Das akustische Freifeld ist ein Schallfeldideal, das so in der Realität nicht vorkommt. Es wird unter anderem bei der Kalibrierung und Prüfung von Mikrofonen und Schallpegel­messern eingesetzt. In einem realen Freifeld werden insbesondere zu hohen Frequenzen hin Reflexionsflächen wirksam, die zu örtlich mehr oder weniger stark veränderten Schalldruckpegeln führen und so Ergebnisse von Präzisions­messungen unkalkulierbar verfälschen. Im Rahmen des Praktikums sollen reale Freifelder im Hörschallbereich und im Ultraschallbereich gezielt gestört und mit Mikrofonen hochaufgelöst abgetastet und visualisiert werden. Daraus soll der quantitative Einfluss auf ein Kalibrierergebnis und mögliche Korrekturmaßnahmen abgeleitet werden.

Im Bereich der vektoriellen Netzwerkanalyse werden zur Unsicherheitsberechnung numerische Feldsimulationen von HF-Konnektoren mittels kommerzieller Software durchgeführt. Die Aufgabe der/des Studierenden besteht darin, für Rechteckholleiterverbindungen im Millimeterwellenbereich bis 325 GHz die bei diesen Simulationen berechneten Einflüsse einer nichtidealen Verbindung durch praktische Messungen an einem skalierten Modell im Mikrowellenbereich zu verifizieren. Dieses Praktikumsprojekt umfasst die Durchführung der Messungen für definierte Fehlausrichtungen und einen Vergleich mit vorhandenen Simulationsergebnissen.

Magnetische Nanostrukturen sind ein Paradebeispiel für die enge Verzahnung von Grundlagenforschung und Anwendung. So fanden fundamentale Effekte wie z. B. der Giant-Magnetoresistance-(GMR)-Effekt bereits kurz nach ihrer Entdeckung Anwendungen in modernen Festplattenleseköpfen. Weitere wichtige Anwendungsgebiete finden sich in der Sensorik und Biomedizin. Dieses Praktikumsprojekt bietet Einblicke in aktuelle Messtechniken zur Herstellung und Charakterisierung magnetischer Nanostrukturen. Die dabei angewendeten Methoden reichen von hochauflösender magnetischer Kraftmikroskopie (MFM) zur Abbildung der magnetischen Eigenschaften auf der Nanometerskala, über SQUID-Magnetometrie zur hochempfindlichen Messung magnetischer Momente, bis hin zu ultraschnellen Magneto-Transportmessungen zur Analyse des schnellen Schaltens magnetischer Speicherzellen.

Auf Femtosekundenlasern basierende optische Messtechnik 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 Praktikumsprojekt werden Grundlagen zur laserbasierten Messtechnik mit Femtosekundenlasern vermittelt werden. Dies beinhaltet die folgenden Punkte, aus denen ein Schwerpunkt gewählt werden kann.
1. Erzeugung und Messung von leitungsgebundenen und im Freiraum propagierenden Hochfrequenzsignalen im GHz- und THz-Bereich. 2. Implementierung von unterschiedlichen optischen Mess- und Abtastverfahren. 3. Optische Pulsformungstechniken, mit denen die zeitliche Form der optischen Femtosekundenimpulse beliebig verändert werden kann.

Die PTB setzt verschiedenste spektroskopische Techniken ein, um z. B. Stoffmengenanteile in Gasgemischen zu quantifizieren oder molekulare Eigenschaften zu vermessen. Zwei dieser eingesetzten Techniken sind die Fourier-Transform-Infrarot-(FTIR)-Spektroskopie und die laserbasierte Photoakustik-(PA)-Spektroskopie. Mittels FTIR-Spektroskopie können breite Spektralbereiche gemessen und daher viele Informationen auf einmal gewonnen werden. Die laserbasierte PA-Spektroskopie weist im Gegensatz dazu eine wesentlich bessere Nachweisempfindlichkeit auf, deckt aber für gewöhnlich nur kleine Spektralbereiche ab. Ziel dieses Praktikumsprojektes ist die Charakterisierung eines Fourier-Transform-Photoakustik-Moduls, das die Vorzüge von FTIR- und PA-Spektroskopie vereinen soll. Außerdem ist der Vergleich mit einem laserbasierten Photoakustik-Modul geplant.

Die PTB analysiert Gase und Gasgemische mit Hilfe von IR-spektroskopischen Methoden, um so z. B. den Stoffmengenanteil (Konzentration) einer Molekülspezies in einem Gasgemisch zu bestimmen. Eine Möglichkeit, dies anhand von Messungen mehrerer Linien (ganzer Banden), bzw. für viele Analyte zu machen, bietet die Fourier-Transform-Spektroskopie (FT-S). Mit Hilfe dieser Methode wird das Licht einer inkohärenten breitbandigen Quelle über ein Interferometer spektral zerlegt. In diesem Projekt soll eine neue FT-Auswertesoftware (FT-MALT) für die Bestimmung von Stoffmengenanteilen mittels eines hochauflösenden FT-S getestet werden sowie mit der direkten Absorptionsspektroskopie mit abstimmbaren Diodenlasern (dTDLAS/TILSAM) bzw. mit Referenzdaten verglichen werden.

Die Untersuchung des Verhältnisses von stabilen Wasser-Isotopomeren (z. B. H₂¹⁸O, H₂¹⁷O, HD¹⁶O) ermöglicht das genauere Verständnis von verschiedenen Umweltprozessen (z. B. Wolkenbildung und Klimawandel) und die Quellenzuordnung von Wasserproben. In der PTB werden verschiedene spektroskopische Messmethoden eingesetzt (TDLAS, CRDS, OA-ICOS), die auch hinsichtlich ihrer Eignung für die Wasserisotopenanalytik verglichen werden. Zentrales Ziel des Praktikums soll die Inbetriebnahme und der Test eines Spektrometers bzw. dessen Kopplung mit einem rückgeführten Wasserdampfgenerator sein. Dabei ist der Aufbau eines Gashandling-Systems, das die Isotopenverhältnisse der Probe nicht ändert, von zentraler Bedeutung.

Die PTB nutzt Laserspektroskopie-Techniken wie z. B. die direkte Diodenlaser-Absorptions-Spektroskopie (dTDLAS), Cavity-Ring-Down-Spektroskopie (CRDS) und „optical feedback cavity enhanced spectroscopy“ (OF-CES), um genaue CO₂- und CO-Konzentrationsmessungen für die Umwelt- und Atmosphärenforschung durchzuführen. Um die Konzentration absolut zu messen, sind molekulare Liniendaten wie Linienstärke und Kollisionsverbreiterungskoeffizienten erforderlich, die unabhängig voneinander gemessen werden. Während des Praktikums soll ein spezielles OF-CES-Instrument hinsichtlich seiner Einsatzmöglichkeiten für Linienparametermessungen charakterisiert werden. Diese Arbeit beinhaltet die Entwicklung und Optimierung der Messmethode sowie etwaige Adaptionen von Hardware- (Laser, Optiken, Cavity, Gashandling) und Softwarekomponenten.

Optische Gitteruhren sind ein Typ neuartiger Atomuhren, die derzeit intensiv erforscht werden und Cäsiumuhren an Genauigkeit bereits um mehrere Größenordnungen überlegen sind. Dies ermöglicht Anwendungen von der Suche nach Dunkler Materie und anderer neuer Physik bis zu relativistischer Geodäsie. In diesen Uhren werden Atome durch Laserstrahlung auf Temperaturen von wenigen µK gekühlt und in einer Laserstehwelle, dem optischen Gitter, gefangen, um einen atomaren Übergang von rund 110 s Lebensdauer mit einem hochstabilen Laser abzufragen. In diesem Praktikumsprojekt arbeiten Sie an aktuellen Messungen an den Strontium­-Gitteruhren der PTB mit und erhalten so einen Einblick in experimentelle Techniken der Laser- und Quantenoptik.

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 Hochfrequenzfalle gespeicherten Ion. Der größte Beitrag zur Unsicherheit der Uhr resultiert derzeit aus der Restbewegung des Ions nach dem Laserkühlen. Im Rahmen des Praktikums soll das Ion mittels Seitenbandkühlen auf dem ²S_1/2-²D_3/2 Übergang in den Bewegungsgrundzustand gekühlt werden, wodurch die Restbewegung beinahe zum Stillstand kommt. Diese Aufgabe ermöglicht einen Einstieg in die Welt der experimentellen Quantenoptik, bei dem die persönlichen Interessen, Fähigkeiten und Vorkenntnisse der/des Studierenden berücksichtigt werden können.

Dank enorm gestiegener Rechenkapazitäten ist es heute möglich, optische Informationen in Echtzeit für Untersuchungen, Steuerungen und Regelungen in verschiedensten Anwendungsbereichen der Industrie und Forschung zu nutzen. Im Rahmen dieses Praktikumsprojekts soll eine Echtzeit-Auswertung von mit einer CCD-Kamera aufgenommenen Intensitätsprofilen realisiert werden. Diese soll entweder zur Untersuchung der Bewegung eines einzelnen Ions in einer Hochfrequenzfalle oder zur Analyse des Strahlprofils von Laserstrahlen genutzt werden. Die Auswertung der aufgenommenen Daten kann entweder in einem Programm, das mit LabVIEW zu entwickeln ist, oder mit Hilfe eines FPGA erfolgen.

Die PTB wird im Rahmen ihrer Technischen Zusammenarbeit ihr Engagement in Asien ausweiten. In Sri Lanka sollen am Beispiel des Lebensmittelsektors regionale Prüf- und Kalibrierlaboratorien gestärkt sowie kleine und mittlere Unternehmen für Qualitätsaspekte sensibilisiert werden. In Indonesien ist geplant, das Angebot an qualitätssichernenden Dienstleistungen für den Energiesektor zu verbessern. Der/Die Studierende soll in enger Absprache mit den zuständigen ProjektkoordinatorInnen an der Vorbereitung und Umsetzung der beiden Vorhaben mitwirken und hierbei u. a. Recherchen und Studien mit ausarbeiten (z. B. zu den Themen Erneuerbare Energien und Nutzer- und Potentialanalyse des Lebensmittelsektors), den Aufbau eines Monitoringsystems zur Erfassung von Projektmaßnahmen und -wirkungen unterstützen sowie die Durchführung von Trainings in den Bereichen Metrologie und Akkreditierung vorbereiten.

In einigen Projekten der Technischen Zusammenarbeit der PTB in Lateinamerika und der Karibik geht es um die Verbesserung der Qualitätsinfrastruktur für erneuerbare Energien und Energieeffizienz. Die/der Studierende wird bei der konzeptionellen Vorbereitung und Durchführung konkreter Projektaktivitäten mitwirken (z. B. an der Organisation und Begleitung von fachlichen Workshops, Beratungseinsätzen oder Fortbildungsmaßnahmen) sowie an der Analyse und Aufarbeitung von Themen, Projektaktivitäten und Projekterfahrungen beteiligt sein. Darüber hinaus gehört auch die Systematisierung der Kommunikation zwischen allen Beteiligten eines Projekts – sowohl innerhalb der PTB als auch mit externen Organisationen – zum Aufgabengebiet der/des Studierenden. Ziel dieser Arbeit ist es, Projekte insgesamt wirksamer und effizienter zu gestalten.

Werden einzelne ionisierte Atome im Ultrahochvakuum in einer RF-Falle eingefangen und mit Hilfe von Laserlicht zu Temperaturen von bis zu wenigen µK gekühlt, kristallisieren die Teilchen und bilden frei schwebende ein- bis dreidimensionale Strukturen. Die so gespeicherten Ionen werden mit schmalbandigem Laserlicht spektroskopiert. Dabei benutzen wir Technologien der Quantenphysik, die kürzlich mit der Vergabe des Nobelpreises 2012 gewürdigt wurden. Ziel ist es, eine neue Generation von Atomuhren zu bauen, deren Eigenschaften neue Anwendungen in der Physik und in der Geodäsie erlauben. Während des Praktikums soll an der Spektroskopie von In⁺-Ionen mitgearbeitet werden. Dies beinhaltet die Laserstabilisierung und den Aufbau von Laseroptik.

Ziel dieses Praktikumsprojekts ist es, einen optischen Frequenzverdopplungsresonator für eine optische Uhr aufzubauen und zu charakterisieren. Der Aufbau basiert auf einem existierenden Design, in dem Pumplicht bei 1070 nm in einem 4-Spiegel-Resonator resonant überhöht und mittels eines nichtlinearen Kristalls nach 535 nm konvertiert wird. Nach dem Aufbau des Resonators wird die Einkopplung durch Anpassen des Gauß‘schen Strahlprofils und der Wahl des Einkopplungsgrads optimiert. Die Resonatorlänge wird über einen elektrisch beweglichen Resonator-Spiegel und einen Regler stabilisiert. Charakteristische Parameter der Frequenzverdopplung, wie z. B. die Einkopplungseffizienz, die Resonator-Finesse und die Konversionseffizienz sollen bestimmt und mit theoretischen Abschätzungen verglichen werden.

In der PTB wurde eine neuartige Einrichtung für die Kalibrierung von Drucksensoren mit kurzen Druckstößen im Mega-Pascal-Bereich entwickelt und aufgebaut. In dieser Apparatur wird die Abhängigkeit des Brechungsindexes einer Flüssigkeit vom Druck genutzt, um mit einem Laserinterferometer den Druck in einem Messvolumen zu bestimmen. Der Druck selber wird durch Fallenlassen einer Stahlkugel auf einen Druckstempel erzeugt. Da es mit realistischem Aufwand nicht möglich ist, den Zusammenhang zwischen Druck und Brechungsindex für das verwendete hydraulische Medium ab initio zu berechnen, muss dieser Zusammenhang experimentell bestimmt werden. Dies geschieht unter statischen Bedingungen mit Hilfe von Referenzsensoren. Die Clausius-Mossotti-Gleichung stellt die theoretische Grundlage für den genutzten Effekt dar, ist aber nur eine Näherung. Wie gut diese Näherung für die vorliegende Anwendung gilt, soll im Rahmen der Auswertung der Messreihen ermittelt werden.