Frequency-tracking using Fabry-Perot etalons allows performing ultra-precision length measurements, but it requires stringent thermal stabilization on cavity length against environmental temperature change. For the purpose, a new enhanced method of temperature control, which uses gallium that sustains the fixed temperature in the transient state from solid to liquid is presented. The new enhanced method of temperature control need not any reference temperature, the system itself can find the melting temperature of gallium as a reference point by dithering input heat flux. If gallium is in melting state, the latent heat of fusion works, so gallium temperature does not change on dithering input heat flux. Also, the control method can determine the state of gallium; solid, liquid, or melting state by investigating the temperature in gallium. Using thermilinear composite, 0.0006 K in resolution temperature sensor was made in hand and used.
Fabry-Perot interferometer for displacement measurement used in this study consists of various equipments. Among those, frequency tracking slave laser and Fabry-Perot etalon was made in hand. The slave laser can be modulated in frequency domain, and track resonance frequency as cavity length changes. So it was made by piezoelectric device for frequency modulation and a film heater for tracking frequency. Fabry-Perot cavity was made by alumina ceramic having CTE 8.4 p.p.m., which confirm by experiment.
Experimental test results demonstrate that the proposed method enables to achieve a temperature control stability of 0.001 K, which leads to a dimensional measurement stability of one part in $10^10$.
길이 측정을 위한 파브리-페로 간섭계는 현재 가장 높은 길이 분해능과 정확도를 제공할 수 있는 길이 측정방법으로 파브리-페로 공진기의 길이 변화를 주파수 영역에서 측정하는 장치이다. 그러나, 장치를 구성하여 원하는 고분해능과 정확도를 얻기 위해서는 공진기의 열적 안정화를 통한 길이 변화가 없어야 한다. 이 목적을 위해 갈륨의 녹는점에서의 잠열을 이용한 새로운 온도 제어 방법을 연구하고, 그 결과를 파브리-페로 공진기에 접목시켜 파브리-페로 간섭계의 길이 측정 불확도를 획기적으로 낮출 수 있는 방법을 제안한다. 새로운 온도 제어 방법은 시스템 스스로 갈륨의 상태, 즉 고체, 액체 혹은 녹는 상태임을 판단하고 녹는 상태임이 판단되었을 때의 온도를 녹는점으로 온도 제어를 수행할 수 있는 방법이다. 즉, 외부에서 어떠한 기준 온도 입력없이 시스템이 스스로 기준 온도를 찾아내는 방법이다. 이를 위해 시스템 외부에서 시간에 따라 변화되는 열량을 주입하고, 내부에서 0.0006도의 분해능을 가진 온도센서를 통해 측정되는 갈륨의 온도 변화량을 관찰하므로써 갈륨의 잠열 상태에서 변화되는 열량에 온도변화가 둔감해 지는 효과를 이용하여 녹는 상태를 검출하고 그 온도를 검출한다. 이 방법을 사용하면, 녹는점을 쉽게 정의하기 어려운 낮은 순도의 갈륨의 녹는점을 검출할 수 있으며, 약 0.001 K의 온도 안정도를 쉽게 얻을 수 있다.
본 연구에서 사용된 파브리-페로 간섭계는 매우 많은 장비들로 구성되는데, 그 중에서 주파수 가변 레이저 소스와 공진기는 직접 제작하였다. 공진기는 열팽창계수 8.4 p.p.m.을 가지는 것으로 알려진 알루미나 세라믹으로 길이 95 mm로 제작하였고, 반경 200 mm의 98.16 %의 고반사율코팅이 되어있는 거울을 양단에 부착하였다. 주파수 가변 레이저 소스는 플라즈마 레이저 튜브에 주파수 변조를 위하여 PZT를 부착하고, 주파수 가변을 위해 필름형 히터를 부착하여 제작하였다. 제작된 소스와 공진기를 이용하여 파브리-페로 간섭계를 구성하였고, 온도와 길이 변화를 동시에 측정하므로써 공진기에 사용된 재료의 열팽창계수를 확인하였다.
이렇게 제작된 공진기를 갈륨 챔버에 장착하고 갈륨의 녹는점에서 온도 안정화를 시킨 상태에서 길이 변화를 측정한 결과 온도 안정도는 표준편차 값으로 0.001 K, 길이 안정도는 1.5 nm급으 결과를 얻었다. 이는 현재 $10^{-8}$ 불확도 값이며, 공진기의 재료와 온도 안정도의 결과를 응용하면 $10^{-10}$ 의 길이 안정도와 사용되는 레이저의 주파수 안정도를 함께 얻을 수 있다.
