THz材料
THz材料 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, μm 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 2.1132.156 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。 2. 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, μm n 0.633 1.463 24 1.4568 60 1.4559 300 1.46 667 1.46 1000 1.4650 3191 1.466 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。 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/cm3 0.83 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/°C 464/240 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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