Maser: de stille voorloper van de laser die nog steeds onmisbaar is

Bijgewerkt: 5 augustus 2026 · 5 min leestijd

Een maser is een apparaat dat microgolven versterkt of opwekt met behulp van een natuurkundig proces dat 'gestimuleerde emissie' heet. De naam is een afkorting van Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Je kunt het vergelijken met een koor waarin alle zangers precies dezelfde toon zingen, in perfecte pas: het resultaat is een geluid dat veel zuiverder en sterker is dan wanneer iedereen willekeurig door elkaar zingt. In een maser doen atomen of moleculen iets vergelijkbaars, maar dan met microgolfstraling in plaats van geluid.

De maser bestond al vóór zijn beroemdere broertje, de laser, die hetzelfde principe gebruikt maar dan met zichtbaar licht. Vandaag de dag hoor je zelden over de maser in het nieuws, maar het apparaat draait al decennia onopvallend mee in atoomklokken, in de ontvangers van ruimtevaartorganisaties en in de telescopen die in 2019 de allereerste foto van een zwart gat maakten. Recent onderzoek probeert de maser bovendien uit de vrieskou te halen: nieuwe varianten werken voor het eerst gewoon op kamertemperatuur.

Wat is het precies?

Atomen en moleculen kunnen energie opnemen en weer afgeven in de vorm van straling. Normaal gebeurt dat willekeurig: een aangeslagen atoom zendt op een onvoorspelbaar moment een golfje energie uit, in een willekeurige richting. Dit heet spontane emissie.

Bij gestimuleerde emissie gebeurt er iets bijzonders. Als een binnenkomende golf een al aangeslagen atoom raakt, kan dat atoom worden 'getriggerd' om precies op dat moment, in dezelfde richting en met dezelfde golflengte, zijn energie af te geven. De binnenkomende golf komt er dus versterkt uit: één golf gaat erin, twee identieke golven komen eruit. Herhaal dat met miljarden atomen en je krijgt een sterk, extreem zuiver signaal.

Om dit te laten werken heb je een populatie-inversie nodig: meer atomen in een aangeslagen (energierijke) toestand dan in de rusttoestand. Dat bereik je door het materiaal van buitenaf energie toe te dienen, bijvoorbeeld met licht, met een elektrisch veld, of door alleen de aangeslagen moleculen uit een bundel te filteren, zoals in de allereerste maser gebeurde met ammoniakmoleculen.

Het verschil met een laser zit in de golflengte: een maser werkt met microgolven, met golflengtes van millimeters tot centimeters, terwijl een laser met veel kortere lichtgolven werkt. Klassieke masers hebben vaak extreme koeling nodig, tot bijna het absolute nulpunt (min 273,15 graden Celsius), omdat warmte de nette populatie-inversie verstoort. Dat maakte masers lange tijd kostbaar en onhandelbaar, tot onderzoekers manieren vonden om ze ook bij kamertemperatuur te laten werken.

Wat wil men ermee bereiken?

Het grote voordeel van een maser is dat hij extreem weinig eigen ruis toevoegt aan een signaal. Bij het versterken van signalen introduceert vrijwel elke elektronische component wat eigen 'gefluister', vergelijkbaar met de sissende achtergrond van een oude radio. Een maser doet dit nauwelijks, waardoor hij bij uitstek geschikt is om extreem zwakke signalen op te vangen, zoals radiogolven uit de diepe ruimte of van sterrenstelsels ver weg.

Daarnaast kan een maser dienen als de kloppende hartslag van een atoomklok. Omdat atomen en moleculen bij welbepaalde, vaste frequenties trillen, kan een maser die frequentie extreem nauwkeurig vasthouden. Dat maakt het mogelijk om tijd tot op miljardsten van seconden nauwkeurig bij te houden, iets dat essentieel is voor satellietnavigatie en voor wetenschappelijke metingen die op precieze synchronisatie steunen.

Onderzoekers naar kamertemperatuur-masers hebben nog een ander doel: de dure en logge cryogene koeling wegnemen, zodat maser-technologie ook buiten gespecialiseerde laboratoria en observatoria bruikbaar wordt, bijvoorbeeld in compacte sensoren of in de uitleesapparatuur van kwantumcomputers.

Voorbeelden uit de praktijk

De eerste maser (1953-1954) — Natuurkundige Charles Townes en zijn team bouwden aan Columbia University de allereerste werkende maser, gebaseerd op ammoniakmoleculen. Onafhankelijk werkten de Sovjet-natuurkundigen Nikolai Basov en Aleksandr Prokhorov aan het Lebedev-instituut in Moskou aan hetzelfde principe. In 1964 ontvingen alle drie de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor dit werk.

Waterstofmaser-atoomklokken in Galileo — De Europese satellietnavigatie Galileo gebruikt aan boord van elke satelliet een 'passieve waterstofmaser' als extreem stabiele klok, naast atoomklokken op basis van rubidium. Deze maser-klokken, ontwikkeld door de Franse fabrikant Safran (voorheen Spectratime), zorgen voor de precieze tijdsbepaling waarop plaatsbepaling via gps-achtige systemen steunt.

Event Horizon Telescope (2019) — Voor de eerste foto ooit van een zwart gat moesten radiotelescopen over de hele wereld, van Chili tot Antarctica, hun waarnemingen tot op de nanoseconde nauwkeurig synchroniseren. Dit gebeurde met behulp van waterstofmaser-klokken op elke locatie, essentieel voor de techniek die 'very long baseline interferometry' (VLBI) heet.

NASA's Deep Space Network — Sinds de jaren zestig gebruikt NASA cryogeen gekoelde 'travelling-wave masers' als extreem ruisarme voorversterkers in de grote schotelantennes waarmee signalen van verre ruimtesondes worden opgevangen, zoals de Voyager-missies. Het zwakke signaal dat na miljarden kilometers overblijft, is zonder zo'n ruisarme versterking niet meer bruikbaar.

Kamertemperatuur-maser (2012 en 2018) — Onderzoekers van het National Physical Laboratory (NPL) in het Verenigd Koninkrijk demonstreerden in 2012 de eerste vaste-stof maser die bij kamertemperatuur werkte, met een kristal van pentaceen-gedoteerd para-terfenyl, al werkte deze versie alleen kortstondig in pulsen. In 2018 volgde een doorbraak naar continu bedrijf, met onderzoek van onder meer Imperial College London, waarbij diamant met zogeheten stikstof-vacaturecentra (kleine onvolkomenheden in het kristalrooster) als actief materiaal diende.

Hoe ver is de techniek?

Klassieke, cryogeen gekoelde masers zijn volwassen technologie: ze draaien al meer dan een halve eeuw betrouwbaar in atoomklokken en ruimtevaartontvangers. Dat deel van het veld verandert vooral geleidelijk, met kleine verbeteringen in stabiliteit en compactheid.

Het spannendste ontwikkelingsfront is de kamertemperatuur-maser. Sinds de doorbraken van 2012 en 2018 wordt er gezocht naar materialen die stabieler zijn, minder optisch pompvermogen nodig hebben en meer uitgangsvermogen leveren. Op dit moment leveren experimentele kamertemperatuur-masers nog maar microwatts aan vermogen, ruim onder wat praktische toepassingen buiten het lab vereisen.

Een belangrijk obstakel is dat halfgeleiderversterkers, zoals die in vrijwel alle huidige elektronica zitten, goedkoop, compact en voor de meeste toepassingen al ruisarm genoeg zijn. De maser moet zijn niche vinden waar extreem lage ruis echt het verschil maakt: radioastronomie, diepe-ruimtecommunicatie en mogelijk het uitlezen van kwantumbits in kwantumcomputers, waar iedere extra ruisbron een meetresultaat kan verstoren. Onderzoekers zijn hier nog volop mee bezig; grootschalige commerciële toepassing van kamertemperatuur-masers is er tot nu toe niet.

Wie werken eraan?

Historisch gezien liggen de wortels van de maser bij Columbia University in de Verenigde Staten (Charles Townes) en het Lebedev Natuurkundig Instituut in Rusland, destijds de Sovjet-Unie (Nikolai Basov en Aleksandr Prokhorov).

Op het gebied van kamertemperatuur-masers lopen het National Physical Laboratory (NPL) en Imperial College London, beide in het Verenigd Koninkrijk, voorop met fundamenteel onderzoek naar nieuwe kristallen en ontwerpen.

Voor toepassingen in de ruimtevaart is NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL) de belangrijkste partij, met de travelling-wave masers in het Deep Space Network. In Europa levert de Franse fabrikant Safran de waterstofmaser-klokken voor het Galileo-satellietnavigatiesysteem, een programma van de Europese Unie en het Europees Ruimteagentschap ESA. Daarnaast werken diverse universitaire onderzoeksgroepen wereldwijd aan nieuwe materialen voor vaste-stof masers, vaak in samenwerking met natuurkundige metrologie-instituten die ook atoomklokken ontwikkelen.