非局域超光栅声涡旋

       近二十年来，声学超材料取得了巨大进展，其中声学超表面是尺寸小型化的一个重要选择。超表面提供了任意调整局部相移和将平面波重塑为涡旋波束的能力，具有紧凑尺寸和平面轮廓的优势。然而，大多数涡旋超表面是基于相位梯度设计策略构建的，通过一系列单独构想的单元对超表面进行局部设计，而忽略了单元间的非局域耦合。理论上，相位梯度超表面是基于出射波在局部能流守恒条件下具有可调相位梯度分布的假设。然而，这种假设是无效的，因为出射波必须满足亥姆霍兹方程，该方程揭示了孔径处相位剖面的任何修改都应伴随着场振幅的适当变化。因此，在形成的场中会出现意外衍射级，特别是对于沿表面具有较大相位梯度的模式。为了克服这一问题，需要放宽局部能流守恒条件的限制，用非局部能流守恒条件代替局部能流守恒条件，这意味着超表面的单元需要协同设计。 

       近日，华南理工大学物理与光电学院的侯志林教授和同济大学物理科学与工程学院的李勇教授团队拓展了圆柱波导中导模的光栅理论，并用它精确地描述圆柱波导中声波模式的散射行为。他们将这一理论与相干理想吸收体的概念和优化算法相结合，设计了一种可以任意变换涡旋模式拓扑电荷的声学超光栅。该超光栅，可以将入射的平面波转换成一阶、二阶和三阶涡旋模式。通过有限元模拟和实验测量对所预测的结构进行了验证，为所设计的平面超薄被动式声涡旋发生器提供了理论依据。与在局部功率流守恒条件下设计的相位梯度超表面相比，该结构是完全非局部的，允许沟槽之间完全的横向能量交换。他们的工作突破了这一障碍，获得了高效的声涡旋束，为声通信和操纵装置的发展提供了机遇。相关研究成果发表在《Physical Review Applied》上。（钟雨豪）

       文章链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.16.014002