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太赫茲材料

太赫茲材料

Tydex提供一系列太赫茲材料(THz Materials)包括TPX, PE和PTFE等THz有機材料,矽,石英和藍寶石等晶體材料。這些THz材料在不同波段的會有不同的透過率,其中新型的THz有機材料在太赫茲波段的透過率是最好的,達到80%-90%。而晶體材料矽,石英和藍寶石等,由于反射損耗,透過率會相對較低。太赫茲材料根據其本身特性的不同,會被加工成透鏡、棱鏡、波片、偏振片、窗鏡等太赫茲光學元件。

所屬品牌: 俄羅斯Tydex

應用類型: 太赫茲

産品型号:TPX

負責人:陳工
聯系電話:13418906712 電子郵箱:chenpeng@welloptics.cn

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TPX, PE和PTFE矽,石英和藍寶石,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波的特點是可以穿透生活中常見的的物質材料(皮膚,塑料,衣服等等),且由于光子能量低,不會造成和離子輻射(X光)一樣的危害。因為這一特質,其能夠應用在安保檢查,THz成像領域,半導體特征分析,化學組成分析和生物研究領域。

HRFZ-Si是傳統的太赫茲元件中最常用的太赫茲,它在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。包括THz有機材料(TPX, PEPTFE)THz晶體材料(如矽,石英和藍寶石),其總結如下:

 

太赫茲材料總結:

TPX, PE和PTFE等太赫茲有機材料,在200-1000 µm之間,透過率基本一緻,達到80-90%。當然,他們也可以應用于更大的波長。

矽,石英和藍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率相對較低。如矽材料,從50 µm開始,透過率為50-54%;而石英材質,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%

 

一,晶體材料

       晶體如矽,石英和藍寶石在THZ光學元件中都是常用的材料。

 

 高阻矽(HRFZ-Si)

除去昂貴的人造鑽石,高阻矽是晶體材料中最适合寬大波長範圍的THz材料,範圍1.2 µm-1000µmTHz領域技術能夠快速發展,就是歸功于HRFZ-Si材料的出現,其局域成本低,尺寸大且易于大量生産制造。Tydex公司提供的HRFZ-Si材料能在1000μm波段中50-54%的透過率。(還可用于3000甚至8000μm更大的波長)

 

石英晶體

Z-cut的石英晶體是傳輸50 µm以上波長的最好材料之一。Z-cut的石英晶體窗口鏡傳輸可見光,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将對可見和遠紅外的産生不同的焦距。如果需要對光學系統準直,那就必須考慮透鏡的色散:

波長, µm

no

ne

0.589

1.544

1.553

6

1.32

1.33

10

2.663

2.571

30

2.5

2.959

100

2.132

2.176

200

2.117

2.159

333.3

2.113

2.156

石英晶體是雙折射材料,如果電磁波的偏振态很重要,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/4THZ波片。

 

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15mm,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。

 

二,有機太赫茲材料,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,最好的太赫茲材料是TPX (polymethylpentene),  polyethylene (PE), polypropylene (PP),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,内部的不均勻性就會導緻一些散射和波動。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最輕的。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。

 λ,µm

n

0.633

1.463

24

1.4568

60

1.4559

300

1.46

667

1.46

1000

1.465

3191

1.466

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:

密度, g/cm3

0.83

抗張強度

4100 psi ~28.3 MPa

拉伸模量

280000 psi ~1930.5 MPa

抗張伸展率, %

10

繞曲強度

6100 psi  42.1 MPa

繞曲模量

210000 psi  1447.8 MPa

熱偏溫度, °C

100

融化溫度, °F/°C

464/240

吸水率 (ASTM-D 1228), %

<0.01

透水汽性 (thk 25 µm, 40C, 90%RH)

110 g/m2*24h

透氣性y (thk 100 µm)

120000  cm3/m2*d*MPa

 

TPX是很硬的固體材料,可以用來加工成不同的光學元件,如透鏡和窗口鏡。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口鏡。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窗口鏡還可以在低溫保持器中作為“冷”窗口。因為TPXTHZ波段的透明度和溫度無關,折射率的溫度系數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°CPE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,在很寬的光譜範圍内折射率都約為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口鏡,薄的HDPE還可用來作為THZ偏振片。我們用HDPE作為Golay Cell的窗口鏡。

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HDPETHZ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。熔點為327°C, -73° 204°C溫度範圍内它的主要特點都差别不大,在比較寬的波段範圍内,折射率都約為1.43 

由于對1-7 µm波段範圍内透明度都很高,PTFE薄片通常用來制作IR偏振片。這種偏振片的價格比晶體材料的便宜。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:

抗張強度

3900 psi ~26.7 MPa

拉伸模量 (psi)

80000 psi ~551.6 MPa

抗張伸展率 (%)

300

繞曲強度 (psi)

No break

繞曲模量 (psi)

72000

耐壓強度 (psi)

3500

耐壓系數 (psi)

70000

 

 

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