分子振荡器的略图如图1所示。分子束(通常为氨分子)由分子源l飞出，沿电容器2的轴线穿过，电容器通常是由四个极棒相同地接到
高压电源的正极和负极所组成的。能够辐射的分子和吸收无线电波的分子就在这个电容器的场中分开。
当把氨分子放在电场中时，它的能级就发生迁移。达时随着电场强度的增大，我们感兴趣的高能级的能量便增加一些，而低能级的能量却降低了。因为任何系统都力图趋向最小位能状态，所以处于低能状态的那些氨分子。就有被拉入强电场区域的趋势。在那里它们的能量降低了。相反的，处于高能状态的活化分子，有跑到没有场的区域的趋势。在这种四极电容器中，电场是沿着接近轴线的方向减弱的。因此活化分子向电容器轴线上集中，其余的分子则偏到外围去。以后活化分子进入调谐于分子谱线频率(对氨来说λ=12.6毫米)的空腔谐振器3，容器中的空气要抽尽。
达时器件可能有两种工作状态：放大状态和振荡状态。谐振器中的活化氨分子束与=12.6毫米的输入电磁波的相互作用，使得各分子将多余的能量交给电磁波，从而使电磁波能量加强。当活化分子束交给谐振器的能量足够大时，就能补偿谐振器壁上的能量耗损和送给有效负载的能量。这时谐振器中能激励出电磁振荡。
分子振荡器的特点是频率的最大稳定度（）大大超过了普通的
晶体振荡器。但由分子振荡器所得到的功率是极小的，一般不超过1010分之几瓦。分子放大器的噪声电平非常低，放大系数可能到10-20分贝。
氨(NH3)分子形如一个菱锥体，氮原子处于顶点，如图2所示。由于氮原子相对于氢原子所取的位置不同，氨分子有两个能态。如果在一个盛有氨的容器中有足够多的原子处于高能态，则一个能量等于两能量差的光子就能触发一个连锁反应，其中受激辐射超过吸收，从而由相继发生的受激辐射产生一个放大的波。对于氨的情况，将给出频率为23870MHz(即λ=1.25cm)的波。
概述图为一氨分子放大器结构的示意图。从一个盛有压强为几百帕的氨气的容器接出一组细管子直接供应氨分子。然后，分子束经过一个静电聚焦器。此静电聚焦器的作用是使高能态的分子会聚，而使低能态的分子发散。聚焦器本身是一个由四根长55cm，彼此相距1cm的棍构成的笼子。这些棍用作电极，两个相对电极接地，两其他两个保持有15kV的电压。用这样一种简单的方法可以除去低能态分子，使得在离开聚焦系统的气体中实现粒子反转。然后聚焦了的高能分子进入谐振腔。该谐振腔的谐振频率应等于氨分子高、低能态间的能量差对应的频率，即23870MHz。因此，假如有这个频率的微波信号馈入此腔，则它只能激发向下的跃迁，因而得到放大。假如有足够多的高能分子注入腔中，则自发辐射能引起一自持连续反应，这时氨分子放大器成为振荡器。
氨分子振荡器的输出功率十分低，大约只有10-10W，但具有特别高的光谱纯度（在一分钟内，线宽为5Hz，或是工作频率的10-10）。作为放大器，它受到窄带宽的限制，带宽在中心频率附近仅数千赫。此外，该装置不能调谐到不同频率上工作。由于这些原因，氨分子振荡器宜用作频率标准。