원자선필터

Atomic line filter
아레시보 천문대에서 주간 LIDAR 측정을 위해 조나스 헤딘이 설계, 제작, 촬영한 칼륨 패러데이 필터.[1]

원자선 필터(ALF)는 정밀도, 정확도 및 최소 신호 강도 손실로 전자기 방사선을 필터링하는 데 물리과학에서 사용되는 보다 효과적인 광학 대역 통과 필터다.원자 라인 필터는 원자 증기의 흡수선 또는 공명선을 통해 작동하므로 원자 공진 필터(ARF)로 지정될 수도 있다.[2]

원자선 필터의 세 가지 주요 유형은 흡수 방출 ALF, 패러데이 필터, Voigt 필터다.[3]흡수-배출 필터는 최초로 개발된 유형이었고, 일반적으로 "원자선 필터"라고 불리며, 다른 두 유형은 일반적으로 "파라데이 필터" 또는 "Voigt 필터"라고 특별히 언급된다.원자선 필터는 용도에 따라 서로 다른 메커니즘과 설계를 사용하지만, 동일한 기본 전략이 항상 채택된다: 금속 증기의 좁은 흡수선이나 공명선을 활용함으로써 빛의 특정 주파수는 다른 모든 빛을 차단하는 일련의 필터를 우회한다.[4]

원자선 필터는 잠금 증폭기와 광학적으로 동등한 것으로 간주할 수 있다. 이러한 필터는 일광과 같은 광대역 소스에 의해 가려질 수 있는 협대역 신호(대부분 항상 레이저 광선)의 효과적인 탐지를 요구하는 과학 응용 프로그램에 사용된다.[3]그것들은 레이저 이미징 검출 및 범위 측정(LIDAR)에 정기적으로 사용되며 레이저 통신 시스템에서 사용될 가능성이 있는 것으로 연구되고 있다.[5]원자선 필터는 간섭필터나 류트필터 등 기존 유전체 광학필터보다 우수하지만 복잡성이 커 강한 배경을 억제하면서 약한 신호가 감지되는 백그라운드 제한 검출에만 실용적이다.[6]또 다른 고급 광학 필터인 에탈론에 비해 패러데이 필터는 훨씬 견고하며 개당 미화 약 15,000달러로 6배 더 저렴할 수 있다.[7][8]

역사

원자선 필터의 전신인 적외선 양자 계수기는 1950년대에 니콜라스 블룸버그겐에 의해 설계되었다.이것은 조셉 베버에 의해 이론화된 양자역학 증폭기로서 적외선 방사선을 거의 잡음 없이 탐지하는 것이었습니다.[9][10]X선 및 감마선 증폭기에는 자연방사능이 전혀 없었으며 웨버는 이 기술을 적외선 스펙트럼에 도입할 것으로 생각했다.블룸버그겐은 그런 장치를 자세히 설명하면서 "적외 양자 계수기"[11]라고 불렀다.

이들 장치의 매체는 전환 금속 이온 불순물이 함유된 결정체로서 저에너지 빛을 흡수하고 가시범위에서 재방출했다.[11]1970년대까지 적외선 전자파 방사 탐지를 위한 원자 증기 양자 계수기에 원자 증기가 사용되어 온 금속 염분과 결정보다 우수한 것으로 밝혀졌기 때문이다.[12]

지금까지 적외선 증폭에 사용된 원리는 수동형 나트륨 ALF로 통합되었다.[13]이 설계와 바로 뒤따르는 설계는 원시적이었으며 양자 효율이 낮고 응답 시간이 느려 어려움을 겪었다.이것이 ALF의 원래 설계였기 때문에, 많은 참고문헌들은 특별히 흡수배출 구조를 설명하기 위해 "원자선 필터"라는 명칭만 사용한다.1977년, 겔바흐스, 클라인, 웨셀은 최초의 활성 원자선 필터를 만들었다.[2]

1978년 이전에 개발된 패러데이 필터는 당시의 흡수-배출-배출 원자선 필터에 비해 "실질적인 개선"이었다.[3]1992년 8월 26일 제임스 H. 멘더스와 에릭 J. 코레바어가 특허를 낸 Voigt 필터는 더욱 진보했다.[14]Voigt 필터는 더 컴팩트하고 "영구 자석과 함께 사용하기 쉽게 설계할 수 있다".[3]1996년까지 LIDAR에 패러데이 필터가 사용되어지고 있었다.[3]

특성.

원자선 필터의 기술적 정의는 "초경락 밴드, 큰 수용각, 등방성 광학 필터"[2]이다."초경락 밴드"는 ALF가 수용할 수 있는 얇은 주파수 범위를 정의하며, 일반적으로 ALF는 0.001 나노미터의 순서에 따라 패스밴드를 가지고 있다.원자선 필터도 넓은 수용각(약 180°)을 가지고 있다.장치의 또 다른 중요한 특성이다. 반사 또는 굴절 층의 간격에 기초한 기존의 유전체 필터는 빛이 각도로 들어올 때 그 유효 간격을 변경한다.

필터의 정확한 파라미터(온도, 자기장 강도, 길이 등)는 특정 애플리케이션에 맞춰 조정할 수 있다.이 값들은 시스템의 극도로 복잡하기 때문에 컴퓨터가 계산한다.[15]

입출력

원자선 필터는 전자기 스펙트럼의 자외선, 가시 및 적외선 영역에서 작동할 수 있다.[2]흡수-배출 ALF에서는 필터가 작동하려면 빛의 주파수를 이동시켜야 하며, 수동 장치에서는 에너지 절약 때문에 이 변속이 더 낮은 주파수(즉,빨간색 변속)로 이동해야 한다.이것은 출력 주파수가 비실용적으로 낮기 때문에 패시브 필터가 적외선 빛으로 작동할 수 있는 경우는 드물다는 것을 의미한다.광전자 증배관(PMT)을 사용할 경우, "ARF의 출력 파장은 상업적, 대면적, 장수 PMT의 [sic]가 최대 감도를 갖는 스펙트럼 영역에 있어야 한다".[13]그러한 경우, 능동형 ALF는 "잘 개발된 광케이노드가 최고 민감도를 갖는 스펙트럼 영역인 가까운 UV에서 출력 파장을 생성한다"[16]는 보다 쉽게 패시브 ALF에 비해 유리할 것이다.

수동형 ALF에서 입력 주파수는 증기 셀의 자연 흡수 라인과 거의 정확하게 일치해야 한다.그러나 활성 ARF는 증기가 다른 빛의 주파수를 흡수하도록 자극될 수 있기 때문에 훨씬 더 유연하다.[17][18]

패러데이 필터와 Voigt 필터는 신호등의 주파수나 파장을 이동시키지 않는다.

응답시간 및 전송속도

흡수-배출 원자선 필터의 응답 시간은 광원에서 수신기로 전송되는 속도 정보에 직접 영향을 미친다.따라서 최소 응답 시간은 이러한 ALF의 중요한 재산이다.그러한 ALF의 응답 시간은 주로 증기 세포에서 흥분한 원자의 자발적인 붕괴에 의존한다.1988년 제리 겔바흐스는 "일반적으로 급속한 자연발생 시간은 ~ 30ns이며, 이는 정보 속도의 상한선이 약 30MHz임을 시사한다"고 인용했다.[16]

ALF의 응답 시간을 줄이는 많은 방법이 개발되었다.1980년대 후반에도 특정 가스가 증기세포의 전자의 붕괴를 촉진하기 위해 사용되었다.1989년에 에릭 코레바는 그의 Fast ALF 디자인을 개발했다. 이 디자인은 감광성 플레이트 없이 형광을 방출하는 것을 감지했다.[3]이러한 방법을 사용하면 기가헤르츠 주파수를 쉽게 얻을 수 있다.[16]

효과

효율성

770.1093nm의 D1 전환기를 중심으로 한 칼륨 FADOF에서 상대 파장에 대한 전달 그래프.그래프는 단일 분극화를 위한 것이므로 최대 전송량은 0.5이다.강조 표시된 영역은 일반적으로 FADOF의 전송 스펙트럼으로 사용된다.광학적 손실은 보이지 않는다.

원자선 필터는 본질적으로 매우 효율적인 필터로 Q 계수가 10~1056 범위에 있기 때문에 일반적으로 "초고속 Q"로 분류된다.[2]이는 부분적으로는 "교차 편광기는 10보다−5 높은 거부율로 배경 빛을 차단하는 역할을 하기 때문"[19]이다.전형적인 패러데이 필터의 패스밴드는 몇 GHz일 수 있다.[17]패러데이 필터의 총 출력은 총 입력 광도의 약 50%가 될 수 있다.잃어버린 빛은 불완전한 렌즈, 필터, 창문에 반사되거나 흡수된다.[20]

밴드 패스

원자선 필터의 대역 통과는 보통 증기 셀의 도플러 프로필과 동일하며, 이는 순수 광원에 의해 증기 셀이 흥분하는 자연적인 주파수 범위다.도플러 프로필은 열 운동으로 인해 증기 셀에서 방출되는 도플러 이동 방사선 스펙트럼의 폭이다.이 값은 낮은 온도에서 더 큰 원자의 경우에는 더 적으며, 더 이상적이라고 간주되는 시스템이다.

그렇지 않은 상황도 있고, 도플러 프로필보다 트랜스퍼 라인의 폭을 크게 하는 것이 바람직하다.예를 들어, 빠르게 가속하는 물체를 추적할 때, ALF의 대역 통과는 그 안에 반사된 빛에 대한 최대값과 최소값을 포함해야 한다.밴드 패스 증대를 위한 허용되는 방법에는 증기 셀에 불활성 가스를 넣는 것이 포함된다.이 가스는 스펙트럼 라인을 넓히고 필터의 전송 속도를 높인다.[6]

소음원

그 효율성의 모든 면에서, 원자선 필터는 완벽하지 않다; 주어진 시스템에는 많은 오류 발생원, 즉 "소음"이 있다.이것들은 필터의 작동 과정과 신호등의 강도와 무관하게 전자기 방사선으로 나타난다.한 가지 오류 발생원은 ALF 자체의 열방사선이다.일부 열 복사는 필터에서 직접 발생하며 우연히 두 번째 광대역 필터의 대역 경로 내에 있게 된다.필터가 적외선 범위의 출력을 위해 설계된 경우 열 방사선의 대부분이 해당 스펙트럼에 있기 때문에 더 많은 소음이 발생한다.이러한 방출은 수증기를 자극하여 애초에 탐지하려고 하는 방사선을 만들어 낼 수도 있다.[16]

활성 원자선 필터는 "상태 선택성"이 없기 때문에 수동형 필터보다 소음을 발생시킬 가능성이 더 높다; 펌핑 선원은 실수로 잘못된 빛에 맞은 원자를 임계 에너지 수준까지 자극하여 자연적으로 방사선을 방출할 수 있다.[6]

다른 오류는 대상이 아니지만 여전히 활성 상태인 원자 흡수/억제 라인에 의해 발생할 수 있다.대부분의 "근접한" 전환은 10나노미터 이상 떨어져 있지만(광대역 필터에 의해 차단될 만큼 충분히 멀리), 대상 흡수선의 미세하고 초미세 구조는 잘못된 빛의 주파수를 흡수하여 출력 센서로 통과할 수 있다.[6]

관련 현상

수소에서 갈라지는 스타크.스타크 교대조의 에너지 고유값은 여기에 전기장 강도의 함수로 나타난다.

원자선 필터의 방사선 트래핑은 성능에 심각한 영향을 미칠 수 있으며 따라서 ALF의 튜닝에 영향을 미칠 수 있다.1970년대와 1980년대 초 원자선 필터의 초기 연구에서는 「[신호 대역폭]의 큰 과대평가」가 있었다.이후 방사선 트랩을 연구, 분석하여 이를 설명하기 위해 ALF를 최적화했다.[21]

모든 원자선 필터에서 증기세포 공명선의 위치와 폭은 가장 중요한 성질에 속한다.스타크 효과와 지만 분할에 의해 베이스 흡수선은 더 미세한 라인으로 분할될 수 있다."스타크와 지만 튜닝...검출기(Detector)를 튜닝하는 데 사용할 수 있다.[12]결과적으로, 전기장과 자기장의 조작은 필터의 다른 특성(즉, 패스밴드 이동)을 변경할 수 있다.[22]

종류들

이 벡터 그래픽은 좁은 대역만이 두 개의 광대역 필터를 우회하여 매우 정밀하고 정확한 필터를 생성하는 방법인 흡수 재배출 ALF의 방법론을 추상화한다.여기서 들어오는 빛의 주파수의 세심한 조작이 공간적 번역으로 번역될 수도 있다.패러데이 필터와 보이트 필터 모두 유사한 전략을 채택하고 있지만, 이러한 필터에서는 빛의 양극화가 이동하며 주파수는 이동하지 않는다.

흡수-배출

흡수 방출 원자선 필터는 원하는 빛의 파장을 흡수하고 광대역 필터를 우회하는 빛을 방출한다.패시브 흡수-배출 ALF에서는 하이패스 필터가 모든 저에너지 들어오는 빛을 차단한다.증기세포는 수증기의 얇은 흡수선과 일치하는 신호를 흡수하고 세포의 원자는 흥분하게 된다.그런 다음 증기 셀은 낮은 주파수에서 형광을 받아 신호등을 다시 방출한다.저역 통과 필터는 형광등 주파수 이상의 방사선을 차단한다.활성 ALF에서 광학 또는 전기 펌핑은 이들 원자를 흥분시키기 위해 사용되어 서로 다른 파장의 빛을 흡수하거나 방출한다.활성 ALF의 경우 기존 필터의 다른 시스템이 필요할 수 있다.[23]

패러데이 필터에 의한 빛의 양극화.

패러데이 필터

패러데이 필터, 자기 광학 필터, FADOF 또는 EFADOF(Exited Faraday Disposive 광학 필터)는 증기 셀을 통과하는 빛의 양극화를 회전시켜 작동한다.이 회전은 패러데이 효과와 변칙적인 분산에 의해 그것의 원자 흡수선 근처에서 일어난다.증기의 공명 주파수에서의 빛만이 회전하고 편광판은 다른 전자기 방사선을 차단한다.[24]이 효과는 Zeeman Effect, 또는 자기장이 존재하는 곳에서 원자 흡수선이 분할되는 것과 관련되고 강화된다.[25][26]증기의 공명 주파수에서 빛이 FADOF를 원래 강도 근처로 빠져나가지만 직교 양극화와 함께 빠져나간다.

패러데이 효과를 지배하는 법칙에 따라 대상 방사선의 회전은 세포 내 증기의 자기장 강도, 증기전지의 폭, 베르데 상수(세포의 온도, 빛의 파장 및 때로는 전장의 강도에 따라 달라짐)[27]에 정비례한다.이 관계는 다음과 같은 방정식을 나타낸다.

[28]

Voigt 필터

Voigt 필터(Voigt filter)는 자기장이 빛의 방향에 수직으로, 편광판의 양극화에 45°로 이동된 패러데이 필터다.[29]Voigt 필터에서 증기 셀은 반파판 역할을 하여 Voigt 효과당 하나의 양극화를 180°씩 지연시킨다.[19]

공통 구성 요소

패러데이 필터의 부품 다이어그램.Voigt 필터에서는 자기장이 90도 회전할 것이다.두 편광기 판은 양극화 방향으로 수직이라는 점에 유의하십시오.

원자선 필터 앞에 있는 시준기는 필터의 나머지 부분을 일관되게 통과하기 위해 입사 광선을 직선화하는 시준기가 될 수 있지만 시준된 빛이 항상 필요한 것은 아니다.[8][30]콜리메이터 후, 하이패스 필터는 들어오는 빛의 거의 절반을 차단한다(너무 긴 파장의 그것).패러데이 필터와 보이트 필터에서는 이곳에서 최초로 편광판을 사용하여 빛을 차단한다.

원자선 필터의 다음 구성요소는 증기 셀이다; 이것은 모든 원자선 필터에 공통적이다.입사광을 흡수·재방사시키거나 패러데이나 보이트 효과에 의해 양극화를 회전시킨다.증기전지를 따라가는 것은 형광에서 나오는 빛의 지정된 빈도를 제외하고 첫 번째 필터는 하지 않은 모든 빛을 차단하도록 설계된 저역 통과 필터다.패러데이 필터와 보이트 필터에서는 두 번째 편광판이 여기에 사용된다.

다른 시스템은 실용성을 위해 나머지 원자선 필터와 함께 사용될 수 있다.예를 들어 실제 패러데이 필터에 사용되는 편광기는 대부분의 방사선을 차단하지 않는다. "이 편광기는 제한된 파장 영역에서만 작동하기 때문에… 넓은 대역 간섭 필터는 패러데이 필터와 함께 사용된다."[19]간섭 필터의 패스밴드는 실제 필터의 200배일 수 있다.[20]광전자 증배관 역시 출력 신호의 강도를 사용 가능한 수준으로 높이는 데 종종 사용된다.PMT 대신 효율이 높은 눈사태 광전자 증배기를 사용할 수도 있다.[2][8]

증기세포

ALF의 각 종류마다 구현이 다르지만, 각각의 증기 셀은 비교적 유사하다.필터 내 증기전지의 열역학적 특성은 필터의 중요한 품질, 예를 들어 자기장의 필요한 강도를 결정하기 때문에 세심하게 제어된다.[31]빛은 불소 마그네슘과 같은 물질로 만들어진 두 개의 저반사 창을 통해 이 증기실을 드나든다.일반적으로 증기가 100 °C 이상의 온도에서 유지되기 때문에 열에 강한 금속이나 세라믹이 사용되지만, 셀의 다른 면은 불투명한 물질일 수 있다.

대부분의 ALF 증기 세포는 높은 증기압력 때문에 알칼리 금속을 사용한다. 많은 알칼리 금속은 또한 원하는 스펙트럼에서 흡수선과 공명을 가진다.[29]일반적인 증기 세포 물질은 나트륨, 칼륨, 세슘이다.네온과 같은 비금속 증기를 사용할 수 있다는 점에 유의하십시오.[18][32]초기 양자 계수기는 고체 상태의 금속 이온을 결정체에 사용했기 때문에, 오늘날의 ALF에서 그러한 매체를 사용할 수 있을 것이라고 생각할 수 있다.이것은 아마도 이 용량에서 원자 증기의 우월성 때문에 수행되지 않을 것이다.[12]

적용들

[원자선 필터]는 연속체 배경에[2] 대해 약한 레이저 신호가 감지되는 애플리케이션에 이상적으로 적합하다.

원자선 필터는 일광을 필터링하고 약한 협대역 신호를 효과적으로 식별하기 위해 LIDAR과 레이저 추적 및 검출에 가장 자주 사용된다. 그러나 그것들은 항생제[34] 및 일반 필터링 애플리케이션의 효율성을 [33]측정하면서 지구의 열 배경을 필터링하는 데 사용될 수 있다.

다음에서 레이저 추적 시스템의 수신기 끝 그리기US 5202741

레이저 추적 및 통신

원자선 필터가 없으면 레이저 추적과 통신이 어려울 수 있다.일반적으로 충전 커플링 장치 카메라는 간단한 유전체 광학 필터(예: 간섭 필터)와 함께 사용하여 먼 거리에서 레이저 방출을 감지해야 한다.강화된 CCD는 비효율적이며 가시 스펙트럼 내에서 펄스 레이저 전송을 사용해야 한다.ALF의 우수한 필터링 시스템으로, 비내장 CCD를 연속파 레이저와 함께 보다 효율적으로 사용할 수 있다."약 0.001nm의 패스밴드를 가진 [원자선 필터]는 기존의 필터링된 레이저 수신기의 백그라운드 거부반응을 개선하기 위해 개발되었다.[3]후자 시스템의 총 에너지 소비량은 전자에 비해 "30~35배" 적기 때문에 우주 기반, 수중, 민첩한 ALF와의 레이저 통신이 제안되고 개발되었다.[35][2][29]

스타파이어 광학 범위 LIDAR 레이저.

리다르

추가 정보: LIDAR 및 대기 LIDAR

LIDAR은 빛이 역주행하는 대기의 관련 부분에서 레이저를 발사하는 것으로 구성된다.도플러 시프트에 대한 반사 레이저 빔을 분석함으로써 대상 지역의 풍속과 풍향을 계산할 수 있다.따라서 열 구조, 주간/반미 주간 조수 및 중간 절기 부위의 계절적 변화를 연구할 수 있다.이것은 기상학자와 기후학자들에게 귀중한 능력인데, 이러한 특성들이 상당할 수 있기 때문이다.[5]

그러나 약한 레이저 신호를 효과적으로 추적할 수 있는 능력이 없다면 대기 데이터 수집은 태양의 전자기 방출이 레이저의 신호를 익사시키지 않는 하루의 시간으로 좌천될 것이다.LIDAR 장비에 원자선 필터를 추가하면 하루 중 언제든지 LIDAR 데이터를 수집할 수 있는 지점까지 레이저 신호에 대한 간섭을 효과적으로 필터링할 수 있다.[5]지난 10년 동안 패러데이 필터는 이를 위해 사용되어 왔다.결과적으로, 과학자들은 오늘날 FADOF의 출현 이전보다 지구의 중간 대기에 대해 훨씬 더 많이 알고 있다.[36][37]

참고 항목

참조

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참고 문헌 목록

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특허

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  • 미국 특허권 5202741, 스나이더, 제임스 J, 1993-04-13, 1993-04-13, 미국 에너지사에 할당되어 발행된 "패러데이 필터가 있는 능동 영상 시스템"
  • 미국 특허 5513032, 빌머스, 리처드 I; 콘타리노, 빈센트 M&Assocca, 데이비드 M 등, 1996-04-30, 1996-04-30, 1996-04-30, 미군에 배정된 "Active pumped faraday 광학 필터" 발행
  • 미국 특허 5710652, Bloom, Scott H; Korevaar, Eric & Chan, Victor 등, 1998-01-20, 1998-01-20, Trex Communications에 배정된 "레이저 통신 송수신기와 시스템"이 발행되었다.
  • 미국 특허 5731585, Menders James H & Korevaar, Eric, "Voigt filter" 1998-03-24, 1998-03-24, Thermotrex Corporation에 배정됨
  • 미국 특허권 7058110, 자오, 중-콴; 르페브르, 마이클 조셉 & 레즐리, 다니엘 H, 2006-06-06, 발행된 2006-06-06, 발행된 2006-06-06, 트렉스 엔터프라이즈에 할당된 "출구된 상태 원자선 필터"

추가 읽기

  • H. Chen, M. A.화이트, D.A. 크뤼거와 C. Y. 그녀는리더 리시버에 있는 나트륨-증포 분산 패러데이 필터를 사용한 주간 중첩 온도 측정.Opt. Letters, 21(15):1093–1095, 1996.
  • H. Chen, C. Y. She, P. Searcy, E. Korevaar.나트륨-증기 분산 패러데이 필터1993년 6월 18:1019–1021 광학 편지.