[論文レビュー] Fast Switching Dual Fabry-Perot Cavity Optical Refractometry - Methodologies for Accurate Assessment of Gas Density

Isak Silander, Thomas Hausmaninger+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2017

Spectroscopy and Laser Applications被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、二つのレーザー固定キャビティと高速逐次測定を用いることで、ガス密度および流量測定におけるドリフトに起因する誤差を排除する、高速スイッチング二重ファブリ・ペロー共振器光屈折率測定法（FS-DFPC-OR）を提案する。この手法により、温度安定化を要しない環境下でも、最小限の温度依存性と小さな漏れに対する高い感度を備えた、オープンおよびクローズド系においても正確でドリフトのない評価が可能となる。

ABSTRACT

Dual Fabry-Perot cavity based optical refractometry (DFPC-OR) has a high potential for assessments of gas density. However, drifts of the FP cavity often limit its performance. We show that by the use of two narrow-linewidth fiber lasers locked to two high finesse cavities and Allan-Werle plots that drift-free DFPC-OR can be obtained for short measurement times (for which the drifts of the cavity can be disregarded). Based on this, a novel strategy, termed fast switching DFPC-OR (FS-DFPC-OR), is presented. A set of novel methodologies for assessment of both gas density and flow rates (in particular from small leaks) that are not restricted by the conventional limitations imposed by the drifts of the cavity are presented. The methodologies deal with assessments in both open and closed (finite-sized) compartments. They circumvent the problem with volumetric expansion, i.e. that the gas density in a measurement cavity is not the same as that in the closed external compartment that should be assessed, by performing a pair of measurements in rapid succession; the first one serves the purpose of assessing the density of the gas that has been transferred into the measurement cavity by the gas equilibration process, while the 2nd is used to automatically calibrate the system with respect to the relative volumes of the measurement cavity and the external compartment. The methodologies for assessments of leak rates comprise triple cavity evacuation assessments, comprising two measurements performed in rapid succession, supplemented by a 3rd measurement a certain time thereafter. A clear explanation of why the technique has such a small temperature dependence is given. It is concluded that FS-DFPC-OR constitutes a novel strategy that can be used for precise and accurate assessment of gas number density and gas flows under a variety of conditions, in particular non-temperature stabilized ones.

研究の動機と目的

• キャビティのドリフトによって引き起こされる二重ファブリ・ペロー共振器屈折率測定の性能制限を克服すること。
• 温度安定化を要しない環境下でも正確なガス密度および流量評価を可能にすること。
• 閉じたコンパートメントにおける体積膨張の課題に対処するため、ペア測定を用いて相対体積比を決定すること。
• 三重キャビティ排気技術を用いて、小さなガス漏れを高感度で検出するための手法を開発すること。
• 内在的設計とキャリブレーションにより、屈折率測定の温度依存性を最小限に抑えること。

提案手法

• 高フィネス度ファブリ・ペロー共振器にロックされた二つの狭線幅ファイバー・レーザーを用い、安定的かつドリフトのない動作を実現する。
• ガスの平衡状態測定とシステムキャリブレーションの二つの測定状態を高速でスイッチングする。
• 短時間測定におけるドリフトのない性能を確認するためにアラン＝ワーレー図を適用する。
• 測定キャビティと外部コンパートメント間の相対体積比を決定するために、連続する二回の測定を実施する。
• 三回の測定プロトコル（二回の高速連続測定に続く遅延後の第三回測定）を用いて、漏れ速度を評価する。
• 二重キャビティ構成の内在的温度不感性を活用して、熱的ドリフトの影響を低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重ファブリ・ペロー共振器屈折率測定において、キャビティのドリフトを効果的に低減する方法は何か？
• RQ2 体積膨張が生じる閉じた有限サイズのコンパートメントにおいても、ガス数密度を正確に評価するための測定戦略は何か？
• RQ3 光学屈折率測定を用いて、小さなガス漏れを高感度で検出する方法は何か？
• RQ4 提案されたシステムにおける低温度依存性の原因は何か？ そして、その特性はどのようにして安定動作に活用されているか？
• RQ5 温度安定化を要しない状態でも、高精度な測定が可能か？

主な発見

• アラン＝ワーレー図による確認により、FS-DFPC-OR手法は短時間測定においてドリフトのない動作を達成している。
• 測定キャビティと外部コンパートメントの体積比を補正するための、高速連続二回の測定を用いることで、オープンおよびクローズド系の両方においてガス数密度を正確に決定できる。
• 二回の高速連続測定に続く遅延後の第三回測定を含む三重キャビティ排気プロトコルにより、漏れ速度を高感度で評価できる。
• 二つのレーザー固定キャビティの差動応答により、システムは最小限の温度依存性を示し、熱的ドリフトの影響が内因的に相殺される。
• 温度安定化を要しない環境下でも効果を発揮するため、現場および産業用途に適した応用が可能である。
• システムの幾何形状を事前に把握する必要がないにもかかわらず、小さな漏れからのガス流量を正確かつ精密に評価できる。