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Nachrichten aus dem Jahresbericht 2009

Grundlagen der Metrologie

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...

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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.

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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...

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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...

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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...

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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.

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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...

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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...

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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...

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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...

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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...

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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...

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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...

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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...

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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...

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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...

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Metrologie für die Gesellschaft

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.

 

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Metrologie für die Wirtschaft

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...

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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...

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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...

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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...

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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...

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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...

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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...

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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...

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Internationale Angelegenheiten

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