Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Filterstrahler zur Charakterisierung von Array-Spektroradiometern

Durch die Kombination eines Quarz-Halogenstrahlers mit verschiedenen Spektralfiltern ist es möglich, eine schnelle Charakterisierung von Array-Spektroradiometern bezüglich ihres Fehlstrahlungsverhaltens und spektralen Bandpasses durchzuführen. Zu diesem Zweck wurde ein Filterstrahler mit bis zu acht unterschiedlichen Spektralfiltern entwickelt. Der Strahler wird für jede Filterkombination spektral kalibriert, so dass das Fehlstrahlungsverhalten von Array-Spektroradiometern direkt ermittelt werden kann.

Erarbeitung referenzfreier Geradheitsmessverfahren

Gemeinsam mit den PTB-Arbeitsgruppen „Datenanalyse und Messunsicherheit“ und „Längenteilungen“ wurde mit der vom BMBF geförderten (CDuR32) Entwicklung neuer, referenzfreier Geradheitsmessverfahren für den Nanometer-Komparator der PTB begonnen. Der Einfluss hoher Ortsfrequenzen der Referenzspiegel wurde anhand von virtuellen Experimenten unter Verwendung hochaufgelöster Messungen von Spiegelproben untersucht. Als Ergebnis konnte gezeigt werden, dass Geradheitsmessungen mit Messunsicherheiten unterhalb von einem Nanometer zu erwarten sind.

Ansprechpartner: A. Wiegmann, FB 4.2

Nanopartikelmessung mit der Rasterelektronenmikroskopie

Mittels eines Transmissionsdetektors in einem Rasterelektronenmikroskop wurden sowohl Hellfeld- als auch Dunkelfeldbilder von Nanopartikeln aufgenommen. Durch einen Vergleich der gemessenen Signalprofile mit simulierten Profilen lässt sich die Größe der Nanopartikel bestimmen. Es konnte gezeigt werden, dass das Verfahren sensitiv gegenüber Größenänderungen von weniger als 1 nm ist.

Echtzeitmessungen an einem ultrastabilen Laser in Hannover über eine 73 km lange Glasfaserverbindung

Durch Übertragung einer optischen Frequenz über eine stabilisierte Faserverbindung von 73 km Länge ist es erstmalig gelungen, einen Uhrenlaser in der PTB mit einem Laser in der Leibniz-Universität in Hannover zu vergleichen. In Echtzeit wurde der Laser in Hannover charakterisiert und optimiert, so dass sich eine Obergrenze für die Instabilität von 5 · 10^-15 für Messzeiten zwischen 0,1 s und 40 s ergab.

Eine optische Verbindung zur Übertragung hochstabiler optischer Referenzfrequenzen zwischen der PTB und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching

In Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching (MPQ) bei München entsteht eine über 900 km lange Glasfaserverbindung zur Übertragung hochstabiler optischer Referenzfrequenzen. Das südliche Teilstück vom MPQ bis zum Rechenzentrum der Universität Erlangen wurde kürzlich in Betrieb genommen. Erste Messungen zeigen eine relative Frequenzinstabilität von 4,2 · 10^-14 bei einer Sekunde Mittelungszeit.

Kompensation der effektiven Längenausdehnung eines optischen Referenz-Resonators

Die Frequenzstabilität von Lasern, die in optischen Atomuhren eingesetzt werden, lässt sich durch Verwendung von Referenz-Resonatoren deutlich verbessern, bei denen Quarzglas-Spiegel auf einen Abstandshalter aus Ultra-Low-Expansion (ULE)-Glas aufgebracht sind. Solche Resonatoren weisen bei Raumtemperatur jedoch einen großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) auf. In einem zum Patent angemeldeten Verfahren wird ein zusätzlicher ULE-Ring auf die Rückseite des jeweiligen Spiegels optisch kontaktiert, wodurch sich der CTE des gesamten Resonators deutlich verkleinern lässt.

Erstes Bose-Einstein-Kondensat mit Calciumatomen

In der PTB ist es 2009 weltweit zum ersten Mal gelungen, mit Calcium ein Bose-Einstein-Kondensat eines Erdalkalielements herzustellen. Bisher war das fast ausschließlich mit Alkali-Atomen möglich. Dem gegenüber bieten Erdalkali-Atome völlig neue Möglichkeiten für Präzisionsmessungen, da sie sehr schmale Übergänge im optischen Spektralbereich besitzen, die mit Lasern angeregt werden können.

Einfluss der Stöße bosonischer Strontiumatome in optischen Gitteruhren

Optische Uhren erreichen eine Genauigkeit und Stabilität, die den heutigen primären Atomuhren bereits überlegen ist. Allerdings sind diese Uhren noch sehr aufwendige Laboraufbauten und noch nicht für spezielle Anwendungen, z. B. im Weltraum, geeignet. In einem Experiment an der PTB konnte nun gezeigt werden, dass auch mit einer deutlich vereinfachteren optischen Gitteruhr, die mit dem bosonischen Strontiumisotop ⁸⁸Sr betrieben wird, der Einfluss der Stöße so klein gehalten werden kann, dass eine relative Unsicherheit unter 10^-16 erreichbar ist.

Metallkontamination auf Siliziumkugeln

Auf 1 kg-Siliziumkugeln, die als Dichtestandard und zur Neubestimmung der Avogadrokonstante dienen, wurde am METAS (Schweiz) eine Kontamination durch die Metalle Nickel und Kupfer mit einer Masse von ca. 75 µg gefunden. Diese aus dem Polierprozess stammende Kontamination wurde mit der Röntgenphotoelektronenspektroskopie und Röntgenfluoreszenzanalyse untersucht. An der PTB wurden Untersuchungen durchgeführt, die zeigen, wie diese Kontaminationen vermieden und die Metalle schonend von der Siliziumoberfläche entfernt werden können.

Ray-Tracing-Simulation zur Abschätzung des Bias der Messung im PTB-Kugelinterferometer

Für das internationale Avogadro-Projekt ist die interferometrische Bestimmung des mittleren Durchmessers von Silizium-Kugeln von entscheidender Bedeutung. Mit Hilfe von Optik-Simulationsrechnungen musste die Diskrepanz in den Angaben für den in PTB und NMIJ bestimmten mittleren Durchmesser aufgeklärt werden. Hierfür wurde zunächst eine Ray-Tracing-Simulation des in der PTB verwendeten Kugelinterferometers durchgeführt. Damit konnte gezeigt werden, dass die Formabweichungen der Referenzflächen hierbei einen Beitrag von besser als 0,3 nm bei Kugeldurchmessern von ca. 94 mm liefern.  

Diskrepanz bei Ausgleichsrechnungen aufgeklärt

Seit 1998 besteht eine Diskrepanz von etwa 1 · 10^-6 in den CODATA-Ausgleichsrechnungen zwischen dem Wert der am Einkristall aus natürlichem Silizium gemessenen Avogadrokonstante und dem von Fundamentalkonstanten abgeleiteten Wert. Dazu wurde die molare Masse M(Si) für Silizium natürlicher Isotopenzusammensetzung neu bestimmt. Für die Kalibrierung der massenspektrometrischen Untersuchungen am Referenzmaterial WASO17.2 aus dem Jahre 1988 konnten 2008 erstmals neue synthetische Mischungen aus hochangereicherten Siliziumisotopen ²⁸Si, ²⁹Si und ³⁰Si hergestellt werden, die in chemisch sehr reiner kristalliner Form vorlagen. Die Neubestimmung der molaren Masse des Kristalls am Institut für Referenzmaterialien und –messungen (IRMM) ergaben einen gegenüber früheren Messungen um 1,3 · 10^-6 höheren Wert für M(Si).

Verbesserung der Instabilität einer Caesium-Fontänenuhr durch Verwendung eines optisch stabilisierten Mikrowellensignals

In einem Demonstrationsexperiment konnte gezeigt werden, dass in einer Fontänenuhr die Frequenzinstabilität signifikant reduziert werden kann, wenn das für den Betrieb der Fontäne erforderliche Mikrowellensignal mit Hilfe eines rauscharmen Lasers und eines optischen Frequenzkamms stabilisiert wird.

Laseranregung des S-F-Oktupolübergangs im Yb⁺-Ion

Der äußerst schmalbandige elektrische Oktupolübergang vom S-Grundzustand zum ersten angeregten F-Zustand des Yb⁺-Ions wurde erstmals mit einem Diodenlaser spektroskopiert und hierbei eine Linienbreite im Bereich von 10 Hz beobachtet. Damit stehen mit dem für eine optische Atomuhr verwendeten Quadrupolübergang im gleichen Ion zwei äußerst schmalbandige Übergänge zur Verfügung, die u. a. zur Untersuchung einer möglichen zeitlichen Veränderung von Fundamentalkonstanten genutzt werden sollen.

Neue primäre Caesium-Fontänenuhr PTB-CSF2

Durch die erste vollständige Evaluierung der systematischen Unsicherheitsbeiträge der Caesium-Fontänenuhr CSF2 mit 8 · 10^-16 stehen der PTB nun mit den beiden Fontänenuhren CSF1 und CSF2 zwei primäre Caesium-Uhren der neuesten Generation zur Verfügung. Erste CSF2-Messungen des Skalenmaßes Sekunde der internationalen Atomzeit TAI sind an das Bureau International des Poids et Mesures zur Steuerung der Atomzeitskala TAI übermittelt worden.

Internationaler Vergleich zur gerichteten Transmission (CCPR-K6) abgeschlossen

Der Schlüsselvergleich CCPR-K6 bezüglich regulärer spektraler Transmission im Wellenlängenbereich von 380 nm bis 1100 nm an neutralen Graufiltern mit Transmissionswerten von ca. 90 % bis 0,1 % wurde abgeschlossen. Die Übereinstimmung der Ergebnisse der beteiligten 15 Partner entspricht in vielen Bereichen den Erwartungen. Einige Filter zeigten jedoch zeitliche Variationen, die die erzielbare Unsicherheit dominierten. Deshalb soll im kommenden Vergleich (Beginn 2010) besondere Sorgfalt auf die Auswahl stabiler Kalibrierartefakte gelegt werden. Der vollständige Bericht kann unter http://kcdb.bipm.org eingesehen werden.

Ansprechpartner: A. Schirmacher, FB 4.5

Homogener Strahler für radiometrische und photometrische Anwendungen

Eine Vielzahl von Anwendungen im Bereich Radiometrie und Photometrie erfordern ein gleichförmiges Beleuchtungssystem mit einem in hohem Maße lambertschen Profil der Strahldichte und Leuchtdichte. Beispiele für solche Einsatzgebiete sind die Kalibrierung von Radiometern und Photometern sowie Testeinrichtungen für elektronische Bildgebungssysteme. Als spezielle Lichtquelle für gonioreflektometrische Messungen wurde ein so genannter homogener Kugelstrahler weiterentwickelt und bezüglich des emittierten Strahlprofils charakterisiert. Der Kugelstrahler mit einem Durchmesser von 150 mm ist mit einer internen 400 W Quarz-Halogenlampe bestückt und liefert nun eine konstante Strahldichte im Bereich der Strahlerapertur mit mittleren Abweichungen von nur 0,2 %.

Internationaler Vergleich in der Laserradiometrie abgeschlossen

Ein internationaler Vergleich (EUROMET.PR-S2) der europäischen regionalen Metrologieorganisation EURAMET bezüglich der Strahlungsleistung von Hochleistungslasern wurde abgeschlossen. In diesem Vergleich, in dem die PTB als Pilotlabor agierte, wurden zwei Laserleistungsmessgeräte als Transferempfänger bei insgesamt 5 Messgrößen kalibriert und die Ergebnisse anschließend verglichen. Insgesamt 9 europäische und außereuropäische Teilnehmer waren beteiligt. Der ausführliche Bericht dieses Vergleiches und eine detaillierte Auflistung aller Ergebnisse werden in der „key-comparison database“ des BIPM hinterlegt werden.

Licht schaltet Licht, und dies möglichst verlustarm - Vektorielle Messung optischer Nichtlinearitäten

Mittels phasensensitiv heterodyn-detektierter Vierwellenmischung lassen sich erstmalig beide Quadraturkomponenten der schnellen optischen Nichtlinearität in photonischen Bauelementen wie rein-optischen Schaltern charakterisieren und auf bekannte Kerr-Nichtlinearitäten von Referenzmaterialien zurückführen.

Kalibrierung von Faser-gekoppelten Einzelphotonendetektoren

Im Rahmen der Aktivitäten in den EU- und BMBF-Projekten qu-Candela und EPHQUAM wurde für die relative Kalibrierung der Quanteneffizienz von Faser-gekoppelten Einzelphotonendetektoren (sog. Silizium-Avalanche-Photodioden) eine Methode aus der optischen Nachrichtentechnik implementiert. Dazu wird die Strahlung einer Einzelphotonenquelle genutzt, die auf der Laser-induzierten Emission von Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in nanokristallinem Diamant basiert. Die derzeit erreichten Standardmessunsicherheiten betragen ca. 1 %.

Untersuchungen des Rauschverhaltens leistungsskalierbarer Faserlaser

Das Phasenrauschverhalten leistungsskalierbarer Ytterbium-Faserlaser wurde in einer Zusammenarbeit mit dem Laser Zentrum Hannover und RP Photonics untersucht. Ein zentrales Ergebnis ist, dass durch Differenzfrequenzerzeugung resultierende THz-Frequenzkämme trotz eines – verglichen mit anderen Lasertypen – hohen Quantenrauschens hinreichend rauscharm sind, um sie in metrologischen Anwendungen einzusetzen.

Alternative kostengünstige Kalibrierung von Zeitvergleichseinrichtungen

In Zusammenhang mit den Zeitinstituten ROA (Spanien), METAS (Schweiz) und NIM (China) wurde die Kalibrierung von Zeitvergleichseinrichtungen mittels reisender GPS-Empfänger untersucht. Es wurde eine vergleichbare Kalibrierunsicherheit erreicht, wie bisher nur mit der aufwändigeren und teureren Zweiweg-Satelliten Zeit- und Frequenzübertragung.

Goniophotometrische Bestimmung des Lichtstromes organischer Leuchtdioden (OLEDs)

Der Lichtstrom ist eine der wichtigsten photometrischen Größen zur Beurteilung der Effizienz moderner Lichtquellen. In der PTB wurden dafür mehrere in der Literatur dargestellte Messverfahren zur Bestimmung des Lichtstromes organischer Leuchtdioden (OLEDs) verglichen. Bei den ausführlichen Untersuchungen hat sich herausgestellt, dass als einzige zuverlässige Messmethode die Goniophotometrie einzusetzen ist.

LED-Panel als photometrisches Flächenstrahlernormal für OLED Lichtquellen

Organische Leuchtdioden (OLEDs) sind moderne Lichtquellen, die auf Nanotechnologie basieren und einen Markteintritt in den nächsten 3 Jahren anstreben. In der PTB wurde ein großflächiges Strahlernormal auf Basis anorganischer Hochleistungs-LEDs entwickelt. Dieses sogenannte LED-Panel kann jetzt von der Industrie für die Justierung von Messsystemen zur Bestimmung wichtiger photometrischer Größen von OLEDs eingesetzt werden.

Bestimmung der Homogenität organischer Leuchtdioden (OLEDs)

Es gibt eine europäische Initiative, künftig großflächige organische Leuchtdioden (OLEDs) zur Raumbeleuchtung einzusetzen. Eine gleichmäßige Oberflächenhelligkeit ist dafür ein wichtiges Qualitätsmerkmal für großflächige OLEDs. In der PTB wurde ein neues Messverfahren zur Beschreibung einer repräsentativen Kennzahl für die Homogenität entwickelt, welches von der Industrie bereits während des Herstellungsprozesses von OLED verwendet werden kann.

Neuer Messplatz für Hochleistungs-LEDs

Im Rahmen eines „MNPQ-Transfer“-Projektes des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie wurde eine neue Apparatur zur Alterungsbestimmung der photometrischen und colorimetrischen Größen von Hochleistungs-LEDs in Betrieb genommen. LEDs sollen im Dauertest über einen Zeitraum von 2 bis 3 Jahren beobachtet werden, um ihr spektrales Alterungsverhalten zu untersuchen und damit ihre Einsatzmöglichkeit speziell für moderne medizinische Beleuchtungstechnik bewerten zu können. Darüber hinaus dient die Apparatur der Validierung existierender theoretischer Alterungsmodelle und der Selektion von LED-Transfernormalen.

Neue Kalibriermöglichkeit für optische Keilplatten

In der Optik werden bei bestimmten Anwendungen Keilplatten mit kleinen Winkeln zwischen den beiden ebenen Endflächen benötigt, z. B. als Referenzobjekte für die Zentrierprüfung. Die Kalibrierung dieser optischen Größe ist nun in der PTB möglich. Dazu wird ein Interferometer genutzt, dass über ein Wellenlängen schiebendes Verfahren einzelne Kavitäten in einem komplexen System optischer Flächen selektieren kann. Keilplatten mit Winkeln von Winkelsekunden bis hin zu einigen Winkelminuten können mit dem Verfahren gemessen werden.
Ansprechpartner: M. Schulz, FB 4.2

Planflächenmessung mit hoher lateraler Auflösung und hohem Dynamikumfang

Konventionelle, vollflächig messende Interferometer sind in ihrer lateralen Auflösung durch den verwendeten CCD-Sensor auf etwa 1000 Messpunkte pro Prüflingsdurchmesser beschränkt. Das ursprünglich für die Asphärenmesstechnik entwickelte Traceable Multiple Sensor - Verfahren erlaubt es, Profilschnitte von Planflächen mit einer Länge von bis zu 700 mm mit einem Messpunktabstand von 20 µm zu vermessen. Vergleichsmessungen mit einem kalibrierten vollflächig messenden Interferometer ergaben für einen nahezu ebenen Prüfling mit 150 mm Durchmesser eine RMS-Differenz von 3,1 nm. Die laterale Auflösung konnte gegenüber der Messung mit dem Interferometer um den Faktor 15 gesteigert werden.

Messung von diffraktiven Optiken mit dem Scatterometer für das tiefe UV

Im Deep UV-Scatterometer wurde der Dynamikbereich bei der Messung der gebeugten bzw. gestreuten Strahlung durch ein neues Detektionssystem signifikant erhöht und eine deutlich höhere Winkelauflösung erzielt. Damit ist jetzt das Fernfeld von optisch funktionalen Oberflächen, wie z. B. diffraktiven optischen Elementen, mit einer hohen Auflösung und Dynamik messbar. Dies stellt eine wesentliche Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten des in der PTB entwickelten DUV-Scatterometers dar. Zudem können jetzt auch schwache höhere Beugungsordnungen von optischen Gittern gemessen werden, die detailliertere Informationen beispielsweise über Kantenprofile der Gitterstrukturen liefern.

Neuartiges Konzept zur Speckle-Unterdrückung für ein 193nm-Mikroskop entwickelt und erfolgreich getestet

Der Einsatz von Lasern als Lichtquelle für abbildende Systeme wird im allgemeinen durch die Kohärenz der Laserstrahlung beeinträchtigt, welche zu unerwünschten „Speckle“-Mustern im Bild führen kann. Für das in der PTB im Aufbau befindliche 193nm-Mikroskop wurde ein neuartiges faser-basiertes Verfahren zur Unterdrückung von Speckle-Effekten für gepulste 193nm-Laserstrahlung entwickelt. Durch geschickte Ausnutzung der Modendispersion in Kombination mit der begrenzten zeitlichen Kohärenz der Laserstrahlung wird die räumliche Kohärenz effizient unterdrückt. Mit Hilfe eines Testaufbaus konnten erste hoch aufgelöste und specklefreie Mikroskopbilder aufgenommen werden. Die Homogenität der Beleuchtung sowohl in der Eintrittspupille als auch in der Objektebene des Mikroskops war ebenfalls sehr gut (Inhomogenität < 1,4 % rms). 

Bilateraler Vergleich des spektralen Strahldichtefaktors in Multigeometriekonfigurationen

Mit dem Institut für Druckmaschinen und Druckverfahren der Technischen Universität Darmstadt wurde ein bilateraler Vergleich des spektralen Strahldichtefaktors in 10 verschiedenen bidirektionalen ebenen Reflexionsgeometrien durchgeführt. Verglichen wurden die Reflexionswerte für ein Spectralon Reflexionsstandard im Wellenlängenbereich 380 nm bis 780 nm zwischen einem kommerziellen Multiwinkel Zweistrahl-Spektrophotometer und dem roboterbasierten Gonioreflektometer der PTB. Es ergaben sich Abweichungen zwischen dem PTB-Referenzgerät und dem kommerziellen Gerät im Bereich von 0,2 % bis zu 385 %. Die extreme Abweichung von 385 % ergab sich für eine Reflexionsgeometrie mit einem Einfallswinkel von 65° zur Probennormalen, bei Messung der Reflexion unter 80°. Die erzielten Ergebnisse zeigen an, dass derzeit noch erhebliche Schwierigkeiten bestehen bei der Rückführung von kommerziellen Geräten für Geometrien, die von den empfohlenen Reflexionsgeometrien 45:0 und 0:45 der internationalen Beleuchtungskommission CIE abweichen.

Ansprechpartner: A. Höpe, FB 4.5

Farbkoordinaten von gedruckten Effektpigmenten in Multi-Reflexionsgeometrien

In einer Kooperation mit dem Institut für Druckmaschinen und Druckverfahren der Technischen Universität Darmstadt wurden winkelabhängige Farbkoordinaten von gedruckten Effektpigmenten für 14 verschiedene Reflexionsgeometrien bestimmt. Dabei wurden am Roboter-Gonioreflektometer der PTB auch Messungen in so genannten Off-Axis Reflexionsgeometrien durchgeführt. Hierbei liegen die Richtungsvektoren der einfallenden Strahlung, der reflektierten Strahlung und der Probennormale nicht in einer Ebene. Durch das allgemeine Interesse der Industrie am Erscheinungsbild von Oberflächen („visual appearance“) bekommen Reflexionsdaten in solchen Geometrien eine zunehmend starke Relevanz. Für kommerzielle Mehrwinkel-Spektralphotometer bedeutet dies, dass insbesondere die Rückführung für bestimmte Winkelpaare noch zu überprüfen ist.

Internationale Vergleichsmessungen der Gitterkonstante abgeschlossen

Die PTB hat zusammen mit drei anderen nationalen Metrologieinstituten (METAS, NRC, ITRI) Messungen der mittleren Gitterkonstanten an eindimensionalen Gittern mit Gitterkonstanten von 700 nm bzw. 4000 nm durchgeführt. Alle Institute nutzten das Prinzip der Laserdiffraktometrie. Die Messwerte der vier Institute stimmten im Rahmen der jeweils angegebenen Messunsicherheiten überein. Die von der PTB ermittelten Messwerte lagen um nur 1 pm (700 nm Gitter) bzw. 6 pm (4000 nm Gitter) von dem internationalen Mittelwert ab. Der vollständige Endbericht ist unter der folgenden Internet-Adresse erhältlich: www.bipm.org/utils/common/pdf/final_reports/L/S5/SIM.L-S5.pdf

Ansprechpartner: E. Buhr, FB 4.2