基于聲學人工透鏡的超分辨聚焦

祝雪豐,陳 卓,曾龍生,彭玉桂

(華中科技大學 物理學院,湖北 武漢 430074)

由于受到衍射極限的限制,傳統的光學和聲學成像系統的分辨率很難突破0.61λ,主要原因為攜帶樣本細節信息的倏逝場在傳播方向上呈指數衰減,導致其在遠場無法被探測. 1968年,Veselago首次提出了負折射率的概念,發現在負折射率介質(Negative index media, NIM)中出現許多令人驚訝的現象,例如斯涅爾定律中折射角為負值(入射面內折射線和入射線在法線的同側)、反常多普勒頻移等[1]. 在負折射率介質和正折射率介質界面處,負折射率允許將來自物體的所有發散波束聚焦成2個圖像,分別在介質平面內和介質平面外,如圖1(a)所示. 從物體發射或散射的波不僅包括傳播波還包括攜帶物體亞波長細節的倏逝波,倏逝波在任何具有正折射率的介質中呈指數衰減,因此不能被傳統透鏡收集在成像平面上,從而導致圖像的分辨率受限. 但是,如果將由NIM制成的透鏡放置在物體附近,如圖1(b)所示,則近場倏逝波可以在透鏡內被強烈增強[2],穿過NIM透鏡后,倏逝波再次被衰減,直至振幅達到其在成像平面上的原始水平. 另一方面,傳播波以負折射和反向相位通過NIM透鏡,導致像面的相位變化為零. 通過完全恢復傳播波和倏逝波的相位和振幅,生成較為完美的圖像.

(a)傳播波的聚焦 (b)增強倏逝波

當波與物體相互作用時,物體的信息被轉移到具有各種波矢量的散射波中,這些波矢量包括傳播分量和倏逝分量. 傳播波攜帶物體較大輪廓的特征信息,可以到達遠場(聲波可視為平面波);倏逝波攜帶物體精細的細節信息,僅限于近場傳播(聲波可視為球面波). 因此,如果使用傳統透鏡收集散射波,則倏逝波在到達圖像平面之前會丟失,如圖1(c)所示,最終導致圖像的分辨率受到衍射極限限制. 如果將具有負折射率的超透鏡靠近物體放置,則倏逝波可以得到增強,如圖1(d)所示,從而有助于打破衍射極限. 若在超透鏡前添加耦合元件,則增強的倏逝波可耦合轉化成傳播波,如圖1(e)所示,從而實現波的遠場超分辨成像. 另一種方法是通過使用超透鏡將深亞波長信息傳輸到遠場,如圖1(f)所示,來自物體的倏逝波可在各向異性超材料中變成傳播波. 在超透鏡幾何形狀的幫助下,波矢量值沿超材料中的傳播方向逐漸減小,因此即使波離開超透鏡,也可以繼續傳播.

獲得NIM的主要策略是構造人工材料,即超材料. 在低頻區,波的傳播可以用2個有效參量描述:對于電磁波,當有效介電常量[3]和磁導率[4-5]都為負值時,折射率為負;而對于聲波,2個負的有效參量分別為質量密度[6]和壓縮率[7]. 為了實現雙重負性,可以利用共振性質調整介質的有效參量. 例如,在聲學中,單極共振會導致負壓縮率,而偶極共振會產生負密度[8],結合這2種類型的共振可以達到負指數,即負聲速. NIM是非常理想的能夠實現遠場聚焦的介質,但實現起來具有挑戰性,而聲學超構透鏡作為二維聲學器件,具有超薄、輕量、超緊湊等優點,同時其聚焦和成像過程無需倏逝場的參與,也不需要對樣品進行預處理,因此聲學人工超透鏡技術為遠場超分辨聚焦提供了新的實現方式[9].

本文總結了近年來國內外關于聲學人工結構的超透鏡領域的研究現狀,并結合華中科技大學祝雪豐研究組在該方向的研究成果,重點歸納了幾種聲學人工透鏡結構器件的設計及其聚焦成像性能,對其在突破衍射極限進而實現聲調制方面的進展進行了總結和比較. 最后討論了聲學人工透鏡的潛在應用場景,包括超聲成像、超聲治療、粒子聲波操控、水下聲納和超聲無損檢測,并展望了聲學人工透鏡的未來發展趨勢.

1 聲學超分辨和超振蕩

1.1 聲波衍射與聚焦

傳統的凸透鏡利用2種介質界面之間的折射現象,通過調整表面參量(如曲率)將聲波或光波聚焦到焦斑中,如圖2(a)所示;而衍射透鏡主要利用圓環的波衍射行為,如圖2(b)所示. 由于多數聲學系統都具有旋轉對稱性,因此通常采用平面衍射透鏡(Planar diffractive lens, PDL)對聲波進行聚焦,這種衍射透鏡通常由μm量級的薄膜制成,其厚度相對于透鏡的橫向尺寸可以忽略. 與基于折射的透鏡不同,PDL通過優化位置,精心調整多個同心環中所有元件的波衍射,實現聲波聚焦[10]. 因此,單個環是PDL中重要的衍射單元,其衍射行為直接決定PDL的聚焦性能[11].

(a)基于折射的物鏡 (b)基于衍射的平面透鏡

(a)由PDL形成的焦斑

1.2 超振蕩和超分辨聚焦原理

帶限函數(頻譜在某一頻率分量截止的函數)在某區間內的振蕩速度超過其最高傅里葉分量的特殊性質被稱為超振蕩. 2006年,Berry和Popescu首次提出超振蕩概念,并將超振蕩與光學聚焦相聯系,從理論上證明了經過特殊設計的光柵結構可以在遠場實現突破衍射極限的聚焦[13]. 超振蕩現象的本質是帶限函數在局部區域的振蕩速度可以遠大于系統的最高傅里葉分量[15],如圖4(a)所示,但其代價是構建帶限信號所需的能量隨該區間振蕩次數的增多而呈指數增長[16],往往導致聚焦聲斑的能量很小,且大部分能量集中在邊帶中[17]. 超振蕩聚焦的焦面場強分布如圖4(b)所示,整個平面可以劃分為視場(Field of view, FOV)區域和邊帶區域,FOV通常表示中心亮斑附近能量較低的區間(中心亮斑和邊帶之間的暗場). 在FOV內,超振蕩焦斑被強度小于焦斑峰值強度的旁瓣包圍;在FOV外,存在強度遠遠大于焦點峰值強度的邊帶. 其中Ipeak,Isl_max和Isb_max分別代表超振蕩焦斑、最大旁瓣和最大邊帶的強度,RFWHM是超振蕩點的全寬半高,常用于判斷器件能否突破衍射極限.

(a)超振蕩函數與系統最高傅里葉分量振蕩速度的對比

2 基于人工結構的聲學超透鏡

近年來,研究人員為打破衍射極限做出了多種努力,取得了豐碩成果,為進一步提高成像或者檢測系統的分辨率奠定了基礎[18-25]. 通過調控攜帶物體亞波長細節特征的倏逝波,可以將聚焦斑點尺寸減小至瑞利極限(0.61λ)以下,從而實現超分辨聚焦,當聚焦斑點的尺寸減小至0.38λ以下即可得到超振蕩聚焦[10,17,26].根據調控倏逝波的方式,既有的超分辨聚焦技術基本分為2類:近場超分辨聚焦和遠場超分辨聚焦.例如,可以通過設計負折射率超材料平面透鏡(光學或聲學超透鏡)重建倏逝波[27],從而在近場實現超分辨聚焦;對于遠場超分辨聚焦,科研人員提出了采用極端各向異性(橢圓或者雙曲色散)的共振超材料,將倏逝波轉換為傳播波,從而實現遠場超分辨成像[28-30].本文將介紹幾種典型的聲學人工透鏡,這些人工透鏡均可以實現亞分辨甚至超分辨聚焦,進而實現對聲場的調控,但是在實際應用中,有些方法仍然存在挑戰,例如共振型人工材料所固有的諧振損耗,其結構復雜而且加工工藝成本較高.

2.1 共振型多孔結構聲學超透鏡

為了克服衍射極限,各種基于超材料的聲學和光學超透鏡不斷被研制. Zhu等人提出了三維多孔結構超材料[30],其亞波長物體的倏逝場分量因與多孔板內的Fabry-Pérot(F-P)共振強耦合而得以有效地傳輸并且通過該結構,因此多孔結構超透鏡可作為近場成像設備,模擬和實驗結果表明:該結構可以實現低至λ/50特征尺寸的聲學成像. 多孔結構超材料的基本結構由厚度為h=158 mm的剛性塊(聲波無法穿透)組成,在側面穿有亞波長方孔,其邊長a=0.79 mm,形成晶格常量Λ=1.58 mm的周期性陣列,如圖5(a)所示,周圍被空氣所包圍. 在實驗中,將40×40個方形黃銅合金管平行地安裝在4英寸寬的方形鋁管中,并且牢固地夾在一起,如圖5(b)所示. 文獻[29]的研究結果表明,用多孔金屬結構進行3D光學亞波長成像可能很困難,因為必須用具有非常高介電常量的材料填充孔. 但由于在聲學中沒有截止頻率,聲波在深亞波長大小的孔道內的傳播是可能的,并且可能形成F-P傳輸共振,F-P諧振模式可以由物體散射的倏逝波激發,并且導致倏逝波攜帶的信息成功通過多孔超材料. 因為倏逝波所包含的波矢比孔內傳播的波矢大得多,因此有助于恢復特征大小遠低于衍射極限的圖像. 多孔超材料實現亞波長分辨的能力取決于結構的幾何參量.

(a)剛性塊體中鉆孔的方形陣列示意圖

為了驗證多孔結構聲學超透鏡的亞波長成像能力,使用模態展開技術進行了全三維數值計算,該技術包含收斂所需的盡可能多的衍射級. 在幾乎零厚度的板上切割出2個亞波長方形孔,作為成像源物體,如圖5(c)所示,同時放置在多孔板的頂部,并且利用聲平面波進行激發. 聲波的工作頻率和波長分別為f=2.18 kHz,λ=158 mm,對應于駐波諧振條件下m=2的模式. 方形孔的尺寸為w=7.9 mm(λ/20),兩中心之間的距離s=11.85 mm(λ/13.3). 在實驗過程中,將開有2個亞波長方孔的薄黃銅板直接放置在聲學超透鏡前,將來自物體的散射倏逝波耦合到超材料中. 同時將直徑為20 mm、產生連續正弦波的揚聲器放置在成像源物體前方20 cm處,將麥克風連接到3D掃描系統,用于測量輸出端的聲場分布,在掃描區周圍覆蓋吸音材料,防止外部噪音. 在距離輸出平面1.58 mm處測量的聲場圖像顯示了2個亮點和清晰的間隙,如圖5(e)所示,這與數值模擬的結果圖5(d)完全一致. 結果證實了多孔結構聲學超透鏡作為近場聲學成像設備,能夠在非常深的亞波長范圍內工作.

共振型多孔結構聲學超透鏡所形成的亞波長圖像的有效傳輸依賴于在多孔結構內部激發的F-P共振,因為在F-P共振模式下,從物體散射的較大波矢量的倏逝場分量將強烈耦合到傳輸諧振模式,最終可以形成清晰的圖像. 但是如果工作頻率偏離了共振條件,則失去物體的深亞波長細節,使得最終的圖像質量比較差,甚至圖像變成模糊的斑點,因此聲學超透鏡只能在離散的諧振頻率下工作. 此外,當成像平面距離聲學超透鏡的輸出表面較遠時,散射的較大波矢量攜帶的物體細節信息也將逐漸丟失,因此其成像只能為近場模式.

2.2 負折射率超材料平面聲學超透鏡

針對共振型多孔結構聲學超透鏡只能在近場成像的問題,Park等人構造了負折射率超材料平面聲學超透鏡[27],由于非自然存在的NIM可強烈地放大近場倏逝波,聚焦波源的所有信息,因此當相隔距離為λ/17的2個點聲源被放置在超材料板的表面附近時,超材料可高度定位表面波,放大倏逝波,從而在材料板的相對表面上形成分辨率良好的圖像,負折射率聲學超透鏡的亞波長分辨率機制正是源于負密度的表面波. Park等人通過晶格常量為λ/17的二維聲學單負超材料(2Dρ-NG超材料)構建聲學超透鏡,該薄膜超材料板由116個塑料正方形組成,每個正方形都有1個圓形窗口. 圓形窗口用薄膜覆蓋,組裝的超材料的晶格常量為28 mm.

該聲結構的頻率ω低于特定截止頻率(ωc)時,可以表現出負有效密度,表示為

(1)

其中,ρ′為空氣和膜的平均質量密度.同時空氣和超材料界面處的表面波波矢可表示為

(2)

其中,k0和ρ0分別為空氣中的波矢量和空氣的密度.當ρeff→-ρ0時,ky(ω)→∞.

將2塊厚度為5 mm的剛性塑料板分別放置在超材料的頂部和底部,用吸收器封閉板之間的邊緣間隙,物體和成像的圖像分別位于距離空氣和ρ-NG超材料之間的左邊界和右邊界20 mm處,圖6(a)顯示了聲波在穿過ρ-NG超材料板后的聲壓強度分布.可以發現,峰的寬度減小了10倍,從無聲透鏡超材料板的約λ/2縮小到插入超材料板的λ/22.為了清楚地比較峰值的寬度,強度被歸一化為相同高度,但使用超材料的聲壓峰值強度比無超材料高17倍.顯著的聲壓聚集是由于激發了不同波長的表面波,這些表面波疊加后形成尖銳的峰值.由于空氣的聲波方程在聲透鏡超材料板以外的空間中有效,因此成像位置上的聚焦聲壓如同點源輻射.因此,負折射率超材料平面聲學超透鏡以特殊的方式為聲音傳輸提供了有效的通道.

(a)714 Hz單點源實驗測量的聲壓強度分布

圖6(b)和圖6(c)分別顯示了測量2個異相點聲源相隔1倍晶格常量[28 mm(λ/17)]以及2個同相點聲源相隔2倍晶格常量[56 mm(λ/8.5)]的實驗測量結果. 從圖6(b)中可以看出:當沒有ρ-NG超材料板時,2個聲源的輻射方向類似2個異相干涉的圓形波;而加入ρ-NG超材料板的聲壓強度分布表明:2個圖像的分離程度與2個聲源的分離程度相同,證明從2個相隔1倍晶格常量的點源發射的聲波在通過ρ-NG超材料板后確實形成了超精細的圖像. 2幅圖像的RFWHM分別為18 mm(λ/26)和20 mm(λ/24),與無ρ-NG超材料板相比,峰值強度分別放大了約93倍和47倍. 圖6(c)也表明當無ρ-NG超材料板時,2個聲源的輻射方向類似于2個同相干涉的圓形波;而在穿過ρ-NG超材料后的聲壓強度分布圖也顯示出超高分辨率.

因此,基于負折射率超材料平面聲學超透鏡能夠提高相隔λ/17的2個點聲源的分辨率,λ/17的分辨率遠遠超過了衍射極限所允許的最小分辨率,但其缺點是聲學超透鏡的結構較為復雜,加工難度大且成本較高.

2.3 寬帶稀疏金屬三維聲學超透鏡

共振型多孔結構和負折射率超材料的聲學超透鏡的共同特點均是結構較為復雜,不易加工,而且不能在離軸或者任意位置實現聲聚焦. 為解決透鏡加工和三維方向上的聲聚焦問題,Jang等人研究了中間稀疏但結構緊湊的平面聲學超透鏡,實現具有亞波長聚焦分辨率的3D任意(軸向和離軸)超聲聚焦的聲學超透鏡[31]. 稀疏金屬透鏡在位置(Rf,θf,F)實現的3D任意超聲聚焦如圖7(a)所示. 金屬透鏡的微觀結構由2個金屬間原子組成,對應的相位狀態分別為0和π,如圖7(b)所示. 源平面(z=0)在方位角上是均勻離散化的,在徑向上以控制的間隔離散,相鄰金屬原子的相位差為:|φ(ri+1,θj,0)-φ(ri,θj,0)|=π.在該設計中,方位角被分為18個扇區(j=1,2,…,18),每個扇形金屬原子的角度為Δθ=θj+1-θj=20°,而金屬原子(i+1,j)和(i,j)之間的徑向間隔非均勻分布:Δri,j=ri+1,j-ri,j(r1=0,i=1,2,…,20),同時滿足:

(a)稀疏金屬透鏡在任意位置的超聲聚焦示意圖

(3)

因此可以根據此模型設計透鏡用于在目標位置(Rf,θf,F)實現3D自由聚焦,相移為0和π.在設計金屬透鏡時,將深度為0.25λ的凹槽擠壓到扁平的剛性板上,以產生反射波相移.為了驗證稀疏金屬聲學超透鏡在三維方向上自由支配聲聚焦的模型,該工作設計了在目標位置(λ,30°,3λ)處軸向和離軸聚焦的聲學超透鏡,樣品分別如圖7(c)和圖7(d)所示.

圖8(a)為頻率為300 kHz時,由對稱金屬透鏡在軸向產生的聲壓振幅|p|分布的模擬和實驗結果,可以看出:超聲能量會聚到焦斑. 在270,300,330和350 kHz的頻率下,超聲壓力振幅在焦平面上的分布如圖8(b)所示,表明所有頻率下的超聲能量以類似的方式聚焦. 為了定量評估聚焦特性,計算了焦斑的超聲強度RFWHM作為頻率f的函數,通過計算聲壓峰值的1/2確定環的半徑,進而通過取平均值計算RFWHM,如圖8(c)所示. 稀疏金屬聲學超透鏡具有230～450 kHz(約1個倍頻程)的亞波長聚焦分辨率,其中模擬和實驗中的RFWHM均在0.58λ以內. 模擬和實驗結果的一致性驗證了稀疏金屬聲學超透鏡聚焦寬帶和亞波長分辨的有效性和實用性.

(a)軸向聚焦金屬透鏡超聲場的模擬和實驗測量結果

頻率為300 kHz時,由不對稱金屬透鏡產生的離軸聚焦效果如圖8(d)所示,展示了在焦斑處交叉的3個橫截面中聲壓振幅|p|分布的模擬和實驗結果,焦點位于(0.97λ,29.7°,3λ)處,與理論值較吻合,這表明超聲波可以很好地聚焦在離軸目標上. 圖8(e)表明在230～420 kHz的0.87倍頻程帶寬范圍內RFWHM<0.57λ,4個頻率的測量值在0.56λ以內,進一步證明了稀疏金屬透鏡的寬帶離軸聚焦能力. 最后通過提取最大聲壓振幅的位置定量評估頻率范圍內的聚焦精度,圖8(f)為模擬和測量焦點的半徑Rf和方位角θf隨f的變化.焦點位置與理論值一致性,表明稀疏金屬聲學超透鏡在3D空間中具有超聲聚焦的精度高以及對超聲能量的靈活波束控制強的優勢.

2.4 三維聚焦增強金屬聲學超透鏡

上述的幾種聲學超透鏡均令聲波穿過空氣或者水后聚焦,但讓聲波通過金屬等堅硬致密的材料進行有效的聲能傳輸和波束操縱仍然是艱巨的任務,主要是因為這些材料和環境介質之間的巨大阻抗失配. 由于材料致密造成的強反射,不可避免地發生強烈的扭曲和嚴重的能量下降. 為了提高超聲在致密層中傳輸的聚焦性能,研究人員提出了互補聲學超材料[32-33]. 然而,負特性和各向異性所需的二維超結構通常不耐用,可能受到不確定性或變化的預應力. Gao等人提出的具有反向設計的三維聚焦增強(Ultrasonic focusing enhancement, UFE)金屬聲學超透鏡,可以同時增加能量傳輸并減少超聲聚焦通過致密層的波束失真[34]. 該研究中所提出的逆向設計方法由遺傳算法輔助實現. UFE金屬透鏡的全局目標函數是最大化傳輸的聲能,結構參量是全局優化的目標變量. UFE聲學超透鏡的結構簡單,當UFE金屬透鏡連接到一側的黃銅板上時,透射功率顯著增強,同時聲波將被很好地聚焦.

圖9(a)和圖9(b)分別是超聲波從頂側入射到剛性板和用優化的UFE金屬聲學超透鏡圖案化的剛性板上的示意圖,圖中紅色和藍色箭頭分別表示入射聲波和反射聲波. 由于硬剛性板與背景介質(水)有很大的阻抗失配,因此入射到板上的超聲波除了特定的頻率分量外幾乎被完全反射;而優化后的聲學超透鏡,入射聲波可以穿過透鏡板,并很好地被聚焦.

(a)入射到剛性板的聲波示意圖

圖10(a)顯示了浸入水中的剛性板(優化前和優化后)的模擬強度場,入射的平面波沿x方向,其頻率為207 kHz,大部分能量被反射;當用優化的UFE金屬聲學超透鏡進行圖案設計時,透射的能量將大大增強并被很好地聚焦. 實驗測量結果如圖10(b)所示,加入UFE金屬聲學超透鏡后具有明顯的焦斑,其強度大大增強. 該研究還計算了UFE金屬聲學超透鏡在不同頻率下的傳輸能量,如圖10(c)所示. 可以看出:在一定的頻率范圍內,UFE金屬聲學超透鏡可以極大地提高聲波的功率傳輸. 為了定量觀察UFE金屬聲學超透鏡的透射增強,分別計算了圖10(b)中沿白色虛線的強度分布,如圖10(d)所示,UFE金屬聲學超透鏡板的強度是基板的10倍以上,再次證實優化透鏡的聚焦增強. 因此,由反向設計方案制造的三維超聲聚焦增強聲學超透鏡可以通過沒有任何開口的剛性板,同時增強超聲聚焦和傳輸功率,為設計具有多功能的水聲設備開辟了更多的可能性.

(a)優化前后剛性板的聲強場模擬結果

2.5 多帶菲涅耳型聲學超透鏡

上述的4種透鏡各有缺點,例如共振型多孔結構聲學超透鏡僅能在近場實現聲聚焦和成像,且只在離散的諧振頻率下工作;盡管負折射率超材料平面聲學超透鏡實現高分辨的成像和聚焦,但其結構復雜,不易加工;而寬帶稀疏金屬三維聲學超透鏡和三維聚焦增強聲學超透鏡只能實現亞分辨的成像和聚焦.

多帶菲涅耳型聲學人工超透鏡[35]的工作頻率為1 MHz,厚度僅為0.13λ.多個經過設計的環形透射帶可調控各階空間頻率分量,從而在遠場形成打破衍射極限的超振蕩聚焦斑點.多帶菲涅耳型聲學人工超透鏡的樣品如圖11所示,該透鏡建立了聚焦平面超振蕩函數場分布與入射超聲波束空間頻率之間的映射關系.對于單帶菲涅耳型聲學人工透鏡,聚焦平面上聲場強度分布可近似表示為In=Cn|J0(krsinαn)|2,如圖11(b)所示,圖中Rn和Δr分別表示環狀狹縫的直徑和狹縫寬度.其中,第一極小值位于r=0.38λ/sinαn,由于sinαn≤1,因此r=0.38λ可定為衍射極限.為打破衍射極限,在聚焦平面獲得更小的焦斑,需構建超振蕩聲場,如圖11(c)所示.利用多帶菲涅耳型聲學人工透鏡產生不同空間頻率的衍射波分量,在目標聚焦區域形成超振蕩聚焦.根據瑞利-索墨菲衍射積分公式,單帶菲涅耳型聲學人工透鏡在目標平面上的衍射聲場為[36]

(a)多帶菲涅耳型聲學人工透鏡的樣品圖

(4)

其中,

SC=F

,

(5)

其中,S為M×N矩陣.通過代入預設的焦距、焦斑尺寸等參量,即可求解出所需的人工透鏡的結構參量Rn.圖11(d)展示了不同空間頻率分量組合生成的超振蕩波包,圖中彩色曲線對應于不同空間頻率分量,黑色曲線對應于不同空間頻率分量疊加產生的打破衍射極限的超振蕩波包.

圖12(a)展示了經過多帶菲涅耳型聲學人工透鏡在x-z平面上模擬和測量的聲場強度分布. 數值模擬和實驗所采用的介質為水,透鏡工作頻率為1 MHz. 結果表明:在z=5.2λ處存在超振蕩聚焦聲場. 圖12(b)展示了當z=5.2λ時,在x-y平面2λ×2λ范圍內,超聲聲場的強度分布模擬和測量結果. 圖12(c)定量比較了圖12(b)中x=[-λ,λ]上聲場強度分布的模擬和測量結果.可以看出,測量數據與模擬結果變化趨勢一致.實驗測量結果表明:焦斑的半徑為0.3λ.根據超振蕩判定準則0.3λ<λD=0.38λ,證明了在遠場處產生了超振蕩超聲聚焦場.

(a)超振蕩聲場強度分布的模擬和測量結果

圖13展示了基于多帶菲涅耳型聲學人工透鏡的超分辨超聲成像效果. 通過金屬加工技術在0.2 mm厚的鋼片上設計3個具有亞波長變化特征的鏤空圖案(雙狹縫、螺旋形狹縫和孔陣),如圖13(a)所示. 其中,狹縫寬度和雙狹縫之間的間距均為0.4 mm,雙縫間距小于瑞利衍射極限0.61λ(0.9 mm). 圖13(b)表明:設計的多帶菲涅耳型聲學人工透鏡可很好地分辨出2個狹縫,而使用周期菲涅耳型聲學人工透鏡則難以區分2個相鄰狹縫. 分別對螺旋形狹縫和孔陣列進行成像,如圖13(c)和13(d)所示,可發現多帶菲涅耳型聲學超振蕩透鏡在區分深亞波長具體特征(螺旋狹縫間隙等)方面優于周期菲涅耳型聲學人工透鏡.

(a)樣品的照片

2.6 銳邊孔徑聲學超透鏡

多帶菲涅耳型聲學超透鏡的超聲成像結果表明其可以顯著提高聲學成像系統的分辨率,對深亞波長結構細節成像更加清晰. 然而,基于聲學超振蕩聚焦的焦斑被很強的旁瓣環繞,在實際應用中需加入額外手段排除旁瓣的影響. 另外,聚焦焦斑越小意味著需要更高的空間頻率分量疊加[37]. 華中科技大學課題組提出了利用銳邊孔徑衍射產生弱旁瓣的超分辨聚焦[38],如圖14(a)所示. 銳邊孔徑可對入射聲場產生快速調制,衍射分量具有高的空間頻率. 銳邊孔徑聲學人工透鏡的設計過程如圖14(b)所示,步驟如下:a.設計2個圓形圖案;b.利用2個圓形圖案構造出月牙形圖案;c.通過平移和旋轉操作,利用月牙形圖案構建出飛鏢形圖案;d.利用中心對稱操作和鏡像操作產生4個飛鏢圖案,最終構成銳邊孔徑聲學人工透鏡. 圖14(c)展示了基于上述設計加工的樣品.

(a)銳邊孔徑聲學人工透鏡的超分辨聚焦示意圖

圖15展示了通過銳邊孔徑聲學人工超透鏡在z=2.5 mm的焦平面上模擬和測量的聲場分布情況. 數值模擬和實驗的介質為水,超聲頻率為5 MHz. 模擬和實驗測量結果表明:在焦平面的中央位置處有1個亮點[圖15(a)和15(c)],其中實驗測量的焦斑尺寸為1 pixel. 圖15(b)和15(d)分別為圖15(a)和15(c)中心亮點附近區域(虛線框)的放大場分布圖,圖中黑色虛線標記了衍射極限范圍(寬度為1.22λ),暗影區域為聚焦主瓣的大小. 結果表明:聚焦焦斑尺寸在λ以下且周圍旁瓣強度較弱.

為了進一步定量表征聚焦焦斑尺寸,提取沿圖15(b)和15(d)中2條垂直虛線上(x方向和y方向)的聲場強度分布,如圖15(e)和15(f)所示. 數值模擬和實驗測量的結果表明:在x方向和y方向上,所實現的聚焦焦斑尺寸均打破了衍射極限且旁瓣能量較小.因此銳邊孔徑聲學超透鏡將在提高超聲成像分辨率和無損檢測性能方面具有潛在的應用前景.

3 聲學人工透鏡的應用場景及未來展望

基于聲學人工結構的超透鏡已是快速增長的研究領域,因具有亞波長厚度、平面形狀因子、與傳統微/納米制造技術的兼容性、潛在的低成本批量制造、用微型元件取代多個體積龐大的傳統元件系統的能力、控制不同聲波自由度的新能力等優點,且能夠以更高的效率和分辨率模擬傳統衍射聲學元件的功能,聲學人工結構的超透鏡在提供傳統衍射聲學系統無法實現的新功能方面具有優勢,在實現下一代緊湊型、高性能聲學系統方面前景廣闊.在亞波長尺度上的聲聚焦和成像能力促進了該技術的廣泛應用,包括超聲成像、超聲治療、粒子聲波操控、水下聲納和超聲無損檢測等.尤其是多帶菲涅耳型聲學超透鏡,其超振蕩技術使研究人員能夠靈活地控制遠場的超衍射極限,這可能為超聲治療和成像帶來革命性的變化.

3.1 超聲成像

由于聲學超透鏡具有將聲波聚焦到超遠距離的特性,因此在醫學成像領域中具有廣泛的應用.利用聲學超透鏡的超分辨成像能力,可以實現對生物組織的高清晰度成像,特別是對于小型生物體和組織,例如細胞、細胞團、動物胚胎等,其成像效果更加優異.此外,聲學超透鏡也可以用于生物體內深部組織成像,以肝臟腫瘤的超聲成像為例,傳統的超聲成像技術難以準確地區分肝臟內部的病變組織,而聲學超透鏡可以使腫瘤等異常組織成像更加清晰,這有助于醫生發現早期病變,從而精準地診斷病情,制定更為有效的治療方案.

3.2 超聲治療

得益于優異的生物相容性和無放射性,超聲作為安全無創的手段被廣泛應用于醫學診斷、外科手術和神經刺激等臨床實踐中,因此聲學超透鏡在超聲治療方面也應用廣泛.將高強度的超聲能量聚焦到病變組織中,從而實現對病變組織的非侵入性治療.例如在腫瘤治療中,聲學超透鏡可以用于局部治療,幫助醫生精準地控制超聲能量的傳遞和聚焦,將聲波聚焦到腫瘤部位,實現對腫瘤的熱療作用,減少對周圍健康組織的損傷,提高治療效果.此外,聲學超透鏡還可以用于藥物輸送系統中,利用聲波的壓力效應推動藥物進入組織內,提高藥物的滲透效率.聲學超透鏡在神經科學研究中也發揮重要作用.通過將聲波聚焦在神經組織中,可以實現神經元的刺激和光遺傳學的激發,從而探究神經系統的功能和調控機制.此外,聲學超透鏡還可以用于神經干細胞治療,通過聲波聚焦,使干細胞在體內定位并定向分化,提高干細胞治療的精度和效率.

3.3 粒子聲波操控

聲學超透鏡在粒子聲波操控方面的應用主要包括顆粒的捕獲、分選和運輸.

1)粒子捕獲.聲學超透鏡在粒子操作中最重要的應用之一是粒子捕獲.通過聚焦超過衍射極限的聲波,聲學超透鏡可以創造小的高聲壓區域,用于捕獲和操縱粒子,如活細胞、細菌和納米粒子.該方法的精確性和非侵入性使其成為研究粒子特性和行為的有力工具.

2)粒子分選.通過調整聲學超透鏡的焦斑特性,選擇性地捕獲不同大小或特性的粒子.這種方法已經被用來根據粒子大小、密度和形狀進行分類.選擇性地捕獲和分揀粒子的能力對實際應用具有重要作用,如細胞分揀和藥物輸送.

3)顆粒運輸.聲學超透鏡也可用于短距離運輸粒子.通過創造一系列小的聲壓節點,顆粒可以從一處被運輸到另一處.該方法已被用于運輸活細胞和細菌,并可能在無創生物治療上具有重要的應用.

3.4 水下聲納

相比于電磁波,超聲在水下可以長距離穩定傳播,是目前水下探測的主要手段.因此,水下聲納廣泛應用于海洋勘探、水下搜救、水下通信等領域.但是,由于水下環境的復雜性和限制性,水下聲納成像的分辨率和準確度較低,降低了其在實際應用中的效果.而聲學超透鏡可以將聲波聚焦到超過衍射極限的區域,具有優異的成像能力和空間分辨率.因此,將聲學超透鏡應用于水下聲納成像中,可以有效提高水下成像的分辨率和準確度.

在水下聲納成像中,聲學超透鏡可以通過控制聲波在材料中的傳播,實現聲波的逆向傳播和高效聚焦,從而大幅提升成像質量.例如,利用聲學超透鏡對海底結構進行高分辨率成像,可以掌握水下地形和物體位置,為海洋工程的開展提供重要支撐.同時,在水下通信中,聲學超透鏡的應用也能夠增加信號傳輸的可靠性和帶寬,提高數據的傳輸速度和穩定性,這有助于海洋科學研究和資源勘探.此外,聲學超透鏡的應用還可拓展到水下激光雷達,為深海科學研究和開發提供更多可能性.

3.5 超聲無損檢測

聲學超透鏡因其出色的聚焦效果和波束控制能力,在工業制造、建筑結構、材料科學等超聲無損檢測領域中具有廣泛的應用前景.

1)在工業制造中,可以利用聲學超透鏡精確探測設備內部的缺陷或瑕疵,實現對工件的無損檢測和質量控制.

2)在建筑結構和材料科學領域中,可以利用聲學超透鏡檢測材料的缺陷和質量評估,以及建筑結構的安全性評估.

3)聲學超透鏡還可以用于監測材料中的應力和變形,進而提高材料的強度和耐久性,從而延長其使用壽命.

3.6 未來展望

基于聲學人工結構的超透鏡在新物理方面取得了進展,初步彌合了現實世界應用的差距,但從基礎和應用的角度來看,仍有一些挑戰尚未解決.

1)改進聲學超透鏡的制備技術進,以實現更高的透鏡效率和更寬的工作頻率范圍.

2)優化聲學超透鏡在復雜介質中的聚焦和成像效果.

3)探索非周期聲學超透鏡的建模和設計[39].

4)開發利用損耗效應的非埃爾米特聲學[40].

4 結束語

本文介紹了近年來國內外基于聲學人工結構的超透鏡的研究現狀,并結合本研究組在該方向的研究成果,重點歸納了共振型多孔結構的聲學超透鏡、負折射率超材料平面聲學超透鏡、寬帶稀疏金屬三維聲學超透鏡、三維聚焦增強金屬聲學超透鏡、多帶菲涅耳型聲學超透鏡和銳邊孔徑聲學超透鏡的的設計及其聚焦成像性能,對其在突破衍射極限實現聲調制方面的研究進展做總結和比較.針對前4種透鏡的不足,介紹了基于多帶菲涅耳型聲學超透鏡和銳邊孔徑聲學超透鏡這2種不同結構的聲學人工透鏡,這2種透鏡均可以在遠場打破衍射極限并實現超分辨聚焦,且結構簡單、厚度薄、易于加工,而銳邊孔徑聲學超透鏡能夠有效抑制旁瓣,進一步提高超分辨聚焦和成像能力.最后討論了聲學人工透鏡的潛在應用場景,包括超聲成像、超聲治療、粒子聲波操控、水下聲納和超聲無損檢測,并展望了聲學人工透鏡的未來發展趨勢.