原子線濾波器

原子線濾波器是物理科學中用於過濾電磁輻射的高效光學帶通濾波器，工作過程精準，而且訊號損失極小。原子線濾波器的工作原理是吸收或共振原子蒸氣光譜線，所以也稱原子共振濾波器。原子線濾波器主要分三大類：吸收－再發射原子線濾波器、法拉第濾波器，以及福格特濾波器。吸收－再發射濾波器的面世時間最早，所以通常簡稱“原子線濾波器”，另外兩種大多采用全稱“法拉第濾波器”和“福格特濾波器”。原子線濾波器可以根據不同需求採用不同設計和工作機制，但基本策略相同：利用金屬蒸氣狹窄的吸收譜線或共振譜線來過濾光，除特定頻率能透過外，其他光線都被阻擋。原子線濾波器在光學上可以起到鎖相放大器的作用，通常在需要有效檢測窄帶訊號的科學應用中使用，如果沒有這樣的裝置，窄帶訊號就會被日光之類寬頻資訊源遮擋。除光學雷達經常使用外，人們還在研究原子線濾波器對鐳射通訊系統的潛在用途。與干擾濾波器和利奧濾光器之類常規電介質濾光器相比，原子線濾波器效果最為理想，但因結構更加複雜導致只能在抑制背景的檢測環境中使用，實現抑制強烈背景資訊源，檢測弱訊號的目的。與同屬高階濾光器的法布里－珀羅干涉儀相比，法拉第濾波器更加堅固耐用，而且1.5萬美元的單價只有前者六分之一。歷史.原子線濾波器的前身是20世紀50年代尼古拉斯·布隆伯根設計的紅外量子計數器，是根據約瑟夫·韋伯設計出“快速原子線濾波器”，能在沒有感光板的情況下檢測發出的熒光。憑藉這些手段，人類已經輕易達到千兆赫茲的傳輸效率。效用.效率.原子線濾波器本質上是非常高效的濾光器，通常屬“超高品質”類，品質因子在105到106範圍。這一定程度上是因為“交叉偏振片……能夠以優於10−5的抑制比阻擋背景光”。法拉第濾波器的通頻帶通常為數--，總輸出可能在總輸入光強度的一半左右。光損耗由不夠完善的透鏡、濾鏡和視窗反射或吸收。帶通.原子線濾波器帶通一般和蒸氣室多普勒輪廓相等，頻率就在純光源能激發蒸氣室的自然範圍。多普勒輪廓指蒸氣室因分子運動影響發射的多普勒頻移輻射光譜寬度，該數值在原子偏大、溫度偏低時偏小，這樣的系統更為理想。部分因素會導致實際情況與上述不符，如果能確保傳送光譜寬頻大於多普勒增寬效果就更理想。以追蹤快速加速的目標為例，原子線濾波器的帶通必須在反射光最大和最小值範圍內。目前公認的帶通提升法是向蒸氣室輸入惰性氣體，這樣不但能加寬光譜線，還能提升濾波器傳送效率。噪音源.原子線濾波器雖然效率很高，但還遠非完美，存在許多會導致錯誤的問題，例如與濾波器工作過程和訊號光源強度無關的電磁輻射。原子線濾波器本身及其內部的熱輻射產生噪音，部分熱輻射直接由濾波器產生，而且正好在第二道寬頻濾光器的帶通範圍內。如果濾波器的輸出設定在紅外線範圍，就會因為絕大多數熱輻射都在紅外光譜範圍內而出現更多噪音。這些熱輻射可能會激發蒸氣，還可能產生裝置用來檢測的輻射。主動原子線濾波器沒有“狀態選擇”功能，所以比被動裝置更容易產生噪音，持續的輸入可能意外激發錯誤光線擊中的原子直達能量臨界點，進而自發發出輻射。原子吸收或共振線激發非目標波長，也會產生噪音，雖然多數“附近”躍遷產生的波長至少距目標十奈米，寬頻濾波器足以阻擋，但目標吸收線的精細和超精細結構可能吸收不正確的光譜頻率，然後傳遞至輸出感測器。關聯現象.輻射俘獲效應可能嚴重影響原子線濾波器效能，所以需要調整裝置。20世紀70年代至80年代初，人類利用原子線濾波器開展的原始研究嚴重高估訊號頻寬。研究、分析輻射俘獲效應並最佳化裝置後，情況顯著改觀。蒸氣室共振線的位置和寬頻是所有原子線濾波器最重要的特徵。受斯塔克效應和塞曼分裂影響，基準吸收線可能“分裂”至更細，“可以利用這種效果來調諧檢測器。”因此，操縱電場和磁場可能會改變濾波器的其他特徵。型別.吸收－再發射原子線濾波器.吸收－再發射原子線濾波器吸收所需波長的光後發射能繞過寬頻濾光鏡的光，其中被動機型用高通濾波器阻擋所有低能量入射光，蒸氣室吸收的訊號與蒸氣中的極細吸收線重合，室內原子隨即激發。接下來蒸氣室經過更低頻率的熒光再發射光訊號。另外還有低通濾波器阻擋高於熒光頻率的輻射。主動機型利用光泵和電泵作用激發原子吸收或發射不同波長的光。主動原子線濾波器可能需要其他傳統濾光器系統配合。法拉第濾波器.法拉第濾波器又名磁光濾波器、法拉第色散濾光器或激發法拉第色散濾光器，工作原理是用蒸氣室旋轉光的偏振。這種旋轉是因法拉第效應和異常色散效應，在原子吸收線附近發生，只旋轉具有蒸氣室共振頻率的光，而其他頻率的電磁輻射則由偏振板阻擋。這種現象與塞曼效應有關並受其影響增強。目標輻射偏振的旋轉角與多個因素緊密相關，如磁場強度formula_1、蒸氣室寬度formula_2、室內蒸氣的韋爾代常數formula_3。關係方程如下：formula_4福格特濾波器.福格特濾波器是在法拉第濾波器的基礎上把磁場偏移至與光方向垂直，而與偏振片的偏振成45°角。福格特濾波器中的蒸氣室相當於半波片，在福格特效應影響下把偏振延緩180°。通用部件.光線透過原子線濾波器前可能需要經過準直儀，用於矯直入射光線，確保光線接下來能夠透過濾波器的其他部分，但部分情況下也可能不需要準直儀。準直儀後的高通濾波器能阻擋近波長太長的入射光，約佔到全部入射光的一半。法拉第和福格特濾波器則用第一塊偏振片阻擋不符要求的入射光。出於實用角度考慮，人們還將其他系統結合原子線濾波器的其餘部分使用。例如，法拉第濾波器使用的偏光片實際上已經不會阻擋大部分輻射，“因為這些偏光片只能在有限的波長範圍內工作……寬頻干擾濾波器和法拉第濾波器結合使用”。干擾濾波器的帶通可以達到實際濾光器的兩百倍。光電倍增管也經常用於將輸出訊號強度提升到可用水平。雪崩光電二級管效率更高，能夠取代光電倍增管使用。蒸氣室.雖然每種原子線濾波器的工作原理不盡相同，但配備的蒸氣室都很相似。濾波器蒸氣室的熱力學特徵與裝置品質休慼與共，所以受到嚴格控制。光線透過氟化鎂之類材料製成的低反向視窗進出蒸氣室，蒸氣室的其他各面可以用任何不透明的材料，但考慮到蒸氣室的溫度通常超過100°C，所用的不透明材料一般是耐熱金屬或陶瓷。原子線濾波器需要很高的蒸氣室氣壓，所以大部分蒸氣源是鹼金屬，許多鹼金屬還擁有所需光譜的吸收線和共振頻率。常見的蒸氣源金屬包括鈉、鉀和銫，還可能用到氖這樣的非金屬蒸氣。早期的量子計數器使用晶體中的固態金屬離子，這樣的材料應該也能在各種現代原子線濾波器上使用，但估計是因原子蒸氣效果更好，還沒有人嘗試使用晶體。應用領域.原子線濾波器能夠有效濾除日光，識別微弱的窄帶訊號，所以在光學雷達與其他鐳射跟蹤和檢測應用中最為常見。這種裝置還能用於過濾地球的熱背景，檢測抗生素藥效或充當通用過濾器。鐳射跟蹤與通訊.如果沒有原子線濾波器，鐳射跟蹤與通訊可能非常困難。增強型感光耦合元件相機必須結合簡單的電介質濾光器來遠端檢測鐳射發射。增強型感光耦合元件的效率不足，而且必須結合可見光譜範圍內的脈衝鐳射傳輸。藉助原子線濾波器的優異過濾系統，普通感光耦合元件都能使用更有效率的連續波鐳射。人類已經制出帶通約為0.001奈米的原子線濾波器，改善經過傳統過濾後鐳射接收器的背景抑制。新系統總能耗僅為老版本的三十到三十五分之一，所以人們已經提出並開發結合原子線濾波器並支援空基、水下通訊的敏捷鐳射通訊應用。光學雷達.光學雷達向大氣的相應位置發射鐳射，然後分析反向散射回來鐳射束的多普勒頻移，目標區域的風速、風向可能也要計算。由此可以研究熱結構、中間層的季節變化，以及晝夜或半日週期的潮汐規律。這些資訊對氣象學和氣候學舉足輕重。如果無法有效追蹤微弱的鐳射訊號，每天大氣資料的收集就只能侷限在太陽電磁輻射尚未淹沒鐳射訊號之時。在光學雷達上增加原子線濾波器能有效濾除干擾，確保任何時間都能收集資料。人類已經使用法拉第濾波器配合光學雷達超過十年，科學家在此期間對地球中層大氣的瞭解遠超原子線濾波器發明以前。專利.擴充套件閱讀.