Кіріспе
Физика ғылымдарында қолданылатын оптикалық жолақты өткізу сүзгісі Атомдық желілік сүзгі (АЛФ) - физика ғылымдарында электромагниттік сәулелерді дәлдікпен, дәлдікпен және сигналдың ең аз жоғалуымен сүзгілеу үшін қолданылатын тиімді оптикалық жолақты өткізу сүзгісі. Атомдық желілік сүзгілер атомдық булардың сіңіру немесе резонанстық желілері арқылы жұмыс істейді және оларды атомдық резонанстық сүзгі (ARF) деп те атауға болады. Атомдық желілік сүзгілердің үш негізгі түрі - сіңіру-ремиссиялық АФФ, Фарадей сүзгілері және Войгт сүзгілері. Абсорбциялық қайта шығарылатын сүзгілер алғашқы түр болып табылды, сондықтан оларды "атомдық желілік сүзгілер" деп атайды; қалған екі түрді әдетте "Фарадей сүзгілері" немесе "Войт сүзгілері" деп атайды. Атомдық желілік сүзгілер әр түрлі қолданбалар үшін әр түрлі механизмдер мен дизайндарды қолданады, бірақ әрқашан бірдей негізгі стратегия қолданылады: металл буындағы жұқа сіңіру немесе резонанс желілерін пайдаланып, белгілі бір жиіліктегі жарық барлық басқа жарықты бұзатын сүзгілер сериясын айналып өтеді. Атомдық желілік сүзгілерді оптикалық бекіту күшейткіштерінің эквиваленті деп қарастыруға болады; олар ғылыми қолданбаларда қолданылады, олар тар жолақты сигналдың (дәл дерлік лазерлік жарық) тиімді анықталуын талап етеді, әйтпесе олар кең жолақты көздермен, мысалы, күндізгі жарықпен жасырылады. Атомдық желілік сүзгілер кедергілік сүзгілер мен Льот сүзгілері сияқты әдеттегі диэлектрлік оптикалық сүзгілерден жоғары, бірақ олардың күрделілігі оларды тек фонды шектеулі анықтау кезінде ғана практикалық етеді, онда күшті фонды басу кезінде әлсіз сигнал анықталады. Эталонмен салыстырғанда, тағы бір жоғары деңгейдегі оптикалық сүзгілер, Фарадей сүзгілері айтарлықтай берік және бірлігіне шамамен 15 000 АҚШ доллары болатын алты есе арзан болуы мүмкін.
An atomic line filter (ALF) is a more effective optical band pass filter used in the physical sciences for filtering electromagnetic radiation with precision, accuracy, and minimal signal strength loss. Atomic line filters work via the absorption or resonance lines of atomic vapors and so may also be designated an atomic resonance filter (ARF). The three major types of atomic line filters are absorption re emission ALFs, Faraday filters and Voigt filters. Absorption re emission filters were the first type developed, and so are commonly called simply "atomic line filters"; the other two types are usually referred to specifically as "Faraday filters" or "Voigt filters". Atomic line filters use different mechanisms and designs for different applications, but the same basic strategy is always employed: by taking advantage of the narrow lines of absorption or resonance in a metallic vapor, a specific frequency of light bypasses a series of filters that block all other light. Atomic line filters can be considered the optical equivalent of lock in amplifiers; they are used in scientific applications requiring the effective detection of a narrowband signal (almost always laser light) that would otherwise be obscured by broadband sources, such as daylight. Atomic line filters are superior to conventional dielectric optical filters such as interference filters and Lyot filters, but their greater complexity makes them practical only in background limited detection, where a weak signal is detected while suppressing a strong background. Compared to etalons, another high end optical filter, Faraday filters are significantly sturdier and may be six times cheaper at around US$15,000 per unit.
Тарих
Атомдық сызықтық сүзгінің алдыңғы үлгісі 1950 жылдары Николаас Блоемберген жасаған инфрақызыл кванттық санағыш болды. Бұл Джозеф Вебердің теориясы бойынша, өте аз шумен инфрақызыл сәулеленуді анықтау үшін кванттық механикалық күшейткіш болды. Рентген және гамма сәулелерін күшейткіштерде нөлдік өздігінен сәуле шығару мүмкін болды, ал Вебер бұл технологияны инфрақызыл спектрге жеткізуді ойлады. Блоемберген мұндай құрылғыны егжей-тегжейлі сипаттап, оны "инфрақызыл кванттық есептегіш" деп атады. Бұл құрылғылардың ортасы төмен энергиялы жарықты сіңіріп, оны көрінетін диапазонда қайта шығаратын өтпелі металл иондары бар кристаллдар болды. Инфрақызыл сәулелерді күшейтуде бұрын қолданылған принциптер пассивті натрий ALF құрамына біріктірілді. Бұл жоба және одан кейін пайда болған жобалар примитивті болды және кванттық тиімділігі төмен және жауап беру уақыты баяу болды. Бұл ALF-тің бастапқы дизайны болғандықтан, көптеген сілтемелер тек "атомдық желілік сүзгі" атауын ғана пайдаланады, бұл нақты сіңіру-эмиссия құрылымын сипаттау үшін. 1977 жылы Гелбвахс, Клейн және Вессел алғашқы белсенді атомдық сызықтық сүзгісін жасады. дамыған. Войгт сүзгілері кішірек болатын және "тұрақты магнитпен қолдануға ыңғайлы".
Кірісі/шығысы
Атомдық желілік сүзгілер электромагниттік спектрдің ультрафиолет, көрінетін және инфрақызыл аймақтарында жұмыс істей алады. Пассивті АФФ-та кіріс жиілігі бу жасушасының табиғи сіңіру желілеріне дәл сәйкес келуі керек. Алайда белсенді ARF-тер әлдеқайда икемді, өйткені буды басқа жиіліктегі жарықты сіңіру үшін ынталандыруға болады. Фарадей және Войгт сүзгілері сигнал жарығының жиілігін немесе толқын ұзындығын ауыстырмайды.
Жауап беру уақыты мен беру жылдамдығы
Абсорбциялық-реэмиссиялық атомдық желілік сүзгінің жауап беру уақыты жарық көзінен қабылдағышқа берілетін ақпараттың жылдамдығына тікелей әсер етеді. Сондықтан, жауап берудің ең аз уақыты осы ALF-тің маңызды қасиеті болып табылады. Мұндай АЛФ-тың жауап беру уақыты көбінесе бу жасушасындағы қоздырылған атомдардың өздігінен ыдырауына байланысты. 1988 жылы Джерри Гелбвахс "типілі жылдам өздігінен шығатын уақыт ~ 30 нс, бұл ақпарат жылдамдығының жоғарғы шегі шамамен 30 МГц екенін көрсетеді" деп келтірді.
Жарық-жол
Атомдық желілік сүзгінің жолақты өтуі, әдетте, бу жасушасының Доплер профиліне, бу жасушасының таза жарық көзімен қозғайтын жиіліктерінің табиғи ауқымына тең. Допплерлік профиль - бу жасушасының жылулық қозғалысына байланысты шығаратын Допплерлік ауыстырылған сәулелену спектрінің ені. Бұл мән төмен температурадағы үлкен атомдар үшін аз, бұл жүйе идеалды деп саналады. Кейбір жағдайларда бұл жағдай емес, сондықтан өтпелі сызықтың енін Допплер профилінен үлкен ету керек. Мысалы, жылдам жылдамдықпен жылдамдықтайтын затты бақылау кезінде ALF жолағының өтуі оның ішінде шағылған жарықтың ең жоғары және ең төменгі мәндерін қамтуы тиіс. Тораптық өту жолын ұлғайтудың қабылданған әдісі бу жасушасына инертті газды орналастыруды қамтиды. Бұл газ спектр сызығын кеңейтеді және сүзгілердің берілу жылдамдығын арттырады. Барлық атомдық желілік сүзгілерде бу жасушасының резонанстық желілерінің орналасуы мен ені ең маңызды қасиеттердің бірі болып табылады. Старк эффектісі мен Земанның бөлінуі арқылы базалық сіңіру сызықтары нәзік сызықтарға бөлінуі мүмкін. "Старк пен Земанның көйлектерін детекторды көйлектеу үшін қолдануға болады".
Абсорбция-қайта эмиссия
Абсорбциялық-реэмиссиялық атомдық желілік сүзгі қажетті толқын ұзындығын сіңіреді және кең жолақты сүзгілерді айналып өтетін жарық шығарады. Пассивті сіңіруді қайта шығаратын АЛФ-да жоғары өту сүзгісі барлық төмен энергиялы кіретін жарықты бұғаттап қояды. Бу жасушасы сигналды сіңіреді, бұл будың жұқа сіңіру желісімен сәйкес келеді, ал жасушаның атомдары қозғайды. Бу жасушасы төменгі жиілікте флуоресценция арқылы сигнал жарығын қайта шығарады. Төмен өту сүзгісі флуоресценттік жарықтың жиілігінен жоғары сәулеленуді бұғаттайды. Белсенді АЛФ-да осы атомдарды қоздыру үшін оптикалық немесе электрлік сорғылау қолданылады, сондықтан олар әр түрлі толқын ұзындығындағы жарықты сіңіреді немесе шығарады. Белсенді ALF үшін әдеттегі сүзгілердің басқа жүйелері қажет болуы мүмкін.
Фарадей сүзгісі
Фарадей сүзгісі, магниттік оптикалық сүзгі, FADOF немесе EFADOF (Қозғалған Фарадей дисперсивті оптикалық сүзгісі) бу жасушасынан өтетін жарықтың поляризациясын айналдыру арқылы жұмыс істейді. Бұл айналу оның атомдық сіңіру сызықтарының жанында Фарадей эффектісі мен аномальды дисперсия арқылы жүреді. Тек будың резонанстық жиілігіндегі жарық айналады және поляризацияланған пластиналар басқа электромагниттік сәулеленуді бұғаттайды. Бұл әсер Земан эффектісімен байланысты және оны күшейтеді, немесе магнит өрісінің қатысуымен атомдық сіңіру сызықтарының бөлінуі. Будың резонанстық жиілігіндегі жарық FADOF-тен бастапқы күшінің қасында шығады, бірақ ортогональды поляризациямен. Фарадей әсерін реттейтін заңдарға сәйкес, мақсатты сәулеленудің айналуы магнит өрісінің күш-қуатына, бу жасушасының еніне және Вердеттің тұрақтысына (бағана температурасына, жарықтың толқын ұзындығына және кейде өрістің қарқындылығына тәуелді) тікелей пропорционалды. Бұл қатынас келесі теңдеумен көрсетіледі:
Voigt сүзгісі
Войгт сүзгісі - магнит өрісі жарық бағытына перпендикуляр және поляризацияланған пластиналардың поляризациясына 45° ауысқан Фарадей сүзгісі. Войгт сүзгісінде бу жасушасы жартылай толқын пластинасы ретінде әрекет етеді, бұл Войгт эффекті бойынша бір поляризацияны 180°-ға баяулайды.
Ортақ компоненттер
Атомдық желілік сүзгіден бұрын жарық сәулелерін сүзгіден үнемі өту үшін туралайтын коллиматор болуы мүмкін; алайда, коллимацияланған жарық әрқашан қажет емес. Коллиматордан кейін жоғары өткізгіш сүзгісі кіретін жарықтың жартысын (тоқал ұзындығы тым үлкен) бұғаттап қояды. Фарадей мен Войгт сүзгілерінде жарықты бұғаттау үшін бірінші поляризациялық пластина қолданылады. Атомдық сызықтық сүзгідегі келесі компонент - бу жасушасы; бұл барлық атомдық сызықтық сүзгілерге ортақ. Ол жарық сәулесін сіңіріп, қайта шығарады немесе оның поляризациясын Фарадей немесе Войт эффектісі арқылы айналдырады. Бу элементі артында флуоресценциядан келетін жарықтың белгіленген жиілігін қоспағанда, бірінші сүзгі жоқ барлық жарықты бұғаттау үшін жасалған төменгі өту сүзгісі бар. Фарадей мен Войгт сүзгілерінде екінші поляризациялау пластинасы қолданылады. Басқа жүйелерді практикалық мақсаттар үшін атомдық желілік сүзгінің қалған бөлігімен бірге қолдануға болады. Мысалы, нақты Фарадей сүзгісінде қолданылатын поляризаторлар сәулеленудің көп бөлігін бұғаттамайды, "бұл поляризаторлар тек шектеулі толқын ұзындығы аймағында жұмыс істейтіндіктен, кең жолақты кедергі сүзгісі Фарадей сүзгісімен бірге қолданылады". Жарық осы бу камерасына магний фториді сияқты материалдан жасалған екі төменгі шағылыстыратын терезе арқылы кіреді және шығады. Ұяшықтың басқа жақтары кез келген мөлдірсіз материалдан болуы мүмкін, бірақ әдетте жылуға төзімді металл немесе керамика қолданылады, өйткені бу әдетте 100 °C жоғары температурада сақталады. ALF бу жасушаларының көпшілігі жоғары бу қысымынан пайдаланып, сілтілі металдарды пайдаланады; көптеген сілтілі металдардың да қажетті спектрлерде сіңіру сызықтары мен резонансы бар. Алғашқы кванттық есептеуіштерде кристаллдардағы қатты күйдегі металл иондары қолданылғандықтан, мұндай ортаны бүгінгі ALF-те қолдануға болады. Бұл атомдық булардың осы қабілеттегі артықшылығынан кейін жасалмайды. антибиотиктердің тиімділігін және жалпы сүзгілеуді өлшеу.
Лазерлік бақылау және байланыс
Атомдық желілік сүзгісіз лазерлік бақылау мен байланыс қиындауы мүмкін. Әдетте, лазерлік сәулелерді қашықтықтан анықтау үшін интенсивті зарядты құрылғымен біріктірілген камераларды қарапайым диэлектрлік оптикалық сүзгілермен (мысалы, кедергілік сүзгілермен) бірге пайдалану керек. Күшейтілген CCD-лер тиімсіз және көрінетін спектрде импульсті лазерлік таратуды пайдалануды қажет етеді. ALF-тің жоғары сүзгілеу жүйесімен интенсивті емес CCD үздіксіз толқын лазерімен тиімдірек пайдаланылуы мүмкін. "0.001 нм жолақты атомдық желілік сүзгілер әдеттегідей сүзгіленген лазерлік қабылдағыштардың фондық лақтырылуын жақсарту үшін жасалды". Сонымен ALF-пен ғарышқа негізделген, су асты және жылдам лазерлік байланыс ұсынылды және жасалды.