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Latest scientific news and
News from the Annual Report (in German only)

Im Rahmen der engen Zusammenarbeit zwischen Fertigung (FB 5.5) und Messtechnik (FB 4.2) in der PTB sind hochgenaue Referenzflächen gefertigt worden, die sich aus Kugelflächen zusammensetzen. Durch Rückführung der Sphärizität wurden die Referenzflächen im Rahmen des EMPIR-Projektes 15SIB01 erstmalig zur Überprüfung eines Asphären- und Freiformflächenmessgerätes verwendet.

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Virtual experiments have become an indispensable tool for the design and the accuracy assessment of novel measurement procedures and instruments. Virtual experiments are particularly relevant in modern optics due to its challenging demands for highly accurate measurements. This paper introduces SimOptDevice, a flexible library for opto-mechanical virtual experiments. After describing the scope and general structure of the library, its underlying mathematical tools used for solving the related numerical tasks are described. Finally, the application of SimOptDevice to a recent interferometric measurement procedure is presented.

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Der Gitterparameter von Si-28 wird im Rahmen der Kristalldichtemethode für die Neudefinition der SI-Masseneinheit kg mit einem Röntgeninterferometer gemessen. Dazu ist eine stabile Relativposition der beiden separaten Teilkristalle aus Si-28 von wenigen 10 pm erforderlich. Dieses Ziel wird durch aktive und passive Dämpfungen, Isolationen und Regelungen erreicht. Die neunstufige Abfolge dieser Maßnahmen bekämpft gebäudeexterne und -interne Bodenschwingungen, Raumschall und Körperschall des Aufbaus selbst in einem Frequenzbereich von 0,2 bis 200 Hz. Ergänzend wird der Luftstrom der Klimatisierung so weit wie möglich beruhigt. (U. Kuetgens, FB 4.2, ulrich.kuetgens(at)ptb.de

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Im Rahmen einer Kooperation der TU Braunschweig, des Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA) und der PTB wurden nanostrukturierte Mikrofarbfilter basierend auf periodischen Subwellenlängen-Metallgittern entwickelt. Mit einem speziell designten Mikroskop-Spektrometer für den UV-NIR Spektralbereich wurden die Transmissionsspektren der 10 µm x 10 µm kleinen Filter gemessen und mit rigorosen Simulationsrechnungen verglichen. Die geringe spektrale Breite bei niedrigen Seitenbandintensitäten dokumentiert die Eignung als schmalbandige effiziente Mikrofarbfilter. (B. Bodermann, FB 4.2, bernd.bodermann(at)ptb.de)

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Vom 8.-25. Oktober 2018 fand unter der Leitung des Bremer Instituts für angewandte Strahltechnik GmbH (Prof. Bergmann) und der PTB (Dr. Bodermann) in der TU Delft das 3. Topical Meeting Frontiers in Optical Metrology im Rahmen der biennalen Konferenz der European Optical Society EOSAM2018 statt. Mit rund 100 Teilnehmern und 56 wissenschaftlichen Beiträgen aus 19 Ländern war die Teilkonferenz sehr gut besucht. Schwerpunktthemen der Frontiers in Optical Metrology waren Nanometrologie Oberflächenmetrologie für die Optikfertigung sowie optische Sensorik. (B. Bodermann, FB 4.2, bernd.bodermann(at)ptb.de)

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In der PTB wurde ein neues mathematisches Verfahren entwickelt, mit dem Messdaten eines Mueller-Ellipsometers ausgewertet werden. Anders als bislang üblich wird nun die Depolarisation des Lichtes, die durch den Prüfling verursacht wird, benutzt, um ein Maß für die Unsicherheit des nicht-depolarisierten Anteils abzuleiten. Bei den spektralen Messungen mit einem Mueller-Ellipsometer führt dies zu einer neuartigen Gewichtung der einzelnen Wellenlängenbeiträge zum Gesamtergebnis. Das Verfahren wird beispielsweise angewendet, um Geometrieparameter von  Subwellenlängenstrukturen zu bestimmen.

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Derzeit bietet die PTB im Bereich der Photovoltaik maßgeblich Kalibrierleistungen für Solarzellen an. Um das Produktportfolio auch auf Solarmodule zu erweitern, werden gerade in der neu gegründeten Arbeitsgruppe 4.53 „Solarmodule“ im Fachbereich 4.5 der PTB die dafür nötigen Labor- und Freifeld-Messplätze aufgebaut. Wie es bereits für Solarzellen der Fall ist, sollen auch für Solarmodule in Zukunft höchstgenaue Messungen angeboten werden können. Dies erfordert die Weiterentwicklung bestehender und den Einsatz neuer Messverfahren, wie beispielsweise einem kürzlich an der PTB in Betrieb genommenen LED-basierten Sonnensimulator der Firma Wavelabs aus Leipzig. Der Simulator ist das Herzstück des zukünftigen Modulmessplatzes und zeichnet sich durch insgesamt 16.320 Hochleistungs-LEDs aus, die in 18 verschiedenen individuell ansteuerbaren Farben im Wellenlängenbereich von 370 nm bis 1100 nm zur Verfügung stehen (Abbildung 1). Damit ist es möglich, das Verhalten von Solarmodulen mit einer Größe von bis zu 2 m x 1 m bei verschiedenen Lichtverhältnissen der Umwelt zu simulieren. Dieses Jahr konnten neben dem Aufbau des Simulators noch weitere wichtige Meilensteine erreicht werden wie der Umbau der Laborfläche, die Inbetriebnahme eines fünfachsigen Positioniersystems zur Modulpositionierung und die Planung und Beauftragung zur Fertigung einer speziellen Temperaturkammer für Solarmodule. Eine Temperierung der Module in Kombination mit frei einstellbaren spektralen Verteilungen ermöglicht in Zukunft die Vermessung von Prüflingen unter unterschiedlichen klimatischen Bedingungen für Fragestellungen aus dem Bereich des sogenannten Energy Ratings.

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Based on latest findings the primary caesium fountain clocks of PTB, CSF1 and CSF2, were again investigated with regard to frequency shifting effects [1]. New techniques for sensitive detection and suppression of frequency shifts have been developed and applied. As a result the relative frequency uncertainties have been reduced to 2.7×10-16 and 1.7×10-16 for CSF1 and CSF2, respectively. Both clocks thus belong to the few top ranking fountain clocks around the world.

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In recent years, DNA origami nanorulers for superresolution fluorescence microscopy have been developed from fundamental proof-of-principle experiments to commercially available test structures. The self-assembled nanostructures allow placing a defined number of fluorescent dye molecules in defined geometries in the nanometer range. Besides the unprecedented control over matter on the nanoscale, robust DNA origami nanorulers are reproducibly obtained in high yields. The distances between their fluorescent marks can be easily analysed yielding intermark distance histograms from many identical structures. Thus, DNA origami nanorulers have become excellent reference and training structures for superresolution microscopy. In this work, we go one step further and develop a calibration process for the measured distances between the fluorescent marks on DNA origami nanorulers. The superresolution technique DNA-PAINT is used to achieve nanometrological traceability of nanoruler distances following the guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM). We further show two examples how these nanorulers are used to evaluate the performance of microscopes that are capable of single-molecule localization microscopy.

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Size and shape distributions of gold nanorod samples are critical to their physico-chemical properties, especially their longitudinal surface plasmon resonance. This interlaboratory comparison study developed methods for measuring and evaluating size and shape distributions for gold nanorod samples using transmission electron microscopy (TEM) images. The objective was to determine whether two different samples, which had different performance attributes in their application, were different with respect to their size and/or shape descriptor distributions. Touching particles in the captured images were identified using a ruggedness shape descriptor. Nanorods could be distinguished from nanocubes using an elongational shape descriptor. A non-parametric statistical test showed that cumulative distributions of an elongational shape descriptor, that is, the aspect ratio, were statistically different between the two samples for all laboratories. While the scale parameters of size and shape distributions were similar for both samples, the width parameters of size and shape distributions were statistically different. This protocol fulfills an important need for a standardized approach to measure gold nanorod size and shape distributions for applications in which quantitative measurements and comparisons are important. Furthermore, the validated protocol workflow can be automated, thus providing consistent and rapid measurements of nanorod size and shape distributions for researchers, regulatory agencies, and industry.

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