eng
Выпуск #5/2025
Г. И. Кропотов, Д. А. Попов, Д. И. Цыпишка, А. А. Шахмин
Оптика для терагерцевых применений
Оптика для терагерцевых применений
Просмотры: 1651
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2025.19.5.364.376
В статье рассматриваются особенности изготовления оптических элементов для применения в приборах и устройствах терагерцевого диапазона, описываются свойства и характеристики оптических материалов для их производства, приводятся примеры применения. Особое внимание уделено элементам, использующимся исключительно в терагерцевых системах и устройствах.
В статье рассматриваются особенности изготовления оптических элементов для применения в приборах и устройствах терагерцевого диапазона, описываются свойства и характеристики оптических материалов для их производства, приводятся примеры применения. Особое внимание уделено элементам, использующимся исключительно в терагерцевых системах и устройствах.
Теги: fresnel’s lenses f-theta lenses f-theta линзы optical elements for the terahertz range terahertz (thz) radiation линзы френеля оптические элементы для терагерцевого диапазона терагерцевое излучение
Оптика для терагерцевых применений
Г. И. Кропотов, Д. А. Попов, Д. И. Цыпишка, А. А. Шахмин
ООО «ТИДЕКС», Санкт-Петербург, Россия
В статье рассматриваются особенности изготовления оптических элементов для применения в приборах и устройствах терагерцевого диапазона, описываются свойства и характеристики оптических материалов для их производства, приводятся примеры применения. Особое внимание уделено элементам, использующимся исключительно в терагерцевых системах и устройствах.
Ключевые слова: терагерцевое излучение, оптические элементы для терагерцевого диапазона, линзы Френеля, f-theta линзы
Статья поступила: 26.06.2025
Статья принята: 21.07.2025
Введение
Терагерцевым (ТГц) излучением называется электромагнитное излучение в интервале частот от 0,1 до 10 ТГц (длина волны 3 мм – 30 мкм). Оно хорошо проникает сквозь многие диэлектрические материалы, такие как пластмасса, ткань, бумага, картон, кожа, керамика, поглощается атмосферой Земли (в основном молекулами воды) и отражается от поверхности металлов. Излучение этого диапазона легко фокусируется, подобно инфракрасному (ИК) излучению. При этом оно не является ионизирующим, как рентгеновское. Эти свойства используются при производстве лекарств и контроле качества продовольственной продукции. Также представляет большой интерес использование ТГц-излучения в таких приложениях, как контроль безопасности, проверка упаковок, характеризация полупроводниковых материалов, анализ химического состава, биохимические исследования и область телекоммуникации.
Изготовление приборов, работающих в ТГц-диапазоне, связано с разработкой пассивных оптических элементов, изготавливаемых из материалов, хорошо пропускающих ТГц-излучение. Эти материалы должны обладать низкой дисперсией ТГц-волн, высокой термической стойкостью, механической прочностью и химической инертностью. Отражающие и пропускающие свойства оптических компонентов могут быть контролируемо изменены, усилены или подавлены за счет подбора подходящих материалов, а также нанесения на них специальных оптических покрытий.
Выбор материалов для изготовления ТГц-оптики
Традиционно для изготовления пассивных компонентов ТГц-фотоники используется высокоомный кремний (HRFZ-Si), выращенный методом зонной плавки [1] и имеющий удельное сопротивление в n-типе от 10 кОм × см, либо в р-типе от 25 кОм × см и выше. HRFZ-Si является изотропным кристаллическим материалом, прозрачным в широком диапазоне длин волн, начиная от ближнего ИК, и имеющим неизменное пропускание на уровне 50–54% от 40 микрометров до микроволн (рис. 1). Это позволяет создавать на его базе разнообразные оптические элементы для ТГц-оптоэлектроники.
Кроме Si, важную роль для ТГц-применений играют такие кристаллы, как кристаллический кварц, сапфир, германий, а также алмаз.
Кристаллический кварц является двулучепреломляющим материалом, что следует учитывать, если важна поляризация излучения. Для работы в ТГц-диапазоне при производстве λ / 2 и λ / 4 волновых пластин используется материал в геометрии «х-срез», когда поверхность пластины перпендикулярна оси х кристалла.
Наряду с кристаллическим кварцем для изготовления оптических элементов приборов, работающих в ТГц-диапазоне, иногда, когда поляризация излучения не важна, целесообразно использовать плавленый кварц. Его стоимость меньше, а обработка не требует ориентации кристалла и оптических элементов по кристаллографическим осям. Спектры пропускания кристаллического и плавленого кварца представлены на рис. 2.
Сапфир, подобно кристаллическому и плавленому кварцу, прозрачен в ТГц-области так же, как и в видимой (рис. 3). Подобно HRFZ-Si, из сапфира, имеющего близкий к кремнию показатель преломления, изготавливаются гипо-гипер- и полусферические линзы для ТГц-детекторов и генераторов на базе фотопроводящих антенн.
Германий в ТГц-диапазоне используется для изготовления активных элементов акустооптических устройств [2]. Также он применяется в многоспектральных тепловизионных приборах ИК + ТГц диапазонов [3].
Для изготовления окон входа-выхода в мощных источниках ТГц-излучения используется поликристаллический алмаз, который прозрачен от ультрафиолета до миллиметрового диапазона. Поликристаллический алмаз обладает высокой теплопроводностью и низким коэффициентом термического расширения, что позволяет ему выдерживать большие лучевые нагрузки [4].
Перспективным материалом для изготовления оптики в длинноволновой области ТГц-диапазона является арсенид галлия (GaAs). Об этом можно судить, сравнивая его спектр пропускания со спектрами HRFZ-Si и Ge (рис. 5).
Другую группу материалов ТГц-фотоники представляют полимеры. Некоторые из них имеют отличную прозрачность в ТГц-диапазоне при относительно низком отражении. Практическое использование находят полиметилпентен (TPX), Picarin (Tsurupica), циклоолефиновый полимер (Zeonex), циклический олефиновый сополимер (COC или TOPAS), полиэтилен (HDPE), высокомолекулярный полиэтилен (UHMWPE), политетрафлюроэтилен (PTFE, фторопласт или тефлон), и полипропилен (PP) [5]. При больших длинах волн пропускание этих полимеров бесструктурное и плоское. При коротких длинах волн, как правило, меньше 200 микрометров, появляются характерные полосы поглощения (рис. 6), связанные с собственными колебаниями, а также увеличивается рассеяние на неоднородностях материала. Полимеры обычно становятся менее прозрачными при уменьшении длины волны.
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 ТГц-оптических систем. Его показатель преломления ~1,46, и он практически не зависит от длины волны в длинноволновом диапазоне. ТРХ – 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 качестве выходного окна в газовых молекулярных лазерах, оптически накачиваемых CO2‑лазером, вследствие его прозрачности во всем ТГц-диапазоне и абсолютного подавления излучения накачки в окрестностях λ = 10 микрометров. Также окна из ТРХ применяются в криостатах в качестве «холодных» окон. Пропускание ТРХ в ТГц-диапазоне не зависит от температуры. Температурный коэффициент показателя преломления −3,0 · 10−4 К−1 (для диапазона температур 8–120 К).
Полиэтилен – это легкий и эластичный кристаллизованный материал. Термостойкость некоторых марок полиэтилена достигает 110 °C, допуская охлаждение до –45 ÷ –120 °C в зависимости от марки. Полиэтилен имеет хорошие диэлектрические характеристики, химическую и радиационную стойкость. Показатель преломления ~1,54 и слабо меняется в широком диапазоне длин волн. Обычно для производства оптических компонентов используется полиэтилен высокой плотности (HDPE) или сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности (UHMWPE). Тонкие пленки HDPE используются в ТГц-поляризаторах. Также HDPE применяется при изготовлении окон для оптоакустических приемников. Следует отметить, что пропускание HDPE в ТГц-диапазоне не зависит от температуры, что позволяет использовать его в криостатах. Его температурный коэффициент показателя преломления −6,2 · 10−4 К−1 для диапазона температур 8–120 К. UHMWPE имеет хорошее сочетание жесткости и механической демпфирующей способности, хорошо поддается механической обработке. По совокупности свойств UHMWPE легче полируется, чем HDPE, что важно при изготовлении оптических элементов.
Политетрафлюроэтилен (PTFE) – это твердый и тяжелый пластик белого цвета с плотностью около 2,2 г/см3. Его температура плавления составляет 327 °C, при этом он сохраняет свои свойства в широком диапазоне температур от –73 °C до 204 °C. Показатель преломления n ≈ 1,43 в широком диапазоне длин волн.
ZEONEX обладает отличными механическими свойствами, хорошей химической стойкостью и очень низкой дегазацией в условиях вакуума до 10−12 мм. рт. ст. Лучшие по сравнению с ТРХ механические свойства ZEONEX делают возможным использование этого пластика для изготовления ТГц-призм.
COC привлекателен из-за высокой рабочей температуры, отличного пропускания, низкого двулучепреломления и низкого влагопоглощения. Важным достоинством СОС является возможность изготовления из него разнообразных терагерцевых компонентов методом 3D-печати.
Для изготовления различных пассивных элементов ТГц-диапазона в некоторых случаях удобнее использовать полипропилен. Полипропилен получают полимеризацией пропилена в присутствии металлокомплексных катализаторов. Он более устойчив к воздействию агрессивных сред по сравнению с полиэтиленом HDPE и лучше обрабатывается механически.
Эффективное преобразование световых пучков ТГц-диапазона требует использования просветляющих оптических покрытий по аналогии с тем, как подобные покрытия используются в других (видимой и ИК) областях излучения. Однако в ТГЦ-области требуется применение специальных, прозрачных в этом диапазоне длин волн, покрытий из полимерных материалов. К таким относится поли-пара-ксилиленовые (ППК) (париленовые) покрытия.
ППК покрытия характеризуются высокой однородностью и высокими защитными свойствами, инертностью к большинству органических растворителей и растворам кислот, щелочей и солей. Формирование покрытия не требуют высоких температур, что исключает перегрев деталей. В покрытии отсутствуют внутренние напряжения.
Используя показатель преломления ППК n = 1,63, расчетным путем для просветления в нужном диапазоне длин волн можно определить толщину просветляющего покрытия. На рис. 7 показан участок спектра пропускания пластины из кристаллического кварца с двухсторонним просветляющим покрытием из ППК толщиной 60 мкм. Диапазон длин волн просветления 200–600 мкм. Просветляющие покрытия из ППК можно наносить и на подложки из HRFZ-Si.
ТГц-окна, линзы и зеркала
В различных ТГц-приборах и устройствах широко применяются окна из HRFZ-Si, кристаллического кварца (z-срез) и сапфира, а также из пластиков. Окна могут быть как плоскопараллельные, так и клиновидные.
Окна, изготовленные из кристаллического кварца, обладают следующими важными свойствами:
Для ТГц-применений компания «ТИДЕКС» изготавливает линзы классической формы из HRFZ-Si и ТРХ [6]. Особую категорию представляют собой полусферические линзы различной формы: гиперполусферы, полусферы, гипополусферы и линзы – «пули» (рис. 8). Гиперполусфера – это небольшая оптическая поверхность, выполненная в форме полусферы, но с граничным изгибом, превышающим 180°. Гиперполусферы и полусферы используются в ТГц-оптических системах, основанных на эффекте твердотельной иммерсии [7]. Гипополусфера – это усеченная форма полусферической линзы. Она используется в различных ТГц-оптических системах и в ТГц-микроскопии [8]. Линза – «пуля» представляет собой полусферу, совмещенную с цилиндром, где радиус сферической поверхности равен R, диаметр цилиндра 2R, а общая толщина L. Такие линзы применяются при изготовлении интегрированных линзовых антенн, в том числе для ТГц- и СВЧ-диапазонов. Полусферы и гиперполусферы из HRFZ-Si широко применяются для изготовления приемных устройств матричного типа в системах ТГц-сканирования и визуализации [9,10].
Si аксиконы. Коническая линза или аксикон (рис. 9) используется для преобразования гауссова пучка в пучок Бесселя. Аксикон фокусирует излучение в линию, состоящую из множества точек вдоль оптической оси. Полученная линия образует кольцо постоянной ширины с увеличивающимся диаметром при увеличении расстояния до элемента (рис. 10). Изготавливаются аксиконы из HRFZ-Si.
ТГц-линзы Френеля. Управление излучением необходимо во многих ТГц-применениях. Чаще всего оно осуществляется с помощью параболических зеркал и рефракционной оптики. Однако дифракционная оптика предоставляет новые, принципиально другие возможности, поскольку позволяет осуществлять пространственное преобразование луча. Для удовлетворения потребностей в дифракционной оптике в ТГц-частотном диапазоне были разработаны метод расчета и технология изготовления ТГц-линз Френеля посредством 3D-печати [9].
Линзы Френеля имеют многоуровневый рельеф, максимально приближенный к идеальной форме фазовой функции дифракционного фокусатора в пятно. Монохроматическая и широкополосная линзы Френеля отличаются толщиной профиля микрорельефа. ТГц-монохроматические линзы Френеля (киноформы 1‑го порядка) работают на расчетной частоте, частотах, кратных расчетной частоте, и в широком диапазоне высоких частот. ТГц-широкополосные линзы Френеля (киноформы высокого порядка) имеют широкий рабочий диапазон частот, который «сдвинут» ближе к расчетной частоте. Таким образом, ТГц-монохроматические линзы Френеля следует использовать в том случае, если требуется эффективное управление пучком ТГц-непрерывного излучения. ТГц-широкополосные линзы Френеля можно использовать для управления ТГц-импульсным излучением. В качестве материала изготовления для обоих видов ТГц-линз Френеля используется термопласт из циклоолефинового сополимера COC. Основными преимуществами линз Френеля над рефракционными линзами является практически полное отсутствие сферических аберраций, меньшая толщина и меньший вес при работе с пучками большого диаметра и, как следствие, лучшая лучевая стойкость за счет меньшего поглощения излучения внутри тела линзы.
ТГц-монохроматические линзы Френеля фокусируют ТГц-излучение лучше, чем рефракционные линзы. Сравнение интенсивности излучения, сфокусированного дифракционной линзой Френеля с интенсивностью излучения, сфокусированного рефракционной линзой из TPX, представлено на рис. 12.
ТГц-широкополосные линзы Френеля фокусируют ТГц-излучение не хуже, чем рефракционные линзы. На рис. 13 представлено сравнение спектра интенсивности излучения, сфокусированного дифракционной линзой Френеля (расчетная рабочая частота 1 ТГц, фокусное расстояние 90 мм, диаметр линзы 93 мм), со спектром интенсивности излучения, сфокусированного рефракционной линзой из TPX.
Для фокусировки излучения в системах ТГц-визуализации и сканирования вместо сферических линз можно использовать f-theta линзы [6] (рис. 14), способные обеспечить плоскую фокусирующую поверхность и почти постоянный размер пятна по всему полю сканирования. Такие линзы разработаны для обеспечения линейного смещения луча как линейной функции угла отклонения, что приводит к постоянной скорости сканирования на плоской поверхности. Они изготавливаются методом 3D-печати из СОС. F-theta линзы также обеспечивают постоянную фазу широкополосного ТГц-излучения в плоскости сканирования и высокое разрешение изображения. Изображения, формируемые объективами f-theta, обладают бочкообразным искажением, а положение пятна на плоскости изображения прямо пропорционально углу сканирования. Эта особенность устраняет необходимость сложной электронной коррекции и позволяет собирать быструю, относительно недорогую и компактную систему сканирования. F-theta линзы также обеспечивают постоянную фазу широкополосного ТГц-излучения в плоскости сканирования и высокое разрешение изображения.
На рис. 15 показана зависимость поперечной координаты максимума ТГц-излучения в фокусе f-theta линзы от угла отклонения (угла падения ТГц-излучения на f-theta линзу). Как видно из рисунка, в диапазоне углов от –25 до +25 градусов данная зависимость линейна, что позволяет проводить сканирование плоской поверхности с постоянной скоростью.
Для применений, где необходимо полностью отразить ТГц-излучение, компания «ТИДЕКС» предлагает использовать ТГц-зеркала [6]. Эти зеркала изготавливаются из плавленого кварца, покрытого золотом с защитой из пленок диоксида иттрия (I2O3) и диоксида кремния (SiO2). Спектр отражения такого зеркала представлен на рис. 16.
ТГц-спектроделители и лучеделители
Для применений, где необходимо отразить ближнее инфракрасное (БИК) или среднее инфракрасное (СИК) излучение и сохранить при этом хорошее пропускание в ТГц-диапазоне, «ТИДЕКС» предлагает ТГц-спектроделители [6].
БИК-ТГц-спектроделитель используется для отделения ТГц-излучения от накачки титан-сапфирового лазера, а СИК-ТГц-спектроделитель – от накачки СО2‑лазера. Для изготовления БИК-ТГц-спектроделителей используются подложки из высокоомного Si или кристаллического кварца с нанесением высокоотражающего диэлектрического покрытия (R > 90%) в диапазоне 730–860 нм. При изготовлении СИК-ТГц-спектроделителей на подложки из тех же материалов наносятся высокоотражающие покрытия в диапазоне 9–11 мкм.
Спектры пропускания и отражения спектроделителей приведены на рисунках 17 и 18.
Лучеделители – это оптические элементы, предназначенные для разделения луча света на две или более части. Они применяются в различных оптических схемах, а также в интерферометрах. Компания «ТИДЕКС» изготавливает ТГц-лучеделители двух типов [12]:
однопроходные лучеделители (они используются в оптических схемах, где излучение проходит через делитель один раз);
многопроходные лучеделители для интерферометров (такой делитель предназначен для многократного прохождения луча). В отличие от однопроходного, многопроходный лучеделитель имеет очень высокую плоскопараллельность поверхностей.
Материал для ТГц-лучеделителей – это высокоомный Si. Спектры пропускания и отражения приведены на рис. 1.
Заключение
Расширение применения ТГц-излучения делает актуальными задачи разработки и изготовления эффективных оптических элементов для ТГц-диапазона. Новым в этой области является разработка и изготовление оптических элементов для управления характеристиками пучков ТГц-излучения в системах ТГц-визуализации и сканирования. Примерами таких решений служат линзы Френеля и f-theta линзы.
Для изготовления ТГц-оптики используются различные материалы как известные по изготовлению классической оптики, так и новые, ранее не находившие применения с этой целью. Приведенные в статье спектры и другие характеристики кристаллов и пластиков позволяют выбрать необходимые материалы для изготовления оптических компонентов для применения в исследовательских ТГц-системах, а также в различных ТГц-приборах.
REFERENCES
Rogalin V. E., Kaplunov I. A., Kropotov G. I. Optical Materials for the THz Range. Opt. Spectrosc. 2018; 125 (6): 1053–1064. DOI: 10.1134/S0030400X18120172.
Рогалин В. Е., Каплунов И. А., Кропотов Г. И. Оптические материалы для ТГц-диапазона. Оптика и спектроскопия. 2018; 125 (6): 851–863. DOI: 10.21883/OS.2018.12.46951.190‑18.
Voloshinov V. B., Nikitin P. A., Gerasimov V. V., Knyazev B. A., Choporova Yu. Yu. Deflection of a monochromatic THz beam by acousto-optic methods. Quantum Electron. 2013;43 (12): 1139–1142. DOI: https://doi.org/10.1070/QE2013v043n12ABEH015195.
Волошинов В. Б., Никитин П. А., Герасимов В. В., Князев Б. А., Чопорова Ю. Ю. Отклонение пучка монохроматического терагерцевого излучения методами акустооптики. Квант. электрон. 2013; 43 (12): 1139–1142. DOI: 10.1070/QE2013v043n12ABEH015195.
Korotaev V. V., Melnikov G. S., Mikheev S. V., Samkov V. M., Soldatov Yu. I. Fundamentals of thermal imaging. – SPb: ITMO. 2012; – 123 pp (In Russ).
Коротаев В. В., Мельников Г. С., Михеев С. В., Самков В. М., Солдатов Ю. И. Основы тепловидения. – СПб: ИТМО. 2012; – 123 с.
Nusinovich G. S. Introduction to the Physics of Gyrotrons. – The Johns Hopkins University Press. 2004; 354 pp. DOI: https://doi.org/10.1353/book.62236.
URL: https://www.tydexoptics.com/ru/products/thz_optics/thz_materials/.
URL: https://www.tydexoptics.com/ru/products/thz_optics/.
Zaytsev K. I., Gavdush A. A., Karasik V. E., Yurchenko S. O., Lebedev S. P.
The method for studying the spectral optical characteristics of a homogeneous medium using terahertz pulsed spectroscopy. Opt. Spectroscop. 2015; 118 (4): 582–593. DOI: 10.7868/S0030403415040236.
Зайцев К. И., Гавдуш А. А., Лебедев С. П., Карасик В. Е., Юрченко С. О. Метод исследования спектральных оптических характеристик однородной среды с помощью терагерцевой импульсной спектроскопии. Оптика и спектроскопия. 2015; 118 (4): 582–593. DOI: 10.7868/S0030403415040236.
Chernomyrdin N. V., Shchadko A. O., Lebedev S. P., Spektor I. E., Tolstoguzov V. L. et al. Wide-Aperture Aspheric Optics for Formation of Subwavelength Caustics of a Terahertz Electromagnetic-Radiation Beam. Opt.& Spectroscop. 2018; 124 (3): 420–428. DOI: 10.1134/S0030400X18030086.
Черномырдин Н. В., Щадько А. О., Лебедев С. П., Спектор И. Е., Толстогузов В. Л., Кучерявенко А. С., Малахов К. М., Командин Г. А., Горелик В. С., Зайцев К. И. Широкоапертурная асферическая оптика для формирования субволновой каустики пучка терагерцевого электромагнитного излучения. Оптика и Спектроскопия. 2018; 124 (3): 420–428. DOI: 10.21883/OS.2018.03.45664.250‑17.
Pisano G., Austermann J., Beall J., Halverson N., Hubmayr J., Jaehnig G., McKenney C.M., Raymond B., Suzuki A. Development of Flat SiliconBased Mesh Lens Arrays for Millimeter and Submillimeter Wave Astronomy. Journal of Low Temperature Physics. 2020; 199: 923–934. DOI:10.1007/s10909‑019‑02327‑y.
Zatta R.; Jain R.; Grzyb J.; Pfeiffer U. R. et al. Resolution Limits of Hyper-Hemispherical Silicon Lens-Integrated THz Cameras Employing Geometrical Multiframe Super-Resolution Imaging. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. 2021; 11(3): 277–286. DOI: 10.1109/TTHZ.2021.3063839.
АВТОРЫ
Кропотов Григорий Иванович, к. ф.‑ м. н., ст.. науч. сотр., Генеральный директор ООО «ТИДЕКС», e-mail: grigorykropotov@tydex.ru; Санкт-Петербург, Россия.
ORСID: 0000-0001-9041-6701
Попов Дмитрий Александрович, к. ф.‑ м. н., науч. сотр. ООО «ТИДЕКС», e-mail: dmitriypopov@tydex.ru; Санкт-Петербург, Россия.
ORСID: 0009-0007-2427-2341
Цыпишка Дмитрий Иванович, к. ф.‑ м. н., доцент, зам. ген. директора по производству приборов ООО «ТИДЕКС», e-mail: dmitrytsypishka@tydex.ru; Санкт-Петербург, Россия.
ORСID: 0000-0003-1914-5245
Шахмин Алексей Александрович, к. ф.‑ м. н., ведущий инженер-исследователь ООО «ТИДЕКС», e-mail: AlexeyShakhmin@tydex.ru; Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0009-0003-9566-2823
ВКЛАД АВТОРОВ
Статья подготовлена на основе работы всех членов авторского коллектива.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Все авторы приняли участие в написании рукописи и согласны с полным ее текстом.
Г. И. Кропотов, Д. А. Попов, Д. И. Цыпишка, А. А. Шахмин
ООО «ТИДЕКС», Санкт-Петербург, Россия
В статье рассматриваются особенности изготовления оптических элементов для применения в приборах и устройствах терагерцевого диапазона, описываются свойства и характеристики оптических материалов для их производства, приводятся примеры применения. Особое внимание уделено элементам, использующимся исключительно в терагерцевых системах и устройствах.
Ключевые слова: терагерцевое излучение, оптические элементы для терагерцевого диапазона, линзы Френеля, f-theta линзы
Статья поступила: 26.06.2025
Статья принята: 21.07.2025
Введение
Терагерцевым (ТГц) излучением называется электромагнитное излучение в интервале частот от 0,1 до 10 ТГц (длина волны 3 мм – 30 мкм). Оно хорошо проникает сквозь многие диэлектрические материалы, такие как пластмасса, ткань, бумага, картон, кожа, керамика, поглощается атмосферой Земли (в основном молекулами воды) и отражается от поверхности металлов. Излучение этого диапазона легко фокусируется, подобно инфракрасному (ИК) излучению. При этом оно не является ионизирующим, как рентгеновское. Эти свойства используются при производстве лекарств и контроле качества продовольственной продукции. Также представляет большой интерес использование ТГц-излучения в таких приложениях, как контроль безопасности, проверка упаковок, характеризация полупроводниковых материалов, анализ химического состава, биохимические исследования и область телекоммуникации.
Изготовление приборов, работающих в ТГц-диапазоне, связано с разработкой пассивных оптических элементов, изготавливаемых из материалов, хорошо пропускающих ТГц-излучение. Эти материалы должны обладать низкой дисперсией ТГц-волн, высокой термической стойкостью, механической прочностью и химической инертностью. Отражающие и пропускающие свойства оптических компонентов могут быть контролируемо изменены, усилены или подавлены за счет подбора подходящих материалов, а также нанесения на них специальных оптических покрытий.
Выбор материалов для изготовления ТГц-оптики
Традиционно для изготовления пассивных компонентов ТГц-фотоники используется высокоомный кремний (HRFZ-Si), выращенный методом зонной плавки [1] и имеющий удельное сопротивление в n-типе от 10 кОм × см, либо в р-типе от 25 кОм × см и выше. HRFZ-Si является изотропным кристаллическим материалом, прозрачным в широком диапазоне длин волн, начиная от ближнего ИК, и имеющим неизменное пропускание на уровне 50–54% от 40 микрометров до микроволн (рис. 1). Это позволяет создавать на его базе разнообразные оптические элементы для ТГц-оптоэлектроники.
Кроме Si, важную роль для ТГц-применений играют такие кристаллы, как кристаллический кварц, сапфир, германий, а также алмаз.
Кристаллический кварц является двулучепреломляющим материалом, что следует учитывать, если важна поляризация излучения. Для работы в ТГц-диапазоне при производстве λ / 2 и λ / 4 волновых пластин используется материал в геометрии «х-срез», когда поверхность пластины перпендикулярна оси х кристалла.
Наряду с кристаллическим кварцем для изготовления оптических элементов приборов, работающих в ТГц-диапазоне, иногда, когда поляризация излучения не важна, целесообразно использовать плавленый кварц. Его стоимость меньше, а обработка не требует ориентации кристалла и оптических элементов по кристаллографическим осям. Спектры пропускания кристаллического и плавленого кварца представлены на рис. 2.
Сапфир, подобно кристаллическому и плавленому кварцу, прозрачен в ТГц-области так же, как и в видимой (рис. 3). Подобно HRFZ-Si, из сапфира, имеющего близкий к кремнию показатель преломления, изготавливаются гипо-гипер- и полусферические линзы для ТГц-детекторов и генераторов на базе фотопроводящих антенн.
Германий в ТГц-диапазоне используется для изготовления активных элементов акустооптических устройств [2]. Также он применяется в многоспектральных тепловизионных приборах ИК + ТГц диапазонов [3].
Для изготовления окон входа-выхода в мощных источниках ТГц-излучения используется поликристаллический алмаз, который прозрачен от ультрафиолета до миллиметрового диапазона. Поликристаллический алмаз обладает высокой теплопроводностью и низким коэффициентом термического расширения, что позволяет ему выдерживать большие лучевые нагрузки [4].
Перспективным материалом для изготовления оптики в длинноволновой области ТГц-диапазона является арсенид галлия (GaAs). Об этом можно судить, сравнивая его спектр пропускания со спектрами HRFZ-Si и Ge (рис. 5).
Другую группу материалов ТГц-фотоники представляют полимеры. Некоторые из них имеют отличную прозрачность в ТГц-диапазоне при относительно низком отражении. Практическое использование находят полиметилпентен (TPX), Picarin (Tsurupica), циклоолефиновый полимер (Zeonex), циклический олефиновый сополимер (COC или TOPAS), полиэтилен (HDPE), высокомолекулярный полиэтилен (UHMWPE), политетрафлюроэтилен (PTFE, фторопласт или тефлон), и полипропилен (PP) [5]. При больших длинах волн пропускание этих полимеров бесструктурное и плоское. При коротких длинах волн, как правило, меньше 200 микрометров, появляются характерные полосы поглощения (рис. 6), связанные с собственными колебаниями, а также увеличивается рассеяние на неоднородностях материала. Полимеры обычно становятся менее прозрачными при уменьшении длины волны.
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 ТГц-оптических систем. Его показатель преломления ~1,46, и он практически не зависит от длины волны в длинноволновом диапазоне. ТРХ – 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 качестве выходного окна в газовых молекулярных лазерах, оптически накачиваемых CO2‑лазером, вследствие его прозрачности во всем ТГц-диапазоне и абсолютного подавления излучения накачки в окрестностях λ = 10 микрометров. Также окна из ТРХ применяются в криостатах в качестве «холодных» окон. Пропускание ТРХ в ТГц-диапазоне не зависит от температуры. Температурный коэффициент показателя преломления −3,0 · 10−4 К−1 (для диапазона температур 8–120 К).
Полиэтилен – это легкий и эластичный кристаллизованный материал. Термостойкость некоторых марок полиэтилена достигает 110 °C, допуская охлаждение до –45 ÷ –120 °C в зависимости от марки. Полиэтилен имеет хорошие диэлектрические характеристики, химическую и радиационную стойкость. Показатель преломления ~1,54 и слабо меняется в широком диапазоне длин волн. Обычно для производства оптических компонентов используется полиэтилен высокой плотности (HDPE) или сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности (UHMWPE). Тонкие пленки HDPE используются в ТГц-поляризаторах. Также HDPE применяется при изготовлении окон для оптоакустических приемников. Следует отметить, что пропускание HDPE в ТГц-диапазоне не зависит от температуры, что позволяет использовать его в криостатах. Его температурный коэффициент показателя преломления −6,2 · 10−4 К−1 для диапазона температур 8–120 К. UHMWPE имеет хорошее сочетание жесткости и механической демпфирующей способности, хорошо поддается механической обработке. По совокупности свойств UHMWPE легче полируется, чем HDPE, что важно при изготовлении оптических элементов.
Политетрафлюроэтилен (PTFE) – это твердый и тяжелый пластик белого цвета с плотностью около 2,2 г/см3. Его температура плавления составляет 327 °C, при этом он сохраняет свои свойства в широком диапазоне температур от –73 °C до 204 °C. Показатель преломления n ≈ 1,43 в широком диапазоне длин волн.
ZEONEX обладает отличными механическими свойствами, хорошей химической стойкостью и очень низкой дегазацией в условиях вакуума до 10−12 мм. рт. ст. Лучшие по сравнению с ТРХ механические свойства ZEONEX делают возможным использование этого пластика для изготовления ТГц-призм.
COC привлекателен из-за высокой рабочей температуры, отличного пропускания, низкого двулучепреломления и низкого влагопоглощения. Важным достоинством СОС является возможность изготовления из него разнообразных терагерцевых компонентов методом 3D-печати.
Для изготовления различных пассивных элементов ТГц-диапазона в некоторых случаях удобнее использовать полипропилен. Полипропилен получают полимеризацией пропилена в присутствии металлокомплексных катализаторов. Он более устойчив к воздействию агрессивных сред по сравнению с полиэтиленом HDPE и лучше обрабатывается механически.
Эффективное преобразование световых пучков ТГц-диапазона требует использования просветляющих оптических покрытий по аналогии с тем, как подобные покрытия используются в других (видимой и ИК) областях излучения. Однако в ТГЦ-области требуется применение специальных, прозрачных в этом диапазоне длин волн, покрытий из полимерных материалов. К таким относится поли-пара-ксилиленовые (ППК) (париленовые) покрытия.
ППК покрытия характеризуются высокой однородностью и высокими защитными свойствами, инертностью к большинству органических растворителей и растворам кислот, щелочей и солей. Формирование покрытия не требуют высоких температур, что исключает перегрев деталей. В покрытии отсутствуют внутренние напряжения.
Используя показатель преломления ППК n = 1,63, расчетным путем для просветления в нужном диапазоне длин волн можно определить толщину просветляющего покрытия. На рис. 7 показан участок спектра пропускания пластины из кристаллического кварца с двухсторонним просветляющим покрытием из ППК толщиной 60 мкм. Диапазон длин волн просветления 200–600 мкм. Просветляющие покрытия из ППК можно наносить и на подложки из HRFZ-Si.
ТГц-окна, линзы и зеркала
В различных ТГц-приборах и устройствах широко применяются окна из HRFZ-Si, кристаллического кварца (z-срез) и сапфира, а также из пластиков. Окна могут быть как плоскопараллельные, так и клиновидные.
Окна, изготовленные из кристаллического 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.
Для ТГц-применений компания «ТИДЕКС» изготавливает линзы классической формы из HRFZ-Si и ТРХ [6]. Особую категорию представляют собой полусферические линзы различной формы: гиперполусферы, полусферы, гипополусферы и линзы – «пули» (рис. 8). Гиперполусфера – это небольшая оптическая поверхность, выполненная в форме полусферы, но с граничным изгибом, превышающим 180°. Гиперполусферы и полусферы используются в ТГц-оптических системах, основанных на эффекте твердотельной иммерсии [7]. Гипополусфера – это усеченная форма полусферической линзы. Она используется в различных ТГц-оптических системах и в ТГц-микроскопии [8]. Линза – «пуля» представляет собой полусферу, совмещенную с цилиндром, где радиус сферической поверхности равен R, диаметр цилиндра 2R, а общая толщина L. Такие линзы применяются при изготовлении интегрированных линзовых антенн, в том числе для ТГц- и СВЧ-диапазонов. Полусферы и гиперполусферы из HRFZ-Si широко применяются для изготовления приемных устройств матричного типа в системах ТГц-сканирования и визуализации [9,10].
Si аксиконы. Коническая линза или аксикон (рис. 9) используется для преобразования гауссова пучка в пучок Бесселя. Аксикон фокусирует излучение в линию, состоящую из множества точек вдоль оптической оси. Полученная линия образует кольцо постоянной ширины с увеличивающимся диаметром при увеличении расстояния до элемента (рис. 10). Изготавливаются аксиконы из HRFZ-Si.
ТГц-линзы Френеля. Управление излучением необходимо во многих ТГц-применениях. Чаще всего оно осуществляется с помощью параболических зеркал и рефракционной оптики. Однако дифракционная оптика предоставляет новые, принципиально другие возможности, поскольку позволяет осуществлять пространственное преобразование луча. Для удовлетворения потребностей в дифракционной оптике в ТГц-частотном диапазоне были разработаны метод расчета и технология изготовления ТГц-линз Френеля посредством 3D-печати [9].
Линзы Френеля имеют многоуровневый рельеф, максимально приближенный к идеальной форме фазовой функции дифракционного фокусатора в пятно. Монохроматическая и широкополосная линзы Френеля отличаются толщиной профиля микрорельефа. ТГц-монохроматические линзы Френеля (киноформы 1‑го порядка) работают на расчетной частоте, частотах, кратных расчетной частоте, и в широком диапазоне высоких частот. ТГц-широкополосные линзы Френеля (киноформы высокого порядка) имеют широкий рабочий диапазон частот, который «сдвинут» ближе к расчетной частоте. Таким образом, ТГц-монохроматические линзы Френеля следует использовать в том случае, если требуется эффективное управление пучком ТГц-непрерывного излучения. ТГц-широкополосные линзы Френеля можно использовать для управления ТГц-импульсным излучением. В качестве материала изготовления для обоих видов ТГц-линз Френеля используется термопласт из циклоолефинового сополимера COC. Основными преимуществами линз Френеля над рефракционными линзами является практически полное отсутствие сферических аберраций, меньшая толщина и меньший вес при работе с пучками большого диаметра и, как следствие, лучшая лучевая стойкость за счет меньшего поглощения излучения внутри тела линзы.
ТГц-монохроматические линзы Френеля фокусируют ТГц-излучение лучше, чем рефракционные линзы. Сравнение интенсивности излучения, сфокусированного дифракционной линзой Френеля с интенсивностью излучения, сфокусированного рефракционной линзой из TPX, представлено на рис. 12.
ТГц-широкополосные линзы Френеля фокусируют ТГц-излучение не хуже, чем рефракционные линзы. На рис. 13 представлено сравнение спектра интенсивности излучения, сфокусированного дифракционной линзой Френеля (расчетная рабочая частота 1 ТГц, фокусное расстояние 90 мм, диаметр линзы 93 мм), со спектром интенсивности излучения, сфокусированного рефракционной линзой из TPX.
Для фокусировки излучения в системах ТГц-визуализации и сканирования вместо сферических линз можно использовать f-theta линзы [6] (рис. 14), способные обеспечить плоскую фокусирующую поверхность и почти постоянный размер пятна по всему полю сканирования. Такие линзы разработаны для обеспечения линейного смещения луча как линейной функции угла отклонения, что приводит к постоянной скорости сканирования на плоской поверхности. Они изготавливаются методом 3D-печати из СОС. F-theta линзы также обеспечивают постоянную фазу широкополосного ТГц-излучения в плоскости сканирования и высокое разрешение изображения. Изображения, формируемые объективами f-theta, обладают бочкообразным искажением, а положение пятна на плоскости изображения прямо пропорционально углу сканирования. Эта особенность устраняет необходимость сложной электронной коррекции и позволяет собирать быструю, относительно недорогую и компактную систему сканирования. F-theta линзы также обеспечивают постоянную фазу широкополосного ТГц-излучения в плоскости сканирования и высокое разрешение изображения.
На рис. 15 показана зависимость поперечной координаты максимума ТГц-излучения в фокусе f-theta линзы от угла отклонения (угла падения ТГц-излучения на f-theta линзу). Как видно из рисунка, в диапазоне углов от –25 до +25 градусов данная зависимость линейна, что позволяет проводить сканирование плоской поверхности с постоянной скоростью.
Для применений, где необходимо полностью отразить ТГц-излучение, компания «ТИДЕКС» предлагает использовать ТГц-зеркала [6]. Эти зеркала изготавливаются из плавленого кварца, покрытого золотом с защитой из пленок диоксида иттрия (I2O3) и диоксида кремния (SiO2). Спектр отражения такого зеркала представлен на рис. 16.
ТГц-спектроделители и лучеделители
Для применений, где необходимо отразить ближнее инфракрасное (БИК) или среднее инфракрасное (СИК) излучение и сохранить при этом хорошее пропускание в ТГц-диапазоне, «ТИДЕКС» предлагает ТГц-спектроделители [6].
БИК-ТГц-спектроделитель используется для отделения ТГц-излучения от накачки титан-сапфирового лазера, а СИК-ТГц-спектроделитель – от накачки СО2‑лазера. Для изготовления БИК-ТГц-спектроделителей используются подложки из высокоомного Si или кристаллического кварца с нанесением высокоотражающего диэлектрического покрытия (R > 90%) в диапазоне 730–860 нм. При изготовлении СИК-ТГц-спектроделителей на подложки из тех же материалов наносятся высокоотражающие покрытия в диапазоне 9–11 мкм.
Спектры пропускания и отражения спектроделителей приведены на рисунках 17 и 18.
Лучеделители – это оптические элементы, предназначенные для разделения луча света на две или более части. Они применяются в различных оптических схемах, а также в интерферометрах. Компания «ТИДЕКС» изготавливает ТГц-лучеделители двух типов [12]:
однопроходные лучеделители (они используются в оптических схемах, где излучение проходит через делитель один раз);
многопроходные лучеделители для интерферометров (такой делитель предназначен для многократного прохождения луча). В отличие от однопроходного, многопроходный лучеделитель имеет очень высокую плоскопараллельность поверхностей.
Материал для ТГц-лучеделителей – это высокоомный Si. Спектры пропускания и отражения приведены на рис. 1.
Заключение
Расширение применения ТГц-излучения делает актуальными задачи разработки и изготовления эффективных оптических элементов для ТГц-диапазона. Новым в этой области является разработка и изготовление оптических элементов для управления характеристиками пучков ТГц-излучения в системах ТГц-визуализации и сканирования. Примерами таких решений служат линзы Френеля и f-theta линзы.
Для изготовления ТГц-оптики используются различные материалы как известные по изготовлению классической оптики, так и новые, ранее не находившие применения с этой целью. Приведенные в статье спектры и другие характеристики кристаллов и пластиков позволяют выбрать необходимые материалы для изготовления оптических компонентов для применения в исследовательских ТГц-системах, а также в различных ТГц-приборах.
REFERENCES
Rogalin V. E., Kaplunov I. A., Kropotov G. I. Optical Materials for the THz Range. Opt. Spectrosc. 2018; 125 (6): 1053–1064. DOI: 10.1134/S0030400X18120172.
Рогалин В. Е., Каплунов И. А., Кропотов Г. И. Оптические материалы для ТГц-диапазона. Оптика и спектроскопия. 2018; 125 (6): 851–863. DOI: 10.21883/OS.2018.12.46951.190‑18.
Voloshinov V. B., Nikitin P. A., Gerasimov V. V., Knyazev B. A., Choporova Yu. Yu. Deflection of a monochromatic THz beam by acousto-optic methods. Quantum Electron. 2013;43 (12): 1139–1142. DOI: https://doi.org/10.1070/QE2013v043n12ABEH015195.
Волошинов В. Б., Никитин П. А., Герасимов В. В., Князев Б. А., Чопорова Ю. Ю. Отклонение пучка монохроматического терагерцевого излучения методами акустооптики. Квант. электрон. 2013; 43 (12): 1139–1142. DOI: 10.1070/QE2013v043n12ABEH015195.
Korotaev V. V., Melnikov G. S., Mikheev S. V., Samkov V. M., Soldatov Yu. I. Fundamentals of thermal imaging. – SPb: ITMO. 2012; – 123 pp (In Russ).
Коротаев В. В., Мельников Г. С., Михеев С. В., Самков В. М., Солдатов Ю. И. Основы тепловидения. – СПб: ИТМО. 2012; – 123 с.
Nusinovich G. S. Introduction to the Physics of Gyrotrons. – The Johns Hopkins University Press. 2004; 354 pp. DOI: https://doi.org/10.1353/book.62236.
URL: https://www.tydexoptics.com/ru/products/thz_optics/thz_materials/.
URL: https://www.tydexoptics.com/ru/products/thz_optics/.
Zaytsev K. I., Gavdush A. A., Karasik V. E., Yurchenko S. O., Lebedev S. P.
The method for studying the spectral optical characteristics of a homogeneous medium using terahertz pulsed spectroscopy. Opt. Spectroscop. 2015; 118 (4): 582–593. DOI: 10.7868/S0030403415040236.
Зайцев К. И., Гавдуш А. А., Лебедев С. П., Карасик В. Е., Юрченко С. О. Метод исследования спектральных оптических характеристик однородной среды с помощью терагерцевой импульсной спектроскопии. Оптика и спектроскопия. 2015; 118 (4): 582–593. DOI: 10.7868/S0030403415040236.
Chernomyrdin N. V., Shchadko A. O., Lebedev S. P., Spektor I. E., Tolstoguzov V. L. et al. Wide-Aperture Aspheric Optics for Formation of Subwavelength Caustics of a Terahertz Electromagnetic-Radiation Beam. Opt.& Spectroscop. 2018; 124 (3): 420–428. DOI: 10.1134/S0030400X18030086.
Черномырдин Н. В., Щадько А. О., Лебедев С. П., Спектор И. Е., Толстогузов В. Л., Кучерявенко А. С., Малахов К. М., Командин Г. А., Горелик В. С., Зайцев К. И. Широкоапертурная асферическая оптика для формирования субволновой каустики пучка терагерцевого электромагнитного излучения. Оптика и Спектроскопия. 2018; 124 (3): 420–428. DOI: 10.21883/OS.2018.03.45664.250‑17.
Pisano G., Austermann J., Beall J., Halverson N., Hubmayr J., Jaehnig G., McKenney C.M., Raymond B., Suzuki A. Development of Flat SiliconBased Mesh Lens Arrays for Millimeter and Submillimeter Wave Astronomy. Journal of Low Temperature Physics. 2020; 199: 923–934. DOI:10.1007/s10909‑019‑02327‑y.
Zatta R.; Jain R.; Grzyb J.; Pfeiffer U. R. et al. Resolution Limits of Hyper-Hemispherical Silicon Lens-Integrated THz Cameras Employing Geometrical Multiframe Super-Resolution Imaging. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. 2021; 11(3): 277–286. DOI: 10.1109/TTHZ.2021.3063839.
АВТОРЫ
Кропотов Григорий Иванович, к. ф.‑ м. н., ст.. науч. сотр., Генеральный директор ООО «ТИДЕКС», e-mail: grigorykropotov@tydex.ru; Санкт-Петербург, Россия.
ORСID: 0000-0001-9041-6701
Попов Дмитрий Александрович, к. ф.‑ м. н., науч. сотр. ООО «ТИДЕКС», e-mail: dmitriypopov@tydex.ru; Санкт-Петербург, Россия.
ORСID: 0009-0007-2427-2341
Цыпишка Дмитрий Иванович, к. ф.‑ м. н., доцент, зам. ген. директора по производству приборов ООО «ТИДЕКС», e-mail: dmitrytsypishka@tydex.ru; Санкт-Петербург, Россия.
ORСID: 0000-0003-1914-5245
Шахмин Алексей Александрович, к. ф.‑ м. н., ведущий инженер-исследователь ООО «ТИДЕКС», e-mail: AlexeyShakhmin@tydex.ru; Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0009-0003-9566-2823
ВКЛАД АВТОРОВ
Статья подготовлена на основе работы всех членов авторского коллектива.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Все авторы приняли участие в написании рукописи и согласны с полным ее текстом.
Отзывы читателей
