This diploma thesis with title of „Management of Coordinate Measuring Machine Calibration“ aimed to develop detailed analysis of uncertainties when deploying 3D coordinate measuring machine MicroVu Excel in practice. The analysis was supported by an example of measuring uncertainty calculation. This thesis also discusses the integration of automatic assessment of uncertainties into programming equipment; and creation of methodical calibration process for this kind of machine.

Hintergrund: Die Entwicklung von Nanotechnologien und insbesondere integrierten Schaltkreisen beruht auf dem Verständnis von Struktur und Funktion auf der Nanoskala, wofür exakte Messungen erforderlich sind. Kleinwinkel-Röntgenstreuung unter streifendem Einfall (GISAXS) ist eine Methode zur schnellen, berührungs- und zerstörungsfreien dimensionellen Messung von nanostrukturierten Oberflächen. Ziele: Es soll die Möglichkeit untersucht werden, die zunehmend komplexeren Proben aus Wissenschaft und Industrie mit Hilfe von GISAXS präzise zu vermessen. Ein weiteres Ziel ist es, Messtargets aus der Halbleiter-Qualitätskontrolle mit einer Größe von ca. 40x40 µm² zu messen, deren Signal typischerweise nicht zugänglich ist, weil ein Bereich von ca. 1x20 mm² auf einmal beleuchtet wird. Methoden: Synchrotron-basierte GISAXS-Messungen verschiedener Proben werden mit Hilfe einer Fourier-Konstruktion, der "distorted wave Born approximation" und einem Maxwell-Gleichungs-Löser basierend auf finiten Elementen analysiert. Ergebnisse: Aus GISAXS-Messungen kann die Linienform von Gittern mit einer Periode von 32 nm rekonstruiert werden und sie weicht weniger als 2 nm von Referenzmessungen ab. Eine sorgfältige Bayes'sche Unsicherheitsanalyse zeigt jedoch, dass wichtige dimensionelle Parameter innerhalb der Unsicherheiten nicht übereinstimmen. Für die Messung von kleinen Gittertargets entwerfe ich ein neuartiges Probendesign, bei dem das Target in Bezug auf die umgebenden Strukturen gedreht wird, und stelle fest, dass dadurch parasitäre Streuung effizient unterdrückt wird. Fazit: GISAXS-Messungen von komplexen Nanostrukturen und kleinen Targets sind möglich, jedoch würde GISAXS enorm von effizienteren Simulationsmethoden profitieren, die alle relevanten Effekte wie Rauhigkeit und Randeffekte einbeziehen. Hier gibt es vielversprechende theoretische Ansätze, so dass GISAXS eine zusätzliche Methode für die Halbleiter-Qualitätskontrolle werden könnte. / Background. The development of nanotechnology such as integrated circuits relies on an understanding of structure and function at the nanoscale, for which reliable and exact measurements are needed. Grazing-incidence small angle X-ray scattering (GISAXS) is a versatile method for the fast, contactless and destruction-free measurement of sizes and shapes of nanostructures on surfaces. Aims. A goal of this work is to investigate the possibility of precisely measuring the increasingly complex samples produced in science and industry using GISAXS. A second objective is to measure targets used in semiconductor quality control with a size of approx. 40x40 µm², whose signal is typically not accessible because an area of approx. 1x20 mm² is illuminated at once. Methods. I take synchrotron-based GISAXS measurements and analyze them using reciprocal space construction, the distorted wave born approximation, and a solver for Maxwell's equations based on finite elements. Results. I find that the line shape of gratings with a period of 32 nm can be reconstructed from GISAXS measurements and the results deviate less than 2 nm from reference measurements; however, a careful Bayesian uncertainty analysis shows that key dimensional parameters do not agree within the uncertainties. For the measurement of small grating targets, I create a novel sample design where the target is rotated with respect to the surrounding structures and find that this efficiently suppresses parasitic scattering. Conclusions. I show that GISAXS measurements of complex nanostructures and small targets are possible, and I highlight that further development of GISAXS would benefit tremendously from efficient simulation methods which describe all relevant effects such as roughness and edge effects. Promising theoretical approaches exist, so that GISAXS has the potential to become an additional method in the toolkit of semiconductor quality control.

Diese Arbeit präsentiert ein modernes Michelson-Morley Experiment, welches genauere Grenzwerte für Testparameter liefert, die eine Verletzung der Lorentzinvarianz modellieren. Die Messung setzt einen oberen Grenzwert für eine Anisotropie der Lichtgeschwindigkeit im Bereich von dc/c ~10^-16. Das Experiment vergleicht die Frequenzen zweier optischer Hoch-Finesse Resonatoren, wobei einer dieser Resonatoren kontinuierlich auf einem Drehtisch rotiert. Um die Eigenfrequenzen der Resonatoren abzufragen, werden die Frequenzen zweier Nd:YAG-Laser auf die Resonatoren stabilisiert. Die relative Frequenzstabilität auf der Zeitskala einer Tischdrehung (~45s) liegt bei ~1x10^-14, limitiert durch das thermische Rauschen der Resonatorspiegel. Die Messung erstreckt sich über einen Zeitraum von einem Jahr, wobei mehr als 10^5 Tischumdrehungen eingehen. Ausführlich werden die systematischen Effekte und ihre Unterdrückung auf Signalamplituden unter 1 Hz dargestellt. Im Vergleich zu vorhergehenden Messungen konnten diese systematischen Effekte um einen Faktor 10 bis 100 reduziert werden. Zwei verschiedene Testtheorien wurden herangezogen, um ein Signal für eine Anisotropie der Lichtgeschwindigkeit als Folge einer Verletzung der Lorentzinvarianz zu modellieren: eine die Lorentzinvarianz verletzende Erweiterung des Standardmodells und die Testtheorie von Robertson, Mansouri und Sexl. Es wird eine Analyse der Daten im Rahmen beider Testtheorien präsentiert, und Grenzwerte auf die relevanten Parameter werden bestimmt. Diese Grenzwerte schränken eine Anisotropie der Lichtgeschwindigkeit im Bereich von 10^-16 ein, d.h. etwa 10 mal genauer als die Ergebnisse vorangegangener Messungen. Schließlich wird ein Ausblick auf einen verbesserten Aufbau gegeben, welcher neue Resonatoren zum Einsatz bringt, und es werden erste verbesserte Resultate präsentiert. Damit steht der Weg offen für eine Langzeit-Messung, welche die Grenze für eine Anisotropie der Lichtgeschwindigkeit bis in den Bereich von dc/c~10^-17 drücken wird. / This thesis presents a modern Michelson-Morley experiment, which provides improved limits on test parameters that model a violation of Lorentz invariance in electrodynamics. The measurement sets an upper limit on an anisotropy of the speed of light at a level of dc/c~10^-16. The experiment compares the resonance frequencies of two optical high-finesse cavities, one of them continuously rotating on a turntable. To read out their resonance frequencies, two Nd:YAG lasers are frequency-stabilized to these cavities. On the timescale of a turntable rotation (~45s), a relative frequency stability of ~1x10^-14 is achieved, limited by thermal noise of the cavity mirrors. The measurement extends over one year and includes ~10^5 rotations. The systematic effects compromising the measurement are described in detail, together with the measures that have been taken to suppress systematic effects below 1 Hz. This is a reduction by a factor of up to 100 as compared to preceding experiments. Two different test theories are applied to derive a signal for an anisotropy of the speed of light as a consequence of a violation of Lorentz invariance: a Lorentz violating extension of the standard model and the test theory by Robertson, Mansouri and Sexl. An analysis of the data within these two test models is presented, and limits on the relevant test parameters are deduced. These limits restrict an anisotropy of the speed of light at a level of 10^-16, which is a factor of ten more stringent as compared to results of previous such measurements. Finally, an outlook on an improved setup with new cavities and and first results from this setup are presented. This setup should allow for another order of magnitude improvement of the experiment''s sensitivity within a following long-term measurement aiming for the dc/c ~10^-17 level of accuracy.

This thesis addresses particular topics in the field of the length metrology for nanometrology. Nanometrology deals with dimensional measurements of micro- and nanostructures with a high spatial resolution. It typically combines a microscope imaging with a precise coordinate measurement, usually capable of nanometre resolution using the state-of-art laser interferometry techniques. The development in this field is driven, among others, by emerging advanced nanotechnologies that demand to push further the capabilities and limits of the interferometric techniques to make the nanometre-level dimensional measurement of nanostructures possible. The principal limitations of current systems are the environmental conditions and especially the fluctuations in the refractive index of air. The theoretical part of this thesis aim at analysis of individual parts of laser interferometer. I oriented myself on the study of their advantages/disadvantages and further also the possibilities of their industrial applications. The second part of the thesis presents my work that focused on the influence of the refractive index of air (RIA) on the measurement uncertainty. I experimentally demonstrated an interferometric system with a self-cancellation RIA fluctuations: a transparent photodetector is used for the measurement of the standing wave along the axis of a passive resonator, where the resonator also serves as a reference for the laser wavelength stabilisation. Another optical arrangement, based on a setup of several Michelson interferometers, represents a combination of an interferometer and a refractometer into a single system. This setup was used to study the behaviour of the ambient airflow with respect to the optical path difference and physical separation of the interferometer’s and refractometer’s path. Based on the experimental results I proposed new arrangements for shape measuring interferometers, which combine length interferometry and a tracking refractometer for the direct compensation of RIA fluctuations with geometrically adjacent optical beams. The results indicate an improvement in RIA fluctuation induced uncertainty by a factor of 100. Third part describes the design and implementation of interferometric systems for specific applications. For the industrial environment I developed a compact interferometric displacement gauge which is designed to allow nanometre level measurement using a simplified interferometer construction. For coordinate measurement of the position of the sample up to six degrees of freedom, I realised a compact modular interferometric system, which represents a unique setup together with a stabilised laser source. To measure the position of the sample in an electron beam writer chamber, I designed and implemented a differential interferometer that works in the near infrared domain and uses a new detection method developed for this system. In the fourth part I describe the realisation of a high-speed interferometer with a differential arrangement, which allows evaluation of high-cycle fatigue in material engineering. This method of studying high-cycle fatigue should be beneficial for both the basic research and the engineering practice.

Die vorliegende Arbeit behandelt die radiometrische Nutzung von Wellenlängenschiebern an Elektronenspeicherringen. Die grundsätzlichen Aspekte der Radiometrie, der technischen Voraussetzungen und des Einflusses von Wellenlängenschiebern auf den Speicherring werden am Beispiel eines bei BESSY installierten Gerätes aufgezeigt. Ein Großteil der Rechnungen wurden mit dem Programm WAVE durchgeführt, das im Rahmen der Arbeit entwickelt wurde. WAVE erlaubt die Berechnung der Synchrotronstrahlung von Wellenlängenschiebern mit einer relativen Unsicherheit von 1/100000. Maschinenphysikalische Eigenschaften eines Wellenlängenschiebers und eine Erzeugenden-Funktion für symplektische Tracking-Rechnungen können ebenfalls mit WAVE berechnet werden. Letztere wurden in den Tracking-Code BETA implementiert. Damit lassen sich die Einflüsse von Insertion Devices auf die dynamische Apertur und die Emittanz des Speicherringes untersuchen. Die Ergebnisse dieser Studien führten zum Konzept alternierender High- und Low-Beta-Sektionen, die den Betrieb supraleitender Insertion Devices bei BESSY-II ohne signifikante Störung der Speicherringoptik ermöglichen. Um auch die experimentelle Seite der Radiometrie an Wellenlängenschiebern zu untersuchen, wurde ein Programm auf der Basis des Monte-Carlo-Codes GEANT4 entwickelt. Es erlaubt die Simulation der radiometrischen Messung und der Absorptionseigenschaften des Detektors. Mit den entwickelten Programmen wurden erste radiometrische Messungen der PTB analysiert. Ein Vergleich zwischen Messungen und Rechnung zeigt eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit Abweichungen von ca. fünf Prozent für Messungen im Energiebereich zwischen 40 keV und 120 keV hinter einem 1-mm-Kupferfilter. Eine bessere Übereinstimmung wurde im Bereich von 20 - 80 keV ohne Kupferfilter erzielt. In diesem Fall stimmen die gemessenen Daten im Rahmen der systematischen Unsicherheiten von zwei Prozent mit den Rechnungen überein. / Subject of this thesis are the operation of wave-length shifters at electron storage rings and their use in radiometry. The basic aspects of the radiometry, the technical requirements, the influence of wave-length shifters on the storage ring, and results of first measurements are presented for a device installed at BESSY. Most of the calculations are carried out by the program WAVE, which has been developed within this thesis. WAVE allows to calculate the synchrotron radiation spectra of wave-length shifters within an relative uncertainty of 1/100000. The properties of wave-length shifters in terms of accelerator physics as well as a generating function for symplectic tracking calculations can also be calculated by WAVE. The later was implemented in the tracking code BETA to investigate the influence of insertion devices on the dynamic aperture and emittance of the storage ring. These studies led to the concept of alternating low- and high-beta-sections at BESSY-II, which allow to operate superconducting insertion devices without a significant distortion of the magnetic optics. To investigate the experimentel aspects of the radiometry at wave-length shifters, a program based on the Monte-Carlo-code GEANT4 has been developed. It allows to simulate the radiometrical measurements and the absorption properties of detektors. With the developed codes first radiometrical measurements by the PTB have been analysed. A comparision of measurements and calculations show a reasonable agreement with deviations of about five percent in the spectral range of 40 - 60 keV behind a 1-mm-Cu filter. A better agreement was found between 20 keV and 80 keV without Cu filter. In this case the measured data agreed within a systematic uncertainty of two percent with the results of the calculations.

In der vorliegenden Doktorarbeit wird ein Dauerstrich Optisch Parametrischer Oszillator (cw OPO) vorgestellt, der speziell für die hochauflösende Dopplerfreie Molekülspektroskopie und Metrologie entwickelt wurde. Der kontrollierte Zugang zu jeder beliebigen Wellenlänge im breiten Emissionsspektrum von OPOs wie auch das präzise Abstimmen seiner Ausgangsfrequenz über zu untersuchende molekulare und atomare Übergänge stellten lange Zeit Probleme dar, deren Lösung die Grundzielsetzung dieser Arbeit war. Das im Laufe dieser Arbeit entwickelte System hat diese Ziele vollständig erreicht, was durch verschiedene Messungen und Anwendungen demonstriert wurde. Zu diesem Zweck wurde ein neues OPO-Design mit einem Intracavity-Etalon entwickelt und aufgebaut, wobei der OPO auf dem Konzept eines einfach-resonanten cw OPOs mit resonanter Pumpwelle basiert. Die OPO-Ausgangsstrahlung zeigt sehr gute Langzeitstabilität und Spektraleigenschaften, welche durch direkte Frequenzvergleichsmessungen mit einem optischen Methan-Frequenzstandard im Infraroten bestimmt wurden. Eine Idler-Linienbreite von 12 kHz und ein Modensprung-freier Betrieb des OPOs über einen Zeitraum von einigen Tagen wurde beobachtet. Außerdem wurde gezeigt, dass ein OPO zu einer hochstabilen optischen Referenz phasengelockt und somit seine Frequenz sehr genau kontrolliert und durchgestimmt werden kann. Als erste erfolgreiche Anwendung eines OPOs in der Dopplerfreien Spektroskopie wurde ein Aufbau zur Frequenz-Modulationsspektroskopie in Methan realisiert. Weiterhin, wurde der entwickelte cw OPO mit einem femtosekunden optischen Frequenzkamm kombiniert, um eine neue Idee für eine kohärente Verbindung zwischen dem sichtbaren und dem infraroten Spektralbereich zu realisieren. Als erste Demonstration dieser Technologie wurde ein direkter absoluter Frequenzvergleich zwischen einem Jod-stabilisierten Laser bei 532 nm und einem Methan-stabilisierten Laser bei 3390 nm durchgeführt. / This thesis presents a continuous-wave optical parametric oscillator (cw OPO), specially developed for high-resolution Doppler-free molecular spectroscopy and metrology. The basic objective was to solve the long-standing problem of controlled access to any desired wavelength in the wide emission range of OPOs, including the ability to precisely tune the output frequency over the molecular and atomic transitions of interest. The system implemented during this work fully achieves these goals and its performance was demonstrated in various measurements and applications. For this aim, a new design for the OPO cavity with an intracavity etalon was implemented, extending the concept of a cw singly resonant OPO with resonated pump wave. The newly developed device demonstrates very good long-term stability and spectral properties, which were determined in direct beat frequency measurements with a methane infrared optical frequency standard. Thus, an idler radiation linewidth of 12 kHz and mode-hop-free operation of the OPO over several days were observed. Furthermore, it was shown that an OPO can be phase locked to a highly stable optical reference and thus much more precisely controlled and tuned. As the first successful application of OPOs in Doppler-free spectroscopy, a frequency modulation spectroscopy setup for detection of sub-Doppler resonances in methane was implemented. Furthermore, the developed cw OPO was integrated with a femtosecond optical frequency comb to realize a new concept for a coherent link between the visible and infrared spectral ranges. As a first demonstration of this technique, a direct absolute frequency comparison between an iodine stabilized laser at 532 nm and a methane stabilized laser at 3390 nm was performed.

During this thesis, we have used superconducting circuits with Josephson junctions, derived from the Cooper pair box, in order to implement quantum bits (qubits). <br />To implement two-qubit gates, we have developed a new circuit, the quantroswap, which consists in two capacitively coupled Cooper pair box, each of them being manipulated and read separately. We have demonstrated coherent exchange of energy between them, but we have also observed a problem of qubit instability.<br />In order to avoid this spurious effect, we have implemented another circuit based on a charge insensitive split Cooper pair box coupled to a non-linear resonator for readout-out purpose. We have measured large coherence time, and obtained large readout fidelity (90%) using the bifurcation phenomenon. <br />For metrological purpose, microwave reflectometry measurement on a quantronium also allowed us to relate an applied current I to the frequency f=I/2e of induced Bloch oscillations.

This master’s thesis contains the basic division of 3D methods which are used for reconstruction of measured objects. Furthermore the types of structured light patterns used for 3D triangulation. It also contains a description of the construction and functions of GOM ATOS and TRITOP machines. Primarily the thesis deals with the calibration of these machines, the design of suitable materials standard of size and the internal calibration methodology used by ŠKODA AUTO a.s. The text also includes verification of the proposed calibration procedure in practice, proposal for determination of calibration uncertainties and recommendations for practice.

This diploma thesis analyzes the present state of a quality system inside the joint – stock company Brněnské vodárny a kanalizace. On the basis of comparison with choice modern continual improvement‘s methods of quality systems this diploma work availeble method, which leads to improvement of the quality system in the test lab of sewage works Brno-Modřice, as part of water quality control’s section.

This master’s thesis includes an overview of profile method of surface texture evaluation according to ISO standards and VDA automotive standards, as well as an overview of areal method according to ISO 25178 standard series, which includes a proposal for improvement of czech terminology. Suitability of application of selected measurement methods for measurement of a portfolio of automotive parts was evaluated based on measurements carried out using a contact profiler, a coherence scanning interferometer and a confocal microscope. Further recommendations for practice in surface texture metrology were also formulated. A regression analysis of the relationship between values of selected profile surface texture parameters and their areal equivalents was also performed. Its results may aid the spread of areal surface texture evaluation in the industry.