Herstellung Metamaterialien Mit dem Fiber Drawing Methode

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

doi:10.3791/4299

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In diesem Artikel

Zusammenfassung
Zusammenfassung
Protokoll
Ergebnisse
Diskussion
Offenlegungen
Danksagungen
Materialien
Referenzen
Nachdrucke und Genehmigungen

Zusammenfassung

Metamaterialien bei Terahertz-Frequenzen bieten einzigartige Möglichkeiten, aber sind anspruchsvoll in der Masse herzustellen. Wir passen die Fertigung Verfahren für mikrostrukturierte optische Polymerfasern, kostengünstig herzustellen Metamaterialien potenziell im industriellen Maßstab. Wir produzieren Polymethylmethacrylat Fasern mit ~ 10 Mikrometer Durchmesser Indium-Drähte durch ~ 100 um, die eine Terahertz-Plasmonen Resonanz aufweisen getrennt.

Zusammenfassung

Metamaterialien sind künstlich Verbundwerkstoffen, durch Zusammensetzen Komponenten viel kleiner als die Wellenlänge, bei der sie tätig ¹ hergestellt. Sie verdanken ihre elektromagnetischen Eigenschaften der Struktur ihrer Bestandteile, anstelle der Atome, die sie zu komponieren. Beispielsweise kann subwellenlängen Metalldrähten angeordnet ist, um eine effektive elektrische Permittivität, die entweder positiv oder negativ ist bei einer gegebenen Frequenz besitzen, im Gegensatz zu den ^zwei Metalle selbst sein. Diese beispiellose Kontrolle über das Verhalten des Lichts kann möglicherweise zu einer Reihe von neuen Geräten, wie Unsichtbarkeitsmäntel ^3, negativen Brechungsindex Materialien ⁴ und Linsen, die Objekte unterhalb der Beugungsgrenze ⁵ zu lösen führen. Allerdings werden die bei optischen Metamaterialien, im mittleren Infrarot und Terahertzfrequenzen herkömmlicherweise unter Verwendung von Nano-und Mikro-Herstellungstechniken, die teuer sind und produzieren Proben, die höchstens einige wenige sind JhsZentimetern in der Größe ^6-7. Hier präsentieren wir ein Herstellungsverfahren, um Hunderte von Metern Metalldraht Metamaterialien in Form von Fasern, die eine Terahertz-Plasmonen Antwort ⁸ aufweisen produzieren. Wir verbinden die Stapel-und-Streck-Technik verwendet, um mikrostrukturierte optische Polymerfaser ⁹ mit dem Taylor-Draht-Prozess ^{10 zu} erzeugen, unter Verwendung von Indium Drähte innerhalb Polymethylmethacrylat (PMMA) Tuben. PMMA wird gewählt, da es eine einfach handhabbare, ziehfähigen Dielektrikum mit geeigneten optischen Eigenschaften in der Terahertz-Bereich; Indium, weil es eine Schmelztemperatur von 156,6 ° C aufweist was angemessen codrawing mit PMMA. Wir schließen ein Indium Drahtes mit 1 mm Durchmesser und 99,99% Reinheit in einer PMMA-Röhrchen mit 1 mm Innendurchmesser (ID) und 12 mm Außendurchmesser (OD), die an einem Ende verschlossen ist. Das Rohr wird evakuiert und nach unten zu einem äußeren Durchmesser von 1,2 mm gezogen. Die resultierende Faser wird dann in kleinere Stücke geschnitten und gestapelt in eine größere PMMA-Rohr. Dieser Stapel wird in einem dichtEnde und in einen Ofen, während sie schnell gezeichnet, Reduzieren des Durchmessers der Struktur um den Faktor 10, und die Erhöhung der Länge um einen Faktor von 100. Solche Fasern besitzen Eigenschaften, auf der Mikro-und Nano-Maßstab, sind von Natur aus flexibler, Massen-produzierbar und können gewebt, um elektromagnetische Eigenschaften, die nicht in der Natur vorkommen aufweisen werden. Sie stellen eine vielversprechende Plattform für eine Reihe von neuartigen Geräten von Terahertz um optische Frequenzen, wie unsichtbare Fasern, Gewebe negativen Brechungsindex Tücher und super-Auflösen Linsen.

Protokoll

Überblick

Die zusammengesetzte Indium / PMMA-Faser (3) durch Ziehen eines Stapels von PMMA-Fasern einschließlich eines einzelnen Indiumdraht (Abbildung 2), die selbst um aus verfügbaren PMMA Rohren und Drähten hergestellt werden hergestellt. Die Schritte vorgestellt werden sind:

Produzieren eine PMMA-Faser, die eine einzige Indium-Draht mit einem Durchmesser von entsprechenden manuelles Stapeln enthält. Dazu zunächst ein PMMA Röhre, die eine 1 mm Indium-Draht (Abschnitt 1) aufnehmen kann, dann sind die Indium und ziehen, um die gewünschte Größe (Abschnitt 2).
Stapel und ziehen die erhaltenen einzelnen Indium-gefüllten PMMA-Fasern (Abschnitt 3) auf die gewünschte Größe.

§ § 4 und 5 detailliert die Zeichnung Prozesse in den Abschnitten 2 und 3 verwendet.

Ein. Herstellung der PMMA Mantelrohr

Die PMMA Mantelrohr verwendet, um die 1 mm Indiumdraht Struktur wird durch stretchi gemachtng und Schlauch Standard-PMMA Rohre in der primären draw-Verfahren (Abschnitt 4), um eine endgültige PMMA Ummantelung Rohr ID 1 mm und Ø 12 mm.

Cut PMMA Rohre mit ID von 6mm und OD von 12 mm bis 600 mm Länge. Mehrere Röhren PMMA zum späteren Verwendung während der Schlauch hergestellt werden.
Annealen die PMMA Rohre im Glühofen bei 90 ° C für mindestens 5 Tage.
Entfernen Sie ein PMMA Rohr aus Glühofen und lassen Sie ihn auf Raumtemperatur abkühlen.
Reinigen Sie die Oberfläche der PMMA-Rohr mit Isopropanol Wischtücher und trocknen lassen.
Bringen Sie die PMMA-Rohr nach oben Extender (Abbildung 6) mit Reflexstreifen (Abbildung 7).
Bringen Sie die PMMA-Rohr zur primären draw unten Extender (Abbildung 6) mit Reflexstreifen (Abbildung 8).
Dehnen Sie die PMMA-Rohr in der primären Ziehvorgang (siehe Abschnitt 4). Beachten Sie, dass kein Vakuum für diese Stufe ist nicht erforderlich. Die PMMA-Rohr aus gestrecktØ 12 mm bis 6 mm.
Entfernen Sie die gestreckte Schlauch von der Verlosung Turm nach Zeichnung.
Schneiden Sie das gestreckte Rohr in 550 mm Länge.
Wiederholen Sie die Schritte 1,3 und 1,4.
Erhitzen Sie die Oberseite des gestreckten Rohr mit einer Heißluftpistole, bis das Material weich und Einfaßgedichtete das Loch mit einer Zange (Abbildung 9).
Legen der gestreckten Röhre in der neuen Rohr, um das PMMA PMMA Schlauchanordnung (Abbildung 10) zu erstellen. Auf der Unterseite des PMMA Rohrbaugruppe (dh der Seite, die den inneren gestreckten Rohres geöffnet hat), Wickel Polytetrafluorethylen (PTFE) Band, wie in 10 gezeigt, um den Spalt zwischen dem Rohr und dem gestreckten neuen PMMA Rohr abzudichten.
Befestigen oberen Ende des PMMA Rohrbaugruppe (dh der Seite, die die innere gestreckte Schlauch besitzt abgedichteten) an der oberen Verlängerung (7), mit einer inneren Schicht von Klebeband, einer mittleren Schicht aus PTFE-Band, und eine äußere Schicht aus reflektierendem Klebeband. Sicherstellen, dass diePTFE-Band ist straff und alle Lücken zwischen den PMMA-Baugruppe und dem oberen Extender sind versiegelt.
Bringen Sie die PMMA-Rohr an den primären draw unten Extender wie in 1.6 gezeigt.
Stretch und Hülse die PMMA-Tubus in der primären Ziehvorgang mit Vakuum (siehe Abschnitt 4). Das PMMA Rohrbaugruppe aus Ø 12 mm bis 6 mm gedehnt.
Die daraus resultierende gestreckte PMMA Mantelrohr werden ID / OD von etwa 0,25. Wiederholen von 1,9 bis 1,15, bis die endgültige PMMA Mantelrohr weist ID / OD von ca. 0,1 mit einem ID von 1 mm (Abbildung 1).

2. Herstellung der Indium gefüllt Fiber

Die 1 mm Indium Draht Ärmeln und streckte in der PMMA Mantelrohr in Abschnitt 1 mit der sekundären draw-Verfahren (Abschnitt 5) Indium gefüllten Faser mit einer endgültigen OD 1,2 mm produzieren.

Vorbereiten und Glühen PMMA Ummantelung Rohre in 1,1 gezeigt - 1,4.
Schneiden Sie die Indium-Draht bis 550 mm Länge.
Legen Indium Draht in die PMMA Mantelrohr, das Indium gefüllt Vorformlingsbaugruppe wie in 11 gezeigt zu erzeugen.
Dichten die Unterseite der Ummantelung PMMA Röhre nach 1,11 gezeigt.
Befestigen Indium gefüllt Vorformlingsbaugruppe nach oben Streckmittel wie in 1.13 und dem sekundären Extender draw unten dargestellt als in 1.14 dargestellt.
Dehnung und Hülse das Indium gefüllt Vorformlingsbaugruppe im sekundären Ziehprozesses mit Vakuum bis Indium gefüllten Faser (siehe Abschnitt 5) eines endgültigen OD 1 mm unter 15-20 g Spannung abgezogen machen.
Entfernen Sie die Spule von Indium gefüllten Faser aus dem Turm nach der Auslosung beendet ist.
Untersuchen der Stirnfläche und entlang der Längslänge des Indium gefüllten Faser unter Verwendung eines Lichtmikroskops. Problematisch Defekte beinhalten Trennung zwischen dem Draht und Indium PMMA Schlauch Schnittstelle, Schwankungen in der Drahtdurchmesser oder Bruch Risse entlang der Länge der Faser. Optisches Mikroskop Bilder der indium gefüllte Faser sind in Abbildung 2 dargestellt, die einen kontinuierlichen Draht 100 um Indium in einer 1 mm OD PMMA-Faser.
Wiederholen von 2,1 bis 2,8, bis genügend Indium gefüllten Faser für das Indium gestapelten Vorform hergestellt wird.

3. Herstellung der Indium Stacked Fiber

Das Indium stacked Faser wird durch erste Stapeln der Indium gefüllten Fasern in Secton 2 in einem größeren PMMA Vorform Mantelrohr, die dann gestreckt und Ärmeln zu den gewünschten Faserdimensionen Verwendung der sekundären draw-Verfahren (Abschnitt 5) produziert hergestellt.

Bereiten Sie die PMMA Vorform Mantelrohr wie in 1.1 dargestellt. Zu Demonstrationszwecken werden wir eine PMMA-Rohr von 12 mm Außendurchmesser und 9 mm ID.
Schneiden Sie das Indium gefüllten Fasern bis 550 mm Länge.
Reinigen Sie die Oberfläche des PMMA Vorform Mantelrohr und der Indium-gefüllten Faser mit Isopropanol Wischtücher und trocknen lassen.
Bündeln Sie die Indium gefüllten Faser mit Gummibändern und steckenin den PMMA Vorform Mantelrohr, wodurch die Fasern gerade und sind einem Festsitz (Abbildung 12).
Annealen die gestapelten Vorformlingsbaugruppe im Kühlofen bei 90 ° C für mindestens 5 Tage.
Entfernen Sie die gestapelten Vorformlingsbaugruppe aus dem Glühofen und erlauben es auf Raumtemperatur abkühlen.
Befestigen Indium gefüllt Vorformlingsbaugruppe nach oben Streckmittel wie in 1.13 und dem sekundären Extender draw unten dargestellt als in 1.14 dargestellt.
Stretch und Hülse die gestapelten Vorformanordnung im sekundären Ziehprozess mit Vakuum bis zu Indium-stacked Faser (siehe Abschnitt 5) zu machen. Dies wird zu einer endgültigen OD 0,6 mm unter 80 g Spannung abgezogen, wodurch ein Metamaterial enthaltende Faser 5 mm Drähte durch 50 um getrennt gestreckt. Ein optisches Mikroskop Querschnittsbild des erhaltenen Faser ist in Abbildung 3 dargestellt.
Entfernen Sie die Spule aus Indium-stacked Faser aus dem Turm nach der Auslosung beendet ist.
Inspect die Stirnfläche und entlang der Längslänge des Indium gestapelten Faser nach 2.8 (Figur 3) dargestellt.

4. Primäre Draw-Prozess

Der primäre Ziehprozesses wird verwendet, um Vorformlinge zu Außendurchmessern größer als 1 mm dehnen. Das folgende Verfahren wird in Abschnitt 1: Herstellung des PMMA Jacketing Tube.

Legen Sie die Vorform auf dem Ziehturm durch Einklemmen der oberen Extender zum Dreibackenfutter. Speisen die Vorform in die heiße Zone des Ofens (13). Richten Sie die Vorform mit dem XY Mikrometer Bühne. Schließen Sie die obere Platte des Ofens.
Das Vorheizen Stufe erhöht die Temperatur der Querschnittsfläche des Vorformlings auf die Zeichnung Temperatur unter Verwendung des Temperaturprofils in Abbildung 14 dargestellt.
Sie leitet die Ziehprozesses durch Erhöhung der Temperatur bis 185 ° C, Beginn der Vorschub von 5 mm / min, zeichnen sich bei 6 mm / min und endet ter ziehen Einheit Klammern. Untersuchen Sie das Verhalten der Zugspannung über die Zeit (Abbildung 15).
- Wenn die Spannung exponentiell ansteigt, stoppen die Futter-und Zugeinheiten, 1 min warten, damit die Vorform zu erwärmen, um Ziehtemperatur, bevor das Futter und zeichnen Einheiten wieder. Wiederholen Sie den Test, bis die Spannung stabilisiert.
- Wenn die Spannung sinkt, erhöhen die Reckrate von 1-2 mm / min. Weiterhin Erhöhen der Abziehrate in 1-2 mm / min Schritten (solange die Spannung entweder konstant bleibt oder zu sinken beginnt), bis die erforderliche Reckrate erreicht.
Wenn Vakuum benötigt wird, schließen Sie das Vakuum-Röhre, um das Vakuum versiegelt top Vorform Extender mit Blu-Tac (Abbildung 13). Schalten Sie das Vakuum nach dem Futter und Zugeinheiten begonnen haben, um sicherzustellen, wird die Vorform symmetrisch Zeichnung.
Verwenden Sie die primäre Zeichnung Bedingung in Tabelle 1 als Leitfaden bei der Erstellung der Vorform. Beachten Sie die Ofentemperatur und das Verhältnis bVergleicht man das Futter und ziehen rate müssen überwacht werden, um konstante OD und die Zugspannung zu halten. Beachten Sie, dass eine vorläufige Außendurchmesser für die gezogenen Faser aus einer Massenbilanz Gleichung erhalten werden,
D _final = D _start (F / D) ^1/2 wobei D _endgültig - wird die endgültige Faserdurchmesser, D _Start der anfängliche Durchmesser Vorform ist, F die Zufuhrrate und D die Reckrate. Stoppen Sie die Fütterung und Ziehgeschwindigkeit und Schalter des Ofens, wenn die Vorform abgeschlossen ist. Entfernen des Vorformlings von dem Ziehturm sobald der Vorformling auf Raumtemperatur abkühlt.

5. Sekundäre Draw-Prozess

Der sekundäre Ziehprozesses wird verwendet, um Vorformlinge zu ODs kleiner als 1 mm dehnen. Das folgende Verfahren wird in Abschnitt 2 verwendet: Herstellen der Indium gefüllten Faser und 3: Herstellung des Indium-stacked Faser.

Lädt die Vorform für die secondary Ziehung ist die gleiche wie in der primären Ziehprozesses (Schritt 4.1).
Die Vorwärmstufe für den sekundären Ziehung ist die gleiche wie in der primären Ziehprozesses (Schritt 4.2).
Die Vorform beginnt zu Hals nach unten, sobald der Ziehtemperatur erreicht ist. Das Drop-Down der Vorform verlässt den Boden des Ofens durch das Gewicht des unteren Streckmittel Bereitstellen der Ausgangsstruktur Ziehkraft (Abbildung 16).
Starten Sie den Vorschub (2,5 - 5 mm / min) und starten Sie die Erhöhung der Ofentemperatur (2,5 - 5 ° C), um die Geschwindigkeit der Drop-down-Steuerung. Der Faserdurchmesser sollte rund 250 gehalten werden - 500 um, um die Faser Einrasten verhindern.
Befestigen der Faser an dem Capstan Rad, das mit einer geringen Geschwindigkeit von unter 1 m / min zunächst dreht. Wickeln Sie das Faser um den Tänzer Räder und heften sich an die Faserspule.
Wenn Vakuum benötigt befestigen Vakuumröhre nach 4.4.
Die Faserzieheinheit wird zunächst unter transienten Ziehbedingungen sein. Set der Vorschub, zeichnen Geschwindigkeit und Ofentemperatur auf den gewünschten draw Zustandswerte. Faserdurchmesser und Zugspannung wird bis steady state schwanken nach wenigen Minuten erreicht.
Verwenden Sie den sekundären Zeichnung Zustand, in Tabelle 2 als Leitfaden bei der Erstellung der Vorform. Beachten der Ofentemperatur und das Verhältnis zwischen der Zuführung und Reckrate zu überwachen, um konstante OD und die Zugspannung aufrechtzuerhalten.
Beenden Sie den Prozess, wie in 4.5 dargestellt.