[发明专利]基于角向超构表面的声涡旋分离器

说明书

本发明揭示了一种基于角向超构表面的声涡旋分离器，所述声涡旋分离器包括中空设置的圆柱形波导及位于圆柱形波导内的相位渐变超构光栅，圆柱形波导的半径为R，相位渐变超构光栅的厚度为h，所述相位渐变超构光栅包括lsupgt;ξ/supgt;组扇形超结构，每个扇形超结构的角宽度为θ＝2π/lsupgt;ξ/supgt;，每个扇形超结构包括m组角宽度为θsubgt;1/subgt;＝θ/m的扇形单结构，每个扇形超结构的相移分布φsubgt;j/subgt;(θ)覆盖范围为2π，扇形超结构中相邻扇形单结构的相位差为φsubgt;j/subgt;＝2π/m。本发明中揭示了基于相位渐变超构光栅的圆柱形波导中声涡旋的衍射机制，可以预测声涡旋的散射行为，提供了多个传播通道，突破了扭转相位单通道的限制；基于角向超构表面的声涡旋分离器可以实现声涡旋的非对称传输，为控制声学OAM开辟了新的可能性。

技术领域

本发明属于声涡旋传播技术领域，具体涉及一种基于角向超构表面的声涡旋分离器。

背景技术

涡旋是流体力学中常见的现象，如漩涡、烟圈和龙卷风等。受流体动力涡的启发，Coullet等人在1989年通过求解Maxwell-Bloch方程，提出了光学涡旋的概念。后来，Allen等发现光学涡旋可以携带轨道角动量(OAM，orbital angular momentum)，用螺旋波前exp(ilθ)表示，其中整数l为拓扑电荷，θ为方位角。不同于光的自旋角动量的两种状态，其通过圆偏振光的手性来体现，光的OAM状态数是无穷的。由于OAM的迷人特性，光学涡旋在过去的几十年里得到了广泛的研究，特别在超构表面上。具有亚波长厚度的人工结构，为基于OAM的应用提供了一种前所未有的方式，例如包括OAM产生、OAM复用和解复用、自旋到轨道角动量的转换等。

与光波不同，声波只携带OAM，因为声波本质上是标量压力场，一般认为是无旋量的。声涡旋最近得到了广泛的关注，并提出了几个基于OAM的应用，如粒子操纵、声学扭矩等。为了产生声涡旋，采用了主动和被动两种方法。主动方法通常由大量的有源换能器阵列实现，这需要声、电信号之间的转换以及相对复杂的反馈电路；被动方法使用紧凑和低成本的结构，可以将均匀的波前转换成螺旋状的波前。

利用相位渐变对声学超表面进行工程处理，通常采用扭转相位的方法来获得声涡旋，但这种方法对声场的控制能力有限，因此希望有一种更深刻的操纵声涡旋的机制。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于角向超构表面的声涡旋分离器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于角向超构表面的声涡旋分离器。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：

一种基于角向超构表面的声涡旋分离器，所述声涡旋分离器包括中空设置的圆柱形波导及位于圆柱形波导内的相位渐变超构光栅，圆柱形波导的半径为R，相位渐变超构光栅的厚度为h，所述相位渐变超构光栅包括l^ξ组扇形超结构，每个扇形超结构的角宽度为θ＝2π/l^ξ，每个扇形超结构包括m组角宽度为θ₁＝θ/m的扇形单结构，每个扇形超结构的相移分布φ_j(θ)覆盖范围为2π，扇形超结构中相邻扇形单结构的相位差为φ_j＝2π/m。

一实施例中，所述扇形单结构包括第一扇形单元和第二扇形单元，所述第一扇形单元材质为由无法穿透声波的声硬材料，第二扇形单元的材料为阻抗匹配材料。

一实施例中，所述扇形超结构中不同第二扇形单元的折射率为：

n_j＝1+(j-1)λ(mh)，j＝1,2…m；

其中，λ为入射声波的波长。

一实施例中，所述圆柱形波导的半径R＝0.64λ。

一实施例中，所述声涡旋分离器满足：