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祝雪豐教授團隊在超聲超分辨成像領域取得重要進展
發布時間:2019-07-31

7月30日,《自然·通讯》(Nature Communications)在线发表了我院祝雪丰教授团队题为《基于超振荡波包的声学超透镜》(Ultrasonic super-oscillation wave-packets with an acoustic meta-lens)的研究论文。团队成员基于人工超构材料结构实现了声学超振荡聚焦效应,并在实验上证实了声学超振荡波束的辐射力操控和微结构超分辨声成像。该工作由我院祝雪丰教授团队、新加坡国立大学仇成伟教授团队和中国科学院深圳先进技术研究院郑海荣教授团队共同合作完成。我院2017级博士生沈亚西、2014级博士生彭玉桂为论文共同第一作者。

波在傳播過程中會伴隨衍射現象,即波遇到障礙物時,部分會繞至障礙物後並繼續向前傳播。由于衍射效應的存在,一個理想物點經過成像系統形成的像,不可能爲一個無尺寸大小的理想點,而是一個有尺寸的彌散斑,即艾裏斑。當兩個彌散斑相互交疊到一定程度時,我們的眼睛便無法區分開來。因此,成像系統的分辨率與彌散斑的尺寸直接相關,彌散斑尺寸越大,成像系統分辨率越低。在過去的數十年中,如何提高成像系統分辨率,實現微結構超分辨成像,是一個極爲重要的研究課題。近年來,超構材料研究領域迅猛發展。科學家們提出了一種基于負折射率材料的完美透鏡,其機理在于重建攜帶高頻信息的倏逝波分量實現近場超分辨成像,但目前仍然無法實現遠場超分辨成像。

上世紀90年代,Aharonov等人首次提出頻率帶限函數存在超振蕩現象。經過巧妙設計,頻率帶限函數局部振動頻率可以遠大于其整體最大振動頻率分量。關于超振蕩的研究隨後引起了學界的廣泛關注。如何在成像系統中構建一個超振蕩聚焦場,並在遠場打破波的衍射極限?如何極大程度地縮小衍射彌散斑尺寸,最終實現超分辨成像?團隊成員從聲波動方程出發,成功地構造了具有時間周期特性的聲波超振蕩函數。將時間頻率映射到空間頻率,利用自由優化算法設計出了厚度小于五分之一波長的平面聲學透鏡(圖1所示)。通過疊加不同空間頻率超聲分量,實現了遠場超分辨聲聚焦,並在實驗上觀測到了該現象。利用聲輻射力效應,團隊成員將被囚禁的顆粒環形象地定標了聚焦斑尺寸大小,證明其打破了衍射極限(圖2所示)。爲了檢驗超振蕩聲學透鏡成像分辨率,研究團隊對三種不同圖案的微結構進行了超聲成像實驗。與常規聲學透鏡成像效果對比,團隊成員發現超振蕩聲學透鏡的成像分辨率有著顯著地提高(圖3所示)。

祝雪丰教授现为物理学院/创新研究院声学超构材料与器件实验室负责人。目前该团队主要从事人工结构能流操控方面研究,在声学超构材料和声子超构材料等方向取得了系列重要成果,包括《科学》(Science,2019)、《自然·材料》(Nature Materials,2019)、《自然·通讯》(Nature Communications ,2016/2018/2019)、《物理评论快报》(Physical Review Letters,2018/2019)、《物理评论X》(Physical Review X,2014),《先进功能材料》(Advanced Functional Materials,2018)等期刊论文,并多次在国际会议和全国声学大会做邀请报告,研究水平达到国内外前沿水平,并培养了一批优秀的研究生。其中,团队成员2017级博士生沈亚西,今年以第一作者身份连续在Physical Review Applied,Physical Review Letters,Nature Communications上发表了一系列研究成果。该研究得到了国家自然科学基金、国家重大研发计划、中央高校基本科研业务费等支持。

論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-11430-3.

圖1:基于超振蕩原理的超聲透鏡

圖2:超振蕩聲輻射力囚禁

圖3:超分辨超聲成像

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