Acoustic imaging with three-dimensional acoustic Luneburg metalens

Abstract

룬버그 렌즈는 수차가 없는 구배 굴절률 렌즈의 한 종류로서 모든 입사 방향에 대해 파동을 집중시키거나 시준할 수 있다. 그 특성으로 인해 고이득 안테나와 같은 통신 분야에서 주로 활용되었다. 메타물질은 자연계에 존재하지 않는 특이한 특성을 가진 물질을 뜻하며, 파장보다 작은 산란체들 (또는 메타원자들)을 주기적으로 배치함으로써 설계된다. 따라서 룬버그 메타렌즈는 렌즈의 구배 굴절률이 달성되도록 메타 원자를 주기적으로 배열함으로써 구현된다. 두 개념 모두 광/전자기 영역에서 먼저 제안되었지만, 탄성/음향 분야와의 유사성으로 역학파로 확장되었다. 본 논문에선 수중에서 작동되는 3차원 음향 룬버그 메타렌즈가 소개된다. 유효 물성치를 통해 그 렌즈의 특성 및 성능을 파악할 수 있기 때문에 메타 원자에 대하여 밴드 구조 계산과 산란 매개변수 검색 방법을 통해 물성치들이 계산됐다. 집중 성능을 나타내는 반치전폭이 계산되었고, 전 방향 특성을 확인하기 위해 여러 입사 방향에 대한 수치 및 실험 결과가 비교되었다. 결과적으로 새롭게 제안된 장치는 수중 통신 및 이미징 분야의 차세대 소나, 비파괴 검사 또는 의료용 초음파 센서에 활용될 잠재성을 지닌다.|Luneburg lens is a type of aberration-free gradient index lens that focuses or collimates waves at all incident direction. Due to its characteristics, the lens has been mainly used in communication fields such as high-gain antennas. Metamaterials refer to materials with unique properties that do not exist in nature and are designed by periodically arranging scatterers (or meta-atoms) smaller than the wavelength. Therefore, the Luneburg metalens is realized by periodically arranging meta-atoms so that the gradient refractive index of the lens is achieved. Both concepts were first proposed in the optic/electromagnetic realm but were extended to mechanical waves due to their similarity to the elastic/acoustic realm. In this paper, three-dimensional acoustic Luneburg metalens worked in water is introduced. Since the properties and performance of the lens can be identified through the effective material properties, these properties were calculated through band structure calculations and scattering parameter retrieval method for meta-atoms. The full width at half maximum, indicating the focusing performance, was calculated, and the numerical and experimental results for various incident directions were compared to confirm the omnidirectional characteristics. As a result, the newly proposed devices have the potential to be used for next-generation sonar, non-destructive testing, or medical ultrasonic sensors in underwater communication and imaging fields.