登山小鲁，锐意创新 ——人工周期性结构材料的波控制

受天然晶体中电子能带理论研究方法的启发，一系列的理论和实验证实，如果结构功能材料中的介电常数在光波长上进行周期性变化，光子和周期性结构相结合，将会产生类似于半导体中电子禁带的能带结构，称之为光子带隙，这种周期性结构称为光子晶体，这一概念由Yablonovitch和John分别提出。进一步研究发现，当弹性波在周期性复合材料介质中传播时，也会产生弹性波禁带，对应的周期性复合材料介质称为声子晶体。弹性波是由纵波和横波耦合的全矢量波，当弹性波频率位于禁带范围，波将被禁止传播。当存在点缺陷或者线缺陷时，会出现弹性波局域在点缺陷处，或者沿线缺陷传播等现象。声子晶体的概念由Kushwaha等(1993)提出，声子晶体弹性波禁带的实验观测最早来源于Martinez-Sala等(1995)对雕塑“流动的旋律”的声学特性研究。将声子极化激元概念进一步推广到介电体超晶格，出现了基质材料所不具备的微波波段的介电反常、反常电磁吸收、类布里渊散射、类拉曼散射等新颖物性，称为离子型声子晶体，由南京大学闵乃本院士等(1999)提出。

声子晶体主要分为Bragg散射型和局域共振型两种类型，局域共振型声子晶体由Liu等在2000年提出，通过设计局域共振型声子晶体，实现了结构的小尺寸控制大波长，突破了Bragg散射型声子晶体在低频应用的困境，极大提高了声子晶体结构的可设计性和应用范围。声子晶体可以实现从Hz、kHz、MHz、GHz到THz频率范围的波控制，从而可以设计出声学二极管、声学斗篷、热斗篷、热二极管等结构和器件，也可以实现对现有结构的减振降噪，在声学器件、微/纳米科技及隐形技术等方面具有广阔的应用前景。

图1 框架-柱混合型声子晶体结构

本期封面为一种框架-柱混合型声子晶体结构，由大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室张昭教授团队提供，可以通过调整柱的长度实现声子晶体从Bragg散射型向局域共振型的转变，通过调整框架-柱界面结合特性可以实现对带隙中心频率和带隙宽度的调整和设计，能实现较宽范围的波控制。张昭教授团队通过声子晶体的单胞设计、结构拓扑优化设计、几何和尺寸优化设计等，设计了多型声子晶体的单胞结构，实现了宽频率范围内的波控制。在应用方面，基于声子晶体在特定频率处的自准直效应，设计了一种可实现波束控制的分束器。