Многоканальные ультразвуковые бесселевы вихревые пучки с помощью пространственно-мультиплексирующей металинзы

Звуковые спирали, которыми можно управлять

Представьте, что вы можете скручивать звук в крошечные подводные водовороты и отправлять несколько таких вихрей в разные стороны одновременно, и всё это — с одного бесшумного чипа. Именно этого достигает это исследование: показано, как моделировать ультразвук в несколько плотно сфокусированных «вихревых» пучков, которыми можно независимо управлять, что открывает новые возможности для подводной связи и деликатной бесконтактной манипуляции микрочастицами, например клетками или частицами.

Почему скрученный звук важен

В воде звук часто является лучшим способом передачи информации или зондирования среды. Помимо простых прямых пучков, инженеры научились формировать звук в виде штопора, так называемый вихревой пучок. Эти вращающиеся пучки несут «кручение», которое может захватывать мелкие частицы в тёмной центральной области и заставлять их вращаться, а разные степени кручения могут выступать как отдельные каналы для передачи информации. До сих пор большинство устройств могли формировать лишь один такой пучок или фиксированную картину, что ограничивало практическую применимость этих экзотических звуковых полей.

Одна линза — много звуковых водоворотов

Команда разработала специальную плоскую линзу, или металинзу, состоящую из плотной сетки крошечных столбиков, каждый примерно в пять сотых миллиметра в ширину. Когда ультразвук проходит через неё, разные высоты столбиков задерживают звук на разные величины, меняя форму выходной волны. Вместо того чтобы посвящать всю поверхность одному узору, исследователи переплели четыре шаблона по сетке, как шахматную доску, где каждый «цвет» принадлежит отдельному каналу. Простая входящая плоская волна таким образом превращается в четыре отдельные вихревые пучка, каждый из которых направлен под своим углом и несёт собственное кручение — всё это без движущихся частей или сложной электроники.

Поддержание узкости и эффективности пучков

Обычно вихревой звуковой пучок быстро расходится при распространении, теряя энергию. Чтобы этого избежать, авторы сочетают форму вихря с другим типом пучка, известным своей способностью сохранять узкость на больших расстояниях, получая так называемый бесселев вихревой пучок. Они точно настраивают дизайн так, чтобы при часто используемой медицинской ультразвуковой частоте 2 мегагерца четыре пучка оставались сфокусированными и хорошо разделёнными в воде. Компьютерные моделирования и эксперименты в резервуаре с точной 3D-печатной образцом показывают, что пучки возникают под заданными углами с ошибкой менее одной степени, и что большая часть звуковой энергии сосредоточена там, где нужно — в основном ядре каждого вихря, а не в нежелательных боковых рябях.

Настройка силы и формы

Поскольку линза кодирована по каналам, конструкторы могут изменять не только направление каждого пучка, но и степень его кручения и интенсивность. Присваивая более высокие «порядки кручения» выбранным каналам, они получают более широкие, более рассеянные водовороты, тогда как низкие порядки остаются более плотными — что полезно, если нужно захватывать частицы разного размера на разных позициях. Они также демонстрируют двухканальную версию линзы, в которой большая площадь поверхности отдаётся меньшему числу пучков. В этом случае интенсивность звука вблизи ядер вихрей увеличивается почти в четыре раза по сравнению с четырёхканальным дизайном, что является обменом числа каналов на более мощные и чистые пучки.

От лабораторной демонстрации к будущим инструментам

Измерения звукового поля подтверждают, что каждый канал близко соответствует идеальной вихревой форме с низким уровнем взаимных помех. Подход также выгодно отличается от старых методов, где несколько шаблонов просто накладывали друг на друга; в новой линзе, разбивающей поверхность на переплетённые области, теряется меньше энергии и каналы лучше разделяются. На практике это может означать компактные подводные устройства, одновременно передающие несколько потоков данных, или акустические пинцеты, сортирующие клетки по размеру или типу с помощью разных вихрей одновременно. В перспективе та же поканальная схема «пиксель за пикселем» может сочетаться с простыми масками или активными переключателями, чтобы включать и выключать каналы без перестройки линзы, делая скрученный звук ещё более гибким инструментом для связи, визуализации и микромасштабной манипуляции.

Цитирование: Su, Y., Wang, D., Gu, Z. et al. Multi-channel ultrasonic Bessel vortex beams by spatial multiplexing metalens. Commun Eng 5, 50 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00599-3

Ключевые слова: ультразвуковые вихревые пучки, подводная акустика, акустическая металинза, пространственное мультиплексирование, акустические пинцеты