太赫兹 (THz) 波是频率为~0.1-10 THz (~3 mm – 30 μm, 3 cm-1 – 300 cm-1) ,介于微波和中红外区域的电磁波。

和可见和红外光相比,THZ波可以穿透常规的材料,如:皮肤,塑料,衣服或者纸材料。由于光子能量低,因此,他不会造成和离子辐射(X光)一样的损害。这些特点使其能够应用在处理(如药物生产),质量控制以及THZ成像领域。现在也很多人想把它应用在安保,包裹检查,半导体特征分析,化学组成分析以及生物研究领域。

对于传统的THZ应用,我们采用High Resistivity Float Zone Silicon (HRFZ-Si)材料,因为他是研究得最多的材质,而且在THZ波段有很好的透过率。同时,我们也研究了可应用在THZ波段的其他材料。

    在下面,你就能看到我们采用的其他材料在THZ波段的透射光谱和其他特点。我们用ABB的FTIR光谱仪Bomem DA3和Bruker IFS 125HR (测量精度为2-3%@< 100 µm;4-5% @> 100 µm)来测量THZ波。近红外的测量采用Perkin Elmer的 “Lambda- 9” (测量精度< 0.5%)。

  1. 晶体

晶体如硅,石英和蓝宝石在THZ光学元件中都是常用的材料。

1.1  高阻硅(HRFZ-Si)

除了人造钻石,高阻硅是威力晶体材料适合极宽范围从(1.2 µm) 到mm (1000 µm)波。和钻石相比,它要便宜的多,并且生长制造更容易。而且他尺寸更大,更容易制造,THZ技术的快速发展,就基于该优点。对于THZ应用,我们提供在1000 µm (对于更长波长,3000甚至8000微米)透过率达到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波段传输损耗低。如图2所示,HRFZ-Si 中的THZ波形和空气中的波形非常相似。这表明HRFZ-Si 的吸收很少。

Fig.2 The THz signals transmitted through air and HRFZ-Si.(*)

合成电解质硅的介电常数由传导率决定(例如:自由电子-载流子浓度)。图3显示的是在1THZ下,不同纯度下的硅的介电常数.低掺杂的介电常数接近真实值,大约等于高频介电常数。随着掺杂浓度的提高,真实的介电常数将变成负数,而且不能被忽略。介电常数表征的是THZ波的传输损耗特性。损耗系数可以用下面的公式计算:tanδ=1/(ω*εv*ε0*R), 这里 ω – 圆频率, εv – 真空下的介电常数(8.85*10-12 F/m)。ε0 –硅的介电常数(11.67), R是电阻值。例如,1THZ下,10 kOhm 阻值的HRFZ-Si损耗系数为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石英晶体

Z-cut的石英晶体是传输50 µm以上波长的最好材料之一。Z-cut的石英晶体窗口镜传输可见光,很容易用He-Ne激光器来调准直。

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

由于色散非常大,石英晶体材料的透镜将对可见和远红外的产生不同的焦距。如果需要对光学系统准直,那就必须考虑透镜的色散:

波长, µmnone
0.5891.5441.553
6.01.321.33
10.02.6632.571
30.02.52.959
100.02.1322.176
200.02.1172.159
333.32.1132.156

石英晶体是双折射材料,如果电磁波的偏振态很重要,那就必须考虑双折射问题。我们用X-cut的石英晶体来制作λ/2和λ/4的THZ波片。

1.3蓝宝石

蓝宝石和石英晶体一样,对于THZ波段和可见光波段是透明的。可以从下面图看出,对于>600 µm波段,光谱传输曲线并不取决于厚度的测量误差。在小于600 µm 波段,样品的厚度从1到5mm,透过率变化很大。对于薄的样品,在很短的波长,透过率就已经饱和了。

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

就象 HRFZ-Silicon一样,蓝宝石也可以在光电导天线上,因为他们对于THZ波段的折射率几乎一样。

  1. 聚合物

在大量聚合物中,有一些对THZ波是透明的,反射率很低。一般意义上说,最好的材料是TPX (polymethylpentene),   polyethylene (PE), polypropylene (PP),和polytetrafluoroethylene (PTFE or Teflon).对于长波长,这些聚合物的透过率曲线也很平坦。 对于短波长,主要是<200 µm,内部的不均匀性就会导致一些散射和波动。也就是说,聚合物对短波长呈现出不透明的特点。

2.1   Polymethylpentene (TPX)

TPX 是所有已知聚合物中最轻的。它对紫外,可见和THZ波段是透明的。当然也就是可以用He-Ne激光器来进行准直。该聚合物折射率约为1.46,和波长关系不大:

λ, µmn
0.6331.463
241.4568
601.4559
3001.46
6671.46
10001.4650
31911.466

        TPX对mm波的传输损耗非常低。它有非常优良的热阻,并且能抗一些商用的化学品的腐蚀。

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的主要参数:

密度, g/cm30.83
抗张强度4100 psi
~28.3 MPa
拉伸模量280000 psi
~1930.5 MPa
抗张伸展率, %10
绕曲强度6100 psi
42.1 MPa
绕曲模量210000 psi
1447.8 MPa
热偏温度, °C100
融化温度, °F/°C464/240
吸水率 (ASTM-D 1228), %<0.01
透水汽性 (thk 25 µm, 40C, 90%RH), g/m2*24h110
透气性y (thk 100 µm), cm3/m2*d*MPa120000

    TPX是很硬的固体材料,可以用来加工成不同的光学元件,如透镜和窗口镜。而且通常TPX还可用在CO2激光泵浦分子激光的系统中作为输出窗口镜。因为它对整个THZ波段都是透明的,并且可以反射10微米的泵浦光。TPX窗口镜还可以在低温保持器中作为“冷”窗口。因为TPX在THZ波段的透明度和温度无关,折射率的温度系数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波段的材料比较,TPX的特性更好,例如它是Picarin (Tsurupica)透镜很好的替代品。另外,TPX更便宜,而且比Picarin更容易获得。

Fig. 10 Transmission of 2 mm-thick samples of TPX, Picarin, and HDPE.

2.2   Polyethylene (PE)

PE是请的弹性晶体材料。它可以加热到110°C,也可以冷却到-45 ÷ -120°C。PE拥有良好的介电特性,防腐蚀性和抗辐射性。但是,它在紫外波段和油腻的环境下不够稳定。在生物学上来讲,PE很不活跃,很容易处理。在23°C下密度为0.91-0.925 g/cm3,张力流限为8-13 MPa,弹性模数为118 – 350 MPa,在很宽的光谱范围内折射率都约为1.54。通常,高密度的polyethylene (HDPE)也来作为组件材料。除了作为厚透镜和窗口镜,薄的HDPE还可用来作为THZ偏振片。我们用HDPE作为Golay Cell的窗口镜。

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.

很遗憾, HDPE对可见光的透过率非常低,因此,它不能用来作为光学系统的准直元件。

    我们还应该注意到HDPE的THZ透射率并不取决于温度,因此可以作为低温保持器的窗口镜。折射率的温度系数为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 在室温下是一种白色的固体,密度约为2.2 g/cm3。熔点为327°C, 在-73°C 到 204°C温度范围内它的主要特点都差别不大,在比较宽的波段范围内,折射率都约为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.

由于对1-7 µm波段范围内透明度都很高,PTFE薄片通常用来制作IR偏振片。这种偏振片的价格比晶体材料的便宜。这样就使他们在IR偏振应用中能够得到大量使用。

PTFE的主要参数:

抗张强度3900 psi
~26.7 MPa
拉伸模量 (psi)80000 psi
~551.6 MPa
抗张伸展率 (%)300
绕曲强度 (psi)No break
绕曲模量 (psi)72000
耐压强度 (psi)3500
耐压系数 (psi)70000

总结:

所有的有机材料,如TPX, PE和PTFE从~200 µm到1000 µm都有几乎一致的透过率,达到80-90%。当然,他们也可以传输更长的波长。

由于反射损耗,晶体材料如硅,石英和蓝宝石在THZ波段的透过率很低。对于硅材料,从50 µm开始,透过率为50-54%;对于石英,从120 µm开始,透过率>70%;对于1-2mm厚的蓝宝石,从350 µm开始透过率>50%。

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