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Welle trifft Teilchen

Besonders interessant für:
  • Radiometrie
  • Quanteninformationstechnologie
  • Astronomie

In der PTB ist es gelungen, mithilfe von Synchrotronstrahlung zwei völlig unterschiedliche Leistungsbereiche der optischen Strahlungsmessung miteinander zu verbinden, nämlich die klassische Radiometrie bei hohen Strahlungsleistungen mit der Messung einzelner Photonen.

Mikroskop-Aufnahme eines Silizium-Einzelphotonendetektors. Im inneren Bereich des hellen Ringes ist die Dicke des Siliziums durch Ätzen reduziert worden, um die optischen Verluste zu verringern. Hier befindet sich die für den Nachweis einzelner Photonen empfindliche Fläche des Detektors.

Eine aktuelle Herausforderung bei der quantitativen Messung elektromagnetischer Strahlung ist die Frage, wie sich zwei „metrologische Welten“ miteinander verbinden lassen: auf der einen Seite die klassische Radiometrie bei hohen Strahlungsleistungen, wie sie etwa bei der Messung der Sonneneinstrahlung auf die Erde benötigt wird, auf der anderen Seite die Strahlungsmessung in der Quantenwelt, die beispielsweise zur Untersuchung einzelner Atome oder Moleküle gebraucht wird.

Am Elektronenspeicherring Metrology Light Source (MLS), dem primären Strahlernormal der PTB für berechenbare Synchrotronstrahlung in der Radiometrie, ist diese Verknüpfung jetzt gelungen. Die im Ring gespeicherten Elektronen emittieren beim Durchlaufen von Ablenkmagneten inkohärent, also unbeeinflusst voneinander, Strahlung. Daher lässt sich die gesamte Strahlungsleistung berechnen, indem man die für ein Elektron im Rahmen der klassischen Theorie der Elektrodynamik berechenbare Strahlungsleistung mit der Anzahl aller im Ring gespeicherten Elektronen multipliziert. Dieser einfache und doch über viele Größenordnungen strenge Zusammenhang zwischen dem Ringstrom und der emittierten Strahlungsleistung erlaubt im Prinzip die direkte Kalibrierung von Einzelphotonendetektoren mit berechneter Synchrotronstrahlung. Wegen des dazu nötigen optischen Aufbaus für eine Fokussierung und eine spektrale Filterung der breitbandigen Synchrotronstrahlung gelingt dies jedoch nur mit unzureichender Genauigkeit.

Jetzt wurde das Problem gelöst, indem die Kalibrierung von Einzelphotonendetektoren auf ein primäres Detektornormal rückgeführt wurde: auf ein kryogenes elektrisches Substitutionsradiometer (Kryoradiometer), das genaueste in der Radiometrie verfügbare Primärnormal. Die MLS diente dabei als skalierbare Strahlungsquelle, bei der sich die Anzahl der gespeicherten Elektronen von 1 bis 1011 variieren und damit die Strahlungsleistung entsprechend einstellen lässt. Hinter einem spektralen Filter für eine gewählte optische Wellenlänge wurde bei ca. 1010 gespeicherten Elektronen zunächst die Anzahl der pro Elektron emittierten Photonen mit einer zuvor gegen das Kryoradiometer kalibrierten Photodiode bestimmt. Anschließend wurde der Einzelphotonendetektor bei nur wenigen hundert gespeicherten Elektronen kalibriert, indem dessen Zählrate wiederum pro Elektron gemessen wurde. Nach Anwendung einiger Korrekturen ließ sich so die Quanteneffizienz des Einzelphotonendetektors rückgeführt auf das Kryoradiometer ermitteln und dabei auch unter Berücksichtigung der Photonenstatistik eine kombinierte Messunsicherheit von < 0,2 % erzielen.

Das Messverfahren wird in einer weiterentwickelten Form im Rahmen des EMRP-Vorhabens „Metrology for Industrial Quantum Communication Technologies“ zur Kalibrierung von fasergekoppelten Einzelphotonendetektoren eingesetzt.

Ansprechpartner:

Ingmar Müller
Fachbereich 7.3 Detektorradiometrie und Strahlungsthermometrie
Telefon: (030) 3481-7406
E-Mail: ingmar.mueller(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung:

Müller, I., Klein, R.; Hollandt, J.; Ulm, G.; Werner, L.: Traceable calibration of Si avalanche photodiodes using synchrotronradiation. Metrologia 49 (2012) 152