[논문 리뷰] Temperature-dependent absolute refractive index measurements of synthetic fused silica

Douglas B. Leviton, Bradley J. Frey|ArXiv.org|2008. 05. 01.

Calibration and Measurement Techniques참고 문헌 4인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 냉각성 고정밀 굴절률 측정 시스템(CHARMS)을 사용하여 30–310 K 및 0.4–2.6 μm 파장 범위에서 합성 퓌즈 실리카(Corning 7980)의 온도 의존 절대 굴절률 측정을 수행하며, 절대 불확도 ±1×10⁻⁵을 달성하였다. 주요 기여는 불확도 추정치와 함께 정밀한 굴절률, 분산 및 열광학 계수(dn/dT) 데이터 세트와 함께, 정확한 보간을 위한 온도 의존 Sellmeier 계수를 제공하는 것으로, 독립적인 냉각 측정 및 문헌 자료와의 검증을 통해 이루어졌다.

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.

연구 동기 및 목표

• 넓은 온도 및 파장 범위에서 고정밀도로 합성 퓌즈 실리카의 절대 굴절률을 측정하기 위해.
• 냉각 및 실온 응용 분야에 적합한 10⁻⁸/K 이하 정밀도로 열광학 계수(dn/dT)를 결정하기 위해.
• 특히 Kepler 미션을 위한 우주 기반 기구의 광학 설계를 위한 신뢰할 수 있고 실험적으로 검증된 데이터 세트를 제공하기 위해.
• 독립적인 간섭 측정 및 희소한 문헌 자료와의 비교를 통해 일관성과 정확성을 확보하기 위해.
• 측정하지 않은 파장 및 온도에 대한 굴절률의 정확한 보간을 가능하게 하기 위해 온도 의존 Sellmeier 계수를 유도하기 위해.

제안 방법

• NASA 골드스타드 우주비행센터에 소재한 냉각성 고정밀 굴절률 측정 시스템(CHARMS)을 사용하여 30에서 310 K의 제어된 온도에서 절대 굴절률을 측정하였다.
• 0.4에서 2.6 μm 파장 범위에서 절대 불확도 ±1×10⁻⁵로 굴절률을 측정하였다.
• 정밀한 굴절률 측정 기술을 활용하여 제어된 각도에서 전반사 현상을 이용함으로써 절대 굴절률 결정이 가능하도록 하였다.
• 온도 의존 굴절률 측정 결과로부터 열광학 계수(dn/dT)를 계산하였으며, 통계적 불확도는 ±2×10⁻⁸/K였다.
• 측정된 굴절률 데이터를 온도 의존 Sellmeier 방정식에 피팅하여 파장 및 온도 간의 보간을 가능하게 하였다.
• 동일한 재료 슬러그를 사용한 독립적인 간섭 측정 연구와의 비교를 통해 결과를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 30–310 K 및 0.4–2.6 μm 범위에서 고정밀도와 낮은 불확도로 합성 퓌즈 실리카(Corning 7980)의 절대 굴절률은 무엇인가요?
• RQ2 이 온도 및 파장 범위에서 퓌즈 실리카의 열광학 계수(dn/dT)는 어떻게 변화하며, 그 정밀도는 어떠한가요?
• RQ3 동일한 재료를 사용한 독립적인 간섭 측정 연구와의 비교에서 측정된 굴절률 값은 어떻게 일치합니까?
• RQ4 이 재료의 굴절률 거동을 가장 잘 기술하는 온도 의존 Sellmeier 계수는 무엇인가요?
• RQ5 현재 측정 결과는 문헌에 기록된 희소한 냉각 측정 자료와 어떻게 일치합니까?

주요 결과

• Cor닝 7980 퓌즈 실리카의 절대 굴절률은 0.4–2.6 μm 및 30–310 K 범위에서 ±1×10⁻⁵의 불확도로 측정되었다.
• 열광학 계수(dn/dT)는 통계적 불확도 ±2×10⁻⁸/K로 결정되었으며, 온도 범위 전반에 걸쳐 높은 재현성을 보였다.
• 동일한 재료 슬러그를 사용한 독립적인 간섭 측정 연구와의 비교에서 측정된 굴절률 값은 뛰어난 일치를 보였다.
• 데이터 세트에는 불확도 추정치와 함께 특정 파장 및 온도에서 굴절률, 분산 및 dn/dT의 그래픽 및 표기 값이 포함되어 있다.
• 측정하지 않은 파장 및 온도에 대한 굴절률의 정확한 보간을 가능하게 하기 위해 온도 의존 Sellmeier 계수를 도출하였다.
• 결과는 문헌에 기록된 희소한 냉각 측정 자료와 일치하여 전체 온도 범위에서 측정의 신뢰성을 강화한다.