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Nachrichten aus dem Jahresbericht 2006

Grundlagen der Metrologie

Zur Darstellung und Weitergabe der spektralen Bestrahlungsstärke von Strahlern im Gesamt-Spektralbereich von 200 nm bis 2500 nm wurde ein neues Messsystem entwickelt und aufgebaut.

Die wesentlichen Komponenten sind zwei Hochtemperatur-Hohlraumstrahler mit Betriebstemperaturen bis zu 3500 K, mehrere für den Spektralbereich von 200 nm bis 2500 nm optimierte Spektroradiometer, sowie verschiedene...

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An der PTB wurde eine auf Deflektometrie basierende Messanlage entwickelt, welche die hochgenaue Bestimmung der Topographie von bis 500 mm großen planen und schwach gekrümmten optischen Flächen mit Messunsicherheiten von unter einem Nanometer ermöglicht [1, 2]. Hierfür wurden auch neue Verfahren zur automatisierten und genauen Pentaprismen-Justage entwickelt [3, 4].

Das sogenannte Extended Shear...

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Array-Spektroradiometer werden aufgrund ihrer einfachen Handhabbarkeit und ihrer hohen Verarbeitungsgeschwindigkeit in immer größerem Umfang in der quantitativen Messtechnik und Qualitätsmanagement der Industrie eingesetzt. Als größter Nachteil derartiger Spektroradiometer gilt ihr begrenzter Dynamik-Bereich, die schlechte Streulichtunterdrückung, sowie mögliche Einflüsse von Fluoreszenz und...

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Gitterstrukturen im Mikrometer- und Submikrometerbereich sind gut geeignete „Maßstäbe“ zur Kalibrierung von Messeinrichtungen für die quantitative Mikroskopie. Ein- oder zweidimensionale Gitterstrukturen können mit hoher Präzision z. B. aus Silizium hergestellt werden. Zur genauen Messung der Gitterkonstante wird häufig die optische Beugung von Laserstrahlung genutzt. In der PTB ist ein derartiger...

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Viele nichtabbildende optische Messverfahren zur quantitativen Charakterisierung von (periodisch) strukturierten Oberflächen oder auch Schichtsystemen lassen sich unter dem Oberbegriff Scatterometrie zusammenfassen. Eine Untergliederung hinsichtlich der untersuchten Eigenschaft des Lichtes sowie der Messvariablen bietet sich an. Die Tabelle zeigt eine Klassifizierung hinsichtlich der...

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Höchstauflösende optische Mikroskopie ist ein wichtiges Instrument zur dimensionellen Charakterisierung von Mikro- und Nanostrukturen. Präzise Messungen dimensioneller Größen wie Strukturbreiten und -abstände erfordern ein tiefes Verständnis der Einflüsse geometrischer Strukturparameter wie z. B. Kantenwinkel, Kantenprofile oder Strukturhöhen auf die mikroskopische Abbildung der Strukturkante. Auf...

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Die überragende Kurzzeitstabilität eines hochstabilen Lasers wurde mit Hilfe eines Frequenzkammes und dem in der PTB entwickelten Transferverfahren in den Mikrowellenbereich übertragen und dort zur Frequenzstabilisierung eines Mikrowellenoszillators benutzt. Dieser Oszillator besteht aus einem relativ preisgünstigen, regelbaren 100 MHz Quarzoszillator und einem Frequenzvervielfacher mit dessen...

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Die Stabilität optischer Uhren übertrifft die der klassischen, auf Mikrowellenübergängen basierenden Uhren um Größenordnungen. In Verbindung mit einem Femtosekunden-Kammgenerator und dem in der PTB entwickelten Transferverfahren lässt sich diese Stabilität aus dem optischen Bereich in den Mikrowellenbereich übertragen und dort für die Analyse von Mikrowellenoszillatoren nutzen. Bei diesem Ansatz...

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Seit ihrer Erfindung wurden optische Frequenzkammgeneratoren von anfangs relativ unhandlichen Aufbauten zu kompakten und leicht transportierbaren Geräten weiter entwickelt. In Verbindung mit transportablen Mikrowellenreferenzen wie z. B. einer Cs-Atomuhr lassen sich damit optische Frequenzen im sichtbaren und nahinfraroten Spektralbereich vor Ort präzise messen. Dabei ist die erreichbare...

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Bei der im Aufbau befindlichen optischen Uhr der PTB wird die Kurzzeitstabilität mit hochstabilen optischen Resonatoren geringster Linienbreite realisiert. Wir konnten im vorigen Jahr zeigen, dass sich die Empfindlichkeit dieser Resonatoren auf Vibrationen, die bisher der begrenzende Einfluss auf die Frequenzstabilität war, durch eine optimierte Lagerung des Resonators um zwei Größenordnungen...

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Das Licht optischer Übergänge hat eine um fünf Größenordnungen höhere Frequenz als die Strahlung von Mikrowellenübergängen. Daher weisen Uhren, die solche optischen Übergänge als Referenz benutzen, gegenüber heutigen primären Cs Uhren Vorteile bezüglich der erreichbaren Stabilität und Genauigkeit auf. Es wird daher erwartet, dass in naher Zukunft die SI-Einheit „Sekunde“ über optische Frequenzen...

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Im Rahmen des Internationalen Avogadroprojekts war der Si-Gitterparameter 1997 im National Metrology Institute of Japan (NMIJ), 1994 im Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM, ehemals IMGC) und 1981 in der PTB mit jeweils einem kombinierten Licht-Röntgeninterferometer bestimmt worden. Es ergaben sich Differenzen von etwa 1 . 10-7, die durch relative Vergleichsmessungen an dem...

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Für die vorgeschlagene Neudefinition des Kilogramms auf der Basis von Atommassen, wird die Avogadrokonstante mit einer angestrebten relativen Messunsicherheit von weniger als 2 . 10-8 an einer isotopenreinen Siliziumeinkristallkugel gemessen. Masse und Dicke ihrer Oxidschicht, die sich auf der Oberfläche der Kugel bildet, sind zusätzlich zu messende Parameter: Die Masse muss von der Gesamtmasse...

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Strukturbildung in Halbleiter-Mikroresonatoren verspricht Anwendungen für optische Speicherung und für optische Parallelverarbeitung von Bildinformation. So konnten bereits räumliche Solitonen, welche sich als Träger optischer Informationen eignen, bei Raumtemperatur gezeigt werden [1]. Besonders vielfältige Möglichkeiten beim Design strukturbildender Systeme bieten Materialien mit...

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Im Rahmen vertiefter Untersuchungen systematischer Unsicherheiten bei der PTB-Fontäne CSF1 wurden die Effekte von Mikrowellen-„Leckfeldern“, das sind unerwünschte Mikrowellenfelder, die außerhalb der eigentlichen Mikrowellen-Bestrahlungszonen (Resonator) einer Atomuhr mit den Atomen wechselwirken, im Detail geklärt [1].

Durch Einstrahlung von Mikrowellen-Testfeldern in Bereiche außerhalb des...

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Einer der dominierenden Beiträge zur Gesamtunsicherheit einer Caesium-Fontäne rührt von der Frequenzverschiebung aufgrund von Stößen zwischen den kalten Caesiumatomen her. Diese wird üblicherweise für verschiedene Dichten bestimmt, um dann auf den Frequenzwert für Dichte Null extrapoliert zu werden [1].

In Zusammenarbeit mit einer Gruppe vom britischen National Physical Laboratory und mit...

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Ein Effekt der allgemeinen Relativitätstheorie ist, dass Uhren in einem starken Schwerefeld langsamer gehen als in einem schwachen. Beim Vergleich von zwei Atomuhren, die sich in verschiedenen Höhen befinden, also verschieden weit vom Schwerezentrum der Erdkugel entfernt sind, muss eine Korrektur angebracht werden, die diesen Effekt berücksichtigt. Der Gangunterschied ist mit einer relativen...

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Nach längerer Aufbauphase wurde im März 2006 die neue Cäsium-Fontänenuhr der PTB, CSF2, erstmals in Betrieb genommen. Sie unterscheidet sich in einer Reihe von technischen Details von ihrer älteren Schwester, CSF1, die seit 1999 in der Uhrenhalle für Deutschlands genaueste Sekunden sorgt. Im Probebetrieb über zwei Wochen parallel zu CSF1 konnten erste Aussagen zur Instabilität und Ungenauigkeit...

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Die europäischen Zeitinstitute verstärken Ihren Einsatz, Zeitvergleiche mit Subnanosekunden-Genauigkeit durchzuführen. Hierzu bedarf es unter anderem der Kalibrierung der Stationslaufzeiten.

Zeitvergleiche über geostationäre Satelliten (Two-way satellite time and frequency transfer, TWSTFT) ist zu einem bedeutenden Bestandteil des internationalen Netzwerks für Zeitskalenvergleiche geworden. Um...

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Durch einen Vergleich mit der primären Cäsium-Fontänenuhr CSF1 wurde im Juni 2006 die Frequenz des optischen Frequenznormals mit dem 171Yb+-Ion bei 688 THz erneut und mit weiter erhöhter Genauigkeit gemessen. Die gesamte relative Unsicherheit der Frequenzmessung betrug lediglich 2x10-15. Sie setzt sich aus etwa gleich großen systematischen Unsicherheitsbeiträgen des Einzelion-Frequenznormals und...

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Bei den auf gespeicherten Ionen basierenden optischen Frequenznormalen wird die atomare Referenzfrequenz an nur einem Ion abgefragt. Um einen Laser als Oszillator des Frequenznormals auf diese Referenz zu stabilisieren, steht daher zwangsläufig nur ein schwaches Signal zur Verfügung. Das Verhalten eines einzelnen Ions oder Atoms kann nur unter Anwendung der Quantentheorie vollständig verstanden...

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Künstlich hergestellte, periodisch mikrostrukturierte optische Bauteile, die mindestens aus zwei verschiedenen Materialien mit stark unterschiedlichem Brechungsindex bestehen, werden auch als photonische Kristalle (PK) bezeichnet. Ähnlich wie in natürlichen Kristallen können sich in diesen Artefakten nur bestimmte elektromagnetische Moden ausbreiten, wobei jedoch die zugrunde liegende Bandstruktur...

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Neuartige Glasfasern, bei denen Lichtführung auf photonischen Bandlückenstrukturen beruht, weisen mehrere attraktive Eigenschaften auf: Da das Licht nicht, wie bei konventionellen Fasern, durch Totalreflexion am Übergang von einem höher brechenden Kern zu einem niedriger brechenden Mantel geleitet wird, werden keine besonderen Ansprüche an den Faserkern gestellt. Er darf sogar aus Luft oder Vakuum...

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Metrologie für die Wirtschaft

Polymethylmethacrylat (PMMA), bekannter unter den Handelsnamen „Plexiglas“ oder auch als Acrylglas ist ein synthetischer, glasähnlicher thermoplastischer technischer Kunststoff. Gläser und Polymere zeigen bei senkrechtem Lichteinfall auf Grund des Brechungsindexsprunges von etwa 1,5 die bekannte Grenzflächenreflexion von etwa 4 %. Mit steigendem Einfallswinkel steigt die Grenzflächenreflexion an....

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Die Messmöglichkeiten am neuen Photometerbanksystem der PTB wurden wesentlich erweitert, so dass jetzt auch Kalibriermöglichkeiten für großflächige Lichtquellen, Luxmetern mit Beleuchtungsstärken bis 20 klx und Transfernormalen für die Leuchtdichte bis 10 kcd/m2 verfügbar sind. Das Photometerbanksystem, mit dem im Jahr 2006 etwa hundert Kalibrierungen von Transfernormalen für Lichtstärke,...

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Laserleistungsempfänger spielen bei der Produktion von Diodenlasern eine entscheidende Rolle und zwar sowohl im Produktionsprozess als auch in der Qualitätssicherung. In der ersten Phase eines neuen, mehrjährigen Forschungsvorhabens wurde ein Diodenlasermessplatz mit Freistrahldioden aufgebaut, der die Test- und Validierungsphase bereits erfolgreich beendet hat. Es können nun...

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Durch einen Round-Robin-Ringvergleich wurde die Leistungsfähigkeit der Kalibrierlaboratorien des Deutschen Kalibrierdienstes bzgl. der optischen Strahlungsleistung in der optischen Nachrichtentechnik erfolgreich demonstriert. Messgröße war der Korrekturfaktor der Anzeige eines von der PTB bereitgestellten Transfernormals. Dabei handelte es sich um einen kommerziellen Leistungsempfänger mit...

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Für die Vermessung von Synchrotronstrahlungsoptiken ist ein neues, interferometrisches Messverfahren zur hochgenauen Messung von Asphären mit Krümmungsradien im Bereich von 2,5 cm bis 10 m zu entwickeln. Um die im Projektziel angestrebte Unsicherheit von 5 . 10-7 rad für die ermittelten Winkeltangenten zu realisieren, wurde ein virtuelles Experiment entwickelt, das die Simulation und Analyse von...

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Diffuse Reflexionsmaterialien sind wichtige Kalibrierstandards für eine Vielzahl von Anwendungen im Bereich der optischen Technologien. In einer Studie wurden 16 Reflexionsstandards am neuen robotergestützten Gonioreflektometer der PTB charakterisiert. Dabei wurde die von den Proben reflektierte Strahldichte gemessen während diese eine 360°-Rotation um die Achse der Oberflächennormalen ausführten....

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Im Rahmen eines Drittmittelprojektes wurde zusammen mit der Arbeitsgruppe „Messdatenanalyse und Messunsicherheit“ eine Machbarkeitsstudie zur Verbesserung der räumlichen Auflösung von Shack-Hartmann Wellenfrontsensoren durchgeführt. Dabei wurde untersucht, inwieweit durch die Kombination von lateral verschobenen Messungen dieser Sensoren eine Verbesserung der räumlichen Auflösung erreicht werden...

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Die Entwicklung von leistungsstarken Lasersystemen benötigt hochreflektierende Spiegel, die üblicherweise mittels dielektrischer Verspiegelungen realisiert werden. Deren Güte muss auch hinsichtlich ihrer räumlichen Homogenität beurteilt werden. Herkömmliche Reflexionsverfahren sind auf Grund der erzielbaren Messunsicherheit von einigen zehntel Prozent dazu nur unzureichend geeignet.

Aus diesem...

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Durch die Einführung des Euro, im Jahre 2002, wurde einer der größten Währungsräume der Welt geschaffen. Daher steht der Euro mittlerweile besonders im Fokus von Geldfälschern. In den vergangenen drei Jahren seit der Währungseinführung wurde der Euro mehrfach Opfer gezielter Münzfälschungsattacken. Dabei ist zu beobachten, dass die „Täuschungsqualität“ solcher Falsifikate immer besser wird. ...

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Neben Wellenlängenmultiplexing (WDM) ist optisches Zeitmultiplexing (OTDM) ein Ansatz, um die Datenrate optischer Datenübertragungssysteme zu erhöhen. OTDM-Datenraten von bis zu 640 Gbit/s wurden in Laboranwendungen bereits realisiert, was 64 mal höher ist, als es dem etablierten Stand der Technik entspricht. Für den Test von höchstbitratigen Übertragungsstrecken und ihren Komponenten, in denen...

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Metrologie für die Gesellschaft

Zur Messung hoher Bestrahlungsstärken muss die Linearität der verwendeten Sensoren sicher gestellt sein. Dazu wurde das im Bereich der Photovoltaik von der PTB eingeführte und bewährte hochgenaue DSR-Verfahren (Differential Spectral Responsivity, [1]), auf die Erfordernisse der UV-Dosimetrie übertragen. Mit diesem Verfahren kann die Linearität von Solarzellen bezüglich ihrer...

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Galileo wird ein Satellitennavigationssystem unter ziviler europäischer Kontrolle, das von den existierenden Systemen GPS (Global Positioning System, USA) und GLO-NASS (dem russischen Pendant) unabhängig ist. In Zukunft werden 30 Satelliten in 24 000 km Höhe die Erde umkreisen. Jeder von ihnen hat mehrere Atomuhren an Bord und sendet Zeitsignale zur Erde. Per Laufzeitmessung können sie dazu...

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Internationale Angelegenheiten

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