オプティカニクス総合取扱製品
opticanics.com

TYDEX

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。

 

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。
 

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
 

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。