miniatura|320x320px|Un filtre de Faraday de potassi dissenyat, construït i fotografiat per Jonas Hedin per fer mesures LIDAR diürnes a l'Observatori d'Arecibo. Un filtre de línia atòmic (ALF) és un filtre passa-banda òptic més eficaç que s'utilitza en les ciències físiques per filtrar la radiació electromagnètica amb precisió, exactitud i una pèrdua mínima de força del senyal. Els filtres de línia atòmics funcionen a través de les línies d'absorció o ressonància dels vapors atòmics i, per tant, també es poden designar com a filtre de ressonància atòmica (ARF).
Els tres tipus principals de filtres de línia atòmics són els filtres ALF d'absorció-reemissió, els filtres de Faraday i els filtres de Voigt. Els filtres d'absorció-reemissió van ser el primer tipus desenvolupat, i per això se'ls anomena comunament simplement "filtres de línia atòmics"; els altres dos tipus se solen denominar específicament "filtres de Faraday" o "filtres de Voigt". Els filtres de línia atòmics utilitzen diferents mecanismes i dissenys per a diferents aplicacions, però sempre s'empra la mateixa estratègia bàsica: aprofitant les estretes línies d'absorció o ressonància en un vapor metàl·lic, una freqüència específica de llum evita una sèrie de filtres que bloquegen tota la resta de llum.
Els filtres de línia atòmics es poden considerar l'equivalent òptic dels amplificadors de bloqueig; s'utilitzen en aplicacions científiques que requereixen la detecció efectiva d'un senyal de banda estreta (gairebé sempre llum làser) que d'altra manera quedaria enfosquit per fonts de banda ampla, com la llum del dia. S'utilitzen regularment en la detecció i mesura de distància per imatges làser (LIDAR) i s'estan estudiant pel seu ús potencial en sistemes de comunicació làser. Els filtres de línia atòmics són superiors als filtres òptics dielèctrics convencionals, com ara els filtres d'interferència i els filtres Lyot, però la seva major complexitat els fa pràctics només en la detecció limitada per fons, on es detecta un senyal feble mentre se suprimeix un fons fort. En comparació amb els etalons, un altre filtre òptic d'alta gamma, els filtres de Faraday són significativament més robustos i poden ser sis vegades més barats, al voltant de 15.000 dòlars americans per unitat.
Història El predecessor del filtre de línia atòmica va ser el comptador quàntic d'infrarojos, dissenyat a la dècada de 1950 per Nicolaas Bloembergen . Aquest era un amplificador de mecànica quàntica teoritzat per Joseph Weber per detectar la radiació infraroja amb molt poc soroll. L'emissió espontània zero ja era possible per als amplificadors de raigs X i raigs gamma i Weber va pensar a portar aquesta tecnologia a l'espectre infraroig. Bloembergen va descriure aquest dispositiu en detall i el va anomenar "comptador quàntic d'infrarojos".
Els medis d'aquests dispositius eren cristalls amb impureses d'ions metàl·lics de transició, que absorbien llum de baixa energia i la reemetien en el rang visible. A la dècada de 1970, els vapors atòmics s'utilitzaven en comptadors quàntics de vapor atòmic per a la detecció de radiació electromagnètica infraroja, ja que es va descobrir que eren superiors a les sals metàl·liques i els cristalls que s'havien utilitzat.
Els principis emprats fins ara en l'amplificació infraroja es van combinar en un filtre de línia atòmic (ALF) de sodi passiu. Aquest disseny i els que el van seguir immediatament eren primitius i patien d'una baixa eficiència quàntica i un temps de resposta lent. Com que aquest era el disseny original per als ALF, moltes referències utilitzen només la designació "filtre de línia atòmic" per descriure específicament la construcció d'absorció-reemissió. El 1977, Gelbwachs, Klein i Wessel van crear el primer filtre de línia atòmic actiu.
Els filtres de Faraday, desenvolupats en algun moment abans de 1978, van ser "una millora substancial" respecte als filtres de línia atòmica d'absorció-reemissió de l'època. El filtre Voigt, patentat per James H. Menders i Eric J. Korevaar el 26 d'agost de 1992, era més avançat. Els filtres Voigt eren més compactes i "[podien] ser dissenyats fàcilment per al seu ús amb un imant permanent". El 1996, els filtres de Faraday s'utilitzaven per a LIDAR.
Propietats Una definició tècnica d'un filtre de línia atòmica és com un "filtre òptic isotròpic de banda ultraestreta i angle d'acceptació gran". "Banda ultraestreta" defineix el rang prim de freqüències que un ALF pot acceptar; un ALF generalment té una banda de pas de l'ordre de 0,001 nanòmetre. Que els filtres de línia atòmica també tinguin angles d'acceptació amplis (propers als 180°) és una altra característica important dels dispositius; els filtres dielèctrics convencionals basats en l'espaiat de les capes reflectants o refractives canvien el seu espaiat efectiu quan la llum entra en angle.
Els paràmetres exactes (temperatura, intensitat del camp magnètic, longitud, etc.) de qualsevol filtre es poden ajustar a una aplicació específica. Aquests valors són calculats per ordinadors a causa de l'extrema complexitat dels sistemes.
Entrada/sortida Els filtres de línia atòmica poden funcionar a les regions ultraviolada, visible i infraroja de l'espectre electromagnètic. En els ALF d'absorció-reemissió, la freqüència de la llum s'ha de canviar perquè el filtre funcioni, i en un dispositiu passiu, aquest canvi ha de ser a una freqüència més baixa (és a dir, desplaçat cap al vermell) simplement per conservació d'energia. Això significa que els filtres passius rarament poden treballar amb llum infraroja, perquè la freqüència de sortida seria poc baixa. Si s'utilitzen tubs fotomultiplicadors (PMT), la "longitud d'ona de sortida de l'ARF hauria de situar-se en una regió espectral en què els PMT comercials, de gran àrea i de llarga vida [sic] posseeixen la màxima sensibilitat". En aquest cas, els ALF actius tindrien l'avantatge sobre els ALF passius, ja que "generarien més fàcilment longituds d'ona de sortida a l'ultraviolat proper, la regió espectral en què els fotocàtodes ben desenvolupats posseeixen la seva sensibilitat més alta".
Eficàcia miniatura|320x320px|Un gràfic de transmissió a longitud d'ona relativa en una FADOF de potassi centrada a la transició D1 de 770.1093 nm . El gràfic és per a una sola polarització, de manera que la transmissió màxima és de 0,5. L'àrea ressaltada s'utilitza generalment com a espectre de transmissió del FADOF. No es mostren pèrdues òptiques. Els filtres de línia atòmics són inherentment filtres molt eficients, generalment classificats com a "ultra-alt-Q", ja que el seu factor Q es troba en el rang de 10⁵ a 10⁶. Això es deu en part al fet que els "polaritzadors creuats... serveixen per bloquejar la llum de fons amb una relació de rebuig millor que 10⁻⁵". La banda de pas d'un filtre de Faraday típic pot ser d'uns quants GHz. La sortida total d'un filtre de Faraday pot ser al voltant del 50% de la intensitat total de la llum d'entrada. La llum perduda es reflecteix o s'absorbeix per lents, filtres i finestres imperfectes.
Tipus miniatura|250x250px|Aquest gràfic vectorial representa una abstracció de la metodologia d'una ALF d'absorció i reemissió: com només una banda estreta pot evitar dos filtres de banda ampla i crear un filtre molt precís i exacte. Aquí, una manipulació acurada de la freqüència de la llum entrant es pot traduir en una translació espacial. Una estratègia similar s'utilitza tant en els filtres de Faraday com en els de Voigt, tot i que en aquests filtres, la polarització de la llum es desplaça i no la freqüència.
Absorció-reemissió Un filtre de línia atòmica d'absorció-reemissió absorbeix la longitud d'ona desitjada de la llum i emet llum que evita els filtres de banda ampla. En els ALF d'absorció-reemissió passius, un filtre de pas alt bloqueja tota la llum entrant de baixa energia. La cel·la de vapor absorbeix el senyal, que coincideix amb la fina línia d'absorció del vapor, i els àtoms de la cel·la s'exciten. La cel·la de vapor reemet la llum del senyal experimentant fluorescència a una freqüència més baixa. Un filtre de pas baix bloqueja la radiació per sobre de la freqüència de la llum fluorescent. En un ALF actiu, s'utilitza un bombament òptic o elèctric per excitar aquests àtoms perquè absorbeixin o emetin llum de diferents longituds d'ona. Per als ALF actius, poden ser necessaris altres sistemes de filtres convencionals. miniatura|240x240px|Polarització de la llum mitjançant un filtre de Faraday.
Filtre de Faraday Un filtre de Faraday, filtre magnetoòptic, FADOF o EFADOF ( Excited Faraday Dispersive Optical Filter) funciona girant la polarització de la llum que passa a través de la cel·la de vapor. Aquesta rotació es produeix prop de les seves línies d'absorció atòmica per l'efecte Faraday i la dispersió anòmala. Només gira la llum a la freqüència ressonant del vapor i les plaques polaritzades bloquegen altres radiacions electromagnètiques. Aquest efecte està relacionat i millorat per l'efecte Zeeman, o la divisió de les línies d'absorció atòmica en presència del camp magnètic. La llum a la freqüència ressonant del vapor surt d'un FADOF prop de la seva força original però amb una polarització ortogonal.
Filtre Voigt Un filtre de Voigt és un filtre de Faraday amb el seu camp magnètic desplaçat per ser perpendicular a la direcció de la llum i a 45° respecte a la polarització de les plaques polaritzades. En un filtre de Voigt, la cel·la de vapor actua com una placa de mitja ona, retardant una polarització en 180° per l'efecte Voigt.
Components comuns miniatura|480x480px|Un diagrama de les parts d'un filtre de Faraday. En un filtre de Voigt, el camp magnètic giraria 90 graus. Cal tenir en compte que les dues plaques polaritzadores són perpendiculars en la direcció de la polarització. Precedent d'un filtre de línia atòmica hi pot haver un colimador, que redreça els raigs de llum incidents perquè passin per la resta del filtre de manera consistent; tanmateix, la llum colimatada no sempre és necessària. Després del colimador, un filtre de pas alt bloqueja gairebé la meitat de la llum entrant (la que té una longitud d'ona massa llarga). En els filtres de Faraday i Voigt, la primera placa polaritzadora s'utilitza aquí per bloquejar la llum.
El següent component d'un filtre de línia atòmic és la cel·la de vapor ; això és comú a tots els filtres de línia atòmics. O bé absorbeix i reemet la llum incident, o bé gira la seva polarització per l'efecte Faraday o Voigt. Després de la cel·la de vapor hi ha un filtre de pas baix, dissenyat per bloquejar tota la llum que el primer filtre no va bloquejar, excepte la freqüència designada de llum que provenia de la fluorescència. En els filtres de Faraday i Voigt, aquí s'utilitza una segona placa polaritzadora.
Altres sistemes es poden utilitzar conjuntament amb la resta d'un filtre de línia atòmica per motius de practicitat. Per exemple, els polaritzadors utilitzats en el filtre de Faraday real no bloquegen la majoria de la radiació, "perquè aquests polaritzadors només funcionen en una regió de longitud d'ona limitada... un filtre d'interferència de banda ampla s'utilitza conjuntament amb el filtre de Faraday". La banda de pas del filtre d'interferència pot ser 200 vegades superior a la del filtre real. Els tubs fotomultiplicadors també s'utilitzen sovint per augmentar la intensitat del senyal de sortida a un nivell utilitzable. Els fotomultiplicadors d'allau, que són més eficients, es poden utilitzar en lloc d'un PMT.
Cèl·lula de vapor