普遍的な力

Scientific Reports volume 13、記事番号: 2260 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

テラヘルツ (THz) 時間領域分光法 (TDS、THz-TDS) を使用して、ホウケイ酸塩、亜テルル酸塩、およびカルコゲニド ガラス系の THz 光学特性、つまり屈折率と吸収係数を測定しました。 私たちは、THz の光学特性がガラスの組成に依存することを観察しました。 THz 屈折率は、ホウケイ酸ガラスからカルコゲナイド、亜テルル酸ガラス系に至るまで増加傾向を記録しました。 私たちの結果は、THz 光学およびフォトニック用途での使用の可能性を考慮して、THz 光学特性をターゲットとするガラス ファミリ、システム、および組成を選択できることを示しています。 我々は、これらの特性を記述するために使用されるべき乗則モデルの K および β フィッティング パラメータを報告し、それがいくつかのガラス族にどのように普遍的に適用できるかを示します。

ガラスは、低屈折率または高屈折率、分散の低減などの光学特性を調整、カスタマイズ、制御できるため、テラヘルツ周波数でのさまざまな受動光学部品および能動光学部品（導波管、窓、レンズなど）として利用できます。 、および吸収係数を任意の用途に合わせて選択できます。 多数のガラス族の THz 帯域幅にわたる THz の屈折率と吸収係数に関する知識は、特に通信システム 1、セキュリティおよび防衛 2 に焦点を当てた、THz 光学およびフォトニクスの広範な分野を含むさまざまな用途で、この周波数範囲でガラスが使用される可能性を強化します。および医学的診断3.

テラヘルツの用途には、食品工業、包装材料の輸送、アートワークの検査、半導体ウェーハの検査と検査、農業用の水分分析、製紙、自動車、製薬産業など、さまざまな分野での品質管理と検査が含まれます4、5、6。 、7、8。 テラヘルツ反射イメージングは​​、テラヘルツ放射線の生体組織への透過が限られているため、病気の生物医学診断に使用され、独特のテラヘルツシグネチャにより、皮膚がんや乳がんなどのがん組織の表面近くの識別に使用できます1、3、9。 たとえば、製薬業界は、分析特性評価、材料の同定、薬物送達システムの研究など、さまざまな特殊な用途に THz 分光法を利用しています。 特に、錠剤コーティングに見られる結晶化度、コーティングの厚さ、均一性、粗さ、多孔性、および亀裂や層間剥離などの欠陥を測定するために使用されています10、11、12、13。

Naftaly et al.14、15、16、Kang et al.17、Ravagli et al.18 は、多結晶溶融石英、非晶質溶融シリカ、および B のケイ酸塩ガラスを含む、選択された市販のケイ酸塩ガラスの THz 光学特性および誘電特性を報告しています。 270® (改質ソーダ石灰クラウンガラス)、BK7® (ホウケイ酸ガラス)、Pyrex® (ホウケイ酸ガラス)、N-Zk7® (亜鉛クラウンガラス)、SF® シリーズ (緻密なフリントガラス)、および SK10® (緻密なバリウム)クラウンガラス）。 ホウケイ酸塩ガラス、亜テルル酸塩ガラス、およびカルコゲナイドガラスは、それぞれケイ酸塩含有酸化物、非ケイ酸塩酸化物、および非酸化物ガラス系として定義されます。 異なるガラス族は、組成、構造（構造単位、接続性、ネットワークなど）、およびその結果として生じる特性（THz 屈折率や吸収係数など）が大きく異なります。 Storm ら 19,20 と Schlomann21 は、べき乗則モデル \(n\left(\nu \right)\alpha \left(\nu \right)={K\left(h\nu) を使用して THz 吸収係数を分析しました。 \right)}^{\beta }\) または \(n\alpha ={K\times f}^{\beta }\) の簡略化された形式 (\(n\left(\nu \right)\)は周波数依存の屈折率、\(\alpha \left(\nu \right)\) は周波数依存の吸収係数、K は材料特性によって決まり、β はガラス組成に依存する定数です。 K は \(K=\frac{{{e}^{*}}^{2}N{k}^{2}}{{\mathrm{\hbar }}^{2}\rho c{ として定義されますV}_{D}^{3}}\)、ここで \(N\) は振幅の電荷変動の密度 (\({e}^{*}\))、k は局所磁場補正係数 ( n2 + 2)/3、\(\mathrm{\hbar }\) は換算プランク定数、\(\rho\) は質量密度、\(c\) は真空中の光の速度、VDはデバイ音速です。 K は、屈折率の約 4 乗で増加します。 Storm et al.19,20 は、特に SiO2、B2O3、GeO2、As2S3、Se、As2Se3 などの組成を含む選択されたガラスの THz 遠赤外線吸収パラメータをレビューし、β パラメータが ~ 2 であることが判明しました。