Metamaterials elasto-òptics d'índex variable escalables per a components i dispositius òptics macroscòpics | comunicacions de natura

Metamaterials elasto-òptics d'índex variable escalables per a components i dispositius òptics macroscòpics | comunicacions de natura

Anonim

Temes

  • Metamaterials
  • Optptica de transformació

Resum

Els metamaterials òptics amb una estructura artificial de longitud de subonda d'ones ofereixen nous enfocaments per implementar dispositius òptics avançats. Tot i això, alguns dels majors reptes associats al desenvolupament de metamaterials en l’espectre visible són els elevats costos i la velocitat de producció lenta dels processos de nanofabricació. A continuació, demostrem una flexió d'ona òptica de transformació-òptica (> 35 mm) (293 mm 2 ) i una lent de Luneburg (855 mm 2 ) a la gamma de longitud d'ona visible de banda blanca de banda ampla utilitzant el concepte de metamaterials elasto-òptics que combinen òptica i mecànica de sòlids. Els nostres metamaterials consisteixen en trossos mesogòticament homogenis d’aerogel a granel amb una transparència òptica de banda ampla superior a l’espectre visible i un índex de refracció ajustable a la tensió que oscil·la entre 1, 43 i gairebé l’índex d’espai lliure ((1.074). Els resultats experimentals mostren que la llum de banda ampla es pot controlar i redirigir en un volum de> 10 5 λ × 10 5 λ × 10 3 λ , cosa que permet processar la llum natural directament per dispositius òptics basats en metamaterials sense components addicionals d'acoblament.

Introducció

Controlar la propagació de la llum natural d’espectre visible a través de components òptics macroscòpicament gruixuts sense atenuació significativa és un requisit per a moltes aplicacions òptiques avançades. Amb la introducció d’un índex de refracció específicament classificat, els materials fotònics inogeneïts ofereixen una oportunitat per a lents i altres elements òptics de banda ampla. Mitjançant el disseny dels detalls de la longitud de subonda d’artificial d’una estructura, els metamaterials són capaços de mostrar propietats difícils d’observar a la natura, com ara propietats d’índex de refracció negatives o de gradient que permeten superlenses, revestiments òptics o elements òptics amb índexs de gradient 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 Com que les tècniques de nanofabricació utilitzades habitualment, com la litografia de raigs d’electrons o el patró de raigs iònics focalitzats, són costoses i necessiten molt de temps, els metamaterials òptics s’han demostrat gairebé exclusivament en escales microscòpiques, per a funcions com la redirecció de llum en modes confinats de guies d’ones planes primes en ones superficials 8 . Així, el volum típic de control de la llum (és a dir, el volum de la regió on podem controlar els camps i distingir els rajos de llum redirigits) s’ha limitat a aproximadament mil longituds d’ona cúbics, o <10 λ × 10 λ × 10 λ . Perquè la llum interactuï amb els dispositius òptics de volum de l’ordre de la longitud d’ona, calen acobladors de llum artificial, com ara els acobladors de fibra o els acobladors de reixa 9, 10 . A més, els dispositius de manipulació de llum microscòpics es basen normalment en fenòmens difractius i, per tant, limitats a l'amplada de banda. Tot i que l’òptica de rajos permet dispositius amb amplades de banda d’última octava, requereix volums molt més grans de components òptics. Per tant, els metamaterials òptics proporcionen noves oportunitats als mercats de la fotònica macroscòpicament grans, però produïbles en massa a un preu assequible per al consumidor.

A continuació, demostrem un plegador d'ones de transformació d'òptica a una escala de màquina (> 35 mm) i una lent de Luneburg per a l'acoblament a la llum natural. Per combinar òptica i mecànica sòlida, introduïm un metamaterial elasto-òptic 11, 12, 13, 14, concretament, un aerogel mesoscòpicament homogeni amb una microestructura nanoporosa (∼ 60 nm). Mitjançant deformacions elàstiques, establim i controlem les distribucions d'índexs classificats sota demanda a la gamma meso-macro de les escales en una àrea o volum gran. Aquests metamaterials es basen en aerogels homogenis transparents compressibles amb un índex de refracció ultralow de 1.074 i una proporció de Poisson de 0, 12. Les àrees dels nostres dos demostradors de prova de concepte, un doblador d’ones i una lent de Luneburg, són 293 i 855 mm 2, respectivament. El gruix vertical dels dispositius de treball (∼ 1 mm) està determinat per la regió màxima comprimida. Això demostra que la propagació de llum natural d'espectre ampli es pot controlar en un volum metamaterial de> 10 5 λ × 10 5 λ × 10 3 λ sense components d'acoblament addicionals.

Resultats

Teoria dels metamaterials elastooptics

Per comprendre el concepte de metamaterials elastosoptics, sintonitzables mecànicament, considereu un medi eficaç homogeni 15 deformable, com un compost binari d’un dielèctric rígid i un buit ple d’aire. Hi ha hagut alguns estudis que han controlat els fenòmens d'ona elàstica mitjançant l'ús del concepte de mecànica sòlida 16, 17, 18 . Per senzillesa, considereu un compost amb una disposició periòdica de cèl·lules d’unitat idèntiques. Una deformació elàstica d’un medi canvia l’índex de refracció i simultàniament el volum d’una cel·la unitat representativa, tal com es mostra a la figura 1a, b. En deformar-se, els camps de tensió i tensió es propaguen a través de la gelosia d’aquestes cèl·lules, i s’estableix un nou equilibri mecànic. Utilitzant la mecànica del continu convencional, es descriuen aquestes deformacions utilitzant un camp vectorial de desplaçament amb components ( u 1, u 2, u 3 ), que relaciona el desplaçament d’un punt ( X 1, X 2, X 3 ) amb la seva nova posició ( x ′ 1, x ′ 2, x ′ 3 ), segons la relació X + u = x19 . Utilitzem el tensor de gradient de deformació

Image

i expressar la relació de compressió (o expansió) ( J ) a través del seu jacobi,

Image
. Després de la deformació, la fracció de volum ( f ) del component dielèctric dur canvia de f = V d / V t a f ′ = V d / V ′ t , resultant en f ′ = ( V d / V t ) / ( V ′ T / V t ) = f / J , on el volum del dielèctric és V d , i el volum de la cel·la total de la unitat és V t . Si canviem la relació de compressió ( J ) o la fracció de volum ( f ), podem obtenir una àmplia gamma d’índexs de refracció efectius ( n eff ( J )) que es preveuen en simulacions numèriques mitjançant un mètode de recuperació 20, 21, 22 .

Image

( a, b ) Deformació del metamaterial elasto-òptic. La transformació de coordenades des de ( X 1, X 2, X 3 ) a ( x ′ 1, x ′ 2, x ′ 3 ) per deformació elàstica del desplaçament ( u 1, u 2, u 3 ) en una estructura de xarxa d’un elasto -metamaterial òptic. Les varetes verdes del cub indiquen una cel·la unitària de l’estructura de xarxa feta de materials dielèctrics incompressibles amb un buit d’aire. La deformació elàstica esprèn la cèl·lula d’unitat i el volum del buit, provocant així canvis de la fracció de volum entre el dielèctric i el buit i, per tant, l’índex efectiu. ( c ) Distribució de camp elèctric i un esquema d'una lent de Luneburg feta amb metamaterials convencionals de cèl·lules d'unitat de la mateixa mida amb geometries de forats diferents. A causa del difícil procés de fabricació utilitzat, el volum de control de la llum és <10 λ × 10 λ × 10 λ . ( d ) Esquema d'una lent de Luneburg feta amb un metamaterial elasto-òptic deformat mecànicament d'un material nanopor homogeni. Amb un senzill procés de deformació elàstica, el volum de control de la llum és> 10 5 λ × 10 5 λ × 10 3 λ .

Imatge a mida completa

Demostracions anteriors de lents de Luneburg basades en metamaterials es van basar en gelosies periòdiques o quasi-periòdiques de metamaterials de geometria de forat variable de mida fixa, com es mostra a la Fig. 1c. Aquest enfocament, tot i que és factible per a dispositius d'ona de microones i fins i tot d'ones mil·límetres, és costós prohibitiu per a aplicacions òptiques. Aquí, mitjançant el concepte metamaterial elàstico-òptic, aconseguim els perfils d'índex de qualificació necessaris mitjançant una distribució de proporcions de compressió. La lent de Luneburg es pot aconseguir amb un simple procés de deformació elàstica d’un material nanopor homogeni, tal com es mostra a la Fig. 1d. A partir de la mecànica contínua, la tensió i la tensió es distribueixen contínuament en un medi de xarxa deformat, donant lloc a una distribució índex eficaç controlable en metamaterials elasto-òptics.

Aerogels per a metamaterials elàstics

Per verificar el concepte elasto-òptic a escala macro, diferent dels aerogels rígids i no formables convencionals, utilitzem un aerogel transparent i compressible amb una estructura nanoporosa, tal com es presenta a la figura 2a. En les nostres mostres, el metiltrimetoxisilà precursor (MTMS) ens permet comprimir l’airegel de la mateixa manera que una esponja. Per reduir la mida dels grànuls, difonem de manera eficient MTMS en la solució utilitzant un agent tensioactiu, és a dir, un agent tensioactiu no iònic poli (òxid d'etilè) -bloqueig poli (òxid de propilen) -bloque-poli (òxid d'etilen) copolímer triblock (F127, EO 108 PO 70 EO 108 ). Les nanogranules ultrafines de ∼ 20 nm ens permeten produir un airgel transparent en el règim òptic. La imatge SEM mostra que nano-grànuls compostos de sílice formen una estructura de xarxa amb nanoporos de 60 nm (Fig. Suplementària). La transmitància i la reflectància mesurades experimentalment d’un airgel de 3 mm d’espessor mostren una bona transparència de banda ampla (Fig. 2b). Es van mesurar els coeficients d’atenuació dels aerogels com 0, 039, 0, 055, 0, 080, 0, 109 i 0, 069 mm −1 a 633, 589, 523, 473 i 400 º 700 nm, respectivament (Fig. 2c), (Fig. 2 complementària i Taula complementària 1 ). La figura 2d mostra la propagació de la llum blanca a través de l’airegel. L'aerogel també és comprimible per la seva pròpia propietat mecànica de remuntament amb molla amb una relació de Poisson de 0, 12 (Fig. 2e); el procés de deformació es mostra a la pel·lícula suplementària 1. L’aerogel pot comprimir des d’una porositat inicial del 84% fins a gairebé zero als 23 màxims. Finalment, podem utilitzar el granel d’aire com a metamaterial elasto-òptic a l’espectre visible.

Image

( a ) Una fotografia d'un airgel a granel transparent compressible de 8 cm de diàmetre i 1 cm de gruix. L'inset mostra una imatge SEM d'una estructura de xarxa nanoporosa amb un 84% de porositat. La mida de la barra de l'escala, 20 mm (inserit 200 nm). ( b ) La transmitància òptica i la reflectància òptica mesurades mostren la bona transparència d'un aeroplà de 3 mm de gruix en l'espectre visible. ( c ) Els coeficients de mitigació dels aerogels mesurats en 633 (vermell), 589 (groc), 523 (verd), 473 (blau) i 400-700 (negre) nm són 0, 039, 0, 055, 0, 080, 0, 109 i 0, 069 mm −1., respectivament. ( d ) Una imatge òptica de propagació de la llum blanca en un airgel. La mida de la barra de l'escala, 20 mm. ( e ) Fotografies d'un airgel comprimible (quadre de guions vermell) abans (esquerra) i després de la deformació (dreta). Les relacions de compressió ( J ) són 1 i 0, 5. La mida de la barra de l'escala, 10 mm. ( f ) Mitjançant el mètode de recuperació amb COMSOL, s’obté l’índex de refracció efectiu calculat ( n eff ( J )) de l’aerògraf deformat respecte a les relacions de compressió ( J ) per a les polaritzacions TE (cercle vermell) i TM (quadrat negre). La cèl·lula unitària consisteix en un material cúbic de forma dielèctrica (blau) al voltant d’un buit d’aire amb una longitud lateral de 60 nm. La fracció de volum dielèctric és de 0, 16, la proporció de Poisson és de 0, 12 i l'índex de refracció no deformada és de 1, 074. Les formes simulades de la cèl·lula unitat deformada es mostren per a les relacions de compressió específiques de J = 0, 2, 0, 6 i 1. n eff ( J ) de la relació aproximada de Clausius-Mossotti (línia blava) d'acord amb el mètode de recuperació. Els índexs efectius (diamant vermell) mesurats experimentalment versus els percentatges de compressió dels nostres trossos d’aire coincideixen bé amb la relació aproximada de Clausius-Mossotti.

Imatge a mida completa

Propietats òptiques versus compressió d’aerogel

Es va mesurar experimentalment l'índex de refracció del nostre airgel com n 0 = 1.078 mitjançant la llei de Snell 24 (figura suplementària Fig. 3). Aquest índex ultralow s’aproxima a l’índex d’aire per la seva gran porositat, mentre que pot arribar a n 43 1.43 quan es comprimeix màximament, donant lloc a un ampli ventall sintonitzable de Δ n ∼ 0, 35. L'índex d'ultralow de tipus airgel similar al aire també minimitza la pèrdua de desajust d'índexs amb l'aire a les interfícies. A partir del mètode de recuperació metamaterial implementat amb un solucionador COMSOL del mètode d'elements finits (FEM), es va calcular numèricament l'índex efectiu ( n ef ( J )) de l'aerogel deformat mecànicament versus la relació de compressió ( J ) 20, 21, 22 . La cèl·lula unitària comprèn una estructura de closca cúbica de sílice al voltant d’un buit d’aire amb una longitud lateral de 60 nm (Fig. 2f). Les cèl·lules unitats es deformen elàsticament en la direcció z amb una proporció de Poisson de 0, 12 i la llum es propaga en la direcció y amb polaritzacions TE o TM. En un estudi anterior, la deformació elàstica anisotròpica va causar birefringència insignificant mentre comprimia els aerogels 25, la qual cosa és coherent amb els nostres resultats de simulació. Aproximadament simulem els aerogels mesoscòpicament homogenis mitjançant la relació Clausius-Mossotti, ( n 2 −1) / ( n 2 +2) = Nα / 3, on N és la densitat numèrica de molècules, i α és la polarització molecular. Utilitzant N = N 0 / J , després de la compressió mecànica, podem obtenir n ef ( J ) de

Image

, que concorda precisament amb el mètode de recuperació. També vam mesurar experimentalment els índexs efectius dels nostres fragments d'airegel en funció de les relacions de compressió; les mesures mostren un bon acord amb el model aproximat. Els índexs mesurats en relació amb diverses longituds d'ona també es donen a la Fig. 4 i a la Taula Suplementària 2.

Disseny d'aparells de metamaterial elasto-òptic a macroscala

A continuació, vam produir dispositius metamaterials bidimensionals (2D) de control de llum natural a macroscala al pla xy comprimint l’aerogel en la direcció z fora del pla. Els dos exemples de dispositius d'índex classificat seleccionats van ser: un doblador d'ona de transformació òptica (TO) i una lent de Luneburg. En el doblador d’ona TO, la llum incident es pot propagar en un camí arbitrari definit per la forma del doblador mantenint la informació inicial de fase 26, 27, 28, una mica similar a la propagació d’ona a través d’una fibra òptica. La lent de Luneburg té una distribució d'índex classificat de tal manera que focalitza les ones planes des de totes les direccions cap a un punt focal sense aberracions 29, 30 . Fins a la data, només hi ha hagut demostracions a escala microscòpica de lents òptiques de Luneburg a causa de les limitacions de la tecnologia actual de nanofabricació 31, 32, 33, 34 . Aquí, un doblador d'ona TO amb forma d'arc i una lent de Luneburg estan dissenyats com a n eff = R 0 / r i

Image

, respectivament, 26, 29, on R 0 és el radi exterior, i r és la distància de l’origen (Fig. 3a, b). A partir dels índexs de classificació desitjats dels objectes objectiu, obtenim la distribució de la relació de compressió 2D ( J ) per a l’airegel mitjançant la funció inversa de n eff ( J ), calculada a la figura 2f. Per obtenir la relació de compressió dissenyada en el pla xy , calculem la forma de secció que resulta d’una deformació en la direcció z mitjançant el mòdul de mecànica sòlida a COMSOL Multiphysics (Fig. 3c, d, Fig. Suplementària Fig. 5). A mesura que deformem trossos homogèns d’airegel rectangular (línies guionades) en formes de línies sòlides comprimint els motlles, obtenim la distribució d’índex desitjada a la regió superficial superior. Aquests dispositius funcionen tal com es descriu per a la propagació de la llum dins del gruix de secció ( t ) determinada per la regió màximament comprimida, on les distribucions de la relació de compressió ( J ) són gairebé constants al llarg de la direcció z . Al girar les seccions, hem dissenyat els motlles de premsa tridimensionals (3D) i els hem fabricat amb una impressora 3D (3Dwox, Sindoh) (Fig. 3e, f). Els aerogels homogenis inicials sense deformar es presenten com a estructures verdes. Per a la lent de Luneburg, utilitzem una placa airgel amb un forat per reduir la força resistiva per a la compressió a la regió central. Després de deformar els aerogels prement els motlles, obtenim les distribucions de proporció de compressió necessàries per al plegador d'ona i per a la lent de Luneburg (Fig. 3g, h).

Image

( a, b ) Resultat de la simulació COMSOL de la propagació dels rajos en un doblador d'ona òptica de transformació (TO) (a) i una lent òptica de Luneburg (b). Les distribucions d'índex de refracció 2D (escala de grisos) d'un doblador d'ona TO i una lent òptica de Luneburg són

Image
i
Image
, respectivament, on R 0 és el radi exterior, i r és la distància de l'origen en el pla xy . ( c, d ) Utilitzant la funció inversa de l'índex efectiu n ef ( J ) d'aerogel comprimible, hem transformat la distribució índex dissenyada en la distribució de la relació de compressió, J ( n eff ). Les línies puntejades indiquen les seccions dels aerogels homogenis inicials. Les línies sòlides mostren les formes de secció després de comprimir-se per obtenir la proporció de compressió dissenyada i distribucions d'índexs efectives a la superfície superior. Aquests dispositius funcionen correctament dins del gruix t . ( e, f ) Motlles de premsa dissenyats (grisos) i bombetes homogènes d’aire (verd) per a cada dispositiu abans de la deformació elàstica. ( g, h ) Perfils de compressió en el doblador d'ona TO i la lent òptica de Luneburg obtinguda comprimint aerogels homogenis amb motlles de premsa en la direcció z . Les bombetes d’aire adequades amb deformació adequada tenen la relació de compressió i distribucions d’índex desitjades. Les barres de colors tèrmics indiquen la relació de compressió ( c, d, g, h ).

Imatge a mida completa

Demostracions de dispositius òptics macroscòpics

Per demostrar la viabilitat pràctica del nostre enfocament, vam preparar els dispositius òptics a escala macro descrits mitjançant la deformació mecànica dels aerogels homogenis. Es va fabricar un granet homogeni en forma d’arc en forma d’arc per al doblador d’ones amb un revolt de 45 ° (radi exterior R 0 = 46 mm, radi interior r 0 = 37 mm, gruix t 0 = 5 mm) i una placa d’aire amb un forat central. per a la lent de Luneburg (radi exterior R 0 = 16, 5 mm, radi interior r 0 = 2, 5 mm, gruix t 0 = 5 mm). Després de sandvitxar el granet homogeni d’aire amb motlles de premsa impresa en 3D i finestres superiors d’acril, vam comprimir elàsticment l’aire sobre una placa d’alumini en les formes dissenyades de la figura 3g, h, donant lloc a les distribucions d’índex dels dispositius objectiu dins de l’1 mm. -regió de superfície superior gruixuda. La figura 4a presenta un doblador d’ona TO realitzat per metamaterials elasto-òptics després de compressió mecànica. Per investigar les característiques de guiatge d'ona del TO, com a referències, també es va preparar un tros d'airegel de 45 ° de flexió i un bloc d'aerogel homogeni recte sense deformació mecànica. Quan un feix de llum blanca col·limatat des d’un simulador solar (YCSS-50, Yamashita Denso) és incident al lloc A des del costat dret, la llum de banda ampla es propaga al llarg del camí corbat, tal i com està dissenyat pel TO (Fig. 4b). A la figura 4c, d es descriuen les propagacions de la llum recta en trossos homogèns d’airegel. A les superfícies de sortida de mostres (arestes vermelles a la figura 4b – d), les imatges de secció transversal (Fig. 4e) i els perfils d’intensitat (Fig. 4f) dels feixos de llum mostren clarament les característiques de flexió d’ona de la mecànica. metamaterial elasto-òptic comprimit. La intensitat de la llum disminueix perquè les nanopores a l’airegel dispersen la llum propagadora; el coeficient mitjà d'atenuació per a un ampli rang de longituds d'ona de 400 a 700 nm és de 0, 069 mm −1 . Les constants d'atenuació en diverses longituds d'ona també es donen a la taula Suplementària 1. En el doblador d'ona TO, els raigs làser també es propaguen al llarg del mateix camí corbat a diverses longituds d'ona de 633, 589, 523 i 473 nm (Fig. 4g). S'han utilitzat fonts làser de cw de baix consum per eliminar efectes no lineals, com les lents tèrmiques 35 .

Image

( a ) Una fotografia de la mostra de doblador de l'ona. La mida de la barra de l'escala, 20 mm. Amb un motlle de premsa impresa en 3D per a doblador d’ona, vam comprimir l’aerogel (regió guionzada), donant com a resultat la distribució dissenyada de la relació de compressió i l’índex de refracció efectiu per al doblador d’ona de transformació òptica (TO). L'aerògraf preparat per a la mostra de doblador d'ona amb 45 ° de flexió té els següents paràmetres: radi exterior R 0 = 46 mm, radi interior r 0 = 37 mm i gruix t 0 = 5 mm. Els feixos de llum són incidents en el punt vermell A de la dreta. ( b ) Un feix de llum blanca col·limada d'un simulador solar és incident i es propaga al llarg del doblador d'ona corba, que satisfà el disseny TO. Com a referència, la llum es propaga en línia recta dins ( c ) un revolt de 45 ° i ( d ) un tros rectilígen homogeni, sense deformació mecànica. ( e ) Les imatges de secció transversal i ( f ) perfils d'intensitat de feixos de llum a les superfícies de sortida (vores vermelles a b, c, d . ( g ) Diversos feixos làser de longitud d'ona (633, 589, 523 i 473 nm) són incidents i es propaguen al llarg del doblador d'ona corba, satisfent el disseny TO.

Imatge a mida completa

La figura 5a mostra una lent de Luneburg visible a una escala macro de 3, 3 cm de diàmetre feta per un airgel deformat. Quan els feixos de llum blanca tenen incidència en la direcció y , ja que canviem les posicions x per incidència, la lent de Luneburg té una clara tendència a redirigir la llum de banda ampla cap a una posició focal àmplia a la superfície de sortida (Fig. 5b). Com que el rendiment de l’enfocament està limitat per les propietats del mòdul de cisalla dels aerogels, cal més investigació per realitzar una lent ideal de Luneburg. La lent mostra un comportament d'enfocament similar per a raigs làser a les longituds d'ona de 633, 589, 523 i 473 nm (Fig. 5c-f). Per a una lent de Luneburg més gran de 5 cm de diàmetre, es va demostrar la mateixa tendència de redirecció de llum (Fig. 6).

Image

( a ) Una fotografia de la lent de Luneburg (33 mm de diàmetre) amb un forat central (5 mm de diàmetre). La mida de la barra de l'escala, 20 mm. Utilitzant el motlle de premsa impresa en 3D per a lentilles de Luneburg, comprimíem l’airegel (regió guionzada), donant com a resultat la distribució dissenyada de la relació de compressió i l’índex de refracció efectiu per a la lent de Luneburg a la figura 3h. L’aerogel preparat per a la mostra de la lent de Luneburg té els següents paràmetres: radi exterior R 0 = 16, 5 mm, radi interior r 0 = 2, 5 mm i gruix t 0 = 5 mm. ( b ) Els feixos de llum blanca (fletxes vermelles) són incidents en la direcció y a diferents posicions d’entrada en la direcció x (7, 11, 15 mm). El feix de llum es redirigeix ​​cap a una posició focal ampla a la superfície de sortida. ( c - f ) Diversos feixos làser de longitud d'ona (633, 589, 523 i 473 nm) són incidents i redirigits a una posició focal similar a la superfície de sortida.

Imatge a mida completa

Discussió

Aquests resultats demostren la viabilitat de dispositius òptics de llum natural de banda ampla de gran amplada basats en metamaterials elàstics. Els perfils d'index de gradients desitjats s'obtenen sense nanofabricació, a causa de subratllar els aerogels homogenis transparents i reversibles de compressibilitat. A la demostració de lents de Luneburg, el recorregut òptic total que es pot controlar dins del dispositiu pot ser de fins a 50 mm, és a dir, de 10 a 5 mm. Les zones de secció del doblador d’ona i les lents de Luneburg són 293 i 855 mm 2, respectivament, amb el gruix de la capa funcional aproximadament d’1 mm.

Els metamaterials elàstics òptics permeten desenvolupar dispositius òptics amb una àrea lateral molt gran, gruix transversal i volum que superin les dimensions anteriors del dispositiu metamaterial òptic per molts ordres de magnitud. Aquesta tècnica permet un control precís sobre la propagació de la llum de banda ampla en volums de fins a 10 13 λ 3 (per exemple, 10 5 λ × 10 5 λ × 10 3 λ ). Això permet a la llum natural interactuar directament amb dispositius metamaterials sense que hi hagi components d’acoblament addicionals, obrint la porta a aplicacions industrials de metamaterials òptics en general, i òptiques de transformació en particular, per exemple, lents adaptatives per a càmeres miniaturitzades avançades, visió a màquina, basades en lidar tecnologies i recol·lecció d'energia.

Mètodes

Tensor de gradient de deformació en mecànica sòlida

Si tenim en compte un procés de deformació elàstica, hi ha dues coordenades explícites, és a dir, l’espai pla X original i l’espai deformat mecànicament x ′ = X + u, on el camp vectorial és el camp de desplaçament u, tal com es descriu a la Fig Suplementària. 7. Per quantificar el canvi de forma d’un cos sòlid deformat, s’introdueix el concepte de tensor de gradient de deformació com

Image

. El jacobi ( J ) del gradient de deformació es defineix com a

Image
i representa la relació del volum deformat sobre el volum inicial segons la relació
Image
. Per a un sòlid incompressible, J = 1. Si J > 1 ( J <1), el sòlid s'expandeix (es comprimeix).

Fabricació de l’airegel

Per a la fabricació de l’airegel, vam preparar el sol barrejant solucions d’àcid acètic aquós a 10 mM, MTMS, urea i tensioactiu (F127) amb les relacions de massa de 7: 4.76: 0.5: 1.1 i després escalfem tèrmicament el sol per a la gelificació. en un forn a 60 ° C durant 4 dies. A continuació, vam mullar el gel humit obtingut en 2-propanol a 60 ° C durant 3 dies amb dos intercanvis de dissolvents. Finalment, vam assecar el gel humit mitjançant un procés d’assecat supercrític. L’aerogel nanoporós completament seca consta d’un 16% de polimetilsilsquioxà (PMSQ) i un 84% de buits 36 .

Mesura de l’índex de refracció de l’airegel comprimit mitjançant la llei de Snell

Seguint el mètode de la ref. 24, es va mesurar experimentalment l’índex de refracció d’un airgel comprimit tal com es mostra a la figura complementària 3. Si un feix incident va entrar en un angle recte en un angle oblic (45 °, 50 °, 55 °, 60 ° en la nostra configuració), les dues refraccions a les superfícies d’entrada i sortida de l’airegel presenten un gran desplaçament lateral, δ y , per a la propagació del feix làser. Mesurant els valors de δ x , δ y , θ 1 i β a l'experiment, obtenim θ 2, θ 3 i l'índex de refracció dels aerogels mitjançant la llei de Snell. Per caracteritzar l'índex efectiu d'un airgel comprimit, es van mesurar experimentalment els índexs efectius d'un tros d'aire a diferents raons de compressió. La figura 4 suplementària presenta els índexs de refracció efectius d’un airgel comprimit mesurat per raigs làser de diferents longituds d’ona (633, 589, 523 i 473 nm) per a les proporcions de compressió de 0, 28, 0, 32, 0, 45, 0, 64, 0, 83 i 1. Els valors mesurats per a 633 nm es presenten els resultats teòrics de la figura 2f del manuscrit. Els resultats experimentals es resumeixen a la taula complementària 2.

Mesura òptica de la transmitància i la reflectància dels aerogels

Per mesurar la transmitància i la reflectància dels aerogels en el rang de longitud d'ona de 300-1.000 nm, hem utilitzat un espectròmetre ultravioleta-visible-NIR (UV3600, Shimadzu Scientific Instruments) amb una esfera integradora de 60 mm de diàmetre (MPC-3100) de escaneig d’un monocromador acoblat a una làmpada halògena. La llum transmesa i reflectida dels aerogels es va escampar i es va recollir en una esfera integradora i es va detectar amb un tub fotomultiplicador. Utilitzant una esfera integradora, podem mesurar a fons els espectres de reflectància R ( λ ) (transmitància ( T ( λ )) dels aerogels amb dispersió des de nanoporos de 60 nm, incloent reflexos difusos i especulars (transmissions). espectres de reflexió / transmissió, vam muntar les mostres en un angle d’incidència oblic (8 °) respecte a la normal a la part posterior / davant d’una esfera integradora.

Mesura del coeficient d'atenuació dels aerogels

Per caracteritzar el coeficient d'atenuació dels aerogels, es va mesurar la transmitància espectral total dels aerogels amb diversos gruixos tal com es descriu a la Fig. 2. Utilitzem un espectròmetre NIR ultraviolada (visible-NIR) (UV3600, Shimadzu Scientific Instruments) amb un 60 mm- esfera integradora de diàmetre (MPC-3100). La figura 2a complementària presenta la transmitància dels aerogels en el rang de longitud d'ona de 400-850 nm amb gruixos de 2, 4, 3, 0, 4, 2, 4, 8, 5, 9, 6, 9, 7, 2 i 7, 6 mm. La reducció de transmitància durant la propagació de la llum és menor a longituds d'ona més llargues. D'aquesta manera es produeix un coeficient d'atenuació més reduït a longituds d'ona més llargues; consegüentment, la llum vermella es pot propagar durant distàncies més llargues en els aerogel·les en comparació amb la llum a longituds d'ona més curtes (Fig. 2b). La figura 2c mostra l'atenuació en els aerogels en funció de la longitud de propagació (el gruix dels aerogels) a escala semi-logarítmica a longitud d'ona de 633, 589, 523 i 473 nm. També es plasma l’atenuació per a una transmitància mitjana en l’espectre visible de 400 a 700 nm. El pendent de l’ajustament dóna una estimació del coeficient d’atenuació (en mm −1 ) de cada longitud d’ona; els resultats es resumeixen a la taula complementària 1.

Càlcul de les propietats òptiques versus la compressió dels aerogels

Per calcular les propietats òptiques a mesura que els aerogels es comprimeixen mecànicament, és necessari trobar el paràmetre relacionant l'elasticitat i les propietats òptiques en un mateix material. Mitjançant els mòduls sòlids de mecànica i òptica de la simulació COMSOL, trobem la relació entre el tensor de la tensió (induït per deformació elàstica) i els tensors de permisivitat i permeabilitat. Com que la birefringència òptica generada per una compressió elàstica anisotròpica es creu que és insignificantment petita 25, els tensors de permeabilitat i permissivitat es poden representar amb l’índex de refracció isotropic. El tensor de tensió també es pot quantificar mitjançant la relació de compressió de volum ( J ). Es va modelar una cèl·lula unitat del metamaterial elasto-òptic amb un únic por envoltat d’una closca dielèctrica. Com que la cèl·lula d’unitat està comprimida mecànicament, podem obtenir l’índex de refracció versus la relació de compressió ( J ) mitjançant el mètode de recuperació metamaterial 20, 21, 22 . Els resultats es mostren a la figura 2f.

Disponibilitat de dades

Els autors declaren que les dades que justifiquen les conclusions d’aquest estudi estan disponibles al document i als seus fitxers d’informació suplementària.

Informació complementària

Fitxers PDF

  1. 1.

    Informació complementària

Vídeos

  1. 1.

    Pel·lícula complementària 1

  2. 2

    Pel·lícula complementària 2

Comentaris

En enviar un comentari, accepteu complir els nostres Termes i Directrius de la Comunitat. Si trobeu alguna cosa abusiva o que no compleix els nostres termes o directrius, marqueu-la com a inadequada.