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原子線濾波器

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喬納斯·赫丁設計、製作並拍照的鉀法拉第濾波器，用在阿雷西博天文台的日間光學雷達測量[1]

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，而且信號損失極小。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。[2]

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[3]。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」，另外兩種大多採用全稱「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，除特定頻率能通過外，其他光線都被阻擋。[4]

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信號（幾乎都是激光）的科學應用中使用，如果沒有這樣的設備，窄帶信號就會被日光之類寬帶信息源遮擋[3]。除光學雷達經常使用外，人們還在研究原子線濾波器對激光通訊系統的潛在用途[5]。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，實現抑制強烈背景信息源，檢測弱信號的目的[6]。與同屬高端濾光器的法布里－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[7][8]。

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（Joseph Weber）理論設計的量子力學放大器，能以極小噪音檢測紅外線輻射[9][10]。X射線和伽馬射線放大器實現零自發輻射後，韋伯認為可以將技術應用到紅外光譜。布隆伯根詳細描述這種設備，並稱為「紅外量子計數器」。[11]

無論X射線放大器、伽馬射線放大器還是紅外量子計數器，使用的介質都是晶體和過渡金屬離子雜質，吸收低能量光並重新發射成可見光[11]。到20世紀70年代，人類又在「原子蒸氣量子計數器」中使用原子蒸氣檢測紅外電磁輻射，因為這種方式比之前使用金屬鹽和晶體效果更好[12]。

接下來，科學家利用紅外線放大器的基本工作原理開發被動鈉原子線濾波器[13]。這種設計及緊隨其後的設計尚欠成熟，量子效率都很低，響應速度慢。由於這便是原子線濾波器的原始設計，許多文獻便專門用「原子線濾波器」代指吸收－再發射原子線濾波器。1977年，傑里·吉爾布瓦克斯（Jerry A. Gelbwachs）、克里斯托弗·克萊因（Christopher F. Klein）和約翰·韋塞爾（John E. Wessel）制出第一台主動原子線濾波器。[2]

法拉第濾波器在1978年前面世，與當時的吸收－再發射原子線濾波器相比「進步顯著」[3]。1992年8月26日，詹姆斯·H·門德斯（James H. Menders）和埃里克·科雷瓦（Eric J. Korevaar）獲得福格特濾波器專利[14]，比之前兩種濾波器更先進。福格特濾波器更加緊湊，「很容易設計成與永磁體一起使用」。[3]1996年，法拉第濾波器已開始結合光學雷達使用[3]。

特徵

原子線濾波器的技術定義是「超窄帶、大接收角的各向同性濾光器」，其中「超窄帶」指能夠通過設備的狹窄頻率範圍，原子線濾波器的通頻帶大多在0.001納米量級。大接收角指設備的接收角很大（接近180°），是原子線濾波器的重要參數；光線以一定角度射入基於反射層和折射層間距工作的傳統電介質濾光器時，有效間隔會發生變化。[2]

濾波器的確切參數（溫度、磁場強度、波長等）能按具體需要調整。由於系統結構極其複雜，各項參數需用計算機計算。[15]

輸入/輸出

原子線濾波器能在電磁波譜的紫外線、可見光和紅外線頻率範圍工作[2]。吸收－再發射原子線濾波器工作時必須改變光線頻率，被動設備還需轉至低頻（即紅移）來節約能源，這也導致被動設備通常無法在紅外線頻率工作，因為輸出頻率太低，已經沒有意義。如果配合光電倍增管，那麼「原子共振濾波器的輸出波長應該能夠保持在特定光譜區，確保商用、大範圍、長壽命的光電倍增管能保持最高靈敏度」。[13]這類應用下，主動原子線濾波器功能更便捷，比被動原子線濾波器更具優勢，「產生接近紫外線的輸出波長，這樣的光譜區能讓功能完善的光電倍增管保持最高靈敏度」[16]。

被動原子線濾波器的輸入頻率幾乎必須完全對應蒸氣室的自然吸收光譜線，主動原子線濾波器遠比被動設備靈活，但激發的蒸氣會促使設備吸收其他頻率的光[17][18]。

響應時間和傳輸效率

吸收－再發射原子線濾波器的響應時間直接影響光源向接收器傳送信息的速率，所以最小響應時間是這類原子線濾波器的重要特徵。吸收－再發射原子線濾波器的響應時間很大程度上取決於蒸氣室內已激發原子的自發衰減。傑里·蓋布瓦克斯曾於1988年記載：「通常快速自發發射時間約為30納秒，說明信息傳送速率上限約為30兆赫茲。」[16]

人類想方設法縮短原子線濾波器的響應時間。20世紀80年代後期，人們已經開始用某些氣體來催化蒸氣室電子衰減。1989年，埃里克·科雷瓦（Eric Korevaar）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。[3]憑藉這些手段，人類已經輕易達到千兆赫茲的傳輸效率[16]。

效用

效率

鉀法拉第色散濾光器的相對波長傳送圖，中間的D1過渡位是770.1093納米。傳送圖僅針對單極化，表明最大傳送率為0.5。粉紅色突出顯示部分通常代表傳送光譜，圖上沒有顯示光損耗

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[2]。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」[19]。法拉第濾波器的通頻帶通常為數GHz[17]，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、濾鏡和窗口反射或吸收。[20]

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。[6]

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帶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。[6]

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（又稱「噪音」）的問題，例如與濾波器工作過程和信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帶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，還可能產生設備用來檢測的輻射。[16]

主動原子線濾波器沒有「狀態選擇」功能，所以比被動設備更容易產生噪音，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[6]。

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納米，寬帶濾波器足以阻擋，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，然後傳遞至輸出傳感器[6]。

關聯現象

氫的斯塔克分裂，斯塔克位移的能量本徵值在此用於顯示電場強度

輻射俘獲效應可能嚴重影響原子線濾波器性能，所以需要調整設備。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信號帶寬。研究、分析輻射俘獲效應並優化設備後，情況顯著改觀。[21]

蒸氣室共振線的位置和寬帶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。」[12]因此，操縱電場和磁場可能會改變濾波器的其他特徵（即造成帶通變更）[22]。

類型

吸收－再發射原子線濾波器工作原理抽象向量圖，顯示窄帶光線如何通過兩個寬帶濾光鏡，製成非常精準的濾波器。在此細緻操控光源頻率可能實現空間平移，法拉第濾波器和福格特濾波器都採用類似原理，不過這兩種濾波器不改變光線頻率，而是改變偏振方向

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帶濾光鏡的光，其中被動機型用高通濾波器阻擋所有低能量入射光，蒸氣室吸收的信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信號。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。[23]

法拉第濾波器的光偏振

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。[24]這種現象與塞曼效應（即原子吸收線在有磁場存在時會發生分裂）有關並受其影響增強[25][26]。

目標輻射偏振的旋轉角與多個因素緊密相關，如磁場強度、蒸氣室寬度、室內蒸氣的韋爾代常數（由蒸氣室溫度、光線波長決定，有時還受磁場強度影響[27]）。關係方程如下：

[28]

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[29]。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°[19]。

通用部件

法拉第濾波器分解圖。福格特濾波器需將磁場旋轉90度。注意兩個偏振片與偏振方向垂直

光線通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通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。[8][30]

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……（所以將）寬帶干擾濾波器和法拉第濾波器結合使用」。[19]干擾濾波器的帶通可以達到實際濾光器的兩百倍[20]。光電倍增管也經常用於將輸出信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[2][8]。

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設備品質休戚與共，所以受到嚴格控制（如確保磁場的必要強度）[31]。光線通過氟化鎂之類材料製成的低反向窗口進出蒸氣室，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[29]。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[18][32]。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。[12]

應用領域

原子線濾波器能夠有效濾除日光，識別微弱的窄帶信號，所以在光學雷達與其他激光跟蹤和檢測應用中最為常見。這種設備還能用於過濾地球的熱背景[33]，檢測抗生素藥效或充當通用過濾器[34]。

激光跟蹤系統接收器端圖紙[35]

激光跟蹤與通訊

如果沒有原子線濾波器，激光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（如干擾濾波器）來遠程檢測激光發射。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激光傳輸。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激光。人類已經制出帶通約為0.001納米的原子線濾波器，改善經過傳統過濾後激光接收器的背景抑制。[3]新系統總能耗僅為老版本的三十到三十五分之一[36]，所以人們已經提出並開發結合原子線濾波器並支持空基、水下通訊的敏捷激光通訊應用[2][29]。

星火光學靶場光學雷達發射激光

光學雷達

更多資訊：光學雷達

光學雷達向大氣的相應位置發射激光，然後分析反向散射回來激光束的多普勒頻移，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，以及晝夜或半日周期的潮汐規律。這些信息對氣象學和氣候學舉足輕重。[5]

如果無法有效追蹤微弱的激光信號，每天大氣數據的收集就只能局限在太陽電磁輻射尚未淹沒激光信號之時。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數據。[5]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了解遠超原子線濾波器發明以前[37][38]。

參見

腳註

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  36. ^ US 5202741 
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參考文獻

專利

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  • US patent 5202741,Snyder, James J,「Active Imaging System with Faraday Filter」,發表於1993-04-13,發行於1993-04-13,指定於US Energy 
  • US patent 5513032,Billmers, Richard I; Contarino, Vincent M & Allocca, David M et al.,「Actively pumped faraday optical filter」,發表於1996-04-30,發行於1996-04-30,指定於United States Army 
  • US patent 5573927,Nelson, Wilfred H,「Antibiotic susceptibility test」,發表於1996-11-12,發行於1996-11-12 
  • US patent 5710652,Bloom, Scott H; Korevaar, Eric & Chan, Victor et al.,「Laser communication transceiver and system」,發表於1998-01-20,發行於1998-01-20,指定於Trex Communications 
  • US patent 5731585,Menders James H & Korevaar, Eric,「Voigt filter」,發表於1998-03-24,發行於1998-03-24,指定於Thermotrex Corp 
  • US patent 7058110,Zhao, Zhong-Quan; Lefebvre, Michael Joseph & Lesli, Daniel H,「Excited state atomic line filters」,發表於2006-06-06,發行於2006-06-06,指定於Trex Enterprises Corp 

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