Techniklexikon

Mikromaser

Atom- und Molekülphysik, Anordnung zum Studium der Wechselwirkung zwischen Atomen und Strahlungsfeldern in Mikrowellen-Resonatoren. Die prinzipielle Anordnung ist in der Abbildung skizziert: Alkali-Atome aus einem Atomstrahl werden durch Laseranregung in einen Rydberg-Zustand angeregt (Rydberg-Atome) und passieren dann einen Hohlraumresonator aus Nb, der so weit abgekühlt wird, dass seine Wände supraleitend werden. Durch Druck auf den Resonator kann selbiger in seinen Abmessungen verändert und damit auch die Frequenz der Resonatormoden modifiziert werden (Resonatoren).

Stimmt nun die Frequenz einer Resonatormode mit der Frequenz eines Übergangs zwischen zwei Rydberg-Zuständen überein, so kann das Atom einen Teil seiner Anregungsenergie in Form elektromagnetischer Strahlung abgeben und eine Resonatormode anregen. Mit den supraleitenden Wänden des Resonators lassen sich extrem hohe Güten erreichen. Damit ist die Abklingzeit für Photonen im Resonator extrem lang (sie kann bis zu einigen Sekunden betragen). Ein Atom kann also während eines Durchflugs durch den Resonator das von ihm emittierte Photon mehrfach wieder absorbieren und reemittieren. Nach dem Passieren des Resonators werden die Atome durch Feldionisation zustandsselektiv nachgewiesen, d.h. man kann unterscheiden, ob ein Atom seine Anregungsenergie in dem Resonator zurückgelassen hat oder nicht. Baut man vor den Resonator noch einen Geschwindigkeitsselektor (Fizeauscher Geschwindigkeitsselektor), so kann man die Durchflugzeit der Atome durch den Resonator beeinflussen. Ausserdem lässt sich die Dichte der Atome im Atomstrahl durch Änderung der Ofentemperatur leicht ändern. Man kann also sowohl die Wechselwirkungszeit als auch die Anzahl der Atome im Resonator verändern. Bei diesen Experimenten wurden klare Hinweise auf stimulierte Emissionsprozesse im Mikrowellenresonator gefunden, weshalb sich der Begriff Mikromaser oder Rydberg-Maser eingebürgert hat. Derartige Arbeiten, die ihren Anfang in der Arbeitsgruppe von Prof. H. Walther am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching genommen haben, haben wesentliche Beiträge zum Verständnis der Wechselwirkung zwischen Strahlung und Materie geliefert.

Mikromaser: Schematischer Aufbau des Mikromasers.