登山小魯，銳意創(chuàng)新
——人工周期性結(jié)構(gòu)材料的波控制

受天然晶體中電子能帶理論研究方法的啟發(fā)，一系列的理論和實(shí)驗(yàn)證實(shí)，如果結(jié)構(gòu)功能材料中的介電常數(shù)在光波長(zhǎng)上進(jìn)行周期性變化，光子和周期性結(jié)構(gòu)相結(jié)合，將會(huì)產(chǎn)生類似于半導(dǎo)體中電子禁帶的能帶結(jié)構(gòu)，稱之為光子帶隙，這種周期性結(jié)構(gòu)稱為光子晶體，這一概念由Yablonovitch和John分別提出。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)彈性波在周期性復(fù)合材料介質(zhì)中傳播時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生彈性波禁帶，對(duì)應(yīng)的周期性復(fù)合材料介質(zhì)稱為聲子晶體。彈性波是由縱波和橫波耦合的全矢量波，當(dāng)彈性波頻率位于禁帶范圍，波將被禁止傳播。當(dāng)存在點(diǎn)缺陷或者線缺陷時(shí)，會(huì)出現(xiàn)彈性波局域在點(diǎn)缺陷處，或者沿線缺陷傳播等現(xiàn)象。聲子晶體的概念由Kushwaha等(1993)提出，聲子晶體彈性波禁帶的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)最早來(lái)源于Martinez-Sala等(1995)對(duì)雕塑“流動(dòng)的旋律”的聲學(xué)特性研究。將聲子極化激元概念進(jìn)一步推廣到介電體超晶格，出現(xiàn)了基質(zhì)材料所不具備的微波波段的介電反常、反常電磁吸收、類布里淵散射、類拉曼散射等新穎物性，稱為離子型聲子晶體，由南京大學(xué)閔乃本院士等(1999)提出。

聲子晶體主要分為Bragg散射型和局域共振型兩種類型，局域共振型聲子晶體由Liu等在2000年提出，通過(guò)設(shè)計(jì)局域共振型聲子晶體，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的小尺寸控制大波長(zhǎng)，突破了Bragg散射型聲子晶體在低頻應(yīng)用的困境，極大提高了聲子晶體結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性和應(yīng)用范圍。聲子晶體可以實(shí)現(xiàn)從Hz、kHz、MHz、GHz到THz頻率范圍的波控制，從而可以設(shè)計(jì)出聲學(xué)二極管、聲學(xué)斗篷、熱斗篷、熱二極管等結(jié)構(gòu)和器件，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的減振降噪，在聲學(xué)器件、微/納米科技及隱形技術(shù)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖1 框架-柱混合型聲子晶體結(jié)構(gòu)

本期封面為一種框架-柱混合型聲子晶體結(jié)構(gòu)，由大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張昭教授團(tuán)隊(duì)提供，可以通過(guò)調(diào)整柱的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)聲子晶體從Bragg散射型向局域共振型的轉(zhuǎn)變，通過(guò)調(diào)整框架-柱界面結(jié)合特性可以實(shí)現(xiàn)對(duì)帶隙中心頻率和帶隙寬度的調(diào)整和設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)較寬范圍的波控制。張昭教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)聲子晶體的單胞設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)、幾何和尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)等，設(shè)計(jì)了多型聲子晶體的單胞結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了寬頻率范圍內(nèi)的波控制。在應(yīng)用方面，基于聲子晶體在特定頻率處的自準(zhǔn)直效應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)波束控制的分束器。