本發明涉及聲鑷，尤其涉及一種用于局部多維操控毫米級別粒子的聲學超表面裝置。

背景技術：

1、聲鑷子的工作原理基于聲波構建特定的聲場環境。當聲波在空間中傳播時，其能量分布形成特定的模式。通過精確設計和調控聲波的參數，可以在微小物體周圍創建特定的聲場環境，進而在物體表面產生聲壓梯度。聲壓的不均勻分布導致力的產生，從而實現對粒子的間接控制。

2、在現有的空氣聲學領域文獻中，單個粒子的懸浮與旋轉控制主要依賴于大量揚聲器組成的相控陣列。這種方法雖能實現粒子操控，但系統復雜且體積龐大。將聲學超表面引入聲鑷技術并制造無源聲鑷裝置，在一定程度上克服了有源聲鑷裝置的復雜性和體積問題。然而，現有研究多集中于粒子的懸浮操控，尚未見到利用聲學超表面同時實現粒子懸浮與旋轉的技術，難以滿足實際應用中復雜性與功能多樣性的需求。

技術實現思路

1、本發明提供了一種用于局部多維操控毫米級別粒子的聲學超表面裝置，本發明可在特定頻率下同時實現對單個毫米級粒子的懸浮和旋轉，改變入射聲波的強度和初始相位，可以操控粒子的懸浮和旋轉速度，詳見下文描述：

2、一種用于局部多維操控毫米級別粒子的聲學超表面裝置，所述裝置由n×n個單元構成，每個單元按照預設相位梯度規律平面布置；

3、每個聲學超表面的單元滿足在兩側施加入射聲波的條件下，形成的散射聲場相位延遲在一個周期內呈2n個離散梯度分布；

4、通過多個具有不同相位延遲的單元構成的聲學超表面在正向入射平面聲波和反向入射平面聲波下，形成低能量損失且正向散射聲場與反向散射聲場高度對稱；

5、正向散射聲場與反向散射聲場均為渦旋聲場，利用其特殊的聲壓梯度提供所需操控粒子的輻射力和扭矩，聲學超表面通過調節背景聲壓幅值和初始相位控制單個毫米級粒子的懸浮高度和旋轉；

6、通過正、反向放置聲學超表面，實現粒子的順、逆自旋。

7、其中，每個聲學超表面的單元尺寸通過工作頻率決定，單元尺寸為λ/2×λ/2×kλ(k∈[0.8,1.3])。

8、其中，相位延遲的計算公式為：

9、

10、其中，ω為角頻率，cs為聲速，f0代表坐標原點到焦點距離，rij代表第(i,j)位置處單元到焦點的距離，l為渦旋拓撲荷數，代表螺旋相位分布，nx和n?y分別表示在x和y方向上的元件數量。

11、其中，所述聲學超表面由16×16個單元構成，每個單元的尺寸為4.4mm×4.4mm×12mm；每個單元內部設置有四個擋板。

12、本發明提供的技術方案的有益效果是：

13、1、本發明通過理論分析、仿真模擬和實驗驗證，系統評估了其在操控單個毫米級粒子方面的性能和效果；

14、2、本發明能夠在懸浮與旋轉操控中實現高精度和高適應性，為復雜操控場景中的定制化應用提供了一種高效解決方案；

15、3、本發明能夠同時實現粒子的懸浮與旋轉操控，滿足多功能化的實際需求，為微粒精準操控提供了新的技術途徑；

16、4、本發明提供的解決方案能夠拓展聲學超表面的實際應用領域，如微操作、生物醫學、微流控等，為未來相關領域的研究和開發奠定了一定的基礎。

技術特征：

1.一種用于局部多維操控毫米級別粒子的聲學超表面裝置，其特征在于，所述裝置由n×n個單元構成，每個單元按照預設相位梯度規律平面布置；

2.根據權利要求1所述的一種用于局部多維操控毫米級別粒子的聲學超表面裝置，其特征在于，每個聲學超表面的單元尺寸通過工作頻率決定，單元尺寸為λ/2×λ/2×kλ(k∈[0.8,1.3])。

3.根據權利要求1所述的一種用于局部多維操控毫米級別粒子的聲學超表面裝置，其特征在于，相位延遲的計算公式為：

4.根據權利要求1所述的一種用于局部多維操控毫米級別粒子的聲學超表面裝置，其特征在于，

技術總結
本發明公開了一種用于局部非接觸多維操控毫米級別粒子的聲學超表面，通過調節背景聲壓幅值和初始相位控制單個毫米級粒子的懸浮高度和旋轉。所設計的聲學超表面由N×N個單元構成，按照特定規律平面布置。超表面單元需要滿足在兩側施加入射聲波的條件下，形成的散射聲場相位延遲在一個周期內呈2<supgt;n</supgt;個離散梯度分布(n為大于等于1的整數)。此外，單元的構型需滿足雙各項同性和高透射要求(透射率大于等于95％)，從而確保通過多個具有不同相位延遲的單元構成的聲學超表面在正向和反向入射下，形成低能量損失且左右鏡像對稱的散射聲場。

技術研發人員：劉宇,汪越勝,董浩文
受保護的技術使用者：天津大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/24