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基于超振荡效应的声学超透镜打破衍射极限

2019.8.08

　　近日，中国科学院深圳先进技术研究院劳特伯生物医学成像研究中心超声团队研究员郑海荣、蔡飞燕与华中科技大学教授祝雪丰、新加坡国立大学教授仇成伟合作在超振荡波束与声学超透镜研究中取得进展。相关研究成果以Ultrasonic super-oscillation wave-packets with an acoustic meta-lens（《基于超振荡波束的声学超透镜》）为题于7月30日发表于《自然-通讯》（Nature Communications）。

　　波在传播过程中会伴随衍射现象，即波遇到障碍物时，部分会绕至障碍物后并继续向前传播。由于衍射效应的存在，一个理想物点经过成像系统形成的像，不可能为一个无尺寸大小的理想点，而是一个有尺寸的弥散斑，即艾里斑。当两个弥散斑相互交叠到一定程度时，成像系统便无法区分开。因此，成像系统的分辨率与弥散斑的尺寸直接相关，弥散斑尺寸越大，成像系统分辨率越低。在过去的几十年里，突破衍射极限是光学和声学领域长期追求的目标。自负折射和双曲折射超材料提出以来，在这些超材料中获得了携带超分辨率信息的倏逝波。然而，由于介质损耗，超分辨率聚焦和成像仅能在近场实现。在20世纪90年代，Aharonov等人首次提出频率带限函数存在超振荡现象。经过巧妙设计，频率带限函数局部振动频率可以远大于其整体最大振动频率分量，被称之为超振荡波函数。在此之后，关于超振荡的研究随后引起了学界的广泛关注。然而，如何在超声系统中构建一个超振荡聚焦场并在远场打破波的衍射极限，仍是一个亟待解决的问题。

　　基于此，科研人员首先从声波动方程出发，成功地构造了具有时间周期特性的声波超振荡函数；随后将时间频率映射到空间频率，利用自由优化算法设计出了厚度小于五分之一波长的平面声学透镜 (图1所示)；进一步通过叠加不同空间频率超声分量，实现了远场超分辨声聚焦，并在实验上观测到了该现象。此外，利用声辐射力效应，研究工作将被“囚禁”的颗粒环形象地定标了聚焦斑尺寸大小，证明其打破了衍射极限 (图2所示)；为了检验超振荡声学透镜成像分辨率，研究工作还对三种不同图案的微结构进行了超声成像实验，与常规声学透镜成像效果对比，发现基于超振荡效应的声学超透镜成像分辨率有着显著的提高 (图3所示)。该超声超透镜在生物医学超声成像、生物医学应用和通用的远场超声控制等领域具有应用潜力。

　　该工作得到国家自然科学基金、国家重大研发计划、中央高校基本科研业务费等支持。