Puissance universelle

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 2260 (2023) Citer cet article

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La spectroscopie dans le domaine temporel térahertz (THz) (TDS, THz-TDS) a été utilisée pour mesurer les propriétés optiques THz, c'est-à-dire les indices de réfraction et les coefficients d'absorption, des familles de verres borosilicates, tellurites et chalcogénures. Nous observons que les propriétés optiques du THz dépendent de la composition du verre. Les indices de réfraction THz ont enregistré une tendance croissante allant des familles de verres borosilicates aux chalcogénures et tellurites. Nos résultats démontrent la capacité à sélectionner une famille, un système et une composition de verre pour cibler les propriétés optiques THz en vue d'une utilisation potentielle dans les applications optiques et photoniques THz. Nous rapportons les paramètres d'ajustement K et β pour le modèle de loi de puissance utilisé pour décrire ces propriétés et montrons comment il peut être appliqué universellement à plusieurs familles de verres.

Les lunettes peuvent être utilisées comme divers composants optiques passifs et actifs, par exemple des guides d'ondes, des fenêtres, des lentilles, etc., aux fréquences THz grâce à la possibilité d'adapter, de personnaliser et de contrôler les propriétés optiques, notamment un indice de réfraction faible ou élevé, une dispersion réduite. , et le coefficient d'absorption, qui peuvent être sélectionnés pour toutes les applications souhaitées. La connaissance des indices de réfraction THz et des coefficients d'absorption sur la bande passante THz pour de nombreuses familles de verres renforce les possibilités d'utilisation des verres dans cette gamme de fréquences pour diverses applications englobant de larges domaines de l'optique et de la photonique THz, spécifiquement axées sur les systèmes de communication1, la sécurité et la défense2, et diagnostic médical3.

Les applications THz incluent le contrôle qualité et l'examen dans divers domaines, notamment la production alimentaire industrielle, le transport de matériaux emballés, l'inspection d'œuvres d'art, l'inspection et l'examen de plaquettes semi-conductrices, l'analyse de l'humidité pour l'agriculture et dans les industries papetière, automobile et pharmaceutique4,5,6. ,7,8. L'imagerie par réflexion THz est utilisée dans le diagnostic biomédical des maladies, car le rayonnement THz a une pénétration limitée dans les tissus vivants et peut être utilisé pour l'identification proche de la surface des tissus cancéreux, par exemple le cancer de la peau et du sein, en raison de la signature THz unique. Par exemple, l’industrie pharmaceutique utilise la spectroscopie THz pour diverses utilisations spécialisées, notamment la caractérisation analytique, l’identification des matériaux et l’étude des systèmes d’administration de médicaments. Il a été spécifiquement utilisé pour déterminer le degré de cristallinité, l'épaisseur de l'enrobage, l'uniformité, la rugosité, la porosité et les défauts, par exemple les fissures et le délaminage, observés sur l'enrobage des comprimés10,11,12,13.

Naftaly et al.14,15,16, Kang et al.17 et Ravagli et al.18 ont rapporté les propriétés optiques et diélectriques THz de certains verres de silicate disponibles dans le commerce, notamment le quartz fondu polycristallin, la silice fondue amorphe et les verres de silicate de B. 270® (verre couronne sodocalcique modifié), BK7® (verre borosilicaté), Pyrex® (verre borosilicaté), N-Zk7® (verre couronne en zinc), série SF® (verre silex dense) et SK10® (verre couronne au baryum dense). verre couronne). Les verres borosilicatés, tellurites et chalcogénures sont définis respectivement comme des familles de verres contenant des oxydes, des oxydes non silicatés et des verres non oxydés. Différentes familles de verre ont des compositions, des structures, par exemple des unités structurelles, une connectivité et des réseaux très différentes, ainsi que des propriétés résultantes, par exemple des indices de réfraction THz et des coefficients d'absorption. Storm et al.19,20 et Schlomann21 ont analysé les coefficients d'absorption THz à l'aide d'un modèle de loi de puissance, \(n\left(\nu \right)\alpha \left(\nu \right)={K\left(h\nu \right)}^{\beta }\) ou la forme simplifiée de \(n\alpha ={K\times f}^{\beta }\), où \(n\left(\nu \right)\) est l'indice de réfraction dépendant de la fréquence, \(\alpha \left(\nu \right)\) est le coefficient d'absorption dépendant de la fréquence, K est déterminé par les propriétés du matériau et β est une constante dépendant de la composition du verre. K est défini comme \(K=\frac{{{e}^{*}}^{2}N{k}^{2}}{{\mathrm{\hbar }}^{2}\rho c{ V}_{D}^{3}}\), où \(N\) est la densité des fluctuations de charge d'amplitude (\({e}^{*}\)), k est le facteur de correction de champ local ( n2 + 2)/3, \(\mathrm{\hbar }\) est la constante de Planck réduite, \(\rho\) est la densité de masse, \(c\) est la vitesse de la lumière dans le vide, et VD est la vitesse de Debye du son. K augmente approximativement avec la puissance quatrième de l'indice de réfraction. Storm et al.19,20 ont examiné les paramètres d'absorption infrarouge lointain THz pour certains verres, notamment SiO2, B2O3, GeO2, As2S3, Se, As2Se3, entre autres compositions, où les paramètres β se sont avérés être d'environ 2.