一种基于波缺陷能级耦合的涡旋超声位移的调制方法

本发明涉及一种基于波缺陷能级耦合的涡旋超声位移的调制方法，属于涡旋超声波调制领域。

背景技术：

1、近年来，在学术界和产业界，对各种物理场的精细操控的要求越来越高，比如对光场的操控早已达到了纳米尺度。相比而言，对声场的操控长期处于较落后的状态，这主要是由于声波的波长比较长，它不像光场那样可以局域在较小的空间内；另一方面，对声场的精细操控的需求也不像光场那么迫切。但是随着技术的不断进步，这种情形近年来正在慢慢转变，比如，基于超声的驻波场已经实现对单个甚至多个微小粒子的无接触式俘获、悬浮、操控，这项技术在加工制造、生化医药等领域。再比如，随着超声传感技术的日益进步，为了达到更高的探测传感精度，对声场的调制和检测要求也日益提高。

2、采用非机械式的方式对于一个定向超声声束的横向位移实现精密调节，目前还没有相关方面的研究，更没有什么特别有效的方法。而机械式的平移声源来实现定向声束的横向位移，其机械部件成本高，易产生震动，精度有效，并且由于体积的限制，无法用于一些空间受限制的精密加工和探测的场合。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于波缺陷能级耦合的涡旋超声位移的调制方法，解决了背景技术中披露的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于波缺陷能级耦合的涡旋超声位移的调制方法：

3、制备具有可调节缺陷能级的一维声子晶体；

4、采用涡旋声场进行声子晶体的缺陷能级耦合；

5、通过调节声子晶体缺陷层的结构参数，改变涡旋声场的缺陷能级耦合效率，调整涡旋声场在声子晶体表面反射的轨道角动量转变效率，实现对位移的连续调制。

6、进一步地，所述一维声子晶体由两种不同材料构成；当整个声子晶体中任意一层的参数与其他层不同时，则该层为缺陷能级，用于在声子禁带中引入缺陷能级。

7、进一步地，所述涡旋声场为携带轨道角动量的声场，其中心的振幅为零，围绕声束中心，其相位分布为螺旋型；通过调节涡旋声场的频率和入射角度，使入射的涡旋声场的能量耦合进声子晶体的缺陷能级中。

8、进一步地，制备具有可调节缺陷能级的一维声子晶体的方法为：

9、选择水和环氧树脂两种材料交替组成一维声子晶体；所述声子晶体共24层，其中，第11层作为缺陷层，除第11层作外，其他层厚度固定为0.01m。

10、进一步地，所述涡旋声场中的涡旋声束为带拓扑荷的高斯声束。

11、进一步地，采用涡旋声场进行声子晶体的缺陷能级耦合的方法为：

12、通过傅里叶变换将带拓扑荷的高斯声束分解为平面波；

13、根据声子晶体的反射特性得到各个平面波分量对应的反射系数；

14、根据反射系数反射平面波，将各个反射后的平面波分量重新进行傅里叶反变换，得到涡旋声束的反射场分布。

15、本发明所达到的有益效果：利用涡旋声束在界面反射时的内-外轨道角动量转化效应来实现声束的横向位移，这种横向位移的产生方式是非机械式的。再次，通过调节声子晶体的缺陷能级的耦合效率来改变轨道角动量的转化程度，从而实现对横向位移的高精度连续调控。

技术特征：

1.一种基于波缺陷能级耦合的涡旋超声位移的调制方法，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的基于波缺陷能级耦合的涡旋超声位移的调制方法，其特征在于，所述一维声子晶体由两种不同材料构成；当整个声子晶体中任意一层的参数与其他层不同时，则该层为缺陷能级，用于在声子禁带中引入缺陷能级。

3.根据权利要求1所述的基于波缺陷能级耦合的涡旋超声位移的调制方法，其特征在于，所述涡旋声场为携带轨道角动量的声场，其中心的振幅为零，围绕声束中心，其相位分布为螺旋型；通过调节涡旋声场的频率和入射角度，使入射的涡旋声场的能量耦合进声子晶体的缺陷能级中。

4.根据权利要求1所述的基于波缺陷能级耦合的涡旋超声位移的调制方法，其特征在于，制备具有可调节缺陷能级的一维声子晶体的方法为：

5.根据权利要求1所述的基于波缺陷能级耦合的涡旋超声位移的调制方法，其特征在于，所述涡旋声场中的涡旋声束为带拓扑荷的高斯声束。

6.根据权利要求5所述的基于波缺陷能级耦合的涡旋超声位移的调制方法，其特征在于，采用涡旋声场进行声子晶体的缺陷能级耦合的方法为：

技术总结本发明公开了一种基于缺陷能级耦合的涡漩超声波的位移调制方法：制备结构参数可调节的含缺陷层的一维声子晶体；利用涡旋声场进行声子晶体的缺陷能级耦合；通过改变缺陷层的结构参数来调制涡旋声场的耦合效率，从而改变反射和透射涡漩声场的内‑外角动量转换，实现对横向位移的连续调制。首先，本专利中的横向位移是基于涡旋声束在界面反射时的内‑外轨道角动量转化效应来实现的，是一种非机械式的声场调控技术。再次，本专利通过调节声子晶体的缺陷能级的耦合效率来改变轨道角动量的转化程度，可以实现对横向位移的高精度、连续调控。技术研发人员：殷澄,刘志鹏,王溢秋,秦岚,吴思梦受保护的技术使用者：河海大学技术研发日：技术公布日：2024/5/29