Jahresbericht 2003 - BEV

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Der Femtosekunden- Kammgenerator Seit 1983 wird die Defi nition der Längeneinheit Meter auf eine Zeitmessung zurückgeführt. Die Zeit (bzw. die Frequenz) ist derzeit die am genauesten messbare physikalische Größe überhaupt. Zur Realisierung dieser Defi nition ist die Messung der Frequenz einer elektromagnetischen Welle - wie etwa Licht – notwendig, um die Wellenlänge zu ermitteln: Die Lichtgeschwindigkeit ergibt sich aus Lichtfrequenz mal Lichtwellenlänge. Die Lichtgeschwindigkeit wiederum ist seit der oben erwähnten Defi nition eine Konstante mit der Unsicherheit Null. Die relative Unsicherheit der Realisierung der Längeneinheit ist damit gleich der relativen Unsicherheit einer Frequenzmessung. Aus messtechnischen Gründen strebt man Wellenlängen im Bereich des sichtbaren Lichtes an (≈ 0,5 µm). Daneben gibt es ausgezeichnete Lichtquellen, deren Lichtfrequenz (und damit die Wellenlänge) äußerst stabil gehalten werden kann: sogenannte frequenzstabilisierte Laser. Bis vor nicht allzu langer Zeit hatte man jedoch enorme Schwierigkeiten, die Frequenz dieser Quellen zu messen und damit die Laser zu kalibrieren. Spezielle Messaufbauten mit zum Teil exotischen Hilfslasern, nichtlinearen Kristallen und einer größeren Mannschaft waren notwendig, um die Frequenz eines einzigen Lasers bestimmen zu können. Aufgrund der vielen Zwischenstufen war die relative Messunsicherheit deutlich schlechter als die des Frequenznormales. Außerdem musste für jede andere Wellenlänge ein vollkommen neuer Messaufbau entwickelt werden. Deshalb wurden diese absoluten Frequenzmessungen nur von wenigen Labors und äußerst selten durchgeführt. Im Jahr 1999 ist es zwei internationalen Forschergruppen gelungen, das Problem der Messung optischer Frequenzen zu lösen. Kernstück dieser Technik ist ein „Femtosekunden-Laser“, der ultrakurze (≈ 10 fs) Lichtpulse in regelmäßiger Abfolge liefert. Mit diesem Femtosekunden-Laser können aus elektrisch leicht messbaren Frequenzen (im Bereich von etwa 1 MHz – 1 GHz) viele (ca. 1⁄2 Million) optische Frequenzen (im Bereich (100 THz bis 1000 THz) erzeugt (synthetisiert) werden. Diese optischen Frequenzen haben - wie die Zinken eines Kammes - einen gleichmäßigen Abstand zueinander. Auf Grund dieser Analogie werden diese Geräte optische „Femtosekunden-Kammgeneratoren“ genannt. Die Frequenz des so erzeugten Lichtes ist mit der gleichen relativen Unsicherheit bekannt wie jene des Eingangssignals. Das Eingangssignal kann kann mit höchst möglicher Genauigkeit von einer Cs-Atomuhr gewonnen werden. Diese Technik ist relativ einfach und ermöglicht auch kleineren Instituten, Frequenzmessungen im optischen Be- Abbildung 1: Ansicht des optischen Teiles des Femtosekunden-Kammgenerators. Zustand aus 2001 noch vor den im BEV durchgeführten Modifi kationen.. reich durchzuführen. Das BEV hat im Jahr 2001 ein solches Gerät in Betrieb genommen. Es war geplant, damit das nationale Normal der Länge darzustellen. Bis dahin waren diese Geräte lediglich für die Frequenzmetrologie eingesetzt und getestet worden. Die Laser, die in der Längenmetrologie eingesetzt werden und die mit dem Kammgenerator kalibriert werden sollten, sind erstens leistungsschwach und zweitens stark frequenzmoduliert. Beide Eigenschaften erschweren eine Frequenzmessung mit dem Kammgenerator außerordentlich. Das BEV hat zur Kalibrierung der Normallaser einen Hilfslaser eingesetzt. Abbildung 2: Schematischer Messaufbau für die erste absolute Messung des iodstabilisierten Längennormal BEV-2 im Jahre 2002. Diese Methode zeigte in der praktischen Anwendung viele Schwächen: für jede zu kalibrierende Wellenlänge musste ein eigener Hilfslaser verwendet werden, der optische Aufbau und die Justierung waren kompliziert , die Auswertung der Messwerte gestaltete sich unübersichtlich. Die Zielvorstellung war daher, den Strahl des Prüfl ings in den Kammgenerator zu leiten. Das BEV konnte in Zusammenarbeit mit dem Max Planck Institut für Quantenoptik (Garching) entscheidende Schritte zur Verbesserung der Messmethode ausarbeiten: • Selektion einer mikrostrukturierten optischen Faser, um genügend Ausgangsleistung zur Messung der weitverbreiteten HeNe-Laser bei 633 nm zu erreichen • Einbau eines Farbteilerspiegels der drei spektrale Bereiche der Kammstrahlung räumlich voneinander trennt • Konsequentes „mode-matching“ von Laser- und Kammstrahlung durch mehrere langbrennweitige Linsen • Optimierung der Optik für die eigentliche Frequenzmessung für kleine Strahlungsleistungen • Um sicherzustellen, dass das elektrische Signal real ist , wird es zu zwei simultan getakteten Frequenzzählern mit sehr verschiedener Bandbreite geleitet. Æ 8 Leistungsbericht 2003 Mess- und Eichwesen
In Abbildung 3 ist schematisch der aktuelle optische Aufbau dargestellt. Abbildung 3:.Schematischer optischer Aufbau des im Jahr 2003 modifi zierten Kammgenerators. Wichtigste Änderung ist der mit „DM1“ bezeichnete Farbteilerspiegel, der den mittleren spektralen Bereich der Kammstrahlung (comb radiation) abtrennt. Abbildung 4 zeigt den Messaufbau bei einer Laserkalibrierung: eine weitere Vereinfachung ist eigentlich nicht möglich! Bisher wurden drei verschiedene Wellenlängen getestet: HeNe-Laser bei 633 nm und bei 543 nm sowie frequenzverdoppelter Nd:YAG bei 532 nm (zusammen mit dem ČMI in der Tschechischen Republik). Die Messungen stimmen ausgezeichnet mit den vom internationalen Komitee für Maß und Gewicht empfohlenen Werten überein. Alle drei Laser waren iodstabilisierte Normale, mit deren Hilfe man üblicherweise anders stabilisierte Laser (Arbeitsnormale) kalibriert. Mit dem Kammgenerator des BEV ist es nun möglich, auch diese weniger genauen, aber häufi g verbreiteten Laser direkt zu kalibrieren. Das einstmalige österreichische nationale Längennormal, der iodstabilisierte Laser BEV-1, wurde damit vom Femtosekunden-Kammgenerator Abbildung 4: Ansicht des derzeitigen Aufbaues für eine Laserkalibrierung. Das Licht des Prüfl ings im Vordergrund wird über einen Umlenkungsspiegel direkt in den Kammgenerator geleitet. & Cs-Atomuhr von seinem Platz verdrängt. Die im BEV angewendete Messmethode wurde im Rahmen von zwei internationalen EUROMET-Projekten validiert und bei einem Expertentreffen beim BIPM (Internationales Büro für Maß und Gewicht) dem Fachpublikum präsentiert. Mittlerweile bietet das BEV diesen Kalibrierservice als erste Stelle weltweit für Kunden, vor allem andere nationale Metrologieinstitute, an. Damit diese Kalibrierung von der internationalen Gemeinschaft anerkannt wird, ist es notwendig, die Bedingungen des MRA (Mutual Recognition Arrangement) zu erfüllen. Sichtbarer Ausdruck dafür ist die Aufnahme des Services in den sogenannten CMC-Listen (Calibration and Measurement Capabilities). Österreich hat einen entsprechenden Eintrag beantragt. • Messbereicherweiterung für AC/DC-Stromtransfermessungen im BEV Die Messung der elektrischen Wechselgrößen Spannung und Strom geschieht durch Rückführung auf die wesentlich genauer bestimmbaren Gleichgrößen. Die derzeit genaueste Methode hierfür ist der Vergleich von Wechsel- und Gleichgrößen mit Hilfe von Thermoumformern. Das wichtigste Kriterium zur Charakterisierung eines Thermoumformers ist der Transferfehler, der den Unterschied in der Jouleschen Wärme zwischen einem Gleichstrom und dem Effektivwert eines äquivalenten Wechselstromes angibt. Da der Strombereich dieser Thermoumformer gering ist (etwa 5 bis 15 mA), müssen höhere Ströme durch Stepup-Methoden realisiert werden. Zur Messung von größeren Wechselströmen mit höchster Präzision werden dazu AC/DC Stromshunts (Abbildung 1) parallel zu den Thermoumformern geschaltet. Abbildung 1: links: kommerzieller Shunt, rechts: BEV-Shunt Bei kleineren Strömen können dazu kommerziell erhältliche Widerstände verwendet werden. Bei höheren Strömen und Frequenzen steigt der Transferfehler durch die konstruktionsbedingte Induktivität im Shuntaufbau stark an. Durch diese parasitäre Induktivität wird auch die zur Messung verwendete Stromquelle stark belastet, was dazu führen kann, dass Wechselstrommessungen bei 100 A und 100 kHz nicht mehr durchgeführt werden können. Aus diesem Grund wurde im BEV die Entwicklung von speziellen Hochstrom- Shunts und Verbindungsstücken in Angriff genommen, die über den Æ Mess- und Eichwesen Leistungsbericht 2003 9
Seite 2 und 3: Metrologie in Österreich Nationale
Seite 4 und 5: Mit Wasser- und Wärmezählern werd
Seite 6 und 7: Der neu errichtete Maßbandkomparat
Seite 10 und 11: gesamten angestrebten Strom- und Fr
Seite 12: Statistik - Jahresberichtszahlen 20

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