Filtru de rezonanță atomică
Această intrare sau secțiune despre subiectul fizicii nu citează sursele necesare sau cei prezenți sunt insuficienți . |
Un filtru de rezonanță atomică (ARF) este un filtru avansat de trecere a benzii atomice utilizat în științele fizice pentru a filtra radiațiile electromagnetice cu precizie, acuratețe și pierderi minime de intensitate a semnalului de intrare.
Filtrele de rezonanță atomică funcționează cu liniile de absorbție sau rezonanță ale vaporilor atomici și astfel pot fi numite și filtre de linie atomică (ALF).
Cele trei tipuri principale de filtre de rezonanță atomică sunt filtre de spectru de absorbție și emisie de rezonanță, filtre Faraday și filtre Voigt. Absorbția prin rezonanță și filtrele de radiații au fost primele dezvoltate și, prin urmare, sunt denumite pur și simplu pur și simplu filtre de rezonanță atomică; celelalte două tipuri sunt pur și simplu recunoscute ca filtre Faraday și filtre Voigt .
Filtrele de rezonanță atomică utilizează mecanisme și modele diferite pentru diferite aplicații, dar aceeași strategie de bază este întotdeauna utilizată: profitând de liniile înguste ale unui spectru de absorbție a unui metal vaporizat, o frecvență specifică a luminii poate ocoli o serie de filtre care blochează toate celelalte frecvențe.
Filtrele de rezonanță atomică pot fi considerate echivalentele optice ale amplificatoarelor de blocare; acestea sunt utilizate în aplicații științifice care necesită detectarea eficientă a semnalelor de bandă îngustă (aproape întotdeauna lumini laser ) care altfel ar fi ascunse de surse de bandă largă, cum ar fi lumina zilei. Acestea sunt utilizate în mod regulat în sistemele Lidar ( Laser Imaging Detection and Ranging ) și sunt studiate pentru utilizarea lor posibilă în sistemele de comunicații laser.
Filtrele de rezonanță atomică sunt superioare filtrelor optice dielectrice convenționale, cum ar fi filtrele de interferență și birefringența sau filtrele de polarizare Lyot , dar complexitatea lor mai mare le face viabile doar în detecțiile împiedicate de fundal, unde un semnal slab este detectat în timp ce fundalul puternic este suprimat. Comparativ cu Fabry-Perot Etelon , un alt filtru optic de înaltă definiție, filtrele Faraday sunt semnificativ mai robuste și pot fi de șase ori mai ieftine: aproximativ cincisprezece dolari fiecare.
Istorie
Predecesorul filtrelor de rezonanță atomică a fost contorul cuantic cu infraroșu, proiectat în anii 1950 de Nicolaas Bloembergen . Acesta a fost un amplificator mecanic cuantic teorizat de Joseph Weber pentru a detecta radiațiile infraroșii cu zgomot de fond foarte scăzut. Amplificatoarele cu raze X și Gamma funcționau deja fără nicio emisie spontană și Weber s-a gândit să transpună acest potențial în spectrul infraroșu.
Mijloacele acestor dispozitive erau cristale cu impurități ionice ale metalelor de tranziție [ Neclară ] , care absorb lumina cu energie redusă și o re-emit în zona vizibilă. În anii 1970, vaporii atomici erau folosiți în contoare cuantice pentru detectarea radiației electromagnetice în infraroșu, deoarece erau recunoscuți ca superiori sărurilor metalice și cristalelor care au fost utilizate până acum.
Principiile utilizate până acum în amplificarea în infraroșu au fost transmise către un filtru pasiv de linie atomică de sodiu. Acest proiect și cele care au urmat imediat au fost rudimentare și au suferit de o eficiență cuantică scăzută și de un timp de răspuns lung. Deoarece acesta a fost designul original al filtrelor de rezonanță atomică, multe referințe folosesc doar denumirea filtrului de linie atomică pentru a descrie în mod specific structura de absorbție / iradiere. În 1977, Gelbwachs, Klein și Wessel au creat primul filtru de linie atomică activ, primul filtru de rezonanță atomică.
Proprietate
O definiție tehnică a unui filtru de rezonanță atomică ar putea fi: izotrop, bandă ultra-îngustă, filtru optic cu unghi larg de acceptare. „Banda ultra-îngustă” caracterizează o gamă subțire de frecvențe pe care un ALF le poate accepta; un ALF are, în general, o bandă de frecvență de trecere de ordinul a 0,001 nm (10 -9 m). O altă caracteristică importantă a acestor dispozitive este unghiul larg de acceptare (aproape de 180º); de fapt, filtrele dielectrice convenționale bazate pe distanța dintre straturile reflectante sau refractare variază distanța lor efectivă atunci când lumina pătrunde unghiular.
Parametrii exacți ai fiecărui filtru (temperatura, intensitatea câmpului magnetic, lungimea etc.) pot fi adaptați la aplicații specifice. Acești parametri sunt dimensionați cu calculatoare pentru complexitatea sistemelor.
Ieșire de intrare
Filtrele de rezonanță atomică pot funcționa în regiunile ultraviolete, vizibile și în infraroșu ale spectrului electromagnetic. În filtrele ALF de absorbție / emisie rezonantă, frecvența luminii trebuie schimbată pentru ca filtrul să funcționeze, iar într-un dispozitiv pasiv, această deplasare trebuie să aibă loc la frecvențe mai mici prin prima lege a termodinamicii . Aceasta înseamnă că filtrele pasive sunt rareori potrivite pentru lucrul cu lumină infraroșie, deoarece frecvența de ieșire nu ar fi în mod corespunzător scăzută. Când se utilizează tuburi fotomultiplicatoare (PMT), lungimea de undă a ALF ar trebui să se afle în regiunea spectrului în care PMT-urile comerciale au sensibilitate maximă. Într-un astfel de caz, filtrele ALF active ar depăși filtrele ALF pasive, deoarece generează cel mai ușor lungimi de undă de ieșire în regiunea spectrală apropiată de UV, unde fotocatozii bine proiectați posedă cea mai mare sensibilitate.
Într-un filtru ALF pasiv, frecvența de intrare trebuie să se potrivească aproape exact cu liniile naturale de absorbție ale celulei de abur. Cu toate acestea, ARF-urile active sunt mult mai flexibile, deoarece vaporii pot fi stimulați atât de diferit încât pot absorbi alte frecvențe de lumină.
Timpul de răspuns și viteza de transmisie
Timpul de răspuns al unui filtru de linie atomică de absorbție / emisie afectează în mod direct viteza la care informațiile sunt transmise de la sursa de lumină la receptor. Prin urmare, un timp minim de răspuns este o proprietate importantă a acestor ALF. Timpul de răspuns al unui astfel de ALF depinde în mare măsură de descompunerea spontană a atomilor excitați din celula de vapori. În 1980, Jerry Gelbwachs a citat: „Timpii de tranziție rapidă spontană sunt de obicei de ordinul 30ns, sugerând că limita superioară a ratei de informații este de aproximativ un ordin de mărime de 30 MHz”.
Au fost dezvoltate mai multe metode pentru a reduce timpul de răspuns al ALF. Chiar spre sfârșitul anului 1980, anumite gaze au fost folosite pentru a cataliza descompunerea electronilor din celula de abur. În 1989, Eric Korevaar și-a dezvoltat designul rapid ALF, care a dezvăluit fluorescența fără plăci fotosensibile. Cu ajutorul acestei soluții, se pot obține frecvențe de ordinul gigaherz.
Eficacitate
Eficienţă
Filtrele de linie atomică sunt filtre foarte eficiente, clasificate în general ca factor de merit ultra-ridicat, deoarece Q-urile lor sunt plasate între si . Banda de trecere a unui filtru Faraday tipic poate fi de câțiva GHz: ieșirea totală a unui filtru Faraday poate fi de aproximativ 50% din intensitatea totală a luminii primite. Lumina pierdută este aceea reflectată sau absorbită de lentile, filtre și ferestre imperfecte.
Lățime de bandă
Banda de trecere a unui filtru de linie atomică este de obicei egal cu împrăștierea Doppler a celulei de vapori, gama naturală de variabilitate a frecvenței în care celula de vapori va fi excitată de o sursă de lumină monocromatică. Dispersia Doppler este reprezentată de amplitudinea deplasării de frecvență Doppler prezentă în spectrul radiației emise de celula de vapori datorită mișcării sale termice . Amplitudinea acestui spectru este mai mică, cu atomi mari și temperaturi scăzute, condiții considerate ideale.
Există unele circumstanțe în care este de dorit să se obțină o lățime de linie de tranziție mai mare decât dispersia Doppler. De exemplu, atunci când detectează un obiect care accelerează rapid, banda de trecere ALF trebuie să includă în el valori minime și maxime care să ia în considerare deplasările Doppler datorate accelerării rapide a obiectului detectat. Metoda adoptată pentru creșterea lățimii de bandă implică plasarea unui gaz inert în celula de abur. Acest gaz extinde linia spectrală pe măsură ce rata de transmisie a filtrului crește.
Surse de zgomot
Pentru toată eficiența lor, filtrele de linie atomică nu sunt perfecte; există multe surse de eroare, sau „ zgomot ”, într-un sistem dat. Acestea se manifestă ca radiații electromagnetice independente de procesul de funcționare al filtrului și de intensitatea semnalului luminos. Una dintre sursele de eroare este radiația termică din interiorul și exteriorul filtrului. O anumită radiație termică este generată direct în interiorul filtrului și se întâmplă astfel că ar putea fi conținută în trecerea în bandă largă a celui de-al doilea filtru. Se produce mai mult zgomot dacă filtrul este proiectat pentru a oferi o ieșire în domeniul infraroșu, deoarece cea mai mare parte a radiației termice se află în acel spectru. Această radiație poate excita vaporii creând radiația pe care filtrul însuși o caută în primul rând.
Filtrele de linie atomică active produc zgomot mult mai probabil decât cele pasive, întrucât cele active nu au „selectivitate de stare”, deoarece sursa de pompare poate excita accidental atomii loviți de lumina incorectă la nivelul de energie critic, radiant spontan.
Alte erori pot fi cauzate de linii de absorbție / rezonanță atomice nespecificate, cu toate acestea. În ciuda faptului că tranzițiile adiacente sunt mai departe de 10 nm (suficient de departe pentru a putea fi blocate de filtrele de bandă largă), structura fină și superfină a liniei de absorbție predeterminate poate absorbi frecvențele de lumină nedorite și le poate transmite senzorului de ieșire.
Fenomene relevante
Prinderea radiației în filtrul de linie atomică poate afecta grav performanța și, prin urmare, reglarea filtrului ALF. În studiile originale ale filtrelor de linie atomică din anii 1970 și începutul anilor 1980, a existat o supraestimare mare a lățimii de bandă a semnalului. Ulterior, captarea radiațiilor a fost studiată și analizată, iar ALF-urile au fost optimizate în consecință. În toate filtrele de linie atomică, poziția și lățimea liniilor de rezonanță ale celulei de vapori sunt printre cele mai importante proprietăți. Odată cu descompunerea efectelor Stark și Zeeman, liniile de absorbție de bază sunt extinse în linii mai subțiri. Reglarea Stark și Zeeman poate fi utilizată pentru a regla detectorul. Analiza acestui fenomen permite manipularea câmpurilor electrice și magnetice pentru a modifica proprietățile filtrelor (de exemplu, pentru a schimba banda de trecere).
Componente comune
În timp ce fiecare rafinament al fiecărui tip de ALF este diferit, camerele de vapori sunt relativ similare. Proprietățile termodinamice ale camerelor de vapori din filtre sunt controlate cu atenție deoarece determină caracteristicile importante ale filtrelor în sine, de exemplu puterea necesară a câmpului magnetic. Lumina este lăsată să intre și să iasă din camera de vapori prin două ferestre cu reflexie redusă realizate dintr-un material precum fluorura de magneziu. Celelalte părți ale camerei pot fi din orice material opac, deși metalul sau ceramica rezistente la căldură sunt utilizate în general, deoarece vaporii sunt de obicei păstrați la temperaturi peste 100 ° C.
Majoritatea camerelor de vapori filtrante folosesc metale alcaline datorită presiunilor ridicate de vapori; multe metale alcaline au, de asemenea, linii de radiație de absorbție și rezonanță în spectrul dorit. Materialele comune ale camerelor de vapori sunt sodiul, potasiul și cesiul. Rețineți că ar putea fi folosiți vapori nemetalici precum neonul. Având în vedere faptul că primele contoare cuantice foloseau ioni metalici în stare solidă în cristale, este de conceput că un astfel de mediu ar putea fi utilizat în filtrele de rezonanță atomică de astăzi. Acest lucru nu este probabil realizat datorită superiorității vaporilor atomici în acest context.
Tipuri
Absorbție / reemisie a rezonanței
Un filtru care absoarbe / radiază linia atomică absoarbe lungimile de undă ale luminii alese și trimite lumina care trece prin filtrele de bandă largă. În ALF-uri de absorbție și radiații, toată lumina de intrare cu energie scăzută este blocată de un filtru trece-sus. Camera de vapori absoarbe semnalul, care coincide cu linia subțire de absorbție a vaporilor, iar atomii camerei sunt ridicați la niveluri mai ridicate de energie. Apoi camera de vapori emite lumina semnalului ca o fluorescență de frecvență mai mică. Un filtru de trecere a benzii blochează radiația de deasupra luminii fluorescente. Într-un filtru ALF activ, pomparea optică este utilizată pentru a excita acești atomi, astfel încât să absoarbă sau să radieze lumină de diferite lungimi de undă. Pentru ALF-uri active, pot fi necesare alte sisteme de filtrare convenționale.
Filtrul Faraday
Filtrul Faraday, filtrul magnetic optic, FADOF sau EFADOF (Excite Faraday Dispersive Optical Filter) funcționează prin rotirea polarizării luminii care trece prin celula de vapori. Această rotație are loc lângă liniile de absorbție atomică prin efectul Faraday și dispersia anormală. Doar lumina de frecvență rezonantă la vapori este rotită și polarizatorii încrucișați blochează cealaltă radiație electromagnetică. Acest fenomen este legat și anunțat de efectul Zeeman, adică descompunerea liniilor de absorbție atomică în prezența unui câmp magnetic. Lumina la frecvența de rezonanță a vaporilor părăsește FADOF la o intensitate apropiată de cea originală, dar cu o polarizare ortogonală. Conform legilor care guvernează efectul Faraday, rotația radiației alese este direct proporțională cu intensitatea câmpului magnetic, amplitudinea celulei de abur și constanta Verdet (care depinde de temperatura celulei, lumina lungimii de undă și uneori intensitatea câmpului) vaporilor celulei. Această relație este reprezentată de următoarea ecuație:
Filtru Voigt
Filtrul Voigt este un filtru Faraday al cărui câmp magnetic a fost rotit cu 90 ° pentru a fi ortogonal față de direcția fasciculului de lumină și 45 ° pentru polarizarea polarizatorilor. În filtrul Voigt, camera de vapori acționează ca o folie pe jumătate de undă, întârziind polarizarea de 180 ° datorită efectului Voigt.
Aplicații
Detecții și comunicații cu laser
Fără un filtru de linie atomică, comunicațiile și detectarea cu laser pot fi dificile. În mod obișnuit, camerele cu dispozitive cuplate cu sarcină cu sensibilitate crescută sunt utilizate în combinație cu filtre optice dielectrice (de exemplu filtre de interferență) pentru a detecta emisiile laser la distanță. Dispozitivele cuplate cu încărcare îmbunătățită (CCD) sunt insuficiente și necesită utilizarea transmisiei laser pulsate în spectrul vizibil. Cu metoda de filtrare de calitate superioară a filtrelor cu linie atomică, un CCD neîmbunătățit poate fi utilizat mai eficient cu un laser cu unde continue. ALF-uri cu benzi de trecere de aproximativ 0,001 nm au fost dezvoltate pentru a îmbunătăți respingerea zgomotului de fundal al receptoarelor laser filtrate convențional. Consumul total de energie al celor mai recente sisteme este de 30/35 de ori mai mic decât cel al celor anterioare, prin urmare au fost propuse și dezvoltate sisteme simple de comunicații laser cu ALF plasate în spațiu și sub apă.
LIDAR
LIDAR (detectarea și distanțarea luminii, detectorul și localizatorul prin intermediul razelor de lumină) asigură transmisia impulsurilor laser în anumite regiuni ale atmosferei în care lumina este retrodifuzată. Analizând emisia de rezonanță a fasciculului laser, pentru a determina deplasarea Doppler, este posibil să se calculeze viteza și să se cunoască direcția vânturilor din zona luată în considerare. Este astfel posibil să se studieze structura termică, mareele solare diurne și semi-diurne și variațiile sezoniere din regiunea stratului mezopauzei. Acest potențial este de neprețuit pentru meteorologi și climatologi, deoarece astfel de proprietăți semnificative nu pot fi studiate numai cu date nocturne.
Din capacitatea de a urmări în mod eficient semnalele slabe ale laserului rezultă posibilitatea unei analize la distanță a atmosferei prin sistemele LIDAR. Cu toate acestea, majoritatea implementărilor LIDAR nu pot funcționa în timpul zilei din cauza razelor solare, care ascund semnalele laserului. Este necesar un filtru spectral cu bandă ultra-îngustă pentru a bloca fundalul soarelui. Filtrele de linie atomică sunt perfecte pentru această aplicație, astfel încât filtrele Faraday au fost utilizate pentru aceasta în ultimul deceniu. În consecință, oamenii de știință de astăzi știu mult mai multe despre atmosfera mediană a Pământului decât știau înainte de apariția filtrului optic de dispersie anomală Faraday (FADOF).
Elemente conexe
Alte proiecte
-
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre filtrul de rezonanță atomică
