Maser

Maser, Akronym für Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Mikrowellenverstärkung durch induzierte Strahlungsemission). Ein Maser ist ein Generator zur Verstärkung oder Erzeugung von Mikro- oder Radiowellen (Funkwellen). Einen Maser, der Lichtwellen erzeugt, nennt man Laser.

Wie bei einem Laser erreicht man eine Verstärkung der Strahlung durch Induzieren von Strahlungsemission. Dieser Vorgang läuft ab, wenn ein Photon den Übergang eines angeregten Atoms oder Moleküls in einen niedrigeren Energiezustand auslöst. Dabei wird gleichzeitig ein Photon mit der gleichen Wellenlänge wie das auslösende Photon erzeugt. Dieses neu erzeugte Photon stimmt in Frequenz und Phase mit dem auslösenden Photon überein. Die Amplituden der beiden Wellen addieren sich, womit eine Verstärkung der Eingangswelle erreicht ist. Ein Maser nutzt diese Übergänge in Molekülen und Kristallen, die den Energien von Mikro- oder Radiowellen entsprechen.

Der erste Maser-Oszillator wurde 1954 entwickelt. Er nutzte die Frequenz des Ammoniakmoleküls. Diese Frequenz entspricht der Energie des Schwingungsvorgangs, bei dem sich bildlich gesprochen das Stickstoffatom von einer Seite des Dreiecks, das von den drei Wasserstoffatomen des Ammoniakmoleküls gebildet wird, auf die andere bewegt. Der Wasserstoffatom-Maser arbeitet mit einer Frequenz die der Energie entspricht, wenn in einem Wasserstoffatom der Spin (= Eigendrehung) des Protons gegenüber dem des Elektrons in diesem Atom wechselt. Paramagnetische Maser (Zweiniveau-Maser) nutzen die Energieübergänge, die der Ausrichtung des magnetischen Moments paramagnetischer Ionen in kristallinen Stoffen entspricht, wenn sie in ein externes Magnetfeld eingebracht werden. Unterschiedliche Frequenzen erreicht man durch Änderung des Magnetfeldes, wodurch ein paramagnetischer Maser in einem Bereich von weniger als einem bis zu mehreren hundert Megahertz eingestellt werden kann.

Da die erzeugten Frequenzen äußerst stabil sind, verwendet man Maser als Zeitnormale in Atomuhren (z. B. Rubidiumatom-Maser). Maser werden auch als rauscharme Verstärker von Funkwellen bei der Satellitenkommunikation und in der Radioastronomie eingesetzt.