太赫兹材料

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, PE和PTFE)，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-1000µm。THz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：

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。

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1到5mm，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),和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。

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：

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)。 

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°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。

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)。 

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。 

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：

• 太赫兹F-P干涉仪
• 太赫兹高透膜层