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THz・マイクロ波・ミリ波 光ファイバー

THz キュベット ARコーティング THz材料 TYDEX

 

THz キュベット

THzキュベットは、さまざまな物質の分光分析を目的としています。キュベットは、特定の波長範囲で透明な2つのウィンドウの間に挿入されるボリュームです。測定範囲に応じて窓材を選択します。基本構成はTPXウィンドウで提供されます。お客様のご要望に応じて、クリスタルクォーツ(水晶)サファイアシリコンウィンドウに交換することができます。



 

TYDEXは、3種類のTHzキュベットを製造しています。

  • 粒子状サンプル用のキュベット;
  • 液体サンプル用のキュベット;
  • 気体サンプル用のキュベット。

標準的なキュベットの特性を以下に示します。
 

特徴
粒子状サンプル用
キュベット

液体サンプル用
キュベット

気体サンプル用
キュベット
有効径 25.0mm 25.0mm 25.0mm
窓材 TPX TPX TPX
サンプル厚さ 1、2、5、10mm * 1mm 50mm
パッケージ内容 ベースプレート、ナイフ、
ライナー
シリンジ、シリコンチューブ、
追加ノズル
-

*-リクエストに応じて、サンプルの厚さを増やすためにキュベットに追加のライナーが装備される場合があります。

 

標準キュベット寸法

粒子状サンプル用のキュベット


液体サンプル用のキュベット


気体サンプル用のキュベット


カスタムサイズはご要望に応じて製造されます。最小寸法は下の表にあります。
 

特徴
粒子状サンプ用の
キュベット 

液体サンプル用の
キュベット 

気体サンプル用の
キュベット 
最小開口径 12.5mm 12.5mm 12.5mm
最小サンプル厚 0.5mm 0.5 25.0

 

THz ARコーティング



 

結晶材料のTHz透過率は、反射損失が高いため、高くありません(HRFZ-Siの透過率は約54%で、THzグレードの水晶の透過率は約70%です)。ただし、反射損失はTHz ARコーティングによって低減できます。パリレンコーティングを提供しています。 

平面のパリレンコーティング技術は、マイクロエレクトロニクスでよく知られています。光学面(平面および球面)のコーティングを実現するように改善しました。そのため、パリレンコーティングは、窓だけでなくレンズにも使用されています。

ARコーティングの波長範囲はお客様が指定します。60μm〜1300μmの広い範囲でARコーティングが可能です。


次のARコーティングが提供されています。


1. 両面ARコーティング


窓やメニスカスレンズに使用されています。ARコーティングにより、透過率は中心にあるARコーティングの波長で≥90%です。パリレンコーティングおよび非コーティングのHRFZ-Siおよびクリスタルクォーツウィンドウの透過率曲線の例を以下に示します。 


図1.А.  コーティングされていない両面コーティングされたHRFZ-Siウィンドウの透過率。ARコーティングの中心は120 µm




図1.В.   
コーティングされていない両面コーティングされたHRFZ-Siウィンドウの透過率。ARコーティングの中心は330 µm






図1.С. コーティングされていない、および両面コーティングされた水晶の石英窓の透過率。ARコーティングの中心は158 µm


パリレンコーティングされた部品は低温で使用できることが実験的に確認されています。

 

860μmを中心とする両面コーティングが施された結晶質の石英窓は、次のパラメーターで熱サイクルを受けました。

  • 室温から77Kまでの冷却、30サイクル、
  • 室温から4.2Kまでの冷却、3サイクル。

透過率スペクトルは、熱サイクルの前後で測定されました(図2A)。パリレンのコーティング表面を顕微鏡で観察しました(図2.B)*。フィルムは低温下でも劣化しません。透過率は一定のままです。



図2.А.  熱サイクル前後の両面コーティングを施した結晶窓の透過率スペクトル。


図2.В    熱サイクル前後の両面コーティングが施された結晶ウィンドウの表面*

*  The data was provided by Dr. Erik Heinz из Supracon AG, Germany


 

2.   片面 AR コーティング
 

半球レンズに適用されます。レンズはTHz TDSセットアップまたは超伝導ボロメーターで光伝導アンテナとして使用されるため、平面レンズ表面はコーティングされていません。現在、99 umから125 umの範囲を中心とするARコーティングは、特定の用途向けに開発されています。ARコーティングにより、半球レンズの透過率が30%向上します。半球形レンズの形状は透過率を測定するのが難しいため、ARコーティング付きレンズとコーティングなしレンズの透過率曲線をシミュレーションしました(以下を参照してください)。

あるお客様が行った実験結果では、ARコーティングによる透過率の増加が確認されました。片面コーティングされた超半球レンズを使用しているときのお客さんの機器のパワーの増加は、111 umで約30-50%でした。

図3. コーティングされていない片面(球面)のパリレンコーティングされた半球レンズのシミュレーションされた透過率。ARコーティングの中心は99〜125μm

ご覧のとおり、コーティングされていないHRFZ-Si半球レンズの透過率は6%のみです。全反射の影響と関連しています。全反射の角度は約17度です。シリコンの屈折率とレンズの形状により、THz放射はレンズに浸透し、レンズ表面と空気の界面から反射されます。したがって、半球レンズの開口数は40%のみです。お客様が必要とする波長範囲の特殊性を考慮して、ARコーティングされたウィンドウとレンズをご要望に応じて製造しており、原則として在庫から入手することはできません。



 

THz 材料

テラヘルツは(THz)領域は ~0.1-10 THz (~3 mm - 30 μm, 3 cm-1 - 300 cm-1)電磁スペクトルのマイクロ波と中赤外(MIR)の間になります。

THz放射は、可視または赤外と比較して、皮膚、プラスチック、布、紙製品などの有機材料に侵入する可能性があります。フォトンエネルギーが低いため、電離放射線(X線など)に関連する損傷は発生しません。
THz波は金属に浸透しません。これらの特性は、THzイメージングだけでなく、プロセス(医薬品の製造など)や品質管理にも使用できます。また、安全管理、パッケージング検査、半導体特性評価、化学組成分析、生物医学的調査などのアプリケーションにも現在関心が高く、分光法、防衛イメージング、セキュリティアプリケーションに大きな期待が寄せられています。

THzアプリケーションでは、高抵抗フロートゾーンシリコンHigh Resistivity Float Zone Silicon(HRFZ-Si)を使用しています。この範囲内で動作するために最も調査された物質であり、優れた透過性能があるためです。この材料と並行して、THz範囲で利用できる他の材料も調査しています。

以下に、テラヘルツ光学系の製造に使用する材料の透過スペクトルおよびその他の特性を示します。
THz領域での測定は、ABB FTIR分光計Bomem DA3およびBruker IFS 125HRで行われました(不正確さの測定は、100 µm未満で2〜3%、100 µmで4〜5%です)。近赤外線領域での測定は、Perkin Elmer「Lambda-9」で行われました(不正確さの測定値<0.5%)。
 

1.  結晶
シリコン水晶サファイアなどの結晶は、テラヘルツ光学部品の生産にとって重要です。
 

 

1.1 高抵抗フロートゾーンシリコン(HRFZ-Si)

    High Resistivity Float Zone Silicon

合成ダイヤモンドに加えて、高抵抗シリコンは、NIR(1.2 µm)からmm(1000 µm)までの非常に広い範囲の波などに適した唯一の等方性結晶材料です。ダイヤモンドと比較すると、成長させて機械加工する方が安上がりです。さらに、それに基づいて急速に開発されているTHzエレクトロニクスの要素の製造を可能にするかなり大きな可能性があります。THzアプリケーションでは、高抵抗フロートゾーンシリコン(HRFZ-Si)を提供し、50〜54%の透過率を1000 µmまで(さらに、3000μm、さらには8000μmまでの長い波長用)。


図1.  THz範囲におけるHRFZ-Si 5.0 mm厚サンプルの透過と反射

HRFZ-SiはTHz範囲で低損失です。図2からわかるように、HRFZ-SiのTHz波形は空気のTHz波形に似ています。これは、HRFZ-Si吸収がないことを示しています。


図2. 空気およびHRFZ-Si。(*)を介して送信されたTHz信号

シリコンの複素誘電率は、その導電率(自由キャリア濃度)に依存します。図3は、さまざまな不純物濃度の1 THzにおけるシリコンの誘電率を示しています。不純物濃度が低い場合、誘電率はほぼ実際の値になり、高周波の誘電率とほぼ等しくなります。不純物濃度のレベルが増加するにつれて、誘電率の実数部は負の値になり、その虚数部はもはや無視できると見なすことができなくなります。誘電率はその複雑な性質を示し、シリコンはテラヘルツ波で失われます。損失正接は、次の式を使用して計算できます:tanδ= 1 /(ωxεvxε0x R)、ここでω-円形周波数、εv-真空の誘電率(8.85 x 10 -12F / m)、ε0-シリコンの誘電率(11.67)、およびR-比抵抗。たとえば、1 THzで抵抗率10 kOhm x cmのHRFZ-Siの損失正接は1.54 x 10 -5です。



図3.  1 THz(**)で不純物濃度が異なるn型シリコンの誘電率の実数部(実線、ε1)および虚数部(破線、ε2)。不純物濃度、cm -3

シリコンの一般的な特性と、NIRおよびMIR範囲内の透過スペクトルの詳細については、「シリコンの章を参照してください
 

1.2 水晶

50 µm以上の波長に最適な材料の1つは、Zカット水晶です。zカットクリスタルクォーツウィンドウは、HeNeレーザーで簡単に調整できる可視範囲で透明であり、偏光の状態を変更せず、液体ヘリウムのλ点以下に冷却できることが重要です。

図4 水晶の厚さ1.0 mmのサンプルの透過と反射

分散が非常に大きいため(下の表を参照してください)、水晶で作られたレンズは、可視域と遠赤外線域で焦点距離が異なります。このようなレンズを光学系の位置合わせに使用する場合は、考慮する必要があります。

 

λ, µm 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

水晶は複屈折材料であり、放射の偏光が重要な場合に注意する必要があります。Xカット材料を使用して、THz波長で使用するλ/ 2およびλ/ 4波長板を製造します。
 

クリスタルクォーツの一般的な特性と、UVおよび可視範囲内の透過スペクトルの詳細については、「合成クリスタルクォーツ」の章を参照してください

薄い石英ガラス要素も長波長の放射線を透過します。500〜700μmを超えると、透過率は結晶性材料と同じになります。ミリ波アプリケーションでは、薄い溶融石英部品を使用してコストを節約できます。


図5. 厚さの異なる水晶、IR-FS、UV-FSウィンドウの透過率

 

 

1.3 サファイア

水晶のようなサファイアは、THz領域でも可視領域でも透明です。様々な結晶方位と厚さのサンプルが測定されました。以下からわかるように、スペクトル透過率は、不正確さの尺度内の結晶方位に依存しません。厚さが1〜5 mmの測定サンプルの場合、600 µm未満の透過率はサンプルの厚さに強く依存します。透過率は、サンプルが薄いほど短い波長で飽和に近づきます。

図6. 厚さの異なるサファイアサンプルの透過と反射

HRFZシリコンと同様に、サファイアもTHzの屈折率値が類似しているため、THz用の光伝導アンテナの製造に使用できます。

サファイアの章で見つけることができる、サファイアの一般的な特性と、UVおよび可視範囲内の透過スペクトルの詳細
 

2. ポリマー

利用可能な多種多様なポリマーの中には、反射率が比較的低い優れたテラヘルツ透過性があります。この意味で最高の材料は、TPX(ポリメチルペンテン)、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、およびポリテトラフルオロエチレン(PTFEまたはテフロン)です。より長い波長では、これらのポリマーの透過率は構造がなく、平坦です。主に200 µm未満の短い波長に進むと、固有振動の特徴的なバンドが現れ、不均一性による散乱が増加します。ポリマーは一般に、より短い波長でますます不透明になります。

 

2.1 ポリメチルペンテン Polymethylpentene (TPX)
 

TPXは、すべての既知のポリマーの中で最も軽量です。これは、UV、可視、THzの範囲で光学的に透明です。たとえば、HeNeレーザービームを使用して位置合わせを行うことができます。屈折率は約1.46で、波長に比較的依存しません。
 

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

損失は​​mm波長まで非常に低いです。TPXは優れた耐熱性を備えており、ほとんどの有機および無機の市販の化学薬品に対して高い耐性があります。



図7.  TPX 2 mm厚サンプルの透過率。THz領域




図8.  TPX 2 mm厚サンプルの透過率。NIR&MIR領域




図9.  TPX 2 mm厚サンプルの透過率。UV&VIS&NIR領域

TPXの特性

 

密度、g / cm 3

0.83

抗張力

4100psi〜28.3 MPa

引張係数

280000psi〜1930.5 MPa

破断時の引張伸び、%

10

曲げ強度

6100 psi
42.1 MPa

曲げ弾性率

210000 psi
1447.8 MPa

熱変形温度、°C

100

融解温度、°F /°C

464/240

吸水率(ASTM-D 1228)、%

<0.01

透湿性(thk 25 µm、40C、90%RH)、g / m2 x 24h

110

酸素透過性(thk 100 µm)、cm 3 / m 2 x d x MPa

120000

TPXは、レンズやウィンドウなどのさまざまな光学コンポーネントに機械的に成形できる硬い固体材料です。また、特にTPXは、テラヘルツ範囲全体で透過的であり、約10 µmのポンプ放射を完全に抑制するため、出力ウィンドウとしてCO 2レーザーポンプ分子レーザーで使用されます。また、TPXウィンドウはクライオスタットで「コールド」ウィンドウとして使用されます。TPXのTHz透過性は、温度に依存して変化しません。屈折率の温度係数は3.0 * 10 -4 K -1です(8〜120 Kの範囲の場合)。



図10. 屈折率の温度依存性。(***)
 

THz範囲での動作に使用されている他の材料と比較して、TPXは優れた光学特性を示し、たとえばピカリン(Turupica)レンズの優れた代替品となります。さらに、TPXは安価で、ピカリンとは対照的に市販されています。 


図11.  TPX、ピカリン、およびHDPEの厚さ2 mmのサンプルの透過率
 

TPXウィンドウは、真空アプリケーションに最適です。シクロオレフィンポリマーZEONEXは、超高真空環境(10-9 - 10 -11 mmHg)
この材料は、優れた機械的特性、優れた化学的安定性、および真空中でのガス放出が非常に少ないという特徴があります。