Optical thermometry for determining the refractive index of air

Abstract

In optical length measurement, attaining a measurement uncertainty beyond a 10^−6 level is often precluded by inaccurate knowledge of the refractive index of air. In particular, large variations in temperature along the measurement path often prevent to adequately quantify the refractive index and thus the speed of light in the medium. To that end, this thesis presents an optical thermometer designed to measure an effective temperature of air over long distances. The temperature measurement is based on absorption spectroscopy at the oxygen A-band and is fully controlled by a microcontroller. With the measurement technique developed in the thesis, the thermometer can attain high accuracy without requiring calibration. The measurement uncertainty of the thermometer is strongly dependent upon the measurement distance and exhibits the least uncertainty for distances over 100 m. Preliminary experiments with 25 m path length showed a standard deviation of 0.2 K in the difference between spectroscopic and reference thermometer measurements, and the developed measurement technique should allow to further reduce the uncertainty.

Optisen etäisyysmittauksen epävarmuutta huonontaa usein vaikeus määrittää tarkasti ilman taitekerroin. Erityisesti merkittävät spatiaaliset lämpötilavaihtelut mittausmatkalla vaikeuttavat taitekertoimen, ja näin ollen valonnopeuden, tarkaa määrittämistä. Tämän vuoksi tässä työssä toteutettiin optinen lämpömittari ilman efektiivisen lämpötilan mittausta varten. Lämpötilan mittaus perustuu hapen absorptiospektroskopiaan lähi-infrapuna-alueella, ja mittaus on täysin ohjattu mikrokontrollerilla. Työssä kehitetyllä mittausmenetelmällä on mahdollista saavuttaa hyvä mittaustarkkuus ilman kalibrointia. Mittausepävarmuus riippuu vahvasti mitattavasta etäisyydestä ja vähenee yli sadan metrin mittausetäisyydellä. Alustavat tulokset osoittivat 25 m mittausetäisyydellä olevan mahdollista saavuttaa 0.2 K keskihajonta spektroskooppisen ja referenssilämpötilamittarin mittaamien lämpötilojen erotuksessa, ja tuloksen pitäisi olla helposti parannettavissa.