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Aktuelle Forschungsnachrichten und
Nachrichten aus dem Jahresbericht 2011

Grundlagen der Metrologie

Mit einem Transmissionsdetektor in einem Rasterelektronenmikroskop (REM) lassen sich Nanopartikel mit gutem Kontrast abbilden. Der Vergleich der gemessenen REM-Signalprofile mit entsprechenden simulierten Profilen liefert die Größe der Nanopartikel. Die Rückführung auf die SI-Einheit „Meter“ gelingt mit Hilfe von kalibrierten Gitterstrukturen. Damit können Nanopartikel mit Durchmessern von etwa 6...

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Mit der Entwicklung eines Impuls-zu-Dauerstrich-Konverters wurde ein entscheidender Nachteil beim Einsatz leistungsstarker fs-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt. Die Neuentwicklung ermöglicht es nun, herkömmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen, die eine bis zu 1000 mal höhere spektrale Ausgangsleistung besitzen.

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Werden photometrische oder radiometrische Empfänger ohne Diffusor an Laser basierten Messplätzen charakterisiert oder kalibriert, so wird das Messsignal oft durch Interferenzoszillationen überlagert. Es wurde ein Algorithmus mit digitaler Filterung entwickelt, der das Messsignal bezüglich der Interferenzen korrigiert. Sein Beitrag zur Messunsicherheit kann – im Gegensatz zu anderen Verfahren –...

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Neuartige SiC-Photodioden wurden auf ihre spektrale und integrale Ansprechempfindlichkeit insbesondere bei hohen UV-Bestrahlungsstärken untersucht. Zur Bestimmung ihres Alterungsverhaltens wurden diese mit einem leistungsstarken UV-Mitteldruckstrahler künstlich gealtert. Im Ergebnis zeigte sich, dass die Photodioden nach ca. 100 Stunden Bestrahlung vorgealtert sind und in UV-Radiometern verwendet...

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Für den Vergleich verschiedener optischer Uhren ist der faserbasierte Femtosekunden-Frequenzkamm ein unverzichtbares Instrument. Bei der fortschreitenden Entwicklung der optischen Uhren stellt sich daher die Frage, in wieweit das Eigenrauschen des Frequenzkamms eine Begrenzung für diese Vergleiche darstellt. Messungen zeigen, dass auch mit den faserbasierten Frequenzkämmen derzeit Uhren mit einer...

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Im Rahmen des Projekts „Röntgen-Fabry-Perot-Interferometrie“ müssen Saphir-Kristalle orientiert poliert werden. Hierbei konnten vor kurzem wesentliche Fortschritte erzielt werden, so dass die erreichte maximale Abweichung von der Ebenheit derzeit kleiner als 180 nm ist. Um die Zielvorgabe weniger Nanometer zu erreichen, kann jetzt die Nachbearbeitung mit einem Ionenstrahl durchgeführt werden.

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Für die Abschätzung der Messunsicherheit von Laser-Interferometern, die Optiken zur Strahlformung und Wellenfront-Anpassung enthalten, wurde eine Methode entwickelt, die unter Ausnutzung von geometrischer Strahlverfolgung und Interpolationsverfahren auf der rigorosen Sommerfeld‘schen Beugungstheorie aufbaut. Die Methode ist dabei nicht mehr nur auf den paraxialen Bereich beschränkt und soll für...

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Optische Telekommunikationsfasern werden inzwischen auch zur Zeit- und Frequenzübertragung genutzt. Als weltweit längste realisierte Verbindung wurden jetzt zwei 900 km phasenstabilisierte Glasfaserverbindungen zwischen der PTB Braunschweig und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching charakterisiert. In Langzeitmessungen konnte gezeigt werden, dass der relative Frequenzfehler...

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Bei Frequenzvergleichen zwischen verschiedenen Laboren kann ein Synchronisationsfehler der jeweils verwendeten Frequenzzähler zu einer systematischen Frequenzabweichung führen. Mittels eines neu entwickelten optischen Verfahrens war es möglich, über eine phasenstabilisierte Glasfaserverbindung von 900 Kilometern Länge den Synchronisationsfehler zweier Zähler in Braunschweig und München mit einer...

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Phasengradienten in Mikrowellen-Resonatoren von Fontänen-Uhren bewirken Frequenzverschiebungen des Uhrenübergangs. Die entsprechenden Effekte wurden neu und umfassend an der Fontänen-Uhr CSF2 untersucht. Zusammen mit einer verringerten Unsicherheit der Stoßverschiebung ist die Gesamtunsicherheit von CSF2 gegenüber der früheren Evaluation auf 4,1 x 10-16 annähernd halbiert worden.

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Um optische Uhren weiter zu verbessern müssen die Einflüsse äußerer elektrischer Felder oder der Temperaturstrahlung auf die Atome in speziellen Umgebungen genau untersucht werden. Die im optischen Gitter der Strontium-Gitteruhr gehaltenen kalten Atome können jetzt um 5 cm mit einer Transporteffizienz > 95 %, innerhalb von 230 ms, ohne signifikante Heizung transportiert werden.

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Die Verwendung der sogenannten Rapid Adiabatic Passage in der Fontänen-Uhr CSF2 ermöglichte es, die systematische Unsicherheit bei der Ermittlung der Stoßverschiebung um eine Größenordnung zu verringern. Damit kann die statistische Messunsicherheit durch den Betrieb mit höheren Atomzahlen gesenkt werden, ohne dass die systematische Unsicherheit aufgrund von Stößen signifikant steigt.

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Es wurde theoretisch ein neues Konzept für atomare Frequenznormale untersucht, das es ermöglicht, eine reproduzierbare „synthetische“ Ausgangsfrequenz zu erzeugen, die in einem weiten Bereich von der Verschiebung der atomaren Übergangsfrequenz durch thermische Strahlung unabhängig ist.

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Mit einem in der PTB neu entwickelten Frequenzverschiebeverfahren kann die Frequenz optischer Frequenzkämme und damit jede einzelne Frequenz nach einem vorgegebenen zeitlichen Verlauf verschoben werden. Der externe Frequenzverschieber besteht aus einem geeignet angesteuerten elektrooptischen Modulator. Das Frequenzverschiebeverfahren ist universell, d. h. ohne Resonatoreingriff, für...

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Häufig weist die Emission praxisrelevanter Einzelphotonenquellen, wie z. B. Stickstofffehlstellen in Diamant (NV-Zentren), einen verbleibenden Mehrphotonenanteil auf, welcher zu abweichenden Ergebnissen bei der Kalibrierung von in der Quantenkommunikation, Biologie oder Astronomie genutzten Einzelphotonendetektoren führt. Deshalb wurde die Photonenstatistik des abgestrahlten Fluoreszenzlichts...

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Die Bestimmung des internen Zustands von einzelnen Ionen ist von zentraler Bedeutung für die Spektroskopie und für Frequenznormale. Bei diesem Schrotrausch-limitierten Messprozess werden nur einige wenige Photonen detektiert. Die Güte und Robustheit dieses Messprozesses konnte nun durch ein neuartiges Verfahren signifikant erhöht werden. Die Implementierung mit Magnesium-Ionen ermöglicht es,...

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Der mechanische Aufbau des nationalen Normals für gerichtete spektrale Transmission und Reflexion (NanoTrans und NanoRef) wurde weitestgehend abgeschlossen. Nach Evaluierungsmessungen bezüglich der Transmissionsskala konnte der reguläre Messbetrieb im Wellenlängenbereich von 200 nm bis ca. 2,5 µm wieder aufgenommen werden. Auch für die Größe regulärer spektraler Reflexionsgrad kann der Messbetrieb...

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Metrologie für die Gesellschaft

Für die hochgenaue Messung der Flugzeit von Neutrinos zwischen ihrer Quelle am CERN, Genf, und dem Detektor OPERA im Gran Sasso Untergrundlaboratorium, Italien, muss die Zeitdifferenz zwischen den zwei Zeitreferenzpunkten an beiden Orten auf wenige Nanosekunden genau bekannt sein. Die PTB kalibrierte die Signallaufzeiten der hierfür verwendeten GPS Empfänger.

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Nach 25 Jahren Betrieb war in der primären Atomstrahluhr CS2 der Caesiumvorrat aufgebraucht. 10 Gramm Caesium ermöglichen nun den Betrieb für weitere 20 Jahre. Nun dient CS2 wieder als eine der Referenzuhren für die Realisierung der Atomzeitskala UTC(PTB) und damit auch der gesetzlichen Zeit.

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Der Langwellensender DCF77 ist weiterhin das wichtigste Medium zur Verbreitung der gesetzlichen Zeit, zu der die PTB nach dem Einheiten- und Zeitgesetz verpflichtet ist. Nach Verhandlungen mit dem Betreiber des Senders, der Media Broadcast GmbH, wird die bestehende vertragliche Vereinbarung bis in das Jahr 2021 fortgesetzt.

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Metrologie für die Wirtschaft

Die Bestimmung des internen Zustands von einzelnen Ionen ist von zentraler Bedeutung für die Spektroskopie und für Frequenznormale. Bei diesem Schrotrausch-limitierten Messprozess werden nur einige wenige Photonen detektiert. Die Güte und Robustheit dieses Messprozesses konnte nun durch ein neuartiges Verfahren signifikant erhöht werden. Die Implementierung mit Magnesium-Ionen ermöglicht es,...

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Das DUV-Scatterometer der PTB wurde hinsichtlich des Dynamikbereichs, der Linearität und des Auswerteverfahrens zur Bestimmung der zu messenden Beugungseffizienzen weiterentwickelt. Mit dem verbesserten System wurden Strukturmessungen an einer Molybdänsilizid-Photomaske durchgeführt. Ein Vergleich mit Ergebnissen zweier Messplätze des Advanced Mask Technology Center, Dresden, konnte vormals...

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Vom 4. – 6. Oktober 2011 fand im neueröffneten Tagungszentrum der PTB die 37. Jahrestagung der Deutschen farbwissenschaftlichen Gesellschaft (DfwG) als Gemeinschaftsveranstaltung zwischen PTB und DfwG statt. Die DfwG ist das deutsche Spiegelgremium der CIE (CIE: International Commission on Illumination) für die Division 1 (Vision and Color) und Division 8 (Image Technology). Die Tagung stand im...

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Unter Leitung der PTB wurde ein neuer Brechzahl-Messvergleich gestartet, der nicht wie sonst üblich von bereits gefertigten prismatischen Proben, sondern von den ursprünglichen Glasblanks ausgeht. Dadurch wird auch der Einfluss der Prismenherstellung mit erfasst. Teilnehmer sind Firmen und Institute, die die Brechzahl von Gläsern mit sehr geringer Unsicherheit messen können.

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In der Abteilung Optik wurde ein Alterungsmessplatz zur Identifizierung lebensdauerbeeinflussender Kriterien von OLEDs aufgebaut. Hier werden ständig optische und elektrische Größen von 60 OLEDs während des Betriebs gemessen. Die Ergebnisse werden in dem von der PTB geleiteten technischen Komitee TC2-68 bei der CIE zur Entwicklung einer internationalen Norm zur Bestimmung der Lebensdauer von OLEDs...

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Ein LED-Messplatz für die photometrische und colorimetrische Charakterisierung von LEDs im Fernfeld wurde zur Messung der Leuchtdichteverteilung im Nahfeld erweitert. Aus den Messergebnissen werden Strahlendaten generiert, die beim optischen Design moderner Lichtquellen verwendet werden können, um von den Nahfeldmessungen auf das Fernfeld zu schließen. Bei dem gemessenen Lichtstrom und der...

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In der PTB wurde das weltweit erste photometrische Transfernormal auf Basis organischer Leuchtdioden (OLED) entwickelt und kann jetzt von der Industrie für die Justierung von Messsystemen zur Bestimmung wichtiger photometrischer Größen dieser neuartigen Lichtquellen eingesetzt werden.

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In Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin (BESSY-II) wurden neuartige interferometrische Messverfahren zur Topographiebestimmung von Synchrotronspiegeln mithilfe von virtuellen Experimenten simuliert. Für einen Synchrotron-Fokussierspiegel mit einer Topographievariation von 5 mm konnte eine Rekonstruktionsgenauigkeit von 100 nm (rms) ermittelt werden. Die virtuellen Experimente liefern...

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Mit dem neuentwickelten Gonioreflektometer für Appearance der PTB sind erste Messungen zur vollständigen Charakterisierung von so genannten goniochromatischen (winkelabhängigen) Farben durchgeführt worden. Mit dem Messplatz können für beliebige Ein- und Ausfallwinkel auf einer Probe komplette Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich aufgenommen werden und daraus Farbkoordinaten in...

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Internationale Angelegenheiten

Vom 27. – 30. Juni 2011 fand der 5. Single Photon Workshop mit ca. 100 Teilnehmern aus 12 Ländern in Braunschweig statt. Dieser alle zwei Jahre stattfindende Workshop hat das Ziel, die wissenschaftliche Gemeinschaft auf dem Gebiet der Einzelphotonenmetrologie, der Einzelphotonentechnologie und ihrer Anwendungen zusammenzubringen. Dazu gehören insbesondere aktuelle Entwicklungen auf dem Gebiet der...

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