程建春教授研究团队在利用声学角动量实现高效

物理学院声学研究所程建春教授团队利用声学轨道角动量实现多路复用的实时信息传输。该成果以Twisted Acoustics: Metasurface-enabled Multiplexing and Demultiplexing为题,于2018年3月20日在线发表在国际权威杂志《先进材料》上(Adv. Mater. 2018, 1800257)。南京大学江雪博士为第一作者,梁彬教授、程建春教授及新加坡国立大学仇成伟教授为本文共同通讯作者。

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目前,声学轨道角动量的引入必须依赖具有螺旋分布初始相位的主动声源技术,或使用传播路径在角度方向呈螺旋形状的特殊结构。然而,第一种原理需要大量独立设计的换能器和繁杂的电路控制,带来的高成本和复杂性限制了其在现实中的应用。根据第二种原理所设计的结构则具有庞大的体积和螺旋形的几何结构,且难以达到平整的表面形状。如何利用小尺度、平面状的简单结构来高效产生声学轨道角动量,是一个亟待解决的关键科学问题。

优信彩票购彩大厅,图2:利用声学轨道角动量实现的实时图片信息传递。

图2:拓扑阶数m=1的贝塞尔型声涡旋场仿真结果

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(物理学院 科学技术处)

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针对这一挑战,研究团队引入声轨道角动量OAM (Orbital Angular Momentum)这一独立于现有多路复用维度的新自由度,打开了声学多路复用的新通道,并首次利用亚波长的声学超表面进行信息解复用,真正实现了纯被动式、基于OAM的动态、高效、大容量声信息传输(如图1所示:基于OAM的声学信息传递技术的原理示意图以及与已有多路复用的对比图)。携带OAM的声涡旋场的螺旋形波前可用 来描述。由于不同拓扑电荷数m的OAM构成的希尔伯特空间的正交性和无限性,作为信息载体的OAM态的数目也是无限且相互正交,这有效避免了传输过程中的模式损坏和模间串扰,为基于OAM的声信息传输提供了广阔的可能性。通过引入基于声共振的声学超表面对拓扑电荷数的级联运算,能够仅凭单个麦克风就实现信息的直接读取,而不需要任何的算法分析或后处理过程,这将极大地简化现有声信息传输系统的复杂性。基于此,课题组在实验上成功将图片信息编码于不同OAM态进行实时同步传输,在接收端完美重现出图片信息,并达到几乎100%的传输准确度(如图2所示:实时的图片传输实验结果,图3:将基于声学轨道角动量的信息传输与多载波调制技术结合,进一步提高传输效率)。

该工作得到科技部重大研究计划、国家自然科学基金以及南京大学登峰人才计划的支持。

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