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厦门大学等发表人工结构控制水波最新集成研究成果综述
访问数量:469发布时间:2024-05-30

厦门大学物理科学与技术学院陈焕阳教授团队等将变换光学设计方法推广到了水波,提出了变换水波力学理论,并在水波超构材料领域取得了一系列重要研究成果。近日,应Nature Review Physics邀约,陈焕阳教授与合作者撰写的以“Controlling water waves with artificial structures”为题的综述论文在线发表。该综述论文系统介绍了利用人工结构控制水波的基本理论和方法,对水波晶体和水波超构材料的应用、历史及未来发展做了系统综述。

水波是一种由重力控制的机械波,和电磁波类似它也是一种经典波。由于地球大约70%是由海洋覆盖,水波资源十分丰富并且具有可再生及清洁的特点。然而,由于波浪漂移力的存在,水波会对漂浮在水面上的设备造成损害。因此,探索有效的水波控制方法显得尤为重要,相关研究也在海浪能量收集、海岸防护及海上结构防护方面具有应用前景。目前,光子晶体控制电磁波的概念已被推广到了声波。基于光子晶体的能带结构,人们设计出了许多相关的器件,例如光子晶体波导、光子晶体光纤、光子晶体微腔。近二十年,超构材料引起了广泛关注,随着变换光学理论的提出,许多基于超构材料的功能器件被设计出来,例如隐身衣、旋转衣、幻象光学器件等。除了电磁超构材料,超构材料的概念也可以被推广到声学、热学及流体力学系统。由于水波方程与麦克斯韦方程组之间的相似性,利用超构材料及光子晶体控制电磁波的方法可以推广至水波,水波与人工结构之间的相互作用可产生新现象及新应用。

陈焕阳教授团队及合作者从水波传播基本理论、水波晶体的能带结构及相关效应、水波超构材料设计方法及应用、未来发展四个方面对人工结构控制水波研究进行了综述。从水波传播的基本理论介绍开始,介绍了水波方程的近似方法及电磁波和水波方程之间的对应关系。并从光子晶体的角度讨论了水波晶体,介绍了水波晶体的能带及能带相关的一些特性及现象,如水波布洛赫态、水波超透镜、水波自准直现象及水波安德森局域效应。介绍了计算水波晶体能带的一些常用方法,包括平面波展开法、多重散射法、转移矩阵法和有限元法。该研究还介绍了设计水波超构材料的基本方法,包括等效媒质理论、相干近似法,重点介绍了将变换光学方法推广至水波超构材料的设计及水波超构材料的一些重要应用,包括利用水波超构材料实现水波各向异性水深、水波隐身、水波能量集中、水波隔波及水波单向传输等现象,与传统的实现水波调控的方法进行了比较。最后,该研究对水波调控在水波非线性、水波时变超构材料、超构水栅、水波拓扑、水波连续域中的束缚态、水波自旋、流体超构材料等方面的发展进行了展望。


图1 常见的控制水波的结构。

(a)水底周期结构;(b)垂直阵列结构;(c)水面阵列结构;(d)水面薄板结构;(e)水底渐变结构;(f)层状结构。


厦门大学博士后朱杉、复旦大学博士生赵锌宇、厦门大学博士生韩林康是该论文的共同第一作者,厦门大学陈焕阳教授和复旦大学胡新华教授是通讯作者,复旦大学资剑教授也给予大力支持,厦门大学是论文第一完成单位。该工作也受到国家自然科学基金委面上项目、国家重点研发计划以及校长基金的资助,并且在厦门大学“双一流”海洋——物理的布局下,受到厦门大学物理系和水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室提供的教学示范基地和水浪平台的大力支持。



论文链接:
https://www.nature.com/articles/s42254-024-00701-8


本文来源:厦门大学

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