[發明專利]一種聲學聚焦分數渦旋場發射器

在審

• 申請號: 202010641570.4
• 申請日: 2020-07-06
• 公開（公告）號: CN111785244A
• 公開（公告）日: 2020-10-16
• 發明（設計）人: 陳帝超;吳大建;賈雨柔;朱興鳳;魏琦
• 申請（專利權）人: 南京師范大學
• 主分類號: G10K11/26
• 分類號: G10K11/26
• 代理公司: 北京知元同創知識產權代理事務所(普通合伙) 11535
• 代理人: 劉元霞

本發明公開了一種聲學聚焦分數渦旋場發射器，包括一個結構板，所述結構板上設置有按同中心軸方式設置的第一組螺線槽以及第二組螺線槽，第二組螺線槽位于第一組螺線槽的外圍，且在第二組螺線槽距離中心軸最近的螺旋線與第一組螺線槽距離中心軸最遠的螺旋線之間設置預設間距。本發明當入射超聲波通過該聲學聚焦分數渦旋場發射器時，透射聲場將聚焦超聲波產生分數渦旋場；在空間中對渦旋進行聚焦的同時，通過調整第一組阿基米德螺線槽以及第二組阿基米德螺線槽的數目，可以實現不同拓撲荷數的分數渦旋；本結構也可以依據不同的入射超聲波長進行任意調制。本發明是一種被動的無源人工結構，僅依靠本身的結構就能對透射聲場進行調制，應用廣泛。

技術領域

本發明涉及一種聲學聚焦分數渦旋場發射器，屬于聲學器件領域。

背景技術

分數渦旋場具有徑向相位分布不連續性的特點，在過去十年中引起了越來越多的關注。一方面分數渦旋場其不對稱中空渦旋光束中具有較強的聲強區域，可以在一定方向上產生力，這非常有利于捕獲和操縱粒子。另一方面其攜帶著軌道角動量并且能夠將軌道角動量傳遞給吸收的物體，從而使物體發生旋轉。在此基礎上，聲學聚焦分數渦旋場由于它可以提供更強的捕獲力，更大的力矩和更深的滲透深度，使得它在實際應用中具有非常重要的價值。如何設計一種高效、簡單、低成本的聲學聚焦分數渦旋場發射器一直是相關研究領域的一個熱點問題。

目前產生聲學聚焦渦旋場的方式主要依賴于主動換能器陣列，通過電學手段控制每一個主動換能器的相位偏移，并且通過物理改變主動換能器的排布形狀，使得它整體的相位滿足分數渦旋場相位的要求同時它的彎曲弧面使得聲波滿足聲波聚焦的要求，從而可以將整個換能器陣列看成一個聚焦分數渦旋場發射器。其所產生的總聲場是所有主動換能器聲場的疊加。

然而，依賴于主動換能器陣列產生的聲學聚焦渦旋場也存在著自身的缺陷和不足。首先，為了產生聲學聚焦渦旋場通常需要幾十個幾百個甚至上千個主動換能器，通過復雜的電路系統來控制每一個主動換能器的振幅和相位，巨大的設計成本和繁瑣的操作流程極大的限制了它的應用與發展。其次，為了達到聲學聚焦分數渦旋場的效果，換能器陣列通常要擺成一個弧面，這也限制了它在某些特殊場景中的應用(例如需要一個平面結構來實現聲學聚焦分數渦旋場)。因此通過一個簡單的人工結構對換能器發射的入射超聲波進行調制從而產生不同拓撲荷數的聚焦聲分數渦旋是非常有必要和重要的。

發明內容

本發明提供了一種可以產生聲學聚焦分數渦旋場的發射器，聲波通過在螺線槽里的特殊衍射和透射聲波之間的相互干涉能夠在傳播方向上產生不同拓撲荷數的聚焦聲分數渦旋場。

為了實現上述的目的，本發明的聲學聚焦分數渦旋場發射器，包括了一個結構板，所述結構板上設置有同中心軸設置的第一組螺線槽以及第二組螺線槽，第二組螺線槽位于第一組螺線槽的外圍，且第二組螺線槽距離中心軸最近的螺旋線與第一組螺線槽距離中心軸最遠的螺旋線之間設置預設間距。

優選地，所述結構板的聲阻抗與背景媒質的聲阻抗至少相差20倍以上。

優選地所述第一組螺線槽以及第二組螺線槽均包括一個螺線槽，第一組螺線槽的兩根螺線r_I和r_II的方程分別為和r_II(θ)＝r_I(θ)+d，第二組螺線槽的兩根螺線r_III和r_IV的方程為和r_IV(θ)＝r_III(θ)+d，其中d設置為第一組螺線槽以及第二組螺線槽的寬度，所述寬度小于入射波長，g設置為入射波長，r₀為第一組螺線槽的初始半徑，r₁為第二組德螺線槽的初始半徑，N為第一組螺線槽以及第二組螺線槽中兩根螺線的圈數；m為拓撲荷數，在0到1之間任意取值；θ的取值從0到2π/m。