基于巴比涅原理扩展的缺陷弹性超表面实现亚波长结构聚焦调控

研究人员针对传统超表面仅能实现单焦点调控的局限，创新性提出"缺陷超表面"概念，通过引入缺陷单元打破完美超表面设计范式。该研究结合理论与实验证实了亚波长间距(<λ)多焦点调控的可行性，利用巴比涅(Babinet)原理实现焦点数量与能量分布的可编程设计，并拓展至Talbot效应和数字编码应用。这项工作为无损检测中的弹性波整形及声/光镊阵列设计提供了新思路。

　　

在波动物理与材料科学的交叉领域，传统超材料设计长期追求结构的完美周期性，而缺陷往往被视为需要消除的负面因素。然而近年来的研究逐渐揭示，刻意引入的缺陷能赋予材料新奇的波调控功能——从电磁波的完全透射/反射到声波的非互易传输，缺陷工程已成为实现超越自然材料性能的关键手段。特别是在低维人工结构如超表面(metasurface)中，这种仅通过二维界面相位调制就能实现波前操控的技术，虽具有结构紧凑的优势，却长期受限于单一功能调控的瓶颈。如何通过简单结构实现亚波长精度的多焦点调控，一直是困扰研究人员的难题。

针对这一挑战，中国的研究团队在《Extreme Mechanics Letters》发表创新性研究，首次将缺陷作为自由度引入弹性超表面设计。该工作以304不锈钢板(厚度1 mm，弹性模量200 GPa)为载体，通过设计锯齿形单元(周期λ/3)构建传输型超表面，采用真空缺陷策略选择性移除单元细胞。理论推导出相位分布φ=-2π/λ(√(y²+f²)-f)的调控方程，在15 kHz工作频率(λ=25.1 mm)下实现了突破衍射极限的聚焦控制。

关键技术包括：1) 基于Babinet原理的缺陷阵列设计；2) 锯齿形单元相位调制；3) 亚波长焦点间距(<25.1 mm)的实验验证；4) Talbot效应周期性聚焦实现；5) 数字编码功能拓展。

【single-defect metasurface】
通过单缺陷设计证实缺陷间距与焦点分布的关联性。当缺陷宽度为4单元(32 mm)时，主焦点能量降低23%，同时激发间距12.5 mm(<λ/2)的次级焦点，该现象源于缺陷单元的滤波效应与相邻超表面区域的干涉增强。

【Conclusion】
研究证实缺陷超表面可突破传统单焦点限制，通过调节缺陷数量/尺寸实现：1) 亚波长级(最小12.5 mm)多焦点阵列；2) 基于Babinet原理的焦点能量预测模型；3) Talbot自聚焦与二进制编码功能。这种"以缺为用"的策略为弹性波无损检测提供了新方法，其原理可推广至光学/声学镊阵列设计。

该工作的核心价值在于将传统视为有害的缺陷转化为调控自由度，通过简单的二维界面重构实现传统需要复杂三维结构才能获得的波场调控效果。研究团队特别指出，这种设计方法在工业无损检测中具有应用潜力，例如通过编程缺陷分布实现材料内部多缺陷的同步定位检测。值得注意的是，文中揭示的缺陷诱导次级焦点机制，为理解波在非完美周期结构中的传播规律提供了新视角，其理论框架可扩展至其他波动物理系统。