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Aktuelle Forschungsnachrichten und
Nachrichten aus dem Jahresbericht 2010

Grundlagen der Metrologie

Am Messplatz TULIP (Tuneable Lasers in Photometry) wurde erfolgreich demonstriert, dass die spektrale Bestrahlungsstärke-Kalibrierung von Lampennormalen grundsätzlich auch mit Hilfe eines Lasersystems ohne einen Hochtemperatur-Hohlraumstrahler rückgeführt werden kann. Basis für alle Messungen bleibt dabei das Kryoradiometer, das nationale radiometrische Strahlungsempfängernormal für optische...

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In spektroradiometrischen Messeinrichtungen werden oft PTFE-beschichtete Ulbrichtkugeln als Eingangsoptik verwendet. Es hat sich gezeigt dass PTFE-Ulbrichtkugeln zu Fluoreszenz im Wellenlängenbereich 270 nm bis 365 nm neigen. Durch Erhitzen und Bestrahlung konnte die Fluoreszenz deutlich reduziert, bzw. sogar komplett ausgelöscht werden. Obwohl dieser Zustand nicht langzeitstabil ist, steht damit...

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Nachdem es 2009 in der PTB weltweit erstmals gelungen ist, ein Bose-Einstein Kondensat (BEC) aus Erdalkali-Atomen, in unserem Fall 40Ca herzustellen, wurde dieses Jahr die Erzeugung optimiert und vereinfacht. Es ist jetzt möglich, ein BEC in einer einfachen optischen Dipolfalle zu erzeugen. Damit werden jetzt die sehr schmalen optischen Interkombinationsübergänge in Calcium für präzise...

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Eine alternative Verstärkermethode, die Faser-Brillouin-Verstärkung, wurde erstmalig für die Übertragung optischer Frequenzen eingesetzt und an einer 480 km Faserstrecke des Deutschen Forschungsnetzes (DFN) experimentell untersucht. Im Vergleich zu konventionellen Verstärkern können mit der neuen Technik größere Distanzen rauscharm überbrückt werden.

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Im Rahmen eines vom BMWI geförderten Technologietransfers (MNPQ-Projekt) wurde ein Prototyp eines hochstabilen, transportablen Lasersystems für eine Wellenlänge von 1,5 µm entwickelt. Das komplette System besteht aus einem kommerziell erhältlichen Faserlaser, Referenzresonator und Elektronik und ist in einem 19-Zoll Einschubsystem integriert. Das Lasersystem erreicht mit σy(1s) < 5·10-15 eine mehr...

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Glasfaserverbindungen erlauben den Vergleich optischer Uhren mit bisher unerreichter Stabilität und Genauigkeit. Im vergangenen Jahr wurde eine Glasfaserstrecke zwischen der PTB in Braunschweig und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching in Betrieb genommen und charakterisiert. Erste Ergebnisse an dieser 900 km langen optischen Verbindung zeigen, dass es möglich ist, die...

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Die Nickel- und Kupferkontamination der 1 kg-Kugeln aus angereichertem Si-28 des Avogadroprojekts wurde mit Hilfe einer speziellen Ätzmischung entfernt. Die danach manuell nachpolierten Kugeln haben eine so gut wiederhergestellte Oberflächenqualität, dass die Oxidschichtanalyse und die interferometrische Volumenmessung mit den angestrebten Messunsicherheiten möglich sind.

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An der PTB wurde erstmals die Frequenz des Uhrenübergangs von 87Sr gegen eine Cs-Fontänenuhr vermessen. Der Beitrag der Gitteruhr zur Gesamtunsicherheit liegt bei nur 4⋅10-16. Die Messungen zeigen gute Übereinstimmung mit den Messungen anderer Staatsinstitute.

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Die Möglichkeit zum kalibrierten Vergleich von Zeitskalen über Glasfasernetze wurde untersucht. Unter Verwendung herkömmlicher elektro-optischer Komponenten und auf dem PTB-Campus verlegter Single-Mode Glasfasern wurde ein System entwickelt und spezifiziert, mit dem eine in einem räumlich getrennten Labor realisierte Zeitskala mit einer Unsicherheit < 100 ps an UTC(PTB) angebunden werden kann.

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Ein großer Beitrag zur Frequenzinstabilität der Fontänenuhren resultiert aus dem atomzahlabhängigen „Quantenprojektionsrauschen“. Um dieses in Zukunft zu verringern, wurde eine Apparatur zur Erzeugung eines kalten Atomstrahls aufgebaut und in die Fontäne CSF2 integriert. Für den Betrieb mit dieser neuen Caesiumquelle konnte eine sechsmal höhere Atomzahl demonstriert werden, was eine Reduktion des...

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Experimente mit der Fontänenuhr CSF2 bestätigen, dass eine einfache Neigung des vorhandenen Magnetfelds es möglich macht, die genaue Position der Atomwolke im Resonator zu bestimmen. Damit können engere Grenzen für Frequenzverschiebungen aus Phasengradienten des Mikrowellenfeldes gesetzt werden, was die Gesamtunsicherheit in der Bestimmung der Caesiumsekunde reduzieren wird.

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Ein gespeichertes Ytterbiumion bietet zwei Referenzübergänge für optische Frequenznormale: einen Quadrupolübergang bei 688 THz und einen Oktupolübergang bei 642 THz. Bei der Anregung des Oktupolübergangs ergibt sich eine erhebliche lichtinduzierte Verschiebung der Übergangsfrequenz. Es konnte erstmals gezeigt werden, dass trotz dieses Effekts die ungestörte Frequenz mit einer relativen...

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Für hochstabile und genaue optische Ionenuhren wurde in der QUEST Nachwuchsforschergruppe ein neuer Fallentyp basierend auf einer segmentierten Chipfalle entwickelt. In diesem aus HF-Thermoplasten bestehendem Prototypen mit vergoldeten und laserstrukturierten Platinenchips wurden erstmals Coulomb-Kristalle mit Ytterbium-172 Ionen erzeugt. Die Dynamik von kontrollierten Ionenketten soll damit für...

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Der Atomkern Thorium-229 besitzt einen angeregten Zustand bei einer ungewöhnlich niedrigen Energie und erscheint damit geeignet, die Basis einer neuartigen und äußerst präzisen optischen Uhr zu bilden. In einem vorbereitenden Experiment zum Nachweis des optischen Kernübergangs konnte die effiziente Erzeugung, Speicherung und Laseranregung von Th+-Ionen demonstriert werden.

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Seit Anfang Februar wird UTC(PTB) von einem aktiven Wasserstoffmaser abgeleitet, dessen Frequenz an die verfügbaren langzeit-stabilen Atomuhren der PTB, vorzugsweise die Caesiumfontäne CSF1, angeschlossen ist. Damit ist UTC(PTB) sowohl bei kurzen wie auch bei langen Mittelungszeiten stabiler als je zuvor.

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Ein präzises und gegenüber zahlreichen systematischen Fehlerquellen robustes Messverfahren für die Gruppenlaufzeitdispersion optischer Übertragungsstrecken wurde implementiert. Es ist geeignet für Faserlängen von einigen Metern bis zu einigen Kilometern, und bietet eine Auflösung der Gruppenlaufzeitmessung im Bereich einer Pikosekunde, was z. B. bei der Dispersionskompensation in einer...

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Ein einzelnes Magnesium-Ion konnte in einer Falle eingefangen und mittels Laserkühlung in den Bewegungsgrundzustand gebracht werden. Dazu wurde ein neuartiges Lasersystem entwickelt, das ausgehend von einer einzigen Quelle alle dafür notwendigen Lichtstrahlen zur Verfügung stellt. Dies ist ein wichtiger Schritt zur Spektroskopie an schwierig zugänglichen Ionen, die zusammen mit dem Magnesium-Ion...

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Metrologie für die Gesellschaft

Zwei wichtige, in der PTB entwickelte Systeme für die Precise Timing Facility des Satellitennavigationssystems Galileo wurden in das Bodenkontrollzentrum nach Oberpfaffenhofen transferiert und dort in Betrieb genommen: Das Reference Clock Ensemble, bestehend aus vier kommerziellen Caesium-Atomuhren, dient im Zusammenwirken mit zwei Wasserstoff-Masern als Rückgrad der Galileo-Systemzeit. Das GST...

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Metrologie für die Wirtschaft

Im Labor kalibrierte Referenzsolarzellen werden immer häufiger auch bei Außenbedingungen benutzt. Es wurde in der PTB untersucht in wie weit eine solche Solarzelle korrekte Bestrahlungsstärken für die Wirkungsgradbestimmung liefert. Dabei wurde festgestellt, dass bereits aufgrund der Winkelabhängigkeit bei diffuser Strahlung durchaus Fehler von bis zu 10 % möglich sind, bei Standardtestbedingungen...

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Im Rahmen eines dreijährigen MNPQ-Transfer-Projektes wurde ein universeller Messplatz zur Charakterisierung von LEDs und ihres Strahlenkörpers entwickelt, die als Referenz für Hochleistungs- und Weißlicht-LEDs breite Anwendung finden. Zahlreiche Untersuchungen zur Langzeitstabilität und Winkelabhängigkeit des Farbortes von farbigen und weißen LED-Lichtquellen unterschiedlicher Hersteller ergaben...

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Für den Einsatz am Roboter-Goniophotometer wurde eine neuartige Lichtleiter-Einkoppeloptik mit konzentrisch positioniertem Photometer bzw. Radiometer entwickelt. Sie dient der Bestimmung photometrischer, radiometrischer und spektroradiometrischer Größen wie Lichtstärke (Strahlstärke) und Lichtstrom (Strahlungsfluss), aber auch colorimetrischer Kennzahlen wie Farbort, ähnlichste Farbtemperatur und...

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Das Roboter-Goniophotometer hat Anfang 2010 den regulären Kalibrierbetrieb zur fundamentalen Realisierung und Weitergabe der Lichtstromeinheit Lumen aufgenommen. Durch Rekalibrierung bewährter, bereits früher sorgfältig charakterisierter Lichtstromnormallampen konnte die Überprüfung des neuen Systems erfolgreich abgeschlossen werden.

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Unvermeidbare Streulichtanteile auf den Wänden des Goniophotometer-Messraumes verfälschen bei der Lichtstrommessung von Lampen die Messung deren Gesamtlichtstroms um bis zu 10-3. Ein Verfahren wurde entwickelt und implementiert, bei dem jetzt routinemäßig die verfälschende streulichtinduzierte Beleuchtungsstärke ermittelt und für jede Lampe unabhängig vom Lampentyp eine individuelle...

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Ein neuartiges optisches Mikroskopie-System zur Strukturbreitenmessung an Photomasken wird in der PTB entwickelt und realisiert. Hiermit soll eine Messunsicherheit unter 10 nm erreicht werden. Die Arbeitswellenlänge von 193 nm bietet die Möglichkeit, “at-wavelength” Messungen für aktuelle und zukünftige 193 nm Lithografieverfahren durchzuführen.

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In der PTB wurden zwei neue optische Messeinrichtungen für die höchstgenaue Ebenheitsmessung installiert. Damit können Prüflinge mit einer Größe von bis zu 1 m sowohl liegend als auch stehend gemessen werden. Damit werden mit den neuen Anlagen Ebenheitsmessungen mit bislang unerreichten Genauigkeiten im sub-Nanometerbereich möglich.

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Die optische Wirkung von diffraktiven optischen Elementen (DOEs), die in der Halbleiterlithographie zur Beleuchtung mit der Wellenlänge 193 nm eingesetzt werden, wurde mit dem DUV-Scatterometer der PTB und mit einem abbildenden Messsystem bei der Fa. Carl Zeiss SMT gemessen. Durch den Vergleich konnten sowohl die Messgeräte als auch die DOEs selbst hochgenau charakterisiert werden.

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In Kooperation mit dem neuen spanischen Synchroton „ALBA“ wurden neue Justierstrategien für die optische Messung der Oberflächenform von vertikal stehenden Spiegeln entwickelt. Die neuen Justierverfahren ermöglichen Winkelausrichtungen der einzelnen Komponenten mit Genauigkeiten von 0,1 arcsec. Dies ist mehr als ausreichend, um Messungen der Oberflächenform mit Unsicherheiten im...

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Internationale Angelegenheiten

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