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產品詳情

THz材料

詳細參數：

太赫茲 (THz) 波是頻率為~0.1-10 THz (~3 mm - 30 μm, 3 cm-1 - 300 cm-1) ，介于微波和中紅外區域的電磁波。
 
和可見和紅外光相比，THZ波可以穿透常規的材料，如：皮膚，塑料，衣服或者紙材料。由于光子能量低，因此，他不會造成和離子輻射（X光）一樣的損害。這些特點使其能夠應用在處理（如藥物生產），質量控制以及THZ成像領域。現在也很多人想把它應用在安保，包裹檢查，半導體特征分析，化學組成分析以及生物研究領域。
 
對于傳統的THZ應用，我們采用High Resistivity Float Zone Silicon (HRFZ-Si)材料，因為他是研究得zui多的材質，而且在THZ波段有很好的透過率。同時，我們也研究了可應用在THZ波段的其他材料。
 
在下面，你就能看到我們采用的其他材料在THZ波段的透射光譜和其他特點。我們用ABB的FTIR光譜儀Bomem DA3和Bruker IFS 125HR (測量精度為2-3%@< 100 um；4-5% @> 100 um)來測量THZ波。近紅外的測量采用Perkin Elmer的 “Lambda- 9” (測量精度< 0.5%)。

1、晶體 ：

晶體如硅，石英和藍寶石在THZ光學元件中都是常用的材料。

1.1  高阻硅(HRFZ-Si) ：

除了人造鉆石，高阻硅是威力晶體材料適合極寬范圍從(1.2 um) 到mm (1000 um)波。和鉆石相比，它要便宜的多，并且生長制造更容易。而且他尺寸更大，更容易制造，THZ技術的快速發展，就基于該優點。對于THZ應用，我們提供在1000 um (對于更長波長，3000甚至8000微米)透過率達到50-54%的High Resistivity Float Zone Silicon (HRFZ-Si)。 

Fig.1 Transmission and reflection of HRFZ-Si 5.0 mm-thick sample in THz range.

HRFZ-Si 在THZ波段傳輸損耗低。如圖2所示，HRFZ-Si 中的THZ波形和空氣中的波形非常相似。這表明HRFZ-Si 的吸收很少。

合成電解質硅的介電常數由傳導率決定（例如：自由電子-載流子濃度）。圖3顯示的是在1THZ下，不同純度下的硅的介電常數.低摻雜的介電常數接近真實值，大約等于高頻介電常數。隨著摻雜濃度的提高，真實的介電常數將變成負數，而且不能被忽略。介電常數表征的是THZ波的傳輸損耗特性。損耗系數可以用下面的公式計算：tanδ=1/(ω*εv*ε0*R), 這里 ω – 圓頻率, εv – 真空下的介電常數（8.85*10-12 F/m）。ε0 –硅的介電常數(11.67), R是電阻值。例如，1THZ下，10 kOhm 阻值的HRFZ-Si損耗系數為1.54*10-5。

Fig.3 Real (solid, ε1) and imaginary (dashed, ε2) part of dielectric permittivity of n-type silicon with different impurity concentration at 1 THz.(**)

1.2 石英晶體 ：

Z-cut的石英晶體是傳輸50 um以上波長的zui好材料之一。Z-cut的石英晶體窗口鏡傳輸可見光，很容易用He-Ne激光器來調準直。 

Fig.4 Transmission and reflection of crystal quartz 1.0 mm-thick sample.

由于色散非常大，石英晶體材料的透鏡將對可見和遠紅外的產生不同的焦距。如果需要對光學系統準直，那就必須考慮透鏡的色散：

波長, um

no

ne

0.589

1.544

1.553

6.0

1.32

1.33

10.0

2.663

2.571

30.0

2.5

2.959

100.0

2.132

2.176

200.0

2.117

2.159

333.3

2.113

2.156

石英晶體是雙折射材料，如果電磁波的偏振態很重要，那就必須考慮雙折射問題。我們用X-cut的石英晶體來制作λ/2和λ/4的THZ波片。
1.3藍寶石 ：

藍寶石和石英晶體一樣，對于THZ波段和可見光波段是透明的。可以從下面圖看出，對于>600 um波段，光譜傳輸曲線并不取決于厚度的測量誤差。在小于600 um 波段，樣品的厚度從1到5mm，透過率變化很大。對于薄的樣品，在很短的波長，透過率就已經飽和了。

Fig. 5 Transmission and reflection of sapphire samples with different thickness.

就象 HRFZ-Silicon一樣,藍寶石也可以在光電導天線上，因為他們對于THZ波段的折射率幾乎一樣。

2、聚合物 ：
在大量聚合物中，有一些對THZ波是透明的，反射率很低。一般意義上說，zui好的材料是TPX (polymethylpentene),   polyethylene (PE), polypropylene (PP),和polytetrafluoroethylene (PTFE or Teflon).對于長波長，這些聚合物的透過率曲線也很平坦。 對于短波長，主要是<200 um,內部的不均勻性就會導致一些散射和波動。也就是說，聚合物對短波長呈現出不透明的特點。
2.1   Polymethylpentene (TPX)   ：
TPX 是所有已知聚合物中zui輕的。它對紫外，可見和THZ波段是透明的。當然也就是可以用He-Ne激光器來進行準直。該聚合物折射率約為1.46，和波長關系不大:

λ, um

n

0.633

1.463

24

1.4568

60

1.4559

300

1.46

667

1.46

1000

1.4650

3191

1.466

TPX對mm波的傳輸損耗非常低。它有非常優良的熱阻，并且能抗一些商用的化學品的腐蝕。
Fig. 6  Transmission of TPX 2 mm-thick sample. THz region.
Fig. 7 Transmission of TPX 2 mm-thick sample. NIR&MIR regions.
Fig. 8 Transmission of TPX 2 mm-thick sample. UV&VIS&NIR ranges.
TPX的主要參數：

密度, g/cm3

0.83

抗張強度

4100 psi
~28.3 MPa

拉伸模量

280000 psi
~1930.5 MPa

抗張伸展率, %

10

繞曲強度

6100 psi
42.1 MPa

繞曲模量

210000 psi
1447.8 MPa

熱偏溫度, °C

100

融化溫度, °F/°C

464/240

吸水率 (ASTM-D 1228), %

<0.01

透水汽性 (thk 25 um, 40C, 90%RH), g/m2*24h

110

透氣性y (thk 100 um), cm3/m2*d*MPa

120000

TPX是很硬的固體材料，可以用來加工成不同的光學元件，如透鏡和窗口鏡。而且通常TPX還可用在CO2激光泵浦分子激光的系統中作為輸出窗口鏡。因為它對整個THZ波段都是透明的，并且可以反射10微米的泵浦光。TPX窗口鏡還可以在低溫保持器中作為“冷”窗口。因為TPX在THZ波段的透明度和溫度無關，折射率的溫度系數3.0*10-4 K-1 (for the range 8-120 K)。
Fig. 9 Temperature dependence of refractive index.(***)
和其他用在THZ波段的材料比較，TPX的特性更好，例如它是Picarin (Tsurupica)透鏡很好的替代品。另外，TPX更便宜，而且比Picarin更容易獲得。
Fig. 10 Transmission of 2 mm-thick samples of TPX, Picarin, and HDPE.
2.2   Polyethylene (PE) ：

PE是請的彈性晶體材料。它可以加熱到110°C，也可以冷卻到-45 ÷ -120°C。PE擁有良好的介電特性，防腐蝕性和抗輻射性。但是，它在紫外波段和油膩的環境下不夠穩定。在生物學上來講，PE很不活躍，很容易處理。在23°C下密度為0.91-0.925 g/cm3，張力流限為8-13 MPa，彈性模數為118 - 350 MPa，在很寬的光譜范圍內折射率都約為1.54。通常，高密度的polyethylene (HDPE)也來作為組件材料。除了作為厚透鏡和窗口鏡，薄的HDPE還可用來作為THZ偏振片。我們用HDPE作為Golay Cell的窗口鏡。

Fig. 11  Transmission of 2 mm-thick HDPE sample. THz region.

 

Fig. 12  Transmission of 2 mm-thick HDPE sample. NIR&MIR region.
Fig. 13 Transmission of 2 mm-thick HDPE sample. VIS&NIR region.

很遺憾, HDPE對可見光的透過率非常低，因此，它不能用來作為光學系統的準直元件。
我們還應該注意到HDPE的THZ透射率并不取決于溫度，因此可以作為低溫保持器的窗口鏡。折射率的溫度系數為6.2*10-4 K-1 (for the range 8-120 K)。

Fig. 14 Temperature dependence of refractive index (***)
2.3  Polytetrafluoroethylene (PTFE, Teflon, in Russian - Ftoroplast)：

PTFE 在室溫下是一種白色的固體，密度約為2.2 g/cm3。熔點為327°C, 在-73°C 到 204°C溫度范圍內它的主要特點都差別不大，在比較寬的波段范圍內，折射率都約為1.43。

Fig. 15 Transmission of PTFE film ~0.1 mm-thick. THz region.

 

Fig. 16 Transmission of PTFE film ~0.1 mm-thick. NIR&MIR region.

由于對1-7 um波段范圍內透明度都很高，PTFE薄片通常用來制作IR偏振片。這種偏振片的價格比晶體材料的便宜。這樣就使他們在IR偏振應用中能夠得到大量使用。

PTFE的主要參數  ：

抗張強度

3900 psi
~26.7 MPa

拉伸模量 (psi)

80000 psi
~551.6 MPa

抗張伸展率 (%)

300

繞曲強度 (psi)

No break

繞曲模量 (psi)

72000

耐壓強度 (psi)

3500

耐壓系數 (psi)

70000

總結 ：

所有的有機材料，如TPX, PE和PTFE從~200 um到1000 um都有幾乎一致的透過率，達到80-90%。當然，他們也可以傳輸更長的波長。
由于反射損耗，晶體材料如硅，石英和藍寶石在THZ波段的透過率很低。對于硅材料，從50 um開始，透過率為50-54%；對于石英，從120 um開始，透過率>70%；對于1-2mm厚的藍寶石，從350 um開始透過率>50%。