[論文レビュー] Fast Switching Dual Fabry-Perot-Cavity-based Optical Refractometry for Assessment of Gas Refractivity and Density - Estimates of Its Precision, Accuracy, and Temperature Dependence

Martin Zelán, Isak Silander+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2017

Spectroscopy and Laser Applications被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ガス屈折率および密度を1ppm未塔の精度で高精度・ドリフトフリーに測定可能な高速切替型デュアルファブリ・ペロー共振器（FS-DFCB-OR）光屈折計を提案する。標準温度圧力下で10⁻⁹の精度を達成し、温度依存性が最小限（約10⁻⁸/°C）であり、安定した内部基準化により内部精度が絶対精度より数個のオーダー優れていることを示している。

ABSTRACT

Dual Fabry-Perot-Cavity-based Optical Refractometry (DFCB-OR) have been shown to have excellent potential for characterization of gases, in particular their refractivity and density. However, its performance has in practice been found to be limited by drifts. To remedy this, drift-free DFPC-OR (DF-DFCB-OR) has recently been proposed. Suggested methodologies for realization of a specific type of DF-DFCB-OR, termed Fast Switching DFCB-OR (FS-DFCB-OR), have been presented in an accompanying work. This paper scrutinizes the performance and the limitations of both DF- and FS-DFCB-OR for assessments of refractivity and gas density, in particular their precision, accuracy, and temperature dependence. It is shown that both refractivity and gas density can be assessed by FS-DFCB-OR with a precision in the 10$^{-9}$ range under STP conditions. It is demonstrated that the absolute accuracy is mainly limited by the accuracy by which the instantaneous deformation of the cavity or the higher order virial coefficients can be assessed. It is also shown that the internal accuracy, i.e. the accuracy by which the system can be characterized with respect to an internal standard, can be several orders of magnitude better than the absolute. It is concluded that the temperature dependence of FS-DFCB-OR is exceptionally small, typically in the 10$^{-8}$ to 10$^{-7}$/C range, and primarily caused by thermal expansion of the FPC-spacer material. Finally, this paper discusses means on how to design a FS-DFCB-or system for optimal performance and epitomizes the conclusions of this and our accompanying works regarding both DF- and FS-DFCB-OR in terms of performance and provides an outlook for both techniques. Our works can serve as a basis for future realizations of instrumentation for assessments of gas refractivity and density that can fully benefit from the extraordinary potential of FPC-OR.

研究の動機と目的

• ガス屈折率および密度の正確な評価を可能にするドリフトフリーで高精度な光学屈折計測システムの開発。
• 熱的および機械的ドリフトによる従来のデュアルファブリ・ペロー共振器（DFCB-OR）システムの性能制限を解消すること。
• 高速切替型DFCB-OR（FS-DFCB-OR）構成の精度、正確性、温度依存性を評価すること。
• 高精度ガス屈折率および密度測定におけるFS-DFCB-ORシステムの最適化のための設計指針を提示すること。

提案手法

• 本システムは、基準ガスと試料ガスの間で差動測定を可能にするために、高速切替モードで動作する2つのファブリ・ペロー共振器を採用する。
• 共通モードドリフト（特に熱的および機械的不安定性）をキャンセルするため、二重共振器構成を用いる。
• 屈折率および密度を、光学パス長の変化から抽出するために、共振モードの位相または周波数追跡に依存する。
• 非理想気体行動および機械的歪みを補正するために、正確なビリアル係数および共振器変形の式を適用する。
• 内部基準を用いたキャリブレーションにより、絶対キャリブレーション不確かさに依存しない高い内部正確性を実現する。
• 共振器スペーサー材料の熱膨張をモデル化し、温度に起因する誤差を定量化および最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準状態下で、FS-DFCB-ORはガス屈折率および密度測定においてどの程度の達成可能な精度を有するか？
• RQ2 FS-DFCB-ORの絶対正確性は、共振器変形および高次ビリアル係数の測定精度にどのように依存するか？
• RQ3 FS-DFCB-ORシステムの温度依存性は何か？そして、その支配的要因となる物理的要因は何か？
• RQ4 FS-DFCB-ORの内部正確性は絶対正確性と比べてどのように異なるか？その差を生じさせる要因は何か？
• RQ5 高精度ガスメトロロジーに最適なFS-DFCB-ORの性能を最適化するための設計原則は何か？

主な発見

• FS-DFCB-ORは、標準温度圧力（STP）条件下で屈折率およびガス密度測定において10⁻⁹の精度を達成する。
• 絶対正確性は、主に共振器変形および高次ビリアル係数の測定不確かさに起因する。
• 内部正確性（内部基準に対する差の解像度の能力）は、絶対正確性よりも数個のオーダー優れており、これは安定した内部基準化に起因する。
• システムの温度依存性は極めて低く、通常10⁻⁸～10⁻⁷ /°Cの範囲にあり、共振器スペーサー材料の熱膨張が主因である。
• システムの性能はドリフトに対して強く、長期にわたり高精度なガス屈折計測に適している。
• 本結果は、ファブリ・ペロー共振器に基づく屈折計測の潜在能力を最大限に活用する次世代光学屈折計の実現に基盤を提供する。