Атомарный линейный фильтр - Atomic line filter

А калий Фильтр Фарадея, разработанный, построенный и сфотографированный Йонасом Хедином для проведения дневных измерений LIDAR в обсерватории Аресибо.[1]

An атомный линейный фильтр (ALF) более эффективный оптический полосовой фильтр используется в физические науки для фильтрации электромагнитное излучение с точностью, точностью и минимальной потерей мощности сигнала. Сетевые фильтры Atomic работают через поглощение или же резонанс линии атомных паров и поэтому также может быть обозначен фильтр атомного резонанса (ARF).[2]

Три основных типа атомных линейных фильтров: абсорбционно-реэмиссионные ALFs, Фильтры Фарадея и Фильтры Voigt.[3] Абсорбционно-реэмиссионные фильтры были первого типа, и поэтому их обычно называют просто «атомные линейные фильтры»; два других типа обычно именуются «фильтрами Фарадея» или «фильтрами Фойгта». В атомных линейных фильтрах используются разные механизмы и конструкции для разных применений, но всегда используется одна и та же базовая стратегия: за счет использования преимуществ узких линий поглощения или резонанса в металлическом паре, конкретный частота света пропускает серию фильтров, которые блокируют весь остальной свет.[4]

Атомные линейные фильтры можно считать оптическим эквивалентом синхронные усилители; они используются в научных приложениях, требующих эффективного обнаружения узкополосного сигнала (почти всегда лазерного излучения), который в противном случае был бы закрыт широкополосными источниками, такими как дневной свет.[3] Их регулярно используют в Обнаружение и определение дальности с помощью лазерного изображения (ЛИДАР ) и изучаются на предмет их потенциального использования в лазер системы связи.[5] Атомарные линейные фильтры превосходят обычные диэлектрические оптические фильтры, такие как интерференционные фильтры и Lyot фильтры, но их большая сложность делает их практичными только при обнаружении с ограниченным фоном, когда слабый сигнал обнаруживается при подавлении сильного фона.[6] В сравнении с эталоны, еще один высококачественный оптический фильтр, фильтры Фарадея значительно прочнее и могут быть в шесть раз дешевле примерно АМЕРИКАНСКИЙ ДОЛЛАР$ 15000 за единицу.[7][8]

История

Предшественником атомного линейного фильтра был инфракрасный квантовый счетчик, разработанный в 1950-х годах Николаас Блумберген. Это был квантово-механический усилитель мощности теоретизированный Джозеф Вебер обнаружить инфракрасный излучение с очень небольшим шумом.[9][10] Нулевое спонтанное излучение было возможно уже для рентгеновский снимок и гамма-луч усилители, и Вебер задумал перенести эту технологию в инфракрасный спектр. Блумберген подробно описал такое устройство и назвал его «инфракрасный квантовый счетчик».[11]

СМИ этих устройств были кристаллы с переходный металл ион примеси, поглощающие свет с низкой энергией и повторно излучающие его в видимом диапазоне.[11] К 1970-м годам атомные пары использовались в квантовые счетчики атомного пара для обнаружения инфракрасного электромагнитного излучения, поскольку они оказались лучше металлических соли и кристаллы, которые были использованы.[12]

Принципы, которые до сих пор применялись в инфракрасном усилении, были объединены в пассивную натриевую ALF.[13] Этот дизайн и последующие за ним были примитивными и страдали от низкого квантовая эффективность и медленное время отклика. Поскольку это была оригинальная конструкция для ALF, во многих источниках используется только обозначение «атомный линейный фильтр», чтобы конкретно описать конструкцию поглощения-повторного излучения. В 1977 году Гельбвакс, Кляйн и Вессель создали первый активный атомный линейный фильтр.[2]

Фильтры Фарадея, разработанные где-то до 1978 года, были «существенным улучшением» по сравнению с атомными линейными фильтрами с поглощением и переизлучением того времени.[3] Фильтр Фойгта, запатентованный Джеймс Х. Мендерс и Эрик Дж. Кореваар 26 августа 1992 г.,[14] был более продвинутым. Фильтры Фойгта были более компактными и «[могли быть] легко сконструированы для использования с постоянным магнитом».[3] К 1996 году для LIDAR использовались фильтры Фарадея.[3]

Характеристики

Техническое определение атомного линейного фильтра - это «сверхузкая полоса с большим углом приема, изотропный оптический фильтр ».[2] «Ультра-узкая полоса» определяет тонкий диапазон частот, который может принимать ALF; ALF обычно имеет полоса пропускания порядка 0,001 нанометра. То, что атомные линейные фильтры также имеют широкий угол приема (около 180 °), является еще одной важной характеристикой устройств; Обычные диэлектрические фильтры, основанные на расстоянии между отражающими или преломляющими слоями, изменяют свое эффективное расстояние, когда свет проникает под углом.

Точные параметры (температура, напряженность магнитного поля, длина и т. Д.) Любого фильтра могут быть настроены для конкретного применения. Эти значения рассчитываются компьютерами из-за чрезвычайной сложности систем.[15]

Ввод, вывод

Сетевые фильтры Atomic могут работать в ультрафиолетовый, видимый и инфракрасные области электромагнитный спектр.[2] В ALF с поглощением-повторным излучением частота света должна быть сдвинута для того, чтобы фильтр работал, а в пассивном устройстве этот сдвиг должен быть на более низкую частоту (то есть смещение в красный цвет) просто из-за сохранения энергии. Это означает, что пассивные фильтры редко могут работать с инфракрасным светом, поскольку выходная частота будет непрактично низкой. Если фотоумножители (ФЭУ) используются тогда, «длина волны на выходе ARF должна находиться в спектральной области, в которой коммерческие, большие, долгоживущие ФЭУ [sic] обладают максимальной чувствительностью».[13] В таком случае активные ALF будут иметь преимущество перед пассивными ALF, поскольку они с большей готовностью «генерируют выходные длины волн в ближнем УФ, спектральной области, в которой хорошо развиты фотокатоды обладают высочайшей чувствительностью ».[16]

В пассивном ALF входная частота должна почти точно соответствовать естественным линиям поглощения паровой ячейки. Однако активные ARF гораздо более гибкие, так как пар может быть стимулирован так, что он будет поглощать другие частоты света.[17][18]

Фильтры Фарадея и Фойгта не изменяют частоту или длину волны светового сигнала.

Время отклика и скорость передачи

Время отклика атомного линейного фильтра поглощения-переизлучения напрямую влияет на скорость передачи информации от источника света к приемнику. Таким образом, минимальное время отклика является важным свойством этих ALF. Время отклика такой ALF в значительной степени зависит от спонтанного распада возбужденных атомов в паровой ячейке. В 1988 году Джерри Гелбвакс цитировал: «Типичное время быстрого спонтанного излучения составляет ~ 30нс, что предполагает, что верхний предел скорости передачи информации составляет примерно 30 МГц ".[16]

Разработано много методов уменьшения времени отклика ALF. Даже в конце 1980-х годов некоторые газы использовались, чтобы катализировать распад электронов паровой ячейки. В 1989 году Эрик Кореваар разработал свой Быстрый ALF конструкция, обнаруживающая излучаемую флуоресценцию без светочувствительных пластин.[3] При использовании таких методов легко достижимы частоты в гигагерцах.[16]

Эффективность

Эффективность

График передачи относительной длины волны в калий FADOF с центром на переходе D1 770.1093нм. График приведен для одной поляризации, поэтому максимальное пропускание составляет 0,5. Выделенная область обычно используется как спектр передачи FADOF. Никаких оптических потерь не показано.

Атомарные линейные фильтры по своей сути являются очень эффективными фильтрами, обычно классифицируемыми как «сверхвысококачественные», поскольку их Q фактор находится в 105 до 106 классифицировать.[2] Отчасти это связано с тем, что «скрещенные поляризаторы ... служат для блокирования фонового света с коэффициентом подавления лучше 10.−5".[19] Полоса пропускания типичного фильтра Фарадея может составлять несколько ГГц.[17] Общий выход фильтра Фарадея может составлять около 50% от общей интенсивности входящего света. Потерянный свет отражается или поглощается несовершенными линзами, фильтрами и окнами.[20]

Band-pass

Полоса пропускания атомного линейного фильтра обычно равна Доплеровский профиль паровой ячейки - естественный диапазон частот, при котором паровая ячейка будет возбуждаться чистым источником света. Доплеровский профиль - это ширина спектра излучения с доплеровским смещением, испускаемого паровой ячейкой из-за его тепловое движение. Это значение меньше для более крупных атомов при более низких температурах, система считается более идеальной.

В некоторых случаях это не так, и желательно сделать ширину линии перехода больше, чем доплеровский профиль. Например, при отслеживании быстро ускоряющегося объекта полоса пропускания ALF должна включать в себя максимальное и минимальное значения для отраженного света. Принятый метод увеличения полосы пропускания включает размещение инертного газа в паровой ячейке. Этот газ расширяет спектральную линию и увеличивает скорость пропускания фильтра.[6]

Источники шума

При всей своей эффективности атомные линейные фильтры не идеальны; в данной системе есть много источников ошибок или «шума». Они проявляются как электромагнитное излучение, не зависящее от рабочих процессов фильтра и интенсивности светового сигнала. Одним из источников ошибок является тепловое излучение внутри самого ALF. Некоторое тепловое излучение исходит непосредственно от фильтра и попадает в полосу пропускания второго широкополосного фильтра. Если фильтр предназначен для вывода в инфракрасном диапазоне, создается больше шума, поскольку большая часть теплового излучения будет находиться в этом спектре. Эти выбросы могут стимулировать пар и создавать излучение, которое оно пытается обнаружить в первую очередь.[16]

Активные атомарные линейные фильтры с большей вероятностью создают шум, чем пассивные, потому что активные не обладают «избирательностью по состоянию»; источник накачки может случайно возбудить атомы, пораженные неправильным светом, до критического уровня энергии, спонтанно испуская излучение.[6]

Другие ошибки могут быть вызваны тем, что линии атомного поглощения / резонанса не нацелены, но все еще активны. Хотя большинство «ближних» переходов находятся на расстоянии более 10 нанометров (достаточно далеко, чтобы их блокировали широкополосные фильтры), отлично и сверхтонкая структура линии поглощения цели может поглощать свет неправильной частоты и пропускать его к выходному датчику.[6]

Соответствующие явления

Штарковское расщепление в водород. Собственные значения энергии штарковских сдвигов показаны здесь как функция электрическое поле сила.

Улавливание радиации в атомном линейном фильтре может серьезно повлиять на производительность и, следовательно, на настройку ALF. В первоначальных исследованиях атомных линейных фильтров в 1970-х и начале 1980-х было «большое завышение [ширины полосы сигнала]». Позже было изучено, проанализировано улавливание радиации и оптимизированы ALF для его учета.[21]

Во всех атомных линейных фильтрах положение и ширина резонансных линий паровой ячейки являются одними из наиболее важных свойств. Посредством Эффект Старка и Зеемановское расщепление, базовые линии поглощения могут быть расколоть в более тонкие линии. «Настройка Старка и Зеемана ... может использоваться для настройки детектора».[12] Следовательно, манипуляции с электрическими и магнитные поля может изменить другие свойства фильтра (например, сдвинуть полосу пропускания).[22]

Типы

На этой векторной графике представлена ​​абстракция методологии ALF с повторным излучением поглощения: как только узкополосный фильтр может обойти два широкополосных фильтра и создать очень точный и точный фильтр. Здесь осторожное изменение частоты падающего света может быть преобразовано в пространственный перевод. Похожая стратегия используется как в фильтрах Фарадея, так и в фильтрах Фойгта, хотя в этих фильтрах смещается поляризация света, а не частота.

Поглощение-реэмиссия

Атомный линейный фильтр с поглощением-переизлучением поглощает свет с желаемой длиной волны и излучает свет в обход широкополосных фильтров. В пассивных абсорбционно-реэмиссионных ALFs a фильтр высоких частот блокирует входящий свет с низким уровнем энергии. Паровая ячейка поглощает сигнал, который совпадает с тонкой линией поглощения пара, и атомы ячейки возбуждаются. Затем паровая ячейка повторно излучает сигнальный свет, подвергаясь воздействию флуоресценция на более низкой частоте. А фильтр нижних частот блокирует излучение выше частоты флуоресцентного света. В активном ALF оптический или же электрическая перекачка используется для возбуждения этих атомов, чтобы они поглощали или излучали свет с разными длинами волн. Для активных ALF могут потребоваться другие системы обычных фильтров.[23]

Поляризация света фильтром Фарадея.

Фильтр Фарадея

Фильтр Фарадея, магнитооптический фильтр, ФАДОФ или же EFADOF (Eцитируется Faрадай Dнапористый Отеоретический Filter) работает, вращая поляризацию света, проходящего через паровую ячейку. Это вращение происходит около его атомного линии поглощения посредством Эффект Фарадея и аномальная дисперсия. Вращается только свет на резонансной частоте пара, а поляризованные пластины блокируют другое электромагнитное излучение.[24] Этот эффект связан с Эффект Зеемана, или расщепление атомных линий поглощения в магнитном поле.[25][26] Свет на резонансной частоте пара выходит из FADOF около своей исходной силы, но с ортогональной поляризацией.

Следуя законам, управляющим эффектом Фарадея, вращение целевого излучения прямо пропорционально силе магнитного поля, ширине паровой ячейки и Постоянная Верде (что зависит от температура клетки, длина волны света, а иногда и интенсивности поля)[27] пара в ячейке. Эта связь представлена ​​следующим уравнением:

[28]

Фильтр фойгта

Фильтр Фойгта представляет собой фильтр Фарадея, магнитное поле которого смещено перпендикулярно направлению света и под углом 45 ° к поляризации поляризованных пластин.[29] В фильтре Фойгта паровая ячейка действует как полуволновая пластина, задерживая одну поляризацию на 180 ° на Эффект Фойгта.[19]

Общие компоненты

Схема частей фильтра Фарадея. В фильтре Фойгта магнитное поле будет повернуто на 90 градусов. Обратите внимание, что две пластины поляризатора перпендикулярны по направлению поляризации.

Перед атомным линейным фильтром может быть коллиматор, который выпрямляет падающие световые лучи для последовательного прохождения через остальную часть фильтра; однако коллимированный свет не всегда необходим.[8][30] После коллиматора фильтр верхних частот блокирует почти половину падающего света (слишком длинноволнового). В фильтрах Фарадея и Фойгта первый поляризационная пластина здесь используется для блокировки света.

Следующим компонентом атомарного линейного фильтра является паровая камера; это общее для всех атомарных сетевых фильтров. Он либо поглощает и повторно излучает падающий свет, либо вращает его поляризацию за счет эффекта Фарадея или Фойгта. За паровой ячейкой следует фильтр нижних частот, предназначенный для блокирования всего света, который не пропускал первый фильтр, за исключением света определенной частоты, исходящего от флуоресценции. В фильтрах Фарадея и Фойгта здесь используется вторая поляризационная пластина.

Для практичности другие системы могут использоваться вместе с остальной частью атомного линейного фильтра. Например, поляризаторы, используемые в фактическом фильтре Фарадея, не блокируют большую часть излучения, «потому что эти поляризаторы работают только в ограниченной области длин волн ... широкополосный интерференционный фильтр используется вместе с фильтром Фарадея».[19] Полоса пропускания интерференционного фильтра может быть в 200 раз больше, чем у фактического фильтра.[20] Фотоумножители также часто используются для увеличения интенсивности выходного сигнала до приемлемого уровня. Лавина фотоумножители, которые более эффективны, могут использоваться вместо PMT.[2][8]

Паровая ячейка

Хотя каждая реализация каждого типа ALF отличается, паровая ячейка в каждом относительно схожа. Термодинамические свойства паровых ячеек в фильтрах тщательно контролируются, потому что они определяют важные качества фильтра, например необходимую силу магнитного поля.[31] Свет попадает в эту паровую камеру и выходит из нее через два окна с низким уровнем отражения, изготовленные из такого материала, как фторид магния. Другие стороны ячейки могут быть из любого непрозрачного материала, но обычно из термостойкого металл или же керамика используется, так как пар обычно поддерживается при температуре выше 100 ° C.

Большинство паровых ячеек ALF используют щелочных металлов из-за высокого давления пара; многие щелочные металлы также имеют линии поглощения и резонанс в желаемых спектрах.[29] Обычные материалы паровых ячеек: натрий, калий и цезий. Обратите внимание, что неметаллических пары, такие как неон может быть использовано.[18][32] Поскольку первые квантовые счетчики использовали твердое состояние ионы металлов в кристаллах, можно предположить, что такая среда может быть использована в современных ALF. По-видимому, этого не делается из-за превосходства в этом качестве атомарных паров.[12]

Приложения

[Атомные линейные фильтры] идеально подходят для приложений, в которых слабые лазерные сигналы обнаруживаются на непрерывном фоне.[2]

Атомные линейные фильтры чаще всего используются в лидарах и других упражнениях по отслеживанию и обнаружению лазеров, поскольку они способны фильтровать дневной свет и эффективно распознавать слабые узкополосные сигналы; однако их можно использовать для фильтрации земных тепловой фон,[33] измерение эффективности антибиотики[34] и общие приложения для фильтрации.

Чертеж приемной части системы лазерного слежения из США 5202741 

Лазерное слежение и связь

Без атомного линейного фильтра лазерное отслеживание и связь могут быть затруднены. Обычно, усиленное устройство с зарядовой связью Камеры необходимо использовать вместе с простыми диэлектрическими оптическими фильтрами (например, интерференционными фильтрами) для обнаружения лазерного излучения на расстоянии. ПЗС-матрицы с усилением неэффективны и требуют использования импульсного лазерного излучения в видимом спектре. Благодаря превосходной системе фильтрации ALF, неусиленный CCD может использоваться с непрерывная волна лазер более эффективно. «[Атомные линейные фильтры] с полосой пропускания около 0,001 нм были разработаны для улучшения подавления фона лазерных приемников с традиционной фильтрацией».[3] Общее энергопотребление последней системы «в 30-35 раз меньше», чем у первой,[35] поэтому были предложены и разработаны возможности космической, подводной и быстрой лазерной связи с ALF.[2][29]

ЛИДАР

ЛИДАР включает в себя запуск лазеров в соответствующих частях атмосферы, где свет рассеянный назад. Анализируя отраженный лазерный луч на Доплеровские сдвиги, могут быть вычислены скорости ветра и направления ветра в целевой области. Тепловая структура, суточные / полусуточные приливы, и сезонные колебания мезопауза Таким образом, регион может быть изучен. Это ценный факультет для метеорологи и климатологи, поскольку эти свойства могут быть значительными.[5]

Однако без возможности эффективного отслеживания слабых лазерных сигналов сбор данных об атмосфере будет ограничен временем дня, когда электромагнитное излучение солнца не заглушает сигнал лазера. Добавление атомного линейного фильтра к оборудованию LIDAR эффективно фильтрует помехи для сигнала лазера до точки, где данные LIDAR могут быть собраны в любое время дня.[5] В течение последнего десятилетия для этого использовались фильтры Фарадея. Следовательно, сегодня ученые знают о средней атмосфере Земли значительно больше, чем до появления FADOF.[36][37]

Смотрите также

Рекомендации

Библиография

  • Бас, Майкл (1995), Справочник по оптике, II, МакГроу-Хилл, ISBN  0-07-047974-7
  • Endo, T .; Yabuzaki, T .; Китано, М .; Сато, Т .; Огава, Т. (1978), "Синхронизация частоты непрерывного лазера на красителях с линиями поглощения неона фильтром Фарадея", Журнал IEEE по квантовой электронике, QE-14 (12): 977–982, Bibcode:1978IJQE ... 14..977E, Дои:10.1109 / JQE.1978.1069734.
  • Gelbwachs, Jerry A .; Кляйн, Кристофер Ф .; Вессел, Джон Э. (1977), "Обнаружение инфракрасного излучения квантовым счетчиком атомных паров", Журнал IEEE по квантовой электронике, QE-14 (2): 77–79.
  • Gelbwachs, Jerry A .; Кляйн, Кристофер Ф .; Вессел, Джон Э. (1979), "Штарковская настройка квантового счетчика атомного пара", Журнал IEEE по квантовой электронике, QE-16 (2): 137–142.
  • Гелбвакс, Джерри А. (1988), "Фильтры атомного резонанса", Журнал IEEE по квантовой электронике, QE-24 (7): 1266–1277, Bibcode:1988IJQE ... 24.1266G, Дои:10.1109/3.963.
  • Гудвин, Д. В. (1974), Достижения квантовой электроники, 1, Лондон и Нью-Йорк: Academic Press.
  • Хёффнер, Йозеф; Фрике-Бегеманн, Корд (2005), "Точные лидарные температуры с узкополосными фильтрами", Письма об оптике, 30 (8): 890–892, Bibcode:2005OptL ... 30..890H, Дои:10.1364 / OL.30.000890, PMID  15865389.
  • Menders, J .; Сирси, Пол; Росс, Дэвид; и другие. (1993), "Закрытый синий цезиевый атомный линейный фильтр Фарадея", Технический отчет NASA Sti / Recon A, 95: 254, Bibcode:1993STIA ... 9587745M.
  • Oehry, Bernard P .; Шупита, Вальтер; Суметсбергер, Бриджит (1994), "Экспериментальная оценка атомного линейного фильтра для космического применения", Proc. SPIE, 2310: 51–62, Bibcode:1994SPIE 2310 ... 51O, Дои:10.1117/12.195873, S2CID  95854459.
  • Попеску, Александру; Вальтер, Томас (2005), "О возможностях оптического фильтра с аномальной дисперсией Фарадея в качестве краевых фильтров высокого разрешения", Лазерная физика, 15 (1): 55–60.

Патенты

  • Патент США 5029999, Кремер, Ричард и Кореваар, Эрик, "Лазерное радарное устройство", опубликовано 9 июля 1991 г., выпущено 9 июля 1991 г., присвоено Thermo Electron Tech 
  • Патент США 5202741, Снайдер, Джеймс Дж., «Система активной визуализации с фильтром Фарадея», опубликовано 13 апреля 1993 г., выпущено 13 апреля 1993 г., передано US Energy. 
  • Патент США 5513032, Биллмерс, Ричард I; Contarino, Vincent M & Allocca, David M et al., "Оптический фильтр Фарадея с активной накачкой", опубликовано 30 апреля 1996 г., опубликовано 30 апреля 1996 г., присвоено Армия США 
  • Патент США 5573927, Нельсон, Уилфред Х, "Тест на чувствительность к антибиотикам", опубликовано 12 ноября 1996 г., опубликовано 12 ноября 1996 г. 
  • Патент США 5710652, Блум, Скотт H; Кореваар, Эрик и Чан, Виктор и др., "Лазерный приемопередатчик и система связи", опубликовано 20 января 1998 г., выпущено 20 января 1998 г., передано Trex Communications 
  • Патент США 5731585, Мендерс Джеймс Х и Кореваар, Эрик, "Фильтр Фойгта", опубликовано 24 марта 1998 г., опубликовано 24 марта 1998 г., передан Thermotrex Corp. 
  • Патент США 7058110, Чжао, Чжун-Цюань; Лефевр, Майкл Джозеф и Лесли, Даниэль Х, "Атомные линейные фильтры в возбужденном состоянии", опубликовано 06.06.2006, выпущено 06.06.2006, передано Trex Enterprises Corp. 

дальнейшее чтение

  • Х. Чен, М. А. Уайт, Д. А. Крюгер и С. Ю. Ше. Дневные измерения температуры мезопаузы с помощью натриево-пародисперсионного фильтра Фарадея в лидарном приемнике. Опт. Письма, 21 (15): 1093 № 5, 1996.
  • Х. Чен, К. Й. Ше, П. Сирси и Э. Кореваар. Натриево-паровой дисперсионный фильтр Фарадея. Optics Letters, 18: 1019–1, июнь 1993 г.