Potere universale

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 2260 (2023) Citare questo articolo

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La spettroscopia nel dominio del tempo Terahertz (THz) (TDS, THz-TDS) è stata utilizzata per misurare le proprietà ottiche THz, ovvero indici di rifrazione e coefficienti di assorbimento, delle famiglie di vetri borosilicato, tellurito e calcogenuro. Osserviamo che le proprietà ottiche THz dipendono dalle composizioni del vetro. Gli indici di rifrazione THz hanno registrato un trend crescente dalle famiglie dei vetri borosilicato, calcogenuro e tellurite. I nostri risultati dimostrano la capacità di selezionare una famiglia, un sistema e una composizione di vetri per mirare alle proprietà ottiche THz per un potenziale utilizzo in applicazioni ottiche e fotoniche THz. Riportiamo i parametri di adattamento K e β per il modello della legge di potenza utilizzato per descrivere queste proprietà e mostrare come può essere applicato universalmente a diverse famiglie di vetri.

Gli occhiali possono essere utilizzati come vari componenti ottici passivi e attivi, ad esempio guide d'onda, finestre, lenti, ecc., a frequenze THz grazie alla capacità di adattare, personalizzare e controllare le proprietà ottiche tra cui indice di rifrazione basso o alto, dispersione ridotta e coefficiente di assorbimento, che può essere selezionato per qualsiasi applicazione desiderata. La conoscenza degli indici di rifrazione THz e dei coefficienti di assorbimento attraverso la larghezza di banda THz per numerose famiglie di vetri rafforza le possibilità di utilizzo degli occhiali in questa gamma di frequenze per varie applicazioni che comprendono ampie aree dell'ottica THz e della fotonica, in particolare focalizzate sui sistemi di comunicazione1, sicurezza e difesa2, e diagnosi medica3.

Le applicazioni THz includono il controllo e l'esame della qualità in vari campi, tra cui la produzione alimentare industriale, il trasporto di materiali imballati, l'ispezione di opere d'arte, l'ispezione e l'esame di wafer semiconduttori, l'analisi dell'umidità per l'agricoltura e nell'industria cartaria, automobilistica e farmaceutica4,5,6 ,7,8. L'imaging a riflessione THz viene utilizzato nella diagnosi biomedica delle malattie poiché la radiazione THz ha una penetrazione limitata nei tessuti viventi e può essere utilizzata per l'identificazione in prossimità della superficie di tessuti cancerosi, ad esempio, cancro della pelle e della mammella, grazie alla firma THz unica1,3,9. Ad esempio, l'industria farmaceutica utilizza la spettroscopia THz per una varietà di usi specializzati tra cui la caratterizzazione analitica, l'identificazione dei materiali e lo studio dei sistemi di somministrazione dei farmaci. È stato utilizzato specificatamente per determinare il grado di cristallinità, spessore del rivestimento, uniformità, ruvidità, porosità e difetti, ad esempio crepe e delaminazione, riscontrati sui rivestimenti delle compresse10,11,12,13.

Naftaly et al.14,15,16, Kang et al.17 e Ravagli et al.18 hanno riportato le proprietà ottiche e dielettriche THz di vetri di silicato selezionati disponibili in commercio tra cui quarzo fuso policristallino, silice fusa amorfa e vetri di silicato di B 270® (vetro corona sodico-calcico modificato), BK7® (vetro borosilicato), Pyrex® (vetro borosilicato), N-Zk7® (vetro corona in zinco), serie SF® (vetro selce denso) e SK10® (vetro corona di bario denso) vetro della corona). I vetri borosilicato, tellurito e calcogenuro sono definiti rispettivamente come famiglie di vetri contenenti ossidi, ossidi non silicati e non ossidi. Diverse famiglie di vetri hanno composizioni, strutture, ad esempio unità strutturali, connettività e reti molto diverse, e proprietà risultanti, ad esempio indici di rifrazione THz e coefficienti di assorbimento. Storm et al.19,20 e Schlomann21 hanno analizzato i coefficienti di assorbimento THz utilizzando un modello basato sulla legge di potenza, \(n\left(\nu \right)\alpha \left(\nu \right)={K\left(h\nu \right)}^{\beta }\) o la forma semplificata di \(n\alpha ={K\times f}^{\beta }\), dove \(n\left(\nu \right)\) è l'indice di rifrazione dipendente dalla frequenza, \(\alpha \left(\nu \right)\) è il coefficiente di assorbimento dipendente dalla frequenza, K è determinato dalle proprietà del materiale e β è una costante dipendente dalla composizione del vetro. K è definito come \(K=\frac{{{e}^{*}}^{2}N{k}^{2}}{{\mathrm{\hbar }}^{2}\rho c{ V}_{D}^{3}}\), dove \(N\) è la densità delle fluttuazioni di carica di ampiezza (\({e}^{*}\)), k è il fattore di correzione del campo locale ( n2 + 2)/3, \(\mathrm{\hbar }\) è la costante di Planck ridotta, \(\rho\) è la densità di massa, \(c\) è la velocità della luce nel vuoto e VD è la velocità Debye del suono. K aumenta approssimativamente con la quarta potenza dell'indice di rifrazione. Storm et al.19,20 hanno esaminato i parametri di assorbimento del lontano infrarosso THz per vetri selezionati tra cui SiO2, B2O3, GeO2, As2S3, Se, As2Se3, tra le altre composizioni, dove i parametri β sono risultati essere ~ 2.