【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院勞特伯生物醫(yī)學(xué)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(xué)教授祝雪豐、新加坡國立大學(xué)教授仇成偉合作在超振蕩波束與聲學(xué)超透鏡研究中取得進展。相關(guān)研究成果以Ultrasonic super-oscillation wave-packets with an acoustic meta-lens(《基于超振蕩波束的聲學(xué)超透鏡》)為題于7月30日發(fā)表于《自然-通訊》(Nature Communications)。
 

　　波在傳播過程中會伴隨衍射現(xiàn)象，即波遇到障礙物時，部分會繞至障礙物后并繼續(xù)向前傳播。由于衍射效應(yīng)的存在，一個理想物點經(jīng)過成像系統(tǒng)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(dāng)兩個彌散斑相互交疊到一定程度時，成像系統(tǒng)便無法區(qū)分開。因此，成像系統(tǒng)的分辨率與彌散斑的尺寸直接相關(guān)，彌散斑尺寸越大，成像系統(tǒng)分辨率越低。在過去的幾十年里，突破衍射極限是光學(xué)和聲學(xué)領(lǐng)域長期追求的目標(biāo)。自負(fù)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分辨率信息的倏逝波。然而，由于介質(zhì)損耗，超分辨率聚焦和成像僅能在近場實現(xiàn)。在20世紀(jì)90年代，Aharonov等人提出頻率帶限函數(shù)存在超振蕩現(xiàn)象。經(jīng)過巧妙設(shè)計，頻率帶限函數(shù)局部振動頻率可以遠(yuǎn)大于其整體大振動頻率分量，被稱之為超振蕩波函數(shù)。在此之后，關(guān)于超振蕩的研究隨后引起了學(xué)界的廣泛關(guān)注。然而，如何在超聲系統(tǒng)中構(gòu)建一個超振蕩聚焦場并在遠(yuǎn)場打破波的衍射極限，仍是一個亟待解決的問題。
 

　　基于此，科研人員首先從聲波動方程出發(fā)，成功地構(gòu)造了具有時間周期特性的聲波超振蕩函數(shù)；隨后將時間頻率映射到空間頻率，利用自由優(yōu)化算法設(shè)計出了厚度小于五分之一波長的平面聲學(xué)透鏡 ；進一步通過疊加不同空間頻率超聲分量，實現(xiàn)了遠(yuǎn)場超分辨聲聚焦，并在實驗上觀測到了該現(xiàn)象。此外，利用聲輻射力效應(yīng)，研究工作將被“囚禁”的顆粒環(huán)形象地定標(biāo)了聚焦斑尺寸大小，證明其打破了衍射極限；為了檢驗超振蕩聲學(xué)透鏡成像分辨率，研究工作還對三種不同圖案的微結(jié)構(gòu)進行了超聲成像實驗，與常規(guī)聲學(xué)透鏡成像效果對比，發(fā)現(xiàn)基于超振蕩效應(yīng)的聲學(xué)超透鏡成像分辨率有著顯著的提高 。該超聲超透鏡在生物醫(yī)學(xué)超聲成像、生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用和通用的遠(yuǎn)場超聲控制等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。
 

　　該工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重大研發(fā)計劃、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費等支持。