Poder universal

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 2260 (2023) Citar este artigo

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A espectroscopia no domínio do tempo Terahertz (THz) (TDS, THz-TDS) foi usada para medir as propriedades ópticas de THz, ou seja, índices de refração e coeficientes de absorção, das famílias de vidros de borosilicato, telurito e calcogeneto. Observamos que as propriedades ópticas do THz dependem das composições do vidro. Os índices de refração THz registraram uma tendência crescente das famílias de vidro borossilicato para calcogeneto e telurito. Nossos resultados demonstram a capacidade de selecionar uma família, sistema e composição de vidro para atingir as propriedades ópticas de THz para uso potencial em aplicações ópticas e fotônicas de THz. Relatamos os parâmetros de ajuste K e β para o modelo de lei de potência usado para descrever essas propriedades e mostramos como ele pode ser aplicado universalmente a diversas famílias de vidros.

Os vidros podem ser utilizados como vários componentes ópticos passivos e ativos, por exemplo, guias de onda, janelas, lentes, etc., em frequências THz devido à capacidade de adaptar, personalizar e controlar propriedades ópticas, incluindo índice de refração baixo ou alto, dispersão reduzida , e coeficiente de absorção, que pode ser selecionado para qualquer aplicação desejada. O conhecimento dos índices de refração e coeficientes de absorção THz em toda a largura de banda THz para inúmeras famílias de vidros fortalece as possibilidades de uso de vidros nesta faixa de frequência para diversas aplicações abrangendo amplas áreas de óptica e fotônica THz, especificamente focadas em sistemas de comunicação1, segurança e defesa2, e diagnóstico médico3.

As aplicações do THz incluem controle de qualidade e exame em vários campos, incluindo produção industrial de alimentos, transporte de materiais embalados, inspeção de obras de arte, inspeção e exame de wafers semicondutores, análise de umidade para agricultura e nas indústrias de papel, automotiva e farmacêutica4,5,6 ,7,8. A imagem por reflexão THz é usada no diagnóstico biomédico de doenças, pois a radiação THz tem penetração limitada em tecidos vivos e pode ser usada para identificação próxima à superfície de tecidos cancerígenos, por exemplo, câncer de pele e mama, devido à assinatura única de THz . Por exemplo, a indústria farmacêutica utiliza a espectroscopia THz para uma variedade de usos especializados, incluindo caracterização analítica, identificação de materiais e para estudar sistemas de distribuição de medicamentos. Tem sido usado especificamente para determinar o grau de cristalinidade, espessura do revestimento, uniformidade, rugosidade, porosidade e defeitos, por exemplo, rachaduras e delaminação, observados em revestimentos de comprimidos10,11,12,13.

Naftaly et al.14,15,16, Kang et al.17 e Ravagli et al.18 relataram propriedades ópticas e dielétricas de THz de vidros de silicato selecionados comercialmente, incluindo quartzo fundido policristalino, sílica fundida amorfa e vidros de silicato de B 270® (vidro de coroa de cal sodada modificado), BK7® (vidro de borosilicato), Pyrex® (vidro de borosilicato), N-Zk7® (vidro de coroa de zinco), série SF® (vidro de sílex denso) e SK10® (bário denso coroa de vidro). Os vidros de borosilicato, telurito e calcogeneto são definidos como famílias de vidros contendo óxido, óxido não silicato e não óxido contendo silicato, respectivamente. Diferentes famílias de vidros têm composições e estruturas muito diferentes, por exemplo, unidades estruturais, conectividade e redes, e propriedades resultantes, por exemplo, índices de refração e coeficientes de absorção THz. Storm et al.19,20 e Schlomann21 analisaram os coeficientes de absorção de THz usando um modelo de lei de potência, \(n\left(\nu \right)\alpha \left(\nu \right)={K\left(h\nu \right)}^{\beta }\) ou a forma simplificada de \(n\alpha ={K\times f}^{\beta }\), onde \(n\left(\nu \right)\) é o índice de refração dependente da frequência, \(\alpha \left(\nu \right)\) é o coeficiente de absorção dependente da frequência, K é determinado pelas propriedades do material e β é uma constante dependente da composição do vidro. K é definido como \(K=\frac{{{e}^{*}}^{2}N{k}^{2}}{{\mathrm{\hbar }}^{2}\rho c{ V}_{D}^{3}}\), onde \(N\) é a densidade das flutuações de carga de amplitude (\({e}^{*}\)), k é o fator de correção de campo local ( n2 + 2)/3, \(\mathrm{\hbar }\) é a constante de Planck reduzida, \(\rho\) é a densidade de massa, \(c\) é a velocidade da luz no vácuo, e VD é a velocidade de Debye do som. K aumenta aproximadamente com a quarta potência do índice de refração. Storm et al.19,20 revisaram os parâmetros de absorção de infravermelho distante em THz para vidros selecionados, incluindo SiO2, B2O3, GeO2, As2S3, Se, As2Se3, entre outras composições, onde os parâmetros β foram encontrados como ~ 2.