声学编码压电超表面研究进展

   武汉大学物理学院肖孟教授与西安电子科技大学杨银堂教授、费春龙副教授团队合作，提出“压电超表面”的概念，成功开创了声波产生即调制的理论与应用先例，相关研究成果以“Coding Piezoelectric Metasurfaces”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。武汉大学肖孟教授和西安电子科技大学费春龙副教授、杨银堂教授为该论文的通讯作者，西安电子科技大学博士研究生李照希为该论文的第一作者。

   超声具有无创、生物兼容性好、可穿透非透明介质、装置易集成等优点，在细胞操控、定点给药、神经调控、隐形机械手等领域具有巨大的应用潜力。高效地产出超声并进行有效的声场调控是实现声镊应用的基础。目前，声波操纵通常依赖于声学超表面或相控阵换能器。传统超表面元件设计人工结构复杂，受制造能力的限制，难以应用于MHz频率的水声波控制；而相控阵换能器控制电路复杂，成本高，通常受限于阵列尺寸和控制单元的填充率。

   此项工作报道了编码压电超表面，展示了包括光束转向、光束聚焦和涡旋光束聚焦在内的三种波函数，实现了声镊和超声成像。本工作中，在压电超表面上的编码信息与频率无关，来自于压电材料的上下极化方向，这种压电超表面由单一电极驱动，作为可控的有源声源，既结合了声学超表面和相控阵换能器的优点，又保持了器件结构的简单和紧凑，打破传统声场调控中声源与声透镜分立的情况，把负责调控声场的透镜“嵌入”到压电材料中，将声波的“产生”和声场的“调控”集合为一体，在声场产生的过程中同时对声波的相位和幅值进行“编码”。编码压电超表面在水声波调制、声镊、生物医学成像、工业无损检测和神经调节等领域带来了潜在的技术创新。

图1. （a）压电晶体的极化。（b）压电材料在小的外加交流信号下被压缩或拉伸时产生声波。根据在极化过程中施加的直流电场的方向，极化的压电材料可以表现出两个相反的体极化，产生的声波的相应相位也有π的差异。极化相反的压电材料阵元可以排列成棋盘状（c）或同心环状（d）。

图2. 基于压电超表面的超声换能器声镊应用：（a）聚焦平面上的声辐射力二维分布。（b）中心截线处的辐射力分布曲线。（c）声学镊子的结构示意图。（d）实验装置的照片。（e）利用聚焦式压电超表面实现直径为100 μm的粒子（用黄色虚线标记）的捕获和移动，其中粉色虚线箭头显示了这个粒子的轨迹。（f）利用涡旋式压电超表面实现直径为100 μm的粒子（用白色虚线圈标记）的旋转，时间间隔为0.3秒。

图3. 基于聚焦式压电超表面的超声换能器B模式成像应用：（a）两根钨棒B模式超声成像的实验装置示意图。（b）在仿体中铜棒B模式超声成像的实验装置示意图。（c）直径为1.5毫米、间隙为0.5毫米两根钨棒的B模式成像图。（d）1.5毫米铜棒的B模式超声成像图。e）钨棒成像中心截线处的分布曲线。（f）铜棒成像中心截线处的分布曲线。（g）水中C模式超声成像的实验装置示意图。（h）一元硬币的C模式超声成像图。

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全文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202209173