In this thesis, a detailed description of acoustic cloaking is put forth using a coating consisting of discrete layers, enabling the cancellation of the scattered field around the object. This particular approach has previously only been applied to electromagnetic waves, for which it was observed that cloaking could be achieved using isotropic materials over a finite bandwidth. The analysis begins with a presentation of the theoretical formulation, which is developed using classical scattering theory for the scattered acoustic field of an isotropic sphere coated with multiple layers. Unlike previous works on acoustic scattering from spherical bodies, the criteria for acoustic cloaking is that the scattered field in the surrounding medium be equal to zero, and seeking a solution for the layer properties which achieve this condition. To effectively investigate this situation, approximate solutions are obtained by assuming either quasi-static limits or thin shells, which provide valuable insight into the fundamental nature of the scattering cancellation. In addition, using these approximate solutions as a guide, exact numerical solutions can be obtained, enabling the full dynamics of the parameter space to be evaluated. Based on this analysis, two distinct types of acoustic cloaking were found: a plasmonic cloak and an anti-resonance cloak. The plasmonic cloak is a non-resonant type of cloak, named plasmonic because of its analogous behavior to the non-resonant cloak observed in electromagnetic waves which utilizes plasmonic materials to achieve the necessary properties. Due to the non-resonant behavior, this type of cloak offers the possibility of a much broader range of cloaking. To expand this design beyond wavelengths on the order of the uncloaked scatterer, multilayered cloak designs are investigated. The anti-resonance cloak, as the name suggests, uses the anti-resonances of the modes within the cloaking layer to supplement the non-resonant plasmonic cloaking of the scattered field. Although somewhat more limited in bandwidth due to the presence of anti-resonances (and the accompanying resonances), this type of cloak enables a larger reduction in the scattering strength, compared with using a single elastic layer utilizing only non-resonant cloaking. A thorough investigation of the design space for a single isotropic elastic cloaking layer is performed, and the necessary elastic properties are discussed. The work in this thesis describes the investigation of the theoretical formulation for acoustic cloaking, expanding upon the use of scattering cancellation previously developed for the cloaking of electromagnetic waves. This work includes a detailed look at the different physical phenomena, including both resonant and non-resonant mechanisms, that can be used to achieve the necessary scattering cancellation and which can be applied to a wide range of scattering configurations for which cloaking would be desirable. In addition to laying out a broad theoretical foundation, the use of limiting cases and practical examples demonstrates the effectiveness and feasibility of such an approach to the acoustic cloaking of a spherical object. / text

[EN] The aim of this work is to design new acoustic devices based on arrangements of scattering units. First, the use of sonic crystals as noise barriers for traffic noise control is comprehensively analyzed. Due to the limitations of the conventional structures based on rigid scatterers, the inclusion of absorbing elements is proposed. Two different types of absorbers are here considered: porous materials and microperforated plates. In the first case, the attenuation characteristics of barriers made with cylinders containing rubber crumb is analyzed. The second proposal is based on the construction of cylindrical microperforated shells. Analytical approaches modelling the behavior of the barriers have been developed in both cases. These models show a satisfactory agreement with the corresponding experimental realizations. Finally, it is performed an optimization process in order to obtain efficient sound barriers intended to attenuate traffic noise. Another application considered in this work is the construction of cloaks to render objects acoustically invisible. In particular, cloaks made with rigid inclusions are designed to operate with airborne sound. The first proposal consists of a cloak that utilizes the temperature of the background to control the properties of the effective medium. In addition, two and three-dimensional cloaks have been developed through the scattering cancellation technique. These devices have been designed by means of an optimization procedure and their performance has been experimentally demonstrated. / [ES] El objetivo de este trabajo es el diseño de nuevos dispositivos acústicos basados en disposiciones de centros de dispersión. En primer lugar, el uso de cristales sónicos como barreras acústicas para el control de ruido de tráfico es analizado en detalle. Debido a las limitaciones que presentan las estructuras convencionales basadas en centros de dispersión rígidos, se propone la inclusión de elementos absorbentes en los mismos. Se han considerado dos tipos distintos de absorbente: materiales porosos y placas microperforadas. En el primer caso se analizan las propiedades atenuadoras de barreras formadas por cilindros que contienen granza de caucho. La segunda solución se basa en la construcción de coronas microperforadas. En ambos casos se han desarrollado modelos analíticos que permiten determinar el comportamiento de las barreras. Dichos modelos muestran un acuerdo satisfactorio con las correspondientes realizaciones experimentales. Finalmente se ha realizado un proceso de optimización con objeto de obtener barreras eficientes para la atenuación de ruido de tráfico. Otra aplicación considerada en este trabajo es el desarrollo de dispositivos de invisibilidad acústica. Concretamente se pretenden diseñar mantos constituidos con elementos rígidos para ondas acústicas en aire. La primera propuesta consiste en un manto que utiliza la temperatura del medio externo para controlar sus propiedades efectivas. Además se han desarrollado mantos en dos y tres dimensiones a través de la técnica de cancelación de la dispersión. Los diseños han sido realizados por medio de un proceso de optimización y su funcionamiento ha sido demostrado experimentalmente. / [CA] L'objectiu d'aquest treball és el disseny de nous dispositius acústics basats en disposicions de centres de dispersió. En primer lloc, l'ús de vidres sònics com barreres acústiques per al control de soroll de trànsit és analitzat en detall. A causa de les limitacions que presenten les estructures convencionals basades en centres de dispersió rígids, es proposa la inclusió d'elements absorbents en els mateixos. S'han considerat dos tipus diferents de absorbent: materials porosos i plaques microperforades. En el primer cas s'analitzen les propietats atenuadores de barreres formades per cilindres que contenen gransa de cautxú. La segona solució es basa en la construcció de corones microperforades. En tots dos casos s'han desenvolupat models analítics que permeten determinar el comportament de les barreres. Aquests models mostren un acord satisfactori amb les corresponents realitzacions experimentals. Finalment s'ha realitzat un procés d'optimització per tal d'obtenir barreres eficients per l'atenuació de soroll de trànsit. Una altra aplicació considerada en aquest treball és el desenvolupament de dispositius d'invisibilitat acústica. Concretament es pretenen dissenyar mantells constituïts amb elements rígids per ones acústiques en aire. La primera proposta consisteix en un mantell que utilitza la temperatura del medi extern per controlar les seves propietats efectives. A més s'han desenvolupat mantells en dues i tres dimensions a través de la tècnica de cancel·lació de la dispersió. Els dissenys han estat realitzats per mitjà d'un procés d'optimització i el seu funcionament ha estat demostrat experimentalment. / García Chocano, VM. (2015). New devices for noise control and acoustic cloaking [Tesis doctoral]. Editorial Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/53026 / TESIS / Premios Extraordinarios de tesis doctorales

[ES] La tomografía por difracción surge para mejorar las técnicas de imagen al considerar la naturaleza ondulatoria de la luz. Mientras que los primeros sistemas de imagen médica se basaban únicamente en fuentes sin difracción, este enfoque consigue mejorar la reconstrucción del índice de refracción de los objetos, lo que permite, por ejemplo, el estudio de estructuras subcelulares. Del mismo modo, la demanda de redes de telecomunicaciones cada vez más rápidas y seguras ha propiciado la aparición de la fotónica. Hace dos décadas, la combinación de estos dos campos dio lugar a los primeros sistemas de tomografía por difracción óptica (ODT), los cuáles han evolucionado rápidamente durante este siglo. En esta tesis, presentamos dos nuevas aplicaciones de la ODT. La primera está relacionada con el concepto del microscopio tomográfico de fase (TPM), una versión de la ODT que permite el estudio de células aisladas, con muchas aplicaciones biomédicas, como el diagnóstico y la prognosis del cáncer. Sin embargo, los sistemas TPM actuales son caros, pesados y complejos. Para resolver estos problemas, proponemos el concepto de TPM en chip. Con este fin, diseñamos una hoja de ruta hacia el primer dispositivo tomográfico integrado en el marco de la tecnología lab-on-a-chip (LoC), y desarrollamos los primeros pasos para ello: 1) Hasta ahora, sólo se han utilizado detectores planos para obtener los mapas de índice de refracción de los objetos estudiados en TPM, basados en la detección del campo difractado hacia delante. Sin embargo, los principios físicos fundamentales indican que medir también el campo difractado hacia detrás debería mejorar la resolución de las imágenes. Además, un detector plano no es la configuración óptima para el TPM en chip. En esta línea, hemos explorado la posibilidad de usar detectores circulares en este escenario, como una técnica más adecuada para las configuraciones en chip, demostrando al mismo tiempo que este enfoque proporciona una mejor resolución que el lineal. 2) Proponemos un esquema de TPM en chip basado en el uso de nanoantenas dieléctricas como fuente de luz y píxeles detectores ODT, y caracterizamos experimentalmente su comportamiento mediante microscopía óptica de campo cercano. En cuanto a la segunda aplicación, estudiamos el potencial de la ODT como nuevo paradigma en la detección de capas de invisibilidad realistas, una de las aplicaciones más importantes de los metamateriales. Hasta ahora, el scattering cross section (SCS) se ha utilizado como modelo de referencia para diseñar y observar la eficacia de estos dispositivos para ocultar objetos. En nuestro estudio, demostramos que la ODT puede detectar las capas de invisibilidad prácticas con una sensibilidad superior a la que ofrece el SCS, incluso a las frecuencias de trabajo óptimas. Además, es posible obtener una imagen representativa del tamaño y la forma de la capa, revelando claramente su existencia. Finalmente, se discuten las conclusiones extraídas de los resultados obtenidos. Además, se detallan las futuras líneas de trabajo para abordar los retos que no se han completado en esta tesis doctoral. / [CA] La tomografia per difracció sorgeix per millorar les tècniques d'imatge anteriors en considerar la naturalesa ondulatòria de la llum. Mentre que els primers sistemes d'imatge mèdica es basaven únicament en fonts sense difracció, aquest enfocament aconsegueix millorar la reconstrucció de l'índex de refracció dels objectes, la qual cosa permet, per exemple, l'estudi d'estructures subcelulars. De la mateixa manera, la demanda de xarxes de telecomunicacions cada vegada més ràpides i segures ha propiciat l'aparició de la fotònica. Fa dues dècades, la combinació d'aquests dos camps va portar als primers sistemes de tomografia per difracció òptica (ODT), els quals han evolucionat ràpidament durant aquest segle. En aquesta tesi, presentem dues noves aplicacions de la ODT. La primera està relacionada amb el concepte del microscopi tomogràfic de fase (TPM), una versió de la ODT que permet l'estudi de cèl·lules aïllades, amb moltes aplicacions en biomedicina, com el diagnòstic i prognosi del càncer. No obstant això, els sistemes TPM actuals són cars, pesats i complexos. Per resoldre aquests problemes, proposem el concepte de TPM en xip. Per fer-ho, dissenyem un full de ruta cap al primer dispositiu tomogràfic integrat en el marc de la tecnologia lab-on-a-chip (LoC), i desenvolupem els primers passos a aquest efecte: 1) Fins ara, només s'han utilitzat detectors plans per a obtindre els mapes d'índex de refracció dels objectes estudiats en TPM, basats en la detecció del camp difractat cap avant. No obstant això, els principis físics fonamentals indiquen que mesurar també el camp difractat cap endarrere hauria de millorar la resolució de les imatges. A més, un detector pla no és la configuració òptima per al TPM en xip. En aquesta línia, hem explorat la possibilitat d'usar detectors circulars en aquest escenari, com una tècnica més adequada per a les configuracions en xip, demostrant al mateix temps que aquest enfocament proporciona una millor resolució que el lineal. 2) Proposem un esquema de TPM en xip basat en l'ús de nanoantenes dielèctriques com a font de llum i píxels detectors ODT, i caracteritzem experimentalment el seu comportament en camp pròxim mitjançant microscòpia òptica de camp pròxim. Pel que fa a la segona aplicació, estudiem el potencial de la ODT com a nou paradigma en la detecció de capes d'invisibilitat realistes, una de les aplicacions més importants dels metamaterials. Fins ara, el scattering cross section (SCS) s'ha utilitzat com a model de referència per a dissenyar i observar l'eficàcia d'aquests dispositius per a ocultar objectes. En el nostre estudi, vam demostrar que la ODT pot detectar les capes d'invisibilitat pràctiques amb una sensibilitat superior a la que ofereix el SCS, fins i tot a les freqüències de treball òptimes. A més, és possible obtindre una imatge representativa de la grandària i la forma de la capa, revelant clarament la seua existència. Finalment, es discuteixen les conclusions extretes dels resultats obtinguts i es detallen les futures línies de treball per a abordar els reptes que no s'han completat en aquesta tesi doctoral. / [EN] Diffraction Tomography arises to improve previous imaging techniques by considering the wave nature of light. Whereas the first medical imaging systems relied only on non-diffracting sources, this approach results in an enhanced reconstruction of the object's refractive index distribution, allowing, for example, the study of subcellular structures. Likewise, the demand for increasingly faster and secure telecommunication networks led to the advent of photonics. Two decades ago, the combination of these two fields gave rise to the first optical diffraction tomography (ODT) systems, which have rapidly evolved during this century. In this thesis, we present two novel applications of ODT. The first one is related to the concept of tomographic phase microscopy (TPM), a version of ODT that enables the study of isolated cells, with many applications in biomedicine, such as the diagnosis and prognosis of cancer. Nevertheless, current TPM systems are expensive, heavy, and cumbersome. To solve these issues we propose the concept of on-chip TPM. For this purpose, we design a roadmap towards the first integrated tomographic device in the frame of lab-on-a-chip (LoC) technology and develop the first steps to this end: 1) Until now, only flat detectors have been used to obtain the refractive index maps of the objects studied in TPM, based on the detection of the forward scattering. However, fundamental physical principles indicate that measuring also the backscattered field should improve the resolution of the images. Moreover, a flat detector is not the optimal configuration for on-chip TPM. In this vein, we have explored the possibility of using circular detectors in this scenario as a more suitable technique for on-chip configurations, demonstrating at the same time that this approach provides a better resolution than the linear one. 2) We propose a TPM on-chip scheme based on the use of dielectric nanoantennas as the ODT light source and detector pixels, and experimentally characterize their near-field behavior via scanning near-field optical microscopy. As for the second application, we study the potential of ODT as a new paradigm in the detection of realistic invisibility cloaks, one of the most important applications of metamaterials. Up to now, the scattering cross section (SCS) has been used as the gold standard to design and observe the effectiveness of these devices in hiding objects. In our study, we show that ODT can detect practical invisibility cloaks with a higher sensitivity than that offered by the SCS, even at the optimal working frequencies. Moreover, it is possible to obtain an image depicting the size and shape of the cloak, clearly revealing their existence. Finally, the conclusions drawn from the obtained results are discussed. In addition, future lines of action to address the challenges that have not been completed in this doctoral thesis are detailed. / Díaz Fernández, FJ. (2021). Novel Applications of Optical Diffraction Tomography: On-chip Microscopy and Detection of Invisibility Cloaks [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/180125 / TESIS