本發(fā)明屬于聲學(xué)超材料及聲信息傳遞領(lǐng)域，具體涉及一種用于聲波調(diào)控的聲子晶體可控自旋軌道耦合器。

背景技術(shù)：

1、聲波在日常生活中無處不在，最具有代表性的體現(xiàn)是汽車噪音，聲音信息傳遞，超聲成像等。但傳統(tǒng)器件對聲波的調(diào)控具有一定的限制，主要表現(xiàn)在聲音損耗限制、互易性限制以及方向限制等。目前，開發(fā)聲子晶體器件或聲學(xué)超表面是解決這些問題的最佳選擇。然而，聲學(xué)超表面具有較高的制造成本。例如，聲學(xué)超表面由于尺寸較薄，制造器件的精密性和工藝要求高。相比之下，聲子晶體是一種具有周期性結(jié)構(gòu)的人工復(fù)合材料，能夠通過布拉格散射和局域共振效應(yīng)對聲波進(jìn)行調(diào)控，產(chǎn)生帶隙、負(fù)折射、超棱鏡效應(yīng)、超透鏡效應(yīng)和異常隔聲效應(yīng)等新穎聲學(xué)現(xiàn)象，且通過3d打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)，制造成本低廉。但傳統(tǒng)的聲子晶體調(diào)控聲波具有一定的局限性。例如，在結(jié)構(gòu)上通常是無接觸式連接的，這增加了實(shí)用環(huán)境的非穩(wěn)定性。在功能上，大多數(shù)聲子晶體只能產(chǎn)生單一邊緣局域態(tài)，這限制了聲學(xué)信息傳遞的應(yīng)用。因此我們迫切需要一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且功能豐富的可調(diào)控聲波器件。

2、拓?fù)渎曌訉W(xué)作為聲子晶體研究的前沿領(lǐng)域，研究者通過設(shè)計(jì)具有耦合連接的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)拓?fù)浔Ｗo(hù)的聲子態(tài)，實(shí)現(xiàn)了聲波的單向傳輸和對缺陷免疫的穩(wěn)定傳播。這種拓?fù)浔Ｗo(hù)的聲子態(tài)在聲子晶體中展現(xiàn)出獨(dú)特的物理現(xiàn)象，為聲波調(diào)控提供了新的思路和方法。具有拓?fù)浔Ｗo(hù)的聲子晶體通常和內(nèi)在可控自由度有關(guān)，例如偽自旋自由度、軌道自由度和自旋軌道耦合等。通過改變耦合連接的方式來調(diào)控內(nèi)在自由度，這為實(shí)現(xiàn)豐富的聲學(xué)拓?fù)浔Ｗo(hù)態(tài)和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)提供了可能。不僅如此，與傳統(tǒng)的聲子晶體器件相比，耦合管的存在還會增加結(jié)構(gòu)的機(jī)械穩(wěn)定性，以適用于各種復(fù)雜、惡劣環(huán)境的場景。因此，現(xiàn)需要一種用于聲波調(diào)控的聲子晶體可控自旋軌道耦合器，以實(shí)現(xiàn)聲波的高效多態(tài)操控，這對于聲波調(diào)控和量子聲學(xué)通信等領(lǐng)域具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提供一種用于聲波調(diào)控的聲子晶體可控自旋軌道耦合器，本裝置具有可調(diào)諧的拓?fù)浔Ｗo(hù)效應(yīng)聲學(xué)邊緣態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對特定頻率的聲波控制，還具有聲音傳輸?shù)聂敯粜?、材料易制備、可調(diào)性、定向性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于聲音通信、聲信息加密、水聲學(xué)海洋勘探以及工業(yè)無損探傷等領(lǐng)域。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

3、一種用于聲波調(diào)控的聲子晶體可控自旋軌道耦合器，包括由周期性聲子晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)成的多個晶胞，單個晶胞包括四個諧振器，四個諧振器為相同的空心圓柱并按四方晶格排列；四個諧振器之間以及相鄰晶胞的諧振器之間均固連有正負(fù)耦合的耦合管。

4、優(yōu)選地，所述晶胞的數(shù)量至少5個以上，材質(zhì)采用樹脂材料。

5、優(yōu)選地，所述諧振器之間的間距為4mm；諧振器的圓柱高度為20mm，半徑為6mm。

6、優(yōu)選地，所述耦合管包括四個連接管，x軸方向上相鄰兩個諧振器之間分別通過第一連接管和第二連接管相連；y軸方向上對角兩個諧振器之間分別通過第三連接管和第四連接管相連。

7、優(yōu)選地，所述第一連接管為傾斜設(shè)置的直管，第二連接管為具有一定夾角的v型彎管。

8、優(yōu)選地，所述第一連接管與諧振器之間的傾斜角度為30°，距離諧振器臨近的端面距離為2mm，第一連接管的半徑為1mm。

9、優(yōu)選地，所述第二連接管沿兩個諧振器的間距中線對稱分布，第二連接管的彎折角度為62°，距離諧振器臨近的端面距離為2mm，半徑為1mm。

10、優(yōu)選地，所述第三連接管和第四連接管尺寸相同，并在z軸方向上沿著四方晶格的斜邊對稱設(shè)置。

11、優(yōu)選地，所述第三連接管和第四連接管為v型彎管，第三連接管和第四連接管的彎折方向相反，彎折角度為92°，距離諧振器臨近的端面距離為2mm，半徑為0.5mm。

12、優(yōu)選地，所述第三連接管和第四連接管為直管，距離諧振器臨近的端面距離為2mm，半徑為0.5mm。

13、本發(fā)明具有的有益效果為：

14、1.本發(fā)明用于聲波調(diào)控的聲子晶體可控自旋軌道耦合器具有易于制備的機(jī)械制造技術(shù)，樹脂材料的耐候性和耐腐蝕性使得本發(fā)明的聲子晶體可控自旋軌道耦合器維護(hù)簡便，使用壽命長。

15、2.本發(fā)明通過耦合管的連接方式引入自旋軌道耦合機(jī)制，不僅提升了聲子晶體可調(diào)控的自由度，而且還增加了結(jié)構(gòu)之間的連接，大大提升了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

16、3.?本發(fā)明自旋軌道耦合器在8580hz附近確定了四個不同的聲波局域態(tài)，表現(xiàn)為具有不同位置的局域態(tài)和不同數(shù)量的局域，這滿足不同應(yīng)用場景的需求。

17、4.本發(fā)明利用聲子晶體的周期性排列結(jié)構(gòu)單元實(shí)現(xiàn)具有拓?fù)浔Ｗo(hù)效應(yīng)的聲學(xué)邊緣態(tài)，提供了對特定頻率聲波的高效控制，確保了聲音傳輸?shù)姆€(wěn)定性和魯棒性。

18、5.本發(fā)明的聲子晶體可控自旋軌道耦合器對聲波的背向散射損耗較低，即使在復(fù)雜環(huán)境下也能保持穩(wěn)定的聲波傳輸。

技術(shù)特征：

1.一種用于聲波調(diào)控的聲子晶體可控自旋軌道耦合器，其特征在于：包括由周期性聲子晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)成的多個晶胞，單個晶胞包括四個諧振器，四個諧振器為相同的空心圓柱并按四方晶格排列；四個諧振器之間以及相鄰晶胞的諧振器之間均固連有正負(fù)耦合的耦合管。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于聲波調(diào)控的聲子晶體可控自旋軌道耦合器，其特征在于：所述晶胞的數(shù)量至少5個以上，材質(zhì)采用樹脂材料。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于聲波調(diào)控的聲子晶體可控自旋軌道耦合器，其特征在于：所述諧振器之間的間距為4mm；諧振器的圓柱高度為20mm，半徑為6mm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于聲波調(diào)控的聲子晶體可控自旋軌道耦合器，其特征在于：所述耦合管包括四個連接管，x軸方向上相鄰兩個諧振器之間分別通過第一連接管和第二連接管相連；y軸方向上對角兩個諧振器之間分別通過第三連接管和第四連接管相連。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于聲波調(diào)控的聲子晶體可控自旋軌道耦合器，其特征在于：所述第一連接管為傾斜設(shè)置的直管，第二連接管為具有一定夾角的v型彎管。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于聲波調(diào)控的聲子晶體可控自旋軌道耦合器，其特征在于：所述第一連接管與諧振器之間的傾斜角度為30°，距離諧振器臨近的端面距離為2mm，第一連接管的半徑為1mm。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于聲波調(diào)控的聲子晶體可控自旋軌道耦合器，其特征在于：所述第二連接管沿兩個諧振器的間距中線對稱分布，第二連接管的彎折角度為62°，距離諧振器臨近的端面距離為2mm，半徑為1mm。

8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于聲波調(diào)控的聲子晶體可控自旋軌道耦合器，其特征在于：所述第三連接管和第四連接管尺寸相同，并在z軸方向上沿著四方晶格的斜邊對稱設(shè)置。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于聲波調(diào)控的聲子晶體可控自旋軌道耦合器，其特征在于：所述第三連接管和第四連接管為v型彎管，第三連接管和第四連接管的彎折方向相反，彎折角度為92°，距離諧振器臨近的端面距離為2mm，半徑為0.5mm。

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于聲波調(diào)控的聲子晶體可控自旋軌道耦合器，其特征在于：所述第三連接管和第四連接管為直管，距離諧振器臨近的端面距離為2mm，半徑為0.5mm。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于聲學(xué)超材料及聲信息傳遞領(lǐng)域，具體公開了一種用于聲波調(diào)控的聲子晶體可控自旋軌道耦合器，包括由周期性聲子晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)成的多個晶胞，單個晶胞包括四個諧振器，四個諧振器為相同的空心圓柱并按四方晶格排列；四個諧振器之間以及相鄰晶胞的諧振器之間均固連有正負(fù)耦合的耦合管。本裝置具有可調(diào)諧的拓?fù)浔Ｗo(hù)效應(yīng)聲學(xué)邊緣態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對特定頻率的聲波控制，還具有聲音傳輸?shù)聂敯粜?、材料易制備、可調(diào)性、定向性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等優(yōu)勢。

技術(shù)研發(fā)人員：范春珍,王序峰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：鄭州大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9