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太赫茲晶體材料是解鎖高頻電磁波的密鑰

來源:筱曉(上海)光子技術(shù)有限公司   2025年06月19日 16:09  
  太赫茲晶體材料作為太赫茲技術(shù)的核心組件,通過非線性光學(xué)效應(yīng)實現(xiàn)電磁波的高效轉(zhuǎn)換,在通信、成像、生物檢測等領(lǐng)域展現(xiàn)出較好的潛力。其核心價值體現(xiàn)在材料特性、應(yīng)用場景與制備技術(shù)的三維突破中。
  1.材料特性:非線性光學(xué)性能
  太赫茲晶體需具備高非線性系數(shù)與寬相位匹配范圍。ZnTe(碲化鋅)晶體作為典型代表,其立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)賦予其4.04 pm·V?¹的電光系數(shù),可在0.1-3THz頻段內(nèi)實現(xiàn)飛秒激光到太赫茲波的高效轉(zhuǎn)換。GaSe(硒化鎵)晶體則憑借54 pm/V的非線性系數(shù),在41THz超寬頻域內(nèi)生成太赫茲脈沖,且其層狀結(jié)構(gòu)使其成為中紅外寬帶振蕩的理想選擇。有機材料如TPX(聚甲基戊烯)在200-1000µm波長范圍內(nèi)透過率達80%-90%,且熱阻優(yōu)異,可加工為透鏡、窗口鏡等元件。晶體材料的反射損耗與有機材料的短波長不透明性,則成為制約其性能的關(guān)鍵瓶頸。
  2.應(yīng)用場景:從微觀探測到宏觀通信
  在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,ZnTe晶體已應(yīng)用于皮膚癌早期診斷,其0.1-3THz探測范圍可識別腫瘤組織的微弱信號。軍事雷達系統(tǒng)中,GaSe晶體通過寬帶太赫茲振蕩實現(xiàn)無人機等微小目標的精準探測。通信技術(shù)方面,太赫茲晶體被視為6G網(wǎng)絡(luò)的核心材料,其100Gbps級傳輸速率較5G提升10倍以上。青島大學(xué)研發(fā)的DAST晶體更突破頻率跨度限制,可同時覆蓋0.2THz、1THz、5THz等多個吸收峰,顯著提升安檢設(shè)備的鑒別精度。
  3.制備技術(shù):從實驗室到產(chǎn)業(yè)化的跨越
  高阻硅晶體通過區(qū)熔法實現(xiàn)1.2µm-1000µm寬波長覆蓋,成本較人造鉆石降低90%。ZnTe晶體生長需將降溫速度控制在每日0.1℃以內(nèi),生長周期長達數(shù)月。GaSe晶體則需解決層間范德華力導(dǎo)致的易碎性問題,目前通過化學(xué)氣相沉積法可制備出抗損傷閾值達3GW/cm²的優(yōu)質(zhì)單晶。青島大學(xué)滕冰團隊研發(fā)的DAST晶體生長設(shè)備,通過兩步合成法將原料純度提升至99.99%,使晶體尺寸突破厘米級,為寬頻太赫茲光譜儀的商業(yè)化奠定基礎(chǔ)。
 

 

  未來,隨著量子級聯(lián)激光器與超表面技術(shù)的融合,太赫茲晶體將向集成化、微型化方向發(fā)展。其在航天涂層無損檢測、藥物分子結(jié)構(gòu)分析等領(lǐng)域的深度應(yīng)用,或?qū)⒅匦露x現(xiàn)代科技的邊界。
 

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