Zur Visualisierung von Verbrennungsvorgängen werden oft Schlierenoptiken eingesetzt. Sie bilden die Dichtegradienten und so auch Temperaturgradienten ab. Im Gegensatz zu dem am häufigsten eingesetzten Verfahren nach Töpler weist eine fokussierende Schlierenoptik zwar eine geringere Empfindlichkeit auf, gestattet es aber im beobachteten Volumen zwischen verschiedenen Beiträgen zu unterscheiden, die in Beobachtungsrichtung hintereinander stehen und so quantitativ ausgewertet werden können. Zur Beobachtung größerer Bildfelder sind zudem keine Linsen oder Spiegel erforderlich, deren Durchmesser größer als der Durchmesser des Bildfeldes sein müssen. Ein solches fokussierendes Schlierensystem soll auf seine messtechnische Eignung zur Anwendung im Explosionsschutz untersucht werden. Neben dem praktischen Einsatz sollen theoretische Betrachtungen zur quantitativen Auswertung der Bilder angestellt werden.

Behandelte Themengebiete: Schlierenoptik, Verbrennung, Explosionsschutz, Bildverarbeitung, Modellbildung

Betreuer: Dr. Frank Stolpe, Dr. Arnas Lucassen

Unsere Gruppe am QUEST (Quantum Engineering and Space-Time Research) Institut beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Methoden der Quantentechnologien, insbesondere für die Zeit- und Frequenzmetrologie mit geladenen Atomen (Ionen). Optische Atomuhren basierend auf einzelnen lasergekühlten Ionen zählen zu den präzisesten Messinstrumenten, die Wissenschaftler bisher entwickelt haben. Da in der Quantenmechanik der Anregungszustand eines Atoms aber nur mit 1 oder 0 gemessen werden kann, braucht es sehr lange Messzeiten, um die atomare Eigenfrequenz zu bestimmen. In unserer Arbeitsgruppe werden viele Ionen gleichzeitig in einer Paul-Falle gefangen und zu Coulomb-Kristallen lasergekühlt, um viele Qubits gleichzeitig abfragen und damit schnelle Uhrenmessungen durchführen zu können. Damit können auch neue Konzepte basierend auf verschränkten quantenmechanischen Zuständen von Atomen realisiert werden, die die klassischen Limits unterschreiten. 

In diesem Praktikumsprojekt werdet ihr einen Einblick in die aktuelle quantenoptische Forschung bekommen und direkt am Herzen des Experiments mitarbeiten: Für den Uhrenlaser werdet ihr einen optischen Leistungsverstärker aufbauen und charakterisieren, der das Licht zur Abfrage des quantenmechanischen Zustands der Indium-Ionen bereitstellt. Des weiteren könnt ihr an der Detektion der Ionen im UV-Bereich mitarbeiten und diese charakterisieren. Der jeweilige Fokus des Projekts kann dabei auf eure persönlichen Interessen und Vorkenntnisse abgestimmt werden.

Behandelte Themengebiete: Atomuhren, Atom Spektroskopie, Laserkühlung, Quantenoptik, Laser & Elektronik Aufbau

Betreuer: Dr. Tanja Mehlstäubler, Dr. Andre Kulosa

Optische Messtechnik basierend auf Femtosekundenlasern findet heutzutage großen Einsatz in Grundlagenexperimenten und Hochfrequenzanwendungen. So können mit solcher Messtechnik beispielsweise elektrische, magnetische und thermische Signale mit einer Zeitauflösung von wenigen Femtosekunden gemessen werden. In diesem Projekt sollen Grundlagen zur laserbasierter Messtechnik mit Femtosekundenlasern vermittelt werden. Dies beinhaltet die folgenden Punkte wobei der Fokus wahlweise auf einen Aspekt gelegt werden kann. (i) Erzeugung und Messung von leitungsgebundenen und im Freiraum propagierenden Hochfrequenzsignalen im GHz und THz Bereich. (ii) Implementierung von unterschiedlichen optischen Mess- und Abtastverfahren. (iii) Optische Pulsformungstechniken, mit denen die zeitliche Form der optische Femtosekundenimpulse beliebig verändert werden kann.

Behandelte Themengebiete: Femtosekundenoptik, Optoelektronische Messverfahren, Hochfrequenztechnik, Optische Pulsformungstechnik

Betreuer:  Dr. Mark Bieler, Paul Struszewski

Pixeldetektoren werden neben den bekannten Anwendungen in der optischen Bildgebung auch vermehrt zur Detektion ionisierender Strahlung eingesetzt. Dieses ‚Experiment‘ bezieht sich speziell auf die Messung von Strahlenschutzmessgrößen in einem weiten Dosisleistungsbereich mittels Pixeldetektoren. Zum einen soll die Eignung der weit verbreiteten CCD oder CMOS Kameradetektoren, wie sie z. B. in Smartphones vorkommen, getestet werden. Die Anwendbarkeit und ggf. das Verbesserungspotential eines solches „Alltags-Smartphone-Dosimeters“ sollen experimentell erarbeitet werden. Dies ist insbesondere für Überlegungen zum flächendecken Einsatz dieser Messtechnik im Notfallschutz von grundlegender Bedeutung.
Die Messungen mit dem Smartphone werden mit einem am CERN speziell für die Detektion ionisierender Strahlung entwickelten TIMEPIX Pixeldetektors verglichen. Die entsprechenden Geräte für die Versuche werden bereitgestellt. Die Messungen werden an den Referenz-Photonenstrahlungsfeldern des Fachbereichs 6.3 Strahlenschutzdosimetrie durchgeführt.

Behandelte Themengebiete: Dosimetrie, Detektoren für ionisierende Strahlung, Pixeldetektoren (CCD, CMOS, ASIC), Halbleiterdetektoren, Wechselwirkung ionisierender Strahlung.

Betreuer: Dipl.-Ing. (FH) Jürgen Roth, Dr. Oliver Hupe

Im Rahmen des neuen Strahlenschutzgesetztes wird Ende 2018 der Grenzwert der Augenlinsendosis für beruflich strahlenexponierte Personen von 150 mSv auf 20 mSv abgesenkt. Daraus resultiert die Notwendigkeit die vorhandenen Röntgenstreustrahlungsfelder an medizinischen Messplätzen hinsichtlich der Dosis (insbesondere der Augenlinsendosis) für das medizinische Personal zu charakterisieren. Ein neu entwickeltes Messgerät verwendet hierfür einen CeBr₃-Szintillator in Kombination mit einem Geiger-Avalanche-Photodioden-Array, mit mehreren Detektoren für die Winkelauflösung. Das Messsignal eines einzelnen Röntgenphotonereignisses dauert etwa 100 ns. Die Messelektronik basiert auf einem Field-Programmable-Gate-Array (FPGA), was die notwendige hohe Samplingrate von 1 GS/s ermöglicht.

Hier soll das neu entwickelte Spektro-Dosimeter auf seine messtechnischen Eigenschaften zur Anwendung in medizinischen Streustrahlungsfeldern untersucht werden. Neben dem praktischen Durchführen der Messungen soll auch das entsprechende Unsicherheitsbudget erstellt werden.

Behandelte Themengebiete: Dosimetrie, Szintillationsdetektoren, ionisierende Strahlung, Geiger-Avalanche-Photodioden-Array, Messdatenauswertung

Betreuer: M.Sc. Rebekka Schlichte, Dr. Oliver Hupe

Unsere Gruppe am QUEST (Quantum Engineering and Space-Time Research) Institut beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Methoden der Quantentechnologie, insbesondere für die Zeit- und Frequenzmetrologie mit einzelnen geladenen Atomen (Ionen). Wir verwenden dafür Techniken, die ursprünglich im Rahmen der Quanteninformationsverarbeitung entwickelt wurden und auf nicht-klassischen Eigenschaften, wie beispielsweise der quantenmechanischen Verschränkung, beruhen. Dies ermöglicht Experimente mit Ionen, die etablierten Techniken, wie beispielsweise der Laserkühlung, nicht direkt zugänglich sind. Wir nutzen diesen Ansatz zur Spektroskopie von hochgeladenen Ionen und Molekül-Ionen, und zum Bau einer auf einem Aluminium-Ion basierenden, extrem genauen Quantenlogik-Uhr.

Im Rahmen des Metrosummers soll ein Projekt im Umfeld dieser Experimente durchgeführt werden. Erwartete Aufgaben sind die Entwicklung von optischen oder elektronischen Aufbauten, die genaue Ausgestaltung und Schwerpunktsetzung kann den Neigungen des Kandidaten entsprechend angepasst werden. Beispiele für Projekte sind der Aufbau eines frequenzvervierfachten Laser Systems für die Laserkühlung von Magnesium-Ionen oder die Entwicklung einer Regelungselektronik für Magnetfeldstabilisierung in der Aluminium Quantenlogikuhr.

Behandelte Themengebiete :  Quantentechnologie, Atom Spektroskopie, Aluminium-Ion Quantenlogik-Uhr, Laserkühlung, Optik & Elektronik Aufbau

Betreuer: Dr. Nicolas Spethmann, Fabian Wolf

In der PTB werden weltweit einzigartige Interferometer entwickelt, um den messtechnischen Herausforderungen gerecht zu werden, die durch stetig steigende Anforderungen an industrielle Fertigungstoleranzen bedingt sind. Für das Ziel, die Genauigkeit von Längenmessungen weiter zu steigern, müssen Umgebungseinflüsse auf experimenteller sowie theoretischer Ebene untersucht werden. Temperatur und Luftdruck sind zum Beispiel zwei essentielle Parameter, die einen direkten Einfluss auf den gemessenen Längenwert haben. Dieses Praktikum soll einen Einblick in das Feld der interferometrischen Längenmessung geben, wobei der inhaltliche Fokus abhängig von persönlichem Interesse und Vorkenntnissen gesetzt werden kann.

Behandelte Themengebiete:  SI-Einheiten, Längenmessungen, Interferometrische Messtechnik, Industrielle Fertigungstoleranzen

Betreuer: Alexander Walkov, Dr. Guido Bartl

Für die Bestimmung der Absorption akustischer Wellen an Oberflächen sind mehrere Verfahren standardisiert. Diese Verfahren lassen sich jedoch nur im Hörschallbereich anwenden. Doch gerade bei höheren Frequenzen im oberen Audiobereich und im Ultraschallbereich treten durch Strahlbündelung verstärkt Reflexionen auf, die Schallfelder stark prägen. Möchte man Schallfelder um Ultraschallquellen gezielt beeinflussen, zum Beispiel um den Lärm zu reduzieren, muss die Schallabsorption der umgebenden Oberflächen bekannt sein. Hersteller von Absorptionsmaterialien beschränken sich bei der Materialcharakterisierung in der Regel auf den genormten Audiobereich bis 5 kHz.

Im Rahmen des Praktikums soll ein Messverfahren aufgebaut werden, um an akustischen Oberflächen den Absorptionsgrad oberhalb des standardisierten Frequenzbereichs zu bestimmten. Auf der Basis von Vorarbeiten soll ein Messplatz errichtet und winkelselektive Messungen an verschiedenen Materialien durchgeführt werden.

Behandelte Themengebiete: Schallabsorption, Materialcharakterisierung, Aufbau eines Messverfahrens, Daten Aufnahme und Analyse

Betreuer: Dr. Christoph Kling, Sonja Walther

Der Fachbereich 6.51 untersucht gegenwärtig den Einsatz von DNA als Detektormaterial für ionisierende Strahlung. Hierfür werden die DNA-Moleküle zunächst zwischen leitenden Nanostrukturen elektrisch kontaktiert und anschließend ionisierender Strahlung ausgesetzt. Die strahleninduzierten Schäden der DNA können über eine Widerstandsänderung registriert werden. Ziel ist es, über diese Widerstandsänderung eine quantitative Aussage zum Maß der Strahlenschäden treffen zu können. Im Rahmen des Praktikums sollen die elektrischen Eigenschaften der DNA-Chips in Abhängigkeit von verschiedenen Einflussfaktoren wie z. B.  Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit usw. charakterisiert werden.

Behandelte Themengebiete: Strahlenschäden, Impedanzspektroskopie, DNA-Leitfähigkeit, Nanoelektronik, Lock-In-Verstärker

Betreuer: Florian Heimbach, Dr. Woon Yong Baek

In der objektiven Audiometrie werden elektrische Signale der Hörbahn oder des Cortex als Reaktion auf einen Schallstimulus mittels EEG aufgenommen und ausgewertet. Auf diese Weise erhält man Informationen über die neuronale Verarbeitung von Schallstimuli. Unsere Arbeitsgruppe verwendet objektive und subjektive Messungen, um zu untersuchen, inwieweit sich die Wahrnehmung von Infraschallstimuli von solchen im hörbaren Bereich unterscheidet. In dieser Arbeit soll eine Charakterisierung von EEG-Signalen als Reaktion auf Infraschall erfolgen. Hierzu ist es zunächst notwendig, durch geeignete Mittelungsverfahren ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen. Auf dieser Basis werden Messungen durchgeführt, in denen die Stimuli systematisch hinsichtlich verschiedener Parameter wie Frequenz, Schalldruckpegel, etc. variiert werden sollen. Diese sind anschließend auszuwerten.

Behandelte Themengebiete:  EEG, objektive Audiometrie, Elektroakustik, Signalverarbeitung

Betreuer: Dr. Marion Bug, Dr. Thomas Fedtke

Eine der weltweit genauesten optischen Uhren, der ein Oktupolübergang in ¹⁷¹Yb⁺ als Referenz dient, wird derzeit in der PTB entwickelt. Die Abfrage der Referenzfrequenz erfolgt hierbei an einem einzelnen, in einer Paul-Falle gespeicherten Ion. Die auf wenige Teile in 10¹⁸ abgeschätzte Unsicherheit konnte durch die Übereinstimmung zweier Uhren unterstützt werden und kann für unterschiedliche Untersuchungen z. B. auf der Suche nach „neuer Physik“ genutzt werden. Im Rahmen des Praktikums sollen aktuelle Arbeiten an solchen optischen Uhren unterstützt werden und unter Anleitung einzelne Arbeitspakete von der Praktikantin oder dem Praktikanten eigenständig durchgeführt werden. Dadurch ermöglicht dieses Projekt einen Einstieg in die Welt der experimentellen Quantenoptik und Atomphysik, bei dem die persönlichen Interessen, Fähigkeiten und Vorkenntnisse der/des Studierenden berücksichtigt werden können.

Behandelte Themengebiete: Optische Uhren, Laser, Quantenoptik, Atomphysik

Betreuer: Dr. Nils Huntemann, Dr. Ekkehard Peik

Die PTB ist Teil einer europäischen Initiative, die zum Ziel hat, die nationalen Metrologie-Institute mittels Glasfaserlinks zu verbinden. Aufgrund der hervorragenden Performance bieten nur diese phasen-stabilisierten Glasfaserlinks die Möglichkeit die neuartigen optischen Uhren so miteinander zu vergleichen, dass das Übertragungsmedium die zu erreichende Auflösung nicht begrenzt. Im Rahmen dieses Praktikumsprojektes können Sie sich in die Weiterentwicklung unseres Teils des internationalen Glasfaserlinks einbringen. Je nach Ihren Interessen, kann der Schwerpunkt dabei auf der Fortentwicklung der an der PTB entwickelten Faser-Brillouin-Verstärker oder auf dem Austesten von neuartigen Stabilisierungsmethoden gelegt werden. Neben der reinen Metrologie unterstützen Sie damit z.B. auch die Ausnutzung von Glasfaserlinks und optischen Uhren in der relativistischen Geodäsie.

Behandelte Themengebiete: Glasfaserlinks, Faser-Brillouin-Verstärker, Laser-Stabilisierung, Vergleich optischer Uhren, relativistische Geodäsie

Betreuer: Dr. Sebastian Koke, Dr. Gesine Grosche

Die Kalibrierung von vektoriellen Netzwerkanalysatoren (VNAs) für Hohlleitermessungen wird in der Regel mit bekannten unveränderlichen Normalen wie Short (Kurzschluss) oder Line (Leitung) ausgeführt. Diese Normale müssen äußerst präzise gefertigt und charakterisiert werden, was bei sehr hohen Frequenzen immer schwieriger wird. Deshalb wurden alternativ in der Vergangenheit auch freistrahlende Hohlleiteröffnungen als Reflexionsnormale benutzt.

Die Aufgabe des Studierenden besteht darin zu untersuchen, ob freistrahlende Hohlleiteröffnungen als primäre Kalibriernormale eingesetzt werden können, und wie groß die resultierende Messunsicherheit im Vergleich zu herkömmlichen Kalibriermethoden ist. Es sind sowohl theoretische Betrachtungen, elektromagnetische Simulationen und Auswertungen als auch mehrere Messreihen durchzuführen.

Behandelte Themengebiete: Hohlleiter, Kalibrierung, Messverfahren, elektromagnetische Simulationen und Auswertungen

Betreuer: Dr. Rolf Judaschke, Dr. Karsten Kuhlmann

Die rückgeführte Messung von Hochfrequenzleistung erfolgt zurzeit einerseits wellenleitergebunden (in Rechteckhohlleitern, bis ca. 100 GHz), andererseits in quasioptischen Systemen im Freiraum (oberhalb 100 GHz). Um beide Methoden der HF-Leistungsmessung zu vergleichen, soll ein vorhandener quasioptischer Messaufbau mittels vektorieller Netzwerkanalyse charakterisiert werden. Dabei ist ein Kalibrierverfahren mit quasioptischen Standards zu implementieren und bzgl. seiner Genauigkeit im Vergleich zu einem alternativen Messverfahren zu untersuchen.

Behandelte Themengebiete: Hochfrequenzleiter, Hochfrequenz-Leistungsmessung, vektorieller Netzwerkanalyse, Kalibrierverfahren 

Betreuer: Dr. Rolf Judaschke, Dr. Karsten Kuhlmann

In unserer Arbeitsgruppe entwickeln wir Laser mit den weltweit kleinsten Linienbreiten, die in optische Uhren und für Präzisionsmessungen eingesetzt werden. Dazu werden Laser auf sehr gut isolierte optische Resonatoren bei kryogenen Temperaturen und bei Raumtemperatur stabilisiert. Die weitere Verbesserung und auch der Betrieb der Resonatoren außerhalb gut isolierter Laborumgebungen wird jedoch besonders durch Vibrationen, die auf den Resonator einwirken, erschwert.

In diesem Praktikumsprojekt sollen neuartige Methoden untersucht werden, wie diese störenden Effekte durch passive und aktive Methoden verringert werden können.  Dazu werden mit verschiedenen Sensoren Vibrationen, Kräfte, und die resultierende Störung des Resonators gemessen, um daraus Strategien zu entwickeln und zu testen, die diese Störung in Echtzeit korrigieren oder vermeiden.

Behandelte Themengebiete: Optische Uhren, ultrastabile Laser, Stabilisation optischer Resonatoren, Entwicklung und Charakterisierung neuartiger Resonatoren

Betreuer: Dr. Thomas Legero, Dr. Uwe Sterr

Interferometer sind hochpräzise optische Instrumente zur Messung diverser physikalischer Größen, zum Beispiel der Stärke von Gravitationswellen. Die Doppelbrechung der optischen Komponenten der Interferometer beeinträchtigen die Auflösung dieser Instrumente kritisch. Auf der anderen Seite kann die Doppelbrechung verschiedener optischer Materialien mithilfe von Interferometern sehr genau gemessen werden. Im ersten Teil dieses Praktikumsprojekts sollen die Einflüsse der spannungsinduzierten Doppelbrechung auf die Auflösung eines Michelson-Interferometers mithilfe numerischer Simulationen mit COMSOL abgeschätzt werden. Im zweiten Teil soll ein einfacher Aufbau zur Messung, basierend auf einem Mach-Zehnder-Interferometer, aufgebaut und an verschiedenen Materialien erprobt werden.

Behandelte Themengebiete: Gravitationswellen, Interferometer, Optik, numerische Simulation und experimenteller Aufbau 

Betreuer: Johannes Dickmann, Jun.-Prof. Stefanie Kroker