Un filtro de línea atómico ( ALF ) es un filtro de paso de banda óptico más eficaz que se utiliza en las ciencias físicas para filtrar la radiación electromagnética con precisión, exactitud y mínima pérdida de intensidad de señal. Los filtros de línea atómicos funcionan a través de las líneas de absorción o resonancia de los vapores atómicos y, por lo tanto, también pueden denominarse filtros de resonancia atómica ( ARF ). [2]
Los tres tipos principales de filtros de línea atómicos son los filtros de absorción-reemisión , los filtros de Faraday y los filtros de Voigt . [3] Los filtros de absorción-reemisión fueron el primer tipo desarrollado, por lo que comúnmente se los llama simplemente "filtros de línea atómicos"; los otros dos tipos suelen denominarse específicamente "filtros de Faraday" o "filtros de Voigt". Los filtros de línea atómicos utilizan diferentes mecanismos y diseños para diferentes aplicaciones, pero siempre se emplea la misma estrategia básica: al aprovechar las estrechas líneas de absorción o resonancia en un vapor metálico, una frecuencia específica de luz evita una serie de filtros que bloquean el resto de la luz. [4]
Los filtros de línea atómicos pueden considerarse el equivalente óptico de los amplificadores lock-in ; se utilizan en aplicaciones científicas que requieren la detección efectiva de una señal de banda estrecha (casi siempre luz láser) que de otro modo quedaría oscurecida por fuentes de banda ancha, como la luz del día . [3] Se utilizan regularmente en la detección y medición de distancias por imágenes láser ( LIDAR ) y se están estudiando para su posible uso en sistemas de comunicación láser . [5] Los filtros de línea atómicos son superiores a los filtros ópticos dieléctricos convencionales, como los filtros de interferencia y los filtros Lyot , pero su mayor complejidad los hace prácticos solo en la detección limitada por el fondo, donde se detecta una señal débil mientras se suprime un fondo fuerte. [6] En comparación con los etalones , otro filtro óptico de alta gama, los filtros Faraday son significativamente más resistentes y pueden ser seis veces más baratos, alrededor de US$ 15.000 por unidad. [7] [8]
El predecesor del filtro de línea atómico fue el contador cuántico de infrarrojos, diseñado en la década de 1950 por Nicolaas Bloembergen . Se trataba de un amplificador mecánico cuántico ideado por Joseph Weber para detectar la radiación infrarroja con muy poco ruido. [9] [10] La emisión espontánea cero ya era posible para los amplificadores de rayos X y rayos gamma y Weber pensó en llevar esta tecnología al espectro infrarrojo. Bloembergen describió dicho dispositivo en detalle y lo denominó "contador cuántico de infrarrojos". [11]
Los medios de estos dispositivos eran cristales con impurezas de iones de metales de transición , que absorbían luz de baja energía y la reemitían en el rango visible. [11] En la década de 1970, los vapores atómicos se utilizaron en contadores cuánticos de vapor atómico para la detección de radiación electromagnética infrarroja, ya que se descubrió que eran superiores a las sales y cristales metálicos que se habían utilizado. [12]
Los principios empleados hasta entonces en la amplificación infrarroja se combinaron en un filtro de línea atómico pasivo de sodio. [13] Este diseño y los que lo siguieron inmediatamente eran primitivos y adolecía de baja eficiencia cuántica y tiempo de respuesta lento. Como este era el diseño original de los filtros de línea atómicos, muchas referencias utilizan únicamente la designación "filtro de línea atómico" para describir específicamente la construcción de absorción-reemisión. En 1977, Gelbwachs, Klein y Wessel crearon el primer filtro de línea atómico activo. [2]
Los filtros Faraday, desarrollados en algún momento antes de 1978, fueron "una mejora sustancial" con respecto a los filtros de línea atómicos de absorción-reemisión de la época. [3] El filtro Voigt, patentado por James H. Menders y Eric J. Korevaar el 26 de agosto de 1992, [14] era más avanzado. Los filtros Voigt eran más compactos y "[podían] diseñarse fácilmente para su uso con un imán permanente". [3] En 1996, los filtros Faraday se utilizaban para LIDAR. [3]
Una definición técnica de un filtro de línea atómico es la de " filtro óptico isotrópico de banda ultra estrecha y gran ángulo de aceptación ". [2] "Banda ultra estrecha" define el estrecho rango de frecuencias que puede aceptar un filtro de línea atómico; un filtro de línea atómico generalmente tiene una banda de paso del orden de 0,001 nanómetros. El hecho de que los filtros de línea atómicos también tengan amplios ángulos de aceptación (cerca de 180°) es otra característica importante de los dispositivos; los filtros dieléctricos convencionales basados en el espaciado de las capas reflectantes o refractivas cambian su espaciado efectivo cuando la luz ingresa en un ángulo.
Los parámetros exactos (temperatura, intensidad del campo magnético, longitud, etc.) de cualquier filtro pueden ajustarse a una aplicación específica. Estos valores se calculan mediante computadoras debido a la extrema complejidad de los sistemas. [15]
Los filtros de línea atómicos pueden funcionar en las regiones ultravioleta , visible e infrarroja del espectro electromagnético . [2] En los filtros de línea atómicos de absorción-reemisión, la frecuencia de la luz debe cambiarse para que el filtro funcione, y en un dispositivo pasivo, este cambio debe ser a una frecuencia más baja (es decir, desplazado hacia el rojo) simplemente por conservación de energía. Esto significa que los filtros pasivos rara vez pueden funcionar con luz infrarroja, porque la frecuencia de salida sería imprácticamente baja. Si se utilizan tubos fotomultiplicadores (PMT), entonces la "longitud de onda de salida del filtro de línea atómico debe estar en una región espectral en la que los PMT comerciales, de área grande y de larga duración [sic] poseen la máxima sensibilidad". [13] En tal caso, los filtros de línea atómicos activos tendrían la ventaja sobre los filtros de línea atómicos pasivos, ya que generarían más fácilmente "longitudes de onda de salida en el UV cercano, la región espectral en la que los fotocátodos bien desarrollados poseen su mayor sensibilidad". [16]
En un ALF pasivo, la frecuencia de entrada debe corresponder casi exactamente a las líneas de absorción naturales de la celda de vapor. Sin embargo, los ARF activos son mucho más flexibles, ya que el vapor puede ser estimulado para que absorba otras frecuencias de luz. [17] [18]
Los filtros Faraday y Voigt no cambian la frecuencia ni la longitud de onda de la luz de la señal.
El tiempo de respuesta de un filtro de línea atómico de absorción-reemisión afecta directamente la velocidad con la que se transmite la información desde la fuente de luz al receptor. Por lo tanto, un tiempo de respuesta mínimo es una propiedad importante de estos filtros de línea atómica. El tiempo de respuesta de un filtro de línea atómico de este tipo depende en gran medida de la desintegración espontánea de los átomos excitados en la celda de vapor. En 1988, Jerry Gelbwachs citó: "los tiempos de emisión espontánea rápida típicos son ~ 30 ns , lo que sugiere que el límite superior de la velocidad de información es de aproximadamente 30 MHz ". [16]
Se han desarrollado muchos métodos para reducir el tiempo de respuesta de los ALF. Incluso a finales de los años 1980, se utilizaban ciertos gases para catalizar la desintegración de los electrones de la celda de vapor. En 1989, Eric Korevaar había desarrollado su diseño Fast ALF , que detectaba la fluorescencia emitida sin placas fotosensibles. [3] Con estos métodos empleados, se pueden alcanzar fácilmente frecuencias de gigahercios. [16]
Los filtros de línea atómicos son filtros inherentemente muy eficientes, generalmente clasificados como "ultra-high-Q" ya que su factor Q está en el rango de 10 5 a 10 6. [2] Esto se debe en parte a que los "polarizadores cruzados... sirven para bloquear la luz de fondo con una relación de rechazo mejor que 10 −5 ". [19] La banda de paso de un filtro Faraday típico puede ser de unos pocos GHz. [17] La salida total de un filtro Faraday puede ser de alrededor del 50% de la intensidad de luz de entrada total. La luz perdida es reflejada o absorbida por lentes, filtros y ventanas imperfectos. [20]
El paso de banda de un filtro de línea atómico suele ser igual al perfil Doppler de la celda de vapor, el rango natural de frecuencias en el que una celda de vapor se excitará con una fuente de luz pura. El perfil Doppler es el ancho del espectro de la radiación desplazada por Doppler emitida por la celda de vapor debido a su movimiento térmico . Este valor es menor para átomos más grandes a temperaturas más bajas, un sistema considerado más ideal.
Existen algunas circunstancias en las que esto no es así y es deseable que el ancho de la línea de transición sea mayor que el del perfil Doppler. Por ejemplo, cuando se sigue un objeto que acelera rápidamente, la banda de paso del filtro ALF debe incluir dentro de ella los valores máximo y mínimo de la luz reflejada. El método aceptado para aumentar la banda de paso implica colocar un gas inerte en la celda de vapor. Este gas ensancha la línea espectral y aumenta la velocidad de transmisión del filtro. [6]
A pesar de toda su eficiencia, los filtros atómicos de línea no son perfectos; hay muchas fuentes de error, o "ruido", en un sistema determinado. Estas se manifiestan como radiación electromagnética independiente de los procesos de trabajo del filtro y de la intensidad de la luz de la señal. Una fuente de error es la radiación térmica del propio filtro de línea atómica y dentro de él. Parte de la radiación térmica proviene directamente del filtro y se encuentra dentro de la banda de paso del segundo filtro de banda ancha. Se crea más ruido si el filtro está diseñado para una salida en el rango infrarrojo, ya que la mayor parte de la radiación térmica estaría en ese espectro. Estas emisiones pueden estimular el vapor y crear la radiación que está tratando de detectar en primer lugar. [16]
Los filtros de línea atómicos activos tienen más probabilidades de producir ruido que los pasivos porque los activos no tienen "selectividad de estado"; la fuente de bombeo puede excitar accidentalmente los átomos alcanzados por la luz equivocada hasta el nivel de energía crítico, emitiendo radiación espontáneamente. [6]
Otros errores pueden ser causados por líneas de resonancia/absorción atómica que no están en el objetivo pero que siguen activas. Aunque la mayoría de las transiciones "cercanas" están a más de 10 nanómetros de distancia (lo suficientemente lejos como para ser bloqueadas por los filtros de banda ancha), la estructura fina e hiperfina de la línea de absorción del objetivo puede absorber frecuencias de luz incorrectas y pasarlas al sensor de salida. [6]
El atrapamiento de radiación en un filtro de línea atómico puede afectar seriamente el rendimiento y, por lo tanto, el ajuste de un filtro de línea atómico. En los estudios originales de los filtros de línea atómicos en la década de 1970 y principios de la década de 1980, hubo una "gran sobreestimación del [ancho de banda de la señal]". Más tarde, se estudió y analizó el atrapamiento de radiación y se optimizaron los filtros de línea atómicos para tenerlo en cuenta. [21]
En todos los filtros de línea atómicos, la posición y el ancho de las líneas de resonancia de la celda de vapor se encuentran entre las propiedades más importantes. Mediante el efecto Stark y la división Zeeman , las líneas de absorción de base pueden dividirse en líneas más finas. "La sintonización Stark y Zeeman... se puede utilizar para sintonizar el detector". [12] En consecuencia, la manipulación de los campos eléctricos y magnéticos puede alterar otras propiedades del filtro (es decir, desplazar la banda de paso). [22]
Un filtro de línea atómica de absorción-reemisión absorbe la longitud de onda de luz deseada y emite luz que pasa por alto los filtros de banda ancha. En los filtros de línea atómica de absorción-reemisión pasivos, un filtro de paso alto bloquea toda la luz entrante de baja energía. La celda de vapor absorbe la señal, que coincide con la delgada línea de absorción del vapor, y los átomos de la celda se excitan. Luego, la celda de vapor reemite la luz de señal al experimentar fluorescencia a una frecuencia más baja. Un filtro de paso bajo bloquea la radiación por encima de la frecuencia de la luz fluorescente. En un filtro de línea atómica activo, se utiliza bombeo óptico o eléctrico para excitar estos átomos de modo que absorban o emitan luz de diferentes longitudes de onda. Para los filtros de línea atómica activos, pueden necesitarse otros sistemas de filtros convencionales. [23]
Un filtro Faraday, filtro magneto-óptico , FADOF o EFADOF ( Filtro Óptico Dispersivo Faraday Excitado ) funciona rotando la polarización de la luz que pasa a través de la celda de vapor. Esta rotación ocurre cerca de sus líneas de absorción atómica por el efecto Faraday y la dispersión anómala . Solo la luz en la frecuencia de resonancia del vapor rota y las placas polarizadas bloquean otras radiaciones electromagnéticas. [24] Este efecto está relacionado con el Efecto Zeeman , o la división de las líneas de absorción atómica en presencia del campo magnético, y es mejorado por él. [25] [26] La luz en la frecuencia de resonancia del vapor sale de un FADOF cerca de su fuerza original pero con una polarización ortogonal.
Siguiendo las leyes que rigen el efecto Faraday, la rotación de la radiación dirigida es directamente proporcional a la fuerza del campo magnético, al ancho de la celda de vapor y a la constante de Verdet (que depende de la temperatura de la celda, de la longitud de onda de la luz y, en ocasiones, de la intensidad del campo) [27] del vapor en la celda. Esta relación se representa mediante la siguiente ecuación:
Un filtro Voigt es un filtro Faraday con su campo magnético desplazado para ser perpendicular a la dirección de la luz y a 45° con respecto a la polarización de las placas polarizadas. [29] En un filtro Voigt, la celda de vapor actúa como una placa de media onda , retardando una polarización en 180° por el efecto Voigt . [19]
Antes de un filtro de línea atómica puede haber un colimador , que endereza los rayos de luz incidentes para que pasen a través del resto del filtro de manera uniforme; sin embargo, la luz colimada no siempre es necesaria. [8] [30] Después del colimador, un filtro de paso alto bloquea casi la mitad de la luz entrante (la de una longitud de onda demasiado larga). En los filtros de Faraday y Voigt, la primera placa polarizadora se utiliza aquí para bloquear la luz.
El siguiente componente de un filtro atómico lineal es la celda de vapor, que es común a todos los filtros atómicos lineales. Absorbe y reemite la luz incidente o rota su polarización mediante el efecto Faraday o Voigt. Después de la celda de vapor hay un filtro de paso bajo, diseñado para bloquear toda la luz que el primer filtro no bloqueó, excepto la frecuencia designada de luz que proviene de la fluorescencia. En los filtros Faraday y Voigt, aquí se utiliza una segunda placa polarizadora.
Se pueden utilizar otros sistemas junto con el resto de un filtro de línea atómico por cuestiones prácticas. Por ejemplo, los polarizadores utilizados en el filtro Faraday actual no bloquean la mayor parte de la radiación, "porque estos polarizadores sólo funcionan en una región de longitud de onda limitada... se utiliza un filtro de interferencia de banda ancha junto con el filtro Faraday". [19] La banda de paso del filtro de interferencia puede ser 200 veces mayor que la del filtro actual. [20] Los tubos fotomultiplicadores también se utilizan a menudo para aumentar la intensidad de la señal de salida a un nivel utilizable. Se pueden utilizar fotomultiplicadores de avalancha , que son más eficientes, en lugar de un PMT. [2] [8]
Si bien cada implementación de cada tipo de ALF es diferente, la celda de vapor en cada uno es relativamente similar. Las propiedades termodinámicas de las celdas de vapor en los filtros se controlan cuidadosamente porque determinan cualidades importantes del filtro, por ejemplo, la fuerza necesaria del campo magnético. [31] La luz entra y sale de esta cámara de vapor a través de dos ventanas de baja reflexión hechas de un material como fluoruro de magnesio . Los otros lados de la celda pueden ser de cualquier material opaco, aunque generalmente se utiliza un metal o cerámica resistente al calor , ya que el vapor suele mantenerse a temperaturas superiores a los 100 °C.
La mayoría de las celdas de vapor ALF utilizan metales alcalinos debido a sus altas presiones de vapor; muchos metales alcalinos también tienen líneas de absorción y resonancia en los espectros deseados. [29] Los materiales comunes de las celdas de vapor son sodio , potasio y cesio . Tenga en cuenta que se pueden utilizar vapores no metálicos como el neón . [18] [32] Como los primeros contadores cuánticos utilizaban iones metálicos en estado sólido en cristales, es concebible que un medio de este tipo pudiera utilizarse en los ALF de hoy. Es de suponer que esto no se hace debido a la superioridad de los vapores atómicos en esta capacidad. [12]
Los [filtros de línea atómica] son ideales para aplicaciones en las que se detectan señales láser débiles contra un fondo continuo [2]
Los filtros de línea atómica se utilizan con mayor frecuencia en LIDAR y otros ejercicios de seguimiento y detección láser, por su capacidad de filtrar la luz del día y discernir eficazmente señales débiles de banda estrecha; sin embargo, se pueden utilizar para filtrar el fondo térmico de la Tierra , [33] medir la eficiencia de los antibióticos [34] y aplicaciones de filtrado general.
Sin un filtro de línea atómico, el seguimiento y la comunicación láser pueden resultar difíciles. Por lo general, las cámaras intensificadas con dispositivo acoplado a carga deben utilizarse junto con filtros ópticos dieléctricos simples (por ejemplo, filtros de interferencia) para detectar emisiones láser a distancia. Los CCD intensificados son ineficientes y requieren el uso de una transmisión láser pulsada dentro del espectro visible. Con el sistema de filtrado superior de un ALF, se puede utilizar un CCD no intensificado con un láser de onda continua de manera más eficiente. "Se han desarrollado [filtros de línea atómicos] con bandas de paso de aproximadamente 0,001 nm para mejorar el rechazo de fondo de los receptores láser filtrados de manera convencional". [3] El consumo total de energía de este último sistema es "entre 30 y 35 veces menor" que el del primero, [35] por lo que se han propuesto y desarrollado comunicaciones láser ágiles, submarinas y basadas en el espacio con ALF. [2] [29]
El LIDAR consiste en disparar láseres a las partes relevantes de la atmósfera donde la luz se retrodispersa . Al analizar el haz láser reflejado para detectar los cambios Doppler , se pueden calcular las velocidades y direcciones del viento en la región objetivo. De este modo, se pueden estudiar la estructura térmica, las mareas diurnas y semidiurnas y las variaciones estacionales en la región de la mesopausia . Esta es una facultad valiosa para los meteorólogos y los climatólogos , ya que estas propiedades pueden ser significativas. [5]
Sin embargo, sin la capacidad de rastrear eficazmente las señales láser débiles, la recopilación de datos atmosféricos quedaría relegada a los momentos del día en que las emisiones electromagnéticas del sol no ahogaran la señal del láser. La adición de un filtro de línea atómica al equipo LIDAR filtra eficazmente la interferencia a la señal del láser hasta el punto de que los datos LIDAR se pueden recopilar en cualquier momento del día. [5] Durante la última década, se han utilizado filtros de Faraday para hacer esto. En consecuencia, los científicos saben mucho más hoy sobre la atmósfera media de la Tierra de lo que sabían antes de la llegada del FADOF. [36] [37]
