断。
• 全场实验数据显示，振动能量在非局域超表面之前被显著限制，而局域设计则允许几乎无阻碍的透射。
• 尽管存在3D打印公差与装配误差导致的频率偏移和带宽降低等制造偏差，非局域设计仍表现出显著的工作范围提升。
• 数值与实验结果在定性上高度一致，验证了半解析模型的有效性及非局域耦合机制的可行性。
• 该概念具有普适性，可扩展至除全内反射构型外的其他超表面类型。