Скачать статью "ТГц материалы и компоненты" (PDF, 307 KB)

Терагерцовое (ТГц) излучение располагается в спектральном диапазоне ~0.1-10 ТГц (~3 мм - 30 микрон, 3 см-1 - 300 см-1) между микроволновым и дальним инфракрасным диапазонами электромагнитного спектра.

В сравнении с видимыми или инфракрасными волнами ТГц излучение может проникать в органические материалы, такие как кожа, пластики, одежда или бумага. Вследствие низкой энергии фотона оно не вызывает повреждений, связанных с ионизирующими излучениями (такими, как рентгеновские лучи, например). ТГц волны не проникают в металлы. Эти свойства могут быть использованы в текущем производственном контроле (например, при производстве лекарств), контроле качества готовой продукции, в ТГц изображении. Также представляет большой интерес использование ТГц излучения в таких приложениях, как: контроль безопасности, проверка упаковок, характеризация полупроводников, анализ химического состава, биохимические исследования, с многообещающим выходом в спектроскопии и построении изображения в оборонных системах.

Традиционно для ТГц приложений мы использовали высокоомный кремний, выращенный методом зонной плавки (HRFZ-Si), как наиболее исследованное вещество, хорошо пропускающее внутри этого диапазона. Параллельно с этим материалом мы исследовали другие материалы, которые по нашим представлениям могли бы быть использованы в ТГц диапазоне.

Ниже мы представляем спектры пропускания и другие свойства материалов, предлагаемых для использования в производстве ТГц оптики. Измерения в дальнем инфракрасном и миллиметровом диапазонах были сделаны на Фурье-спектрометрах ABB Bomem DA3 и Bruker IFS 125HR (точность измерений 2-3% ниже 100 микрон и 4-5% выше 100 микрон). Измерения в видимом и ближнем ИК-диапазонах были проведены на спектрофотометре Perkin Elmer “Lambda-9” (точность измерений <0.5%).

Нижеуказанные материалы обрабатываются нашей компанией, поэтому потребителям предлагаются различные компоненты из них (гипер-гипо-полусферы, обычные линзы, окна, разнообразные призмы, такие, например, как ромб Френеля, и другие).

1. Полимеры

Среди большого разнообразия полимеров есть некоторые, имеющие отличную прозрачность для терагерцовых волн при относительно низком отражении. Наилучшими материалами в этом смысле являются полиметилпентен (TPX), полиэтилен (PE), полипропилен (PP) и политетрафлюроэтилен (PTFE, фторопласт или тефлон). При больших длинах волн пропускание этих полимеров бесструктурное и плоское. При коротких длинах волн, главным образом ниже 200 микрон, появляются характерные полосы поглощения, связанного с собственными колебаниями, а также увеличивается рассеяние на разного рода неоднородностях. Полимеры обычно становятся все более непрозрачными при более коротких длинах волн.

Среди описанных ниже полимеров Тидекс начал с обработки ТРХ, как наиболее полезного материала для терагерцовых приложений. Он имеет отличные пропускающие свойства и практически неизменяющийся показатель преломления как в видимом, так и в терагерцовом диапазонах. Другие пластики начнут обрабатываться по мере необходимости, о чем будет извещено дополнительно через прайс-листы.

1.1 Полиметилпентен (TPX)

ТРХ - это легчайший из всех известных полимеров. Он прозрачен в ультрафиолете, видимом и дальнем инфракрасном диапазонах, что, например, позволяет использовать гелий-неоновый лазерный луч для настройки оптических систем. Его показатель преломления ~1.46, и он практически не зависит от длины волны.

λ, мкм n 0.633 1.463 24 1.4568 60 1.4559 300 1.46 667 1.46 1000 1.4650 3191 1.466

Оптические потери в материале очень низкие вплоть до миллиметровых волн. ТРХ имеет отличную термостойкость и сопротивляемость к большинству органических и неорганических коммерчески доступных химикатов.

 

Типичные свойства TPX

Плотность ( г / см ³) 0.83 Предел прочности на разрыв 4100 ф (фунтов)/кв.д (дюйм) ~28.3 МПа Модуль растяжения 280000 ф/кв.д 1930.5 МПа Относительное удлинение при разрыве (%) 10 Прочность на изгиб 6100 ф/кв.д 42.1 МПа Модуль изгиба 210000 ф/кв.д 1447.8 МПа Температура плавления (°F / °C) 464 / 240

ТРХ - это твердый прочный материал, который может быть механически превращен в различные оптические компоненты, такие как линзы и окна. Отметим такое специфическое применение ТРХ, как использование его в газовых молекулярных лазерах, оптически накачиваемых CO2 лазером, в качестве выходного окна вследствие его прозрачности во всем терагерцовом диапазоне и абсолютного подавления излучения накачки в окрестностях 10 микрон.

По сравнению с другими материалами, использующимися для работы в ТГц диапазоне, TPX демонстрирует отличные оптические свойства и может служить хорошей заменой новому терагерцовому материалу под названием пикарин (цурупика) при изготовлении линз. Последний, к тому же, коммерчески малодоступен и существенно дороже.

Наши стандартные, имеющиеся на складе, типы TPX окон и линз перечислены ниже.

Материал TPX Диаметры , мм до 100 Допуск на диаметр , мм + /-0.25 Допуск на толщину 2% от толщины, но не более, чем 0.1 мм Допуск на фокальную длину ЭФД (для линз), % +/- 1 Качество поверхности по MIL , scr / dig 80/50 Точность поверхности, λ @30 микрон 1/3

TPX окна

№ Диаметр Толщина мм мм  мм 1 25.4 1.0 2.0 2 38.1 1.5 3.0 3 50.8 2.0 3.5

Мы поставляем как плоско-параллельные, так и клиновидные окна (6 мрад).

TPX линзы

№ Диаметр ЭФД Толщина на краю мм дюймы мм мм 1 25.4 1.0 25.0 2.0 2 25.4 1.0 50.0 2.0 3 25.4 1.0 100.0 2.0 4 25.4 1.0 200.0 2.0 5 38.1 1.5 50.0 3.0 6 38.1 1.5 75.0 3.0 7 38.1 1.5 100.0 3.0 8 38.1 1.5 150.0 3.0 9 38.1 1.5 200.0 3.0 10 50.8 2.0 50.0 3.0 11 50.8 2.0 75.0 3.0 12 50.8 2.0 100.0 3.0 13 50.8 2.0 150.0 3.0 14 50.8 2.0 200.0 3.0

*Все эффективные фокальные длины вычисляются для длины волны 300 микрон. Отклонения ЭФД, связанные с дисперсией показателя преломления, на краях терагерцового (30-3000 микрон) и внутри видимого диапазона пренебрежимо малы по сравнению с допусками на ЭФД, обеспечиваемыми при производстве линз.

Оптика из ТРХ может производиться также по спецификации заказчика (например, линзы или окна других диаметров). Максимальная толщина материала, имеющегося на складе - 20 мм.

1.2 Полиэтилен (PE)

PE - это легкий и эластичный кристаллизованный материал. Термостойкость некоторых марок достигает 110°C, допуская охлаждение до 45 ÷ 120°C, в зависимости от марки. Полиэтилен имеет хорошие диэлектрические характеристики, химическую и радиостойкость. Наоборот, он чувствителен к УФ облучению, к жирам и маслам. Полиэтилен биологически инертен, легко обрабатывается. Плотность его при 23°C - 0.91-0.925 г/см3. Предел пластической деформации (23°C) - 8-13 МПа. Модуль упругости (23°C) - 118 - 350 MПа. Показатель преломления ~1.54 и слабо меняется в широком диапазоне длин волн. Обычно для производства оптических компонентов используется полиэтилен высокой плотности (HDPE). Кроме окон и довольно толстых линз, тонкие пленки HDPE используются нами в ТГц поляризаторах. Также мы используем HDPE в качестве окон при производстве детекторов Голея.

Рис. 5 Пропускание HDPE окна толщиной 2 мм. ТГц диапазон.

Рис. 6 Пропускание HDPE окна толщиной 2 мм. БИК&СИК диапазоны.

Рис. 7 Пропускание HDPE окна толщиной 2 мм. ВИД&БИК диапазоны.

К сожалению, пропускание HDPE в видимом диапазоне очень низкое, поэтому его нельзя использовать для настройки оптических систем.

Наши стандартные, имеющиеся на складе, типы HDPE окон перечислены ниже.

Материал HDPE Диаметры, мм до 100 Допукс на размеры, мм + /-0.25 Чистая апература, % >=90 Качествоповерхности по MIL, scr/dig 80/50

No. Диаметр Толщина дюйм мм  мм 1 25.4 1.0 2.0 2 38.1 1.5 3.0 3 50.8 2.0 4.0

Мы поставляем как плоско-параллельные, так и клиновидные окна (клин 6 мрад).

Также мы можем производить HDPE окна по спецификации заказчика.

1.3 Полипропилен (PP)

Полипропилен имеет промежуточный уровень кристалличности между полиэтиленом низкой и высокой плотности, его модуль Юнга также промежуточный. В то время как основные свойства полипропилена похожи на полиэтиленовые, есть и специфические различия. К ним относятся: более низкая плотность, более высокая температура размягчения (PP не расплавляется ниже 160°C,  в то время как РЕ отжигается около 100°C) и более высокие упругость и твердость. Плотность PP - 0.905 г/см3. Температура плавления ~160°C. Показатель преломления ~1.49.

Рис. 8 Пропускание окна из полипропилена толщиной 2 мм. ТГц диапазон.

 

1.4 Политетрафлюроэтилен (PTFE, тефлон, по русски - фторопласт)

PTFE - это белый, твердый и тяжелый пластик с плотностью около 2.2 г/см3. Его температура плавления составляет 327°C, при этом он сохраняет свои свойства полезными в широком диапазоне температур от -73°C до 204°C. Показатель преломления ~1.43 в широком диапазоне длин волн.

Рис. 11 Пропускание пленки PTFE толщиной ~0.1 мм. ТГц диапазон.

Благодаря хорошему пропусканию от 1 до 7 микрон пленки PTFE используются для производства ИК поляризаторов. Себестоимость таких поляризаторов ниже, чем кристаллических. Это является преимуществом при массовом производстве ИК сенсоров, использующих поляризованное излучение.

 

Предел прочности на разрыв 3900 ф/кв.д ~26.7 M Па Модуль растяжения 80000 ф/кв.д ~551.6 M Па Относительное удлинение при разрыве (%) 300 Прочность на изгиб Не ломается Модуль изгиба (ф/кв.д) 72000 Предел прочности при сжатии (ф/кв.д) 3500 Модуль сжатия (ф/кв.д) 70000

2. Кристаллы

Важную роль для терагерцовых применений играют такие кристаллы, как кремний, кристаллический кварц и сапфир.

2.1 Кристаллический кварц

Одним из наилучших материалов для длин волн выше 50 микрон является z-срезанный кристаллический кварц. Окна, изготовленные из такого кварца, обладают следующими важными свойствами: 

- они прозрачны в видимом диапазоне длин волн, что позволяет легко настраивать оптическую систему по гелий-неоновому лазеру;
- они не изменяют состояние линейной поляризации луча;
- они могут охлаждаться ниже λ-точки жидкого гелия.

 

 Благодаря довольно большой дисперсии (см. таблицу ниже) линзы из кристаллического кварца будут иметь различные фокальные длины в видимом и ТГц диапазонах. Это следует принимать во внимание, если Вы собираетесь использовать такие линзы для настройки оптических систем.

 

λ, мкм no ne 0.589 1.544 1.553 6.0 1.32 1.33 10.0 2.663 2.571 30.0 2.5 2.959 100.0 2.132 2.176 200.0 2.117 2.159 333.3 2.113 2.156

Кристаллический кварц является двулучепреломляющим материалом, что следует учитывать, если поляризация излучения важна для Вас. Мы используем х-срезанный материал для производства L/2 и L/4 волновых пластинок для работы на ТГц волнах.

Больше об основных свойствах кристаллического кварца, а также спектры пропускания в УФ и видимом диапазонах Вы можете найти в разделе “Синтетический кристаллический кварц”.

Со склада доступны кристаллы кристаллического кварца ТГц категории следующих размеров:
- для кристаллов, выращенных вдоль оси Z: X >= 100 мм, Y >= 150 мм и Z до 35 мм;
- для кристаллов, выращенных вдоль оси X: X до 30 мм, Y >= 100 мм и Z >= 125 мм.

 

Предлагаем со склада следующие плоско-параллельные окна из кристалического кварца:

Материал Кристаллический кварц ТГц категории Ориентация Z-срез Допукс на размеры, мм + /-0.25 Чистая апература, % >=90 Параллелизм, угл. мин. 5 Качествоповерхности по MIL, scr/dig 60/40

No. Диаметр Толщина мм дюйм  мм 1 25.4 1.0 1.0, 2.0, and 3.0 2 38.1 1.5 1.0, 2.0, and 3.0 3 50.8 2.0 1.0, 2.0, and 3.0

Со склада предлагаются ТГц фазовые пластинки со следующими общими параметрами указанных ниже типов.

Материал Кристаллический кварц ТГц категории Ориентация X -срез Допуск на ориентацию, угл. мин. +/-10 Допукс на размеры, мм +/-0.25 Чистая апертура , % >=90 Параллелизм , угл . сек. 5 Допуск на толщину , мм +/- 1.0 Качество поверхности по MIL, scr/dig 60/40 Искажение волнового фронта на пропускание TWD , λ @633нм 1/2

Фазовые пластинки

Тип ретардации, λ Размеры, мм Рабочая длина волны, мкм 1/2 & 1/4 20x20 35.0 76.0 90.5 148.0 280.0 385.0 496.0 1/2 50x50 118.0 200.0

 

2.2 Сапфир

Сапфир подобно кристаллическому кварцу прозрачен в субмиллиметровой области так же, как и в видимой. Как может быть видно из приведенных ниже спектров, пропускание сапфира не зависит от его кристаллической ориентации с точностью измерений. Для измеренных образцов с толщиной от 1 до 5 мм пропускание ниже 600 микрон сильно зависит от толщины образца. Пропускание приближается к насыщению для более тонких образцов при более коротких длинах волн.

Рис. 14 Пропускание сапфировых образцов различной толщины и кристаллографической ориентации.

Подобно высокоомному кремнию, сапфир, благодаря близкому показателю преломления, также может быть использован для изготовления фотопроводящих антенн для ТГц.

Больше об общих свойствах сапфира, а также спектры пропускания в УФ и видимом диапазонах Вы можете найти в разделе Сапфировая оптика.

3. ТГц фильтры

Кроме обычной полимерной и кристаллической оптики мы производим ТГц длинноволновые отрезающие фильтры. Они блокируют УФ,  видимое и инфракрасное излучение от 0.2 до ~13 микрон и пропускают большие длины волн. Их типичные спектры пропускания приведены ниже:

Рис. 15 Пропускание ТГц фильтра. ДИК/ТГц диапазон.

Рис. 16 Пропускание THz фильтра. ВИД&БИК диапазон.

Фильтры продаются вставленными в оправы.

Оправа Чистая апертура, мм Диаметр, мм Толщина, мм 31 8 23.4 44 8.5 35 60 9.5 47

 

4. Заключение

Как Вы видите, выбранные нами органические материалы: TPX, PE, PP и PTFE имеют однородное стабильное пропускание около 80-90%, начиная с ~200 микрон и до 1000-2000 микрон. Безусловно, они также отлично пропускают и при больших длинах волн.

Кристаллические материалы, такие как кремний, кварц и сапфир имеют более низкое пропускание в ТГц диапазоне вследствие потерь на отражение. Для кремния - это 50-54%, начиная с 50 микрон (больше о свойствах кремния смотрите в раздел Кремний), для кварца - это >70%, начиная с около 120 микрон, для сапфира -  >50%, начиная с около 350 микрон для образцов 1-2-мм толщины.

Также обращаем Ваше внимание на то, что мы не поставляем полимерные и кристаллические материалы в заготовках или как сырье. Наши стандартные продукты - готовые изделия.

Для получения котировки заполните, пожалуйста, форму запроса с указанием интересующих Вас элементов.