[論文レビュー] Temperature-dependent absolute refractive index measurements of synthetic fused silica

Douglas B. Leviton, Bradley J. Frey|ArXiv.org|May 1, 2008

Calibration and Measurement Techniques参考文献 4被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、冷温・高精度屈折率測定システム（CHARMS）を用いて、30–310 Kおよび0.4–2.6 μm波長範囲で合成フused石ガラス（Corning 7980）の温度依存絶対屈折率を測定し、絶対不確かさ±1×10⁻⁵を達成した。主な貢献は、不確かさ推定値を伴う屈折率、分散および熱光学的係数（dn/dT）の高精度データセットに加え、正確な補間を可能にする温度依存のSellmeier係数の提供であり、独立した冷温測定および文献データと照合された。

ABSTRACT

Using the Cryogenic, High-Accuracy Refraction Measuring System (CHARMS) at NASA's Goddard Space Flight Center, we have measured the absolute refractive index of five specimens taken from a very large boule of Corning 7980 fused silica from temperatures ranging from 30 to 310 K at wavelengths from 0.4 to 2.6 microns with an absolute uncertainty of +/-1 x 10^-5. Statistical variations in derived values of the thermo-optic coefficient (dn/dT) are at the +/-2 x 10^-8/K level. Graphical and tabulated data for absolute refractive index, dispersion, and thermo-optic coefficient are presented for selected wavelengths and temperatures along with estimates of uncertainty in index. Coefficients for temperature-dependent Sellmeier fits of measured refractive index are also presented to allow accurate interpolation of index to other wavelengths and temperatures. We compare our results to those from an independent investigation (which used an interferometric technique for measuring index changes as a function of temperature) whose samples were prepared from the same slugs of material from which our prisms were prepared in support of the Kepler mission. We also compare our results with sparse cryogenic index data from measurements of this material from the literature.

研究の動機と目的

• 広い温度および波長範囲で、高い精度で合成フューズドシリカの絶対屈折率を測定すること。
• 宇宙用機器の光学設計、特にKeplerミッションに特化して、冷温および室温用途のための、10⁻⁸/K未塔の精度で熱光学的係数（dn/dT）を決定すること。
• 宇宙機器用光学設計に向けた信頼性の高い、実験的に検証されたデータセットを提供すること。
• 測定結果を独立した干渉計測定および文献に限られたデータと比較し、一貫性および正確性を確認すること。
• 未測定の波長および温度における屈折率の補間を可能にするために、温度依存のSellmeier係数を導出すること。

提案手法

• NASA ゴッドハート宇宙飛行センターに設置された冷温・高精度屈折率測定システム（CHARMS）を用い、30–310 Kの制御温度で絶対屈折率を測定した。
• 0.4–2.6 μmの波長範囲で屈折率を測定し、絶対不確かさは±1×10⁻⁵であった。
• 制御された角度での全内反射に基づく高精度屈折率測定技術を採用し、絶対屈折率の決定を可能にした。
• 温度依存の屈折率測定値から熱光学的係数（dn/dT）を計算し、統計的不確かさは±2×10⁻⁸/Kであった。
• 測定された屈折率データを温度依存のSellmeier方程式にフィットさせ、波長および温度の間隔を補間可能にした。
• 同一の材料スラブを用いた独立した干渉計測定と照合し、文献に限られた冷温データとも比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 30–310 Kおよび0.4–2.6 μm範囲で、絶対屈折率が高精度かつ低不確かさで測定された合成フューズドシリカ（Corning 7980）の値は何か？
• RQ2 この温度および波長範囲で、熱光学的係数（dn/dT）はどのように変化するか。その精度はどの程度か？
• RQ3 同じ材料スラブを用いた独立した干渉計測定と比較して、測定された屈折率値はどの程度一致するか？
• RQ4 この材料の屈折率挙動を最もよく記述する温度依存のSellmeier係数は何か？
• RQ5 現在の測定結果は、文献に限られた冷温屈折率データとどのように整合するか？

主な発見

• Corリング7980フューズドシリカの絶対屈折率は、0.4–2.6 μmおよび30–310 Kの範囲で、不確かさ±1×10⁻⁵で測定された。
• 熱光学的係数（dn/dT）は統計的不確かさ±2×10⁻⁸/Kで決定され、温度範囲全域で高い再現性を示した。
• 同じ材料スラブを用いた独立した干渉計測定と比較して、測定された屈折率値は優れた一致を示した。
• データセットには、選択された波長および温度における屈折率、分散、およびdn/dTのグラフィカルおよび表形式の値と、不確かさ推定値が含まれている。
• 未測定の波長および温度における屈折率の補間を可能にするために、温度依存のSellmeier係数が導出された。
• 結果は、文献に限られた冷温データと整合しており、全温度範囲にわたる測定の信頼性を裏付けた。