Die Einheit Meter, m (mita)

Die SI–Längeneinheit Meter (m) hat ihren Namen von griechischen und französischen Substantiven für „Maß“.

Der Meter war neben dem Kilogramm eine der ersten Einheiten des metrischen Systems. Es wurde ursprünglich (1793, zur Zeit der Französischen Revolution) als ein Zehnmillionstel der Entfernung auf der Erde der Meridianlinie definiert, die vom Nordpol über Paris bis zum Äquator verläuft. Für den praktischen Einsatz wurde eine Reihe von Platin-Iridium-Meterbarren gegossen.

Die aktuelle Definition des Meters stammt aus dem Jahr 1983 und legt den Meter in Bezug auf die Sekunde und die Lichtgeschwindigkeit fest. In der Praxis wird das Messgerät durch Messung der Frequenz oder Vakuumwellenlänge bestimmter Lasertypen realisiert.

„Der Meter ist die Länge des Weges, den Licht in einem Vakuum während eines Zeitintervalls von 1/299 792 458 einer Sekunde zurücklegt.“Daraus folgt, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (c0) genau 299 792 458 Meter pro Sekunde (m/s) beträgt.

Die Definition von 1983 definiert den Meter in Bezug auf eine Grundkonstante, die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Nach der Neudefinition des SI, die voraussichtlich am 20.Mai 2019 in Kraft treten wird, wird dieser Link expliziter sein. Alle sieben Einheiten werden definiert, indem physikalischen Konstanten exakte numerische Werte zugewiesen werden.

Die Meterdefinition impliziert, dass die Länge gemessen werden kann, indem die Zeit gemessen wird, die ein Lichtstrahl benötigt, um eine Entfernung zu durchlaufen. Dies kann auf zwei Arten praktisch realisiert werden:

1. Flugzeit, bei der ein Lichtimpuls über die zu messende Länge gesendet wird.
2. Interferometrie, bei der über die Relation eine Länge in Bezug auf die Vakuumwellenlänge (λ) einer Lichtquelle bekannter Frequenz (f) gemessen werden kann.

λ =c0/f

Die Frequenz einer Lichtquelle (Strahlung), die in der Interferometrie verwendet wird, muss in Bezug auf die Sekunde oder die Frequenz der Strahlung des Cäsiumatoms bestimmt werden. Dabei wird die Frequenz der für die Längeninterferometrie verwendeten Strahlung (üblicherweise sichtbar bis nahes Infrarot 430 nm bis 900 nm, 330 THz bis 700 THz) mit einem Cäsiumtakt mit einer Frequenz von 9,1 GHz verglichen. Vor der Erfindung der optischen Frequenzkämme war dies technisch sehr anspruchsvoll, ist nun aber in einem Schritt realisierbar.

Um die Realisierung des Zählers weiter zu verbreiten, führen die Technischen Komitees des Internationalen Komitees für Maße und Gewichte (CIPM) für Länge und Zeit und Frequenz eine kombinierte Liste von „Empfohlenen Werten für Standardfrequenzen für Anwendungen einschließlich der praktischen Realisierung des Zählers und sekundäre Darstellungen der Sekunde“(externer Link). Diese Liste enthält Laser und andere Quellen sowie die Frequenz, die sie erzeugen, wenn sie gemäß den angegebenen Parametern betrieben werden.

Zu den empfohlenen sichtbaren Quellen gehören hochgenaue Laser wie Helium-Neon-Laser, die an eine hyperfeine Komponente des Absorptionsspektrums von Jod gebunden sind. Bei korrektem Betrieb kann die Frequenz dieser Laser zwei Teile in 10-11 betragen. Die Liste enthält auch Lichtquellen mit geringerer Genauigkeit, wie einen unstabilisierten Helium-Neon-Laser bei 633 nm. Trotz ihrer geringeren Genauigkeit (1,5 x 10-6) können unstabilisierte Laser bei einigen Messungen nützlich sein. Da jede Strahlung in den empfohlenen Werten ein primäres Merkmal des Messgeräts ist, erfordert ein solcher Laser keine Kalibrierung, wenn die damit verbundene Unsicherheit für den Zweck geeignet ist.

Technische Möglichkeiten

Zur Realisierung des Messgeräts betreiben wir bei MSL einen kommerziellen jodstabilisierten Helium-Neon-Laser bei 633 nm. Damit kalibrieren wir die Frequenz der Interferometer, die wir dann zur Längenmessung von Artefakten (z. B. Messblöcke, Lineale und Bänder) oder zur Kalibrierung von Instrumenten wie elektronischen Vermessungsgeräten verwenden.

Auf diese Weise kann MSL rückverfolgbare Messungen über eine Reihe von dimensionalen Funktionen hinweg bereitstellen, von Messblöcken, Längenstäben, Endstandards und Ring- und Stecklehren bis hin zu Vermessungsgeräten (elektronische Entfernungsmesser (EDMs) und barcodierte Vermessungsstäbe).

Wir verfügen auch über das Know-how, um eine Vielzahl von nicht routinemäßigen dimensionalen Messungen durchzuführen, z. B. die Bestimmung der Rundheit gekrümmter Oberflächen über Koordinatenmessgeräte (KMGs) oder die Ebenheit von Messflächen über optische Parallelen.

Unsere Forschung

Unsere Forschung deckt ein breites Themenspektrum ab, aber wir untersuchen derzeit drei Hauptbereiche:

• Fehlermapping und Unsicherheit in Koordinatenmessgeräten (KMGs).
• Rasterkraftmikroskopie (AFM) zur Messung von Oberflächenmerkmalen und Nanopartikeln.
• Unsicherheitsbeiträge zu Langstreckenmessungen mit elektronischen Entfernungsmessern (EDMs).

Sehen Sie sich hier ein kurzes Video über das Messgerät an (externer Link).