افتعال يتعلق بما وارء باستخدام أسلوب الرسم الألياف

Alessandro Tuniz; Richard Lwin; Alexander Argyros; Simon C. Fleming; Boris T. Kuhlmey

doi:10.3791/4299

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

Summary

يتعلق بما وارء على ترددات تيراهيرتز توفر فرصا فريدة من نوعها، ولكنها صعبة لصنع بكميات كبيرة. نكيف الإجراء تلفيق للألياف البصرية microstructured البوليمر غير مكلفة لتلفيق يتعلق بما وارء محتملة على نطاق صناعي. ونحن ننتج الألياف تحتوي على polymethylmethacrylate ~ قطرها ميكرون أسلاك الإنديوم 10 ميكرومتر مفصولة 100 ~، والتي تظهر استجابة تيراهيرتز plasmonic.

Abstract

يتعلق بما وارء هي من صنع الإنسان المواد المركبة، ملفقة من قبل تجميع مكونات أصغر بكثير من الطول الموجي الذي تعمل فيه ^1. انهم مدينون خصائصها الكهرومغناطيسية إلى هيكل ناخبيهم، بدلا من الذرات التي تشكل لهم. على سبيل المثال، يمكن ترتيب الأسلاك المعدنية الفرعية الطول الموجي للحاصلين على السماحية الكهربائية التي هي فعالة إيجابية أو سلبية سواء على تردد معين، وعلى النقيض من المعادن أنفسهم ^2. وهذا يمكن السيطرة غير مسبوقة خلال سلوك الضوء تؤدي إلى عدد من الأجهزة الرواية، مثل العباءات الخفي ^3، معامل الانكسار السلبي المواد ^4، والعدسات التي حل كائنات أقل من الحد حيود ^5. ومع ذلك، يتم إجراء يتعلق بما وارء التقليدية التي تعمل على ترددات والبصرية منتصف الأشعة تحت الحمراء وتيراهيرتز باستخدام النانو المتناهية الصغر وتلفيق تقنيات التي هي مكلفة وإنتاج عينات التي هي في معظم القليلة CENtimetres في حجم ^6-7. هنا نقدم طريقة تصنيع لإنتاج مئات الأمتار من الأسلاك المعدنية يتعلق بما وارء في شكل الألياف، والتي تظهر استجابة تيراهيرتز plasmonic ^8. نحن الجمع بين كومة ورسم التقنية المستخدمة لإنتاج البوليمر الألياف الضوئية microstructured ⁹ مع عملية تايلور من الأسلاك ^10، باستخدام الأسلاك الإنديوم داخل polymethylmethacrylate (PMMA) الأنابيب. يتم اختيار PMMA لأنه هو وسيلة سهلة للتعامل، وعازلة drawable مع الخصائص البصرية المناسبة في المنطقة تيراهيرتز؛ الإنديوم لأنه يحتوي على درجة حرارة انصهار 156.6 ° C الذي هو مناسبة لcodrawing مع PMMA. نحن تشمل الأسلاك الإنديوم بقطر 1 مم ونقاء 99.99٪ في أنبوب بقطر PMMA مم 1 الداخلية (ID) وخارج القطر 12 ملم (OD) التي أغلقت في نهاية واحدة. بعد إنسحاب الأنبوب وسحبها إلى القطر الخارجي لل1.2 مم. ثم يتم قطع الألياف مما أدى إلى قطع أصغر، ومكدسة في أنبوب أكبر PMMA. وختم هذا المكدس في واحدةنهاية وإدخالها فرن بينما يجري وضع بسرعة، مما يقلل من قطر بنية بمعامل 10، وزيادة طول بمعامل 100. تلك الألياف تمتلك ميزات على الصغير ونانو النطاق، مرنة بطبيعتها، producible الشامل، ويمكن أن تنسج لعرض الخصائص الكهرومغناطيسية التي لم يتم العثور عليها في الطبيعة. أنها تمثل منصة واعدة لعدد من الأجهزة الرواية من تيراهيرتز لترددات البصرية، مثل الألياف غير مرئية، ونسج الملابس معامل الانكسار السلبي، والعدسات الفائقة حل.

Protocol

نظرة عامة

يتم إنتاج مركب الإنديوم / PMMA الألياف (الشكل 3) عن طريق رسم كومة من الألياف PMMA بما في ذلك سلك واحد الإنديوم (الشكل 2)، هي نفسها أن تكون على استعداد من أنابيب وأسلاك PMMA المتاحة. الخطوات المقدمة هي:

إنتاج الألياف PMMA الذي يحتوي على سلك واحد من الإنديوم القطر المناسب لدليل التراص. لهذا، تعد أول أنبوب PMMA التي يمكن أن تستوعب (أ) 1 مم سلك الإنديوم (القسم 1)، ثم الإنديوم ولفت إلى الحجم المطلوب (القسم 2).
كومة ورسم الحصول على الفردية الإنديوم مملوءة ألياف البولى ميثيل ميثا أكريلات (القسم 3) إلى الحجم المطلوب.

القسمين 4 و 5 من التفصيل العمليات المستخدمة في الرسم القسمين 2 و 3.

1. افتعال أنبوب جاكيتينغ PMMA

يتم إجراء أنبوب جاكيتينغ PMMA تستخدم لهيكلة ال 1 مم سلك الإنديوم stretchiنانوغرام والتغطية معيار أنابيب PMMA في عملية القرعة الأولية (القسم 4) لجعل جاكيتينغ PMMA النهائي من أنبوب ID 1 مم وOD 12 ملم.

قطع أنابيب البولى ميثيل ميثا أكريلات مع معرف 6MM وOD من 12 مم إلى 600 مم أطوال. وينبغي إعداد عدة أنابيب PMMA لاستخدامها في المستقبل أثناء عملية التغطية.
يصلب الأنابيب PMMA في فرن التلدين في C 90 درجة مدة لا تقل عن 5 أيام.
إزالة أحد PMMA أنبوب من الصلب الفرن والسماح لتبرد إلى درجة حرارة الغرفة.
تنظيف سطح الأنبوب PMMA مع مناديل الأيزوبروبانول والسماح ليجف.
نعلق الأنبوب PMMA إلى الأعلى الموسع (الشكل 6) باستخدام تعكس الشريط (الشكل 7).
نعلق الأنبوب الرئيسي لPMMA التعادل الموسع أسفل (الشكل 6) باستخدام تعكس الشريط (الشكل 8).
تمتد الأنبوب PMMA في عملية الرسم الأولية (يرجى الرجوع إلى القسم 4). ملاحظة أنه لا يلزم فراغ لهذه المرحلة. ويمتد الأنبوب من PMMAOD 12 مم إلى 6 مم.
إزالة أنبوب الممتدة من برج التعادل بعد الرسم.
قطع أنبوب امتدت إلى 550 مم أطوال.
كرر الخطوات 1.3 و 1.4.
تسخين الجزء العلوي من الأنبوب امتدت بمسدس الهواء الساخن حتى يلين والمواد تجعيد ختم الحفرة باستخدام كماشة (الشكل 9).
إدراج أنبوب في أنبوب امتدت PMMA جديدة لإنشاء أنبوب الجمعية PMMA (الشكل 10). على الجانب السفلي من أنبوب الجمعية PMMA (أي الجانب الذي لديه أنبوب الضغوط الداخلية المفتوحة)، والتفاف بولي تترافلوروإيثيلين (PTFE) الشريط كما هو موضح في الشكل 10، لاغلاق الفجوة بين أنبوب أنبوب الضغوط وPMMA جديدة.
إرفاق نهاية العلوي من أنبوب الجمعية PMMA (أي الجانب الذي لديه أنبوب الضغوط الداخلية مختومة) إلى الأعلى الموسع (الشكل 7)، وذلك باستخدام طبقة داخلية من شريط لاصق، وطبقة وسطى من الشريط PTFE، وطبقة خارجية من عاكس الشريط. ضمانPTFE الشريط هو ضيق ومختومة جميع الفجوات بين الجمعية وأنبوب PMMA الموسع الأعلى.
نعلق الأنبوب PMMA إلى أسفل الموسع التعادل الأساسي كما هو موضح في 1.6.
وتمتد كم أنبوب PMMA التجميع في عملية الرسم الأولية مع الفراغ (يرجى الرجوع إلى القسم 4). ويمتد أنبوب الجمعية PMMA من 12 ملم إلى 6 ملم OD.
فإن الناتج جاكيتينغ PMMA امتدت أنبوب يكون ID / OD 0.25 تقريبا. تكرار 1،9 حتي 1،15 حتى جاكيتينغ PMMA النهائي أنبوب لديه ID / OD من 0.1 تقريبا مع رقم من 1 مم (الشكل 1).

2. افتعال الإنديوم تعبئة الألياف

ال 1 مم سلك الإنديوم هو بأكمام وامتدت في أنبوب جاكيتينغ PMMA المحرز في القسم 1 باستخدام عملية السحب الثانوية (القسم 5) لإنتاج الألياف الإنديوم مليئة مم 1،2 OD النهائي.

إعداد ويصلب أنابيب جاكيتينغ PMMA كما هو موضح في 1،1 حتي 1،4.
قطع الأسلاك الإنديوم لأطوال مم 550.
إدراج الإنديوم الأسلاك في أنبوب جاكيتينغ PMMA لإنشاء التشكيل الإنديوم ملء الجمعية كما هو مبين في الشكل 11.
ختم الجانب السفلي من الأنبوب جاكيتينغ PMMA كما هو موضح في 1.11.
الإنديوم إرفاق ملء التشكيل الجمعية إلى الأعلى الموسع كما هو موضح في الجزء السفلي 1.13 و التعادل الموسع الثانوية كما هو موضح في 1.14.
وتمتد الأكمام الإنديوم ملء التشكيل التجميع في عملية الرسم الثانوي مع فراغ لجعل الألياف ملء الإنديوم (راجع القسم 5) لملم النهائي 1 OD وضع تحت التوتر ز 15-20.
إزالة التخزين المؤقت من الألياف الإنديوم شغله من البرج بعد الانتهاء من عملية السحب.
تفقد endface وعلى طول الطولي للالإنديوم ملء الألياف باستخدام مجهر الضوء. يمكن العيوب إشكالية تشمل الفصل بين الأسلاك الإنديوم واجهة PMMA أنابيب، وتقلبات في قطر السلك أو الشقوق كسر على طول الألياف. صور المجهر الضوئي للدائرة الهجرة والجنسيةوتعرض IUM الألياف شغلها في الشكل 2، مما يدل على استمرار الإنديوم ميكرومتر 100 سلك من الألياف في 1 مم PMMA OD.
تكرار 2،1 حتي 2،8 حتى يتم إنتاج ما يكفي من الألياف الإنديوم لملء التشكيل مكدسة الإنديوم.

3. افتعال مرصوف الإنديوم الألياف

وملفقة الألياف مكدسة الإنديوم من التراص أولا الألياف التي تنتج في ملء الإنديوم Secton 2 في أنبوب أكبر PMMA جاكيتينغ التشكيل، والتي تمتد بعد ذلك والأكمام للأبعاد الألياف المطلوب باستخدام عملية السحب الثانوية (القسم 5).

إعداد التشكيل جاكيتينغ PMMA أنبوب كما هو موضح في 1.1. لأغراض العرض التوضيحي، سوف نستخدم أنبوب OD PMMA من 12 ملم و 9 ملم ID.
قطع الإنديوم تملأ الألياف لملم طول 550.
تنظيف سطح جاكيتينغ PMMA أنبوب التشكيل والإنديوم تملأ الألياف مع مناديل الأيزوبروبانول والسماح ليجف.
حزمة الألياف الإنديوم ملء باستخدام الأربطة المطاطية وإدراجفي جاكيتينغ PMMA أنبوب التشكيل، وضمان ألياف مستقيمة وذات نوبة ضيق (الشكل 12).
يصلب الجمعية التشكيل مكدسة في الفرن الصلب C 90 درجة في مدة لا تقل عن 5 أيام.
إزالة التشكيل مكدسة الجمعية من الفرن الصلب والسماح لتبرد إلى درجة حرارة الغرفة.
الإنديوم إرفاق ملء التشكيل الجمعية إلى الأعلى الموسع كما هو موضح في الجزء السفلي 1.13 و التعادل الموسع الثانوية كما هو موضح في 1.14.
وتمتد الأكمام الجمعية التشكيل مكدسة في عملية الرسم الثانوي مع فراغ لجعل الإنديوم مكدسة الألياف (راجع القسم 5). ويمتد هذا إلى 0،6 مم النهائي OD وضع تحت التوتر ز 80، إنتاج الألياف تحتوي على أسلاك metamaterial 5 مم فصل بنسبة 50 ميكرومتر. ويرد بصري المجهر مستعرضة صورة من الألياف الناتجة في الشكل 3.
إزالة التخزين المؤقت من الألياف مكدسة الإنديوم من البرج بعد الانتهاء من عملية السحب.
فيSPECT في endface وعلى طول طولية من الألياف مكدسة الإنديوم كما هو موضح في 2.8 (الشكل 3).

4. رسم الأولية عملية

يتم استخدام عملية السحب الأولية لتمتد إلى أقطار التشكيل الخارجي أكبر من 1 مم. يستخدم الإجراء التالي في القسم 1: افتعال أنبوب جاكيتينغ PMMA.

تحميل التشكيل على البرج التعادل بواسطة لقط الموسع الأعلى إلى الفك تشاك الثلاثة. تغذية التشكيل في المنطقة الساخنة من الفرن (الشكل 13). محاذاة التشكيل باستخدام ميكرومتر المرحلة XY. إغلاق لوحة العلوي من الفرن.
مرحلة ما قبل الحرارة ترتفع درجة الحرارة في المنطقة المقطعية للالتشكيل لدرجة حرارة الرسم، وذلك باستخدام درجة حرارة الملف هو موضح في الشكل 14.
تبدأ عملية الرسم عن طريق زيادة درجة الحرارة إلى C ° 185، البدء في معدل التغذية في 5 مم / دقيقة، واستخلاص معدل 6 مم / دقيقة وإغلاق رانه رسم المشابك حدة. دراسة سلوك التوتر التعادل مع مرور الوقت (الشكل 15).
- إذا كان التوتر يزيد أضعافا مضاعفة، والتوقف عن تغذية الوحدات وتعادل، انتظر 1 دقيقة للسماح للالتشكيل لتسخين لدرجة حرارة الرسم، قبل البدء في خدمة وحدات استخلاص مرة أخرى. كرر الاختبار حتى تستقر التوتر.
- إذا كان التوتر يقع، وزيادة معدل السحب من 1-2 ملم / دقيقة. الاستمرار في زيادة معدل التعادل 1-2 ملم في / زيادات دقيقة (ما دام لا يزال التوتر إما ثابتة أو يبدأ السقوط)، حتى يتم تحقيق معدل التعادل المطلوبة.
إذا كان مطلوبا فراغ، فراغ أنبوب إرفاق فراغ مختومة إلى الأعلى التشكيل الموسع باستخدام هذه التطبيقات تقنية بلو تاك (الشكل 13). بدوره على الفراغ بعد الأعلاف وحدات السحب بدأت لضمان التشكيل يقترب بشكل متناظر.
استخدام الرسم الأساسي في حالة الجدول 1 كدليل عند رسم التشكيل. لاحظ درجة حرارة الفرن والدفتريةإلى صف في خدمة ورسم قيم لا بد من رصد مستمر للحفاظ على OD والتوتر الرسم. ملاحظة التي يمكن الحصول عليها قطرها الخارجي للدلالة على الألياف المستخلصة من كتلة المعادلة التوازن،
D = D _{النهائي بداية} (F / D) ^1/2 حيث D _{النهائي} - هو قطر الألياف النهائي، D _بداية هو قطر التشكيل الأولي، F هو معدل التغذية، وD هو معدل التعادل. وقف التغذية ومعدل الرسم والتبديل من الفرن عند الانتهاء من التشكيل. إزالة التشكيل من برج التعادل مرة واحدة في التشكيل يبرد إلى درجة حرارة الغرفة.

5. الثانوية رسم عملية

يتم استخدام عملية السحب الثانوية لتمتد إلى المواد المستنفدة للأوزون التشكيل أصغر من 1 مم. يستخدم الإجراء التالي في القسم 2: افتعال الإنديوم ملء الألياف و3: افتعال الألياف مكدسة الإنديوم.

تحميل التشكيل لياليالتعادل econdary هو نفسه كما هو الحال في عملية القرعة الأولية (الخطوة 4.1).
مرحلة ما قبل التسخين للاشتراك في السحب الثانوي هو نفسه كما هو الحال في عملية القرعة الأولية (الخطوة 4.2).
ويبدأ التشكيل أسفل الرقبة مرة واحدة يتم الوصول إلى درجة الحرارة الرسم. القائمة المنسدلة من مخارج التشكيل الجزء السفلي من الفرن نظرا لوزن الموسع أسفل توفير قوة الرسم الأولي (الشكل 16).
بدء معدل التغذية (2.5 - 5 مم / دقيقة) والبدء في زيادة درجة حرارة الفرن (2.5 - 5 ° C) للسيطرة على سرعة الإفلات أسفل. ينبغي الحفاظ على الألياف قطر حول 250 حتي 500 ميكرومتر لمنع العض الألياف.
إرفاق الألياف إلى عجلة الغزل التي يتم كابستان بمعدل بطيء وكيل 1 دقيقة / م في البداية. الرياح الألياف حول العجلات راقصة ونعلق على بكرة الألياف.
إذا كان مطلوبا إرفاق فراغ فراغ أنبوب كما هو موضح في 4.4.
وسوف تكون القرعة الألياف في البداية في ظل ظروف عابرة التعادل. Sوآخرون على معدل التغذية، واستخلاص معدل درجة حرارة الفرن وإلى القيم التعادل حالة المطلوب. ويتحقق قطر الألياف والتوتر التعادل تقلب حتى حالة مستقرة بعد بضع دقائق.
استخدام الرسم حالة الثانوية في الجدول 2 كدليل عند رسم التشكيل. لاحظ درجة حرارة الفرن والنسبة بين الأعلاف ومعدل السحب يجب أن يتم رصد مستمر للحفاظ على OD والتوتر الرسم.
إيقاف عملية كما هو موضح في 4.5.