Messtechnik

Der Meter wird 30

| Autor / Redakteur: Dr. Harald Schnatz, Dr. Rene Schödel / Ines Stotz

Die Messung der Länge

Die naheliegendste Anwendung dieser Definition ist die Längenmessung über die Zeit. So kann beispielsweise der Abstand des Mondes von der Erde zentimetergenau mit Hilfe von Laserimpulsen gemessen werden, die von Spiegeln auf der Mondoberfläche reflektiert werden. Auch die Satellitennavigation basiert auf der Abstandsmessung über die Laufzeit elektromagnetischer Wellen. Dieses Verfahren eignet sich vor allem bei großen Entfernungen. Im Kleinen stößt sie aber an ihre Grenzen.

Frequenzmessung

Um auch bei kleinen Längen hohe Genauigkeit zu erreichen, werden in der PTB zur Längenmessung genau bekannte Wellenlängen verwendet. Diese lassen sich aus der Frequenz einer Strahlung ableiten, da die Lichtgeschwindigkeit das Produkt aus Wellenlänge und Frequenz ist. Ist also die Frequenz einer Strahlung bekannt, lässt sich die Wellenlänge leicht errechnen. In der PTB dienen Laser mit stabilen Frequenzen als sogenannte Wellenlängennormale.

Was im Prinzip einfach klingt, ist jedoch technisch ausgesprochen komplex und anspruchsvoll. In der PTB beschäftigt sich der Fachbereich „Quantenoptik und Längeneinheit“ mit der Entwicklung immer stabilerer Laser, die mittlerweile Unsicherheiten von 10-15 bei Frequenzen um 429 Terahertz erreichen. Die exakte Bestimmung derart hoher Frequenzen mit Hilfe laserbasierter Frequenzkämme stellt eine enorme technische Herausforderung dar.

Interferometrie

Lichtgeschwindigkeit, frequenzstabile Laser, Wellenlängennormale – all dies sind Grundlagen der präzisen Längenmessung. Doch wie wird damit ein realer Gegenstand gemessen? Mit ieser Aufgabe beschäftigt sich in PTB der Fachbereich „Interferometrie an Maßverkörperungen“. Bei der Längenmessung mittels Interferometrie wird die zu bestimmende Länge mit der Wellenlänge des Lichtes eines Lasers verglichen.

Das Prinzip: Die Lichtwelle des Lasers wird in zwei Teile gespalten. Diese beiden Wellen legen unterschiedlich lange Strecken zurück, bevor sie von Spiegeln reflektiert werden. Der Abstand der beiden Spiegel voneinander entspricht der Länge des Messobjekts. Nach der Reflexion der nun phasenverschobenen Lichtwellen an den Spiegeln werden die Wellen wieder zusammengeführt, und es kommt zur Interferenz, also zur Überlagerung von Wellenbergen und -tälern. Diese Überlagerung kann in einem Muster von hellen und dunklen Streifen (Interferenzmuster) dargestellt werden, wobei der Abstand zweier aufeinander folgender heller Streifen der Hälfte der zu bestimmenden Wellenlänge des Lichtes entspricht. Über die Anzahl der Streifen kann so die Länge des Objekts ermittelt werden.

In der Realität spielen noch jede Menge weitere Faktoren wie Temperatur, Druck, Oberflächenbeschaffenheit des Messobjekts und vor allem der Brechungsindex der Luft eine Rolle. Trotz der oben beschriebenen Frequenzstabilität der Laser wird dadurch die Genauigkeit einer Längenmessung stark beeinflusst. Trotzdem kann die Länge von Bezugsnormalen mit Hilfe eines in der PTB entwickelten Ultrapräzisions-Interferometers auf unter einen Nanometer genau gemessen werden. Mit diesen Bezugsnormalen können anschließend andere Objekte verglichen werden. Damit dienen sie den Kunden der PTB als eine Art ultrapräziser Meterstab.

* Dr. Harald Schnatz, PTB-Fachbereich 4.3 Quantenoptik und Längeneinheit;

* Dr. Rene Schödel, PTB-Fachbereich 5.4 Interferometrie an Maßverkörperungen; Physikalisch-Technische Bundesanstalt

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