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Nachrichten aus dem Jahresbericht 2017

Grundlagen der Metrologie

Einzelphotonenquellen sind vielversprechende Kandidaten als Standardquelle für die Radiometrie. Ziel ist es, solche Quellen für die effiziente Kalibrierung der Detektionseffizienz von Einzelphotonendetektoren zu nutzen, da ihre Photonenstatistik keinen Einfluss auf das Kalibriersignal hat. Momentan werden hierfür noch stark abgeschwächte Laser verwendet, welche eine gewisse Wahrscheinlichkeit zur...

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Im Rahmen des EMPIR-Projektes 14IND05 MIQC2 - Optical metrology for quantum-enhanced secure telecommunication wurde für die absolute Kalibrierung der Quantenffizienz von Faser-gekoppelten InGaAs/InP- Einzelphotonendetektoren (sog. InGaAs/InP Single-Photon-Avalanche-Photodetektoren, InGaAs/InP -SPAD) ein neuer Messplatz implementiert. Sein Aufbau sowie die damit erzielten Ergebnisse wurden auf der...

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Im Rahmen des EMRP ATMOZ „Traceability for atmospheric total column ozone” Vorhabens wurde ein Referenzstrahler auf Basis von UV-LEDs in der PTB entwickelt. Der Strahler ermöglicht die Verfolgung von Veränderungen in der Empfindlichkeit und in der Wellenlängenzuordnung eines Array-Spektroradiometers im Spektralbereich von 300 nm bis 400 nm. Dadurch können Messungen im Freien, z.B. von solarer...

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Verschiedene theoretische Ansätze wurden zur Modellierung der experimentell gefundenen Polarisationseffekte in der diffusen Streuung an Reflexionsstandards herangezogen. Es zeigt sich, dass die Beobachtungen mit einer auf Mikrofacetten basierten Theorie zufriedenstellend beschrieben werden können. (T. Quast, FB 4.5, tatjana.quast(at)ptb.de)

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In Vorbereitung internationaler Vergleichsmessungen bezüglich des spektralen UV-Transmissions­grads wurden gängige metallbedampfte Graufilter hinsichtlich ihrer örtlichen Homogenität untersucht. Die Ergebnisse zeigen für viele Filter örtlich stark variierende Messwerte und belegen, dass eine sorgfältige Auswahl geeigneter Artefakte zur Erzielung zufriedenstellender Vergleichsergebnisse notwendig...

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Das Frequenzrauschen bei Atomuhren ist im allgemeinen durch die Zahl der Atome in einem geeigneten Ausgangszustand bestimmt. Bei der Fontänenuhr CSF1 wurde ein Verfahren erfolgreich erprobt, bei dem durch die gleichzeitige Einwirkung zweier Laserstrahlen unterschiedlicher Frequenz Atome aus anderen Zuständen in den für den Uhrenbetrieb benötigten Ausgangszustand „optisch gepumpt“ werden. Die damit...

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Am 1. Mai 2017 startete das erste Pilotprojekt „Optische Einzelionenuhr für Anwender“ (www.optIclock.de) im Rahmen der Quantentechnologie-Initiative QUTEGA des Bundesministeriums für Bildung und Forschung. Ziel des unter Führung der Industrie durchgeführten Verbundprojektes ist es, innerhalb von drei Jahren einen Demonstrator für eine optische Einzelionenuhr zu realisieren. Dieser soll im...

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In einer Kooperation von Wissenschaftlern der PTB, der Ludwig-Maximilians Universität (LMU) München und der GSI Darmstadt ist ein wichtiger Durchbruch in der Forschung für eine Th-229-Kernuhr erzielt worden: Es konnten erstmals grundlegende Eigenschaften wie Größe und Form der Ladungsverteilung im angeregten Zustand des Th-229-Kerns gemessen werden. Dafür wurden die Th-229-Kerne nicht, wie später...

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Um die herausragende Frequenzstabilität des Siliziumresonators der PTB bei der Wellenlänge von 1.5 µm von derzeit 4×10-17 bei 1s Mittelungszeit für optische Uhren nutzen zu können, muss diese mittels eines optischen Frequenzkamms auf die Abfragelaser der Uhren übertragen werden. Hierzu wurden neue Ansätze umgesetzt, bei denen die Übertragungspfade lückenlos stabilisiert werden können. Durch...

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In einer Kooperation mit dem NIST/JILA, Boulder USA, wurde die Evaluierung zweier ultrastabiler Laser abgeschlossen. Die an der PTB entwickelten Laser sind auf 124 K kalte Siliziumresonatoren stabilisiert. Alle technischen Störungen wurden soweit reduziert, dass das Rauschen der Laserfrequenz nur noch durch das fundamentale Brownsche Rauschen der Resonatoren gegeben ist. Auf verschiedene Arten...

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Die transportable Strontiumuhr wurde im Rahmen des SFB 1128 geo-Q am LNE-SYRTE in Paris betrieben. Über eine 1400km lange, stabilisierte Glasfaserverbindung wurden Frequenzvergleiche mit den Uhren an der PTB durchgeführt, die eine chronometrische Messung der Höhendifferenz mit einer Genauigkeit im dm-Bereich ermöglichen.

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Die Strontium-Gitteruhr der ESA-Kandidatenmission 'Space Optical Clocks' wird derzeit an der PTB evaluiert und weiterentwickelt. Mit diesem System wurde eine zum neuesten Stand der Technik vergleichbare Instabililtät und Unsicherheit erreicht.

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Die stationäre Strontiumuhr hat eine Frequenzinstabilität von 5 × 10⁻¹⁷ (τ/s)-1/2 erreicht. Möglich wird dies durch die Vorstabilisierung des Abfragelasers auf die neuen, höchststabilen kryogenen Silizium-Resonatoren.

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Im Rahmen eines gemeinsamen DFG-Projektes mit der Universität Kassel, Fachgebiet Messtechnik, wurde ein schnelles und kostengünstiges optisches Formmesssystem basierend auf einem interferometrischen Zeilensensor aufgebaut. Im einem jetzt genehmigten DFG-Fortsetzungsantrag wird das Verfahren erweitert, wobei eine Multizeilenkamera zum Einsatz kommt. Damit können zusätzlich Shearing-Techniken...

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Bei der Messung von Längen mit Laserinterferometern muss der durch Beugung verursachte längenproportionale Fehler berücksichtigt werden. Mit Hilfe einer Linse und eines Bildsensors kann man aus der 2D-Intensitätsverteilung in der Brennebene auf die Divergenz und damit den längenproportionalen Fehler schließen. Durch azimutale Mittelung kann die bisher verwendete 2D-Verteilung in eine 1D-Verteilung...

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Die Messdatenerfassung mit Einzelröntgenphotonennachweis konnte zusammen mit der schnellen hochauflösenden optisch-interferentiellen Längenmessung zur monotonen Linearisierung der Verschiebebewegung erfolgreich getestet werden. Die Methode ist erforderlich, um Positionsfluktuationen bis zu 200 pm während eines Verschiebewegs von 1 mm nachträglich durch Messdatenumordnung zu korrigieren.

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Metrologie für die Wirtschaft

Der laser-basierte DSR-Messplatz der Arbeitsgruppe „Solarzellen“ wurde im Rahmen des EMRP Projektes "Photoclass" erweitert, um winkelabhängige Kalibrierungen von Solarzellen zu ermöglichen.

Die Charakterisierung dieses Messplatzes sowie erste Messungen zur Untersuchung der spektralen Winkelabhängigkeit von Solarzellen mit unterschiedlichen Verkapselungsmaterialien werden in dem Journal Progress...

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Dreidimensionale µm-LEDs mit Kern-Mantel Struktur sind ein vielversprechender Ansatz zur Steigerung der Lichtausbeute und Effizienz gegenüber konventionellen planaren LEDs und werden international seit mehreren Jahren intensiv erforscht. Im Rahmen des kürzlich abgeschlossenen EMRP-Projektes „Metrology for Save and Inovative Lighting” (MESaIL) wurde an der PTB die Emission von vollständigen...

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Zur lichttechnischen Charakterisierung von Lampen und kleinen Leuchten werden häufig kompakte kamerabasierte Goniophotometer (z.B. Tischgeräte) eingesetzt. Durch Simulationen und Messungen wurde das auf den integralen Lichtstrom bezogene Streulicht aus der Umgebung (Raum und Einrichtung) sowie innerhalb des  Gerätes diskutiert. Es wurde ein Streulichtanteil von bis zu 0,8 % ermittelt welcher...

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Die Modulationstransferfunktion (MTF) charakterisiert die Abbildungseigenschaften von Objektiven. Weltweit gibt es einen starken Bedarf an rückgeführten MTF-Messungen, u. a. für den Automotive-Bereich. Im Rahmen eines TransMeT – Projektes wird in der PTB eine Referenzapparatur aufgebaut und das langjährige Know-How der PTB bei der hochgenauen MTF-Messung zur Firma Trioptics GmbH transferiert, die...

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Bei scannenden Messsystemen führt unbeabsichtigtes Driften des Prüflings während der Messung zu Fehlern: Bei mehrmaligen Anfahren der vermeintlich gleichen Messstelle erhält man unterschiedliche Messwerte. In Zusammenarbeit der beiden Fachbereiche 4.2 und 8.4 wurde ein neuartiger Optimierungsalgorithmus entwickelt, der die Ergebnisse aus verschiedenen, sich kreuzenden Messtrecken bestmöglich...

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Zur Charakterisierung von Asphären- und Freiformflächenmessgeräten wurden spezielle Kalibrierflächen entwickelt, die aus Kugelsektoren mit zwei oder mehr verschiedenen Radien bestehen. Vorteil einer solchen Oberfläche ist, dass die Radien und die Sphärizität der Kugelsektoren mit dem Radiusmessplatz bzw. dem Sphärizitätsmessplatz der PTB rückgeführt gemessen werden können. Die Flächen wurden vom...

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In einem vom CC UPOB e.V. initiierten Messvergleich wurden von acht Partnern aus Universitäten, Forschungseinrichtungen und Industrie vier Asphären mit 12 verschiedenen Messgeräten vermessen um den aktuellen Stand der Asphärenmessungen zu ermitteln. Die Auswertung der Messungen erfolgte als Kooperation der Arbeitsgruppen 4.21und 8.42. Die ausgewerteten Messdaten sind in ihrem Umfang bzgl. der...

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Mit Hilfe von winkelaufgelösten UV-Streulichtmessungen (goniometrische Scatterometrie) können Gitterstrukturen mit Größen bis hinunter zu wenigen 10 Nanometern sehr genau gemessen werden. Im Gegensatz zu aktuellen kommerziell eingesetzten Auswerteverfahren, die sich auf eine Bestimmung einzelner spezifizierter Strukturparameter wie Breite und Höhe beschränken, wurde im Fachbereich 4.2 nun eine...

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Zur Messung der Transmission von Ferngläsern und Fernrohren ist ein Messsystem in der PTB vorhanden. In Kooperation mit der Carl Zeiss Microscopy GmbH wurde die Messtechnik auf Mikroskopobjektive erweitert, bei denen die besonderen und neuen Herausforderungen in extrem großen Öffnungswinkeln und dem spektral breiten Transmissionsbereich liegen. Auch die Apparaturen der Projektpartner wurden im...

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Die PTB setzt sich in unterschiedlichen Normungsgremien dafür ein, eine konsistente Nomenklatur für gewichtete Messgrößen in der UV-Radiometrie zu erreichen. Nur wenn mit Wirkungsfunktionen gewichtete Messgrößen weltweit einheitlich behandelt werden, lassen sich Missverständnisse und Fehlinterpretationen vermeiden. So wurden die Normen CIE 220 “Characterization and Calibration Methods of UV...

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Die verlässliche Messung des Lichtstroms von LED-Lichtquellen im industriellen Umfeld ist nach wie vor eine große Herausforderung für Messlabore. Seit Veröffentlichung der Standards CIE S 025 und  EN 13032-4 wird von den Testlaboren die Angabe eines belastbaren Messunsicherheitsbudgets für ihre Messungen verlangt. Im Rahmen des kürzlich abgeschlossenen EMRP-Projektes „Metrology for Save and...

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Metrologie für die Gesellschaft

Im Zuge des Fortschritts der Standardisierung im Bereich der Photovoltaik (PV) mit dem „Energy Rating“ IEC 61853 rückt zunehmend auch die leistungsrelevante Einflussgröße „spektrale Winkelabhängigkeit von PV Modulen“ in den Fokus von Charakterisierungen. Dementsprechend wird ebenso die winkelabhängige Messung der Sonneneinstrahlung im für PV Anlagen relevanten Spektralbereich wichtig. Um die...

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Die Deutsche Telekom (DT) Technik unterhält in Frankfurt am Main ein Zeitlabor und realisiert dort ihre Referenzzeitskala UTC(DTAG). Ferner wird in Bremen ein Testzentrum (Test Center Bremen) betrieben und dort UTC(TCB) in ähnlicher Weise wie in Frankfurt realisiert. PTB und DT Technik stellen sich gegenseitig Signale ihrer UTC(k)-Zeitskalen für Mess- und Überwachungszwecke zur Verfügung. Dazu...

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Die Europäische Funk-Rundsteuerung GmbH, zu deren Gesellschaftern die großen Energieversorger des Landes gehören, betreibt seit über 20 Jahren einen Langwellen-Broadcastdienst für die verschlüsselte Übertragung verschiedener Datendienste. Dazu gehören beispielsweise Tarifschaltungen, die zeitliche Steuerung von Lasten, Beleuchtungen im öffentlichen Raum sowie die Anstrahlung von Objekten und...

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Die Gesamtozonsäule in der Atmosphäre wird seit Jahrzehnten auf Basis von bodengestützten spektralaufgelösten Messungen der Sonnenstrahlung überwacht. Im Rahmen des kürzlich abgeschlossenen EMRP-Projektes „Traceability for atmospheric total column ozone” (ATMOZ) konnte die Rückführung der Messungen deutlich verbessert werden. Dafür sind Geräte und Verfahren für die Charakterisierung und...

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Internationale Angelegenheiten

Das letzte Quartal 2017 ist zugleich das 18. Quartal während dem die Time and Geodetic Validation Facility (TGVF) für Orbit-Bestimmung und Zeitskala des europäischen Satellitennavigationssystems Galileo verantwortlich war. Die PTB ist Teil der TGVF und koordiniert die Beiträge von 5 europäischen Zeitinstituten für die Realisierung und nachfolgend die Bewertung der Qualität der Galileo-Systemzeit...

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Neben den etablierten Satellitennavigationssystemen GPS (USA) und GLONASS (Russland) nähern sich sowohl das europäische System Galileo wie das chinesische System BeiDou ihrer vollen Verfügbarkeit. Für die Zeitübertragung bietet Galileo mit seinen derzeit 17 nutzbaren Satelliten heute schon Vorteile gegenüber GPS. BeiDou ist gegenwärtig noch stark auf die Nutzung im asiatischen Raum ausgerichtet,...

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