Daniel Carl 1 | Markus Fratz 1 | Andreas Hofmann 1 | Holger Kock 1 1 Freiburg

Digital-Holografisches Inline-Inspektionssystem 

Holographie-Messgeräte

Inline-Messtechnik

Dreidimensionale Bilder auf einen Blick 

Chemische Online-Analyse während des Produktionsprozesses 

Spektrometer, Spektroskope

Über große Distanzen 

Polytec, Waldbronn, hat das CCD-Minispektrometer-Exemplar des US-amerikanischen Herstellers B&WTek in sein Lieferprogramm aufgenommen. Das Minispektrometer beinhaltet einen Prozessor für die Mittelung, Glättung und automatische Dunkelstromreduzierung der Analysewerte zusammen mit einer Temperaturkompensation. Die Übertragung via USB  3.0 erlaubt mit einer Rate von 900 Spektren pro Sekunde eine schnelle Weiterleitung der aufbereiteten Spektraldaten. Die Trigger-Verzögerung von 14 Nanosekunden sowie ein Gate-Jitter von ± 1 Nanosekunde sollen Multichannel-Anwendungen ermöglichen, das heißt die simultane Nutzung von bis zu 16 Spektromodulen. Die Belichtungszeit ist einstellbar, dadurch lässt sich das Signal-Rausch-Verhältnis kontrollieren. Das Minispektrometer verfügt über einen 2048-Elemente-CCD-Detektor, und der Konfigurationsbereich liegt zwischen 200 und 1050 Nanometern mit spektralen Auflösungen von 0,5 bis 4,0 Nanometern. Ein Einsatzbereich ist die Überwachung von Prozessen in der Produktion und der Qualitätssicherung. 

Prozessor integriert 

CCD-Minispectrometer Exemplar  

Mit elektrothermischer Verdampfung (ETV) beim Zuführen von Proben gelingt es Spectro, Kleve, die Mess­empfindlichkeit des ICP-OES-Spektrometers Spectro Arcos in werkstoffanalytischen Anwendungen zu steigern. Laut Angabe des Herstellers können dadurch erheblich niedrigere Nachweisgrenzen erreicht werden. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit  sollen  so neue Anwendungsbereiche in der Feststoffanalyse erschlossen werden. Bei der elektrothermischen Verdampfung werden die Feststoffproben in einem Ofen bei bis zu 3000 Grad Celsius verdampft. Dann wird der Analyt unverdünnt über einen Gasstrom dem Gerät als trockenes Aerosol zugeführt. Die Verdampfung der Probe dauert zwei Minuten. Dies verschiebt den Empfindlichkeitsbereich auf wenige Mikrogramm pro Kilogramm. Bei Reinmetallen soll damit eine erheblich größere Probenmenge analysiert werden können, und so sollen sich Homogenitätsunterschiede innerhalb der Probe weniger stark auswirken. Auch schlecht lösliches keramisches Material wie Siliziumcarbid muss nicht mehr langwierig vorbehandelt werden. 

Einfach verdampfen 

ICP-OES-Spektrometer Spectro Arcos  

Cubert, Ulm, bietet ein Flächenspektrometer zur berührungslosen chemischen Analyse von nahezu jedem Gegenstand. Bei ihm kommt eine neuartige Technik zum Einsatz, aufgrund derer eine spektroskopische Videoanalyse in Echtzeit möglich sein soll. Dieses erstmals auf dem europäischen Markt erhältliche System lässt sich in vollkommen neuen Anwendungsfeldern einbinden, erklärt der Hersteller. Die Arbeit mit der Kamera ähnelt dabei den weitläufig verwendeten monochromen und mehrfarbigen Industriekameras mit dem einzigen Unterschied, dass anstelle der Intensität oder eines Farbkanals die chemische Signatur des zu kontrollierenden Prozesses beobachtet wird. 

Flächenspektrometer. 

Chemische Analyse 

Datacolor, Dietlikon/Schweiz, bietet das tragbare Referenz-Spektralfotometer Datacolor 45G an. Es verfügt über eine integrierte Glanzmessung, mit der eine gleichzeitige Messung von Glanz und Farbe zur Qualitätskontrolle möglich sein soll. Ebenso können Farberscheinungen auf lackierten Oberflächen, Kunststoffteilen, Verpackungsaufdrucken, Kfz-Teilen und anderen Industriegütern analysiert werden. Auswirkungen von Grundfarbe, Glanz und Textur auf das allgemeine visuelle Erscheinungsbild lassen sich ebenfalls ermitteln. Gerade beim Einsatz von verschieden gefertigten Teilen ist eine visuelle Abstimmung von großer Bedeutung. Der Hersteller gibt an, dass mit dem Spektralfotometer eine Qualitätskontrolle zahlreicher Komponenten nach strengen Toleranzwerten durchführbar ist. Somit soll eine konsistente Farberscheinung sichergestellt werden. 

Farbe analysieren 

Referenz-Spektralfotometer Datacolor 45G 

Bei der Wareneingangsprüfung lässt sich der Reinheitsgradbestimmung von Werkstoffen mit dem Emissionsspektrometer Q8 Magellan und dem Softwarepaket MCI von Bruker Elemental, Kalkar, bestimmen. Alternativ kann das Gerät neben der Bestimmung der chemischen Komposition auch Aufschluss über den Reinheitsgrad und den Sauerstoffgehalt geben. Diese Bewertung mittels der optischen Funken-Emissionsspektrometrie kann zusammen mit der Elementanalyse erfolgen. Der zeitliche Mehraufwand ist laut Hersteller mit wenigen Sekunden vernachlässigbar, und auch die Probenvorbereitung soll einfach sein. Zudem erfolgt auch diese Bewertung mit der gleichen Ausrüstung.Das Funken-Emissionsspektrometer arbeitet besonders zuverlässig, flexibel und ist einfach handhabbar, erklärt der Hersteller. Aufgrund der umfassenden Kombinationsmöglichkeiten aller Messparameter soll eine hohe Analysequalität erzielt werden. 

Funken-Emissionsspektrometer. 

Bewertung des Reinheitsgrads 

Für die hyperspektrale Qualitätskontrolle ist das kleine und leichte vollauflösende Bildspektrometer UHD 185 von Cubert, Ulm, vorgesehen. Seine Technik vereint die Genauigkeit einer Hyperspektralkamera mit dem geringen Gewicht einer Fotokamera, erklärt die Firma. Dadurch sollen Hyperspektralaufnahmen in Bild und Video auch auf schwierigem Gelände möglich sein. In 1 ms liegen vollaufgelöste Hyperspektralpixel von sichtbaren Wellenlängen bis zum nahen Infrarot vor. Die erfassten Pixel werden während des Flugs in Echtzeit an die Basisstation übermittelt, sodass die Hyperspektralaufnahmen direkt vom Anwender analysiert werden können. 

Bildspektrometer. 

Direkt analysieren 

Um einen weiteren NE-Einsatzbereich hat Bruker, Kalkar, das optische Emissionsspektrometer Q2 ION erweitert. Nun können auch die als Zamak bezeichneten Legierungen für den Zinkdruckguss analysiert werden, wie zum Beispiel ZL0400, ZL0410 und ZL0430. Aber auch die Bestandteile von Galvanikzink und weitere Legierungen auf Zinkbasis sollen sich schnell, präzise und zuverlässig bestimmen lassen. 

ptisches Emissionsspektrometer Q2 ION (Foto: Bruker) 

Metallanalysator. 

Analysiert Zamak 

Den portablen Bogen/Funken-Metallanalysator Spectroport präsentiert Spectro aus Kleve. Laut Unternehmen lässt sich  das Gerät genauso leicht bedienen wie  ein Handspektrometer und ermöglicht so einen ermüdungsarmen Betrieb. Es liefert schnelle Ergebnisse, bietet eine hohe Mobilität und intuitiven Bedienkomfort und erfordert nur einen minimalen Standardisierungsaufwand. 

Metalle analysieren 

Elementar Analysegeräte aus Langenselbold präsentierte auf der Control 2019 den mobilen Funken-OES-Metallanalysator Ferrolyte, der für die Qualitätskontrolle in der Metallerzeugung, in der metallverarbeitenden Industrie sowie im Metallrecycling ausgelegt ist.

Messtechnik

Optische Mess- und Prüftechnik

Mobiles Emissionsspektrometer

Ein kombiniertes Raman-LIBS-System vereint die Stärken zweier Spektroskopie-Verfahren und ermöglicht so eine schnelle und präzise Analytik von Werkstoffen. 

Durch den Einsatz von drei Lasern wird die jeweilige Analytik für unterschiedliche Proben optimiert. (Quelle: LTB Lasertechnik Berlin) 

Lasergestützte Partikelanalyse 

Lasermesstechnik

Messgeräte für Partikel

Chemischen Fingerabdruck per Laser untersuchen 

Mit dem mobilen optischen Emissionsspektrometer von Elementar, Langenselbold, lässt sich bei einem Duplexstahl der Grade¿2205 festzustellen, ob problemloses Schweißen möglich ist. Und das an jedem Ort und zu jedem Zeitpunkt in der Prozesskette. 

Mit dem mobilen optischen Emissionsspektrometer lässt sich untersuchen, ob der gelieferte Stahl schweißbar ist. © Elementar 

Schweißen oder nicht schweißen? 

Für die Inline-Farbmessung hat Colorlite ein Spektralphotometer entwickelt, das sich durch hohe Messgenauigkeit und -stabilität auszeichnet. Dadurch können aufwendige Laboranalysen entfallen.  

Spektralphotometer für die 100-Prozent-Farbkontrolle © Colorlite 

Farbmessgeräte

Präzise Farbkontrolle im Fertigungsprozess  

Mit dem Funkenspektrometer OE750 präsentiert Hitachi High-Tech, Uedem, eine neue Generation von Funkenspektrometern. Damit lässt sich das gesamte Spektrum von Elementen in Metallen analysieren. 

Mit dem Funkenspektrometer lässt sich das gesamte Spektrum von Elementen in Metallen analysieren. © Hitachi High-Tech Analytical Science 

Analysegeräte

Elementanalyse in Metallen 

Helmholtz-Preis für zwei Optik-Gruppen mit Weltklasse

2022 geht der wichtigste europäische Preis für Präzisionsmessungen an Forschende in Düsseldorf und in Garching.

2022 geht der Helmholtz-Preis, der wichtigste europäische Preis für Präzisionsmessungen, an Forschende der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching.

Gleich für zwei wichtige Beiträge aus der Optik, einmal aus der Grundlagenforschung, einmal aus der angewandten Forschung, wird der diesjährige Helmholtz-Preis verliehen. Er ist der wichtigste Preis der Metrologie, der Wissenschaft vom Messen. Vergeben werden die beiden Preise, die jeweils mit 20000 Euro dotiert sind, am 12. Mai 2022 im Rahmen der internationalen Tagung „High-Precision Measurements and Searches for New Physics“ im Physikzentrum, die als Wilhelm- und Else Heraeus-Seminar in Bad Honnef stattfindet.

In der Kategorie „Grundlagenforschung“ geht er an Soroosh Alighanbari und Kollegen der Arbeitsgruppe von Prof. Schiller von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf. Die Forscher haben eine neue Methode der Präzisionsspektroskopie entwickelt, mit der sie fundamentale Fragestellungen der Physik untersuchen können. Den Helmholtz-Preis in der Kategorie „Angewandte Messtechnik“ erhalten Nathalie Picqué und Edoardo Vicentini vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching. Sie haben die Möglichkeiten der digitalen Holografie durch Anwendung von Frequenzkämmen entscheidend erweitert.

Prof. Dr. Joachim Ullrich, noch bis Ende April Präsident der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und Vorsitzer des Helmholtz-Fonds, sagt: „Ich bin beeindruckt von der hohen wissenschaftlichen Innovationskraft beider Gruppen.“ Seine designierte Nachfolgerin, Prof. Dr. Cornelia Denz, die zum 1. Mai beide Ämter von Ullrich übernimmt, ergänzt: „Die beiden Arbeiten zeigen uns das breite Spektrum auf, das die Optik als eine der wichtigsten Gebiete der Physik im 21. Jahrhundert bietet.“

Präzisionsspektroskopie für die großen Fragen der Physik

Es gibt einige fundamentalen Fragen in der Physik: Sind Naturkonstanten konstant? Gibt es genau vier Kräfte? Was ist dunkle Materie? Antworten hoffen Forschende zu finden, indem sie einfache Quantensysteme sehr genau untersuchen.

In den letzten Jahren hat eine neue „Familie“ solcher Quantensysteme besondere Aufmerksamkeit erregt: molekulare Wasserstoffionen, die einfachsten aller Moleküle. Ein Mitglied dieser Familie ist das Molekülion HD+. Es besteht aus einem Proton und dem Nuklid Deuteron. Proton und Deuteron sind durch ein einziges Elektron miteinander verbunden. So entsteht ein sehr einfaches Molekül, das einerseits ein Modellsystem für komplexere Moleküle darstellt, andererseits ein perfektes System für Grundlagenuntersuchungen zu den Eigenschaften des Elektrons, des Protons und des Deuterons und ihrer Wechselwirkungen ist.

Die Helmholtz-Preisträger von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf nutzten es, um eine neuartige Hochpräzisionsspektroskopie-Methode zu entwickeln und zu testen, die nun für weitere Molekülionen eingesetzt werden kann. Sie konnten auch die Präzision einiger Facetten der Fundamentalphysik erhöhen.

Den allermeisten Molekülionen ist gemeinsam, dass man sie nur mit großem Aufwand direkt mit Laserstrahlen kühlen kann. Aber es lohnt sich, diese Schwierigkeit zu überwinden, denn die Präzisionsspektroskopie an Molekülionen verspricht Erkenntnisse, die komplementär zu denen an Atomen und neutralen Molekülen sind. Die Forscher der Uni Düsseldorf wagten sich Anfang der 2000-er Jahre als erste Gruppe weltweit in dieses Forschungsgebiet. Sie verfolgten den Ansatz, in einer Ionenfalle zwei Ensembles von Ionen unterschiedlicher Sorte zu speichern: eines aus Molekülionen und eines aus atomaren Ionen. Die atomaren Ionen werden lasergekühlt (wie es auch in optischen Atomuhren und Ionenfallen-basierten Quantencomputern geschieht) und kühlen durch elektrische Wechselwirkung die Molekülionen. Durch dieses Herunterkühlen ist die Bewegung der Molekülionen sehr stark verlangsamt, und ihre Eigenschaften können dann mit hoher Genauigkeit vermessen werden. Es handelt sich um eine indirekte, aber dennoch genaue Messmethode.

In der preisgekrönten Arbeit hat die Gruppe mit dieser Methode gleich vier wichtige Fortschritte erzielt: Erstens haben sie das Proton-Deuteron-Elektron-Massenverhältnis (also eine Kombination dreier Naturkonstanten) mit bisher höchster Genauigkeit bestimmt. Zweitens demonstrieren sie einen zehnmal genaueren Test der Niederenergie-Quantenphysik, der eine Bewegung von Baryonen einbezieht. Drittens zogen sie eine schärfere Grenze für die Stärke einer hypothetischen fünften Kraft zwischen Proton und Deuteron. Und viertens gelang ihnen die erste Demonstration eines molekularen elektrischen Quadrupol-Übergangs ohne Doppler-Verbreiterung, wobei eine 40 000-mal höhere spektroskopische Güte als bisher erreicht wurde.

Faszinierende Holografie – digital und leistungsstärker denn je

Jeder hat schon mal ein Hologramm gesehen, ob auf einem Geldschein, einem Personalausweis oder bei Star Wars. Die Holografie ist eine leistungsstarke 3D-Fotografietechnik. Edoardo Vicentini und Nathalie Picqué vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching haben ihr nochmal einen neuen Schub versetzt, indem sie sie mit der Technik der Frequenzkämme verknüpft haben. Das ermöglicht noch bessere 3D-Bilder mit ungeahnten Eigenschaften und neue optische Diagnosemöglichkeiten.

Ein optischer Frequenzkammgenerator sendet eine regelmäßige Folge von kurzen Laserpulsen aus. Sein Spektrum besteht aus einer großen Anzahl von exakt gleichmäßig verteilten scharfen Spektrallinien, die wie ein Kamm anmuten. Solche Frequenzkämme können die Frequenz von Licht mit hoher Präzision bestimmen.

Theodor Hänsch, Leiter der Abteilung Laserspektroskopie am MPQ, erhielt für diese Erfindung 2005 den Nobelpreis für Physik. Später entwickelte die Gruppe um Nathalie Picqué am MPQ die „Zwei-Kamm Spektroskopie“. Diese Methode verwendet alle Spektrallinien eines Frequenzkammes, um eine Probe in einem breiten Spektralbereich zu untersuchen, und kombiniert dies mit einem zweiten Frequenzkamm mit leicht unterschiedlichem Abstand. Das resultierende Interferenzmuster detektiert das Team mit einem schnellen Photodetektor.

Mit ihrer neuen Bildgebungsmethode, der „hyperspektralen digitalen Holografie“, erweitert die Gruppe diese Interferenzmethode auf die holografische Bildgebung. Das Prinzip des Einsatzes zweier Frequenzkämme bleibt dasselbe. Doch anstelle des Photodetektors wird hier eine Kamera eingesetzt. Sie registriert ein räumliches Interferenzmuster, das sich mit der Zeit ändert, weil die beiden Laser ihre Pulse mit unterschiedlichem zeitlichen Abstand aussenden. Ein Computer berechnet das Hochfrequenzspektrum des Interferenzsignals für jedes Pixel. Diese Spektren werden in einem Stapel digitaler Hologramme kombiniert.

Zwei-Kamm-Interferometer liefern atemberaubende Ergebnisse in der Spektroskopie und in der Entfernungsmessung. Die einzigartige Kombination aus breiter spektraler Bandbreite, langer zeitlicher Kohärenz und Multi-Heterodyn-Detektion bietet der Holografie leistungsstarke neue Funktionen. Die Technik von Vicentini und Picqué wird wahrscheinlich neue Möglichkeiten in der abtastfreien Wellenfrontrekonstruktion und der dreidimensionalen Metrologie eröffnen. Darüber hinaus könnte die Methode Potenzial für die Mikroskopie biologischer Proben haben.

Der Helmholtz-Preis wird vom Helmholtz-Fonds für hervorragende wissenschaftliche und technologische Forschung auf dem Gebiet der Präzisionsmessungen in Physik, Chemie und Medizin verliehen. In jeder der beiden Kategorien „Grundlagen“ und „Anwendungen“ ist er mit 20 000 Euro dotiert. Die Vergabe ist in diesem Jahr wieder als Präsenzveranstaltung möglich: am 12. Mai 2022 im Rahmen des internationalen WE-Heraeus-Seminars „High-Precision Measurements and Searches for New Physics“ im Physikzentrum in Bad Honnef. Die Veranstaltung wird live gestreamt: <a href="https://www.ptb.de/cms/presseaktuelles/messenevents/konferenzensymposien/konferenzeintrag.html" target="_blank">Link zum Livestream auf der Webseite des PTB</a>

Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB); Autorin: Erika Schow

<a href="https://www.qz-online.de/news">zur Newsübersicht</a>

Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)  

https://www.ptb.de

„Die Metrologie im Blick“ ist der Slogan des Helmholtz-Preises

16:9

2022-04-29 Helmholtz-Preis Optik

Helmholtz-Preis 2022, Kategorie „Präzisionsmessungen in der Grundlagenforschung“

Preisträger Dr. Soroosh Alighanbari, Dr. Gouri Shankar Giri, Ivan Kortunov, Magnus Roman Schenkel, Prof. Dr. Stephan Schiller für ihre Arbeit „Genauste Bestimmung eines fundamentalen Massenverhältnisses und neuartige Tests der Fundamentalphysik mit dem HD+ Molekül mittels einer neuen Technik für die Präzisionslaserspektroskopie von Ionen“

Wissenschaftliche Veröffentlichung I. V. Kortunov, S. Alighanbari, M. G. Hansen, G. S. Giri, V. I. Korobov, S. Schiller: <a href="https://www.nature.com/articles/s41567-020-01150-7" target="_blank">Proton–electron mass ratio by high-resolution optical spectroscopy of ion ensembles in the resolved-carrier regime.</a> Nature Physics 17, 569–573 (2021)

Ansprechpartner Dr. Soroosh Alighanbari Institut für Experimentalphysik Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf 40225 Düsseldorf Tel. (0211)811–2465 <a href="mailto:sroosh.alighanbari@hhu.de">sroosh.alighanbari@hhu.de</a>

Helmholtz-Preis 2022, Kategorie „Präzisionsmessungen in der angewandten Messtechnik“

Preisträger Dr. Nathalie Picqué, Dr. Edoardo Vicentini für ihre Arbeit „Hyperspektrale digitale Holographie mit zwei Kämmen“

Wissenschaftliche Veröffentlichung N. Picqué, E. Vicentini et al.: <a href="https://www.nature.com/articles/s41566-021-00892-x" target="_blank">Dual-comb hyperspectral digital holography</a>. Nature Photonics 15, 890–894 (2021), <a href="https://www.nature.com/articles/s41566-021-00892-x" target="_blank">doi.org/10.1038/s41566–021–00892-x</a>

Ansprechpartnerin Dr. Nathalie Picqué Max-Planck-Institut für Quantenoptik Hans-Kopfermann-Str. 1 85748 Garching Tel. (089) 32905–712 <a href="mailto:nathalie.picque@mpq.mpg.de">nathalie.picque@mpq.mpg.de</a>

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