Techniklexikon

Maser

Abkürzung von »Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Dabei handelt es sich um einen Prozeß zur »Verstärkung von Mikrowellen durch stimulierte Emission elektromagnetischer Strahlung im Mi-krowellenbereich (Mikrowellen). Die prinzipielle Wirkungsweise des M. entspricht der des Lasers. Astronomie und AstrophysikLaserphysik und -technik, 1) Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, Molekularverstärker, ein Mikrowellen-Verstärker und -Oszillator, der nach demselben Prinzip arbeitet wie der Laser: Ein Ensemble von Teilchen, die elektromagnetische Strahlung im Mikrowellenspektrum emittieren können, wird durch einen geeigneten Pumpmechanismus in den Zustand einer Besetzungsinversion gebracht und in einem Resonator, der zur Rückkopplung der emittierten Strahlung dient, dazu angeregt, die Energie durch induzierte Emission als kohärente elektromagnetische Wellen abzugeben (siehe Abb. 1; eine detaillierte Beschreibung findet sich bei Laser).

Der Molekularstrahl- oder Gasmaser benutzt zur Herstellung der Besetzungsinversion weniger einen Pump- als vielmehr einen Selektionsmechanismus, der analog zum Stern-Gerlach- bzw. Rabi-Experiment (Atomstrahl-Resonanzmethode) konstruiert ist (siehe Abb. 2). In inhomogenen elektromagnetischen Feldern hängen die Kräfte auf freie Atome oder Moleküle vom magnetischen Moment und damit vom Energiezustand der Teilchen ab, so dass durch geeignete Feldanordnungen die Teilchen in einem Atom-oder Molekularstrahl nach ihren Zuständen in mehrere Teilstrahlen getrennt werden können. Wird ein solcher Teilstrahl in einen Hohlraumresonator gelenkt, der auf die Übergangsfrequenz der beteiligten Zustände abgestimmt ist, dann erhält man dort eine Besetzungsinversion der Zustände. Spontan emittierte Wellen werden dann rückgekoppelt und durch induzierte Emission verstärkt. Bei den (im Vergleich zum Laser) niedrigen Frequenzen des Masers kann schon bei geringsten Teilchendichten des aktiven Mediums eine ausreichende Verstärkung erzielt werden, so dass die induzierte Emission dominiert und der Maser extrem schmalbandige, kohärente Strahlung emittiert (Ein-Atom-Maser). Der erste Maser war ein Ammoniak-Gasmaser, der auf der 3,3-Inversionslinie bei 23,87 MHz betrieben wurde.

Ein Beispiel für einen Drei-Niveau-Maser ist der Rubin-Maser (siehe Abb. 3). Rubin besteht aus mit Chrom dotiertem Saphir (Al₂O₃:Cr³⁺). Die Cr³⁺-Ionen sind paramagnetisch mit Spinquantenzahl 3 / 2, so dass ihre Energieniveaus in einem äusseren Magnetfeld in vier Feinstruktur-Zustände |1ñ bis |4ñ aufspalten, von denen |1ñ die grösste, |4ñ die geringste Energie besitze. Durch Pumpen mit einem elektromagnetischen Wechselfeld der entsprechenden Frequenz kann man ausreichend Teilchen von |3ñ nach |1ñ anregen, so dass sich zwischen |1ñ und |2ñ eine Besetzungsinversion ausbildet, die in einem auf diese Übergangsfrequenz abgestimmten Hohlraumresonator zur induzierten Emission kohärenter Strahlung führt.

Durch Einstrahlung einer Signalfrequenz, die innerhalb der Linienbreite der spontanen Emission des Maserübergangs liegt, kann man den Maser als Verstärker für diese Signalfrequenz verwenden. Die erreichbaren Leistungen sind zwar typischerweise äusserst gering, um 10^-10 W beim Gasmaser, aber bei hohen Resonatorgüten können auch noch Signale geringster Intensität verstärkt werden. Um den Rauschpegel möglichst weit zu reduzieren, werden hierbei häufig mit flüssigem Stickstoff auf 77 K gekühlte Resonatoren eingesetzt.

Der Maser wird u.a. in der Radarastronomie, z.B. als exzellenter Verstärker der Einundzwanzig-Zentimeter-Linie des interstellaren Wasserstoffs (1421 MHz), eingesetzt; als Oszillator betrieben bietet sich der Wasserstoffmaser aufgrund der extrem schmalen erreichbaren relativen Linienbreiten auch als Frequenznormal (Atomuhr) an.

2) kosmische Maserquellen, wurden 1963 bei Radiobeobachtungen des galaktischen Zentrums entdeckt. Die ungewöhnlich starke Radioquelle bei 6 cm Wellenlänge entpuppte sich als Maserstrahlung des Hydroxyl (OH). Weitere kosmische Maserquellen konnten bei jungen Protosternen und in den Hüllen alter Riesensterne nachgewiesen werden, wobei zumeist OH und Wasser, aber auch Methyl und Siliziummonoxid als Maser wirken. Angeregt werden die Maserzustände durch Stösse der Moleküle mit den Atomen im Gas.

Maser 1: Prinzipielle Funktionsweise eines Masers.

Maser 2: Schematischer Aufbau eines Ammoniak-Gasmasers.

Maser 3: Schematischer Aufbau eines Drei-Niveau-Festkörpermasers (PF: Einstrahlung der Pumpfrequenz, KS: Einkopplung der Signalfrequenz, stM: statisches Magnetfeld, MM: aktives Masermedium, z.B. ein Rubin, HR: Hohlraumresonator).