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太赫兹材料

简要描述:太赫兹材料 THz materials
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。

  • 产品型号:THz materials
  • 更新时间:2022-09-22
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产品简介

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应用领域电子

详细介绍

产品介绍

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ABBFTIR光谱仪Bomem DA3Bruker IFS 125HR (测量精度为2-3%@< 100 µm4-5% @> 100 µm)来测量THz波。近红外的测量采用Perkin Elmer “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,高阻硅是少有适合极宽范围从(1.2 µm) 到mm (1000 µm)波的各项同性晶体材料。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以上波长的较好材料之一。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

2.113

2.156

 


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,Eachwave提供的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,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。


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/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, °C

100

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*24h

110

透气性y (thk 100 µm), cm3/m2*d*MPa

120000


 

 

      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,屹持光电提供的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是轻的弹性晶体材料。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

3900psi

~26.7 Mpa

拉伸模量

8000psi

~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)2500
耐压系数 (psi)
70000



总结:

 

所有屹持光电提供的的有机材料,如TPX, PEPTFE~200 µm1000 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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>>Download THz Materials Datasheet (PDF, 247 KB)





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