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Nachrichten aus dem Jahresbericht 2015

Grundlagen der Metrologie

Im Zuge der Entwicklung eines auf Aluminium basierenden Frequenznormals wurde eine neue Methode zur schnellen Phasenstabilisierung von freilaufenden Diodenlasern unterschiedlicher Wellenlängen auf eine ultrastabile optische Referenz mittels eines Frequenzkamms realisiert. Durch Subtraktion des Eigenrauschens des Frequenzkamms konnte das Phasenrauschen des so stabilisierten Diodenlasers bis zu...

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Am QUEST Institut an der PTB wurde ein langzeit-stabiler Laser bei 441 nm, basierend auf einem frequenzverdoppelten Ti:Sa-Laser für die Spektroskopie an Ar13+ Ionen aufgebaut. Mittels eines Transfer-Resonators wurde die Stabilität eines Rubidium-stabilisierten Lasers auf den Ti:Sa Laser übertragen und damit die Schwankungen der Absolutfrequenz über mehrere Tage auf weniger als 100 kHz reduziert.

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Methoden für die Spektroskopie von atomaren Ionen, wie sie beispielsweise in optischen Atomuhren Verwendung finden, lassen sich im Allgemeinen nicht auf molekulare Systeme übertragen. Dies ist insbesondere für die Zustandsdetektion und –Präparation der Fall. Am Quest Institut an der PTB wurde eine neue Methode zur Zustandsdetektion entwickelt. Sie basiert auf laserinduzierten Kräften, die es...

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In einer Kollaboration mit dem Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg und mehreren Theorie-Gruppen ist es QUEST Forschern gelungen, die vorhergesagte Niveauüberschneidung in Ir17+ zu identifizieren. Dazu wurden optische Spektren von isoelektronischen hochgeladenen Ionen aufgenommen und eine Skalierung der Übergangsfrequenzen mit der Kernladungszahl bestimmt. Eine detaillierte, durch ab...

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Forschern am QUEST Institut an der PTB ist es gelungen durch Photonenrückstoßspektroskopie Isotopieverschiebungen auf den 2S1/22P1/2, 2S1/22P3/2 und 2D3/22P1/2 Übergängen in Calcium-Ionen mit einer kombinierten Unsicherheit von unter 100 kHz zu messen. Zum ersten Mal konnte der Unterschied in der Isotopieverschiebung zwischen der D1 und der D2 Linie der Calcium-Ionen aufgelöst werden. Des...

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Am QUEST-Institut an der PTB wurden verschiedene Methoden zur Messung der Mikrobewegung von Ionen experimentell untersucht und quantitativ verglichen. Diese führt in optischen Ionenuhren zu einer relativistischen Frequenzverschiebung aufgrund der Zeitdilatation. Es wurden neue Modelle entwickelt und verifiziert, die nun eine relative Frequenzunsicherheit aufgrund der Mikrobewegung von wenigen 10-2...

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Im Rahmen eines DFG-Projektes (LE 992/7-1, EH 400/4-1) wurde in einer Kooperation zwischen dem Fachgebiet Messtechnik der Universität Kassel und der Arbeitsgruppe Form- und Wellenfrontmetrologie der Physikalisch-Technischen Bundesanstaltein interferometrischer Zeilensensor in Kombination mit einem 5-Achsen-Bewegungssystem zur Messung der Form optischer Flächen aufgebaut. Für die Nachführung des...

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Für die akkurate Berechnung des durch Beugung verursachten Längenfehlers in der Laserinterferometrie ist eine genaue Charakterisierung der verwendeten Laserstrahlen erforderlich. Für die Messungen am Avogadroprojekt der PTB wird ein kalibrierter Wellenfrontsensor verwendet. Da dieser nur an Luft arbeitet, die Wellenfronten aber für Experimente im Vakuum bekannt sein müssen, wurde ein...

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In der Arbeitsgruppe von Prof. C. Ospelkaus (QUEST Institut an der PTB und LUH) wurden ein neues feldunabhängiges Zustandspaar von 9Be+-Ionen demonstriert, welches sich besonders als langlebiges Qubit für die Mikrowellen-Quantenlogik mit gespeicherten Ionen eignet. Weiterhin wurde das Mikrowellenfeld eines zur Manipulation der Ionen in die Fallenstruktur integrierten Wellenleiters vermessen und...

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Mit Hilfe hochauflösender Spektren in ultrakalten Calcium-Molekülen wurden in der PTB die Wechselwirkungspotentiale zwischen Calciumatomen genau bestimmt. In einer Kooperation mit Prof. Tiemann, Leibniz Universität Hannover, konnte daraus der nichtlinearen Zeeman-Effekt in diesen schwach gebundenen Systemen modelliert werden und dieser Einfluss bei früheren Messungen korrigiert werden.

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Das "Space Optical Clocks 2"-Projekt (SOC2) ist ein von der EU gefördertes Projekt, das von der Heinrich Heine Universität Düsseldorf (HHUD) koordiniert wird und jetzt in der Endphase an der PTB evaluiert wird. Mit technologischen Beiträgen von 16 Kooperationspartnern aus Europa, zielt das Projekt darauf ab eine transportable optische Strontiumgitteruhr als Prototyp für eine Mission an Bord der...

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Besonders bei Frequenzmessungen werden verrauschte, zeitlich korrelierte Messdaten gemittelt, um eine möglichst geringe Unsicherheit zu erreichen. Es wurde untersucht, welche Gewichtung der Daten unter gegebenen typischen Rauschbedingungen die jeweils geringste Unsicherheit des gewichteten Frequenzmittelwerts liefert und wie diese Unsicherheit aus der Instabilität der Daten bestimmt werden kann. 

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Optische Gitteruhren erlauben es, extrem frequenzstabile Laserstrahlung zu erzeugen. Die Stabilität wird durch fundamentale und technische Rauschprozesse begrenzt. Deren genaue Analyse ergab, dass die Strontium-Gitteruhr eine ausgezeichnete Instabilität von 1,6×10-16/(τ/s)1/2 erreicht, so dass Messungen mit einer relativen Auflösung von 10-17 in wenigen 100 s möglich werden.

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Ein Lasersystem wurde entwickelt, das zur Abfrage der Strontiumgitteruhr der PTB eingesetzt wird. Es nutzt einen 48 cm langen Glasresonator, bei dem die Frequenzstabilität des Lichtes durch dessen Längenstabilität bestimmt wird. Durch die hohe Länge kann der Einfluss der Brownschen Fluktuationen - des sogenannten thermischen Rauschens - der Spiegel reduziert werden. Somit werden Längen- und damit...

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Für Untersuchungen der Phasenstabilität des Mikrowellen-Abfragesignals der Fontänenuhren CSF1 und CSF2 wurde ein Phasentransientenanalysator entwickelt. Mit diesem kann ausgeschlossen werden, dass durch periodisch auftretende Phasenfluktuationen relative Frequenzverschiebungen von mehr als 3x10-17 verursacht werden. Der Analysator kann auch für Untersuchungen an optischen Uhren eingesetzt werden.

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Bei Fontänenuhren führt eine erhöhte Frequenzstabilität zu kleineren Unsicherheiten bei Messungen für die Steuerung der internationalen Atomzeit und der gesetzlichen Zeit in Deutschland sowie bei Vergleichen mit optischen Uhren. Durch neue Lademethoden wurde die Zahl der Caesium- Atome in der Fontänenuhr CSF2 soweit erhöht, so dass nun eine relative Messauflösung von 3x10-16 innerhalb eines Tages...

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Metrologie für die Wirtschaft

Es wurde ein verbessertes Verfahren zur mikroskopischen Vermessung von Mikrostrukturen entwickelt, das bisherige Nachteile z. B. durch eine ungenaue Fokussierung vermeidet. Dazu werden mehrere Bildprofile mit jeweils leicht unterschiedlicher Fokussierung (um den besten Fokus herum) aufgezeichnet. Dabei werden die aufgezeichneten Bildprofile durch rigoros berechnete Profile angepasst, wobei auch...

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Im Rahmen eines EMRP Projektes (SIB08) wurde ein Verfahren zur absoluten Kalibrierung von Wellenfronsensoren entwickelt, bei dem die Kenntnis der Form der Referenzwellenfront nicht mehr notwendig ist. Die Kalibrierung basiert auf einem erweiterten Stitching-Verfahren, das auch Defokus- und Astigmatismusfehler des Sensors erfasst. Das Verfahren ermöglicht neben der Bestimmung des systematischen...

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Lackierungen, die Interferenzpigmente enthalten, zeigen einen winkelabhängigen Farbeindruck. Dies macht eine umfassende Farbcharakterisierung aufwendig. Neu vorgeschlagene Messgeometrien gestatten durch Ausnutzung von Symmetrien und mit Hilfe eines physikalischen Modells die Beschreibung und Vorhersage der winkelabhängigen Farbe mit nur wenigen Messpunkten.

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Traditionell weisen klassische photometrische Transfernormale regelmäßig nur eine wesentliche Eigenschaft, ergänzt mit einer weiteren, meist nachrangigen Eigen-schaft, auf. Beispielsweise transferieren Glühlampen als Lichtstrom- oder Lichtstär-kenormal entsprechend ihrer Bauart jeweils nur eine Einheit (hier lumen bzw. candela) gepaart z. B. mit ihrer Verteilungstemperatur. Sehr selten...

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In der PTB wurde ein neuer Messplatz zur rückgeführten Kalibrierung der Kennlinien von Referenzsolarzellen verwirklicht worden. Nach der Auditierung im Sommer 2015 kann dieser nun auch für Kundenkalibrierungen eingesetzt werden. In Kombination mit dem über eine differentielle spektrale Empfindlichkeitskalibrierung bestimmten Kurzschlussstrom ist es nun möglich, Parameter wie Leerlaufspannung und...

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Einzelphotonenlichtquellen spielen in den aktuellen optischen Quantentechnologien, wie z.B. Quantenkommunikation, Quantencomputing und Quantenradiometrie eine zunehmend bedeutendere Rolle. Der Erfolg dieser Quantentechnologien hängt hauptsächlich von der Deterministik und Effizienz der Einzelphotonenquellen ab. Einzelphotonenquellen mit höchster Photonenemissions¬rate und kleinstem g2(0)-Wert sind...

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Metrologie für die Gesellschaft

Der von der PTB zur Verbreitung der gesetzlichen Zeit angebotene Telefonzeitdienst erfolgt derzeit im ISDN Standard. In der PTB wurden Untersuchungen durchgeführt die zeigten, dass auch über das Jahr 2018 hinaus, wenn nach Auskunft der Deutschen Telekom die IP-basierte Telefonie eingeführt sein wird, der von der PTB angebotene Telefonzeitdienst weiter genutzt werden kann.

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In der medizinischen Forschung werden von Körperzellen produzierte Mikrovesikel zur Diagnose von Krankheiten herangezogen. Im Rahmen eines europäischen Projekts (EMRP HLT02, www.metves.eu) wurden diese Vesikel mit Hilfe der Elektronenmikroskopie abgebildet und mit einer speziell entwickelten Software erkannt und hinsichtlich ihrer Größe ausgewertet.

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Für die Bestimmung der Gesamtozonsäule in der Atmosphäre werden traditionell Geräte zweier Typen eingesetzt: die sogenannte Dobson- und Brewer-Spektrophotometer. Die Messungen in globalen Netzwerken für die Überwachung der Ozonschicht werden auf regionale und letztendlich auf Weltreferenzgeräte zu-rückgeführt. Im Rahmen des EMRP Projektes "Traceability for atmospheric total column ozone" wurden...

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Um die Einflüsse der Umgebungsbedingungen auf die unterschiedliche Typen von Solarzellen zu untersuchen, wurden zwei organische Solarzellen auf Basis kleiner Moleküle, eine Farbstoffsolarzelle sowie Silizium-Solarzellen charakterisiert und kalibriert. Die Untersuchungen ergaben, dass die unterschiedlichen Technologien unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten, Temperatur- und...

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Internationale Angelegenheiten

Das "8th Symposium on Frequency Standards and Metrology" wurde von der PTB Im Oktober 2015 am Templiner See in Potsdam ausgerichtet. Das Symposium bietet im Abstand von etwa sieben Jahren ein internationales Diskussionsforum für Präzisionsfrequenznormale. 180 Wissenschaftler aus aller Welt stellten fundamentale physikalischen Aspekte und ihre neuesten Ideen, Ergebnisse und Anwendungen von...

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Gemeinsam mit der Europäischen Raumfahrtagentur ESA veranstaltete die PTB im Jahr 2015 das 5. Kolloquium "Scientific and Fundamental Aspects of the Galileo Programme". Knapp über 100 Wissenschaftler diskutierten die Verknüpfung von Satellitennavigation mit vielfältigen wissenschaftlichen Fragestellungen.

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