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研究動態
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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·通訊》(Nature Communications)在線發表了我院祝雪豐教授團隊題為《基于超振蕩波包的聲學超透鏡》(Ultrasonic super-oscillation wave-packets with an acoustic meta-lens)的研究論文。團隊成員基于人工超構材料結構實現了聲學超振蕩聚焦效應,并在實驗上證實了聲學超振蕩波束的輻射力操控和微結構超分辨聲成像。該工作由我院祝雪豐教授團隊、新加坡國立大學仇成偉教授團隊和中國科學院深圳先進技術研究院鄭海榮教授團隊共同合作完成财富彩票手机客户端。我院2017級博士生沈亞西、2014級博士生彭玉桂為論文共同第一作者财富彩票手机客户端。

波在傳播過程中會伴隨衍射現象,即波遇到障礙物時财富彩票手机客户端,部分會繞至障礙物后并繼續向前傳播。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,不可能為一個無尺寸大小的理想點,而是一個有尺寸的彌散斑,即艾里斑财富彩票手机客户端。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财富彩票手机客户端。因此财富彩票手机客户端财富彩票手机客户端,成像系統的分辨率與彌散斑的尺寸直接相關,彌散斑尺寸越大财富彩票手机客户端,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,是一個極為重要的研究課題财富彩票手机客户端。近年來,超構材料研究領域迅猛發展??茖W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。經過巧妙設計财富彩票手机客户端,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后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,并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财富彩票手机客户端,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财富彩票手机客户端,并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财富彩票手机客户端,證明其打破了衍射極限(圖2所示)。為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)。

祝雪豐教授現為物理學院/創新研究院聲學超構材料與器件實驗室負責人。目前該團隊主要從事人工結構能流操控方面研究,在聲學超構材料和聲子超構材料等方向取得了系列重要成果,包括《科學》(Science,2019)、《自然·材料》(Nature Materials,2019)财富彩票手机客户端、《自然·通訊》(Nature Communications ,2016/2018/2019)财富彩票手机客户端、《物理評論快報》(Physical Review Letters,2018/2019)财富彩票手机客户端、《物理評論X》(Physical Review X,2014),《先進功能材料》(Advanced Functional Materials,2018)等期刊論文,并多次在國際會議和全國聲學大會做邀請報告财富彩票手机客户端,研究水平達到國內外前沿水平,并培養了一批優秀的研究生。其中,團隊成員2017級博士生沈亞西,今年以第一作者身份連續在Physical Review Applied,Physical Review Letters财富彩票手机客户端,Nature Communications上發表了一系列研究成果财富彩票手机客户端。該研究得到了國家自然科學基金、國家重大研發計劃、中央高?财富彩票手机客户端;究蒲袠I務費等支持财富彩票手机客户端。

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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