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常用太赫兹材料的透射率,THz材料的透过率

作者: 时间:2019-05-10


太赫兹(THz)辐射位于光谱区域0.1-10 THz~3mm-30μm3 cm-1 -300 cm-1)之间,是介于微波和中、红外线电磁谱之间的电磁辐射。

与可见光或红外波相比,太赫兹辐射可以渗透到有机材料中,如皮肤,塑料,布料或纸制品。由于其光子能量低,它不会引起与电离辐射(例如X射线)相关的任何损害。太赫兹波不会渗透到金属中。这些性质可用于过程监控(例如药物制造)、质量控制以及THz成像。对于诸如安全控制,包装检查,半导体表征,化学成分分析和生物医学等应用,具有很大的潜力。

传统上,对于THz应用,比较常用的有高电阻率浮区硅(HRFZ-Si),因为它是在该波段被研究得最多的物质,并且具有良好的透射性能。与此材料并行,我们一直在研究其他材料,这些材料也可以在太赫兹范围内使用。

下面您可以看到我们用于THz光学器件生产的材料的透射光谱和其他特性。THz区域的测量在ABB FTIR光谱仪Bomem DA3Bruker IFS 125HR(不精确度的测量值低于100μm2-3%和超过100μm4-5%)下进行。 在Perkin ElmerLambda-9”(不准确度<0.5%)下进行近红外范围的测量。

 

1.晶体太赫兹材料

包括硅,水晶石英和蓝宝石等晶体,它们对太赫兹光学器件的生产非常重要。

 

1.1高电阻率浮区硅(HRFZ-Si

除合成金刚石外,高电阻率硅是唯一适用于从NIR1.2μm)到MM1000μm)波的极宽范围的各向同性晶体材料。与钻石相比,高阻硅的生长和加工相当便宜。此外,它可以被加工成相当大的尺寸,允许基于此制造快速发展的THz电子元件。对于太赫兹应用,我们提供高电阻率浮区硅(HRFZ-Si),其在太赫兹波段基本保持50-54%透射率,至1000μm(对于长达3000,甚至8000微米的波长)。

1 HRZZ-Si 5.0 mm厚样品在THz范围内的透射和反射。

HRFZ-Si在THz范围内具有极低的损耗。入下图所示,HRFZ-SiTHz波形类似于空气的THz波形。 这表明高阻硅对太赫兹波几乎没有吸收。

硅的复介电常数取决于其导电率(即自由载流子浓度)。 图3显示了在1 THz下具有不同杂质浓度的硅的介电常数。对于低杂质浓度,介电常数几乎是实际值,近似等于高频介电常数。随着杂质浓度水平的增加,介电常数的实部变为负值,并且其虚部逐渐增加到不能再被忽略。此时,硅会对太赫兹波产生吸收。

太赫兹损耗角正切可用下式计算:tanδ= 1 /(ω*εv*ε0* R),其中ω圆形频率,εv-真空介电常数(8.85 * 10-12 F / m),ε0-介电常数 硅(11.67)和R特异性电阻。 例如,在1THz下电阻率为10kOhm * cmHRFZ-Si的损耗角正切为1.54×10^-5

2通过空气和HRFZ-Si传输的THz信号。(*)。

3.1 THz下具有不同杂质浓度的n型硅的介电常数的实部(实线,ε)和虚部(虚线,ε12)部分(**)。

有关硅的一般特性以及NIRMIR范围内的透射光谱的更多信息,请参阅Silicon一章。

 

1.2石英(Z cut Crystal Quartz

对于波长超过50μm的太赫兹波,Z切割晶体石英是一种很好的材料。 z切割水晶石英窗在可见光范围内是透明的,因此可以通过HeNe激光器辅助轻松调整光学系统。它们不会改变光偏振状态,可以冷却到低于液氦的λ点。

4. 1毫米厚晶体石英的透射和反射

由于Z cut石英具有相当大的色散(请参见下表),由水晶石英制成的镜头在可见光和远红外范围内具有不同的焦距。如果您使用镜头进行光学系统校准,则应将这个因素考虑在内。晶体石英是双折射材料,如果辐射的极化很重要。Tydex使用x-cut材料为THz应用产生λ/ 2和λ/ 4波片。

λ, μm

no

ne

λ, μm

no

ne

0.589

1.544

1.553

100

2.132

2.176

6

1.32

1.33

200

2.117

2.159

10

2.663

2.571

300

2.113

2.156

30

2.5

2.959

 

1.3蓝宝石

蓝宝石像Z cut石英一样在太赫兹波段和可见光波段都是透明的。我们测量了各种晶体取向和厚度的蓝宝石样品,结果显示透射率不依赖于晶体取向。

5.不同厚度的蓝宝石样品的透射和反射。

对于厚度为15 mm的测量样品,透射率较低的600μm主要取决于样品厚度。对于较薄的样品,传输接近于较短波长的饱和度。由于在THz波段的折射率值相似,因此类似HRFZ-Silicon的蓝宝石也可用于制造THz的光电导天线。

 

2.聚合物太赫兹材料

在各种可用的聚合物中,存在一些材料具有相对低反射率的优异太赫兹透明度。典型的材料是TPX(聚甲基戊烯),聚乙烯(PE)和聚四氟乙烯(PTFETeflon)。在较长波长下,这些聚合物的透射是平滑且扁平的。对于较短的波长,主要在200μm以下,会出现固有振动的特征波段,并且由于不均匀性而增加。聚合物通常在较短波长下变得越来越不透明。

2.1聚甲基戊烯(TPX

TPX是所有已知聚合物中最轻的。它在UV,可见光和THz范围内是光学透明的,允许使用HeNe激光束进行对准。折射率约为1.46,相对独立于波长:

λ, μm

n

λ, μm

n

0.633

1.463

667

1.46

24

1.4568

1000

1.465

60

1.4559

3191

1.466

300

1.46

TPX直到毫米波长的损耗都非常低。此外,TPX还具有优异的耐热性,对大多数有机和无机商业化学品具有很高的耐受性。

TPX的典型特性

密度,g /cm³

0.83

抗拉强度

4100 psi~28.3 MPa

拉伸模量

280000 psi~1930.5 MPa

拉伸断裂伸长率,%

10

抗弯强度

6100 psi42.1 MPa

弯曲模量

210000 psi1447.8 MPa

熔化温度,°F /°C

464/240

吸水率(ASTM-D 1228),%

<0.01

透湿性(25μm40℃,90RH),g / m 2 * 24h

110

透氧性(thk 100 μm), cm3/m2*d*MPa

120000

TPX是一种硬质固体材料,可以通过机械加工成形为各种光学元件(例如透镜和窗户)。此外,TPXCO2激光泵浦分子激光器中用作输出窗口,因为它在整个太赫兹范围内是透明的,并且完全抑制了大约10μm的泵浦辐射。

与其他材料相比,用于在太赫兹范围内操作,TPX显示出优异的光学性能,例如可以很好地替代PicarinTsurupica)镜片。此外,与Picarin相比,TPX价格便宜,具有更好的经济性。

2.2聚乙烯(PEHDPE

PE是一种轻质弹性结晶材料。它可以加热至110°C并根据等级冷却至-45~-120°CPE具有良好的介电特性,耐化学性和耐辐射性。然而,它对紫外线辐射,脂肪和油类不稳定。PE具有生物惰性,易于加工。密度(23℃)为0.91-0.925g / cm 3。拉伸流动极限(23℃)为8-13MPa。弹性模量(23℃)为118-350MPa。折射率为~1.54并且在宽波长区域内相当相等。通常,高密度聚乙烯(HDPE)用于组件的生产。除了相当厚的透镜和窗口外,薄的HDPE薄膜也用于太赫兹偏振器。此外,我们使用HDPE作为Golay细胞的窗口。

不幸的是,HDPE在可见光波段透过率很差,因此它不能用于调整光学系统。应该注意到HDPETHz传输不依赖于温度,因此允许在低温恒温器中使用HDPE窗口。其折射率温度系数为6.2×10-4K-1(范围为8-120K)。

 

2.3聚四氟乙烯(PTFETeflon,俄语 - Ftoroplast

PTFE在室温下为白色固体,密度约为2.2 g / cm3。 其熔点为327°C,但其特性在-73°C204°C的宽温度范围内保持在有用的水平。 在宽波长范围内折射率为~1.43

由于在1-7μm范围内的良好透射性,PTFE膜用于制造红外或太赫兹偏振器。这些偏振器的第一成本低于晶体偏振器,有利于它们在使用偏振辐射的IR传感器中取得大量应用。

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

 

太赫兹材料透射率的总结

如您所见,TPXPEPTFE等所有有机材料均具有约80-90%的均匀稳定透射率,从~200μm开始,最高可达1000μm。当然,他们在更长的波长也有具有较好的透过率。由于反射损耗,硅,石英和蓝宝石等晶体材料在THz范围内具有较低的透射率。对于硅,从50μm开始为50-54%,对于石英,从约120μm开始为> 70%,对于蓝宝石,从1-2mm样品厚度的约350μm开始> 50%。

基于这些太赫兹材料,海纳光学推出了一系列太赫兹元件,例如太赫兹透镜、太赫兹偏振片、太赫兹衰减器、太赫兹窗片、太赫兹波片、太赫兹反射镜、太赫兹棱镜……。

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