太赫茲波段光學(xué)材料
本文研究了可用于太赫茲（THz）光譜范圍的光學(xué)材料的特性，太赫茲光譜范圍位于微波和紅外范圍之間。與太赫茲設備光學(xué)相關(guān)的研究領(lǐng)域的重要性在于太赫茲范圍內激光的創(chuàng )造活動(dòng)的加強以及在一般的光學(xué)材料應用中發(fā)現的重大問(wèn)題。本研究致力于分析所使用的THz材料的特性，尤其是光學(xué)特性。文章提供了這些材料的特征，并討論和比較了常規和新材料的物理、化學(xué)和光學(xué)特性，包括晶體材料（硅、藍寶石、石英、金剛石、鍺和碳化硅）以及一些聚合物（聚甲基戊烯、聚乙烯和聚四氟乙烯）。
光譜范圍為0.1–10 THz（3 mm–30 mm）的電磁波，位于微波和遠紅外范圍之間，通常稱(chēng)為太赫茲（THz）輻射。
在不同的輻射源中，輻射類(lèi)型之間的邊界定義不同。最大允許THz頻率范圍為10^11–10^13 Hz，因此，波長(cháng)范圍為? = 3.0–0.03 mm。如果波長(cháng)在1–0.1 mm范圍內，則此類(lèi)波也稱(chēng)為亞毫米波或T波。太赫茲范圍是光學(xué)范圍和射電范圍之間的邊界。太赫茲波段的許多應用明顯滯后于電磁光譜相鄰區域的應用，即微波和光學(xué)波段。如果研究THz范圍高頻部分的方法更接近光學(xué)和紅外范圍的方法，則該范圍低頻部分通常通過(guò)放射物理方法進(jìn)行研究[1–4]。天體的輻射光譜和復雜有機分子（如蛋白質(zhì)、DNA、某些爆炸物、有害物質(zhì)、空氣污染物等）的光譜都位于太赫茲區。
與可見(jiàn)光或紅外波相比，由于瑞利散射，太赫茲輻射能夠更好地穿透混濁和精細分散的介質(zhì)，例如皮革、塑料、衣服或紙張 。由于光子能量較低，不會(huì )引起損傷如離子的電離輻射（如X射線(xiàn)）。因此，醫學(xué)界積極探索用太赫茲光源代替X射線(xiàn)機的可能性。太赫茲波不能穿透金屬。這些特性可用于當前生產(chǎn)控制（例如，藥品生產(chǎn)）、成品質(zhì)量控制和太赫茲熱成像。發(fā)展太赫茲光譜以表征半導體材料和器件、化學(xué)成分分析、生化研究、爆炸物、有毒物質(zhì)和成癮性藥物的遠程檢測等，是非常有意義的[5–7]。由于缺乏具有令人滿(mǎn)意重量尺寸特性的強大THz輻射源，THz無(wú)線(xiàn)電探測的發(fā)展受到很大限制[1–4]。直到最近，激光技術(shù)還幾乎沒(méi)有被用來(lái)產(chǎn)生太赫茲輻射，盡管在1970年第一次證明了產(chǎn)生太赫茲激光的可能性[8]。造成這一范圍有限的原因有很多，特別是對這一范圍相對于其他范圍的優(yōu)勢認識不足、設計的激光器效率低、這一范圍的儀器和計量基礎不發(fā)達、缺乏良好的光學(xué)材料以及大氣中太赫茲輻射的高吸收。然而，在對太赫茲輻射在大氣中傳播的更詳細的研究中，目前發(fā)現了相對較窄的傳輸區域。相對較高的大氣衰減，即使在透明窗口中，仍然有足夠的可能性。太赫茲輻射的各種應用，不僅在真空中，而且在大氣壓下也有。
緊湊型THz輻射源功率低（在uW–mW范圍）[9]。例如，基于A(yíng)lGaAs/GaAs異質(zhì)結構的量子級聯(lián)激光器、Gunn二極管、雪崩渡越二極管、共振隧穿二極管等。在液氦溫度下，在p型鍺晶體中獲得了750μm的輻射。在具有皮秒電荷載流子弛豫時(shí)間的光導材料中使用電光效應的源，例如在半導體晶體中，需要使用飛秒脈沖激光器，這不能稱(chēng)為緊湊型激光器。在回旋管中獲得了平均功率為1mw的長(cháng)波太赫茲輻射（約3mm）。回旋電子管設計于20世紀60年代，用于托卡馬克裝置，目前正積極用于國際熱核實(shí)驗反應堆（ITER）建設項目。它們是電真空微波裝置，其中電子在均勻的外部磁場(chǎng)中以接近回旋加速器頻率或其諧波的頻率旋轉，產(chǎn)生THz輻射[11]。在光抽運激光器領(lǐng)域對強相干太赫茲波進(jìn)行了主要研究。這種太赫茲激光器效率的理論極限服從Manley–Rowe關(guān)系[12]。文獻[13]中報告了理論假設，即Manley–Rowe轉換極限
其中，ε表示THz泵浦輻射轉換的效率，νIR表示THz輻射頻率，νFIR表示泵浦光子的頻率，通過(guò)級聯(lián)過(guò)程可以顯著(zhù)超過(guò)這些值，當光脈沖的群速度色散很小時(shí)。典型的效率值大約在10^-4至10^-3之間。
根據Manley-Rowe定律，盡可能利用長(cháng)波輻射對THz介質(zhì)進(jìn)行泵浦是能量上最有優(yōu)勢的。在最常見(jiàn)的泵浦源中，CO2激光器的效率約為10%[12, 14]。使用光泵浦產(chǎn)生相對強大的THz激光輻射有兩種主要方法：泵浦氣體介質(zhì)，已研究了數百種介質(zhì)并獲得了數千條譜線(xiàn)[15]，以及在非線(xiàn)性晶體中產(chǎn)生差頻波[14, 16-18]。
在THz范圍內生成相對高能量（毫焦耳級）的脈沖的一種方法是通過(guò)非線(xiàn)性晶體中的光整流來(lái)實(shí)現的。當一個(gè)強烈的非線(xiàn)性極化的激光脈沖，模擬光脈沖包絡(luò )的形狀，穿過(guò)晶體時(shí)，就會(huì )發(fā)生光整流[2]。產(chǎn)生的電流脈沖可以是THz輻射的有效源。
相對高能量的THz激光輻射也可以通過(guò)自由電子激光器來(lái)實(shí)現。諾沃西比爾斯克自由電子激光器在短波長(cháng)的THz范圍內（λ≈120-240微米）發(fā)射高達400瓦的功率（脈沖持續時(shí)間τ約為100皮秒，脈沖重復頻率f為5.6兆赫）[20]。
需要具備高效運行能力的高質(zhì)量光學(xué)材料來(lái)應對這種輻射暴露。需要考慮到在THz區域內，輻射與光學(xué)材料的相互作用與傳統的可見(jiàn)光和紅外范圍的相互作用有所不同[5, 21, 22]。本研究分析了在THz范圍內可用的光學(xué)材料的特性。
1，晶體
通常在THz光學(xué)中使用的晶體包括二氧化硅、結晶石英和藍寶石[23]。多晶金剛石（PD）用于強大的THz光源，其使用可以至少在一定程度上彌補THz范圍在與其他傳統使用的電磁輻射范圍相比的應用方面的滯后[24, 25]。
晶體中的輻射損失主要由兩個(gè)原因引起。一是晶格振動(dòng)（聲子吸收）引起的吸收，二是自由電荷載流子引起的吸收。鉆石的結構，其中包括鍺和硅的晶體，被認為是最適合THz晶體的晶格。自由電荷載流子的濃度通常可以通過(guò)帶隙值 Е g 來(lái)評估。然而，應注意不同材料中載流子的吸收截面可能會(huì )有顯著(zhù)差異。盡管如此，清楚的是為什么具有 Е g = 5.5 eV 的鉆石是最好的THz晶體[25]。但由于鉆石，即使是多晶鉆石，仍然比其他THz晶體顯著(zhù)昂貴，因此它們僅在強大的光源中使用。
表1，一些晶體的主要物理性質(zhì)
n0=1.535@1um
ne=1.544@1um
由于折射率較大，菲涅爾反射導致的顯著(zhù)損失是THz范圍晶體光學(xué)應用中的一個(gè)問(wèn)題。由于波長(cháng)較大，傳統的光學(xué)防反射涂層方法在THz區域無(wú)效。Tydex公司提供了對聚對苯二甲酸酯涂層的應用[23]。
晶體
鍺
硅
碳化硅
晶體石英
藍寶石
金剛石
折射率@10.6um
4.0
3.4
3.12
1.75 @1.06um
2.38
密度（g/cm^3）
5.33
2.33
3.21
2.65
3.97
3.51
硬度（莫氏硬度）
6.0
7.0
9.5
7.0
9.0
10
熔點(diǎn)（℃）
936
1412
2830
1470
2040
700*
楊氏模量（GPa）
138
189
392
97.2 (|| to Z axis)
335
883
導熱性能(300 K, W m^–1 K^–1 )
59
152
490
10.7 (|| to Z axis)
27.21
2000
比熱容 (J cm^–3 K^–1 )
1.652
4.79
2.1
2.68
1.66
1.561
線(xiàn)性膨脹系數 (10^–6 K ^–1 )
5.75
2.33
4.5
8.0
5.6 (|| to C axis)
1.0
將聚對苯二甲酸酯應用于平面表面的技術(shù)在微電子領(lǐng)域已經(jīng)廣為人知。通過(guò)改進(jìn)，實(shí)現了對平面和球面光學(xué)表面的高質(zhì)量防反射涂層應用。但在用于亞毫米天文學(xué)應用的精密硅透鏡中，損耗高達6%，被證明是太大了[26]。
在文獻[26]中，還分析了在硅表面獲得THz范圍的抗反射涂層的其他方法。詳細討論了通過(guò)機械處理在表面上創(chuàng )建衍射圖案和通過(guò)深度反應離子刻蝕創(chuàng )建薄薄的硅蝕刻層以便與透鏡粘接的方法。結果表明，衍射方法制備抗反射層更加高效，可以在0.787至0.908 THz范圍內實(shí)現每個(gè)界面的反射損耗小于1%。在具有高度規則性和周期小于輻射波長(cháng)的光學(xué)表面上創(chuàng )建周期性凹凸結構所引起的物理效應在專(zhuān)著(zhù)[27, 28]中得到了詳細描述。這種方法還可以用于創(chuàng )建平面透鏡。
鉆石、鍺和硅是各向同性晶體，因此它們的透射率不依賴(lài)于晶體的取向。碳化硅、晶體石英和藍寶石是各向異性晶體，在使用時(shí)需要考慮這一點(diǎn)。鍺和硅都可以很好地加工，這使得可以用它們制造高精度的光學(xué)元件。然而，由于硅在自然界中更加豐富并且價(jià)格更低廉，因此只有在鍺在某些方面明顯優(yōu)于硅的情況下才會(huì )使用鍺制成的器件。
硅是用于中紅外范圍（3-5微米）的各種系統的材料，并且用于8-14微米的大氣窗口，因為硅在這個(gè)區域顯示出明顯的聲子吸收。由于其高折射率和良好的物理化學(xué)性質(zhì)，鍺和尤其是硅被廣泛用于制造具有99.5%甚至更高反射系數的高質(zhì)量干涉鏡基片，以及不同紅外光譜范圍的窄帶干涉濾光片。由鍺和硅制成的物品在操作中非常方便，不與大氣濕度相互作用，無(wú)毒，耐用，并具有良好的熱物理性質(zhì)。表1列出了用于THz范圍的晶體的主要物理性質(zhì)。
1.1，浮區法生長(cháng)的高電阻硅（HRFZ-Si）
在THz光學(xué)中，最常用的材料是通過(guò)浮區生長(cháng)技術(shù)制備的高阻硅材料，因為這是最研究透射THz輻射的材料。硅是最先進(jìn)的技術(shù)材料之一，可以基于它設計各種光學(xué)元件，用于快速發(fā)展的THz電子學(xué)。與其他光學(xué)材料相比，硅的晶體生長(cháng)和加工成本較低，并且具有更大的尺寸范圍，可以增加所制造的光學(xué)元件的多樣性。
高阻硅是主要的各向同性晶體材料，適用于極寬波長(cháng)范圍的使用，從近紅外（1.2 μm）到毫米波（1000 mm）甚至更長(cháng)的波長(cháng)范圍（圖1和圖2）。實(shí)際上，這種材料可以在更廣泛的波長(cháng)范圍內使用。
高阻硅在THz范圍內顯示出相對較低的損耗。從圖3中可以看出，通過(guò)空氣傳輸和通過(guò)高阻硅傳輸的THz信號的形狀是相同的。這表明硅中不存在顯著(zhù)的吸收。主要的傳輸損耗主要是由菲涅爾反射引起的。高阻硅在0.25-2 THz的太赫茲范圍內的吸收系數小于0.5 cm –1。
采用浮區生長(cháng)法制備的高電阻硅，在50至1000微米（甚至更長(cháng)，高達8000微米）波長(cháng)范圍內提供50-54%的透射率，常用于遠紅外和太赫茲區域。通常，這種類(lèi)型的硅電阻率約為10 k? cm [2, 3, 29, 30]；文獻 [31, 32] 中報道了電阻率高達50 k? cm的硅材料制備方法。在文獻 [30, 32] 中，報告了通過(guò)金補償的硅材料中記錄到的極低損耗；因此，最佳樣品在毫米波范圍內的損耗記錄在tanδ≈ 3 × 10 –6的水平。
硅的復介電常數取決于其電導率，即自由載流子的濃度。圖4給出了硅的介電常數與雜質(zhì)濃度（f = 1 THz）的關(guān)系。如果自由載流子濃度較低，則介電常數為實(shí)數值，并且等效于高頻介電常數。
圖1：高阻抗硅在THz范圍內的透射和反射（厚度為1毫米）[29]。
圖2：硅在16-1000微米范圍內的透射；樣品厚度為5毫米[29]。
圖3：通過(guò)空氣和高阻硅傳輸的THz信號[23]。
圖4：不同自由載流子濃度下，硅的介電常數的實(shí)部（ε 1 ，實(shí)線(xiàn)）和虛部（ε 2 ，虛線(xiàn)）在1 THz頻率下的變化[23]。
隨著(zhù)自由載流子濃度的增加，介電常數的實(shí)部變?yōu)樨撝担⑶移涮摬坎辉倏珊雎浴Ｒ虼耍柙赥Hz范圍內的損耗增加。可以使用以下公式計算介電損耗正切：tanδ = 1/（ωε?R），其中ω是角頻率，ε?是真空的介電常數（8.85 × 10^-12 F/m），ε?是硅的介電常數（11.67），R是電阻率。例如，在頻率為1 THz時(shí)，電阻率為10 k? cm的高電阻硅的介電損耗正切為1.54 × 10^-5。
1.2 鍺（Ge）
鍺在紅外技術(shù)中被用于制造各種光學(xué)儀器和設備，如保護窗、透鏡、聲光器件（地面、海上和空中光學(xué)儀器以及航天器設備）。在光學(xué)領(lǐng)域，鍺的主要消費者是在波長(cháng)范圍為8-14μm的熱成像相機制造商，這些相機被用于被動(dòng)熱成像系統、紅外制導系統、夜視設備和防火系統。鍺還用于制造高性能光伏電池（太陽(yáng)能電池板）以及電離輻射探測器和紅外傳感器。通常使用單晶鍺，但如果吸收損耗不重要且光學(xué)不涉及成像，也可以使用成本更低的多晶材料。
圖5：(1) 未摻雜的鍺晶體和(2-4)摻雜銻的鍺晶體的光透過(guò)性；電阻率數值如下：(2) 46，(3) 20，(4) 5歐姆·厘米[39]。
圖6：(彩色在線(xiàn)) 6H-SiC多型晶體的tanδ值隨頻率的變化[41]。
使用鍺制造在THz范圍內工作的聲光器件的主動(dòng)組件是有意義的[37]。鍺還可以用于在紅外+THz范圍內工作的多光譜熱成像設備[33]和由CO2激光器泵浦的THz激光器。
與具有5-10?cm電導率的n型晶體中觀(guān)察到的最小吸收率約為0.02 cm-1（對于λ=10.6μm）的紅外范圍不同，在THz區域中觀(guān)察到的最小損耗出現在純凈的鍺晶體中。隨著(zhù)波長(cháng)的增加，由于自由載流子的吸收，損耗增加（圖5）[35、37-39]。在160-220μm范圍內，鍺的衰減系數約為0.5 cm-1，與硅相當[39]。根據使用自由電子激光器進(jìn)行的測量，鍺在140μm波長(cháng)下的衰減系數在0.75-1.04 cm-1范圍內[37, 38]。
1.3，碳化硅（SiC）
碳化硅是一種相對較新的THz材料，但由于高質(zhì)量單晶樣品的不易獲取，其使用受到了阻礙。它是一種高禁帶寬半導體，有200多種多晶結構，但只有其中三種具有最大禁帶寬度，在THz技術(shù)應用中有實(shí)際的未來(lái)。最有趣的材料是3H-SiC和6H-SiC，其禁帶寬度分別為2.36和3.03 eV [40-42]。
碳化硅在THz區域的主要應用領(lǐng)域是在功率級別為50-500 kW的能量輸入/輸出窗口的制造方面 [40-42]。盡管碳化硅在某些方面略遜于金剛石，但金剛石的價(jià)格要顯著(zhù)高于碳化硅。
在[40-42]中，研究了6H-SiC多晶硅碳化物在6 GHz至380 GHz頻率范圍內（圖6）以及20°C至550°C溫度范圍內的介電損耗。在低頻（f < 10 GHz）下，介電損耗正比于1/f。在f > 50 GHz時(shí)，損耗隨頻率增加而增加。在低溫范圍（T = 20–250°C）內，損耗正比于溫度的增加（圖7）。在T > 300°C時(shí)，損耗呈指數增長(cháng)。
圖7： tanδ值在20°C至350°C溫度范圍內隨溫度的變化[41]。
圖8： 1 mm厚度的晶體石英樣品的透射[44]。
1.4，晶體石英
晶體石英在可見(jiàn)光和近紅外光譜區的光透明度范圍相當廣，由波長(cháng)范圍0.15至4 μm確定。材料的良好透射性，從100 μm開(kāi)始，使得它也可以在THz范圍內使用。
人工合成的晶體石英是通過(guò)水熱合成方法在預先準備和特殊定向的成核板（種子）上在高壓釜中生長(cháng)的[43, 44]。生長(cháng)周期持續幾個(gè)月，嚴格保持并全天候控制約400°C的溫度和高達1000 bar的壓力。種子的定向確定了生長(cháng)晶體的晶體學(xué)軸的位置。
晶體石英是具有三角晶體結構的各向異性單軸晶體。晶體結構是一種框架型結構，由硅氧四面體螺旋排列（右手或左手螺旋）相對于晶體的主軸。根據這一點(diǎn)，可以區分出石英晶體的右手和左手結構形態(tài)。缺乏平面和中心對稱(chēng)性決定了晶體石英所表現出的壓電和熱電性質(zhì)。該材料顯示出明顯的雙折射和高度均勻的折射率。圖8顯示了1 mm厚度的石英晶體在THz范圍內的透射情況。
晶體石英由于以下特性廣泛應用于射頻工程、電子學(xué)、光電子學(xué)和儀器工程中，用于制造激光、偏振和光譜光學(xué)的高精度光學(xué)元件：
(i) 高度的光學(xué)均勻性和內部晶體學(xué)完整性；
(ii) 相對較高的硬度，使材料本身具有良好的加工性和工作表面的耐磨性；
(iii) 對環(huán)境影響具有高化學(xué)穩定性；
(iv) 在水和其他溶劑中不溶解；
(v) 較低的熱膨脹系數；
(vi) 良好的介電特性，包括在廣泛的頻率和溫度范圍以及強電場(chǎng)下的特性；
(vii) 寬范圍的光透射性； (viii) 抵抗高功率激光輻射（包括紫外輻射）的影響。
需要特別指出的是，上述特性以及在紫外光范圍內的高光透射性，使得晶體石英成為創(chuàng )建用于紫外光范圍內運行的各種儀器、設備和復雜系統的光學(xué)元件的獨特材料。
這種石英制成的窗口具有重要的特性，例如：在可見(jiàn)波長(cháng)范圍內的透明性，可以通過(guò)使用氦-氖激光器方便地對光學(xué)系統進(jìn)行校準；它們不會(huì )改變光束的線(xiàn)偏振狀態(tài)；并且可以冷卻到液態(tài)氦的λ點(diǎn)以下。
由于石英晶體具有較大的色散性，在可見(jiàn)光和THz范圍內，用石英晶體制造的透鏡將具有不同的焦距。在調整帶有這種透鏡的光學(xué)系統時(shí)，應該考慮到這一點(diǎn)。
由于石英晶體是一個(gè)具有雙折射性質(zhì)的材料，當輻射的偏振是一個(gè)重要因素時(shí)，這個(gè)事實(shí)應該被考慮到。X切割的材料被用于制造用于處理T波的λ/2和λ/4波片。
1.5，藍寶石（Sapphire/Al2O3）
圖9.不同厚度和晶體學(xué)取向的藍寶石樣品的透射率[46]。
藍寶石（剛玉）在光學(xué)、電子、光電子和激光技術(shù)中得到廣泛應用[45, 46]。它是一種各向異性的單軸晶體。藍寶石是最堅固和耐用的合成材料之一，具有化學(xué)惰性和低摩擦系數。剛玉的耐磨性比鋼高8倍。藍寶石是一種介電體和熱穩定材料，可在1600°C的高溫下使用，并具有優(yōu)異的光學(xué)特性，尤其是在紫外、可見(jiàn)和紅外波段（0.17-5.5 μm）的光學(xué)透明性。藍寶石在THz波段中也具有透明性（圖9）。可以看出，藍寶石的光傳輸不依賴(lài)于晶體取向，在規定的測量精度范圍內。對于厚度在1到5毫米之間的樣品，傳輸在600μm以下強烈依賴(lài)于樣品的厚度。對于較薄的樣品，傳輸在較短波長(cháng)處趨于飽和。藍寶石的上述特性使其在惡劣條件下，如高溫和/或高壓、酸性或堿性環(huán)境中的化學(xué)抗性要求，以及高機械負荷下不可或缺。即使在如此惡劣的條件下，藍寶石也不會(huì )喪失其光學(xué)特性。類(lèi)似于高阻硅，藍寶石也用于制造在THz波段中工作的光電導天線(xiàn)。
1.6, 多晶金剛石（Diamond）
鉆石是一種自古以來(lái)就已知的晶體[24, 25]，但在技術(shù)應用中的使用相對較近。盡管早在很久以前就有嘗試將鉆石用于各種技術(shù)設備中，但天然鉆石因價(jià)格昂貴、尺寸較小并且在自然條件下生長(cháng)過(guò)程中存在參數差異而不太實(shí)用。鉆石的獨特性質(zhì)是由其晶體結構決定的，由于最小可能的原子間距，鉆石具有極高的晶格能。
碳原子的穩定晶體結構是六角形結構，這種結構被稱(chēng)為石墨。在自然界中，碳晶體向立方鉆石結構的結晶發(fā)生在非常高的溫度（≥2000°C）和壓力（≥15 GPa）下。在20世紀中葉，創(chuàng )造了一種用于制備合成鉆石單晶的工業(yè)技術(shù)，模擬了自然條件。這些晶體在不同工程領(lǐng)域中找到了許多應用，以至于“最發(fā)達國家的經(jīng)濟潛力在很大程度上與其中的鉆石使用相關(guān)聯(lián)。”不幸的是，這項技術(shù)非常復雜，獲得超過(guò)8克拉（約1.6克）的晶體在成本上不劃算。
1956年，Spitsyn和Deryagin提出了一種基本上新的、技術(shù)上和生態(tài)上可行的鉆石合成技術(shù)，即在低于1大氣壓的條件下進(jìn)行等離子體化學(xué)氣相沉積。這個(gè)過(guò)程通常被稱(chēng)為化學(xué)氣相沉積技術(shù)（CVD技術(shù)）。原材料，即甲烷和氫氣，易于獲取。目前已經(jīng)成功制備出直徑高達300毫米的多晶鉆石片。多晶鉆石的基本技術(shù)特性與天然鉆石相當，并且與后者不同，它們具有可復制性。后來(lái)證明，這種方法甚至可以制備出相對較大的高品質(zhì)單晶鉆石。
鉆石是一種用于功率光學(xué)和電子學(xué)的結構材料，具有令人驚嘆的物理化學(xué)特性。它在紫外到毫米波段（除了2-6μm的聲子吸收區域）具有透明性（見(jiàn)圖10），并具有獨特的熱導率，比銅高出5倍，并且具有與不變鋼相當的低熱膨脹系數。這些特性使得鉆石能夠承受比其他材料更大的輻射照射（在λ = 1.07μm時(shí)為5-10 MW/cm2）[24, 49, 50]。在相對低功率源中，通常使用聚合物材料，但它們無(wú)法用于高功率發(fā)射器。即PD是用于強電子真空和氣體放電輻射源的輸入/輸出窗口的唯一材料。例如，新西伯利亞的自由電子激光器使用直徑為40毫米的PD窗口，平均功率為400W[20]。
圖10.1毫米厚PD板（多晶金剛石）的透射光譜[25]
陀螺電子管廣泛用作毫米波段的高功率電磁輻射發(fā)射器[25, 50]。設備工作區域和大氣之間的輸出窗口是其設計的一個(gè)重要組成部分，在陀螺電子管的開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要對在該范圍內透明的光學(xué)材料進(jìn)行深入研究。據發(fā)現[25, 50]，鉆石在該區域內的損耗最小。損耗正切值（在頻率為ν = 170 GHz時(shí)）為tanδ = 10 –5，相應的吸收系數約為10 –3 cm –1，比理論值低三到四個(gè)數量級[51]。鉆石具有創(chuàng )紀錄的熱導率，約為2000 W/m·K，使得能夠在兆瓦級輻射照射下對窗口進(jìn)行冷卻[25, 50]。在平均功率約為1兆瓦（λ≈3毫米）的陀螺電子管中，使用直徑為100毫米、厚度為1.2毫米的PD窗口。
1.7，銫碘化物（CsI）和溴碘化鉈（KRS-5）
圖11.在4.1 K和300 K溫度下的鹵化物的光透射[2]。
在紅外光譜學(xué)中，常常使用在2.5-50微米范圍內工作的儀器。其中，CsI和KRS-5等介電晶體被用于這些儀器中，因為只有這些晶體在30-50微米范圍內透明。工業(yè)上生產(chǎn)TlBr-TlI（KRS-5）固溶體和CsI晶體的大尺寸單晶。由于其高可塑性和低硬度，這些晶體在使用過(guò)程中非常復雜。
CsI晶體具有低硬度、高吸濕性和較差的熱物理性能。它們相當可塑。工業(yè)上生產(chǎn)CsI晶體用于遠紅外光學(xué)和高能粒子閃爍探測器的生產(chǎn)。
KRS-5在其物理化學(xué)性質(zhì)上主要與CsI相同，但由于具有稍好的機械和氣候特性，更常用于光學(xué)領(lǐng)域。由于相對較高的光致彈性常數，KRS-5晶體被用于聲光元件的制造。然而，由于其毒性高、可塑性強以及機械和熱物理性能差，它們的使用受到限制。
這些晶體在THz區域是透明的（見(jiàn)圖11）。它們的優(yōu)點(diǎn)是較低的折射率（對于λ=10.6 μm，CsI的折射率為n=1.74，KRS-5的折射率為n=2.35），因此具有較高的光傳輸能力。然而，由于其機械特性較差，需要使用較厚的部件。
2， 高分子聚合物
在眾多的聚合物中，有一些在THz波段表現出極好的透明性。聚合物的低折射率（n ≈ 1.4-1.5）是它們的一大優(yōu)勢，使其與晶體相比具有較少的反射損耗。聚甲基戊烯（TPX）、聚乙烯（PE）和聚四氟乙烯（PTFE或特氟龍）在這方面是最好的材料。
主要的聚合物的物理性質(zhì)見(jiàn)表2。
圖表2. 聚合物的主要性質(zhì)[23, 52]
材料
TPX
Polyethylene 聚乙烯
Teflon
密度 (g/cm 3)
0.83–1.08
0.91–0.925
2.2
折射率
1.46
1.54
1.43
熔點(diǎn)(℃)
235–240
/
327
熱穩定性(℃)
–60–180
up to 110
–73–204
彈性模量@23℃（Mpa）
690–1700
118–350
480–628
拉伸屈服強度@23℃（Mpa）
14-15
8-13
14-30
圖12.TPX窗口在THz范圍內的透射圖譜（厚度為2毫米）[23]。
圖13. TPX的折射率隨溫度變化的圖譜[23]。
在較大的波長(cháng)范圍內，這些聚合物的光傳輸對波長(cháng)的依賴(lài)性較弱，并且不存在吸收帶。在較短的波長(cháng)范圍內，通常觀(guān)察到與聚合物自身振動(dòng)相關(guān)的吸收帶，大部分在200 μm以下，并且不同種類(lèi)的非均質(zhì)性引起的散射增加。在較短波長(cháng)范圍內，聚合物的輻射傳輸通常會(huì )減少，盡管TPX是個(gè)例外。
2.1, TPX（ 聚甲基戊烯）
聚甲基戊烯TPX（Polymethylpentene）是一種半結晶聚合物，具有非常好的電絕緣性能。聚甲基戊烯（更準確地說(shuō)是聚-4-甲基戊烯-1）是一種結晶材料，具有高透明度，光傳輸率可達94％，而混濁度僅為0.7％。與最接近的“親戚”聚丙烯相比，聚甲基戊烯在添加成核劑時(shí)即使具有更大的結晶顆粒尺寸時(shí)仍保持透明。這是因為其非晶相和晶相的密度和折射率非常接近。聚甲基戊烯是一種非常輕質(zhì)的材料；在所有塑料中，TPX的密度最低。它具有極低的吸水率和尺寸穩定性。它對醇類(lèi)和大多數有機和無(wú)機溶劑具有良好的耐性，具有耐水性，可以進(jìn)行滅菌。TPX具有良好的韌性、硬度和抗沖擊強度。它抗開(kāi)裂，易于機械加工和拋光。在需要優(yōu)異的透明度和良好的機械性能的情況下，最常推薦使用TPX。它主要用于機械工程、醫療技術(shù)、儀器工程（包括精密儀器工程）、電氣工程和食品工業(yè)。在汽車(chē)工業(yè)、家用電器制造、微波技術(shù)和光學(xué)技術(shù)方面廣泛應用。TPX表現出良好的熱穩定性、抗蠕變性和對伽馬射線(xiàn)和X射線(xiàn)的良好抵抗能力。TPX具有優(yōu)異的耐熱性和對大多數有機和無(wú)機商業(yè)化學(xué)品的抵抗能力。
TPX的光學(xué)性質(zhì)見(jiàn)圖12至圖14。
TPX在紫外、可見(jiàn)和紅外范圍內是透明的，這使得可以使用紅激光束來(lái)對齊光學(xué)系統。即使對于毫米波，該材料的光學(xué)損耗也非常低。聚合物的折射率幾乎不依賴(lài)于波長(cháng)。
圖14.TPX、picarin和HDPE（高密度聚乙烯）樣品的透射率[23]。
圖15.（THz范圍內2毫米厚度HDPE窗口的透射率[23]。
圖16. HDPE的折射率隨溫度變化的關(guān)系[23]。
2.2, PE（聚乙烯）
聚乙烯被用于制作薄膜和各種薄膜制品，如熱塑性薄膜和包裝材料。食品包裝用聚乙烯具有出色的介電特性。它的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)穩定性，除了脂肪和油類(lèi)無(wú)法溶解聚乙烯。外觀(guān)上，聚乙烯幾乎完全透明且具有較低的塑性，是優(yōu)秀的電絕緣材料，耐冷凍、耐輻射、防潮和氣密。聚乙烯制成的制品被廣泛應用于電力工程、化工和食品行業(yè)、汽車(chē)工業(yè)、建筑等領(lǐng)域。聚乙烯的折射率在大范圍波長(cháng)內變化較小。聚乙烯的光學(xué)特性見(jiàn)圖15和圖16。通常使用高密度聚乙烯(HDPE)制作光學(xué)元件。用于THz極化器的HDPE薄膜。HDPE還用于制造Golay電池的窗戶(hù)。
可惜的是，高密度聚乙烯(HDPE)在可見(jiàn)光范圍內的透射率非常低，因此需要使用紅外輻射來(lái)調節光學(xué)系統。
值得注意的是，高密度聚乙烯(HDPE)在THz范圍內的透射率不受溫度的影響，這使得該材料可以用于低溫罐。高密度聚乙烯(HDPE)的折射率溫度系數為6.2 × 10^–4 K^–1（適用于8–120 K的溫度范圍）。
2.3，PTFE(Teflon)
聚四氟乙烯是一種白色、堅硬和重質(zhì)的塑料。聚四氟乙烯（Teflon）的光學(xué)性質(zhì)見(jiàn)圖17。在薄層中，聚四氟乙烯呈現出類(lèi)似石蠟或聚乙烯的外觀(guān)，并具有高耐熱性和耐寒性，是一種優(yōu)秀的絕緣材料。Teflon具有非常低的表面張力和粘附性，不受水、脂肪和大多數有機溶劑的潤濕。
聚四氟乙烯是一種電絕緣體，具有出色的抗摩擦性能和相對耐熱的聚合物，因此可以在摩擦部件中無(wú)需額外潤滑而使用。Teflon還用于制造墊片和墊圈，并且連接的零部件不會(huì )被卡住。使用Teflon制造的零件只有在表面經(jīng)過(guò)特殊處理后才能粘合，但即使在這種情況下，粘附質(zhì)量也不是很高。
Fig. 17. PTFE薄膜在THz范圍內的透射率（厚度約為0.1毫米）[23]。
結論
選定的有機材料，即TPX、PE和PTFE，在大約200微米至1000-2000微米的范圍內表現出大約80-90%的均勻穩定的透射率。實(shí)際上，它們在更高的波長(cháng)范圍內也具有出色的透射性能。然而，與晶體相比，聚合物材料的光學(xué)耐性通常較低。 晶體材料，如硅、鍺、石英和藍寶石，在THz范圍內的透射率較低，因為存在反射損失。對于1-2毫米厚的樣品，其透射率如下：鍺在80-300微米范圍內為35-40%；鉆石為70-71%；硅從50微米起為50-54%；石英從約120微米起超過(guò)70%；藍寶石從約350微米起超過(guò)50%。此外，這些材料的吸收系數（除了鉆石）在α≈0.5 cm-1水平。鉆石的吸收系數為α≈10-3 cm-1，比理論極限高出三到四個(gè)數量級。 上述材料在激光技術(shù)方面具有約0.5 cm-1或更高的顯著(zhù)吸收，這限制了它們在高功率激光系統中的使用。在低功率系統中，它們可以以薄板或薄膜的形式使用。然而，在這種情況下必須考慮干涉效應，因為光學(xué)元件的厚度可能與波長(cháng)相當。 根據輸出輻射能量（小于1毫焦耳或大于1毫焦耳），所有儀器實(shí)際上可以分為兩組。對于第一組輻射源，不僅可以使用晶體，還可以使用聚合物。對于更高功率的輻射源，建議使用晶體材料。
應用具有高折射率的晶體材料時(shí)，會(huì )出現嚴重的菲涅爾反射問(wèn)題。在傳統光學(xué)中通常采用的干涉涂層減少反射的方法在THz范圍內幾乎不適用，因為需要具有λ/4倍數厚度的涂層才能實(shí)施抗反射涂層，而這在技術(shù)上只能通過(guò)沉積尚未廣泛使用的有機薄膜材料來(lái)實(shí)現。然而，通過(guò)創(chuàng )建具有高度規則性和周期小于輻射波長(cháng)的周期性表面結構，可以在THz區域應用抗反射涂層。在這種情況下，較長(cháng)的波長(cháng)顯著(zhù)減少了技術(shù)制備上的問(wèn)題。
最近出現了一種相對較新的光學(xué)材料，多晶金剛石。這種材料具有良好的光學(xué)性能，在THz范圍內的高功率光源中不可替代[24, 25, 50]。目前已知在THz范圍內使用金剛石窗口的兩種類(lèi)型的高功率輻射源。在該范圍的短波段部分，是自由電子激光器，以平均功率為400 W，在波長(cháng)為120-240 μm的范圍內發(fā)射頻脈沖輻射；在THz范圍的長(cháng)波段部分，是回旋加速器[20, 50]。這兩種截然不同的設備有一個(gè)共同點(diǎn)：它們通過(guò)金剛石窗口發(fā)出輻射。功率金剛石光學(xué)元件可用于通過(guò)分離具有差頻的波來(lái)工作的非線(xiàn)性光學(xué)設備。碳化硅可推薦用于功率較小的光源。
*參考文獻參考原文
**原文鏈接：https://www.tydexoptics.com/files/optical_materials_for_thz_range.pdf
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