Nachrichten aus dem Jahresbericht 2010
Grundlagen der Metrologie
Spektrale Bestrahlungsstärke-Kalibrierung von Lampennormalen mit TULIP
Am Messplatz TULIP (Tuneable Lasers in Photometry) wurde erfolgreich demonstriert, dass die spektrale Bestrahlungsstärke-Kalibrierung von Lampennormalen grundsätzlich auch mit Hilfe eines Lasersystems ohne einen Hochtemperatur-Hohlraumstrahler rückgeführt werden kann. Basis für alle Messungen bleibt dabei das Kryoradiometer, das nationale radiometrische Strahlungsempfängernormal für optische Strahlungsleistung. Die neue Methode hat das Potential die Messunsicher-heit insbesondere im kurzwelligen Spektralbereich zu verringern.
Fluoreszenz bei PTFE-beschichteten Ulbrichtkugeln und Rezepte zur Beseitigung ihres Einflusses
In spektroradiometrischen Messeinrichtungen werden oft PTFE-beschichtete Ulbrichtkugeln als Eingangsoptik verwendet. Es hat sich gezeigt dass PTFE-Ulbrichtkugeln zu Fluoreszenz im Wellenlängenbereich 270 nm bis 365 nm neigen. Durch Erhitzen und Bestrahlung konnte die Fluoreszenz deutlich reduziert, bzw. sogar komplett ausgelöscht werden. Obwohl dieser Zustand nicht langzeitstabil ist, steht damit eine Methode zur Verfügung um mögliche Fehler durch die Fluoreszenz bei der Kalibrierung zu vermeiden.
Vereinfachte Erzeugung eines Calcium-Bose-Einstein Kondensats
Nachdem es 2009 in der PTB weltweit erstmals gelungen ist, ein Bose-Einstein Kondensat (BEC) aus Erdalkali-Atomen, in unserem Fall 40Ca herzustellen, wurde dieses Jahr die Erzeugung optimiert und vereinfacht. Es ist jetzt möglich, ein BEC in einer einfachen optischen Dipolfalle zu erzeugen. Damit werden jetzt die sehr schmalen optischen Interkombinationsübergänge in Calcium für präzise Untersuchungen der optischen Anregungen eines ultrakalten Quantengases anwendbar.
Neues Verstärkerkonzept für die Langstreckenübertragung von optischen Frequenzen: kohärente Frequenzübertragung über einen 480 km langen Faserlink
Eine alternative Verstärkermethode, die Faser-Brillouin-Verstärkung, wurde erstmalig für die Übertragung optischer Frequenzen eingesetzt und an einer 480 km Faserstrecke des Deutschen Forschungsnetzes (DFN) experimentell untersucht. Im Vergleich zu konventionellen Verstärkern können mit der neuen Technik größere Distanzen rauscharm überbrückt werden.
Monte-Carlo-Simulationen zur Berechnung der Messunsicherheit von Kugelinterferometern
Für das internationale Avogadro-Projekt (IAC) ist die interferometrische Bestimmung des mittleren Durchmessers von Silizium-Kugeln von entscheidender Bedeutung. Speziell entwickelte, neuartige Strahlverfolgungsalgorithmen liefern in Monte-Carlo-Simulationen Unsicherheitsangaben für die eingesetzten Kugelinterferometer von der PTB und dem japanischen Staatsinstitut NMIJ.
Transportabler, resonatorstabilisierter 1,5 µm Faserlaser
Im Rahmen eines vom BMWI geförderten Technologietransfers (MNPQ-Projekt) wurde ein Prototyp eines hochstabilen, transportablen Lasersystems für eine Wellenlänge von 1,5 µm entwickelt. Das komplette System besteht aus einem kommerziell erhältlichen Faserlaser, Referenzresonator und Elektronik und ist in einem 19-Zoll Einschubsystem integriert. Das Lasersystem erreicht mit σy(1s) < 5·10-15 eine mehr als 10fach bessere Kurzzeitstabilität als derzeit zur Verfügung stehende Mikrowellenoszillatoren und soll als optischer Lokaloszillator in Industrie und Forschung eingesetzt werden.
Frequenzvergleich hochstabiler Laser mit einer 900 km langen Glasfaser
Glasfaserverbindungen erlauben den Vergleich optischer Uhren mit bisher unerreichter Stabilität und Genauigkeit. Im vergangenen Jahr wurde eine Glasfaserstrecke zwischen der PTB in Braunschweig und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching in Betrieb genommen und charakterisiert. Erste Ergebnisse an dieser 900 km langen optischen Verbindung zeigen, dass es möglich ist, die Frequenzen hochstabiler Laser mit einer Kurzzeitstabilität von σy(τ) ≤ 3·10-14 s/τ miteinander zu vergleichen.
Entfernung der Metallkontamination auf Siliziumkugeln
Die Nickel- und Kupferkontamination der 1 kg-Kugeln aus angereichertem Si-28 des Avogadroprojekts wurde mit Hilfe einer speziellen Ätzmischung entfernt. Die danach manuell nachpolierten Kugeln haben eine so gut wiederhergestellte Oberflächenqualität, dass die Oxidschichtanalyse und die interferometrische Volumenmessung mit den angestrebten Messunsicherheiten möglich sind.
Kampf dem thermischen Rauschen – Neuartige ultrastabile Resonatoren für optische Uhren
Innerhalb des QUEST-Forschungsprojektes Sub-Hz Lasers and high performance cavities wurde ein optischer Resonator mit einem Abstandshalter aus monokristallinem Silizium realisiert. Das System wird bei einer Temperatur von -150 °C betrieben und ermöglicht eine relative Kurzzeitstabilität von unter 10-16 in einer Sekunde.
Frequenzmessung an der Strontium-Gitteruhr der PTB
An der PTB wurde erstmals die Frequenz des Uhrenübergangs von 87Sr gegen eine Cs-Fontänenuhr vermessen. Der Beitrag der Gitteruhr zur Gesamtunsicherheit liegt bei nur 4⋅10-16. Die Messungen zeigen gute Übereinstimmung mit den Messungen anderer Staatsinstitute.
Kalibrierte Zeitvergleiche über Glasfasern
Die Möglichkeit zum kalibrierten Vergleich von Zeitskalen über Glasfasernetze wurde untersucht. Unter Verwendung herkömmlicher elektro-optischer Komponenten und auf dem PTB-Campus verlegter Single-Mode Glasfasern wurde ein System entwickelt und spezifiziert, mit dem eine in einem räumlich getrennten Labor realisierte Zeitskala mit einer Unsicherheit < 100 ps an UTC(PTB) angebunden werden kann.
Neue Atomstrahlquelle für die Fontänenuhr CSF2
Ein großer Beitrag zur Frequenzinstabilität der Fontänenuhren resultiert aus dem atomzahlabhängigen „Quantenprojektionsrauschen“. Um dieses in Zukunft zu verringern, wurde eine Apparatur zur Erzeugung eines kalten Atomstrahls aufgebaut und in die Fontäne CSF2 integriert. Für den Betrieb mit dieser neuen Caesiumquelle konnte eine sechsmal höhere Atomzahl demonstriert werden, was eine Reduktion des Quantenprojektionsrauschens um 60 % ermöglicht.
Neue Methode zur in-situ Positionsbestimmung der Caesium-Wolke in einer Fontänenuhr
Experimente mit der Fontänenuhr CSF2 bestätigen, dass eine einfache Neigung des vorhandenen Magnetfelds es möglich macht, die genaue Position der Atomwolke im Resonator zu bestimmen. Damit können engere Grenzen für Frequenzverschiebungen aus Phasengradienten des Mikrowellenfeldes gesetzt werden, was die Gesamtunsicherheit in der Bestimmung der Caesiumsekunde reduzieren wird.
Absolutfrequenzmessung des S-F-Oktupolübergangs in 171Yb+
Ein gespeichertes Ytterbiumion bietet zwei Referenzübergänge für optische Frequenznormale: einen Quadrupolübergang bei 688 THz und einen Oktupolübergang bei 642 THz. Bei der Anregung des Oktupolübergangs ergibt sich eine erhebliche lichtinduzierte Verschiebung der Übergangsfrequenz. Es konnte erstmals gezeigt werden, dass trotz dieses Effekts die ungestörte Frequenz mit einer relativen Unsicherheit von höchstens 1⋅10-15 dargestellt werden kann.
Prototyp einer skalierbaren Ionenfalle für optische Uhren
Für hochstabile und genaue optische Ionenuhren wurde in der QUEST Nachwuchsforschergruppe ein neuer Fallentyp basierend auf einer segmentierten Chipfalle entwickelt. In diesem aus HF-Thermoplasten bestehendem Prototypen mit vergoldeten und laserstrukturierten Platinenchips wurden erstmals Coulomb-Kristalle mit Ytterbium-172 Ionen erzeugt. Die Dynamik von kontrollierten Ionenketten soll damit für ein Frequenznormal mit relativer Frequenzunsicherheit von 10-18 untersucht werden.
Speicherung und Laseranregung von Thorium-Ionen
Der Atomkern Thorium-229 besitzt einen angeregten Zustand bei einer ungewöhnlich niedrigen Energie und erscheint damit geeignet, die Basis einer neuartigen und äußerst präzisen optischen Uhr zu bilden. In einem vorbereitenden Experiment zum Nachweis des optischen Kernübergangs konnte die effiziente Erzeugung, Speicherung und Laseranregung von Th+-Ionen demonstriert werden.
Zeitgemäße Realisierung von UTC(PTB)
Seit Anfang Februar wird UTC(PTB) von einem aktiven Wasserstoffmaser abgeleitet, dessen Frequenz an die verfügbaren langzeit-stabilen Atomuhren der PTB, vorzugsweise die Caesiumfontäne CSF1, angeschlossen ist. Damit ist UTC(PTB) sowohl bei kurzen wie auch bei langen Mittelungszeiten stabiler als je zuvor.
Robuste Messung der Gruppenlaufzeitdispersion
Ein präzises und gegenüber zahlreichen systematischen Fehlerquellen robustes Messverfahren für die Gruppenlaufzeitdispersion optischer Übertragungsstrecken wurde implementiert. Es ist geeignet für Faserlängen von einigen Metern bis zu einigen Kilometern, und bietet eine Auflösung der Gruppenlaufzeitmessung im Bereich einer Pikosekunde, was z. B. bei der Dispersionskompensation in einer photonischen Mikrowellenquelle eingesetzt werden soll.
Einfluss der Photonenstatistik auf die Messung der Detektionseffizienz
Einzelphotonendetektoren unterschiedlicher Detektionseffizienz wurden relativ zueinander unter Verwendung von Strahlung verschiedener Photonenstatistik (Einzelphotonenquelle, abgeschwächter Laser, abgeschwächte Halogenlampe), aber gleicher Wellenlänge kalibriert. Dabei wurden unterschiedliche relative Verhältnisse der detektierten Zählraten gemessen. Dieses Ergebnis lässt sich durch die digitale Antwort der als Detektoren verwendeten Silizium-Avalanche Photodioden und mittels statistischer Betrachtungen erklären und hat große Bedeutung hinsichtlich der Rückführung von Detektionseffizienzen von Einzelphotonendetektoren.
Ansprechpartner: S. Kück, FB 4.5 - Optische Technologien
Reflexionsmessungen an gepressten Staubproben
In einer Kooperation mit dem Institut für Geophysik und Extraterrestrische Physik der Universität Braunschweig wurden Indikatrixmessungen zum Reflexionsverhalten durchgeführt. An gepressten SiO2-Staubproben (Silikaten) wurde bei einer Wellenlänge von 812 nm die Winkelabhängigkeit des Strahldichtefaktors bestimmt. Aus diesen Messungen lassen sich Reflexionskoeffizienten für optische Strahlung berechnen, einer wichtigen Größe für Modellrechnungen zur Entstehung von Protoplanetesimalen, der Vorstufe von planetaren Körpern.
Ansprechpartner: A. Höpe, FB 4.5 - Optische Technologien
Stickstoff-Fehlstellen-basierte Einzelphotonenquelle hoher Effizienz
Im Rahmen der Forschungsprojekte qu-Candela und EPHQUAM wurde eine Einzelphotonenquelle basierend auf dem Stickstoff-Fehlstellen-(NV-) Zentrum hoher Effizienz und Photonenrate untersucht. So wurde bei einer Photonenrate von ca. 2,45 ∙ 105/s und einer Bandbreite von 75 nm ein g2(τ = 0)-Wert von 0,03 gemessen. Außerdem konnte ein weiteres Zentrum identifiziert werden, welches bei gleicher Bandbreite und einem g2(τ = 0)-Wert von 0,19 eine Photonenrate von ca. 1,4 ∙ 106/s aufweist. Die hohen Bandbreiten sind insbesondere für die wellenlängenabhängige Kalibrierung von Einzelphotonendetektoren interessant.
Ansprechpartner: S. Kück, FB 4.5 - Optische Technologien
Einzelne Ionen ganz kalt
Ein einzelnes Magnesium-Ion konnte in einer Falle eingefangen und mittels Laserkühlung in den Bewegungsgrundzustand gebracht werden. Dazu wurde ein neuartiges Lasersystem entwickelt, das ausgehend von einer einzigen Quelle alle dafür notwendigen Lichtstrahlen zur Verfügung stellt. Dies ist ein wichtiger Schritt zur Spektroskopie an schwierig zugänglichen Ionen, die zusammen mit dem Magnesium-Ion gefangen und gekühlt werden sollen.
Metrologie für die Gesellschaft
„Reference Clock Ensemble“ und „GST Realization Subsystem“ im GALILEO Kontrollzentrum
Zwei wichtige, in der PTB entwickelte Systeme für die Precise Timing Facility des Satellitennavigationssystems Galileo wurden in das Bodenkontrollzentrum nach Oberpfaffenhofen transferiert und dort in Betrieb genommen: Das Reference Clock Ensemble, bestehend aus vier kommerziellen Caesium-Atomuhren, dient im Zusammenwirken mit zwei Wasserstoff-Masern als Rückgrad der Galileo-Systemzeit. Das GST Realization Subsystem generiert diese Systemzeit aus den Uhrensignalen für das gesamte Galileo-Bodensegment.
Metrologie für die Wirtschaft
Kalibrierte Referenzsolarzellen im Außeneinsatz
Im Labor kalibrierte Referenzsolarzellen werden immer häufiger auch bei Außenbedingungen benutzt. Es wurde in der PTB untersucht in wie weit eine solche Solarzelle korrekte Bestrahlungsstärken für die Wirkungsgradbestimmung liefert. Dabei wurde festgestellt, dass bereits aufgrund der Winkelabhängigkeit bei diffuser Strahlung durchaus Fehler von bis zu 10 % möglich sind, bei Standardtestbedingungen jedoch normalerweise nicht mehr als 1 %. Falls die Referenzsolarzelle nicht nur für Messungen am Sonnensimulator eingesetzt werden soll, sondern auch für Outdoormessungen, muss für genaue Messergebnisse deren Winkelabhängigkeit berücksichtigt werden.
LED-Lichtquellen: Langzeitstabilität, Winkelabhängigkeit der Farbe und Strahlenkörper
Im Rahmen eines dreijährigen MNPQ-Transfer-Projektes wurde ein universeller Messplatz zur Charakterisierung von LEDs und ihres Strahlenkörpers entwickelt, die als Referenz für Hochleistungs- und Weißlicht-LEDs breite Anwendung finden. Zahlreiche Untersuchungen zur Langzeitstabilität und Winkelabhängigkeit des Farbortes von farbigen und weißen LED-Lichtquellen unterschiedlicher Hersteller ergaben z. T. starke Veränderungen während der ersten 1000 Brennstunden. Nach dieser „Einbrennphase“ zeigt sich im Ergebnis eine hohe Langzeitstabilität von Hochleistungs-LEDs für den Rest der Lebensdauer sowohl bzgl. ihres Lichtstroms als auch ihres Farbortes.
Neuartige Lichtleiter-Einkoppeloptik mit Photometer und Radiometer am Roboter-Goniophotometer
Für den Einsatz am Roboter-Goniophotometer wurde eine neuartige Lichtleiter-Einkoppeloptik mit konzentrisch positioniertem Photometer bzw. Radiometer entwickelt. Sie dient der Bestimmung photometrischer, radiometrischer und spektroradiometrischer Größen wie Lichtstärke (Strahlstärke) und Lichtstrom (Strahlungsfluss), aber auch colorimetrischer Kennzahlen wie Farbort, ähnlichste Farbtemperatur und dominante Wellenlänge. Hiermit ist eine synchrone Erfassung integraler und spektral aufgelöster Daten möglich.
Roboter-Goniophotometer im Kalibriereinsatz
Das Roboter-Goniophotometer hat Anfang 2010 den regulären Kalibrierbetrieb zur fundamentalen Realisierung und Weitergabe der Lichtstromeinheit Lumen aufgenommen. Durch Rekalibrierung bewährter, bereits früher sorgfältig charakterisierter Lichtstromnormallampen konnte die Überprüfung des neuen Systems erfolgreich abgeschlossen werden.
Synchrone Bestimmung des Streulichtstromanteils vom Gesamtlichtstrom am Roboter-Goniophotometer
Unvermeidbare Streulichtanteile auf den Wänden des Goniophotometer-Messraumes verfälschen bei der Lichtstrommessung von Lampen die Messung deren Gesamtlichtstroms um bis zu 10-3. Ein Verfahren wurde entwickelt und implementiert, bei dem jetzt routinemäßig die verfälschende streulichtinduzierte Beleuchtungsstärke ermittelt und für jede Lampe unabhängig vom Lampentyp eine individuelle Streulichtkorrektur bestimmt wird.
193 nm Mikroskop für Strukturbreitenmessung
Ein neuartiges optisches Mikroskopie-System zur Strukturbreitenmessung an Photomasken wird in der PTB entwickelt und realisiert. Hiermit soll eine Messunsicherheit unter 10 nm erreicht werden. Die Arbeitswellenlänge von 193 nm bietet die Möglichkeit, “at-wavelength” Messungen für aktuelle und zukünftige 193 nm Lithografieverfahren durchzuführen.
Neues Ebenheitsreferenzsystem installiert
In der PTB wurden zwei neue optische Messeinrichtungen für die höchstgenaue Ebenheitsmessung installiert. Damit können Prüflinge mit einer Größe von bis zu 1 m sowohl liegend als auch stehend gemessen werden. Damit werden mit den neuen Anlagen Ebenheitsmessungen mit bislang unerreichten Genauigkeiten im sub-Nanometerbereich möglich.
Traceable Multiple Sensor – Messtechnik in die Industrie transferiert
Im Rahmen eines „MNPQ-Transfer“-Projektes des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie wurde das an der PTB erfundene TMS-Messverfahren für die hochgenaue Formmessung optischer Oberflächen zum Projektpartner TRIOPTICS GmbH transferiert und zur kommerziellen Nutzung verfügbar gemacht.
Charakterisierung der optischen Wirkung von diffraktiven optischen Elementen
Die optische Wirkung von diffraktiven optischen Elementen (DOEs), die in der Halbleiterlithographie zur Beleuchtung mit der Wellenlänge 193 nm eingesetzt werden, wurde mit dem DUV-Scatterometer der PTB und mit einem abbildenden Messsystem bei der Fa. Carl Zeiss SMT gemessen. Durch den Vergleich konnten sowohl die Messgeräte als auch die DOEs selbst hochgenau charakterisiert werden.
Entwicklung neuer Justierverfahren für die hochgenaue Topographie-Messung von Synchrotronspiegeln
In Kooperation mit dem neuen spanischen Synchroton „ALBA“ wurden neue Justierstrategien für die optische Messung der Oberflächenform von vertikal stehenden Spiegeln entwickelt. Die neuen Justierverfahren ermöglichen Winkelausrichtungen der einzelnen Komponenten mit Genauigkeiten von 0,1 arcsec. Dies ist mehr als ausreichend, um Messungen der Oberflächenform mit Unsicherheiten im sub-Nanometerbereich zu erzielen.
Farbkoordinaten mit einer räumlichen Auflösung von 30 µm
Ein neuartiger Messplatz wurde speziell für Messungen zum visuellen Erscheinungsbild von Oberflächen entwickelt. Mit einer Leuchtdichtekamera mit Spezialoptik ist es möglich, Farbkoordinaten an Probenoberflächen mit einer räumlichen Auflösung von 30 µm zu bestimmen. Spezielle Anwendungsgebiete sind die Charakterisierung von Effekt-Pigmenten und deren winkelabhängiger Farbeindruck.
Ansprechpartner: A. Höpe, FB 4.5 - Optische Technologien
Internationale Angelegenheiten
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© Physikalisch-Technische Bundesanstalt, letzte Änderung: 2012-01-16, Webmaster Abteilung 4
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