Aktuelle Forschungsnachrichten und Nachrichten aus dem Jahresbericht

Oder: Warum Photovoltaik-Metrologie auch gelegentlich im Dunkeln stattfinden sollte…

In Zusammenarbeit mit dem DLR Institut für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik in Hannover wurde eine neuartige achromatische, planare Spiegelstruktur für die Laserkühlung von Atomen in einer magneto-optischen Falle entwickelt. Der Aufbau erzeugt alle zur Kühlung notwendigen Laserstrahlen aus einem einzigen Strahl. Da die Struktur nicht dispersiv ist, eignet sie sich auch zur Kühlung mit mehreren Wellenlängen, wie es bei Erdalkali-ähnlichen Atomen notwendig ist. Durch ihre Konstruktion vermeidet der Reflektor viele der Probleme, die bei der Mehrfarbenkühlung mit planaren Strukturen auf der Grundlage von Beugungsgittern auftreten, die bisher die vorherrschenden ebenen Strukturen für die Laserkühlung neutraler Atome waren. Die neue Reflektorstruktur ist ein vielseitiges, einfach herzustellendes Bauteil, das eine achromatische Strahlführung mit den Vorteilen einer planaren Architektur mit gutem optischen Zugang kombiniert.

A quantum key distribution (QKD) system was installed between PTB in Braunschweig and LUH in Hannover as part of PTB's work to establish a quantum communication testbed between these two locations (the so-called "Niedersachsen Quantum Link"). The system was developed by Quantum Optics Jena first tested and characterized at PTB campus. Currently, it is operational between LUH (“Alice”) and PTB (“Bob”) and distributing secure quantum encrypted keys.

In einer mehrmonatigen Vergleichskampagne wurden die Frequenzen der Primären Caesium-Fontänenuhren der PTB, CSF1 und CSF2, mit der Frequenz der Fontänenuhr FCs2 des National Research Council Canada (NRC) verglichen. Dazu wurde ein spezielles GPS-Verfahren, Precise Point Positioning with carrier-phase integer Ambiguity Resolution (PPP-AR), verwendet, das gegenüber herkömmlichen GPS-Vergleichsverfahren ein deutlich reduziertes Rauschen aufweist. Die Frequenzinstabilität dieses Verfahrens ermöglicht es, bei Mittelungszeiten von einem bzw. sieben Tagen statistische Unsicherheiten von 7×10^-16 bzw. 1×10^-16 (Allan-Standardabweichung) und bei Mittelungszeiten von 20 bis 30 Tagen den mittleren bis niedrigen 10^-17-Bereich zu erreichen. Der Vergleich der Fontänenuhren erfolgte über insgesamt 135 Tage parallel über PPP-AR und das herkömmliche GPS-PPP Verfahren, das im Bereich von 1×10^-16 limitierend ist. Im Ergebnis stimmen die Frequenzen der drei Fontänenuhren im Rahmen der Unsicherheiten auf wenige 10^-16 überein, wobei die gemessenen Frequenzdifferenzen deutlich unter der kombinierten systematischen Unsicherheit liegen. Bei Verwendung des PPP-AR Verfahrens wurden zudem Gesamtunsicherheiten der Vergleiche erreicht, die – auch bedingt durch die lange Messdauer und die niedrigen systematischen Unsicherheiten der drei beteiligten Fontänenuhren – bislang erzielte Unsicherheiten bei Fernvergleichen von Fontänenuhren unterbieten.

Für die optische Erzeugung hochstabiler Mikrowellensignale für Fontänenuhren wurde ein neues System entwickelt, das aus einem schmalbandigen, auf einen Resonator stabilisierten 1,5 µm Laser und einem kommerziellen Frequenzkammsystem beruht. Die 9,6 GHz Ausgangsfrequenz des Systems wird auf die 100 MHz Ausgangsfrequenz eines Wasserstoff-Masers geregelt und für die Abfrage des Uhrenübergangs in den Caesium-Fontänenuhren der PTB verwendet.

Die Erzeugung von Laserlicht wird aufwändiger und schwieriger je kürzer die benötigte Wellenlänge ist.
Im Fachbereich Zeit und Frequenz der PTB wurde jetzt ein Lasersystem im Vakuum-Ultravioletten Spektralbereich bei 150 nm zur Anregung eines Übergangs im Thorium-229 Atomkern in Betrieb genommen.
Diese Kernresonanz ist von besonderem Interesse für eine neuartige, hochgenaue optische Uhr. In ersten Experimenten mit dem neuen Lasersystem konnten mehrere Übergänge in der Elektronenhülle von Thoriumionen angeregt werden.

The EPM Project “New calibration standards and methods for radiometry and photometry after phaseout of incandescent lamps (22IEM05 NEWSTAND)” is set to start on June 1st 2023 for a three-year funding period

Die PTB berichtet in einer Publikation über eine Einzelphotonenquelle bei Raumtemperatur, die gleichzeitig eine hohe Einzelphotonengüte, als auch eine hohe Zählrate aufweist. Konkret handelt die Publikation von der metrologischen Charakterisierung der Emission eines Germanium-Fehlstellenzentrums in Diamant unter einer Festkörper-Immersionslinse in einem konfokalen Mikroskop-Aufbau. Germanium-Ionen wurde bei 3 MeV in einen synthetischen Diamanten implantiert und Germanium-Fehlstellenzentren mittels Annealing hergestellt. Festkörper-Immersionslinsen wurden anschließend mittels eines „focused ion beam scanning electron microscope“ (FIB-SEM) hergestellt. Die Photolumineszenz wurde bei Raumtemperatur untersucht, u.a. die spektrale Verteilung, die Lebensdauer des angeregten elektronischen Zustandes, die Korrelationsfunktion zweiter Ordnung sowie das Sättigungsverhalten.

An der PTB wurde ein neues in-situ Verfahren für die gleichzeitige Bestimmung der Beleuchtungs-, und Abbildungs-NA von optischen Mikroskopen entwickelt. Damit ist es erstmalig gelungen beide NA-Werte gleichzeitig und in einem Aufbau zu bestimmen, womit sich dieses Verfahren deutlich von konkurrierenden Verfahren abgrenzen kann. Die Information über die beiden NA-Werte definiert die Abbildungs- und Kohärenzeigenschaften des untersuchten Systems und wird beispielsweise für rigorose Simulationen benötigt. Die dazugehörige Publikation ist nun bei Applied Optics (OPTICA Publishing Group) veröffentlicht.

The new DFG-research project “Absolute form-interferometry for aspheres and freeform surfaces (AbsoForm)” in cooperation with Institute of Technical Optics (ITO) of the University of Stuttgart, PTB WG 8.42, PTB WG 5.56 and PTB WG 4.24 is set to start on January 1st 2023 for a three-year funding period.