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Aktuelle Forschungsnachrichten und Nachrichten aus dem Jahresbericht

Für die optische Erzeugung hochstabiler Mikrowellensignale für Fontänenuhren wurde ein neues System entwickelt, das aus einem schmalbandigen, auf einen Resonator stabilisierten 1,5 µm Laser und einem kommerziellen Frequenzkammsystem beruht. Die 9,6 GHz Ausgangsfrequenz des Systems wird auf die 100 MHz Ausgangsfrequenz eines Wasserstoff-Masers geregelt und für die Abfrage des Uhrenübergangs in den Caesium-Fontänenuhren der PTB verwendet.

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Die Erzeugung von Laserlicht wird aufwändiger und schwieriger je kürzer die benötigte Wellenlänge ist.
Im Fachbereich Zeit und Frequenz der PTB wurde jetzt ein Lasersystem im Vakuum-Ultravioletten Spektralbereich bei 150 nm zur Anregung eines Übergangs im Thorium-229 Atomkern in Betrieb genommen.
Diese Kernresonanz ist von besonderem Interesse für eine neuartige, hochgenaue optische Uhr. In ersten Experimenten mit dem neuen Lasersystem konnten mehrere Übergänge in der Elektronenhülle von Thoriumionen angeregt werden.

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Die PTB berichtet in einer Publikation über eine Einzelphotonenquelle bei Raumtemperatur, die gleichzeitig eine hohe Einzelphotonengüte, als auch eine hohe Zählrate aufweist. Konkret handelt die Publikation von der metrologischen Charakterisierung der Emission eines Germanium-Fehlstellenzentrums in Diamant unter einer Festkörper-Immersionslinse in einem konfokalen Mikroskop-Aufbau. Germanium-Ionen wurde bei 3 MeV in einen synthetischen Diamanten implantiert und Germanium-Fehlstellenzentren mittels Annealing hergestellt. Festkörper-Immersionslinsen wurden anschließend mittels eines „focused ion beam scanning electron microscope“ (FIB-SEM) hergestellt. Die Photolumineszenz wurde bei Raumtemperatur untersucht, u.a. die spektrale Verteilung, die Lebensdauer des angeregten elektronischen Zustandes, die Korrelationsfunktion zweiter Ordnung sowie das Sättigungsverhalten.

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An der PTB wurde ein neues in-situ Verfahren für die gleichzeitige Bestimmung der Beleuchtungs-, und Abbildungs-NA von optischen Mikroskopen entwickelt. Damit ist es erstmalig gelungen beide NA-Werte gleichzeitig und in einem Aufbau zu bestimmen, womit sich dieses Verfahren deutlich von konkurrierenden Verfahren abgrenzen kann. Die Information über die beiden NA-Werte definiert die Abbildungs- und Kohärenzeigenschaften des untersuchten Systems und wird beispielsweise für rigorose Simulationen benötigt. Die dazugehörige Publikation ist nun bei Applied Optics (OPTICA Publishing Group) veröffentlicht.

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Bisher erforderte die Abfrage des Referenzübergang von optischen Uhren mit einzelnen Ytterbium-Ionen eine ausgeklügelte Abfolge von Laserpulsen, um Störungen durch hohe Lichtintensitäten zu vermeiden. Nun wurde ein anderer Ansatz gewählt und speziell geformte Laserstrahlen verwendet, die in ihrem Zentrum keine Intensität besitzen. Mit dem Ion in diesem dunklen Zentrum konnte die Anregung des Referenzübergangs nun erstmals nachgewiesen werden. Gemeinsam mit dem Institut für Fundamentale Physik für Metrologie an der PTB erfolgte außerdem ein Vergleich zwischen gemessenen und vorhergesagten Anregungswahrscheinlichkeit. Die Ergebnisse zeigen, dass diese speziellen Laserstrahlen nicht nur in fortschrittlichen optischen Uhren eingesetzt werden können, sondern auch in Bereichen wie der Quantensimulation und dem Quantencomputing, in denen Ytterbium-Ionen weit verbreitet sind, eine wichtige Rolle spielen können. Die Ergebnisse wurden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review Letter veröffentlicht.

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The paper "Preliminary Results of Angle-Resolved BTDF Characterization of Optical Transmissive Diffusers" in: CEUR-Workshop Proceedings, Vol-3271 (2022), written by Jinglin Fu¹, Jeppe Revall Frisvad², Michael Esslinger¹, Tatjana Quast¹ and Alfred Schirmacher¹ was awarded with the Best Student Paper Award during the Colour and Visual Computing Symposium 2022, held 8th - 9th September 2022 in Gjøvik, Norway.

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Auf der Jahrestagung der European Optical Society (EOS) vom 12. bis 16. September 2022 in Porto (Portugal) wurde Tim Käseberg, Doktorand an der PTB, mit dem Preis für den besten Studierendenvortrag ausgezeichnet. Mit dem „EOSAM Best Student Oral Presentation Award“ prämiert die EOS Beiträge von Nachwuchswissenschaftler*innen im Bereich Optik. Der Titel des Vortrags lautete: „Nanoform evaluation approach using Mueller matrix microscopy and machine learning concepts“. In seinem Vortrag präsentierte Herr Käseberg Ergebnisse seiner Forschungsarbeiten aus dem Bereich der optischen Nanometrologie. Mithilfe von Müller-Matrix-Ellipsometrie ist es möglich, periodische Nanostrukturen auf ihre Struktureigenschaften zu untersuchen. Einflüsse nicht-periodischer Nanostrukturen gehen in den Messungen allerdings unter. Daher ist für die Untersuchung solcher Strukturen die Müller-Matrix-Mikroskopie von Vorteil. Als Kombination aus Ellipsometrie und Mikroskopie misst sie die polarisierenden Eigenschaften der Probe für jedes Pixel in einem Mikroskop-Bild. Erste Versuche zeigen, dass aus der Berechnung von sogenannten „Haar-like features“ aus diesen Müller-Matrix-Bildern eine erhöhte Empfindlichkeit auf Strukturänderungen im Subwellenlängenbereich gewonnen werden kann.

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Im Rahmen des 25. Kongresses der International Commission for Optics (ICO) vom 05. bis 09. September 2022 in Dresden wurde dem PTB-Doktoranden Tim Käseberg von der International Society for Optics and Photonics (SPIE) ein Preis für den besten Studierendenbeitrag verliehen. Mit dem SPIE Best Student Paper Award werden Nachwuchswissenschaftler*innen in den unterschiedlichen Bereichen der optischen Wissenschaften ausgezeichnet. Die Kommission wählte den PTB-Doktoranden für seine Arbeiten im Bereich der optischen Nanometrologie aus. Herr Käseberg präsentierte seine Forschungsarbeiten unter dem Titel „Mueller matrix microscopy with machine learning inspired nanoform evaluation“. Dabei verdeutlichte er die Notwendigkeit von abbildender Ellipsometrie in der Charakterisierung von nicht-periodischen Nanostrukturen und gab einen Ausblick auf mögliche Anwendungen von maschinellem Lernen in der Auswertung ellipsometrischer Messungen.

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