南京大学物理学院声学研究所、近代声学教育部重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心梁彬和程建春课题组在深亚波长声场操控研究方面取得重要进展，提出了基于局部非线性效应突破声波衍射极限的物理机制，在远场实现了高达1/38波长的空间分辨率，为声波的精准操控提供了新的可能性。
衍射是波动物理的基本现象，也限制了声波的成像分辨率以及操控精确度。对于传统的线性声学手段，远场声成像的分辨率、旁瓣大小以及操控灵活性等方面都受到衍射极限的约束。近年来声学超材料提供的新奇声学性能可用于突破衍射极限，但主要限制在线性声学体系中。而在非线性声学领域，传统参量阵方法能够在远场实现高指向性，但非线性的累积效应却干扰了声波的精确控制。针对这些问题，课题组提出了一种基于非线性原理的声场操控新机制，利用局部非线性效应削弱声波的衍射现象，实现了远场超分辨率的聚焦。
课题组设计了一种基于局部非线性效应的声波频率调制机制，两列垂直交汇的超声源分别搭载具有特定频率差异的两列超声波束，通过非线性解调出低频声波（图1）。通过理论分析结合仿真和实验，证明了垂直的波束能够消弭累积非线性效应，并能够通过调控声波的局部拉格朗日密度，实现低频声波在远场（声源的瑞利距离以外）的高分辨率聚焦和操控。
图1：局部非线性效应实现亚波长声场操控的新机制：使用两个频率分别为f1和f2的垂直超声波束，左侧超声波束产生单聚焦点，下侧超声波束产生双聚焦点。两列超声波束的叠加区域中的局部非线性效应生成了差频波，该区域包含两个清晰可辨且相互距离远小于波长的聚焦点。
由梳状亚波长单元构成的声学超表面（图2）用于精确控制超声声场，通过超表面的参数调整实现两列声波以既定的方式交汇，并在波束交叠区域通过非线性调制产生了深度亚波长尺度的差频波焦点（图3）。课题组进一步在实验中观测到高达1/38波长（相对差频波而言）的超高分辨率，验证了局部非线性机制能够有效地抑制声波的衍射（图4）。
本研究提出的声波操控新机制解决了在深度亚波长尺度下实现声波精确操控的难题，展现了高分辨率的远场声成像的能力，并可扩展到三维声场设计和高分辨率体声全息。值得注意的是，在调制的差频波为可听声的场景下，所提出的方法对于实现高分辨率的多区域声场控制具有重要意义。
图2：用于聚焦声波的声学超表面；(a) 声学超表面由80个单元构成； (b) 局部细节； (c) 单元设计；(d) 单元的传递函数曲线随几何参数的变化，包含振幅（虚线）和相位（实线）。
图3：在24.75 kHz和25.25 kHz处的声场分布（数值计算），分别对应于(a)图1左侧放置的声学超表面产生的单聚焦点超声场；(b)图1底部放置的声学超表面产生的双聚焦点超声场；(c)差频波的声场分布（数值计算）；(d) 沿y = 0的虚线所示的线上的声压分布。
图4：(a)实验装置照片；(b)由左侧声学超表面在24.75 kHz生成的单一焦点的二维声压分布；(c)由底部声学超表面在25.25 kHz生成的两个焦点的二维声压分布；(d)500 Hz时两个焦点的二维声压分布，由超声波(b)和(c)之间的局部非线性相互作用引起；(e)沿y = -10 mm线的声压分布，分别为200、300、400和500 Hz。
这一成果以"Local-Nonlinearity-Enabled Deep Subdiffraction Control of Acoustic Waves"为题发表于PHYSICAL REVIEW LETTERS上。南京大学物理学院的钟家鑫博士（现为宾夕法尼亚州立大学博士后）和胡成博博士为共同第一作者，南京大学物理学院梁彬教授、程建春教授和宾夕法尼亚州立大学Yun Jing教授为共同通讯作者。南京大学物理学院的卢晶教授在实验上给予了指导与支持。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、南京大学登峰人才计划、江苏省高校优势学科建设工程、宾夕法尼亚州立大学Startup经费的支持。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.234001