近日，南京大学物理学院声学研究所刘晓峻教授与程营教授课题组在声学超材料领域取得了重要进展。研究团队成功设计并制备了一种基于旋转多普勒效应的声学时空超表面，实现了声学涡旋频率梳，并将其应用于声学图像处理器件的构建。该成果题为“Synthesized Acoustic Vortex-Frequency Comb via Rotational Doppler Effect”，于2025年3月31日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters, 134, 137001, 2025）。

声学频率梳由一系列等间距、离散的频率梳线构成，代表了声波的频率自由度，在传感、计算和通信等领域具有重要应用价值。同时，涡旋声束携带轨道角动量（OAM），并具有螺旋相位分布，代表了声波的空间自由度，被广泛应用于物体操控、声学扳手、机械振荡器以及高容量通信等多个领域。由于不同频率梳与涡旋模态在频率域和空间域中是正交的，将声学频率梳与涡旋声束相结合，可以理论上构建出具有无限维度的频率与涡旋关联模态。二者的结合不仅有望推动基础科学研究，也将在声学通信、精密测量、图像处理等众多应用领域展现巨大潜力。然而，现有技术在实现这一目标时仍面临诸多挑战，包括如何稳定地产生频率谱和控制特定OAM声场，以及如何将其与其他声学器件有效集成以拓展其应用范围。

为解决这些问题，研究人员设计了一种基于旋转多普勒效应的时空超表面，如图1所示。该超表面能够发射多个涡旋声束，其中每个OAM模式对应不同的频率，从而实现对频率和OAM能量的精确控制。图2a展示了在连续时空透射调制下，声场可以产生不同频率分量，分别对应不同拓扑荷的声学涡旋。为简化结构设计，研究团队提出了一种具有二值阻抗特性的时空超表面（见图2b），并通过优化算法（图2c），实现了对频率谱和OAM谱的准确、灵活控制（图2d-e）。图3中的实验结果与仿真结果高度吻合，验证了该时空超表面对OAM谱和频谱的双重调控能力。这种基于旋转多普勒效应的涡旋频率梳不仅适用于声学系统，还可扩展到其他波动系统。

此外，研究团队还将涡旋频率梳应用于时空超透镜的构建，如图4a所示。该超透镜在不同谐波频率下表现出独特的点扩展函数和传递函数分布（见图4b和4c），证明其可作为多模空间微分器。通过图4d所示的实验装置，研究团队验证了该多模声学器件在提取物体完整图像和轮廓边缘信息方面的有效性（见图4e和4f）。这一技术在高容量数据通信、图像信息处理以及动态声场调制等领域具有广阔的应用前景。

图1：基于时空超表面的声学涡旋频率梳。

图2： (a) 具有连续和(b) 离散透射特性的声学时空超表面。(c) 用于优化频谱和OAM谱分布的算法流程图。(d), (e) 优化后的时空超表面结构及其对应的能量谱分布。

图3：(a), (e) 声学时空超表面样品。(b), (f) 能量谱分布的模拟和实验结果。(c)-(d), (g)-(h) 不同谐波频率下的声场分布模拟和实验结果。

图4：(a) 基于涡旋频率梳的时空超透镜结构及其在多模成像中的应用。(b)-(c) 时空超透镜结构的点扩展函数和传递函数分布。(d) 实验装置与样品图像。(e)-(f) 时空超透镜不同模式成像的理论与实验结果。

南京大学为该论文的第一作者单位和第一通讯单位，南京大学物理学院2024届博士毕业生贾雨柔和硕士生张煊为共同第一作者，硕士生张素影和博士生陈韬宇在实验中提供了重要支持。南京大学程营教授、刘晓峻教授与新加坡国立大学的仇成伟教授为共同通讯作者。其他合作者包括新加坡国立大学许国强博士、天津大学周红涛博士、南京大学电子学院柏业超教授以及南京师范大学吴大建教授。此项研究得到了南京大学物理学院、人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省物理科学研究中心等平台的支持，以及国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家留学基金委和江苏省博士生科研创新计划等项目的资助。

全文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.137001