原子线滤波器

法拉第滤波器，用在阿雷西博天文台的日间光学雷达测量]]

原子线滤波器是物理科学中用于过滤电磁辐射的高效光学带通滤波器，工作过程精准，而且信号损失极小。原子线滤波器的工作原理是吸收或共振原子蒸气光谱线，所以也称原子共振滤波器。

原子线滤波器主要分三大类：吸收－再发射原子线滤波器、法拉第滤波器，以及福格特滤波器。吸收－再发射滤波器的面世时间最早，所以通常简称“原子线滤波器”，另外两种大多采用全称“法拉第滤波器”和“福格特滤波器”。原子线滤波器可以根据不同需求采用不同设计和工作机制，但基本策略相同：利用金属蒸气狭窄的吸收谱线或共振谱线来过滤光，除特定頻率能通过外，其他光线都被阻挡。

原子线滤波器在光学上可以起到锁相放大器的作用，通常在需要有效检测窄带信号（几乎都是激光）的科学应用中使用，如果没有这样的设备，窄带信号就会被日光之类宽带信息源遮挡。与干扰滤波器和利奥滤光器之类常规电介质滤光器相比，原子线滤波器效果最为理想，但因结构更加复杂导致只能在抑制背景的检测环境中使用，实现抑制强烈背景信息源，检测弱信号的目的。与同属高端滤光器的法布里－珀罗干涉仪相比，法拉第滤波器更加坚固耐用，而且1.5万美元的单价只有前者六分之一。

历史
原子线滤波器的前身是20世纪50年代尼古拉斯·布隆伯根设计的红外量子计数器，是根据约瑟夫·韦伯（）理论设计的量子力学放大器，能以极小噪音檢測红外线辐射。X射线和伽马射线放大器实现零自发辐射后，韦伯认为可以将技术应用到红外光谱。布隆伯根详细描述这种设备，并称为“红外量子计数器”。

无论射线放大器、伽马射线放大器还是红外量子计数器，使用的介质都是晶体和过渡金属离子杂质，吸收低能量光并重新发射成可见光。

接下来，科学家利用红外线放大器的基本工作原理开发被动钠原子线滤波器。这种设计及紧随其后的设计尚欠成熟，量子效率都很低，响应速度慢。由于这便是原子线滤波器的原始设计，许多文献便专门用“原子线滤波器”代指吸收－再发射原子线滤波器。1977年，杰里·吉尔布瓦克斯（）、克里斯托弗·克莱因（）和约翰·韦塞尔（）制出第一台主动原子线滤波器。，比之前两种滤波器更先进。福格特滤波器更加紧凑，“很容易设计成与永磁体一起使用”。

输入/输出
原子线滤波器能在电磁波谱的紫外线、可见光和红外线频率范围工作。

被动原子线滤波器的输入频率几乎必须完全对应蒸气室的自然吸收光谱线，主动原子线滤波器远比被动设备灵活，但激发的蒸气会促使设备吸收其他频率的光。

响应时间和传输效率
吸收－再发射原子线滤波器的响应时间直接影响光源向接收器传送信息的速率，所以最小响应时间是这类原子线滤波器的重要特征。吸收－再发射原子线滤波器的响应时间很大程度上取决于蒸气室内已激发原子的自发衰减。杰里·盖布瓦克斯曾于1988年记载：“通常快速自发发射时间约为30纳秒，说明信息传送速率上限约为30兆赫兹。”。法拉第滤波器的通频带通常为数

带通
原子线滤波器带通一般和蒸气室多普勒輪廓相等，频率就在纯光源能激发蒸气室的自然范围。多普勒輪廓指蒸气室因分子运动影响发射的多普勒频移辐射光谱宽度，该数值在原子偏大、温度偏低时偏小，这样的系统更为理想。

蒸气室共振线的位置和宽带是所有原子线滤波器最重要的特征。受斯塔克效应和塞曼分裂影响，基准吸收线可能“分裂”至更细，“可以利用这种效果来调谐检测器。”。

类型
吸收－再发射原子线滤波器
吸收－再发射原子线滤波器吸收所需波长的光后发射能绕过宽带滤光镜的光，其中被动机型用高通滤波器阻挡所有低能量入射光，蒸气室吸收的信号与蒸气中的极细吸收线重合，室内原子随即激发。接下来蒸气室经过更低频率的荧光再发射光信号。另外还有低通滤波器阻挡高于荧光频率的辐射。主动机型利用光泵和电泵作用激发原子吸收或发射不同波长的光。主动原子线滤波器可能需要其他传统滤光器系统配合。

法拉第滤波器
法拉第滤波器又名磁光滤波器、法拉第色散滤光器或激发法拉第色散滤光器，工作原理是用蒸气室旋轉光的偏振。这种旋轉是因法拉第效应和异常色散效應，在原子吸收线附近发生，只旋轉具有蒸气室共振頻率的光，而其他頻率的电磁辐射則由偏振板阻挡。这种现象与塞曼效应（即原子吸收线在有磁场存在时会发生分裂）有关并受其影响增强。

目标辐射偏振的旋轉角与多个因素紧密相关，如磁场强度B、蒸气室宽度d、室内蒸气的韦尔代常数\mathcal{V}（由蒸气室温度、光线波长决定，有时还受磁场强度影响）。关系方程如下：

: \beta = \mathcal{V}Bd

福格特滤波器
福格特滤波器是在法拉第滤波器的基础上把磁场偏移至与光方向垂直，而与偏振片的偏振成45°角。福格特滤波器中的蒸气室相当于半波片，在福格特效应影响下把偏振延缓180°

出于实用角度考虑，人们还将其他系统结合原子线滤波器的其余部分使用。例如，法拉第滤波器使用的偏光片实际上已经不会阻挡大部分辐射，“因为这些偏光片只能在有限的波长范围内工作……（所以将）宽带干扰滤波器和法拉第滤波器结合使用”。。光线通过氟化镁之类材料制成的低反向窗口进出蒸气室，蒸气室的其他各面可以用任何不透明的材料，但考虑到蒸气室的温度通常超过100°C，所用的不透明材料一般是耐热金属或陶瓷。

原子线滤波器需要很高的蒸气室气压，所以大部分蒸气源是碱金属，许多碱金属还拥有所需光谱的吸收线和共振频率。早期的量子计数器使用晶体中的固态金属离子，这样的材料应该也能在各种现代原子线滤波器上使用，但估计是因原子蒸气效果更好，还没有人尝试使用晶体。，检测抗生素药效或充当通用过滤器。

激光跟踪与通讯
如果没有原子线滤波器，激光跟踪与通讯可能非常困难。增强型感光耦合元件相机必须结合简单的电介质滤光器（如干扰滤波器）来远程检测激光发射。增强型感光耦合元件的效率不足，而且必须结合可见光谱范围内的脉冲激光传输。借助原子线滤波器的优异过滤系统，普通感光耦合元件都能使用更有效率的連續波激光。人类已经制出带通约为0.001纳米的原子线滤波器，改善经过传统过滤后激光接收器的背景抑制。，所以人们已经提出并开发结合原子线滤波器并支持空基、水下通讯的敏捷激光通讯应用。

参见

• 受激发射
• 夫朗和斐譜線
• 瑞利散射

脚注
参考文献
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专利
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扩展阅读
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