[논문 리뷰] 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 Silander외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 03.

Spectroscopy and Laser Applications인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 표준 온도 및 압력 조건에서 10⁻⁹의 정밀도, 극히 낮은 온도 의존성(~10⁻⁸/°C), 그리고 안정된 내부 기준에 기반한 고정밀·드리프트 없는 측정을 가능하게 하는 고속 스위칭 이중 파르지-페로 캐비티(FS-DFCB-OR) 광학 굴절률계를 제시한다. 이 시스템은 내부 정확도가 절대 정확도보다 수개의 주기만큼 뛰어나게 되며, 이는 안정적인 내부 기준 덕분이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 가스 굴절률 및 밀도를 정확하게 평가하기 위한 드리프트 없는 고정밀 광학 굴절률 측정 시스템을 개발하기 위해.
• 열적 및 기계적 드리프트로 인해 성능에 한계를 가진 기존의 이중 파르지-페로 캐비티(DFCB-OR) 시스템의 문제점을 해결하기 위해.
• 고속 스위칭 DFCB-OR(FS-DFCB-OR) 구성의 정밀도, 정확도 및 온도 의존성 평가를 위해.
• 가스 굴절률 및 밀도 측정에서 최고의 성능을 내기 위한 FS-DFCB-OR 시스템 최적화를 위한 설계 지침 제공을 위해.

제안 방법

• 시스템은 참조 기체와 시료 기체 간의 차별 측정을 가능하게 하기 위해 고속 스위칭 방식으로 작동하는 두 개의 파르지-페로 캐비티를 사용한다.
• 공통 모드 드리프트, 특히 열적 및 기계적 불안정성을 제거하기 위해 이중 캐비티 구성을 사용한다.
• 광경로 길이 변화로부터 굴절률 및 밀도를 추출하기 위해 캐비티 모드의 위상 또는 주파수 추적에 기반한다.
• 비이상 기체 거동 및 기계적 왜곡을 보정하기 위해 정확한 비르발 계수 및 캐비티 변형 표현을 적용한다.
• 내부 기준을 사용하여 캘리브레이션을 수행함으로써 절대 캘리브레이션 불확도와 무관한 높은 내부 정확도를 달성한다.
• 캐비티 스페이서 재료의 열팽창을 모델링하여 온도에 의한 오차를 정량화하고 최소화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 조건 하에서 FS-DFCB-OR의 가스 굴절률 및 밀도 측정 가능 정밀도는 얼마인가?
• RQ2 FS-DFCB-OR의 절대 정확도는 캐비티 변형 및 고차 비르발 계수 측정 정확도에 어떻게 의존하는가?
• RQ3 FS-DFCB-OR 시스템의 온도 의존성은 무엇이며, 어떤 물리적 요인이 이를 주도하는가?
• RQ4 FS-DFCB-OR의 내부 정확도는 절대 정확도에 비해 어떻게 다른가? 이 차이를 가능하게 하는 요소는 무엇인가?
• RQ5 고정밀 가스 미세측정에서 FS-DFCB-OR의 성능을 최적화하기 위한 설계 원칙은 무엇인가?

주요 결과

• FS-DFCB-OR는 표준 온도 및 압력(STP) 조건에서 굴절률 및 가스 밀도 측정에 대해 10⁻⁹의 정밀도를 달성한다.
• 절대 정확도는 주로 캐비티 변형 측정 및 고차 비르발 계수 측정의 불확도에 의해 제한된다.
• 내부 정확도—내부 기준에 대한 차이를 해석할 수 있는 능력—는 절대 정확도보다 수개의 주기만큼 뛰어나게 되며, 이는 안정적인 내부 기준 덕분이다.
• 시스템의 온도 의존성은 매우 낮으며 일반적으로 10⁻⁸에서 10⁻⁷ /°C 범위에 있으며, 캐비티 스페이서 재료의 열팽창이 주요 원인이다.
• 시스템의 성능은 드리프트에 대해 뛰어난 내구성을 보이며, 장기간의 고정밀 가스 굴절률 측정에 적합하다.
• 결과는 파르지-페로 캐비티 기반 굴절률 측정의 잠재력을 극대화하는 차세대 광학 굴절률계 실현을 위한 기초를 제공한다.