聲-光超構(gòu)材料的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、聲/光超構(gòu)材料是新型人工微結(jié)構(gòu)材料，具備天然材料不存在或難以實(shí)現(xiàn)的聲波/光波波動(dòng)性質(zhì)，使得完全和自由地操控波的傳播成為可能，從而在光學(xué)、電磁學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，有望引發(fā)信息技術(shù)、國(guó)防工業(yè)、新能源技術(shù)和微細(xì)加工技術(shù)等的重大變革。為突破人工和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的局限，本文基于遺傳算法，以不同的波動(dòng)特性和功能為目標(biāo)，針對(duì)固體-固體和多孔固體聲子晶體、多孔固體聲光子晶體、聲/光波動(dòng)器件和各向異性彈性波超材料進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化研

2、究。主要內(nèi)容和成果包括:
　　1.建立了固體-固體聲子晶體的帶隙優(yōu)化模型，討論了不同帶隙序號(hào)下優(yōu)化結(jié)構(gòu)的拓?fù)涮卣鳎治隽瞬牧蠀?shù)、填充率約束和對(duì)稱性約化對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的影響;提出了改進(jìn)的遺傳算法以解決具有大計(jì)算量的帶隙優(yōu)化問題，設(shè)計(jì)出具有寬頻帶隙特性的聲子晶體微結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明:對(duì)于四方對(duì)稱聲子晶體，面外模態(tài)特定帶隙優(yōu)化的結(jié)構(gòu)具備簡(jiǎn)單的幾何特征，即散射體的總數(shù)等于帶隙序號(hào)的整數(shù)倍，所有散射體的中心構(gòu)成典型的泰森多邊形;在填充率約束條

3、件下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)依然存在上述簡(jiǎn)單的幾何特征;不同組分材料下面外模態(tài)帶隙優(yōu)化的結(jié)構(gòu)具有相似的拓?fù)涮卣?多精英遺傳算法結(jié)合自適應(yīng)模糊適應(yīng)度?；瓤杀ＷC優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確度，又可顯著減少精確適應(yīng)度的評(píng)價(jià)次數(shù)和加快收斂速度;對(duì)稱性約化對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的拓?fù)涮卣饔绊戯@著;對(duì)于面外模態(tài)和全波模態(tài)，非對(duì)稱結(jié)構(gòu)均展現(xiàn)出新的拓?fù)涮卣骱透鼘挼膸丁?br>　　2.建立了多孔固體硅聲子晶體和聲光子晶體的帶隙多目標(biāo)優(yōu)化模型，討論了對(duì)稱性約化對(duì)四方晶格和三角晶格體系下優(yōu)化

4、結(jié)果的影響;分析了結(jié)構(gòu)對(duì)稱性和材料對(duì)稱性對(duì)聲光子晶體優(yōu)化的影響;設(shè)計(jì)出具有寬頻帶隙的多孔聲子晶體，以及同時(shí)具有超寬聲完全帶隙和光完全帶隙的聲光子晶體。研究結(jié)果表明:所有優(yōu)化的聲子晶體均具有相似的拓?fù)涮卣?，即由集中質(zhì)量塊和弱連接體構(gòu)成的周期結(jié)構(gòu);對(duì)稱性約化可獲得帶隙特性更優(yōu)的結(jié)構(gòu)，其優(yōu)化結(jié)構(gòu)依然保持著類似的局域共振拓?fù)涮卣?四方晶格體系下優(yōu)化的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)均具有最優(yōu)的多目標(biāo)性能，旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)次之;三角晶格體系下優(yōu)化的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)具有較好的多

5、目標(biāo)性能;降低材料對(duì)稱性對(duì)帶隙優(yōu)化更有利，對(duì)于較低的材料對(duì)稱性，結(jié)構(gòu)對(duì)稱性更低的結(jié)構(gòu)更容易獲得較寬的帶隙和較低的平均質(zhì)量密度。所有優(yōu)化的聲光子晶體依然均由集中質(zhì)量塊和弱連接體組成;四方晶格體系下材料對(duì)稱性較高時(shí)，旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)優(yōu)于高對(duì)稱結(jié)構(gòu);三角晶格體系下高對(duì)稱結(jié)構(gòu)優(yōu)于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu);對(duì)于聲光帶隙工程，三角晶格比四方晶格的魯棒性要強(qiáng)。
　　3.建立了聲/光波動(dòng)器件的優(yōu)化模型，設(shè)計(jì)出高效的聲光子晶體微腔和具有高品質(zhì)因子的彈性波濾波器，詳

6、細(xì)討論了不同頻率下濾波器的拓?fù)涮卣饕约盀V波性能，展示了濾波器中微腔在波導(dǎo)-微腔系統(tǒng)中的潛在應(yīng)用。研究結(jié)果表明:優(yōu)化的聲光子晶體微腔由集中質(zhì)量塊和弱連接體構(gòu)成，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)聲波和光波能量的高度集中;濾波器中微腔模態(tài)的對(duì)稱性、微腔與波導(dǎo)之間的距離能顯著影響濾波器的性能;大部分優(yōu)化的濾波器都在共振頻率附近存在典型的法諾共振現(xiàn)象;具有高對(duì)稱性的微腔模態(tài)可用于實(shí)現(xiàn)高效的多波長(zhǎng)濾波器、上載濾波器和T型分束器等。
　　4.基于等效介質(zhì)理論建立了彈

7、性波超材料的寬頻負(fù)等效參數(shù)優(yōu)化模型，設(shè)計(jì)出拓?fù)涮卣骱?jiǎn)單的雙負(fù)和雙曲超材料，分析了不同目標(biāo)頻率范圍下優(yōu)化結(jié)構(gòu)的拓?fù)涮卣饕约安▌?dòng)性能，驗(yàn)證了超材料的寬頻雙負(fù)和雙曲特性，討論了超材料的相關(guān)波動(dòng)行為。研究結(jié)果表明:所構(gòu)建的拓?fù)鋬?yōu)化框架可很好地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)頻率范圍內(nèi)寬頻的負(fù)等效質(zhì)量密度和負(fù)等效彈性模量;所有優(yōu)化的超材料均具有相似的拓?fù)涮卣?，即多個(gè)集中質(zhì)量塊通過較弱的連接體相連;微結(jié)構(gòu)的四極子共振或多極子共振是產(chǎn)生負(fù)等效質(zhì)量密度和負(fù)等效彈性模量的物理機(jī)

8、制;雙負(fù)超材料可實(shí)現(xiàn)縱波的負(fù)折射和亞波長(zhǎng)成像;特別地，首次在單相的彈性波超材料中實(shí)現(xiàn)了面內(nèi)橫波的負(fù)折射;大部分雙負(fù)超材料均可在不同頻率點(diǎn)分別作為縱波或橫波的零指數(shù)超材料，并實(shí)現(xiàn)理想的隱身效應(yīng)。負(fù)等效質(zhì)量密度或負(fù)等效彈性模量主導(dǎo)的優(yōu)化方法均可分別實(shí)現(xiàn)寬頻雙曲超材料的優(yōu)化設(shè)計(jì);對(duì)于超低頻率區(qū)域(λ≈10a～90a)，攜帶亞波長(zhǎng)信息的凋落波在雙曲超材料中被顯著地放大，從而可實(shí)現(xiàn)深亞波長(zhǎng)成像，甚至可獲得高達(dá)λ/64的分辨率。
　　本文關(guān)于