一种基于超表面涡旋叠的声学通信器件

1.本技术属于声学通信器件，具体涉及一种基于超表面涡旋叠的声学通信器件。


背景技术：

2.声涡对提高信息容量具有重要意义。然而，只有很少的工作致力于揭示高自由度声学的相互作用特性，如具有复合轨道角动量(oams)的声束。由于角相位依赖关系，声涡的相位剖面为具有轨道角动量(oam)，其离散值为整数q。基于涡旋独特的非平凡行为，如模式中心的相位奇异点和零压(黑点)，它们已被应用于医学、粒子操纵、声镊和通信等许多研究前沿领域。然而，涡旋光束通常只有一个单奇点，这限制了数据容量和应用灵活性。虽然一些研究可以生成涡旋阵列，但它们的设计复杂，体积大。由于不同声学oams之间的正交性，为oams的传输提供了很高的灵活性和稳定性，引起了广泛的关注。然而，以往报道的工作几乎都集中在恢复多个oam(即解复用技术)上，这大大忽略了对高自由度光束相互作用特性的探索，使得声涡旋叠加传播的调控机制仍然难以理解。最近，在光学领域，新出现的涡旋叠加效应得到了广泛的研究，产生了许多令人着迷的结果，例如使用针孔二元阵列的花瓣光束，使用空间光调制器的多个光学陷阱，以及使用单个超表面的摩天轮。这些基于复合涡旋的新现象对新一代光学器件的设计具有重要意义。光学和声学之间有一些相似之处，但声音是一种没有偏振的机械波，声学和光学之间的物理尺度有很大的不同。因此，声学在医疗和水下通信中发挥着不可替代的作用。令人惊讶的是，关于声学中涡旋叠加的物理机理的研究很少，更不用说基于复合oams的涡旋叠加演化过程和信息传递。已有采用有源换能器阵列的声学叠加复用oam，该方法提供了一个独立的信道，可有效提高数据传输速率。但主动方案复杂、体积大、价格昂贵，不利于小型化和普及。最近，已有一种利用人工板获取声聚焦多oams波束的无源方案，该方案有利于提高声信息编解码的数据容量。但是，模型是固定的，需要两个相反的拓扑电荷，对于该方案来说是一个聚焦声涡，这限制了灵活性和工作场景。如何提出一种灵活、简单的方案来探索声涡旋叠加的物理机制，提高数据容量，是声学领域迫切需要解决的问题。
3.现有声学方案有主动方案和被动方案两类，然而对于前者存在主动方案复杂、体积大、价格昂贵，不利于小型化和普及等问题，而后者模型是固定的，需要两个相反的拓扑电荷，该方案是一个聚焦声涡，限制了灵活性和工作场景。


技术实现要素：

4.本技术的目的是通过以下技术方案实现的。
5.本技术提供了一种基于超表面涡旋叠的声学通信器件，所述通信器件包括多oam叠加超构表面的多拓扑荷结构，所述多拓扑荷结构为具有相同中心的多层环状结构。
6.进一步地，当声波入射到所述多层环状结构时，在结构的出射端得到复合的oam波场：
7.l
out
＝(l
in
+q1)&(l
in
+q2),l
in
为入射波场，l
out
为出射波场，q1为内层拓扑荷数，q2为
外层拓扑荷数。
8.进一步地，所述出射波场的截面为：
[0009][0010]
其中，ρ表示对应相位点的角度，φ表示对应角度位置处的相位，z表示距离结构的垂直距离，t表示时间参数；m表示每个环上小孔的个数，a0表示波的振幅，d是空间任意一点到结构中心的距离，i表示环的个数，k表示自由空间中声波波矢，ω表示角频率，p
total
表示总声场。
[0011]
进一步地，所述多拓扑荷结构的每一层可由手动或者由驱动装置驱动，相对于其他层独立旋转。
[0012]
进一步地，通过扭动所述多拓扑荷结构进行空间奇点的自由调控，且调控深度正比于扭动环拓扑荷大小。
[0013]
进一步地，所述拓扑荷和奇点个数的关系符合公式n＝|q
i+1-qi|，n为奇点个数，q
i+1
、qi为两个相邻层的拓扑荷数。
[0014]
进一步地，所述多拓扑荷结构的结构表面包括多个贯穿所述结构的孔，所述孔在每层环状结构上均匀分布。
[0015]
进一步地，每层环状结构上的孔之间存在相位梯度，且符合2πq/b的关系，其中b为每层环状结构上的孔的数量，b的数量区间为[3，25]。
[0016]
进一步地，相邻两个孔之间不接触，且孔内部有支持相位的微结构。
[0017]
进一步地，所述声学通信器件的材料为以下材料之一：光敏树脂、钢、铁。
[0018]
本技术的优点在于：
[0019]
1、本技术可实现多涡旋(oam)叠加的设计方案。以往结构想要实现多个oam叠加通常需要较大的结构体积，和复杂的设计，因此导致结构的灵巧性不足。本技术提出了一种简单的多层拓扑荷叠加的方案来获得多个涡旋场叠加，由于结构多层的设计方案，相互之间的拓扑荷几何结构上不会干扰，利于我们灵活调控，如旋转，扭动等。
[0020]
2、目前关于声波oam超叠加后的波场特性研究几乎没有，然而声波对于水下通讯和医疗具有重要意义，本技术提出的oam叠加方案，具备亚波长尺寸，对于器件实际应用过程中所需要的集成、小型化等需求具有重要意义。
[0021]
3、本技术的结构通过简单的叠加，获得了多个具有零声压的奇异点，且通过结构拓扑荷旋转可以实现奇点空间位置的灵活调控，对于微粒操控和移动具有重要意义。
附图说明
[0022]
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
[0023]
图1示出了根据本技术实施方式的基于超表面涡旋叠的声学通信器件原理示意图。
[0024]
图2示出了根据本技术实施方式的具有多个本征拓扑电荷的超表面的相分布的简
化图。
[0025]
图3示出了根据本技术实施方式的结构固有拓扑电荷的初始相位扭曲效应示意图。
[0026]
图4示出了根据本技术实施方式的基于声涡叠加的实时通信示意图。
具体实施方式
[0027]
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0028]
本技术主要保护点包括：1.环形多拓扑荷结构设计。2.可旋转扭动，不同层中拓扑荷不干扰，结构具有很高灵活性。3.亚波长结构，体积小，厚度薄。4.首次提出这种多层拓扑荷叠加的方案。5.通过旋转拓扑荷可以控制空间奇点的位置。6.首次利用叠加声场的奇点实现声学通讯。7.设计方案可以用于水下声通讯或拓展至光学或弹性波等波动系统。8.可以利用奇点实现多微粒操控。
[0029]
图1示出了根据本技术实施方式的基于超表面涡旋叠的声学通信器件原理示意图。图1中标记含义如下：1：入射声波；2：多oam叠加超构表面；3：环形可旋转设计；4：复合的oam波；5：复合波相位截面；6：多oam相位叠加过程(以拓扑荷1和4为例)。
[0030]
如图1所示，为本技术提供的一种基于超表面涡旋叠的声学通信器件，包括共面设计多拓扑荷结构集成至单一平面(2)，结构具有多层环状结构(3)，灵活可扭转，当声波(1)入射到结构时，在结构的出射端将会得到复合的oam波场。(4)l
out
＝(l
in
+q1)&(l
in
+q2),l
in
为入射波场，lout为出射波场，q1为内层拓扑荷数，q2为外层拓扑荷数。其中(5)为波场传播过程中的一个截面，可以被公式所描述，ρ表示对应相位点的角度，φ表示对应角度位置处的相位，z表示距离结构的垂直距离，t表示时间参数；m表示每个环上小孔的个数，a0表示波的振幅，d是空间任意一点到结构中心的距离，i表示环的个数，k表示自由空间中声波波矢，ω表示角频率，ptotal表示总声场，仅用于方便理解。p(x,y)为测量奇点的位置，根据结构尺寸会放置于空间不同位置。(6)为简单的示意图用于描述涡旋叠加超构表面的工作原理。
[0031]
图1中，本技术提供的一种基于超表面涡旋叠的声学通信器件，具有环形可扭动的拓扑荷结构(3)，拓扑荷结构(3)包括多个同心环，每个同心环可以单独进行转动，不受其他环的影响。拓扑荷结构(3)可以是人工手动的，也可以电子驱动，比如在结构内部安装转子或马达等设备旋转。
[0032]
扭动(3)实现空间奇点的自由调控，且调控深度正比于扭动环拓扑荷大小。本技术首次利用oam叠加后的奇点实现传输。另外，对于环形拓扑荷设计，椭圆形拓扑荷设计，方形拓扑荷设计同样属于拓扑荷结构(3)的可实现方式。本技术不限于声波体系，对于光波、弹性波等波动系统同样适用。结构不限于单层结构，对于由该类型结构组合的多层结构同样适用。
[0033]
对于声学通讯，当声波入射结构时，通过扭动内外环的拓扑荷可以实现奇点不同的转动速率，在同样转动内环或者外环结构时，经过结构的波场中的奇异点会有不同的转动速率，这个速率是和所转动的结构拓扑荷大小成正比关系的。基于此定义两种态“0”和“1”可以实现声波信息传输功能。而对于微粒操控，当声波入射结构时，在出射端会形成多个奇点，对应奇点存在梯度声力场，因此可以对于小颗粒进行局域或捕获。以用于水下通讯、医疗等领域。
[0034]
工作原理：多个oam波场相互之间干涉影响，形成多个奇点，奇点与结构的拓扑荷相关，拓扑荷和奇点个数的关系符合公式n＝|q
i+1-qi|，n为奇点个数，q
i+1
、qi为两个相邻层的拓扑荷数。扭转不同拓扑荷对应空间奇点转动速度与所扭转的拓扑荷大小成正比。
[0035]
图2示出了根据本技术实施方式的具有多个本征拓扑电荷的超表面的相分布的简化图。对于(a)q1＝1和q2＝4，具有多个本征拓扑电荷的超表面的相分布的简化图。利用有效介质模拟了涡旋叠加的声波(a1)相位和(a2)振幅分布。基于超表面的涡旋叠加的声学分析(a3)相位和(a4)振幅分布。(b)和(b1)-(b4)与(a)和(a1)-(a4)相同，但当q1＝-1和q2＝4时。白色的圆圈是相位奇异点(和黑点)的位置。这些图形在z＝2λ0处计算。z表示透射端处任意一点，距离结构的垂直距离；λ0表示工作波长；z＝2λ0表示所取数据是位于距离结构2个波长处提取。
[0036]
图3示出了根据本技术实施方式的结构固有拓扑电荷的初始相位扭曲效应示意图。(a)状态1
‑“
0”，固定外部本征拓扑电荷，扭曲内部拓扑电荷，(b)p点处的模拟和实测振幅演化。(c)状态2
‑“
1”，固定内部固有拓扑电荷，扭曲外部拓扑电荷，(d)p点的模拟和实测振幅演化。
[0037]
图3中，结构3的结构表面包括多个孔，沿结构表面的孔呈环形分布，每一个环可以支持不同的拓扑荷数，如q＝1或2,3等，根据所需要oam叠加的数量可以增加这个环的个数，本技术示意图中给出了两个拓扑荷叠加的例子，及q1＝1和q2＝4的情况，如果需要更多叠加，这结构设计时增加环状的个数即可。贯穿结构的小孔为用以实现结构拓扑荷的关键，小孔沿环形结构分布存在相位梯度，且符合2πq/n的关系，其中n为每圈小孔的数量，图3中展示为n＝16个，n的个数原则上越多越好，但考虑实际情况应该选择在3-25个之间。小孔的半径是任意的(示意图中直径约为1cm至2cm之间变化)，但需要保证相邻两个小孔之间不接触，且小孔内部有可以支持相位的人工微结构，人工微结构的形状可以是任意的，但可以支持2π的相位变化。本技术展示的为3d打印制造的结构，其材料为光敏树脂，原则上，对于不同系统中使用该发明方案可以选择不同的材料，如钢，铁等等。
[0038]
图4示出了根据本技术实施方式的基于声涡叠加的实时通信示意图。接收到的时域信号在每个周期内(a)扭曲内部本征拓扑电荷和(b)扭曲外部本征拓扑电荷。(c)不同数据流的目标数据和接收的输出。(d)由涡旋叠加波束通道携带的测量结果重建图像。
[0039]
本技术的优点如下：设计简单灵活，体积小厚度薄造价低，易于集成。本技术从理论上提出和实验证明了一个巧妙的方案，使用共面工程的多重本征拓扑电荷设计来产生涡旋叠加。该方案模型灵活简单，可以通过在超表面添加工程固有拓扑电荷来修改涡旋叠加数，且相位奇异点数符合守恒定律，其中qi为结构i层的固有拓扑电荷。由于灵活的设计，本技术可以在模型中扭转本征拓扑电荷的初始相位，相位奇点也会有不同程度的旋转，这与本征拓扑电荷有关。在此基础上，通过对不同层的固有拓扑电荷进行扭曲，实现了基于涡旋
叠加的声图像传输，为进一步提高通信效率提供了可能。
[0040]
以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种基于超表面涡旋叠的声学通信器件，其特征在于，所述通信器件包括具有多oam叠加超构表面的多拓扑荷结构，所述多拓扑荷结构为具有相同中心的多层环状结构。2.根据权利要求1所述的一种基于超表面涡旋叠的声学通信器件，其特征在于，当声波入射到所述多层环状结构时，在结构的出射端得到复合的oam波场：l
out
＝(l
in
+q1)&(l
in
+q2)，l
in
为入射波场，l
out
为出射波场，q1为内层拓扑荷数，q2为外层拓扑荷数。3.根据权利要求2所述的一种基于超表面涡旋叠的声学通信器件，其特征在于，所述出射波场的截面表达式为：其中，ρ表示对应相位点的角度，φ表示对应角度位置处的相位，z表示距离结构的垂直距离，t表示时间参数；m表示每个环上小孔的个数，a0表示波的振幅，d是空间任意一点到结构中心的距离，i表示环的个数，k表示自由空间中声波波矢，ω表示角频率，p
total
表示总声场。4.根据权利要求1所述的一种基于超表面涡旋叠的声学通信器件，其特征在于，所述多拓扑荷结构的每一层可由手动或者由驱动装置驱动，相对于其他层独立旋转。5.根据权利要求4所述的一种基于超表面涡旋叠的声学通信器件，其特征在于，通过扭动所述多拓扑荷结构进行空间奇点的自由调控，且调控深度正比于扭动环的拓扑荷大小。6.根据权利要求5所述的一种基于超表面涡旋叠的声学通信器件，其特征在于，所述拓扑荷和奇点个数的关系符合公式n＝|q
i+1-q
i
|，n为奇点个数，q
i+1
、q
i
为两个相邻层的拓扑荷数。7.根据权利要求1所述的一种基于超表面涡旋叠的声学通信器件，其特征在于，所述多拓扑荷结构的表面包括多个贯穿所述多拓扑荷结构的孔，每层环状结构上的孔均匀分布。8.根据权利要求7所述的一种基于超表面涡旋叠的声学通信器件，其特征在于，每层环状结构上的孔之间存在相位梯度，且符合2πq/b的关系，其中b为每层环状结构上的孔的数量，b的数量区间为[3，25]。9.根据权利要求7所述的一种基于超表面涡旋叠的声学通信器件，其特征在于，相邻两个孔之间不接触，且每个孔内部有支持相位的微结构。10.根据权利要求1所述的一种基于超表面涡旋叠的声学通信器件，其特征在于，所述声学通信器件的材料为以下材料之一：光敏树脂、钢、铁。

技术总结
本申请提出了一种基于超表面涡旋叠的声学通信器件，所述通信器件包括多OAM叠加超构表面的多拓扑荷结构，所述多拓扑荷结构为具有相同中心的多层环状结构。本申请的优点在于：本申请可实现多涡旋(OAM)叠加的设计方案。本申请提出了一种简单的多层拓扑荷叠加的方案来获得多个涡旋场叠加，由于结构多层的设计方案，相互之间的拓扑荷几何结构上不会干扰，利于我们灵活调控，如旋转，扭动等。本申请提出的OAM叠加方案，具备亚波长尺寸，对于器件实际应用过程中所需要的集成、小型化等需求具有重要意义。本申请的结构通过简单的叠加，获得了多个具有零声压的奇异点，且通过结构拓扑荷旋转可以实现奇点空间位置的灵活调控，对于微粒操控和移动具有重要意义。控和移动具有重要意义。控和移动具有重要意义。


技术研发人员：权家琪 徐亚东
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/7/21