登山小魯，銳意創新
——人工周期性結構材料的波控制

受天然晶體中電子能帶理論研究方法的啟發，一系列的理論和實驗證實，如果結構功能材料中的介電常數在光波長上進行周期性變化，光子和周期性結構相結合，將會產生類似于半導體中電子禁帶的能帶結構，稱之為光子帶隙，這種周期性結構稱為光子晶體，這一概念由Yablonovitch和John分別提出。進一步研究發現，當彈性波在周期性復合材料介質中傳播時，也會產生彈性波禁帶，對應的周期性復合材料介質稱為聲子晶體。彈性波是由縱波和橫波耦合的全矢量波，當彈性波頻率位于禁帶范圍，波將被禁止傳播。當存在點缺陷或者線缺陷時，會出現彈性波局域在點缺陷處，或者沿線缺陷傳播等現象。聲子晶體的概念由Kushwaha等(1993)提出，聲子晶體彈性波禁帶的實驗觀測最早來源于Martinez-Sala等(1995)對雕塑“流動的旋律”的聲學特性研究。將聲子極化激元概念進一步推廣到介電體超晶格，出現了基質材料所不具備的微波波段的介電反常、反常電磁吸收、類布里淵散射、類拉曼散射等新穎物性，稱為離子型聲子晶體，由南京大學閔乃本院士等(1999)提出。

聲子晶體主要分為Bragg散射型和局域共振型兩種類型，局域共振型聲子晶體由Liu等在2000年提出，通過設計局域共振型聲子晶體，實現了結構的小尺寸控制大波長，突破了Bragg散射型聲子晶體在低頻應用的困境，極大提高了聲子晶體結構的可設計性和應用范圍。聲子晶體可以實現從Hz、kHz、MHz、GHz到THz頻率范圍的波控制，從而可以設計出聲學二極管、聲學斗篷、熱斗篷、熱二極管等結構和器件，也可以實現對現有結構的減振降噪，在聲學器件、微/納米科技及隱形技術等方面具有廣闊的應用前景。

圖1 框架-柱混合型聲子晶體結構

本期封面為一種框架-柱混合型聲子晶體結構，由大連理工大學工業裝備結構分析國家重點實驗室張昭教授團隊提供，可以通過調整柱的長度實現聲子晶體從Bragg散射型向局域共振型的轉變，通過調整框架-柱界面結合特性可以實現對帶隙中心頻率和帶隙寬度的調整和設計，能實現較寬范圍的波控制。張昭教授團隊通過聲子晶體的單胞設計、結構拓撲優化設計、幾何和尺寸優化設計等，設計了多型聲子晶體的單胞結構，實現了寬頻率范圍內的波控制。在應用方面，基于聲子晶體在特定頻率處的自準直效應，設計了一種可實現波束控制的分束器。