常用太赫兹材料的透射率，THz材料的透过率

太赫兹（THz）辐射位于光谱区域0.1-10 THz（~3mm-30μm，3 cm-1 -300 cm-1）之间，是介于微波和中、红外线电磁谱之间的电磁辐射。

与可见光或红外波相比，太赫兹辐射可以渗透到有机材料中，如皮肤，塑料，布料或纸制品。由于其光子能量低，它不会引起与电离辐射（例如X射线）相关的任何损害。太赫兹波不会渗透到金属中。这些性质可用于过程监控（例如药物制造）、质量控制以及THz成像。对于诸如安全控制，包装检查，半导体表征，化学成分分析和生物医学等应用，具有很大的潜力。

传统上，对于THz应用，比较常用的有高电阻率浮区硅（HRFZ-Si），因为它是在该波段被研究得最多的物质，并且具有良好的透射性能。与此材料并行，我们一直在研究其他材料，这些材料也可以在太赫兹范围内使用。

下面您可以看到我们用于THz光学器件生产的材料的透射光谱和其他特性。THz区域的测量在ABB FTIR光谱仪Bomem DA3和Bruker IFS 125HR（不精确度的测量值低于100μm的2-3％和超过100μm的4-5％）下进行。 在Perkin Elmer“Lambda-9”（不准确度<0.5％）下进行近红外范围的测量。

1.晶体太赫兹材料

包括硅，水晶石英和蓝宝石等晶体，它们对太赫兹光学器件的生产非常重要。

1.1高电阻率浮区硅（HRFZ-Si）

除合成金刚石外，高电阻率硅是唯一适用于从NIR（1.2μm）到MM（1000μm）波的极宽范围的各向同性晶体材料。与钻石相比，高阻硅的生长和加工相当便宜。此外，它可以被加工成相当大的尺寸，允许基于此制造快速发展的THz电子元件。对于太赫兹应用，我们提供高电阻率浮区硅（HRFZ-Si），其在太赫兹波段基本保持50-54％透射率，至1000μm（对于长达3000，甚至8000微米的波长）。

图1 HRZZ-Si 5.0 mm厚样品在THz范围内的透射和反射。

HRFZ-Si在THz范围内具有极低的损耗。入下图所示，HRFZ-Si的THz波形类似于空气的THz波形。 这表明高阻硅对太赫兹波几乎没有吸收。

硅的复介电常数取决于其导电率（即自由载流子浓度）。 图3显示了在1 THz下具有不同杂质浓度的硅的介电常数。对于低杂质浓度，介电常数几乎是实际值，近似等于高频介电常数。随着杂质浓度水平的增加，介电常数的实部变为负值，并且其虚部逐渐增加到不能再被忽略。此时，硅会对太赫兹波产生吸收。

太赫兹损耗角正切可用下式计算：tanδ= 1 /（ω*εv*ε0* R），其中ω圆形频率，εv-真空介电常数（8.85 * 10-12 F / m），ε0-介电常数 硅（11.67）和R特异性电阻。 例如，在1THz下电阻率为10kOhm * cm的HRFZ-Si的损耗角正切为1.54×10^-5。

图2通过空气和HRFZ-Si传输的THz信号。（*）。

图3.在1 THz下具有不同杂质浓度的n型硅的介电常数的实部（实线，ε）和虚部（虚线，ε12）部分（**）。

有关硅的一般特性以及NIR和MIR范围内的透射光谱的更多信息，请参阅Silicon一章。

1.2石英（Z cut Crystal Quartz）

对于波长超过50μm的太赫兹波，Z切割晶体石英是一种很好的材料。 z切割水晶石英窗在可见光范围内是透明的，因此可以通过HeNe激光器辅助轻松调整光学系统。它们不会改变光偏振状态，可以冷却到低于液氦的λ点。

图4. 1毫米厚晶体石英的透射和反射

由于Z cut石英具有相当大的色散（请参见下表），由水晶石英制成的镜头在可见光和远红外范围内具有不同的焦距。如果您使用镜头进行光学系统校准，则应将这个因素考虑在内。晶体石英是双折射材料，如果辐射的极化很重要。Tydex使用x-cut材料为THz应用产生λ/ 2和λ/ 4波片。

1.3蓝宝石

蓝宝石像Z cut石英一样在太赫兹波段和可见光波段都是透明的。我们测量了各种晶体取向和厚度的蓝宝石样品，结果显示透射率不依赖于晶体取向。

图5.不同厚度的蓝宝石样品的透射和反射。

对于厚度为1至5 mm的测量样品，透射率较低的600μm主要取决于样品厚度。对于较薄的样品，传输接近于较短波长的饱和度。由于在THz波段的折射率值相似，因此类似HRFZ-Silicon的蓝宝石也可用于制造THz的光电导天线。

2.聚合物太赫兹材料

在各种可用的聚合物中，存在一些材料具有相对低反射率的优异太赫兹透明度。典型的材料是TPX（聚甲基戊烯），聚乙烯（PE）和聚四氟乙烯（PTFE或Teflon）。在较长波长下，这些聚合物的透射是平滑且扁平的。对于较短的波长，主要在200μm以下，会出现固有振动的特征波段，并且由于不均匀性而增加。聚合物通常在较短波长下变得越来越不透明。

2.1聚甲基戊烯（TPX）

TPX是所有已知聚合物中最轻的。它在UV，可见光和THz范围内是光学透明的，允许使用HeNe激光束进行对准。折射率约为1.46，相对独立于波长：

TPX直到毫米波长的损耗都非常低。此外，TPX还具有优异的耐热性，对大多数有机和无机商业化学品具有很高的耐受性。

TPX的典型特性

TPX是一种硬质固体材料，可以通过机械加工成形为各种光学元件（例如透镜和窗户）。此外，TPX在CO2激光泵浦分子激光器中用作输出窗口，因为它在整个太赫兹范围内是透明的，并且完全抑制了大约10μm的泵浦辐射。

与其他材料相比，用于在太赫兹范围内操作，TPX显示出优异的光学性能，例如可以很好地替代Picarin（Tsurupica）镜片。此外，与Picarin相比，TPX价格便宜，具有更好的经济性。

2.2聚乙烯（PE，HDPE）

PE是一种轻质弹性结晶材料。它可以加热至110°C并根据等级冷却至-45~-120°C。PE具有良好的介电特性，耐化学性和耐辐射性。然而，它对紫外线辐射，脂肪和油类不稳定。PE具有生物惰性，易于加工。密度（23℃）为0.91-0.925g / cm 3。拉伸流动极限（23℃）为8-13MPa。弹性模量（23℃）为118-350MPa。折射率为~1.54并且在宽波长区域内相当相等。通常，高密度聚乙烯（HDPE）用于组件的生产。除了相当厚的透镜和窗口外，薄的HDPE薄膜也用于太赫兹偏振器。此外，我们使用HDPE作为Golay细胞的窗口。

不幸的是，HDPE在可见光波段透过率很差，因此它不能用于调整光学系统。应该注意到HDPE的THz传输不依赖于温度，因此允许在低温恒温器中使用HDPE窗口。其折射率温度系数为6.2×10-4K-1（范围为8-120K）。

2.3聚四氟乙烯（PTFE，Teflon，俄语 - Ftoroplast）

PTFE在室温下为白色固体，密度约为2.2 g / cm3。 其熔点为327°C，但其特性在-73°C至204°C的宽温度范围内保持在有用的水平。 在宽波长范围内折射率为~1.43。

由于在1-7μm范围内的良好透射性，PTFE膜用于制造红外或太赫兹偏振器。这些偏振器的第一成本低于晶体偏振器，有利于它们在使用偏振辐射的IR传感器中取得大量应用。

PTFE的主要参数：

太赫兹材料透射率的总结

如您所见，TPX，PE和PTFE等所有有机材料均具有约80-90％的均匀稳定透射率，从~200μm开始，最高可达1000μm。当然，他们在更长的波长也有具有较好的透过率。由于反射损耗，硅，石英和蓝宝石等晶体材料在THz范围内具有较低的透射率。对于硅，从50μm开始为50-54％，对于石英，从约120μm开始为> 70％，对于蓝宝石，从1-2mm样品厚度的约350μm开始> 50％。

基于这些太赫兹材料，海纳光学推出了一系列太赫兹元件，例如太赫兹透镜、太赫兹偏振片、太赫兹衰减器、太赫兹窗片、太赫兹波片、太赫兹反射镜、太赫兹棱镜……。