超振蕩波束與聲學超透鏡研究取得進展

最新 08-09

近日，中國科學院深圳先進技術研究院勞特伯生物醫學成像研究中心超聲團隊研究員鄭海榮、蔡飛燕與華中科技大學教授祝雪豐、新加坡國立大學教授仇成偉合作在超振蕩波束與聲學超透鏡研究中取得進展。相關研究成果以Ultrasonic super-oscillation wave-packets with an acoustic meta-lens（《基於超振蕩波束的聲學超透鏡》）為題於7月30日發表於《自然-通訊》（Nature Communications）。

波在傳播過程中會伴隨衍射現象，即波遇到障礙物時，部分會繞至障礙物後並繼續向前傳播。由於衍射效應的存在，一個理想物點經過成像系統形成的像，不可能為一個無尺寸大小的理想點，而是一個有尺寸的彌散斑，即艾里斑。當兩個彌散斑相互交疊到一定程度時，成像系統便無法區分開。因此，成像系統的解析度與彌散斑的尺寸直接相關，彌散斑尺寸越大，成像系統解析度越低。在過去的幾十年里，突破衍射極限是光學和聲學領域長期追求的目標。自負折射和雙曲折射超材料提出以來，在這些超材料中獲得了攜帶超解析度信息的倏逝波。然而，由於介質損耗，超解析度聚焦和成像僅能在近場實現。在20世紀90年代，Aharonov等人首次提出頻率帶限函數存在超振蕩現象。經過巧妙設計，頻率帶限函數局部振動頻率可以遠大於其整體最大振動頻率分量，被稱之為超振蕩波函數。在此之後，關於超振蕩的研究隨後引起了學界的廣泛關注。然而，如何在超聲系統中構建一個超振蕩聚焦場並在遠場打破波的衍射極限，仍是一個亟待解決的問題。

基於此，科研人員首先從聲波動方程出發，成功地構造了具有時間周期特性的聲波超振蕩函數；隨後將時間頻率映射到空間頻率，利用自由優化演算法設計出了厚度小於五分之一波長的平面聲學透鏡 (圖1所示)；進一步通過疊加不同空間頻率超聲分量，實現了遠場超分辨聲聚焦，並在實驗上觀測到了該現象。此外，利用聲輻射力效應，研究工作將被「囚禁」的顆粒環形象地定標了聚焦斑尺寸大小，證明其打破了衍射極限 (圖2所示)；為了檢驗超振蕩聲學透鏡成像解析度，研究工作還對三種不同圖案的微結構進行了超聲成像實驗，與常規聲學透鏡成像效果對比，發現基於超振蕩效應的聲學超透鏡成像解析度有著顯著的提高 (圖3所示)。該超聲超透鏡在生物醫學超聲成像、生物醫學應用和通用的遠場超聲控制等領域具有應用潛力。

該工作得到國家自然科學基金、國家重大研發計劃、中央高校基本科研業務費等支持。