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Photonenimpuls für die Metrologie

Optische Leistungsmessungen über Strahlungsdruck

PTB-News 2.2022
29.04.2022
Besonders interessant für

Radiometrie

Masse- und Kraft-Metrologie

Astrophysik

In den letzten Jahren hat die Verwendung von Photonenimpulsen in der Metrologie, insbesondere in der Radiometrie, aber auch in der Kraft- und Massemetrologie zunehmend Aufmerksamkeit erfahren. Der Grund dafür ist, dass sich Photonen wie Teilchen verhalten und beim Zusammenstoß mit Materie der resultierende Impulstransfer zur Messung der optischen Leistung oder umgekehrt zur Erzeugung einer kleinen Kraft genutzt werden kann. Diese Methode zur optischen Leistungsmessung wurde jetzt mit etablierten Verfahren genau verglichen.

Der optische Hohlraum besteht aus zwei ultrahochreflektierenden Spiegeln (Reflektivität > 99,995 %), die an zwei elektromagnetischen Kraftausgleichswaagen aufgehängt sind. Der sichtbare Laserstrahl wird zwischen den Spiegeln 21-mal reflektiert.

Obwohl das Photon keine Masse hat, trägt es Impuls und Energie in sich, die proportional zur Frequenz bzw. umgekehrt proportional zu seiner Wellenlänge sind. Wenn ein Lichtstrahl mit sehr vielen Photonen auf einen Spiegel mit hohem Reflexionsvermögen trifft, werden die meisten Photonen reflektiert und nur einige wenige absorbiert. In beiden Fällen wird der Spiegel aufgrund dieser Wechselwirkung ein wenig zurückgestoßen. Der größte Teil des Rückstoßes wird durch die reflektierten Photonen erzeugt. Diesen Effekt nutzt man seit einigen Jahren, um hohe optische Leistungen von Lasern zu messen. Das hat einige Vorteile gegenüber dem traditionellen „thermischen“ Ansatz: Die Messzeit ist perspektivisch kürzer, das Gerät kompakter und die Kosten geringer. Darüber hinaus kann die von einem Laser mit geringer optischer Leistung (mW) übertragene Photonenkraft im Prinzip zur Kalibrierung von Piko- und Nanokraftmessern (pN, nN) oder kleinen Massen verwendet werden, da diese optische Leistung mithilfe herkömmlicher thermischer Referenzdetektoren sehr genau gemessen werden kann.

Die PTB hat in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Ilmenau die Tauglichkeit und Genauigkeit des auf Photonenimpulsen basierenden optischen Kraftmessverfahrens überprüft. Dazu wurde ein von der Universität entwickelter tragbarer Kraftmessaufbau verwendet. Er besteht aus zwei elektromagnetischen Kraftkompensationswaagen und einer optischen Kavität. Sie dient zur Verstärkung der Kraft, indem der Laserstrahl mehrfach von den Spiegeln reflektiert wird. Die Ergebnisse der optischen Leistungsmessung über den Photonenrückstoß wurden mit jenen über einen kalibrierten Referenzdetektor verglichen, und zwar für einen optischen Leistungsbereich zwischen 1 W und 10 W bei einer Wellenlänge von 532 nm, was einer Kraft von ca. 2 μN bei 10 W optischer Leistung entspricht. Die relative Unsicherheit der Kraftmessung betrug etwa 2,3 %, die durchschnittliche relative Abweichung zwischen den beiden Messmethoden etwa 5 %.

Obwohl die Messunsicherheiten derzeit höher sind als bei der konventionellen Methode (ca. 1 %), hat diese Messtechnik ein großes Potenzial bei hohen optischen Leistungen im Kilowatt-Bereich, die beispielsweise in der industriellen Fertigung benötigt werden. Auch in der Grundlagenforschung gibt es Anwendungen, z. B. in Gravitationswellendetektoren. Dabei geht die verwendete Laserleistung direkt in die Bestimmung der Entfernung und Position der Quelle ein.

Ansprechpartner

Marco A. López Ordonez
Fachbereich 4.5, Angewandte Radiometrie
Telefon: (0531) 592-4540
Opens local program for sending emailmarco.lopez(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

S. Vasilyan, M. Lopez, N. Rogge, M. Pastuschek, H. Lecher, E. Manske, S. Kück, T. Fröhlich: Revisiting the limits of photon momentum based optical power measurement method, employing the case of multi-reflected laser beam. Metrologia 58, 015006 (2021)