Maser

Stichpunkte

Allgemein
	Der Maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation - Mikrowellenverstärkung durch angeregte Strahlungsemission) ist die dem Laser entsprechende Strahlungsquelle für den Mikrowellenbereich
	die (heute) einen Frequenzbereich von 105 – 1011 Hz umfasst
	Ein Maser erzeugt kohärente elektromagnetische Wellen
	entsprechend einem Wellenlängenbereich von Millimetern bis Kilometern
	Derart große Wellenlängen sind mit Molekülschwingungen oder magnetischen Dipolübergängen in Atomen realisierbar Er wird begründet durch stimulierte Emission in Zusammenhang mit einer Besetzungsinversion
	daß mehr Atome oder Moleküle seines aktiven Mediums im oberen angeregten Energiezustand des betreffenden Strahlungsübergangs als im unteren Energiezustand sein müssen
	Das bedeutet
	auch 'Pumpen' genannt
	erreicht werden
	Die Inversion ist eine Abweichung vom thermischen Gleichgewicht und muss durch geeignete Energiezufuhr
	Wichtiger Bestandteil eines Masers ist ein auf die Maserfrequenz abgestimmter Resonator. Das Hauptproblem beim Bau von Labormasern ist die Erzeugung der Besetzungsinversion
	Die Grundidee des Masers (und auch des Lasers) wurde bereits 1951 von dem amerikanischen Physiker Charles H
	Townes erkannt; zusammen mit James Gordon und Herbert Zeiger entwickelte er dann 1954 einen Ammoniak-Maser
	möglichst rauscharme Verstärker zu bauen; bis dahin gebräuchliche Verstärker wiesen aufgrund der Temperaturbewegung der Ladungsträger ein erhebliches Rauschen auf
	Der Anstoß ging von technischen Forderungen aus
	Für den Maserübergang wird eine bestimmte Schwingung des Ammoniakmoleküls mit einer Wellenlänge von 12
	7 mm genutzt
	bei der das Stickstoffatom durch die von den drei Wasserstoffatomen aufgespannten Ebene hindurchschwingt
	Für die Erzeugung der Besetzungsinversion wird die Tatsache ausgenutzt
	vom Dipolmoment der Teilchen abhängig sind
	die auf freie Atome oder Moleküle in inhomogenen elektrischen Feldern wirken
	dass die Kräfte
	den anschließenden Hohlraumresonator erreichen
	der auf die Ãœbergangsfrequenz der Teilchen abgestimmt ist
	Ein Molekülstrahl tritt dabei durch eine Düse in eine Vakuumkammer ein und wird dort durch das inhomogene Feld so abgelenkt und aussortiert
	die sich im gewünschten oberen Energieniveau befinden
	dass nur noch diejenigen
	deren Abmessungen mit der Wellenlänge der Strahlung vergleichbar sind
	Mikrowellen-Resonatoren sind Hohlräume mit Metallwänden
	Ein Teil der Strahlung verlässt den Resonator und stellt die Ausgangsstrahlung des Masers
	so dass durch induzierte Emission erneut eine Strahlverstärkung stattfindet
	Der Rest verbleibt durch Reflexion im Hohlraum
	Eine stehende elektromagnetische Eigenschwingung bildet sich in dem Hohlraumresonator aus
	so kann dieses System nicht nur verstärken
	Wird eine ausreichende Menge angeregter Atome in den Resonator gebracht
	sondern auch selbst als Mikrowellenoszillator wirken
	die unabhängig von ihm die theoretischen Grundlagen für das Maser- und Laserprinzip geschaffen hatten
	den Nobelpreis für Physik
	1964 erhielt Townes zusammen mit den beiden sowjetischen Physikern Nikolay Bassow und Aleksandr Prochrow
	Der Wasserstoff-Maser wurde im Jahr 1960 von dem amerikanischen Physiker Norman Ramsey und seinen Mitarbeitern entwickelt; im Jahr 1989 erhielt Ramsey für seine Arbeiten den Nobelpreis für Physik
	Bei ihm wird als aktiver Maserübergang die Hyperfeinstruktur des atomaren Wasserstoff ausgenutzt
	Zum Spin des Atomkerns – in diesem Fall dem Proton - kann sich das Hüllenelektron parallel oder antiparallel ausrichten
	Zwischen diesen beiden Möglichkeiten besteht eine äußerst geringe Energiedifferenz (~ 10-5 eV)
	der eine Frequenz von 1
	42 GHz (GHz = 109 Hz) entspricht
	Der Übergang ist auch aus der Radioastronomie als „21-cm-Linie“ als Nachweis für interstellaren Wasserstoff bekannt
	Da in den Spiralarmen unserer Milchstraße große Mengen Wasserstoff vorhanden sind
	trug diese Spektrallinie wesentlich zur Aufklärung ihrer Struktur bei. Auch bei diesem Gaslaser wird die Besetzungsumkehr durch Atomstrahlmethoden in inhomogenen Feldern (Zustands-Selektor) realisiert
	Die angeregten
	freien Wasserstoffatome gelangen dann in eine mit Teflon ausgekleidete „Speicherkugel“ aus Quarz
	Die Speicherkammer ist von einem Mikrowellenhohlraum umgeben
	die von einem Mikrowellensender erzeugt wird
	der resonant auf die Frequenz des Übergangs zwischen den beiden Hyperstruktur-Zuständen abgestimmt ist
	Die Strahlungsintensität der Mikrowellen wird durch induzierte Emission verstärkt
	Wasserstoffmaser können über Jahre hinweg sehr stabil arbeiten
	Die Speicherzeit für die einzelnen Atome beträgt etwa eine Sekunde und hat eine sehr große Frequenzgenauigkeit des Masers zur Folge; die Abweichung beträgt nur 1 Hz
	Wasserstoffmaser dienen daher als hochgenaue Frequenznormale in Laboratorien und in Atomuhren
	bei denen winzige Zeitdifferenzen die entscheidende Rolle spielen
	Ihre ausgezeichnete Frequenzstabilität erlaubt die Überprüfung von Aussagen der Allgemeinen Relativitätstheorie
	Wasserstoff-Maser werden in der Radioastronomie für die VLBI-Methode genutzt
	bei der es um eine zeitgenaue Aufzeichnung von Empfangssignalen verschiedener
	weit entfernt voneinander betriebener Teleskope ankommt
	bei denen sehr kleine Laufzeitunterschiede gemessen werden müssen
	Auch bei der Auswertung von Radarmessungen zur Bestimmung der Kontinentaldrift oder astronomischen Entfernungsmessungen
	sind die genauen Zeitnormale der Wasserstoffmaser nicht mehr wegzudenken. Zu den neueren Entwicklungen gehört der Rydberg-Maser
	deren Elektronenstruktur nur ein einzelnes Valenzelektron in der äußersten Schale aufweist
	Bei ihm werden wasserstoffähnliche Atome (Beispiel: Rubidium) als aktives Material genutzt
	langlebige Energieniveaus nahe der Ionisationsgrenze pumpen
	Mit einem frequenzveränderlichen Farbstoff-Laser lassen sich diese einzelnen Außenelektronen auf sehr hohe
	durch den der Strahl hochangeregter Atome dann geschickt wird
	Das Herzstück des Masers ist ein auf die Temperatur flüssigen Heliums gekühlter zylindrischer Resonator
	Maser-Oszillationen mit nur wenigen Kammeratomen können hier erreicht werden; im Extremfall befindet sich nur noch ein einziges angeregtes Atom in der Kammer. Dieser Fall wird beim „Ein-Atom-Maser“ realisiert
	bei der die ausgesandten Mikrowellen den Gesetzen der Quantenmechanik gehorchen
	Dabei handelt es sich um eine nichtklassische Strahlungsquelle
	also quantisierte Energieniveaus gibt
	Ein gewöhnlicher Maser nutzt zwar einerseits zur Verstärkung seiner Strahlung die Tatsache
	dass es in Atomen diskrete
	klassisch
	da es von mehreren Photonen statistisch erzeugt wird
	Andererseits verhält sich das austretende Strahlungsfeld
	d.h. die Zahl der Photonen im Hohlraum schwankt um einen mittleren Wert
	die in einem gleichmäßige Abstand aus dem Hohlraum kommen
	Die nichtklassische Strahlung des Ein-Atom-Masers besteht aus Photonen
	Interessant ist diese Eigenschaft vor allem für die Nachrichtenübertragung
	die in speziellen Fallen aufbewahrt werden. Mit solchen nichtklassischen Strahlungsquellen lassen sich auch der Energieaustausch zwischen Strahlungsfeld und Atom sowie die Eigenschaften reiner Photonenfelder erforschen
	insbesondere bei der Ansteuerung einzelner sowie miteinander korrelierter Ionen
	so dass sich der Ein-Atom-Maser auch im Forschungsfeld des Quantencomputers nutzen lässt
	Loop-Quantengravitation)
	das in Zusammenhang mit Theorien steht
	die Quantenmechanik und Gravitation zu vereinigen suchen (Stringtheorie
	In den letzten Jahren hat sich für die frequenzstabilen Maser ein weiteres Forschungsgebiet eröffnet
	Eine der zu überprüfenden Aussagen sind zeitliche Veränderungen physikalischer Naturkonstanten wie beispielsweise der Lichtgeschwindigkeit
	eine Bedingung für den Betrieb eines Masers
	da die Besetzungsinversion
	der weit vom thermodynamischen Gleichgewicht entfernt ist und nur durch technische Tricks erreicht werden kann
	ein Zustand ist
	Maser erscheinen als künstliche Geräte
	So überraschte es
	als in den 1960er Jahren mit Radioteleskopen Objekte im Kosmos entdeckt wurden
	die natürliche Maserstrahlung aussenden
	Die Entdeckung derartiger astronomischer Maser revolutionierte viele Erkenntnisse über unser Universum
	aber auch die 1
	35 cm-Linie des Wassermoleküls - geben Aufschluss über angeregte molekulare Gase um entstehende Sterne
	über Veränderungen in Galaxien sowie über Hüllenprozesse in Roten Riesen und Überriesen
	Die frequenzscharfen Mikrowellen-Linien - vor allem die 18cm-Linie des OH-Moleküls
	Allerdings sind die Pumpmechanismen dieser natürlichen Maser noch nicht restlos geklärt
	In Frage kommen Anregungsprozesse durch Stöße mit interstellarem Staub oder optische Anregung durch die Strahlungsenergie benachbarter Sterne oder Infrarotquellen. Literatur: J.P
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