我校物理学院声学研究所刘晓峻教授和程营教授课题组在声学涡旋天线研究领域取得重要进展，他们将全息原理与人工声学阻抗超表面相结合，对倏逝波进行空间调制，得到可以携带轨道角动量（OAM）的声涡旋波束，并且可实现在空气为背景媒质的自由空间中远距离辐射及复用。
近年来，将轨道角动量（OAM）引入传播波开辟了经典波控制的新途径。这种沿轴向载有OAM的涡旋波场呈现出螺旋相位依赖性，其螺旋相波前可以在物体上施加可测量的扭矩，从而用于对粒子进行无接触精准操控，以及对信号进行多通道编码传输。在已有的研究中，用于产生声学OAM的方法往往受制于大规模的换能器阵列且占据大空间的入射声场，同时涡旋场向远场传播时需要借助波导，很难结合到系统级天线设计中。因而，实现以空气为背景媒质远距离稳定传播的声涡旋天线，且满足器件集成化、小型化的要求，仍然是一个巨大的挑战。
在之前的研究中，研究人员基于准周期排列的亚波长锯齿型空气凹槽结构，开发出了在二维平面内对倏逝声波进行面内调制的设计方法，并发现人工Spoof表面波面内波矢大小可以进行自由调节，产生小于或超过自由空间中的波数，可以实现从近场倏逝波向远场传播波的转换。在本工作中，课题组进一步引入人工声阻抗表面的概念，推导出声阻抗与面内波矢的显式关系，仅需将所设计的OAM天线表面的全息干涉图记录为声阻抗梯度，当倏逝声波入射至天线表面时，波矢受到声阻抗超表面的有效调节，就可以产生一个出射端相位沿着方位角方向螺旋分布的空间波前[图1]，由此形成拓扑阶数稳定可调控的声学涡旋天线。其中表面阻抗是联系近场倏逝声波与远场辐射声波的关键物理量，其大小由表面声阻抗单元的不同尺寸所调控。以一阶右旋OAM涡旋天线为例，可以选择以表面点声源作为入射声波，设计出如图2所示的亚波长人工声阻抗超表面，并通过3D打印技术加工出样品，样品表面图案是由大小不同的空气凹槽单元组成的明暗相间的螺旋形条带，出射声束的旋转方向与表面螺旋形阻抗条带的旋转方向一致。相应的仿真和实验结果如图3所示，右手涡旋场沿z方向向远场辐射。沿着传播轴可以观察到波束具有良好的准直特性，表明在相当长的传播距离上可以形成稳定的声学涡旋，其传播距离超过35个空间波长。图3d的横截图表明一阶远场OAM涡旋声场具有平滑的螺旋相位和中心处的极小振幅。测量结果与数值模拟也证明了该超表面将倏逝声波转换为带有OAM辐射声束的可行性。值得注意的是，该方法实现的全息天线结构简单，特别是剖面低、便于集成，同时其便于设计，只需知道全息干涉图，就可以得到相应的声阻抗单元分布，实现不同的出射要求，并可推广到多阶次、多角度、多频率OAM波束复用。图4展示了该方法设计的三种高阶涡旋波束的截面图，并可以据此分别构造出多方向辐射波束全息声学天线和多频共波束全息声学天线。
该工作利用低剖面声阻抗全息超表面进行阻抗调制，提出了实现倏逝波转换为远场声涡旋天线的设计方法，可满足大部分波束辐射的设计需求，为后续声天线辐射的功能器件设计提供了新的思路。相关研究成果以《Emitting long-distance spiral airborne sound using low-profile planar acoustic antenna》为题于2021年3月31日在线发表在国际权威期刊Nature Communications [https://doi.org/10.1038/s41467-021-22325-7]。南京大学物理学院硕士研究生高书香及东南大学信息科学与工程学院副研究员李允博为论文共同第一作者，程营教授和刘晓峻教授为论文的共同通讯作者。该项工作得到国家重大科学研究计划（2017YFA0303702）和国家自然科学基金的支持。
图1：超表面螺旋天线示意图。轴对称Spoof声表面波（紫色波包）由位于超表面天线（橙色平板）中心的单极子点声源（黄色五角星）激发，并被转换为带一阶OAM的螺旋波束辐射到远场。
图2：平面声涡旋天线设计。a 结构示意图。绿色虚线方块中展示的是结构逐级放大的局部细节图；b-c 剖线上单元几何参数曲线；d 实验装置图。扇形插图为天线表面局部放大图。
图3：自由空间中的远场涡旋声场。a 在剖视图中沿传播轴的归一化声压场。所取圆柱体与超表面大小相同，近场和远场之间的临界点约为1.57 m；b 远场旋转波前局部放大图；c 为沿b中A点和B点的轴线方向模拟和测量得到的声压分布；d 为分别在距超表面1.57 m和2.00 m处的两个观测平面上模拟和测量得到的螺旋波前的相位和幅值分布。白点是指相位横截面的几何中心。
图4：高阶远场涡旋声束的横截面图。a-c 分别展示了拓扑阶数从2到4的不同情况。其中上面部分是压力场的相位分布，下面部分显示的是压力场的振幅分布。