[论文解读] 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 10

一句话总结

本研究利用低温高精度折射率测量系统（CHARMS），在30–310 K温度范围和0.4–2.6 μm波长范围内，对合成熔融石英（Corning 7980）进行了温度依赖的绝对折射率测量，绝对不确定度为±1×10⁻⁵。主要贡献在于提供了精确的折射率、色散和热光系数（dn/dT）数据集及其不确定度估计，并给出了用于准确插值的温度依赖Sellmeier系数，经独立低温测量和文献数据验证。

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.

研究动机与目标

• 在宽温度和波长范围内，以高精度测量合成熔融石英的绝对折射率。
• 以低于10⁻⁸/K的精度测定热光系数（dn/dT），适用于低温和室温应用。
• 为太空基仪器光学设计提供可靠且经实验验证的数据集，尤其针对开普勒任务。
• 与独立的干涉测量结果及稀疏的文献数据进行比较，以确保一致性和准确性。
• 推导出用于在未测量波长和温度下实现折射率准确插值的温度依赖Sellmeier系数。

提出的方法

• 利用美国宇航局戈达尔空间飞行中心的低温高精度折射率测量系统（CHARMS），在30至310 K的受控温度下测量绝对折射率。
• 在0.4至2.6 μm波长范围内测量折射率，绝对不确定度为±1×10⁻⁵。
• 采用基于受控角度全内反射的精密折射率测量技术，实现绝对折射率的确定。
• 从温度依赖的折射率测量数据中计算热光系数（dn/dT），统计不确定度为±2×10⁻⁸/K。
• 将测得的折射率数据拟合至温度依赖的Sellmeier方程，以实现在波长和温度范围内的插值。
• 通过使用相同材料样品的独立干涉研究对结果进行验证，并与文献中稀疏的低温数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在0.4–2.6 μm波长范围和30–310 K温度范围内，合成熔融石英（Corning 7980）的绝对折射率是多少？其测量精度高且不确定度低？
• RQ2 熔融石英的热光系数（dn/dT）在该温度和波长范围内如何变化？其测量精度如何？
• RQ3 使用相同材料样品的独立干涉测量研究所得的折射率测量值与本研究结果相比如何？
• RQ4 描述该材料折射率行为的最佳温度依赖Sellmeier系数是什么？
• RQ5 当前测量结果与现有文献中的低温折射率数据是否一致？

主要发现

• Corning 7980熔融石英的绝对折射率在0.4–2.6 μm波长范围和30–310 K温度范围内，测量不确定度为±1×10⁻⁵。
• 热光系数（dn/dT）的统计不确定度为±2×10⁻⁸/K，表明在整个温度范围内具有高度可重复性。
• 测量得到的折射率值与使用相同材料样品的独立干涉测量研究结果高度一致。
• 数据集包含选定波长和温度下的折射率、色散和dn/dT的图形及表格数据，附带不确定度估计。
• 推导出温度依赖的Sellmeier系数，可实现对未测量波长和温度下折射率的准确插值。
• 结果与文献中稀疏的低温数据一致，进一步证实了测量在整个温度范围内具有可靠性。