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(qū)域的電磁波。

和可見(jiàn)和紅外光相比，THZ波可以穿透常規(guī)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(huì)造成和離子輻射（X光）一樣的損害。這些特點(diǎn)使其能夠應(yīng)用在處理（如藥物生產(chǎn)），質(zhì)量控制以及THZ成像領(lǐng)域。現(xiàn)在也很多人想把它應(yīng)用在安保，包裹檢查，半導(dǎo)體特征分析，化學(xué)組成分析以及生物研究領(lǐng)域。

對(duì)于傳統(tǒng)的THZ應(yīng)用，我們采用High Resistivity Float Zone Silicon (HRFZ-Si)材料，因?yàn)樗茄芯康枚嗟牟馁|(zhì)，而且在THZ波段有很好的透過(guò)率。同時(shí)，我們也研究了可應(yīng)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(diǎn)。我們用ABB的FTIR光譜儀Bomem DA3和Bruker IFS 125HR (測(cè)量精度為2-3%@< 100 µm；4-5% @> 100 µm)來(lái)測(cè)量THZ波。近紅外的測(cè)量采用Perkin Elmer的 “Lambda- 9" (測(cè)量精度< 0.5%)。

1. 晶體

晶體如硅，石英和藍(lán)寶石在THZ光學(xué)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(zhǎng)制造更容易。而且他尺寸更大，更容易制造，THZ技術(shù)的快速發(fā)展，就基于該優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于THZ應(yīng)用，我們提供在1000 µm (對(duì)于更長(zhǎng)波長(zhǎng)，3000甚至8000微米)透過(guò)率達(dá)到50-54%的High Resistivity Float Zone Silicon (HRFZ-Si)。

Fig.1 Transmission and reflection of HRFZ-Si 5.0 mm-thick sample in THz range.

HRFZ-Si 在THZ波段傳輸損耗低。如圖2所示，HRFZ-Si 中的THZ波形和空氣中的波形非常相似。這表明HRFZ-Si 的吸收很少。

Fig.2 The THz signals transmitted through air and HRFZ-Si.(*)

合成電解質(zhì)硅的介電常數(shù)由傳導(dǎo)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(shù).低摻雜的介電常數(shù)接近真實(shí)值，大約等于高頻介電常數(shù)。隨著摻雜濃度的提高，真實(shí)的介電常數(shù)將變成負(fù)數(shù)，而且不能被忽略。介電常數(shù)表征的是THZ波的傳輸損耗特性。損耗系數(shù)可以用下面的公式計(jì)算：tanδ=1/(ω*εv*ε0*R), 這里 ω – 圓頻率, εv – 真空下的介電常數(shù)（8.85*10-12 F/m）。ε0 –硅的介電常數(shù)(11.67), R是電阻值。例如，1THZ下，10 kOhm 阻值的HRFZ-Si損耗系數(shù)為1.54*10-5。

Fig.3 Real (solid, ε1) and imaginary (dashed, ε2) part of dielectric permittivity of n-type silicon with different impurity concentration at 1 THz.(**)

1.2石英晶體

Z-cut的石英晶體是傳輸50 µm以上波長(zhǎng)的材料之一。Z-cut的石英晶體窗*傳輸可見(jiàn)光，很容易用He-Ne激光器來(lái)調(diào)準(zhǔn)直。

Fig.4 Transmission and reflection of crystal quartz 1.0 mm-thick sample.

由于色散非常大，石英晶體材料的透鏡將對(duì)可見(jiàn)和遠(yuǎn)紅外的產(chǎn)生不同的焦距。如果需要對(duì)光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)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(tài)很重要，那就必須考慮雙折射問(wèn)題。我們用X-cut的石英晶體來(lái)制作λ/2和λ/4的THZ波片。

1.3藍(lán)寶石

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

Fig. 5 Transmission and reflection of sapphire samples with different thickness.

就象 HRFZ-Silicon一樣,藍(lán)寶石也可以在光電導(dǎo)天線上，因?yàn)樗麄儗?duì)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(duì)THZ波是透明的，反射率很低。一般意義上說(shuō)，的材料是TPX (polymethylpentene), polyethylene (PE), polypropylene (PP),和polytetrafluoroethylene (PTFE or Teflon).對(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)，這些聚合物的透過(guò)率曲線也很平坦。 對(duì)于短波長(zhǎng)，主要是<200 µm,內(nèi)部的不均勻性就會(huì)導(dǎo)致一些散射和波動(dòng)。也就是說(shuō)，聚合物對(duì)短波長(zhǎng)呈現(xiàn)出不透明的特點(diǎn)。

2.1 Polymethylpentene (TPX)

TPX 是所有已知聚合物中輕的。它對(duì)紫外，可見(jiàn)和THZ波段是透明的。當(dāng)然也就是可以用He-Ne激光器來(lái)進(jìn)行準(zhǔn)直。該聚合物折射率約為1.46，和波長(zhǎng)關(guān)系不大:

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

Fig. 6 Transmission of TPX 2 mm-thick sample. THz region.

Fig. 7 Transmission of TPX 2 mm-thick sample. NIR&MIR regions.

Fig. 8 Transmission of TPX 2 mm-thick sample. UV&VIS&NIR ranges.

TPX的主要參數(shù)：

TPX是很硬的固體材料，可以用來(lái)加工成不同的光學(xué)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(tǒng)中作為輸出窗*。因?yàn)樗鼘?duì)整個(gè)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?yàn)?/span>TPX在THZ波段的透明度和溫度無(wú)關(guān)，折射率的溫度系數(shù)3.0*10-4 K-1 (for the range 8-120 K)。

Fig. 9 Temperature dependence of refractive index.(***)

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。

Fig. 10 Transmission of 2 mm-thick samples of TPX, Picarin, and HDPE.

2.2 Polyethylene (PE)

PE是請(qǐng)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(huán)境下不夠穩(wěn)定。在生物學(xué)上來(lái)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(shù)為118 - 350 MPa，在很寬的光譜范圍內(nèi)折射率都約為1.54。通常，高密度的polyethylene (HDPE)也來(lái)作為組件材料。除了作為厚透鏡和窗*，薄的HDPE還可用來(lái)作為THZ偏振片。我們用HDPE作為Golay Cell的窗*。

Fig. 11 Transmission of 2 mm-thick HDPE sample. THz region.

Fig. 12 Transmission of 2 mm-thick HDPE sample. NIR&MIR region.

Fig. 13 Transmission of 2 mm-thick HDPE sample. VIS&NIR region.

很遺憾, HDPE對(duì)可見(jiàn)光的透過(guò)率非常低，因此，它不能用來(lái)作為光學(xué)系統(tǒng)的準(zhǔn)直元件。

我們還應(yīng)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(shù)為6.2*10-4 K-1 (for the range 8-120 K)。

Fig. 14 Temperature dependence of refractive index (***)

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(diǎn)為327°C, 在-73°C 到 204°C溫度范圍內(nèi)它的主要特點(diǎn)都差別不大，在比較寬的波段范圍內(nèi)，折射率都約為1.43。

Fig. 15 Transmission of PTFE film ~0.1 mm-thick. THz region.

Fig. 16 Transmission of PTFE film ~0.1 mm-thick. NIR&MIR region.

由于對(duì)1-7 µm波段范圍內(nèi)透明度都很高，PTFE薄片通常用來(lái)制作IR偏振片。這種偏振片的價(jià)格比晶體材料的便宜。這樣就使他們?cè)?/span>IR偏振應(yīng)用中能夠得到大量使用。

PTFE的主要參數(shù)：

總結(jié)：

所有的有機(jī)材料，如TPX, PE和PTFE從~200 µm到1000 µm都有幾乎一致的透過(guò)率，達(dá)到80-90%。當(dāng)然，他們也可以傳輸更長(zhǎng)的波長(zhǎng)。

由于反射損耗，晶體材料如硅，石英和藍(lán)寶石在THZ波段的透過(guò)率很低。對(duì)于硅材料，從50 µm開(kāi)始，透過(guò)率為50-54%；對(duì)于石英，從120 µm開(kāi)始，透過(guò)率>70%；對(duì)于1-2mm厚的藍(lán)寶石，從350 µm開(kāi)始透過(guò)率>50%。