Control of terahertz polarization-sensitive filters based on the formation by a magnetic field of structures of micropar.pdf Введение Терагерцовый (0.1-10 ТГц) частотный диапазон перспективен для создания элементной связи нового поколения, в медицинской диагностике, устройствах обеспечении безопасности. В настоящее время ведутся разработки по созданию элементной базы для приборов, работающих в ТГц-диапазоне: перестраиваемых фильтров, фазовращателей, затворов, модуляторов. Для реализации таких устройств применяются разнообразные материалы: жидкие кристаллы, полупроводники, графен, оксиды. Показана возможность управления параметрами ТГц-излучения путем ориентации нанотрубок в полимере методом растяжения [1, 2]. В работах [3-5] представлены узкополосные ТГц фильтры на основе двухслойных и многослойных метаповерхностей, позволяющие полностью блокировать падающее излучение за пределами желаемой полосы пропускания. Предложен метод управления терагерцовым излучением с помощью полосового фильтра на основе сэндвич-структуры (металл - диэлектрик - металл), ширина полосы пропускания составляла 0.5 ТГц [6]. Существует еще несколько конструкций терагерцовых фильтров, например, на основе фотонных кристаллов [7, 8] или тонких, полученных методом микростереолитографии, металлических проволок, имеющих диаметр 30 мкм [9, 10]. Однако предпочтительней применять не механически управляемые, а магнито- или электроуправляемые материалы, например, магнитные жидкости (МЖ). Интерес к магнитным жидкостям обусловлен тем, что входящие в состав нано- или микрочастицы при воздействии на них магнитным полем выравниваются и формируют периодические структуры (агломераты), подобные обычным дифракционным решеткам [11, 12]. Высокая подвижность магнитных частиц в жидкости обеспечивает их сильную чувствительность к магнитным полям, это дает значительное преимущество по сравнению с твердотельными аналогами [13, 14]. Магнитная жидкость представляет собой устойчивый коллоидный раствор магнитных частиц в базовой жидкости. Магнитную жидкость также называют феррожидкостью или ферромагнитной жидкостью, на англ. языке соответственно - magnetic fluid, magnetic liquid или ferrofluid. Данный композит обладает уникальными электрическими и магнитными свойствами. МЖ может иметь особые значения физических параметров среды: диэлектрической ε и магнитной µ проницаемости, пространственной структуризации, зависящей от размера, формы и концентрации магнитных частиц, наличия возможности управления параметрами среды в результате внешних действий [15, 16]. Обычно в составе магнитной жидкости в качестве дисперсной магнитной фазы используются ферромагнитные и ферримагнитные металлы, а также окислы металлов, например, Fe, Co, Ni, Gd, Fe2O3, Fe3O4 [17-20]. Неотъемлемым компонентом МЖ является жидкость-носитель, которая может быть полярной или неполярной. Функция этого компонента заключается в обеспечении среды, в которой «подвешиваются» и стабилизируются частицы магнитного материала. К настоящему времени применяется широкий набор жидкостей-носителей: вода, этанол, пентанол, гликоли, перфторполиэтилены, синтетические сложные эфиры, трансформаторные масла, фреоны, стирол, метилэтилкетон, керосин, синтетические углеводороды и органические растворители, такие как гептан, бензол, толуол, минеральные и кремнийорганические масла, овощные масла (подсолнечное, рапсовое, касторовое) и силиконовые масла. Стоит обратить внимание, что в терагерцовом диапазоне частот большая часть растворов не может применяться из-за наличия в их составе воды и гидроксильных групп. В таких случаях терагерцовое излучение сильно поглощается. Наиболее подходящим жидким носителем для ТГц-диапазона частот является автомобильное синтетическое моторное масло [21]. Цель данной работы - исследование возможности управления спектральными характеристиками ТГц-волн с применением фильтров на основе магнитных жидкостей, находящихся во внешнем магнитном поле. При создании управляемых узкополосных поляризационно-чувствительных фильтров терагерцового диапазона необходимо использовать соответствующую технологию. В качестве этой технологии в работе предлагается применять магнитные жидкости, а управление характеристиками ТГц-излучения осуществлять посредством изменения конфигурации и величины внешнего магнитного поля. На терагерцовые спектральные характеристики таких фильтров влияют следующие факторы: материал и размеры частиц, свойства жидкости-носителя этих частиц, концентрация магнитных частиц в жидкости-носителе, особенности геометрии кюветы (ячейки), в которую помещается магнитная жидкость. Объект и методы исследования В данной работе использовались магнитные частицы аморфного сплава 5БДСР с высокой магнитной проницаемостью μ ≥ 40000. Сплав производится на Ашинском металлургическом заводе (Россия) и является аналогом сплавов производителя Finemet «Hitachi» (Япония). Микрочастицы получены размолом ленты 5БДСР в механической ступке MG100, «Grinder». Поскольку данный способ дает большой разброс по размерам, далее полученные микропорошки фракционировались на калиброванных лабораторных ситах (производитель «Вибротехник») с ячейками от 32 до 90 мкм и рассевом на виброприводе. Процесс приготовления магнитной жидкости осуществляется следующим образом: феррочастицы размером от 32 до 50 мкм взвешиваются на высокоточных лабораторных весах (точность 0.001 гр). Затем взвешенные частицы помещаются в пробирку и добавляется автомобильное синтетическое моторное масло 5W40 в необходимом объеме. Далее полученная суспензия перемешивается двумя способами: сначала механическими поворотными движениями и следом с помощью ультразвуковой ванны (VBS13D, «Vilitek»). Для создания источника магнитного поля с высокой однородностью и возможностью управления величиной и направлением магнитной индукции применялись катушки индуктивности. Основными параметрами магнитной системы являются величина магнитной индукции, которая должна быть достаточна для ориентации магнитных частиц, а также размер области, в которой магнитное поле однородно. Первоначально рассчитывались размеры катушек, напряженность поля, число витков, диаметр провода, расстояние между катушками и затем изготавливался каркас катушек на 3D-принтере. В результате, созданы две катушки индуктивности со средним диаметром 55 мм. Намотка катушек осуществлялась обмоточным проводом ПЭТВ-2 диаметром 0.5 мм и насчитывала порядка 1800 витков (рис. 1, а). Для улучшения характеристик создаваемого магнитного поля была добавлена пара ферромагнитных сердечников диаметром 30 мм. Измерения магнитной индукции и однородности поля проводились с использованием магнитометра (АТЕ-8702, «АКТАКОМ»). Полученное устройство позволяет создавать стабильное магнитное поле с величиной индукции в 303 Гс (при 500 мА) и возможностью увеличения до 572 Гс (при 920 мА) (рис. 1, б). Область однородности магнитного поля имеет форму сферы диаметром ~ 10 мм, а диаметр пучка ТГц-излучения в фокальной плоскости составляет ~ 4 мм. Для создания устройства, позволяющего управлять параметрами терагерцового излучения, применялась полимерная кювета, наполненная магнитной жидкостью и помещенная между парой катушек индуктивности. Далее происходит воздействие на кювету магнитным полем. Магнитное Рис. 1. Иллюстрация способа намотки провода (а) - строго виток к витку и вид катушек индуктивности с ферромагнитным сердечником (б) Рис. 2. Кластеризация микрочастиц 5БДСР в масле 5W40 при воздействии магнитного поля в горизонтальном направлении (a) и в вертикальном направлении (б) поле создавалось путем подачи электрического тока на катушки индуктивности. Кювета имела внутренний размер 3×10 мм, габаритные размеры 5×12×45 мм. Полученное устройство позволяет ориентировать магнитные микрочастицы в периодические протяженные кластеры (агломераты) в двух направлениях (вертикально и горизонтально), тем самым имитируя аналог дифракционных решеток (рис. 2, а) [11]. После получения стабильных решеток в кюветах, показанных на (рис. 2, а), был создан прототип поляризационного фильтра (рис. 2, б). Прототип представляет собой герметичную полимерную ячейку, заполненную магнитной жидкостью, с внутренним размером 3×10 мм, габаритным - 5×12×14 мм. Исследование полученного прототипа в терагерцовом диапазоне частот проводилось в режиме пропускания с помощью ТГц-спектро¬мет¬ра реального времени (T-Spec 1000 «Teravil», Литва), позволяющего эффективно регистрировать излучение в диапазоне от 0.2 до 2.5 ТГц. Данный спектрометр генерирует плоско-поля¬ри¬зо¬ван¬ное излучение с колебаниями вектора напряженности в горизонтальной плоскости. Катушки индуктивности размещались внутри спектрометра таким образом, чтобы луч лазера проходил через центр исследуемого объекта (ячейку с жидкостью), между парой параболических фокусирующих зеркал. В качестве референтного сигнала каждый раз измерялся образец, наполненный чистым автомобильным синтетическим моторным маслом 5W40. Усреднение проводилось по 256 отсканированным кривым. Перед процедурой измерений исследуемая магнитная жидкость в ячейке взбалтывалась механическими поворотными движениями и с помощью ультразвуковой ванны (3 мин). Затем прототип размещался в спектрометре между электромагнитами и включалось магнитное поле (при токе 900 мА). После чего образцу необходимо ~ 30 с для выравнивания и формирования периодических структур магнитными частицами. Первоначально регистрировались спектральные характеристики, когда магнитное поле ориентировано перпендикулярно направлению излучения в горизонтальной плоскости. После получения спектров магнитное поле отключалось, исследуемый объект вынимался из спектрометра, механическими поворотными движениями дезориентировались микрочастицы. Затем размещался между парой катушек индуктивности, включалось магнитное поле (при токе 900 мА), выжидалась структуризация частиц и повторялось измерение. Эти процедуры повторялись не менее пяти раз для каждого направления магнитного поля. Далее регистрировались спектры пропускания, когда поле ориентировалось перпендикулярно направлению излучения в вертикальной плоскости путем механического поворота электромагнитов. Результаты и их обсуждение На рис. 3 показан спектр поглощения автомобильного моторного масла 5W40 с толщиной слоя 3 мм. Измерения проводились в оптически прозрачной полимерной кювете. Аналогичные спектры были получены нами в работе [21] в кювете из оптически непрозрачного пластика «Watson». Рис. 3. Среднее значение и среднеквадратичное отклонение спектра поглощения синтетического моторного масла 5W40 На рис. 4 представлены спектры поглощения прототипа поляризационного фильтра в трех состояниях. При отсутствии магнитного поля частицы не ориентированы, расположены хаотично. В этом режиме происходит несущественное ослабление излучения в области от 0.2 до 1.5 ТГц, которое связано с поглощением металлического наполнителя. Когда магнитное поле направлено перпендикулярно пучку спектрометра в горизонтальной плоскости, наблюдается минимальное поглощение в диапазоне от 0.2 до 1.5 ТГц, близкое по уровню с неориентированным образцом. В случае, когда магнитное поле направлено перпендикулярно пучку лазера в вертикальной плоскости, происходит максимальное ослабление падающего излучения, однако в диапазоне частот от 0.4 до 0.5 ТГц достигается минимум поглощения, т.е. в этом диапазоне созданный прототип работает как полосовой фильтр. Рис. 4. Средние значения и среднеквадратичные отклонения ТГц-спектров поглощения магнитной жидкости в ячейке: 1 - без действия магнитного поля; 2 - магнитное поле направлено параллельно вектору напряженности; 3 - магнитное поле направлено перпендикулярно вектору напряженности Эксперименты показали, что величины магнитного поля 56 мТл (560 Гс) достаточно, чтобы выстраивать частицы в вертикальные структуры после оседания, как на рис. 2, б, а для поддержания микрочастиц во взвешенном ориентированном состоянии вполне хватает наличия магнитного поля с величиной магнитной индукции ~ 25 мТл (250 Гс). Заключение В результате проведенной работы создан поляризационно-чувствительный прототип полосового фильтра. Принцип работы фильтра основан на управлении магнитным полем поведением микрочастиц 5БДСР (размер частиц до 50 мкм). В качестве жидкого носителя использовалось синтетическое моторное масло 5W40. Созданный в работе прототип полосового фильтра наиболее эффективно работает в диапазоне от 0.4 до 0.5 ТГц. Показано, что внешнее магнитное поле величиной 56 мТл является достаточным для создания периодических структур, которые являются аналогом дифракционных решеток, в прототипе данного фильтра. В случае вертикально направленного (перпендикулярно вектору напряженности) магнитного поля (рис. 2, б) прототип работает как полосовой фильтр (режим включен), а смена направления на горизонтальное (параллельное вектору напряженности) приводит к отключению полосового фильтра. Отметим, что данный подход позволяет управлять свойствами поляризационно-чувствительного фильтра без применения механических воздействий.

Скачать электронную версию публикации