780nm 대역통과 필터

배경: 이 특허는 루비듐-87(87Rb) 원자를 사용하는 고정밀 원자시계 시스템을 설명합니다. 이 시스템은 원자를 여기하는 “펌프” 레이저와 원자의 상태를 측정하는 “프로브” 레이저를 사용합니다. 펌프 레이저는 정확히 780.2 nm(루비듐의 D2 전이선)에서 작동합니다.

필터 용도: 이 맥락에서 흔히 "분광 필터" 또는 "간섭 필터"라고 부르는 대역통과 필터는 가스 셀과 광검출기 사이의 광경로에 배치됩니다.

기능: 주요 기능은 스펙트럼 정제와 신호 분리입니다. 이 필터는 특정 형광 신호(검출 방식에 따라 대개 약 758nm 또는 780nm 투과광 자체)를 투과시키는 동시에 펌프 레이저의 산란광이나 기타 배경 노이즈원을 차단하도록 설계되었습니다. 유사한 원자시계 특허(예: US11754979B2)에 설명된 일부 구성에서는 다른 형광 파장을 투과시키면서 780nm 산란광을 차단하는 데 필터를 사용합니다. 반대로 레이저 다이오드의 증폭 자발 방출(ASE)을 필터링하여 순수한 780nm 펌프광만 셀에 들어가도록 하는 데 사용할 수도 있습니다.

결과: 이 필터는 광검출기가 관련 원자 전이 신호만 감지하도록 하여 신호 대 잡음비(SNR)를 크게 향상합니다. 그 결과 원자시계의 "틱" 주기가 안정적이고 매우 정확해지며, 이는 GPS 위성과 보안 통신에 매우 중요합니다.

배경: 이 특허는 Voigt 필터로 알려진 특정 유형의 초협대역 대역 통과 필터에 관한 것입니다. 세슘 또는 루비듐이 들어 있는 알칼리 금속 증기 셀을 서로 직교하는 편광자 사이에 배치하고 자기장을 가합니다. 루비듐 증기 셀은 780 nm에서 강한 흡수선을 나타냅니다.

필터 용도: 장치 전체가 특수 대역 통과 필터입니다. 그러나 보이트 필터는 좁은 범위에서만 작동하므로 원자 공명에서 크게 벗어난 빛을 차단하기 위한 "전처리 필터"로 표준 유전체 780nm 대역 통과 필터를 함께 사용하는 경우가 많습니다.

기능: Voigt 필터는 780nm 광이 루비듐 증기를 통과할 때 발생하는 자기광학 회전(Faraday/Voigt 효과)을 이용합니다. 정확한 원자 공명 파장(780 nm)의 광만 두 번째 편광자를 통과할 만큼 충분히 회전하며, 그 밖의 모든 파장은 차단됩니다.

결과: 이를 통해 일반적인 간섭 필터로는 구현할 수 없는 초협대역 통과대역(0.01 nm 미만의 대역폭)을 구현합니다. 이는 LIDAR 수신기 및 자유 공간 광통신에서 강한 배경 태양광을 차단하면서 미약한 780nm 레이저 신호를 검출하는 데 사용됩니다.