Correction of pressure-induced optical path length changes in a refractometer cell

Im Bereich der Interferometrie für hochpräzise Längenmessungen kann der Einfluss des Luftbrechungsindexes entweder durch Messung im Vakuum oder durch den Einsatz einer Refraktometerzelle eliminiert werden. Im letzteren Fall wird eine genaue in-situ Bestimmung der Brechkraft ermöglicht, wobei systematische Störeffekte durch die Kompression des Glasmaterials bei unterschiedlichen Gasdrücken auftreten. Bei der bisherigen Verwendung der Refraktometerzellen der PTB war der Referenzzustand für die Bestimmung geometrischer Korrekturen der atmosphärische Umgebungsluftdruck. Dies ist für typische Messungen im Bereich der Kalibrierung von Längenmaßverkörperungen (z. B. Endmaße) unter atmosphärischen Bedingungen geeignet. Für hochpräzise Messungen der Kompressibilität eines Materials oder der Druckabhängigkeit des Gasbrechungsindexes wird jedoch der Gasdruck und damit die Refraktometerzelle über den üblichen Schwankungsbereich der Atmosphärenbedingungen hinaus variiert.

Aus diesem Grund wurde ein Ansatz zur Korrektur von druckinduzierten Effekten für das in der PTB verwendete Interferenzrefraktometer entwickelt. Das hergeleitete theoretische Modell ist einfach gehalten und konnte durch experimentelle Daten validiert werden. Die erforderliche Korrektur des Brechzahlwertes liegt bei 6×10^-9 für eine Refraktometerzelle bei gegebener Geometrie von 420 mm Länge, was einem relativen Beitrag von 2×10^-5 bei der Bestimmung der Luftrefraktivität n-1 unter Standardlaborbedingungen entspricht. Bei der Anwendung in hochpräzisen Längenmessungen (bis zu 1000 mm) hat der Effekt beispielsweise eine Längenkorrektur von mehreren Nanometern zur Folge.