Введение
Оптический фильтр с прохождением полосы, используемый в физических науках Атомный линейный фильтр (ALF) - более эффективный оптический фильтр с прохождением полосы, используемый в физических науках для фильтрации электромагнитного излучения с точностью, точностью и минимальной потерей силы сигнала. Атомные линейные фильтры работают через поглотительные или резонансные линии атомных паров и поэтому могут также называться фильтрами атомного резонанса (ARF). Три основных типа атомных линейных фильтров - это фильтры поглощения и повторного излучения, фильтры Фарадея и фильтры Войгата. Первым из них были разработаны фильтры поглощения и повторного излучения, поэтому их обычно называют просто "атомными линейными фильтрами"; другие два типа обычно называются специально "фильтрами Фарадея" или "фильтрами Войгата". Атомные линейные фильтры используют разные механизмы и конструкции для разных применений, но всегда используется одна и та же основная стратегия: используя узкие линии поглощения или резонанса в металлическом паре, определенная частота света обходит ряд фильтров, которые блокируют весь остальной свет. Атомные линейные фильтры можно считать оптическим эквивалентом усилителей блокировки; они используются в научных приложениях, требующих эффективного обнаружения узкополосного сигнала (почти всегда лазерного света), который в противном случае был бы скрыт широкополосными источниками, такими как дневный свет. Атомные линейные фильтры превосходят обычные диэлектрические оптические фильтры, такие как фильтры интерференции и фильтры Lyot, но их большая сложность делает их практичными только в ограниченном обнаружении фона, где обнаруживается слабый сигнал при подавлении сильного фона. По сравнению с эталонами, другим высококачественным оптическим фильтром, фильтры Фарадея значительно прочнее и могут быть в шесть раз дешевле примерно за 15 000 долларов США за единицу.
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.
История
Предшественником атомного линейного фильтра был инфракрасный квантовый счетчик, разработанный в 1950-х годах Николаасом Блумбергеном. Это был квантово-механический усилитель, разработанный Джозефом Вебером для обнаружения инфракрасного излучения с очень небольшим шумом. Нулевое спонтанное излучение уже было возможно для усилителей рентгеновских и гамма-лучей, и Вебер думал, что привнесет эту технологию в инфракрасный спектр. Блоемберген подробно описал такое устройство и назвал его "инфракрасным квантовым счетчиком". Средствами этих устройств были кристаллы с примесями ионов переходных металлов, поглощающие свет с низкой энергией и излучающие его в видимом диапазоне. Принципы, применяемые до сих пор в инфракрасной амплификации, были объединены в пассивный натриевый ALF. Этот дизайн и те, которые сразу последовали за ним, были примитивными и страдали от низкой квантовой эффективности и медленного времени отклика. Поскольку это была первоначальная конструкция для ALF, многие ссылки используют только обозначение "атомный линейный фильтр" для описания конкретно конструкции поглощения и повторной эмиссии. В 1977 году Гелбвахс, Клейн и Вессель создали первый активный атомный линейный фильтр. был более продвинутым. Фильтры Войга были более компактными и "легко могли быть спроектированы для использования с постоянным магнитом".
Вход/выход
Атомные линейные фильтры могут работать в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях электромагнитного спектра. В пассивном ALF частота входа должна почти точно соответствовать естественным линиям поглощения паровой ячейки. Однако активные ARF гораздо более гибкие, так как пар может быть стимулирован таким образом, чтобы он поглощал другие частоты света. Фильтры Фарадея и Войгата не смещают частоту или длину волны сигнального света.
Время отклика и скорость передачи
Время отклика фильтра поглощения и повторной эмиссии напрямую влияет на скорость передачи информации от источника света к приемнику. Поэтому минимальное время отклика является важным свойством этих ALF. Время отклика такого ALF во многом зависит от спонтанного распада возбужденных атомов в паровой ячейке. В 1988 году Джерри Гелбвахс цитировал: "типичные быстрые спонтанные времена излучения составляют ~ 30 нс, что предполагает, что верхний предел скорости передачи информации составляет примерно 30 МГц".
Пропускная полоса
Пропускная способность атомного линейного фильтра обычно равна доплеровскому профилю паровой ячейки, естественному диапазону частот, при которых паровая ячейка будет возбуждена чистым источником света. Допплеровский профиль - это ширина спектра смещенного допплеровского излучения, излучаемого паровой ячейкой из-за ее теплового движения. Это значение меньше для больших атомов при более низких температурах, система, считающаяся более идеальной. В некоторых случаях это не так, и желательно сделать ширину переходной линии больше, чем доплеровский профиль. Например, при отслеживании быстро ускоряющегося объекта, полоса пропускания ALF должна включать в себя максимальные и минимальные значения отраженного света. Принятый метод увеличения пропускания полосы включает в себя помещение инертного газа в паровую ячейку. Этот газ расширяет спектральную линию и увеличивает скорость передачи фильтра. Во всех фильтрах атомной линии положение и ширина резонансных линий паровых ячеек являются одними из наиболее важных свойств. В результате эффекта Старка и расщепления Зимана основные линии поглощения могут быть разделены на более тонкие линии. "Стандарт и Земан настройки могут быть использованы для настройки детектора".
Абсорбция-реэмиссия
Поглощающий и испускающий атомный линейный фильтр поглощает нужную длину волны света и излучает свет, который обходит широкополосные фильтры. В пассивных поглощающих реэмиссионных ALF высокопропускной фильтр блокирует весь поступающий свет с низкой энергией. Пароэлемент поглощает сигнал, который совпадает с тонкой линией поглощения пара, и атомы клетки возбуждаются. Пароэлемент затем переизлучает сигнальный свет, подвергаясь флуоресценции на более низкой частоте. Низкопропускной фильтр блокирует излучение с частотой выше, чем у флуоресцентного света. В активном ALF для возбуждения этих атомов используется оптическое или электрическое насос, чтобы они поглощали или излучали свет разных длин волн. Для активных ALF могут потребоваться другие системы обычных фильтров.
Фильтр Фарадея
Фильтр Фарадея, магнитооптический фильтр, FADOF или EFADOF (Excited Faraday Dispersive Optical Filter) работает путем вращения поляризации света, проходящего через паровую ячейку. Это вращение происходит вблизи линий атомного поглощения в результате эффекта Фарадея и аномального дисперсии. Только свет на резонансной частоте пара вращается, и поляризованные пластины блокируют другое электромагнитное излучение. Этот эффект связан и усиливается эффектом Зимана, или расщеплением атомных линий поглощения в присутствии магнитного поля. Свет на резонансной частоте пара выходит из FADOF близко к своей первоначальной силе, но с ортогональной поляризацией. Следуя законам, которые регулируют эффект Фарадея, вращение целевого излучения прямо пропорционально силе магнитного поля, ширине паровой ячейки и константе Вердета (которая зависит от температуры ячейки, длины волны света и иногда интенсивности поля) пара в ячейке. Эта связь представлена следующим уравнением:
Фильтр Войта
Фильтр Войга - это фильтр Фарадея, магнитное поле которого смещено перпендикулярно направлению света и на 45° к поляризации поляризованных плит. В фильтре Войга паровая ячейка действует как полуволновая пластина, замедляя одну поляризацию на 180° по эффекту Войга.
Общие компоненты
Перед фильтром атомной линии может быть коллиматор, который выпрямляет падающие световые лучи для прохождения через остальную часть фильтра последовательно; однако коллимационный свет не всегда необходим. После коллиматора высокопропускной фильтр блокирует почти половину входящего света (с слишком длинной длиной волны). В фильтрах Фарадея и Войга первая поляризующая плита используется здесь для блокирования света. Следующим компонентом в атомном линейном фильтре является паровая ячейка; это характерно для всех атомных линейных фильтров. Он либо поглощает и излучает падающий свет, либо вращает его поляризацию эффектом Фарадея или Войга. За паровой ячейкой находится низкопроходный фильтр, предназначенный для блокирования всего света, который не был блокирован первым фильтром, за исключением установленной частоты света, исходящего от флуоресценции. В фильтрах Фарадея и Войга здесь используется вторая поляризующая пластина. Для практической пользы могут использоваться другие системы в сочетании с остальной частью фильтра атомной линии. Например, поляризаторы, используемые в настоящем фильтре Фарадея, не блокируют большинство излучения, "поскольку эти поляризаторы работают только в области ограниченной длины волны, широкополосный интерференционный фильтр используется в сочетании с фильтром Фарадея". Свет входит и выходит из этой паровой камеры через два окна с низким уровнем отражения, сделанных из материала, такого как фторид магния. Другие стороны ячейки могут быть из любого непрозрачного материала, хотя обычно используется термостойкий металл или керамика, поскольку пар обычно сохраняется при температуре выше 100 °C. Большинство паров ALF используют щелочные металлы из-за их высокого давления паров; многие щелочные металлы также имеют линии поглощения и резонанс в желаемых спектрах. Поскольку ранние квантовые счетчики использовали твердотельные ионы металлов в кристаллах, можно представить, что такая среда может быть использована в современных ALF. Это, предположительно, не делается из-за превосходства атомных паров в этой способности. измерение эффективности антибиотиков и применения фильтров в целом.
Лазерное отслеживание и связь
Без фильтра атомной линии лазерное отслеживание и связь могут быть затруднены. Обычно камеры с усиленным зарядом должны использоваться в сочетании с простыми оптическими диэлектрическими фильтрами (например, фильтрами помех) для обнаружения лазерных излучений на расстоянии. Усиленные CCD неэффективны и требуют использования импульсной лазерной передачи в видимом спектре. Благодаря превосходной системе фильтрации ALF, неинтенсифицированный CCD может быть использован с непрерывным лазером более эффективно. "Атомные линейные фильтры [с пропускной способностью около 0,001 нм] были разработаны для улучшения отторжения фонового излучения обычно фильтрованных лазерных приемников". Поэтому были предложены и разработаны космические, подводные и гибкие лазерные связи с ALF.