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波段有很好的透射率。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)透射率达到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
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，对于大于600 µm的波段，光谱传输曲线并不取决于厚度的测量误差。在小于600 µm的 波段，样品的厚度从1到5mm，透射率变化很大。对于薄的样品，在很短的波长，透射率就已经饱和了。
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，最好的材料是TPX (polymethylpentene), polyethylene (PE), polypropylene (PP),和polytetrafluoroethylene (PTFE or Teflon).对于长波长，这些聚合物的透射率曲线也很平坦。 对于短波长，主要是小于200 µm的波段,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
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
拉伸模量
抗张伸展率, %
10
绕曲强度
绕曲模量
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对可见光的透射率非常低，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
3900psi
~26.7 Mpa
8000psi
~551.6 MPa
2.4 CCyclic Olefin Copolymer （COC）
环状烯烃共聚物 （COC） 的主要优点是具有较高的工作温度、优异的透过率、低的双折射率和低的吸水率。
我们用于非球面太赫兹 f-θ 透镜的材料特性如下
典型的 COC 特性：
密度 1.01 g/cc 吸水率，% (ISO 62) <0.01 蒸气渗透率 (23 ° C 85% RH，DIN 53122） 0.025g*mm/(m2*24h) 抗拉强度 63MPa 抗拉模量 2600MPa 拉伸屈服点伸长率 4.50% 热偏转温度 HDT/B (0.45 MPa) 75℃ 玻璃化温度 78℃ 熔化温度 190-250℃ 折射率 1.53
Refractive indx1.
Fig. 17. Transmittance of a 2 mm thick COC window.
总结：
所有屹持光电提供的的有机材料，包括TPX、ZEONEX、COC、PE和PTFE，从~200μm到1000-2000μm，具有约80-90%的均匀透射率。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波段的透射率很低。对于硅材料，从50 µm开始，透射率为50-54%；对于石英，从120 µm开始，透射率>70%；对于1-2mm厚的蓝宝石，从350 µm开始透射率>50%。
资料下载
>>Download THz Materials Datasheet (PDF, 247 KB)
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