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Aktuelle Forschungsnachrichten und Nachrichten aus dem Jahresbericht

The Max-Planck-RIKEN-PTB Center for Time, Constants, and Fundamental Symmetries holds a workshop on recent advances on Tuesday March 9th, 2021, with the following speakers:

Ichiro Ushijima (RIKEN): Transportable optical lattice clocks with 18 digit precision
Richard Lange (PTB): Improved Limits for Violations of Local Position Invariance and Local Lorentz Invariance from Atomic Clocks
Peter Micke (PTB): Coherent laser spectroscopy of highly charged ions using quantum logic
Matthew Anders Bohman (MPIK/RIKEN): Sympathetic Cooling of Trapped Protons
Antonia Schneider (MPIK): High-precision measurement of the hyperfine structure of 3He+ in a Penningtrap
Kathrin Kromer (MPIK): Latest results of the high-precision mass measurements with PENTATRAP
Jack Devlin (CERN/RIKEN): Constraining the coupling between axion-like dark matter and photons using an antiproton superconducting detection circuit in a cryogenic Penning trap

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Im nun abgeschlossene Projekt BiRD JRP 16NRM08 (https://www.birdproject.eu), gefördert im EU Programm EURAMET EMPIR Call 2016 – „Metrology Research for Pre‐ and Co‐normative projects“, wurden pränormative Grundlagen für solche Messgrößen erstellt, die zum optischen Erscheinungsbild von Produkten beitragen. Dies sind neben der Farbe und deren winkelabhängiger Abstrahlung auch Glanz, Sparkle und Graininess. Mit dem Begriff Sparkle wird diejenige optische Erscheinung von Oberflächen bezeichnet, die unter gerichteter Beleuchtung durch die Reflexion an punktförmigen Streuobjekten beobachtet werden kann und einen Eindruck erzeugt, der funkelndem Sternenlicht entspricht. Erzeugt wird dieser Effekt z.B. durch hochreflektive Mikropartikel, die in die Lackschickt einer Oberfläche eingearbeitet sind. Bekannte Beispiele sind Metalleffektlackierungen von Kfz. Graininess bezeichnet das Erscheinungsbild derartiger Effektpigmentoberflächen bei Bestrahlung mit diffusem Licht. Obwohl der Sparkle-Effekt weite Verbreitung in vielen Zweigen der industriellen Fertigung findet, gibt es keine normierte und allgemein akzeptierte Definition dieser Messgröße. Wenige kommerziell erhältliche Messgeräte bestimmen jeweils gerätespezifische Werte mit nicht öffentlich zugänglichen Auswertungsalgorithmen. Zur Verbesserung dieser Situation wurde im Rahmen des BiRD-Projekts die technische Arbeitsgruppe CIE JTC 12 [2] gegründet, in der die Messgrößen Sparkle und Graininess definiert und deren messtechnische Bestimmung beschrieben wird. Basierend auf diesen Festlegungen wurde erstmalig eine Vergleichsmessung zwischen vier Staatsinstituten durchgeführt, die zum einen die Überprüfung der apparativen Umsetzungen zum Ziel hatte als auch die Eignung der Messgrößendefinition untersuchte [3]. Trotz einer recht großen apparativen Variabilität wurden sehr zufriedenstellende Ergebnisse in der objektiven Bestimmung der Sparkle-Messgröße erzielt. Gleiches gilt für die Bestimmung der Messgröße Graininess mittels Kugelreflektometrie. Mit den Ergebnissen von parallel durchgeführten psycho-visuellen Untersuchungen an den verwendeten Proben war es dann möglich, die visuelle Empfindung mit den objektiv gewonnenen Ergebnissen zu vergleichen [4]. Die sehr gute Korrelation zeigt, dass die Messgrößen in geeigneter Weise definiert wurden. Hiermit liegen zum ersten Mal rückgeführte objektive Messungen und Bewertungsskalen für die Messgrößen Sparkle und Graininess vor, die als Grundlage für weiterführende Untersuchungen und Normungsaktivitäten dienen können....

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Im BxDiff JRP 18SIB03 Projekt (https://bxdiff.cmi.cz/), das im EU Programm EURAMET EMPIR Call 2018 - SI Broader Scope gefördert wird, entstehen u.a. Messplätze im Rang nationaler Normale für BTDF - (Bidirectional transmittance distribution function) und BSSRDF - (Bidirectional surface scattering distribution function) Untersuchungen. Die PTB unterstützt hierbei den Aufbau eines dezidierten BTDF Messplatzes im Rahmen eines Größtgeräts (Strategische Investition). Wesentliche Projektziele der 17 beteiligten Projektpartner aus den Bereichen der nationalen Metrologieinstitute (NMI), von Forschungs- und universitären Einrichtungen sowie Materialerstellern, ist die Schließung der messtechnischen Lücke für die erwähnten Messgrößen sowie die Ausdehnung bereits bestehender Messverfahren in bislang unzugängliche Bereiche. Zum Beispiel sollen BRDF (Bidirectional reflectance distribution function) -Messungen auch für Probengrößen im (Sub-) Millimeterbereich ermöglicht werden.

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Measuring the total momentum transfer of the absorbed and re-emitted photons from a highly reflective surface (reflection of the laser beam from an optical mirror) as a force provides the possibility of measuring the optical power with direct traceability to SI units.  PTB and the Technical University of Ilmenau (TUI) recently reviewed the viability and precision of the photon-momentum-based optical power measurement method that employs an amplification effect caused by a multi-reflected laser beam trapped in an optical cavity. Trial measurements were performed at two different metrology laboratories: the laboratory for mass/force at the TUI, and the clean room laser radiometry laboratory at PTB, using a portable force measurement setup developed by TUI, consisting of two electromagnetic force compensation balances. We compared the results of the optical power measurements performed with the force measurement setup, via the photon-momentum-based method, with those performed using a calibrated reference standard detector traceable to PTB's primary standard for optical power, the cryogenic radiometer. The comparison was carried out for an optical power range between 1 W and 10 W at a wavelength of 532 nm, which corresponds to a force of approximately 2000 nN at the upper limit, yielding approximately 2.3% relative standard uncertainty in the case of 33 reflections. Thus, conflating the high-precision force metrology technique at μN to nN levels with the optical setup required to achieve specular multi-reflection configuration of the laser beam, where a macroscopic optical cavity with ultra-high reflective mirrors (>99.995%) can adjustably be suspended from the force sensors, depending on required geometry of reflections, we show that the uncertainty of the optical power measurements upon further increase of the nominally applied optical power, the number of laser beam reflections, or the reflectivity coefficient of the mirrors can be markedly reduced.

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Annular subaperture stitching interferometry (ASSI) is a common approach for the measurement of aspherical surfaces. A common obstacle of ASSI is the occurrence of lateral displacement errors when the sensor or specimen is repositioned between the subaperture measurements. Our contribution focuses on modeling of the statistical displacement errors. Avirtual experiment is presented simulating the propagation of the displacement errors through a cumulative and a global stitching algorithm to the retrieved surface form. For the considered experimental setup, the uncertainty in lateral position depends on the positioning uncertainties of the employed motion system and the uncertainty in the absolute distance measurement between the sensor and specimen. The lateral displacement uncertainty is determined experimentally employing a calibratable lateral grating. Thus, it is traceable to the SI unit of the length (meter). The experimental results show that the lateral displacement errors may be modeled by a normal distribution, and the results of the virtual experiment indicate that the statistical lateral displacement errors transfer linear through the stitching procedure and also cause a normal distributed topography error. This enables the assignment of an expanded uncertainty to each individual sample point employing the Zernike polynomial expression of the topography measurement.

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The challenges faced in a comparison of measuring the detection efficiency of free-running InGaAs/InP single-photon avalanche detectors (InGaAs/InP SPAD) were studied by four European National Metrology Institutes (NMIs) meeting at a single laboratory. The main purpose of this study is to develop a trustable measurement technique and to provide a snapshot of the methods used by the four NMIs for measuring such photon-counting detectors at telecom wavelengths in order to establish proper procedures for characterising such devices. The detection efficiency measurements were performed using different experimental setups and reference standards with independent traceability chains at the wavelength of 1550 nm. A dedicated model to correct the dead time and dark count effects on the SPAD’s free-running counting process was developed, allowing the correct value of the photon rate impinging on the detector to be recovered from simple ratemeter measurements. The detection efficiency was measured for mean photon number per pulse between 0.01 and 2.4, corresponding to photon rates between approximately 1100 photon/s and 193,000 photon/s, respectively. We found that the measured values reported by the participants are all consistent within the stated uncertainties, proving the consistency of the measurement approach developed.

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Multiple Aperture Shear-Interferometry (MArS) is a shape measurement technique that uses multi-spot illumination to overcome the problem of a limited observation aperture of conventional interferometric techniques and thus considerably simplifies the measurement of optical aspheres and freeform surfaces. Using a shear interferometry setup, MArS measures the coherence function in order to obtain wave vector distributions created from multi-spot LED illumination reflected by the specimen. Based on the wave vectors we reconstruct the surface topography of aspheric lenses using an inverse ray tracing approach and prior knowledge about the individual source locations. We present the topographic measurement of two aspheric lenses with different global curvature radii measured with the same identical reflection setup. In addition, we examine the achievable accuracy of the wave vector measurement using a single light source to find physical limits of MArS.

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Für die Analyse von Messungen mit einem spektroskopischen Müller-matrix Ellipsometer wurde in der PTB kürzlich ein neuartiges Analyseverfahren entwickelt, welches den Einfluss von Depolarisation und anderen stochastischen Einflussgrößen adäquat in der Messunsicherheitsschätzung berücksichtigt. Dieses Verfahren wurde nun erstmalig auf die Messung der Dicken von SiO2-Schichten angewendet. Die Ergebnisse von Messungen an verschiedenen Sätzen an kalibrierten Schichtdickennormalen mit nominalen Schichtdicken zwischen 6 nm und 1000 nm zeigen eine exzellente Übereinstimmung mit den bekannten Kalibrierwerten.

(M. Wurm, FB 4.2, matthias.wurm@ptb.de)

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Each mobile telecommunications network requires synchronization between its components. Deutsche Telekom Technik AG has decided to test a method developed by the AGH University of Science and Technology in Krakow, Poland, for the future monitoring of selected points in its network. It is based on optical time transmission (OTT), which has been tested in cooperation with PTB, among others on glass fiber links of Deutsche Telekom AG (DTAG). The results exceed by far the requirements of the International Telecommunication Union (ITU-T) for 5G networks.

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We demonstrate the retrieval of deep subwavelength structural information in nano-optical polarizers by scatterometry of quasi-bound states in the continuum (quasi-BICs). To this end, we investigate titanium dioxide wire grid polarizers for application wavelengths in the deep ultraviolet (DUV) spectral range fabricated with a self-aligned double-patterning process. In contrast to the time-consuming and elaborate measurement techniques like scanning electron microscopy, asymmetry induced quasi-BICs occurring in the near ultraviolet and visible spectral range provide an easily accessible and efficient probe mechanism. Thereby, dimensional parameters are retrieved with uncertainties in the sub-nanometer range. Our results show that BICs are a promising tool for process control in optics and semiconductor technology.

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