維爾克斯光電供應：Tydex品牌 THz材料 THz高透膜層 太赫茲材料 太赫茲高透膜

太赫茲 (THz) 波是頻率為~0.1-10 THz (~3 mm - 30 μm, 3 cm-1 - 300 cm-1) ，介于微波和中紅外區域的電磁波。

和可見和紅外光相比，THZ波可以穿透常規的材料，如：皮膚，塑料，衣服或者紙材料。由于光子能量低，因此，他不會造成和離子輻射（X光）一樣的損害。這些特點使其能夠應用在處理（如生產），質量控制以及THZ成像領域。現在也很多人想把它應用在安保，包裹檢查，半導體特征分析，化學組成分析以及生物研究領域。

對于傳統的THZ應用，我們采用High Resistivity Float Zone Silicon (HRFZ-Si)材料，因為他是研究得多的材質，而且在THZ波段有很好的透過率。同時，我們也研究了可應用在THZ波段的其他材料。

在下面，你就能看到我們采用的其他材料在THZ波段的透射光譜和其他特點。我們用ABB的FTIR光譜儀Bomem DA3和Bruker IFS 125HR (測量精度為2-3% lt;100>100 µm)來測量THZ波。近紅外的測量采用Perkin Elmer的 “Lambda- 9" (測量精度<0.5%)。

1. 晶體

晶體如硅，石英和藍寶石在THZ光學元件中都是常用的材料。

1.1 高阻硅(HRFZ-Si)

除了人造鉆石，高阻硅是威力晶體材料適合極寬范圍從(1.2 µm) 到mm (1000 µm)波。和鉆石相比，它要便宜的多，并且生長制造更容易。而且他尺寸更大，更容易制造，THZ技術的快速發展，就基于該優點。對于THZ應用，我們提供在1000 µm (對于更長波長，3000甚至8000微米)透過率達到50-54%的High Resistivity Float Zone Silicon (HRFZ-Si)。

合成電解質硅的介電常數由傳導率決定（例如：自由電子-載流子濃度）。圖3顯示的是在1THZ下，不同純度下的硅的介電常數.低摻雜的介電常數接近真實值，大約等于高頻介電常數。隨著摻雜濃度的提高，真實的介電常數將變成負數，而且不能被忽略。介電常數表征的是THZ波的傳輸損耗特性。損耗系數可以用下面的公式計算：tanδ=1/(ωεvε0R), 這里 ω – 圓頻率, εv – 真空下的介電常數（8.8510-12 F/m）。ε0 –硅的介電常數(11.67), R是電阻值。例如，1THZ下，10 kOhm 阻值的HRFZ-Si損耗系數為1.5410-5。

1.2石英晶體

Z-cut的石英晶體是傳輸50 µm以上波長的材料之一。Z-cut的石英晶體窗傳輸可見光，很容易用He-Ne激光器來調準直。

由于色散非常大，石英晶體材料的透鏡將對可見和遠紅外的產生不同的焦距。如果需要對光學系統準直，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很重要，那就必須考慮雙折射問題。我們用X-cut的石英晶體來制作λ/2和λ/4的THZ波片。

1.3藍寶石

藍寶石和石英晶體一樣，對于THZ波段和可見光波段是透明的。可以從下面圖看出，對于>600 µm波段，光譜傳輸曲線并不取決于厚度的測量誤差。在小于600 µm 波段，樣品的厚度從1到5mm，透過率變化很大。對于薄的樣品，在很短的波長，透過率就已經飽和了。

就象 HRFZ-Silicon一樣,藍寶石也可以在光電導天線上，因為他們對于THZ波段的折射率幾乎一樣。

2. 聚合物

在大量聚合物中，有一些對THZ波是透明的，反射率很低。一般意義上說，的材料是TPX (polymethylpentene), polyethylene (PE), polypropylene (PP),和polytetrafluoroethylene (PTFE or Teflon).對于長波長，這些聚合物的透過率曲線也很平坦。 對于短波長，主要是<200 µm,內部的不均勻性就會導致一些散射和波動。也就是說，聚合物對短波長呈現出不透明的特點。

2.1 Polymethylpentene (TPX)

TPX 是所有已知聚合物中輕的。它對紫外，可見和THZ波段是透明的。當然也就是可以用He-Ne激光器來進行準直。該聚合物折射率約為1.46，和波長關系不大。

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

TPX的主要參數：

TPX是很硬的固體材料，可以用來加工成不同的光學元件，如透鏡和窗。而且通常TPX還可用在CO2激光泵浦分子激光的系統中作為輸出窗。因為它對整個THZ波段都是透明的，并且可以反射10微米的泵浦光。TPX窗還可以在低溫保持器中作為“冷"窗口。因為TPX在THZ波段的透明度和溫度無關，折射率的溫度系數3.010-4 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是請的彈性晶體材料。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境下不夠穩定。在生物學上來講，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，彈性模數為118 - 350 MPa，在很寬的光譜范圍內折射率都約為1.54。通常，高密度的polyethylene (HDPE)也來作為組件材料。除了作為厚透鏡和窗，薄的HDPE還可用來作為THZ偏振片。我們用HDPE作為Golay Cell的窗。

很遺憾, HDPE對可見光的透過率非常低，因此，它不能用來作為光學系統的準直元件。

我們還應該注意到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。折射率的溫度系數為6.210-4 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。熔點為327°C, 在-73°C 到 204°C溫度范圍內它的主要特點都差別不大，在比較寬的波段范圍內，折射率都約為1.43。

由于對1-7 µm波段范圍內透明度都很高，PTFE薄片通常用來制作IR偏振片。這種偏振片的比晶體材料的便宜。這樣就使他們在IR偏振應用中能夠得到大量使用。

PTFE的主要參數：

總結：

所有的有機材料，如TPX, PE和PTFE從~200 µm到1000 µm都有幾乎一致的透過率，達到80-90%。當然，他們也可以傳輸更長的波長。

由于反射損耗，晶體材料如硅，石英和藍寶石在THZ波段的透過率很低。對于硅材料，從50 µm開始，透過率為50-54%；對于石英，從120 µm開始，透過率>70%；對于1-2mm厚的藍寶石，從350 µm開始透過率>50%。

THz高透膜層

，由于高反射損耗，晶體材料的THZ波投射率不高（HRFZ-Si的透過率只有54%，石英晶體的THZ波段透過率約70%）。而THZ高反膜可以用來降低反射損耗。

我們提供聚乙烯（polyethylene）和聚對二甲苯（parylene）材料的膜層。我們提供針對平面鍍的聚乙烯膜技術，通常只是用在窗上。

平面的聚對二甲苯（parylene）膜層在微電子領域是比較的。我們的聚對二甲苯（parylene）可以鍍在平面或者球面上，因此，該技術可以用在窗口和透鏡上。

高透波段可以根據客戶需要定制。我們定制從60μm到1300 μm.的高透膜。

Tydex提供以下高透膜:

1.兩面高透

通常用在窗或者半月透鏡上，下面的波段可以提供：

- 聚乙烯膜層 - 60-80 μm, 110-160 μm, 160-220 μm, 320-430 μm, 375-510 μm, 480-650 μm, 535-725 μm, 645-870 μm, 695-940 μm, and 965-1305 μm

- 聚對二甲苯膜層 99-125 μm.

HRFZ-Si 可以鍍聚乙烯膜層和聚對二甲苯膜層，而石英晶體只能鍍聚對二甲苯膜層。鍍了高透膜以后，上面提到的波長可達到≥90% 的透過率。

2. 單面高透膜

通常用在半球透鏡上，平面不鍍膜，該透鏡通常用在THZ-TDS系統或者超導熱輻射系統中光電導天線的THZ耦合中。99 um到125 um的高透膜一般是針對一些特殊應用的。高透膜可提高半球透鏡30%透過率。測量半球透鏡的透過率是很困難的，我們的透過率曲線是模擬出來的。

我們的一個客戶通過實驗證實了鍍膜后透過率的提高，111um的功率提高了30-50%。

未鍍膜的HRFZ-Si半球透過率只有6%。這個是由內反射決定的，的內反射角大約是17度。由于硅材料的高折射率，球透鏡的通光口徑只有40%。聚乙烯高透膜以及聚對二甲苯膜的高透波段是不一樣的。