Eine Wasserstoff-Hochfrequenzentladung, das erste Element in einem Wasserstoff-Maser.

Ein Maser ist ein Gerät, das einen hochintensiven, kohärenten Strahl elektromagnetischer Wellen erzeugt oder verstärkt, insbesondere im Mikrowellenbereich. Historisch, Der Begriff kam von der Abkürzung „Mikrowellenverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung.“ Moderne Maser emittieren jedoch über einen breiten Teil des elektromagnetischen Spektrums. Karl H. Townes, der das Team leitete, das den ersten Maser entwickelte und baute, schlug daher vor, „Mikrowelle“ durch „molekular“ im Akronym zu ersetzen. Als Maser für den Betrieb im optischen Bereich entwickelt wurden, Sie wurden ursprünglich optische Maser genannt, Es ist jedoch üblicher geworden, sie als Laser zu bezeichnen, wobei „l“ für „Licht“ steht.“

Maser erzeugen extrem scharfe Strahlung mit geringem Innenrauschen und dienen als hochpräzise Frequenzreferenzen. Insbesondere der Wasserstoffmaser ist ein „Atomfrequenzstandard“ und als eine Form der Atomuhr nützlich. Aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit werden Maser auch als Detektoren und elektronische Verstärker in Radioteleskopen eingesetzt. Die Experimente, die zuerst die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung detektierten, verwendeten einen Maser-Verstärker. Diese Strahlung wurde dem Urknallursprung des Universums zugeschrieben.

Terminologie

Wie oben erwähnt, wurde maser ursprünglich als Akronym für „Mikrowellenverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung“ vorgeschlagen, um Geräte zu beschreiben, die im Mikrowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums emittierten. Das Prinzip der stimulierten Emission wurde seitdem auf mehr Geräte und Frequenzen ausgeweitet, und so schlug Charles H.. Townes schlug vor, das ursprüngliche Akronym in „molekulare Verstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung“ zu ändern.“Als der Laser entwickelt wurde, drängten Townes, Arthur Schawlow und ihre Kollegen bei Bell Labs die Verwendung des Begriffs optischer Maser, aber dies wurde weitgehend zugunsten des Lasers aufgegeben, der von ihrem Rivalen Gordon Gould geprägt wurde. Im modernen Gebrauch werden Geräte, die im Röntgenstrahl durch Infrarotteile des Spektrums emittieren, typischerweise als Laser bezeichnet, und Geräte, die im Mikrowellenbereich und darunter emittieren, werden üblicherweise als Maser bezeichnet.Gould schlug ursprünglich unterschiedliche Namen für Geräte vor, die in jedem Teil des Spektrums emittieren, einschließlich Grasers (Gammastrahlenlaser), Xasers (Röntgenlaser), Uvasers (Ultraviolettlaser), Laser (sichtbare Laser), Iraser (Infrarotlaser), Maser (Mikrowellenmaser) und Raser (Hochfrequenzmaser). Die meisten dieser Begriffe, mit Ausnahme von Maser und Laser, haben sich nie durchgesetzt und sind veraltet, abgesehen von ihrer Verwendung in der Science-Fiction.

Geschichte

In den Vereinigten Staaten wurde der früheste öffentliche Vortrag über die dem Maser zugrunde liegenden Prinzipien von Joseph Weber auf der Konferenz des Institute of Radio Engineers im Juni 1952 gehalten. Etwa zur gleichen Zeit beschrieben Nikolay Basov und Alexander Prokhorov vom Lebedev-Institut für Physik die theoretischen Grundlagen für den Maser auf einer unionsweiten Konferenz zur Radiospektroskopie, die im Mai 1952 von der Akademie der Wissenschaften der UdSSR abgehalten wurde. Anschließend veröffentlichten sie ihre Ergebnisse im Oktober 1954.Unabhängig davon bauten Charles H. Townes, J. P. Gordon und H. J. Zeiger 1953 den ersten Maser an der Columbia University. Das Gerät verwendete stimulierte Emission in einem Strom von erregten Ammoniakmolekülen, um eine Verstärkung von Mikrowellen mit einer Frequenz von 24 Gigahertz zu erzeugen. Townes arbeitete später mit Arthur L. Schawlow zusammen, um das Prinzip des optischen Masers oder Lasers zu beschreiben, das erstmals 1960 von Theodore H. Maiman entwickelt und demonstriert wurde. Für ihre Forschung auf diesem Gebiet erhielten Townes, Basov und Prokhorov 1964 den Nobelpreis für Physik. Seit 1965 haben Astronomen natürliche Quellen von Masern im Weltraum entdeckt.

Allgemeine Funktionsprinzipien

Wenn Atome oder Moleküle einer geeigneten Substanz (als Medium bezeichnet) mit Photonen einer bestimmten Frequenz bombardiert werden, gehen sie in einen „angeregten“ (höheren) Energiezustand über und emittieren Photonen derselben Frequenz. In diesem Sinne beinhaltet der Maser eine „stimulierte Emission“ von Strahlung. Indem das Verstärkungsmedium in einen Resonanzhohlraum (oder Hohlraumresonator) eingebracht wird, wird eine Rückkopplung erzeugt, die Strahlung erzeugen kann, die „kohärent“ ist.“ Elektromagnetische Wellen gelten als kohärent, wenn sie sich mit derselben Frequenz in derselben Phase ausbreiten und sich in dieselbe Richtung bewegen. Im Gegensatz dazu haben elektromagnetische Wellen von den meisten anderen Quellen einen Bereich unterschiedlicher Frequenzen, sie befinden sich in verschiedenen Phasen (relativ zueinander) und sie breiten sich in praktisch alle Richtungen aus.

Von einem Maser ausgestrahlte Radiowellen haben nahezu die gleiche Frequenz und ihre Übertragung über große Entfernungen ist hocheffizient. Im ersten zu entwickelnden Maser war das Medium im Resonanzhohlraum Ammoniakgas. In diesem Fall oszillierten die Ammoniakmoleküle mit einer bestimmten Frequenz zwischen zwei Energiezuständen. In jüngerer Zeit wurde ein Rubinmaser entwickelt, bei dem ein Rubinkristall in den Resonanzhohlraum eingebracht wird. Der duale Edelgasmaser ist ein Beispiel für ein unpolares Medium in einem Maser.

Arten von Masern

Einige gängige Arten von Masern sind unten aufgeführt. Die Namen geben das im Resonanzhohlraum vorhandene Medium an.

Atomstrahl-Maser

• Ammoniak-Maser
• Wasserstoff-Maser

Gas-Maser

• Rubidium-Maser

Festkörper-Maser

• Rubin-Maser.

Wasserstoff-Maser

Ein Wasserstoff-Maser.

Heute ist der wichtigste Typ von Maser der Wasserstoffmaser, der ein scharfes und konstantes oszillierendes Signal liefert. Es basiert auf Übergängen in atomarem Wasserstoff, die bei einer Frequenz von 1421 Megahertz auftreten. Dieser Maser wird als Atomfrequenzstandard verwendet. Zusammen mit anderen Arten von Atomuhren bilden sie die „Temps Atomique International“ oder TAI. Dies ist die internationale Zeitskala, die vom Bureau International des Poids et Mesures oder BIPM koordiniert wird.

Es waren Norman Ramsey und seine Kollegen, die dieses Gerät zum ersten Mal realisierten. Die heutigen Maser sind identisch mit dem ursprünglichen Design. Die Maser-Oszillation beruht auf stimulierter Emission zwischen zwei hyperfeinen Niveaus von atomarem Wasserstoff.

Funktionsweise

Im Folgenden wird kurz beschrieben, wie ein Wasserstoff-Maser funktioniert.

• Zunächst wird ein Strahl atomaren Wasserstoffs erzeugt, indem Wasserstoffgas bei niedrigem Druck einer Hochfrequenzentladung ausgesetzt wird. (Siehe Kasten unten im Diagramm rechts.)

• Der nächste Schritt wird als „Zustandsauswahl“ bezeichnet.“ Um eine stimulierte Emission zu erhalten, ist es notwendig, eine Populationsinversion der Atome zu erzeugen — das heißt, die meisten Atome müssen sich im angeregten Energiezustand befinden (und nicht in einem niedrigeren Energiezustand). Dies geschieht in ähnlicher Weise wie das berühmte Stern-Gerlach-Experiment. Nach dem Durchgang durch eine Apertur und ein Magnetfeld verbleiben viele der Atome im Strahl im oberen Energieniveau des Laserübergangs. Aus diesem Zustand können die Atome in den niederenergetischen Zustand zerfallen und etwas Mikrowellenstrahlung emittieren.

• Ein Mikrowellenhohlraum mit hohem Qualitätsfaktor begrenzt die Mikrowellen und injiziert sie wiederholt in den Atomstrahl. Die stimulierte Emission verstärkt die Mikrowellen bei jedem Durchgang durch den Strahl. Diese Kombination aus Verstärkung und Rückkopplung definiert alle Oszillatoren. Die Resonanzfrequenz des Mikrowellenhohlraums beträgt 1420 405 751,768 Hz, was genau auf die hyperfeine Struktur von Wasserstoff abgestimmt ist.

• Ein kleiner Bruchteil des Signals im Mikrowellenhohlraum wird in ein Koaxialkabel eingekoppelt und an einen kohärenten Empfänger gesendet.

• Das aus dem Maser austretende Mikrowellensignal hat eine sehr schwache Leistung (einige Pikowatt (pW)). Die Frequenz des Signals ist fest, aber extrem stabil. Der kohärente Empfänger wird verwendet, um das Signal zu verstärken und die Frequenz zu ändern. Dies geschieht mit einer Reihe von Phasenregelschleifen und einem Hochleistungsquarzoszillator.

Astrophysikalische Maser

In der Astronomie wird eine stimulierte Mikrowellen- und Radiowellenemission beobachtet, und dies wird normalerweise als „Masing“ bezeichnet, selbst wenn die resonante Rückkopplung fehlt, die für einen echten Maser erforderlich wäre. Technisch wird diese Form der stimulierten Emission als superradiante Emission bezeichnet und ist eng mit Laser und Masing verbunden. Eine solche Emission wird von Molekülen wie Wasser (H2O), Hydroxylradikalen (OH), Methanol (CH3OH), Formaldehyd (CH2O) und Siliziummonoxid (SiO) beobachtet.

Maser-ähnliche stimulierte Emission kommt auch in der Natur im interstellaren Raum vor. Wassermoleküle in Sternentstehungsregionen können eine Populationsinversion durchlaufen und Strahlung bei 22 GHz emittieren, wodurch die hellste Spektrallinie im Radiouniversum entsteht. Einige Wassermaser emittieren auch Strahlung aus einem Schwingungsmodus bei 96 GHz.

Siehe auch

• Ammoniak
• Elektromagnetisches Spektrum
• Wasserstoff
• Laser
• Licht
• Mikrowelle
• Optik

Anmerkungen

• Keating, Michael P. 2002. Geometrische, physikalische und visuelle Optik. Boston: Butterworth-Heinemann. ISBN 0750672625.
• Singer, J. R. 1959. Maserungen. New York: Wiley.
• Ich liebe dich. 2000. LASER: Der Erfinder, der Nobelpreisträger und der dreißigjährige Patentkrieg. New York: Simon & Schuster. ISBN 0684835150.
• Vanier, J. und C. Audoin. 1989. Die Quantenphysik der Atomfrequenzstandards. Philadelphia: A. Hilger. ISBN 9780852744338.