Aufbau und Charakterisierung eines neuartigen photometrischen Trapempfängers zur Realisierung der SI-Basiseinheit der Lichtstärke Candela

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) als nationales Metrologieinstitut Deutschlands stellt die Rückführung auf die Einheiten des internationalen Einheitensystems (SI) für die deutsche Industrie zur Verfügung. Dies erfordert eine stabile Darstellung der jeweiligen Einheiten und eine genaue Kenntnis der assoziierten Messunsicherheiten. Vor diesem Hintergrund wurde in der vorliegenden Dissertation ein neuer Detektor für eine verbesserte radiometrische Rückführung der photometrischen Lichtstärkeeinheit Candela entwickelt. Die Lichtstärke als photometrische Größe ist rückgeführt auf die Messung einer optischen Strahlungsleistung. In der derzeitigen Rückführungskette erfolgt der Transfer von der optischen Strahlungsleistung zur Lichtstärke schrittweise an vier unterschiedlichen Kalibriermessplätzen mit jeweils unterschiedlichen Transferdetektoren. Zur Verbesserung der Rückführung sind die einzelnen Komponenten des neuen modularen Detektors gezielt ausgewählt und entwickelt worden. Die Verwendung eines sog. Trapdetektors basierend auf Silizium Photodioden ermöglicht dessen direkte und genaue Kalibrierung bzgl. der optischen Strahlungsleistung. Ein zusätzlich angefügtes Filtermodul erlaubt die direkte Messung von Lichtstärken. Die Charakterisierung des Detektors und alle Messungen, die zum Transfer einer Strahlungsleistungsempfindlichkeit in eine photometrische Empfindlichkeit nötig sind, werden mit Hilfe von durchstimmbaren Lasern am TULIP-Aufbau (Tunable Lasers in Photometry) der PTB durchgeführt. Die vollständige modulare Charakterisierung an einem einzelnen Messaufbau, sowie der Verzicht auf weitere Transferdetektoren erlauben eine potenzielle Reduktion der Messunsicherheit gegenüber der derzeitigen radiometrischen Rückführung. Auf Basis von Voruntersuchungen bisher verwendeter Filterelemente wurden Simulationen durchgeführt, um für den Detektor optimierte Blenden und Filterelemente aufzubauen. Diese Filter und Blenden zeigen aufgrund angefügter Keilelemente eine geringere Modulation der Transmission durch Interferenzeffekte als bisherige planare Filter. Dieser neue, sogenannte V(λ)-Trapdetektor wurde im Rahmen dieser Arbeit - basierend auf der derzeitigen Rückführungskette - bezüglich seiner spektralen Strahlungsleistungs-empfindlichkeit, seiner spektralen Bestrahlungsstärkeempfindlichkeit und seiner photometrischen Empfindlichkeit kalibriert. Die entsprechenden Messungen haben die Eignung des Detektors mit den jeweiligen Modulen für die einzelnen Kalibrierschritte der neuen Rückführung gezeigt. Bei der Betrachtung der Messunsicherheit hat sich gezeigt, dass der neue Detektor verglichen mit der aktuellen Rückführungskette eine verringerte Messunsicherheit für die photometrische Empfindlichkeit ermöglicht. Auf Basis der Ergebnisse werden optimierte Messstrategien vorgeschlagen, die die kommende neue Realisierung der Candela mit möglichst geringer Messunsicherheit ermöglicht.PTB-Bericht Opt-8