Metamaterials בודה בשיטת ציור הסיבים

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

Metamaterials בתדרי terahertz להציע הזדמנויות ייחודיות, אבל הם מאתגרים לפברק בתפזורת. אנחנו מתאימים את הליך הייצור לסיבים אופטיים פולימר microstructured בזול כדי להמציא metamaterials פוטנציאל בקנה מידה תעשייתי. אנו מייצרים סיבי polymethylmethacrylate המכילים ~ 10 חוטי אינדיום קוטר מיקרומטר מופרדים על ידי ~ 100 מיקרומטר, שמציג תגובת plasmonic terahertz.

Abstract

Metamaterials הם חומרי מעשה ידי אדם מורכב, מפוברקים על ידי הרכבת רכיבים קטנים בהרבה מאורך הגל שבו הם פועלים ^1. הם חייבים תכונות האלקטרומגנטיות שלהם למבנה של בוחריהם, במקום את האטומים המרכיבים אותם. לדוגמה, חוטי מתכת משנה גל ניתן לארגן להחזיק permittivity חשמלי יעיל שהוא חיובי או שלילי בתדר נתון, בניגוד למתכות עצמן ^2. שליטה חסרת תקדים זה על התנהגותו של אור יכולה להוביל למספר המכשירים שלו, כגון גלימות היעלמות ^3, חומרים שבירים שליליים ^4, ועדשות שיפתרו אובייקטים מתחת לגבול ההשתברות ^5. עם זאת, metamaterials הפועל בתדרים אופטיים, אינפרא אדומים באמצע וterahertz עשוי קונבנציונלי באמצעות ננו וטכניקות ייצור המייקר שהנן יקרים ולייצר דגימות שנמצאות ברוב מעטי CENtimetres בגודל ^6-7. כאן אנו מציגים שיטת ייצור כדי לייצר מאה מטרים של חוט המתכת metamaterials בצורת סיבים, אשר מפגינה תגובת plasmonic terahertz ^8. אנו משלבים ולצייר ערימה-טכניקה המשמשת ליצירת סיבים אופטיים פולימר microstructured ⁹ עם תהליך טיילור תילי ^10, באמצעות חוטי אינדיום בתוך polymethylmethacrylate צינורות (PMMA). PMMA נבחר משום שהוא קל לטפל, דיאלקטרי drawable עם תכונות אופטיות מתאימות באזור terahertz; אינדיום כי יש לו טמפרטורת התכה של 156.6 ° C שמתאים לcodrawing עם PMMA. אנו כוללים חוט אינדיום בקוטר 1 מ"מ ו99.99% טוהרים בצינור בקוטר PMMA 1 מ"מ פנימי (ID) וקוטר 12 מ"מ מחוץ (OD) אשר נחתם בקצה אחד. הצינור פונה ונמשך מטה לקוטר חיצוני של 1.2 מ"מ. אז סיבי התוצאה הוא לחתוך לחתיכות קטנות יותר, וערמו לתוך צינור PMMA גדול יותר. מערך זה הוא חתום באחדסוף והאכיל אותו לתוך כבשן בעוד נמשכים במהירות, צמצום הקוטר של המבנה על ידי גורם של 10, והגדלת האורך בפקטור של 100. סיבים כאלה בעלי תכונות על מייקרו וננו הסולם, מטבעם גמישים, המוני הפקה, ויכול להיות ארוג להפגין תכונות אלקטרומגנטיות שאינה נמצאות בטבע. הם מייצגים פלטפורמה מבטיחה למספר מכשירי רומן מterahertz לתדרים אופטיים, כגון סיבים בלתי נראים, מטליות קדם שבירות שליליות ארוגות, ועדשות סופר פתרון.

Protocol

סקירה

מרוכבים אינדיום / PMMA הסיב (3 איור) מיוצר על ידי ציור ערימה של סיבי PMMA כולל כבל אחד אינדיום (איור 2), שהם עצמם צריכים להיות מוכנים מצינורות וחוטי חשמל זמינים PMMA. הצעדים שהוצגו הם:

לייצר סיבי PMMA המכיל חוט אינדיום בודד בקוטר המתאים לשימוש יערום אותו. לשם כך, הכין צינור PMMA שיכול להכיל את חוט אינדיום מ"מ 1 (סעיף 1) 1, ולאחר מכן לכלול את אינדיום ולצייר לגודל רצוי (סעיף 2).
סטאק ולצייר את הסיבים המתקבלים הבודדים אינדיום מלא-PMMA (סעיף 3) לגודל הרצוי.

סעיפי 4 ו 5 מפרטים את תהליכי הציור משמשים בסעיפי 2 ו 3.

1. בודת Tube jacketing PMMA

צינור jacketing PMMA משמש למבנה חוט 1 המ"מ אינדיום נעשה על ידי stretchiצינורות PMMA סטנדרטיים מנגבים בתיקו התהליך הראשוני (סעיף 4) ng ולעשות צינור jacketing PMMA סופי של זהות 1 מ"מ ו 12 מ"מ OD.

חותך צינורות PMMA עם זיהוי של 6 מ"מ וOD של 12 מ"מ ועד 600 מ"מ אורך. כמה צינורות PMMA צריכים להיות מוכנים לשימוש בעתיד בתהליך מנגב.
לחשל את צינורות PMMA בתנור חישול ב 90 מעלות צלזיוס למשך מינימום של 5 ימים.
הסר צינור אחד PMMA מחישול תנור ולאפשר לו להתקרר לטמפרטורת חדר.
נקה את פני השטח של צינור PMMA עם מגבוני isopropanol ולאפשר לו להתייבש.
צרף צינור PMMA למאריך עליון (איור 6) שימוש בקלטת רעיונית (איור 7).
צרף צינור PMMA למאריך העיקרי תיקו תחתון (איור 6) שימוש בקלטת רעיונית (איור 8).
למתוח צינור PMMA בתהליך הרישום הראשוני (ראה סעיף 4). שים לב שאין ואקום דרוש לשלב הזה. צינור PMMA הוא נמתח מ12 מ"מ OD עד 6 מ"מ.
הסר את הצינור נמתח ממגדל התיקו אחרי ציור.
חותך את הצינור נמתח לאורך 550 מ"מ.
חזור על שלבים 1.3 ו -1.4.
מחמם את הצד העליון של הצינור המתוח עם אקדח אוויר חם עד החומר מרכך וcrimp לאטום את החור באמצעות צבת (איור 9).
הכנס את הצינור נמתח לתוך צינור PMMA החדש כדי ליצור PMMA צינור ההרכבה (איור 10). בצד תחתון של צינור PMMA ההרכבה (כלומר בצד שבו יש צינור נמתח הפנימי הפתוח), לעטוף קלטת polytetrafluoroethylene (PTFE) כפי שמוצג באיור 10, לאטום את הפער בין הצינור המתוח וצינור PMMA החדש.
חבריו קצה עליון של צינור PMMA ההרכבה (כלומר בצד שבו יש צינור נמתח הפנימי האטום) למאריך העליון (איור 7), באמצעות שכבה פנימית של סרט דביק, שכבה אמצעית של קלטת PTFE, ושכבה חיצונית של מהורהר קלטת. ודאקלטת PTFE היא הדוקה וכל הפערים בין הרכבת צינור PMMA והמאריך העליון אטומים.
צרף צינור PMMA למאריך תחתון התיקו העיקרי כפי שמוצג ב1.6.
למתוח ושרוול הרכבת PMMA הצינור בתהליך הציור הראשוני עם ואקום (ראה סעיף 4). הרכבת צינור PMMA נמתחה מ 12 מ"מ OD עד 6 מ"מ.
צינור jacketing כתוצאה המתוחה PMMA יהיה זהות / OD של כ 0.25. חזור על 1.9-1.15 עד צינור jacketing PMMA הסופי יש זהות / OD של כ -0.1 עם תעודת זהות של מ"מ 1 (איור 1).

2. בודת אינדיום מלא סיבים

חוט 1 המ"מ אינדיום הוא שרוולים ומתח בצינור jacketing PMMA עשה בסעיף 1 באמצעות הגרלת התהליך המשני (סעיף 5) כדי לייצר אינדיום סיבים מלאים ב1.2 מ"מ OD סופי.

הכן ולחשל צינורות jacketing PMMA כפי שמוצג ב1.1-1.4.
לחתוך את חוט אינדיום לאורכי 550 מ"מ.
הכנס חוט אינדיום לתוך צינור jacketing PMMA ליצור אינדיום מלא preform הרכבה כפי שמוצג באיור 11.
לאטום את הצד התחתון של צינור jacketing PMMA כפי שמוצג ב1.11.
צרף אינדיום מלא preform הרכבה למאריך העליון כפי שמוצג ב1.13 ומאריך תחתון התיקו המשני כפי שמוצג ב1.14.
למתוח והשרוול אינדיום מלא הרכבת preform בתהליך הציור המשני עם ואקום לעשות אינדיום סיבים מלאים (ראה סעיף 5) למ"מ סופי OD 1 נמשך תחת מתח גרם 15-20.
הסר את הסליל של אינדיום סיבים מלאים מהמגדל לאחר תהליך ההגרלה נגמר.
בדוק endface ואורך האורך של אינדיום מלא סיבים באמצעות מיקרוסקופ אור. פגמים בעייתיים יכולים לכלול הפרדה בין חוט אינדיום וממשק PMMA צינורות, תנודות בקוטר התיל או סדקי שבר לאורכו של הסיב. תמונות מיקרוסקופ אופטיות של indסיבים מלאים ium מוצגים באיור 2, מראים חוט רציף 100 מיקרומטר אינדיום בסיבי 1 מ"מ OD PMMA.
חזור על 2.1-2.8 עד סיבים מספיק אינדיום מלאים הם מיוצר על אינדיום המוערם preform.

3. בודת אינדיום Stacked הסיבים

הסיבים המוערמים אינדיום הוא מפוברקים על ידי ערמת הסיבים המלאים אינדיום מופקים בSecton 2 בצינור גדול PMMA preform jacketing, שאז הוא נמתח ושרוולים למידות הרצויות באמצעות סיבי תיקו התהליך המשני (סעיף 5) 1.

הכן את צינור jacketing preform PMMA כפי שמוצג ב1.1. למטרות הדגמה, ישתמשו צינור PMMA של 12 המ"מ OD ומזהה 9 מ"מ.
חותך את אינדיום מלא סיבים לאורך מ"מ 550.
נקה את פני השטח של צינור jacketing preform PMMA ואינדיום מלא סיבים עם מגבוני isopropanol ולאפשר לו להתייבש.
Bundle הסיבים המלאים אינדיום באמצעות גומיות ולהכניסלתוך צינור jacketing preform PMMA, להבטיח את הסיבים ישרים והם מהתקף חזק (איור 12).
Anneal ההרכבה המוערמת preform בתנור החישול ב 90 מעלות צלזיוס למשך מינימום של 5 ימים.
הסר את המוערמת preform ההרכבה מתנור החישול ולאפשר לו להתקרר לטמפרטורת חדר.
צרף אינדיום מלא preform הרכבה למאריך העליון כפי שמוצג ב1.13 ומאריך תחתון התיקו המשני כפי שמוצג ב1.14.
למתוח ושרוול הרכבת preform המוערם בתהליך הציור המשני עם ואקום לעשות אינדיום מוערם סיבים (ראה סעיף 5). זה נמתח ל 0.6 מ"מ סופי OD נמשך תחת מתח 80 גרם, ייצור סיבי metamaterial המכילים 5 חוטי מ"מ מופרדים על ידי 50 מיקרומטר. תמונת מיקרוסקופ אופטית חתך של הסיבים המתקבלים היא שמוצגת באיור 3.
הסר את הסליל של סיבי אינדיום מוערם מהמגדל לאחר תהליך ההגרלה נגמר.
בתוךSPECT endface ואורך האורך של הסיבים המוערמים אינדיום כפי שמוצג ב2.8 (איור 3).

4. תהליך ההגרלה ראשי

תהליך ההגרלה הראשי משמש למתוח preforms לקטרים חיצוניים גדולים מ 1 מ"מ. ההליך הבא משמש בסעיף 1: בודת Tube jacketing PMMA.

טען preform על תיקו המגדל על ידי כיווץ המאריך העליון לצ'אק הלסת השלוש. להאכיל preform לאזור החם של התנור (איור 13). יישר preform באמצעות שלב מיקרומטר XY. סגור את הצלחת העליונה של התנור.
השלב טרום החום מעלה את הטמפרטורה של אזור חתך הרוחב של preform לטמפרטורת הציור, שימוש בפרופיל הטמפרטורה שמוצג באיור 14.
להתחיל את תהליך הרישום על ידי הגדלת הטמפרטורה עד 185 מעלות צלזיוס, מתחיל שיעור ההזנה ב5 מ"מ / דקה, לצייר בשיעור 6 מ"מ / דקה וסגירה לאהוא מצייר מלחציים יחידה. לבחון את ההתנהגות של תיקו מתח לאורך הזמן (איור 15).
- אם המתח גדל באופן אקספוננציאלי, להפסיק להאכיל את היחידות ותיקו, לחכות דקות 1 כדי לאפשר preform לחמם לטמפרטורת ציור, לפני שמתחיל להאכיל ולצייר יחידות שוב. לחזור על הבדיקה עד שהמתח יתייצב.
- אם המתח נופל, להגדיל את השיעור על ידי תיקו 1-2 מ"מ / דקה. המשך הגדלת השיעור בתיקו 1-2 מ"מ / מרווחי דקות (כל עוד המתח או נשאר קבוע או מתחיל לנפול), עד שיעור התיקו הנדרש מושג.
אם הוואקום נדרש, לצרף את צינור הוואקום לוואקום אטם מאריך preform העליון באמצעות Blu-טק (איור 13). הפעל את הוואקום לאחר ההזנה והיחידות החלו לצייר על מנת להבטיח preform הוא ציור סימטרי.
השתמש במצב הציור הראשוני בטבלה 1 כמדריך לציור preform. שים לב לטמפרטורת התנור והיחס בetween ההזנה ולצייר שיעור צריך להיות במעקב כדי לשמור OD מתמיד ומתח הציור. שימו לב שקוטר חיצוני מעיד על הסיבים נמשכים ניתן לקבל ממשוואת מאזן מסה,
ד _סופיים = D _ההתחלה (F / D) ^1/2 כאשר D _הסופי - הוא בקוטר הסיבים הסופי, D _ההתחלה הוא קוטר preform הראשוני, F הוא קצב ההזנה, ו-D הוא שיעור התיקו. להפסיק את ההאכלה ושיעור ציור ומתג של התנור כאשר preform הוא סיים. הסר את preform מתיקו המגדל פעם preform מתקרר לטמפרטורת חדר.

5. תהליך הגרלה משני

תהליך ההגרלה המשני משמש למתוח preforms למכנסי הש"כ קטנים מ 1 מ"מ. ההליך הבא משמש בסעיף 2: בודת אינדיום מלא סיבים ו3: בודת הסיבים המוערמים אינדיום.

טוען preform ליםתיקו econdary זהה בתיקו התהליך הראשוני (שלב 4.1).
שלב החימום מראש להגרלה המשנית הוא אותו הדבר כמו בתיקו התהליך הראשוני (שלב 4.2).
Preform מתחיל צוואר למטה פעם טמפרטורת הציור הוא הגיע. הנפתח של יציאות preform תחתית התנור בשל המשקל של המאריך התחתון לספק כוח הציור הראשוני (איור 16).
התחל שיעור ההזנה (2.5 - 5 מ"מ / דקה) ולהתחיל לשנות את הטמפרטורה של התנור (2.5 - 5 מעלות צלזיוס) כדי לשלוט על המהירות של נפתח. קוטר הסיב צריך להישמר סביב 250-500 מיקרומטר כדי למנוע ההתנפלות של הסיבים.
צרף הסיבים לגלגל הכן שמסתובב בקצב איטי של מתחת 1 / דקות מ 'בהתחלה. רוח הסיבים סביב גלגלי הרקדנית ולצרף לסיבי הסליל.
אם הוואקום נדרש לצרף את השפופרת הריקה כפי שמוצג ב4.4.
תיקו הסיבים יהיה בתחילה להיות בתנאים לצייר חולפים. Set שיעור ההזנה, לצייר טמפרטורת שיעור ותנור לערכי המצב לצייר הרצויים. קוטר סיבים ותיקו המתח ישתנה עד מצב יציב יושג אחרי כמה דקות.
השתמש במצב הציור המשני בטבלה 2 כמדריך לציור preform. שים לב לטמפרטורת התנור והיחס בין ההזנה ושיעור תיקו צריך להיות במעקב כדי לשמור OD מתמיד ומתח הציור.
עצור את התהליך כפי שמוצג ב4.5.