オプティカニクス株式会社

テラヘルツ　材料　TYDEX

TYDEX  

テラヘルツ（THz）放射は、電磁スペクトルのマイクロ波と中赤外域の間の0.1〜10THz（〜3mm〜30μm、3cm^-1〜300cm^-1）のスペクトル領域に位置する。

可視光や赤外線に比べて、テラヘルツ波は皮膚やプラスチック、布、紙製品などの有機物に浸透する。また、光子エネルギーが低いため、電離放射線（X線など）のような障害を引き起こすこともありません。また、テラヘルツ波は金属には浸透しません。これらの特性は、THzイメージングだけでなく、プロセス（例：医薬品製造）や品質管理にも利用することができます。また、安全管理、包装検査、半導体の特性評価、化学組成分析、生物医学調査などの用途にも現在大きな関心が寄せられており、分光法、防衛用画像処理、セキュリティ用途にも大きな期待が寄せられています。

従来、THzアプリケーションには、この領域で動作するために最も研究されている物質であり、良好な透過性能を持つ高抵抗フロートゾーンシリコン（HRFZ-Si）を使用してきました。この材料と並行して、THz領域で利用可能な他の材料も研究しています。

下の写真は、私たちがTHz光学部品の製造に使用している材料の透過スペクトルとその他の特性です。THz領域の測定は、ABB FTIR分光器Bomem DA3とBruker IFS 125HRで行われました（不正確な測定値は100μm以下で2-3%、100μm以上で4-5%）。近赤外領域の測定は，パーキンエルマー社の「Lambda- 9」で行った（精度は0.5%未満）。

1. 結晶

THzオプティクスの製造には、シリコン、水晶、サファイヤなどの結晶が重要です。

1.1 高抵抗フロートゾーンシリコン(HRFZ-Si)

人工ダイヤモンドに加えて、高抵抗シリコンは、近赤外（1.2 µm）から遠赤外（1000 µm）までの非常に広い範囲の波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して、シリコンは成長や加工が安価です。さらに、ダイヤモンドに比べて寸法がかなり大きいため、急速に発展しているTHzエレクトロニクスの要素をベースに製造することができます。THzアプリケーションのために、私たちは高抵抗フロートゾーンシリコン（HRFZ-Si）を提供しており、1000μm（さらに長い波長では3000μm、8000μmまで）に対して50～54％の透過率を維持しています。

図1. 厚さ5.0mmのHRFZ-SiサンプルのTHz領域における透過・反射特性。

HRFZ-SiはTHz領域での損失が少ない。Fig.2からわかるように、HRFZ-SiのTHz波形は空気のTHz波形と似ています。これは、HRFZ-Siの吸収がないことを示しています。

図2. 空気とHRFZ-Siを透過したTHz信号(*)。

シリコンの複素比誘電率は、その導電率（＝フリーキャリア濃度）に依存する。図3は、不純物濃度を変えたときの1THzにおけるシリコンの誘電率を示している。不純物濃度が低い場合、比誘電率はほぼ実測値となり、高周波の比誘電率とほぼ等しくなります。不純物の濃度が高くなると、誘電率の実数部は負の値になり、虚数部は無視できなくなります。
誘電率は複雑な性質を持っており、シリコンはTHz波によって失われてしまいます。損失正接は、tanδ=1/(ω*εv*ε0*R)で計算できます。ここで、ωは円周周波数、εvは真空の誘電率(8.85*10^-12F/m)、ε0はシリコンの誘電率(11.67)、Rは比抵抗です。例えば、抵抗率10kOhm*cmのHRFZ-Siの1THzにおける損失正接は1.54*10^-5です。

図3. 不純物濃度を変えたn型シリコンの1THzにおける誘電率の実数部（実線、ε1）と虚数部（破線、ε2）(**)。不純物の濃度、cm ^-3。

シリコンの一般的な特性や、近赤外・近赤外領域の透過スペクトルについては、「シリコン」の章を参照してください。

1.2 水晶振動子

50μm 以上の波長に最適な材料として、Z カットの水晶があります。z カット水晶の窓は、HeNe レーザで調整しやすいように可視域が透明であること、光の偏光状態が 変化しないこと、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. 厚さ1.0mmの水晶振動子の透過率と反射率。

かなり大きな分散（下の表を参照）のために、水晶で作られたレンズは、可視域と遠赤外域で異なる焦点距離を持つことになります。このようなレンズを光学系のアライメントに使用する場合には、この点を考慮する必要があります。

水晶は複屈折材料であり、放射線の偏光が重要な場合には注意が必要です。当社では、THzの波長で使用するλ/2およびλ/4波長板を製造するためにx-cut材を使用しています。

水晶振動子の一般的な特性や紫外・可視域の透過スペクトルについては、「合成水晶振動子」の章を参照してください。

薄い溶融シリカも長波長の光を透過します。500～700μm以上では結晶材料と同じ透過率となる。ミリ波帯のアプリケーションでは、コスト削減のために薄いフューズドシリカ部品を使用することができます。

 

図5. 水晶、IR-FS、UV-FSの厚さを変えた窓の透過率。 

1.3 サファイア 
サファイアは、水晶と同様に、可視光領域だけでなくテラヘルツ領域も透過する。様々な結晶方位と厚さのサンプルを測定しました。下のスペクトルからわかるように、透過率は、精度の範囲内で結晶方位に依存しません。厚さ1～5mmのサンプルでは、600µm以下の透過率はサンプルの厚さに強く依存しています。透過率は、サンプルが薄いほど短波長で飽和に近づく。


図6. 厚みの異なるサファイア試料の透過率と反射率。

サファイアは、HRFZ-Siliconと同様に、THzにおける屈折率の値が似ているため、THz用の光導電性アンテナの製造に使用することができます。

サファイアの一般的な特性や、紫外・可視領域の透過スペクトルについては、「サファイア」の章を参照してください。

2. ポリマー

多種多様なポリマーの中には、比較的低い反射率で優れたテラヘルツ透過性を持つものがあります。この意味で最も優れた材料は、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）、ポリテトラフルオロエチレン（PTFEまたはTeflon）です。これらのポリマーは、長波長では無構造でフラットな透過率を示します。主に200μm以下の短波長になると、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。一般的にポリマーは、波長が短くなると次第に不透明になります。

2.1 ポリメチルペンテン(TPX)  

ポリメチルペンテン（TPX）は、既知のポリマーの中で最も軽い。紫外、可視、テラヘルツの各領域で光学的に透明であり、例えば、HeNeレーザービームを用いたアライメントが可能である。屈折率は約1.46で、波長には比較的依存しない。

損失はmm波長まで非常に小さい。TPXは、優れた耐熱性を持ち、ほとんどの有機および無機の市販化学物質に対して高い耐性を持っています。

図7.  TPX 2mm厚サンプルの透過率。THz領域。

図8. 厚さ2mmのTPXサンプルの透過率。NIR&MIR領域。

図9. TPX 2mm厚サンプルの透過率。UV&VIS&NIRレンジ。

 TPXの代表的な特性

TPXは硬い固体材料であり、機械的に成形してレンズや窓などの様々な光学部品を作ることができる。TPXはテラヘルツ帯全域で透明であり、10μm程度の励起光を完全に抑制することができるため、CO_²レーザー励起の分子レーザーの出力窓として使用されている。また、TPXウィンドウはクライオスタットの「コールド」ウィンドウとしても使用されている。TPXのテラヘルツ透過性は、温度に依存して変化しない。屈折率の温度係数は3.0*10^-4 K-1 (8-120 Kの範囲)です。

図10. 屈折率の温度依存性(***)
 

TPXは、他のTHz領域で使用されている材料と比較して、優れた光学特性を示し、例えば、Picarin（Tsurupica）レンズの良い代替品となり得る。また、TPXはPicarinに比べて安価で入手しやすいという特徴もあります。


図11. 2mm厚のTPX，Picarin，HDPEサンプルの透過率。
 
TPXウィンドウは真空用途に適している。超高真空環境（10^-9 - 10^-11 mm Hg）で使用するために、シクロオレフィンポリマーのZEONEXが提供されている。この材料は、優れた機械的特性、良好な化学的安定性、真空中での非常に低いアウトガスを特徴としています。

主な特徴は以下の通りである。

TPXと同様，屈折率分散がないため，ZEONEXのテラヘルツ光学系はHeNeレーザーを用いて調整することができる。

なお、ZEONEXはTPXよりも可視領域の透過率が優れています。

図12. 厚さ2mmのZEONEXとTPXの窓の透過率

2.2 ポリエチレン(PE)

PEは、軽い弾性のある結晶化材料です。グレードに応じて、110℃までの加熱と-45÷-120℃までの冷却が可能です。誘電特性、耐薬品性、耐放射線性に優れています。逆に、紫外線、油脂、オイルには不安定です。PEは生物学的に不活性であり、加工も容易です。密度（23℃）は0.91～0.925g/cm3。引張流動限界（23℃）は8～13MPa。弾性率（23℃）は118～350MPa。屈折率は約1.54で、広波長域ではほぼ等しくなっています。部品の製造には通常、高密度ポリエチレン（HDPE）が使用される。かなり厚いレンズや窓のほか、THz偏光板には薄いHDPEフィルムが使われています。また、ゴレイセルの窓にもHDPEが使われています。

図14. 厚さ3mmのHDPEサンプルの透過率。NIR&MIR領域。

 図15. 厚さ3mmのHDPEサンプルの透過率。VIS&NIR領域。

残念ながら、HDPEの可視領域の透過率は非常に低いため、光学系の調整には使えない。
HDPEのTHz透過率は温度に依存しないので、クライオスタットにHDPEの窓を使うことができる。屈折率の温度係数は6.2*10-4 K-1 (8-120 Kの範囲で)である。

図16. 屈折率の温度依存性(***)
 

2.3 ポリテトラフルオロエチレン(PTFE、テフロン、ロシア語ではFtoroplast)

室温では白色の固体で、密度は約2.2g/cm3です。融点は327℃ですが、その特性は-73℃から204℃の広い温度範囲で有用なレベルを維持しています。屈折率は、広波長域で約1.43です。

Fig. 17. Transmission of PTFE film ~0.1 mm-thick. THz region.  

2.3 ポリテトラフルオロエチレン（PTFE、テフロン、ロシア語ではFtoroplast)

PTFEは室温では白色の固体であり、密度は約2.2g/cm³である。融点は327℃ですが、その特性は-73℃から204℃の広い温度範囲で有用なレベルを維持しています。屈折率は、広波長域で約1.43です。

 図18. 厚さ0.1 mmのPTFEフィルムの透過率。NIR&MIR領域。

1〜7µmの範囲で透過率が高いことから、PTFEフィルムは赤外偏光板の製造に使用されています。このような偏光板は、結晶系の偏光板に比べて初期コストが低いのが特徴です。このことは、偏光線を利用したIRセンサーへの大量採用に有利です。
PTFEの代表的な特性

まとめ

ご覧の通り、TPX、ZEONEX、PE、PTFEなどの有機材料は、200μmから1000μmまで、約80-90%の安定した透過率を示しています。もちろん、それ以上の波長の透過率も優れています。

シリコン、石英、サファイアなどの結晶材料は、反射損失のためにTHz領域の透過率が低くなります。シリコンは50μmから50～54％、石英は約120μmから70％以上、サファイアは約350μmから50％以上です（サンプル厚1～2mmの場合）。

また、ポリマーや結晶材料のブランクや原材料としての供給は行っておりませんのでご注意ください。当社の標準製品は完成品です。Tydex社のTHzデバイスおよびコンポーネントの詳細については、以下の章をご覧ください。

 

- Golay Cells
- Hardware-software Complex for Operating Golay Cell
- THz Scanning Fabry-Perot Interferometer
- THz Impulse Radiation Electro-Optical Detector
- RF Thermoacoustic Detector ТАD-1
- THz Low Pass Filters
- THz Band Pass Filters
- THz Polarizers
- THz Atteniators 
- THz Windows
- THz Lenses
- THz Prisms
- THz Mirrors
- THz Waveplates
- THz Broad-band Phase Transformers
- THz Spectral Splitters
- THz Beam Splitters
- THz Diffractive Optical Elements
- THz AR Coatings

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(*) data are given by X.- C. Zhang and Jian Chen from Rensselaer Polytechnic Institute, USA. 
(**) X.- C. Zhang, J. Xu, Introduction to THz Wave Photonics, Springer Science+Business Media, LLC 2010 (p. 73). 
(***) data are given by J. Steven Dodge and Graham Lea from Simon Fraser University, Canada.