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太赫兹材料

太赫兹材料

Tydex提供一系列太赫兹材料(THz Materials)包括TPX, PE和PTFE等THz有机材料,硅,石英和蓝宝石等晶体材料。这些THz材料在不同波段的会有不同的透过率,其中新型的THz有机材料在太赫兹波段的透过率是最好的,达到80%-90%。而晶体材料硅,石英和蓝宝石等,由于反射损耗,透过率会相对较低。太赫兹材料根据其本身特性的不同,会被加工成透镜、棱镜、波片、偏振片、窗镜等太赫兹光学元件。

所属品牌: 俄罗斯Tydex

应用类型: 太赫兹

产品型号:TPX

负责人:陈工 激光器及附件
联系电话:13418906712 电子邮箱:chenpeng@welloptics.cn

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TPX, PE和PTFE硅,石英和蓝宝石,太赫兹材料

 

太赫兹波指的是介于微波和中红外波段的电磁波,频率为0.1-10THz (3mm-30μm)  THz波的特点是可以穿透生活中常见的的物质材料(皮肤,塑料,衣服等等),且由于光子能量低,不会造成和离子辐射(X光)一样的危害。因为这一特质,其能够应用在安保检查,THz成像领域,半导体特征分析,化学组成分析和生物研究领域。

HRFZ-Si是传统的太赫兹元件中最常用的太赫兹,它在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。包括THz有机材料(TPX, PEPTFE)THz晶体材料(如硅,石英和蓝宝石),其总结如下:

 

太赫兹材料总结:

TPX, PE和PTFE等太赫兹有机材料,在200-1000 µm之间,透过率基本一致,达到80-90%。当然,他们也可以应用于更大的波长。

硅,石英和蓝宝石等晶体太赫兹材料,由于反射损耗,在太赫兹波段的透过率相对较低。如硅材料,从50 µm开始,透过率为50-54%;而石英材质,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%

 

一,晶体材料

       晶体如硅,石英和蓝宝石在THZ光学元件中都是常用的材料。

 

 高阻硅(HRFZ-Si)

除去昂贵的人造钻石,高阻硅是晶体材料中最适合宽大波长范围的THz材料,范围1.2 µm-1000µmTHz领域技术能够快速发展,就是归功于HRFZ-Si材料的出现,其局域成本低,尺寸大且易于大量生产制造。Tydex公司提供的HRFZ-Si材料能在1000μm波段中50-54%的透过率。(还可用于3000甚至8000μm更大的波长)

 

石英晶体

Z-cut的石英晶体是传输50 µm以上波长的最好材料之一。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。

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

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/4THZ波片。

 

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15mm,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。

就象 HRFZ-Silicon一样,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。

 

二,有机太赫兹材料,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,最好的太赫兹材料是TPX (polymethylpentene),  polyethylene (PE), polypropylene (PP),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

1.465

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。

 

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)

110 g/m2*24h

透气性y (thk 100 µm)

120000  cm3/m2*d*MPa

 

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TPXTHZ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) 

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,TPX更便宜,而且比Picarin更容易获得。

 

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°CPE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。

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HDPETHZ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) 

 

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, -73° 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 

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

3900 psi ~26.7 MPa

拉伸模量 (psi)

80000 psi ~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)

3500

耐压系数 (psi)

70000

 

 

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