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TPX, PE和PTFE，硅，石英和藍(lán)寶石，太赫茲材料

太赫茲波指的是介于微波和中紅外波段的電磁波，頻率為0.1-10THz (3mm-30μm) 。 THz波的特點(diǎn)是可以穿透生活中常見(jiàn)的的物質(zhì)材料（皮膚，塑料，衣服等等），且由于光子能量低，不會(huì)造成和離子輻射（X光）一樣的危害。因?yàn)檫@一特質(zhì)，其能夠應(yīng)用在安保檢查，THz成像領(lǐng)域，半導(dǎo)體特征分析，化學(xué)組成分析和生物研究領(lǐng)域。

HRFZ-Si是傳統(tǒng)的太赫茲元件中常用的太赫茲，它在THz波段有很好的透過(guò)率。同時(shí)，我們也研究了可應(yīng)用在THZ波段的其他材料。包括THz有機(jī)材料(TPX, PE和PTFE)，THz晶體材料（如硅，石英和藍(lán)寶石），其總結(jié)如下：

太赫茲材料總結(jié)：

TPX, PE和PTFE等太赫茲有機(jī)材料，在200-1000 µm之間，透過(guò)率基本一致，達(dá)到80-90%。當(dāng)然，他們也可以應(yīng)用于更大的波長(zhǎng)。

硅，石英和藍(lán)寶石等晶體太赫茲材料，由于反射損耗，在太赫茲波段的透過(guò)率相對(duì)較低。如硅材料，從50 µm開(kāi)始，透過(guò)率為50-54%；而石英材質(zhì)，從120 µm開(kāi)始，透過(guò)率>70%；對(duì)于1-2mm厚的藍(lán)寶石，從350 µm開(kāi)始，透過(guò)率>50%。

一，晶體材料

       晶體如硅，石英和藍(lán)寶石在THZ光學(xué)元件中都是常用的材料。

 高阻硅(HRFZ-Si)

除去昂貴的人造鉆石，高阻硅是晶體材料中適合寬大波長(zhǎng)范圍的THz材料，范圍1.2 µm-1000µm。THz領(lǐng)域技術(shù)能夠快速發(fā)展，就是歸功于HRFZ-Si材料的出現(xiàn)，其局域成本低，尺寸大且易于大量生產(chǎn)制造。Tydex公司提供的HRFZ-Si材料能在1000μm波段中50-54%的透過(guò)率。(還可用于3000甚至8000μm更大的波長(zhǎng))。

石英晶體

Z-cut的石英晶體是傳輸50 µm以上波長(zhǎng)的較好材料之一。Z-cut的石英晶體窗口鏡傳輸可見(jiàn)光，很容易用He-Ne激光器來(lái)調(diào)準(zhǔn)直。

由于色散非常大，石英晶體材料的透鏡將對(duì)可見(jiàn)和遠(yuǎn)紅外的產(chǎn)生不同的焦距。如果需要對(duì)光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直，那就必須考慮透鏡的色散：

石英晶體是雙折射材料，如果電磁波的偏振態(tài)很重要，那就必須考慮雙折射問(wèn)題。我們用X-cut的石英晶體來(lái)制作λ/2和λ/4的THZ波片。

藍(lán)寶石

藍(lán)寶石和石英晶體一樣，對(duì)于THZ波段和可見(jiàn)光波段是透明的?？梢詮南旅鎴D看出，對(duì)于>600 µm波段，光譜傳輸曲線并不取決于厚度的測(cè)量誤差。在小于600 µm 波段，樣品的厚度從1到5mm，透過(guò)率變化很大。對(duì)于薄的樣品，在很短的波長(zhǎng)，透過(guò)率就已經(jīng)飽和了。

就象 HRFZ-Silicon一樣,藍(lán)寶石也可以在光電導(dǎo)天線上，因?yàn)樗麄儗?duì)于THZ波段的折射率幾乎一樣。

二，有機(jī)太赫茲材料，聚合物

在大量聚合物中，有一些對(duì)THZ波是透明的，反射率很低。一般意義上說(shuō)，較好的太赫茲材料是TPX (polymethylpentene),  polyethylene (PE), polypropylene (PP),和polytetrafluoroethylene (PTFE or Teflon).對(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)，這些聚合物的透過(guò)率曲線也很平坦。 對(duì)于短波長(zhǎng)，主要是<200 µm,內(nèi)部的不均勻性就會(huì)導(dǎo)致一些散射和波動(dòng)。也就是說(shuō)，聚合物對(duì)短波長(zhǎng)呈現(xiàn)出不透明的特點(diǎn)。

2.1   Polymethylpentene (TPX)  

TPX 是所有已知聚合物中較輕的。它對(duì)紫外，可見(jiàn)和THZ波段是透明的。當(dāng)然也就是可以用He-Ne激光器來(lái)進(jìn)行準(zhǔn)直。該聚合物折射率約為1.46，和波長(zhǎng)關(guān)系不大。

TPX對(duì)mm波的傳輸損耗非常低。它有非常優(yōu)良的熱阻，并且能抗一些商用的化學(xué)品的腐蝕。

TPX的主要參數(shù)：

TPX是很硬的固體材料，可以用來(lái)加工成不同的光學(xué)元件，如透鏡和窗口鏡。而且通常TPX還可用在CO2激光泵浦分子激光的系統(tǒng)中作為輸出窗口鏡。因?yàn)樗鼘?duì)整個(gè)THZ波段都是透明的，并且可以反射10微米的泵浦光。TPX窗口鏡還可以在低溫保持器中作為“冷"窗口。因?yàn)?span style=";padding: 0px">TPX在THZ波段的透明度和溫度無(wú)關(guān)，折射率的溫度系數(shù)3.0*10-4 K-1 (for the range 8-120 K)。 

和其他用在THZ波段的材料比較，TPX的特性更好，例如它是Picarin (Tsurupica)透鏡很好的替代品。另外，TPX更便宜，而且比Picarin更容易獲得。

2.2   Polyethylene (PE)

PE是輕的彈性晶體材料。它可以加熱到110°C，也可以冷卻到-45 ÷ -120°C。PE擁有良好的介電特性，防腐蝕性和抗輻射性。但是，它在紫外波段和油膩的環(huán)境下不夠穩(wěn)定。在生物學(xué)上來(lái)講，PE很不活躍，很容易處理。在23°C下密度為0.91-0.925 g/cm3，張力流限為8-13 MPa，彈性模數(shù)為118 - 350 MPa，在很寬的光譜范圍內(nèi)折射率都約為1.54。通常，高密度的polyethylene (HDPE)也來(lái)作為組件材料。除了作為厚透鏡和窗口鏡，薄的HDPE還可用來(lái)作為THZ偏振片。我們用HDPE作為Golay Cell的窗口鏡。

很遺憾, HDPE對(duì)可見(jiàn)光的透過(guò)率非常低，因此，它不能用來(lái)作為光學(xué)系統(tǒng)的準(zhǔn)直元件。 

 我們還應(yīng)該注意到HDPE的THZ透射率并不取決于溫度，因此可以作為低溫保持器的窗口鏡。折射率的溫度系數(shù)為6.2*10-4 K-1 (for the range 8-120 K)。 

2.3  Polytetrafluoroethylene (PTFE, Teflon, in Russian - Ftoroplast)

PTFE 在室溫下是一種白色的固體，密度約為2.2 g/cm3。熔點(diǎn)為327°C, 在-73°C 到 204°C溫度范圍內(nèi)它的主要特點(diǎn)都差別不大，在比較寬的波段范圍內(nèi)，折射率都約為1.43。 

由于對(duì)1-7 µm波段范圍內(nèi)透明度都很高，PTFE薄片通常用來(lái)制作IR偏振片。這種偏振片的價(jià)格比晶體材料的便宜。這樣就使他們?cè)?span style=";padding: 0px">IR偏振應(yīng)用中能夠得到大量使用。

PTFE的主要參數(shù)：