常见介质材料在THz波段的性质分析

基本的THz元件如窗口、基底和透镜等通常需要由对THz波透明的介质材料构成,这些材料主要包括聚合物、电介质和半导体。高密度聚乙烯(HDPE)、聚四氟乙烯(PTFE)等聚合物在THz波段都是低损耗和低色散材料,其在1 THz的吸收系数小于0.5 cm-1,并随频率呈二次方增长,折射率一般在1.4~1.5。常用的THz电介质材料是熔融石英、石英晶体和蓝宝石晶体,其中后两种材料在THz波段表现出一定的双折射特性。Si、Ge、GaAs等常用的半导体材料对THz波也是低损耗的。高阻硅(载流子浓度小于4×1011 cm-3,电阻率大于10 kΩ·cm)是THz波段最重要的无损和非色散材料,其载流子效应和晶格振动都远小于上述其他材料,在小于3 THz内的吸收系数小于0.1 cm-1,折射率为3.417 5,色散不大于0.000 1。

在THz功能器件设计中仅有高阻硅可视为无损材料,而对上述其他透明THz材料来说,当器件在传播方向的尺度为亚毫米或毫米量级时可忽略材料损耗,但当尺度超过厘米量级时就应当考虑材料对THz波的吸收。

半导体与聚合物、电介质的重要区别在于半导体具有载流子效应,即当热、光、电激励时或通过化学掺杂时,半导体中的自由载流子浓度会发生变化。Drude模型下,可以认为聚合物和电介质的电导率为0,而半导体的电导率是可调控的,满足式(2.3)~式(2.7)。因此在THz功能器件设计中,半导体材料也常作为功能材料,而当要避免外场对器件基底产生影响时,常用电介质或聚合物作为器件的基底。(www.xing528.com)

除了金属和介质材料外,本书涉及多种THz功能材料,包括液晶双折射材料,InSb和GaAs半导体材料,铁氧体、InSb和磁流体等磁光材料,VO2相变材料。这些功能材料在外场激励下对THz波的电磁响应会发生变化,对器件的可调控特性起重要作用。这些材料的介电响应均以Drude模型为基础,又各有特点,需要在后面章节中结合器件的功能展开专门介绍。