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Aktuelle Forschungsnachrichten und Nachrichten aus dem Jahresbericht

The overall SEQUOIA objective is to demonstrate the highest resolution OCT system ever built, protected from environmental noise through AI-based control of orbital angular momentum in a real-world application: retinal imaging.

Improved resolution based on the quantum technologies used in SEQUOIA will lead to better ophtalmologic diagnostic tools.

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The paper “Round robin comparison study on the form measurement of optical freeform surfaces." Journal of the European Optical Society-Rapid Publications 16.1 (2020): 1-15”, written by Ines Fortmeier1, Reyko Schachtschneider2, Vit Ledl3, Ondrej Matousek3, Jens Siepmann4, Antonia Harsch5, Rolf Beisswanger5, Youichi Bitou6, Yohan Kondo6, Michael Schulz1 and Clemens Elster2 was awarded with the EOS Prize 2022. The EOS Prize is awarded for the best paper published in the open access online journal of the EOS (JEOS:RP) jeos.edpsciences.org. It has been selected amongst the articles published in the period 2020-2022 based on its impact and quality. The prize was handed out during the European Optical Society Annual Meeting, EOSAM, held 12-16 September 2022 in Porto, Portugal.

The paper describes a round robin comparison study of freeform form measurements, which was carried out by the project partners and stakeholders of the European metrology research project “15SIB01: FreeFORM” within the EMPIR programme. Altogether six measuring instruments were considered: five different (pointwise and areal) optical devices and one tactile device.

The open access paper can be found here: doi.org/10.1186/s41476-019-0124-1

For more information, please visit: www.europeanoptics.org/news/bringing-together-photonics-community.html and www.europeanoptics.org/pages/distinctions/awards/eos-prize.html

For more information about the European project, please visit: ptb.de/emrp/freeform-home.html

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As research and applications in the field of quantum computing, quantum sensing, quantum communication and quantum metrology are advancing rapidly, the request on stable single-photon emitters and precisely calibrated measurement devices has increased. There is a huge variety of emitters, most notably organic molecules, which have been proven to consistently emit single photons quasi on demand. Merging the advantageous features of organic dyes, such as their high stability and brightness, with the molecules’ nanoscopic size and strong zero-phonon line, especially at liquid helium temperatures, organic dye molecules are very promising candidates to be used in quantum radiometry and single-photon metrology. One prerequisite for these applications is the formation of a stable guest-host-system. In the poster, Franziska Hirt presented results on thin layer fabrication methodologies, these are the fabrication of dibenzoterrylene (DBT) molecules in anthracene (Ac) nanocrystals using the reprecipitation growth and embedding DBT in C60 layers using organic molecular beam epitaxy (OMBE).

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Atmosphärische Aerosole beeinflussen das Klima durch Wechselwirkungen mit der Sonnenstrahlung und ihre Auswirkung auf die Wolkenbildung. Die Abschwächung der Sonnenstrahlung, die die Aerosolschicht durchdringt, wird durch die Aerosol Optische Dicke (AOD) beschrieben. Die AOD wird aus atmosphärischen Transmissionsmessungen bestimmt, wobei die Sonne als Quelle dient. Die Messungen in globalen Aerosolüberwachungsnetzen sind auf Referenzgeräte (Artefakte) rückgeführt, die mit Hilfe von Langley-Verfahren in Messgeräteeinheiten kalibriert wurden. Kürzlich wurde eine SI-rückfgeführte Bestimmung der säulenintegrierten AOD demonstriert, die aus der passiven Fernerkundung der Atmosphäre mit SI-rückfgeführten Messungen der direkten solaren spektralen Bestrahlungsstärke gewonnen wurde. Dazu wurde ein Filterradiometer des Physikalisch-Meteorologischen Observatoriums Davos (PMOD), World Radiation Centre (WRC), das die direkte solare spektrale Bestrahlungsstärke zur Bestimmung der AOD misst, am spektral durchstimmbaren Laseraufbau TULIP des Fachbereichs 4.1 "Photometrie und Spektroradiometrie" der PTB charakterisiert und kalibriert. Die gemessenen SI-rückfgeführten solaren Bestrahlungsstärken wurden zusammen mit drei Top-of-the-Atmosphere (TOA)-Sonnenspektren zur Bestimmung der AOD verwendet. Die Übereinstimmung mit den derzeitigen Methoden liegt deutlich innerhalb der von der Weltorganisation für Meteorologie (WMO) empfohlenen Grenzen.

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New article in JOSA A:
Structured metasurfaces enable new possibilities for beam shaping and the miniaturisation of optical elements.
In the literature metasurfaces employing subwavelength structures are commonly related to anomalous reflection and refraction and associated with discontinuities of the wave vector at the interface.
In our article we employ classic diffraction theory to describe the far field diffraction pattern of such structured metasurfaces, define clear limitations for the applicability of generalized reflection and refraction laws and resolve some issues with misleading explanations.
The article supports the understanding of light propagation through subwavelength structured metasurfaces and contains important recommendations how to avoid misleading nomenclature.

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Auf der 123. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für angewandte Optik (DGaO) in Pforzheim wurde Jan Krüger, Doktorand an der PTB, mit dem Posterpreis ausgezeichnet. Der Titel des Posters lautete: „Untersuchung des Schwingungseinflusses auf gemessene Punktspreizfunktionen in der optischen Mikroskopie“.

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Ein zentraler Baustein für optischen Quantentechnologien sind Einzelphotonendetektoren. Ihre genaue und umfassende Charakterisierung ist äußerst wichtig, um beispielsweise Sicherheitslücken in Systemen zur optischen Quantenschlüsselverteilung zu vermeiden. Bisher werden quantenradiometrische Untersuchungen typischerweise bei sehr geringen Ereignisraten durchgeführt, während für praktische Anwendungen oft möglichst hohe Zählraten wünschenswert sind. Dabei war bisher die implizite Annahme, dass die gemessene inhärente Detektionseffizienz des Detektors auch für diesen Fall unverändert gilt.
In einer systematischen Untersuchung der Detektionseffizienz zweier kommerzieller, halbleiterbasierter Einzelphotonendetektoren konnten wir unter Berücksichtigung der Photonenstatistik nun zeigen, dass bereits bei nur einem Zehntel der maximal möglichen Zählrate ein signifikanter Abfall der Detektionseffizienz zu beobachten ist.  
Insbesondere für sicherheitskritische Anwendungen sollte die Charakterisierung von Einzelphotonendetektoren daher zukünftig auch den Fall hoher Ereignisraten umfassen.

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Solid immersion lenses (SILs) have the potential to enhance the single-photon emission properties of color centers in diamond, e.g., of germanium-vacancy (GeV-) centers, due to an increase of the photon extraction from the diamond. We present the successful generation of GeV-centers in bulk diamond, the fabrication of hemispherical SILs with GeV-centers using a focused ion beam (FIB) and the metrological characterization of the emission of the GeV-centers in SILs in terms of the spectral distribution, the single-photon purity, the saturation behavior, and the emitter’s excited state lifetime. We could verify a significant increase of the detector count rate for GeV-centers in SILs compared to those without a SIL. The singlephoton purity and detector count rate were measured for different excitation powers and were evaluated in a combined model. This allows the possibility to distinguish between the linear background emission and multiple GeV-centers in a SIL.

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Dr. Richard Lange hat den diesjährigen SAMOP-Dissertationspreis der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) für seine Doktorarbeit mit dem Titel „High-Precision Frequency Comparisons and Searches for New Physics with Yb+ Optical Clocks“ erhalten. Er setzte sich auf der DPG Frühjahrstagung 2022 in Erlangen gegen drei weitere Finalisten durch.

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Im Rahmen des 12. High Level Expert Meeting Asphere Metrology des Kompetenzzentrums "Ultrapräzise Oberflächenbearbeitung" e.V. am 15./ 16. März 2022 hat der PTB-Doktorand Jan Spichtinger den Preis für den besten Nachwuchswissenschaftler gewonnen. Mit dem sog. Young Scientist Award (YSA) werden Nachwuchswissenschaftler in den Bereichen der hochgenauen Oberflächenfertigung und -metrologie ausgezeichnet. Das Fachpublikum wählte den PTB-Doktoranden für seine Arbeiten im Bereich der hochgenauen Formmessung an leicht gekrümmten optischen Oberflächen aus. Hr. Spichtinger präsentierte seine Forschungsarbeiten unter dem Titel „Stitching interferometry for moderately curved freeform surfaces“. Dabei wurde ein neues Messverfahren namens SCaLA (Stitching interferometry with cavity length and angle measurement) vorgestellt. Das Verfahren ist eine Erweiterung der herkömmlichen Stitching-Interferometrie. Es basiert darauf, dass ein Interferometer mit ebener Referenzfläche an jeder Messposition senkrecht zur Oberfläche ausgerichtet und der Abstand dazu gemessen wird. Zusätzlich werden mit Neigungssensoren die Führungsfehler des Bewegungssystems korrigiert. Mit Hilfe eines globalen Stitching-Algorithmus wird die Oberflächenform rekonstruiert. An realen und virtuellen Messungen wurden die Möglichkeiten dieser Methode aufgezeigt. Ziel der PTB ist, SCaLA zukünftig an einem PTB-Formmesssystem für schwachgekrümmte Prüflinge mit Durchmesser bis 1,5 Meter einzusetzen.

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