Europäisches Projekt "Candela: Towards quantum-based photon standards"

Im Rahmen der iMERA Plus Forschungsinitiative beteiligen sich verschiedene Fachbereiche der PTB zusammen mit Partnern aus 6 europäischen Staatsinstituten am Projekt "Candela: Towards quantum-based photon standards". In der Arbeitsgruppe Laserradiometrie sollen Einzelphotonenquellen auf der Basis lokalisierter Zentren im Diamant und Halbleiterquantenpunkten entwickelt, weiterentwickelt und charakterisiert werden. Aufgabe der Arbeitsgruppe Laserradiometrie ist dabei eine Verbesserung der Einzelphotonenquelleneigenschaften. Ziel ist es, letztlich eine Grundlage für die absolute Radiometrie im Leistungsbereich weniger Photonen zu schaffen.

(S. Kück, FB 4.5, Stefan.Kueck@ptb.de)

Detektion optischer Nichtlinearitäten in photonischen Komponenten unabhängig von den Laserparametern

Mittels heterodyn-detektierter Vierwellenmischung wurde die so genannte "schnelle" optische Nichtlinearität von modernen Hohlkernfasern untersucht. Die Empfindlichkeit war dabei so groß, dass bereits Faserlängen von 20 mm für genaue Messungen ausreichten. Bei dem neuartigen Messkonzept diente der bekannte nichtlineare Brechungsindex von Quarzglas als Referenz.

(A. Sherman, FB 4.5, Anatoly.Sherman@ptb.de)

Emittieren Hochleistungs-Femtosekunden-Faserlaser phasenkohärente Impulse?

Mit Hilfe eines Interferometers auf Glasfaserbasis wurden die optischen Trägerphasendifferenzen von jeweils zwei aufeinander folgenden Impulsen eines kommerziellen Hochleistungs-Femtosekundenlasers gemessen. Sie waren immer viel kleiner als 1 Radian und somit eindeutig verfolgbar. Damit wurde gezeigt, dass diese Laser in der phasenkohärenten Frequenzmetrologie einsetzbar sind, wobei ihre große Impulsenergie völlig neue Möglichkeiten eröffnet.

(E. Benkler, FB 4.5, Erik.Benkler@ptb.de)

Bilateraler Vergleich der Skalen des spektralen Strahldichtefaktors mit dem finnischen metrologischen Staatsinstitut

Mit dem finnischen Staatsinstitut wurde ein bilateraler Vergleich der verschiedenen Skalen des spektralen Strahldichtefaktors durchgeführt. Hierzu wurden verschiedene Reflexionsstandards im Spektralbereich von 250 nm – 1700 nm kalibriert. Neben den genormten Geometrien wurden auch Messungen der winkelabhängigen Reflexionsverteilung (Reflexionsindikatrix) durchgeführt. Die Ergebnisse des Vergleichs zeigen Übereinstimmung im Rahmen der kombinierten Messunsicherheit beider Teilnehmer.

(A. Höpe, FB 4.5, Andreas.Hoepe@ptb.de)

Messung der dreidimensionalen Reflexionsindikatrix von Standard-Reflexionsmaterialien

Es wurden für verschiedene Einfallswinkel erste Messungen der dreidimensionalen Reflexionsverteilung (Reflexionsindikatrix) von Standardmaterialien durchgeführt. Die bisher untersuchten Materialien sind gesintertes PTFE (Polytetrafluorethylen), Opalgläser, Keramiken und Bariumsulfat. Solche spektral- und winkelaufgelösten Reflexionsdaten sind eine wichtige Referenz für Hersteller von radio- und photometrischen Produkten. Die Messungen bilden den Grundstock für eine Datenbank, die über das Internet Nutzern aus Forschung und Industrie zugänglich gemacht werden soll.

(A. Höpe, K.-O. Hauer, FB 4.5, Andreas.Hoepe@ptb.de)

Spektrale Transmission eines quadratisch strukturierten zweidimensionalen photonischen Kristalls im Infraroten

Der spektrale Transmissionsgrad eines zweidimensionalen photonischen Kristalls wurde im Wellenlängenbereich von 1,1 µm bis 2,5 µm bestimmt. Die Analyse der auftretenden Resonanzphänomene zeigt, dass mit der Methode der Laserlithographie auch großflächige photonische Komponenten präzise gefertigt werden können.

(A. Schirmacher, FB 4.5, Alfred.Schirmacher@ptb.de)

Langfristige Perspektiven für die Unterstützung des Satellitennavigationssystems Galileo durch die PTB

Der Galileo Time Service Provider (GTSP) stellt die Verbindung zwischen dem Galileo Bodensegment und europäischen Zeitinstituten, darunter der PTB her. Die PTB liefert seit 2008 Uhrendaten und organisierte eine Kalibrierkampagne zwischen den Zeitvergleichseinrichtungen der beteiligten Institute. Derartige Aktivitäten werden sowohl während der sogenannten "In-Orbit-Validation" wie auch während des eigentlichen Betriebs von Galileo nach 2013 benötigt.

(A. Bauch, FB 4.4, Andreas.Bauch@ptb.de)

Langzeitbetrieb eines optischen Ionen-Frequenznormals

Bei Messungen der absoluten Frequenz eines auf 171Yb+ basierenden optischen Einzelionen-Frequenznormals wurden Messintervalle bis zu 120 Stunden und eine relative statistische Unsicherheit von σy (65000 s) = 4 . 10-16 erreicht.

(Chr. Tamm, FB 4.4, Christian.Tamm@ptb.de)

Neue Ionenfalle für optische Frequenznormale

Für die Anwendung im optischen Frequenznormal mit einem gespeicherten Yb+-Ion wurde eine neue Ionenfalle – eine so genannte Endkappenfalle – entworfen und aufgebaut. Bei der Konstruktion wurde auf hohe mechanische Stabilität und eine gute Kontrolle elektrischer und magnetischer Felder geachtet, da dies für die Reduzierung der systematischen Unsicherheit des Frequenznormals von Bedeutung ist.

(E. Peik, FB 4.4, Ekkehard.Peik@ptb.de)

Erste Vergleichsmessungen zwischen den Caesium-Fontänen CSF1 und CSF2

Die zweite Caesium-Fontäne CSF2 der PTB befindet sich zur Zeit in der Phase der Evaluierung des Unsicherheitsbudgets. Erste Ergebnisse liegen bereits vor, so dass die Möglichkeit genutzt wurde, CSF2 mit CSF1 zu vergleichen. Zwischen beiden Fontänen wurde eine relative Frequenzdifferenz von (0,94 ± 1,33) × 10-15 gemessen, was eine gute Übereinstimmung im Rahmen der Messunsicherheit darstellt.

(S. Weyers, FB 4.4, Stefan.Weyers@ptb.de)

Verbesserung der Instabilität und Betriebssicherheit der Caesium-Fontäne CSF1

Instabilität und Betriebssicherheit der Caesium-Fontäne CSF1 wurden weiter verbessert werden. Erstmalig wurden bei Frequenzmessungen mit CSF1 Instabilitäten unterhalb von 10-15 erzielt. Bei zwei Langzeitmessungen über jeweils 25 Tage wurden effektive Messzeiten von 99,9% erreicht.

(S. Weyers, FB 4.4, Stefan.Weyers@ptb.de)

Realisierung eines optischen Synthesizers

Mittels eines optischen Frequenzkammgenerators wurde die Frequenzstabilität eines für eine optische Calciumuhr entwickelten Diodenlasers auf einen zweiten Laser anderer Wellenlänge übertragen. Der Calcium-Uhrenlaser mit einer Frequenz von 456 THz und einer Linienbreite von 1 Hz ist auf einen Referenzresonator stabilisiert, der unter hohem technischen Aufwand von allen äußeren Störeinflüssen isoliert ist. Seine Stabilität wird nun auf einen zweiten weniger aufwändig stabilisierten Diodenlaser übertragen, der bei einer Frequenz von 429 THz arbeitet und zur Entwicklung einer optischen Gitteruhr mit Strontiumatomen dient.

(T. Legero, FB 4.3, Thomas.Legero@ptb.de)

Beobachtung von Dekohärenzeffekten in einer Strontium-Gitteruhr

Auf dem Weg zu einer optischen Gitteruhr mit neutralen Strontium-Atomen wurde an der PTB erstmals der Uhrenübergang 1S0 – 3P0 mit 88Sr beobachtet. Bei der Anregung der Atome wurde eine deutliche Verkürzung der Fallenlebensdauer beobachtet, die auf inelastische Stöße zwischen den Sr-Atomen zurückgeführt werden konnte. Darüber hinaus wurde die Stoßverbreiterung und -verschiebung der Übergangs beobachtet. Die Stoßprozesse wurden modelliert, so dass Aussagen über die notwendigen Betriebsparameter einer Sr-Gitteruhr mit 88Sr möglich werden.

(Ch. Lisdat, FB 4.3, Christian.Lisdat@ptb.de)

Optische Glasfaser von 147 km Länge überträgt hochgenaue optische Frequenzen zwischen Universität Hannover und PTB: erster Faserlink im deutschen Verbund charakterisiert

Ein neues Konzept der PTB zur Übertragung höchststabiler Frequenzen per Glasfaser ist weiterentwickelt und erstmals an einer längeren verlegten Faserstrecke in Deutschland erprobt worden. In Zusammenarbeit mit dem Deutschen Forschungs-Netz (DFN), den Firmen Gasline und EN-BS, sowie dem Rechenzentrum der PTB wurde eine Glasfaserstrecke von 147 km Länge geschaltet, die unterirdisch von der PTB zu einem Labor der Universität Hannover und zurück verläuft. Durch ein verbessertes Kompensationssystem werden auftretende Frequenzfluktuationen deutlich reduziert: bereits nach einer Stunde wurde für die übertragene Frequenz eine relative Unsicherheit von 1 × 10-18 erreicht.

(G. Grosche, FB 4.3, Gesine.Grosche@ptb.de)

Silizium-28 Projekt mit ersten Ergebnissen

Der Avogadrokristall mit hochangereichertem 28 Si wurde auf seine Materialeigenschaften untersucht. Seit April 2008 wird in der PTB, im japanischen Metrologieinstitut NMIJ und am BIPM die Dichte von zwei 1 kg 28Si-Kugeln sowohl absolut mit Kugelinterferometern und Massekomparatoren, als auch relativ mit Hilfe der Flotationsmethode und der hydrostatischen Wägung bestimmt, mit dem Ziel, eine relative Messunsicherheit von 1 × 10-8 zu erreichen. Die Ergebnisse bestätigen die hohe chemische und isotopische Reinheit des Materials.

(P. Becker, FB 4.3, Peter.Becker@ptb.de)

Auf dem Weg zum Calcium Bose-Einstein-Kondensat – Einfang von ultrakalten Calciumatomen in optischen Dipolfallen

Für Präzisionsmessungen mit Calcium-Atomen wird versucht, ein Bose-Einstein-Kondensat als kohärente Quelle von Atomen herzustellen. Auf dem Weg dazu haben wir zirka ein halbe Million Atome im Kreuzungsbereich zweier optischer Dipolfallen gefangen. Es wurde eine Phasenraumdichte von 0,06 bei einer Temperatur von 12 µK erreicht; zur Kondensation ist nur noch eine Verringerung der Temperatur um weniger als eine Größenordnung erforderlich, was durch Verdampfung der jeweils energiereichsten schnellsten Atome erreicht werden soll.

(U. Sterr, FB 4.3, Uwe.Sterr@ptb.de)

Direkte Kalibrierung flächenmessender Interferometer

Das in der PTB entwickelte TMS (Traceable Multi Sensor) Verfahren kann auch zur direkten Ermittlung systematischer Interferometerabweichungen und damit zur direkten Kalibrierung von flächenmessenden Interferometern eingesetzt werden. Es wurde nachgewiesen, dass sich dabei besonders bei großen Interferometern Vorteile ergeben.

(M. Schulz, A. Wiegmann, FB 4.2, Michael.Schulz@ptb.de)

Verglichen und bestätigt: PTB weltweit führend in der Messung von UV-Strahlung

Internationale Messvergleiche bringen es an den Tag, ob Messungen verschiedener nationaler metrologischer Institute weltweit gleichwertig sind. So auch bei der Messung der spektralen Bestrahlungsstärke von UV-Strahlern. Ein von der PTB organisierter sog. Schlüsselvergleich im UV-Spektralbereich von 200 nm bis 350 nm ergab - im Rahmen der erreichten Messunsicherheiten - die Äquivalenz der Kalibrierungen fünf führender Staatsinstitute. Insbesondere weisen die Ergebnisse des amerikanischen Staatsinstitutes NIST und der PTB eine sehr gute Übereinstimmung auf.

(P. Sperfeld, FB 4.1, Peter.Sperfeld@ptb.de)

Hochstabile mobile Frequenzreferenz

In Zukunft wird es der PTB möglich sein, an jedem beliebigen Ort eine hochstabile Frequenzreferenz zur Verfügung zu stellen. Sie besteht aus einem passiven Wasserstoffmaser und einem GPS-Zeitempfänger. Im Oktober 2008 wurde die Messeinrichtung erstmals am Institut für Quantenoptik der Universität Hannover (IQO) benutzt. Die Einrichtung soll jetzt für Kampagnen zur Validierung der neuen Messeinrichtung mit Instituten, die über Zweigweg-Satelliten-Zeitübertragung (TWSTFT) mit der PTB verbunden sind, sowie für Tests verschiedener Auswerteverfahren genutzt werden.

(T. Feldmann, FB 4.4, Thorsten.Feldmann@ptb.de)

Auf der Zielgrade zur Galileo "In-Orbit Validation"

Die gegenwärtig andauernde Entwicklungsphase von Galileo wird mit der sogenannten "In-Orbit Validation" abgeschlossen werden. Ein Baustein des benötigten Bodensegments, nämlich ein Teil einer Precise Timing Facility kommt aus der PTB. Er wird im ersten Quartal 2009 an das Galileo Kontrollzentrum in Oberpfaffenhofen überführt.

(M. Rost, FB 4.4, Michael.Rost@ptb.de)

Kalibrierung von Leistungsmessgeräten für Diodenlaserstrahlung bis 250 W

Im Rahmen eines Forschungsvorhabens mit einem Industriepartner wurden die Entwicklung, die Erprobung und die Anwendung von Messmethoden und Transfernormalen für die präzise Messung der Strahlungsleistung von Diodenlasern im Leistungsbereich bis zu 250 W untersucht. Nach Abschluss dieses Projektes können nun Laserleistungsmessgeräte bei den industrierelevanten Wellenlängen 915 nm, 940 nm und 980 nm mit Leistungen bis zu 25 W und bei 808 nm bis zu 250 W in der PTB kalibriert werden. Die Standardmessunsicherheit des Empfängernormals HLR302 der PTB ergibt sich zu 0,2 % für die genannten Wellenlängen und für den Leistungsbereich von 2 W bis 250 W.

Ringversuch zur Entwicklung alternativer Standardmaterialien für die ICUMSA Methode GS2-13 zur Farbklassifizierung von Weißzucker

Mit der Abteilung "Produktentwicklung und technischer Service" der Nordzucker AG wurde ein Ringversuch zur Entwicklung alternativer Standardmaterialien für die ICUMSA Methode GS2-13 (ICUMSA: International Commission for Uniform Methods of Sugar Analysis) zur Farbklassifizierung von Weißzucker durchgeführt. Hierzu wurden für insgesamt 104 Keramiken und Glassinterplatten der Farbtypen 0 und 6 sowie zwei Chargen Zucker gemäß der "Braunschweig Standard-Farbtypenreihe" das Reflexionsverhältnis bei den Wellenlängen 495 nm und 620 nm gemessen.

Zuverlässige Automobilelektronik durch Eigenspannungsanalyse

Die Lebensdauer von gekapselten Siliziumsensoren für unterschiedlichste Aufgaben in Automobilen ist oft durch Verspannungen begrenzt, die während der Verkapselung entstehen. In der PTB wurde ein spezielles Mikrodiffraktometer entwickelt, mit dem die Spannungsfelder in verkapselten Siliziumchips durch Röntgenbeugungsanalyse zerstörungsfrei gemessen werden können. Zur Bestimmung der Spannungsfelder im einkristallinen Siliziumsubstrat verpackter Chips hat die PTB Arbeitsgruppe 4.33 ein spezielles Mikrodiffraktometer realisiert.

Zerstörungsfreie Bestimmung von Profilgeometrien von diffraktiven optischen Strukturen mit hohem Aspektverhältnis

Es wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem man Profilgeometrien von diffraktiven optischen Strukturen nicht-invasiv, d. h. zerstörungsfrei bestimmen kann. Bei diesem Verfahren wird ein Replikat der Originalprobe hergestellt und durch entsprechende Probenpräparation ein Profilschnitt der Struktur erzeugt, der quantitativ mit einem Elektronenmikroskop analysiert wird. Es wurden u. a. Profilgeometrien von Quarz-Gittern mit Stegbreiten von 250 nm und Höhen von 1,8 µm bestimmt.

(G. Ehret, FB 4.2, Gerd.Ehret@ptb.de)

Entwurf eines hochaperturigen 193nm-Mikroskops für hochgenaue quantitative Linienbreitenmessungen

Es wurde ein neuartiges optisches Transmissionsmikroskop (Objektivapertur: 0,9, Beleuchtungswellenlänge: 193 nm) für genaue Linienbreitenmessungen entworfen und konstruiert. Eine Rückführung auf die SI-Einheit Meter ist durch ein interferometrisch kontrolliertes Objektraster-Verfahren gegeben. Mit diesem Mikroskop werden quantitative Messungen von Strukturbreiten von 100 nm bis 10 µm mit Messunsicherheiten von 10 nm (95%-Vertrauensintervall) möglich.

(B. Bodermann, FB 4.2, Bernd.Bodermann@ptb.de)

Start eines BMBF-Verbundprojekts zur Entwicklung von Technologien und Messtechniken im Bereich höchstintegrierter Elektronik

Die Abteilung Optik der PTB beteiligt sich an dem vom BMBF geförderten Projekt "Critical Dimension und Registration für die 32 nm Maskenlithographie". Zusammen mit Industriepartnern (AMTC Dresden, Vistec Semiconductor Systems Weilburg) und den PTB-Abteilungen 5, 7, und 8 werden neue Technologien für die Speicher- und Logik-Chip-Produktion der nächsten Generation entwickelt. In der Abteilung Optik werden dazu scatterometrische und mikroskopische Messverfahren erforscht. Nähere Informationen: www.ptb.de/de/aktuelles/archiv/presseinfos/pi2008/pitext/pi080813.html.

(B. Bodermann, FB 4.2, Bernd.Bodermann@ptb.de)

Kommerzielle Kameras in der Radiometrie: Bestimmung der Homogenität von Bestrahlungsstärkefeldern

Für viele radiometrische Anwendungen ist die Kenntnis und Optimierung der Homogenität der benutzen Bestrahlungsstärkefelder von großer Bedeutung. Diese Informationen erhält man normalerweise durch ein langwieriges Abscannen der Fläche mit einem Photodetektor. In der PTB wurde gezeigt, wie stattdessen eine kommerziell erhältliche Kamera für die Messung der Homogenität eines Strahlungsfelds im Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1100 nm eingesetzt werden kann. Diese kamerabasierte Methode ermöglicht eine Analyse der Feldhomogenität nahezu in Echtzeit. Auf diese Weise wird die Justierung optischer Messplätze wesentlich beschleunigt und die Qualitätskontrolle deutlich vereinfacht.

(Stefan Winter, FB 4.1, Stefan.Winter@ptb.de)

Leuchtdioden als photometrische Standards

Neben den bereits in der industriellen Messtechnik eingeführten konfektionierten Leuchtdioden(LED)-Normalen der PTB ist nun in Zusammenarbeit mit der Industrie ein spezieller Kalibrierhalter entwickelt worden, der die Verwendung auch nackter Standard-LEDs als LED-Normale ermöglicht.

(A. Sperling, FB 4.1, Armin.Sperling@ptb.de)

Hohe UV-Bestrahlungsstärke mit neuen Strahlern: Xe-Hg-Lampen als Transfernormal

Der wachsende Anwenderkreis höherer UV-Bestrahlungsstärken fordert einen neuen Typ von Strahlertransfernormal. Zu diesem Zweck wurde ein Xe-Hg-Lampen-Transfernormal in der PTB entwickelt sowie die wichtigsten Arbeitsparameter des Strahlersystems ausführlich untersucht, wie zeitliche Stabilität, Reproduzierbarkeit, Homogenität des Feldes und Nutzbarkeit. Das entwickelte Strahlersystem ist besonders geeignet für die Kalibrierung hochwertiger Geräte bei höheren UV-Bestrahlungsstärken.

(S. Nevas, FB 4.1, Saulius.Nevas@ptb.de)

Außergewöhnliche Reflexionsgradänderungen in Ulbrichtkugeln unter hoher UV-Bestrahlung

Unter hoher UV-Exposition wurden außergewöhnliche Transmissionsänderungen an mit PTFE beschichteten Ulbrichtkugeln festgestellt, die als Eingangsoptik eines Spektroradiometers benutzt wurden: es zeigte sich ein beträchtlicher spektral variierender Anstieg der Transmission. Je kürzer die Beobachtungswellenlänge desto größer ist der Anstieg des beobachteten Transmissionsgrades der Ulbrichtkugeln. Der spektrale und der zeitliche Verlauf der Änderungen der Eigenschaften der Ulbrichtkugeln konnten mit Hilfe von Reflektionsmessungen an ebenen PTFE-Proben bestätigt werden.

(S. Nevas, FB 4.1, Saulius.Nevas@ptb.de)

Flüssiglichtleiter unter starker UV-Einkoppelung zeigen deutliche spektrale Transmissionsänderung

In Industrie und Forschung sind für höhere UV-Bestrahlungsstärken Flüssiglichtleiter weit verbreitet. In der PTB wurde erstmalig die zeitliche und spektrale Transmissionsstabilität von Flüssiglichtleitern unter starker UV-Bestrahlung systematisch untersucht. Die Untersuchungen zeigen eine deutliche Abnahme der spektralen Transmission der Lichtleiter in Abhängigkeit vom UV-Strahlungsspektrum und der eingebrachten Strahlungsdosis.

(S. Nevas, FB 4.1, Saulius.Nevas@ptb.de)

Schlüsselvergleich zur Messung der mittleren Gitterkonstanten von zweidimensionalen Gittern abgeschlossen

Die PTB hat zusammen mit elf anderen nationalen Metrologieinstituten an einem Schlüsselvergleich zur Messung der mittleren Gitterkonstanten auf zweidimensionalen Gittern teilgenommen. Die in der PTB mit optischer Diffraktometrie ermittelten Messwerte stimmten mit dem internationalen Referenzwert innerhalb von 0,016 nm überein. Der vollständige Bericht ist unter der folgenden Internet-Adresse erhältlich:

www.iop.org/EJ/abstract/0026-1394/45/1A/04003