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Lexikon der Physik: Maser

Maser, 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 |1〉 bis |4〉 aufspalten, von denen |1〉 die größte, |4〉 die geringste Energie besitze. Durch Pumpen mit einem elektromagnetischen Wechselfeld der entsprechenden Frequenz kann man ausreichend Teilchen von |3〉 nach |1〉 anregen, so daß sich zwischen |1〉 und |2〉 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).

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Dr. Andreas Müller, Kiel [AM2] (A) (33; Essay Alltagsphysik)
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Markus Aspelmeyer, München [MA1] (A) (20)
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Dr. Günther Beikert, Viernheim [GB1] (A) (04, 10, 25)
Prof. Dr. Hans Berckhemer, Frankfurt [HB1] (A, B) (29)
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Dr. Frank Eisenhaber, Wien [FE] (A) (27)
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Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15; Essay Perkolationstheorie)
Natalie Fischer, Walldorf [NF] (A) (32)
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Dr. Thomas Fuhrmann, Mannheim [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
Michael Gerding, Kühlungsborn [MG2] (A) (13)
Prof. Dr. Gerd Graßhoff, Bern [GG] (A) (02)
Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
Uwe Grigoleit, Weinheim [UG] (A) (13)
Prof. Dr. Michael Grodzicki, Salzburg [MG1] (B) (01, 16)
Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
Dr. Andreas Heilmann, Halle [AH1] (A) (20, 21)
Carsten Heinisch, Kaiserslautern [CH] (A) (03)
Dr. Christoph Heinze, Hamburg [CH3] (A) (29)
Dr. Marc Hemberger, Heidelberg [MH2] (A) (19)
Florian Herold, München [FH] (A) (20)
Dr. Hermann Hinsch, Heidelberg [HH2] (A) (22)
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Dr. Achim Knoll, Karlsruhe [AK1] (A) (20)
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Dr. Gero Kube, Mainz [GK] (A) (18)
Ralph Kühnle, Heidelberg [RK1] (A) (05)
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Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09)
Günter Milde, Dresden [GM1] (A) (12)
Marita Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
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Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
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Dr. Max Rauner, Weinheim [MR3] (A) (15; Essay Quanteninformatik)
Robert Raussendorf, München [RR1] (A) (19)
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Prof. Dr. Siegmar Roth, Stuttgart [SR] (A) (Essay Nanoröhrchen)
Hans-Jörg Rutsch, Walldorf [HJR] (A) (29)
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Michael Schmid, Stuttgart [MS5] (A) (Essay Nanoröhrchen)
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Steffen Bauer, Karlsruhe [SB2] (A) (20, 22)
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Prof. Dr. Hans Berckhemer, Frankfurt [HB1] (A, B) (29; Essay Seismologie)
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Prof. Dr. Helmut Bokemeyer, Darmstadt [HB2] (A, B) (18)
Dr. Thomas Bührke, Leimen [TB] (A) (32)
Jochen Büttner, Berlin [JB] (A) (02)
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Prof. Dr. Martin Dressel, Stuttgart (A) (Essay Spindichtewellen)
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Dr. Wolfgang Eisenberg, Leipzig [WE] (A) (15)
Dr. Frank Eisenhaber, Wien [FE] (A) (27)
Dr. Roger Erb, Kassel [RE1] (A) (33)
Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15)
Natalie Fischer, Walldorf [NF] (A) (32)
Dr. Thomas Fuhrmann, Mannheim [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
Frank Gabler, Frankfurt [FG1] (A) (22)
Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
Prof. Dr. Henning Genz, Karlsruhe [HG2] (A) (Essays Symmetrie und Vakuum)
Dr. Michael Gerding, Potsdam [MG2] (A) (13)
Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
Uwe Grigoleit, Weinheim [UG] (A) (13)
Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
Dr. Andreas Heilmann, Halle [AH1] (A) (20, 21)
Carsten Heinisch, Kaiserslautern [CH] (A) (03)
Dr. Marc Hemberger, Heidelberg [MH2] (A) (19)
Dr. Sascha Hilgenfeldt, Cambridge, USA (A) (Essay Sonolumineszenz)
Dr. Hermann Hinsch, Heidelberg [HH2] (A) (22)
Priv.-Doz. Dr. Dieter Hoffmann, Berlin [DH2] (A, B) (02)
Dr. Gert Jacobi, Hamburg [GJ] (B) (09)
Renate Jerecic, Heidelberg [RJ] (A) (28)
Prof. Dr. Josef Kallrath, Ludwigshafen [JK] (A) (04)
Priv.-Doz. Dr. Claus Kiefer, Freiburg [CK] (A) (14, 15)
Richard Kilian, Wiesbaden [RK3] (22)
Dr. Ulrich Kilian, Heidelberg [UK] (A) (19)
Thomas Kluge, Jülich [TK] (A) (20)
Dr. Achim Knoll, Karlsruhe [AK1] (A) (20)
Dr. Alexei Kojevnikov, College Park, USA [AK3] (A) (02)
Dr. Bernd Krause, München [BK1] (A) (19)
Dr. Gero Kube, Mainz [GK] (A) (18)
Ralph Kühnle, Heidelberg [RK1] (A) (05)
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Dr. Anton Lerf, Garching [AL1] (A) (23)
Dr. Detlef Lohse, Twente, NL (A) (Essay Sonolumineszenz)
Priv.-Doz. Dr. Axel Lorke, München [AL] (A) (20)
Prof. Dr. Jan Louis, Halle (A) (Essay Stringtheorie)
Dr. Andreas Markwitz, Lower Hutt, NZ [AM1] (A) (21)
Holger Mathiszik, Celle [HM3] (A) (29)
Dr. Dirk Metzger, Mannheim [DM] (A) (07)
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Günter Milde, Dresden [GM1] (A) (12)
Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09)
Marita Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
Prof. Dr. Andreas Müller, Trier [AM2] (A) (33)
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Dr. Nikolaus Nestle, Leipzig [NN] (A, B) (05, 20)
Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
Priv.-Doz. Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
Dr. Roland Andreas Puntigam, München [RAP] (A) (14)
Dr. Gunnar Radons, Mannheim [GR1] (A) (01, 02, 32)
Dr. Max Rauner, Weinheim [MR3] (A) (15)
Robert Raussendorf, München [RR1] (A) (19)
Ingrid Reiser, Manhattan, USA [IR] (A) (16)
Dr. Uwe Renner, Leipzig [UR] (A) (10)
Dr. Ursula Resch-Esser, Berlin [URE] (A) (21)
Dr. Peter Oliver Roll, Ingelheim [OR1] (A, B) (15)
Hans-Jörg Rutsch, Walldorf [HJR] (A) (29)
Rolf Sauermost, Waldkirch [RS1] (A) (02)
Matthias Schemmel, Berlin [MS4] (A) (02)
Prof. Dr. Erhard Scholz, Wuppertal [ES] (A) (02)
Dr. Martin Schön, Konstanz [MS] (A) (14; Essay Spezielle Relativitätstheorie)
Dr. Erwin Schuberth, Garching [ES4] (A) (23)
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Richard Schwalbach, Mainz [RS2] (A) (17)
Prof. Dr. Klaus Stierstadt, München [KS] (B)
Dr. Siegmund Stintzing, München [SS1] (A) (22)
Dr. Berthold Suchan, Gießen [BS] (A) (Essay Wissenschaftsphilosophie)
Cornelius Suchy, Brüssel [CS2] (A) (20)
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Dr. Annette Vogt, Berlin [AV] (A) (02)
Dr. Thomas Volkmann, Köln [TV] (A) (20)
Rolf vom Stein, Köln [RVS] (A) (29)
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Dr. Thomas Wagner, Heidelberg [TW2] (A) (29)
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Dr. Steffen Wolf, Berkeley, USA [SW] (A) (16)
Dr. Stefan L. Wolff, München [SW1] (A) (02)
Priv.-Doz. Dr. Jochen Wosnitza, Karlsruhe [JW] (A) (23)
Dr. Kai Zuber, Dortmund [KZ] (A) (19)
Dr. Werner Zwerger, München [WZ] (A) (20)

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