Summary
Метаматериалы на частотах терагерцового предлагают уникальные возможности, но и бросают вызов для изготовления упаковки. Мы адаптируем изготовления процедура микроструктурированный полимерных оптических волокон для изготовления метаматериалов недорого потенциально в промышленных масштабах. Мы производим полиметилметакрилата волокон, содержащих ~ 10 мкм в диаметре индия проводов, разделенных ~ 100 мкм, которые проявляют терагерцового плазмонных ответ.
Abstract
Метаматериалов искусственных композиционных материалов, изготовленных путем сборки компонентов значительно меньше, чем длина волны, на которой они работают 1. Они обязаны своим электромагнитным свойствам к структуре своих избирателей, а не из атомов, которые составляют их. Например, к югу от длины волны металлические провода могут быть организованы, обладают эффективной диэлектрической проницаемости, что является положительным или отрицательным на данной частоте, в отличие от металлов себя 2. Этот беспрецедентный контроль над поведением света может потенциально привести к ряду новых устройств, таких как невидимости плащи 3, отрицательным показателем материалы индекса 4, и линзы, которые разрешают объекты ниже дифракционного предела 5. Тем не менее, метаматериалов, работающих на оптическом, инфракрасном середине и терагерцового частот обычно делают с использованием нано-и микро-методов изготовления, которые являются дорогостоящими и производить образцы, которые являются не более нескольких центровtimetres в размере 6-7. Здесь мы представляем изготовление способ получения сотен метров метаматериалов металлической проволоки в виде волокон, которые обладают терагерцового плазмонного отклика 8. Мы объединяем стек-и-ничья техника, используемая для создания микроструктурированных полимерных оптических волокон 9 с Тейлором проволоки процесса 10, используя индия проводов внутри полиметилметакрилат (ПММА) труб. PMMA выбрано потому, что это простой в обращении, холст диэлектрика с подходящим оптическим свойствам в области терагерцового; индия, потому что она имеет температуру плавления 156,6 ° C, которая подходит для codrawing с ПММА. Мы включаем индия провода диаметром 1 мм и 99,99% в трубке ПММА с 1 мм, внутренний диаметр (ID) и 12 мм наружный диаметр (OD), которая запечатана в один конец. Трубка эвакуированы и сняты с наружным диаметром 1,2 мм. В результате волокно затем разрезают на мелкие куски, и сложены в большую трубу ПММА. Этот стек запечатана в одномконца и подается в печь в то же время быстро сделать, уменьшив диаметр структуры в 10 раз, а увеличение длины на коэффициент 100. Такие волокна обладают признаками на микро-и нано-масштабе, по сути своей гибкой, масс-производимого, и может быть вплетены проявлять электромагнитными свойствами, которые не встречаются в природе. Они представляют собой перспективную платформу для ряда новых устройств от терагерцового до оптических частот, таких как невидимые волокна, тканые ткани отрицательным показателем преломления, и супер-разрешающая линз.
Protocol
Обзор
Композитных индия / PMMA волокна (рис. 3) производится путем привлечения стека слоев ПММА в том числе один провод индия (рис. 2), которые сами по себе должны быть получены из имеющихся труб PMMA и проводов. Шаги представлены:
- Производим волокна PMMA, который содержит один провод индия диаметром подходит для ручной укладки. Для этого сначала подготовить трубы ПММА, где могут разместиться 1 мм индия проволоки (раздел 1), а затем включить индия и привлечь до нужного размера (раздел 2).
- Стек и привлечь полученных индивидуальных индия заполнены PMMA волокон (раздел 3) до нужного размера.
Разделы 4 и 5 деталь рисунка процессов, используемых в разделах 2 и 3.
1. Изготовление труб PMMA Костюмные
Трубка PMMA оболочки используются для структурирования 1 мм индия провода производится stretchiнг и трубки стандартных PMMA труб в первичном процессе ничьей (раздел 4), чтобы принять окончательное оболочки PMMA трубы ID 1 мм и диаметром 12 мм.
- Вырезать PMMA труб с внутренним диаметром 6 мм и диаметром 12 мм, длиной до 600 мм. Несколько труб PMMA должны быть подготовлены для использования в будущем в процессе трубки.
- Отжиг PMMA труб в печи для отжига при температуре 90 ° C в течение минимум 5 дней.
- Удалите один PMMA трубки от печи для отжига и дайте ему остыть до комнатной температуры.
- Очистить поверхность трубы ПММА с изопропанол салфетки и дайте высохнуть.
- Прикрепите трубку PMMA к началу расширитель (рис. 6), используя отражающую пленку (рис. 7).
- Прикрепите трубку PMMA к первичному расширитель нижнего ничьей (рис. 6), используя отражающую пленку (рис. 8).
- Протяните трубу ПММА в первичном процессе рисования (см. раздел 4). Обратите внимание, что никакого вакуума требуется для этой стадии. Трубка PMMA простирается отØ 12 мм до 6 мм.
- Удалить растянутой трубки из розыгрыша башни после нанесения.
- Вырезать растянутой трубы в 550 мм длины.
- Повторите шаги 1,3 и 1,4.
- Нагрейте верхнюю сторону растянутой трубки с горячего воздуха до температуры размягчения и бушоны отверстие с помощью плоскогубцев (рис. 9).
- Вставьте растянутой трубки в новую пробирку PMMA, чтобы создать сборку трубы ПММА (рис. 10). На нижней стороне трубки PMMA сборки (т.е. сторона, которая имеет внутреннюю растянутой трубки открытым), оберните политетрафторэтилена (ПТФЭ) ленты, как показано на рисунке 10, для уплотнения зазора между растянутой трубы и новые трубы ПММА.
- Прикрепите верхний конец трубки PMMA сборки (т.е. сторона, которая имеет внутреннюю растянутой трубки запечатанные) к началу удлинитель (рис. 7), используя внутренний слой липкой лентой, средний слой ленты PTFE, и внешний слой отражающего ленты. Убедитесь, чтоPTFE ленты плотно и все промежутки между PMMA сборке трубы и верхней расширитель закрыты.
- Прикрепите трубку PMMA к основной наполнитель нижней ничья, как показано на 1,6.
- Stretch и рукава сборки PMMA трубки в первичном процессе рисования с вакуумом (см. раздел 4). Сборка PMMA трубка простирается от Ø 12 мм до 6 мм.
- В результате растянутой оболочки PMMA трубка будет иметь ID / OD примерно 0,25. Повторите 1,9 до 1,15 до окончательного оболочки PMMA трубка имеет ID / OD около 0,1 с ID 1 мм (рис. 1).
2. Изготовление индия Заполненные волокон
1 мм индия проволоки рукавами и протянул в трубку PMMA оболочки, сделанные в Разделе 1, с использованием вторичных процессов ничьей (раздел 5) по производству индия заполнено волокно с окончательным OD 1,2 мм.
- Подготовка и отжига труб PMMA оболочки, как показано на 1,1 - 1,4.
- Вырезать индия провода длиной до 550 мм.
- Вставьте индия провод в трубу оболочки PMMA, чтобы создать индия заполнить заготовку сборки, как показано на рисунке 11.
- Печать в нижней части трубки оболочки PMMA, как показано на 1.11.
- Прикрепить индия заполнить заготовку сборки к началу расширитель, как показано на 1,13 и вторичной расширитель нижнего ничья, как показано на 1,14.
- Stretch и втулки индия заполнить заготовку сборке в вторичный процесс рисования с вакуумом, чтобы заполнить слой индия (см. раздел 5), окончательный диаметр 1 мм нарисована под напряжением 15-20 гр.
- Снимите катушку индия заполнено волокно из башни после жеребьевки процесс будет завершен.
- Осмотрите торца и вдоль продольной длины индия заполнены волокна с помощью светового микроскопа. Проблемные дефекты могут включать в себя разделение между проводом индия и ПММА труб интерфейс, колебания диаметра проволоки или разрушения трещины по всей длине волокна. Оптические изображения микроскопа индНМУ заполнены волокна представлены на рисунке 2, показывает непрерывное 100 мкм индия проволоки диаметром 1 мм волокна диаметром ПММА.
- Повторите 2,1 до 2,8, пока достаточно индия заполнены волокна, подготовленные для индия ячейке заготовки.
3. Изготовление индия ячейке волокон
Волокна индия ячейке изготовлен по первой укладки индия заполнены волокон, полученных в Secton 2 в большей PMMA заготовку оболочки трубы, которая затем растягивается и рукавами до нужного волокна размеры с помощью вторичных процессов вничью (раздел 5).
- Подготовка оболочки PMMA заготовку трубы, как показано на 1,1. Для демонстрационных целей, мы будем использовать трубы ПММА 12 мм OD и 9 мм ID.
- Вырезать индия заполнены волокон до 550 мм длиной.
- Очистите поверхность оболочки трубы ПММА заготовки и индия заполнены волокна с изопропанол салфетки и дайте высохнуть.
- Свяжите индия заполнить волокно с помощью резиновых лент и вставьтев оболочке труб PMMA заготовку, обеспечивая волокна являются прямыми и имеют плотную посадку (рис. 12).
- Отжиг сборки стек заготовки в печи для отжига при температуре 90 ° C в течение минимум 5 дней.
- Убрать ячейке заготовки сборки из печи для отжига и дайте ему остыть до комнатной температуры.
- Прикрепить индия заполнить заготовку сборки к началу расширитель, как показано на 1,13 и вторичной расширитель нижнего ничья, как показано на 1,14.
- Stretch и рукава сборки стек заготовки на вторичном процессе рисования с вакуумом, чтобы индия стеком волокна (см. раздел 5). Это растягивается до конечной OD 0,6 мм обращается до 80 г напряженность, создавая метаматериала слой, содержащий 5 мм провода, разделенных 50 мкм. Оптический микроскоп поперечного сечения образ в результате волокна показано на рисунке 3.
- Снимите катушку индия стеком волокна из башни после жеребьевки процесс будет завершен.
- Вотношению торца и вдоль продольной длины волокна индия стек, как показано на 2,8 (рис. 3).
4. Первичный процесс Draw
Первичный процесс ничья используются, чтобы протянуть преформ к внешним диаметром более 1 мм. Следующая процедура используется в Раздел 1: Изготовление труб PMMA оболочки.
- Загрузите заготовки на ничью башни путем закрепления верхнего расширитель с тремя губками. Подача заготовки в горячей зоне печи (рис. 13). Выровнять заготовку помощью этапе XY микрометра. Закройте верхнюю пластину печи.
- Предварительного нагрева этапа поднимает температуру площадь поперечного сечения заготовки на чертеже температуре, с использованием температурного профиля показано на рисунке 14.
- Начать процесс рисования при повышении температуры до 185 ° C, начиная с подачей на 5 мм / мин, рисовать скоростью 6 мм / мин и закрытия тОн нарисовать блок зажимов. Изучить поведение ничья напряжения с течением времени (рис. 15).
- Если напряжение растет экспоненциально, прекратить подачу и ничья единиц, подождите 1 минуту, чтобы заготовка нагреть до температуры рисования, перед началом подачи и привлечь единиц снова. Повторите тест, пока напряжение стабилизируется.
- Если напряжение падает, увеличить ничьей ставка на 1-2 мм / мин. Продолжать увеличение ставки в ничью 1-2 мм / мин шагом (пока напряжение либо остается постоянным, или начинается падение), до требуемой скорости ничья достигается.
- Если вакуум не требуется, придают вакуумной трубки к запаянная верхней расширитель заготовки использованием Blu-Tac (рис. 13). Включите вакуум после подачи и ничья единицы начали обеспечить заготовку рисунок симметрично.
- Используйте основным условием рисунок в таблице 1 в качестве ориентира при разработке заготовки. Обратите внимание на температуру печи и отношения Ьetween корма и привлечь скорости должны контролироваться для поддержания постоянной OD и рисунок напряженности. Обратите внимание, что ориентировочный наружного диаметра для вытянутого волокна могут быть получены из уравнения баланса массы,
D = D окончательного пуска (F / D) 1/2
где D финал - это окончательный диаметр волокна, D старт начальный диаметр заготовки, F является подача, и D является ничьей ставки. Остановить подачу и скорость рисования и переключатель печи при заготовке закончена. Снимите заготовки из розыгрыша башня когда-то заготовки охлаждают до комнатной температуры.
5. Вторичный процесс Draw
Вторичный процесс ничья используются, чтобы протянуть преформ ОРВ меньше, чем 1 мм. Следующая процедура используется в разделе 2: Изготовление индия заполнено волокно и 3: Изготовление волокна индия ячейке.
- Загрузка заготовки для свторичный ничья такое же, как в первичном процессе жеребьевки (шаг 4,1).
- Подогрев этап для вторичного ничья такое же, как в первичном процессе жеребьевки (шаг 4,2).
- Заготовка начинает шеи вниз один раз рисунок температуры. В раскрывающемся заготовки выходит из нижней части печи за счет веса нижней расширитель предоставления начального силу чертеже (рис. 16).
- Начало подачи (2,5 - 5 мм / мин) и начать повышение температуры печи (2,5 - 5 ° C), чтобы контролировать скорость падения вниз. Диаметр волокна должны быть сохранены около 250 - 500 мкм, чтобы предотвратить волокна привязки.
- Прикрепить волокна в шпиле колесо, которое вращается со скоростью медленной скоростью до 1 м / мин на начальном этапе. Ветер волокна вокруг танцовщицы колеса и приложите к волоконно катушку.
- Если вакуум необходимо приложить вакуумной трубки, как показано в п. 4.4.
- Волокна ничья первоначально будет в переходных условиях ничьей. Sи др. Скорость подачи, рисовать скорость и температуру печи до требуемой величины ничья состоянии. Диаметр волокна и ничья напряжение будет колебаться до стационарного состояния достигается после нескольких минут.
- Использование вторичных условии рисунок в таблице 2 в качестве ориентира при разработке заготовки. Обратите внимание на температуру печи и соотношение между корма и ничья скорости должны контролироваться для поддержания постоянной OD и рисование напряженности.
- Остановить процесс, как показано на 4,5.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Метаматериала волокна были получены с помощью методики, описанной. Они были собраны из заготовки 1 мм волокна ПММА, содержащего 100 мкм в диаметре непрерывной провода индия, показанный на рисунке 2, который, в свою очередь, сами были взяты из заготовки 1 мм провода индия, содержащиеся внутри 10-мм куртку полимера, который был подготовлен от втулки соответствующих размеров труб полимера, как показано на схеме на рисунке 1. Микроскопе изображение поперечного сечения примере метаматериала волокна с плазмонного отклика в диапазоне ТГц показано на рисунке 3.
Плазмонных ответ проявляется так, что на низких частотах материал ведет себя как металл (низкая передача) и на высоких частотах как диэлектрик (высокая передача), с плазменной частотой, определяющей границы между двумя поведения. В данном конкретном случае, плазменной частоты ожидается на уровне 1,2ТГц, однако наша техника позволяет это можно легко изменять, варьируя скорость ничьей, которая, в свою очередь, изменения радиуса и разделение проводов, представленные в работе. 8. В результате высоких частот фильтрации поведение метаматериала волокна, для падающего ТГц волны с их электрического поля направлен вдоль проводов, могут быть измерены с помощью терагерцового временной области спектроскопии 11.
Рисунок 4.ia приведены экспериментальные измерения этого типа волокна обращено на трех различных размеров. Это очень хорошо согласуется с теорией, показанное на рис 4.ib В обоих случаях зависимость плазменной частоты от диаметра очевидна. Анализ конкретного волокна показано на рисунке 3 приведены плазмонных ответ показано на рисунке 4.ii, где плазменная частота в 0,6 ТГц.
Рисунок 1. Несколько рукавом куртки сечение схема с одним проводом индия. 1, провод индия, 2, 1-й оболочки PMMA трубки, 3, 2-й и 4, 3-й.
Рисунок 2. Вид сверху и сбоку 1 мм PMMA волокна с одним проводом индия 100 мкм.
Рисунок 3. (Composite) оптического микроскопа поперечного сечения образ 5 мкм индия проводов, разделенных 50 мкм волокно PMMA. (40x объектив).
Рисунок 4. (Я) Схема экспериментальной установки для измерения метаматериала пропускания волокна. (II) (а) Экспериментальная и (б) моделирование (метод конечных элементов) пропускания для массивов метаматериала волокон различного диаметра (электрическое поле, параллельное провода), представленные в работе. 8, показывая очень хорошо согласуются. Сканирования изображений электронного микроскопа 590 мкм волокна показано на вставке (а). Изображение моделируемой геометрии показано на вставке (б). Самый маленький волокно ~ 8 мкм в диаметре проводов, разделенных ~ 100 мкм. Заштрихованная область показывает, где среда не может рассматриваться как однородная. Плазмонных области перехода сдвигается в сторону более низких частот по мере увеличения диаметра волокна (получается просто путем изменения скорости ничья), в результате смещения верхних частот фильтрации поведение. После Ref. 8. (III) Имитация пропускания для массива из метаматериала волокна показано на рисунке 3, используяте же методы и оптические параметры представлены в работе. 8. Обратите внимание, что в этом случае волокно будет проявлять плазменной частоте около 0,6 ТГц. Нажмите, чтобы увеличить показатель .
Рисунок 5. Верхняя часть башни волоконно-дро на вторичной стороне. Обратите внимание, в частности, подача патрона (вверху) и печей (в центре), подключенный к блоку управления (справа).
Рисунок 6. (Слева направо) нижний расширитель, заготовки, и топ-удлинитель.
Рисунок 7. Прикрепите ния верхней расширитель - с PTFE (слева) и светоотражающей лентой (справа).
Рисунок 8 Установка нижней расширитель -. Отражающей лентой.
Рисунок 9. Горячего воздуха пушки обжима.
Рисунок 10. Вставка трубки в куртке (слева) и с уплотнением PTFE (справа).
Рисунок 11. Вставка индия провод в трубке ПММА.
ad/4299/4299fig12.jpg "/>
Рисунок 12. Вставка индия провода ячейке расслоения в трубу ПММА.
Рисунок 13 Сверху вниз:. Присоединения вакуумной трубки к заготовке, зажимая заготовку в 3-х кулачковый блок подачи патрона и подачи в печь.
Рисунок 14. Разогреть анкету.
Рисунок 15. Первичный профиль напряженность.
Рисунок 16. + Выпадающее разделе заготовки.
| Преформ OD (мм) | Скорость подачи (мм / мин) | Ничья Rate (мм / мин) | Печь температура (° C) |
| 12 | 2.5-5 | 25-50 | 185-200 |
| 12 | 5-10 | 15-25 | 185-200 |
| 12 | 10-15 | 10-20 | 185-200 |
Таблица 1. Первичные условия ничьей.
| Преформ OD (мм) | Скорость подачи (мм / мин) | Печь температура (° C) | Ничья Напряжение (г) |
| 12 | 10 | 220-240 | 70-80 |
| 12 | 7.5-10 | 210-230 | 70-80 | 5-7.5 | 200-220 | 70-80 |
| 12 | 2.5-5 | 190-210 | 70-80 |
| 12 | 1-2.5 | 180-200 | 70-80 |
Таблица 2. Вторичные условия ничьей.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Техника представленные здесь позволяет изготовление километров непрерывного трехмерного метаматериалов с микромасштабного размерах функция, обладающая плазмонного отклика (и, следовательно, индивидуальный диэлектрической проницаемости) в ТГц диапазоне, эффективно ведет себя как фильтр высоких частот. Это может быть экспериментально характеризуется использованием терагерцового временной области спектроскопии 11. Такие волокна форме метаматериалов можно вырезать и уложены в объемные материалы реализовать большое количество устройств, или вплетены в другие структуры, например негативных материалов показателем преломления, в сочетании с метаматериала волокна обладающие отрицательной магнитной проницаемости в этой области 12. Обратите внимание, что магнитно реагировать волокон также может быть изготовлена в натуральном выражении по вариация на технику, представленные здесь 13.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Нет конфликта интересов объявлены.
Acknowledgments
Это исследование было поддержано в соответствии Discovery Австралийский исследовательский совет Проекты схемы финансирования (номер проекта DP120103942). БТК и А. А. являются получателями Австралийский исследовательский совет Будущее общество (FT0991895) и австралийский исследовательский грант (DP1093789) соответственно.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Indium 99.99% Wire, 1 mm diameter | AIM Specialty | Available on request | www.aimspecialty.com http://www.aimspecialty.com/Portals/0/Files/Indium.pdf |
| 2-Propanol(Isopropanol) | Sigma-Aldrich | Product Number 190764 |
http://www.sigmaaldrich.com/chemistry/solvents/products.html?TablePage=17292086 |
| Adhesive tape | Staples | ||
| One Wrap PTFE Tape, 5 ml x 12 mmW x 0.2 mmT | RS Components | RS Stock Number 231-964 |
http://uk.rs-online.com/web/p/ptfe-tapes/0231964/ |
| 50 Micron Aluminium Foil Tape | Advance Adhesive Tapes | AT506 | http://www.advancetapes.com/Products/types/9/page1/81 |
| Blu-tak | Bostik | http://www.blutack.com/index.html | |
| Araldite Quick Set | Selleys | http://selleys.com.au/adhesives/household-adhesive/araldite/quick-set | |
| PMMA tubes: - ID 6 mm, OD 12 mm - ID 9 mm, OD 12 mm |
B M Plastics: Plastic Fabrication | Available on request | http://www.bmplastics.com.au/about-us.htm |
| Equipment Requirements | |||
|
|||
References
- Cai, W., Shalaev, V. Optical Metamaterials: Fundamentals and Applications. , Springer. (2010).
- Pendry, J. B., Holden, A. J. Extremely Low Frequency Plasmons in Metallic Mesostructures. Phys. Rev. Lett. 76, 4773-4776 (1996).
- Schurig, D., Mock, J. J. Metamaterial Electromagnetic Cloak at Microwave Frequencies. Science. 314, 977-980 (2006).
- Shalaev, V. M. Optical negative-index metamaterials. Nat. Photonics. 1, 41-48 (2007).
- Liu, Z., Lee, H. Far-field optical hyperlens magnifying sub-diffraction-limited objects. Science. 315, (2007).
- Boltasseva, A., Shalaev, V. M. Fabrication of optical negative-index metamaterials: Recent advances and outlook. Metamaterials. 2, 1-17 (2008).
- Soukoulis, C. M., Wegener, M. Past achievements and future challenges in the development of three-dimensional photonic metamaterials. Nat. Photonics. 5, 523-530 (2011).
- Tuniz, A., Kuhlmey, B. T. Drawn metamaterials with plasmonic response at terahertz frequencies. Appl. Phys. Lett. 96, 191101 (2010).
- Argyros, A. Microstructured polymer optical fibers. J. Lightwave Technol. 27, 1571-1579 (2009).
- Donald, I. W. Production, properties and applications of microwire and related products. J. Mater. Sci. 22, 2661-2679 (1987).
- Grischkowsky, D., Keiding, S. Far-infrared time-domain spectroscopy with terahertz beams of dielectrics and semiconductors. J. Opt. Soc. Am. B. 7, 2006-2015 (1990).
- Wang, A., Tuniz, A. Fiber metamaterials with negative magnetic permeability in the terahertz. Opt. Mat. Express. 1, 115-120 (2010).
- Tuniz, A., Lwin, R. Stacked-and-drawn metamaterials with magnetic resonances in the terahertz range. Opt. Express. 19, 16480-16490 (2011).
