Izumili so pred več kot 60 leti, polprevodniški laserji so temelj mnogih današnjih tehnologij, vključno s skenerji črtne kode, optično komunikacijo, medicinsko slikanje in daljinskim nadzorom.
Možnosti laserske tehnologije so znanstveno skupnost osupnile leta 1960, ko je bil prvič dokazan dolgo teoretični laser. Trije ameriški raziskovalni centri so začeli dirko za razvoj prve polprevodniške različice tehnologije, ne da bi jo vedeli. Tri generalna podjetja Electric, IBM-ov raziskovalni center Thomas J. Watson in MIT-ov Lincoln Laboratory-Each so poročali o prvi predstavitvi polprevodniškega laserja v nekaj dneh leta 1962.
Polprevodniški laser je bil v treh ceremonijah označen z mejniki IEEE, za vsako napravo pa je nameščena spominska plošča.
Izum laserja je sprožil tristransko dirko
Osrednji koncept laserja sega v leto 1917, ko je Albert Einstein predlagal teorijo o "stimulirani emisiji." Znanstveniki so že vedeli, da lahko elektroni spontano absorbirajo in oddajajo svetlobo, vendar je Einstein mislil, da jih je mogoče manipulirati, da bi oddajali na določenih valovnih dolžinah. Inženirje je potreboval desetletja, da so svojo teorijo spremenili v resničnost.
V poznih 40. letih so se fiziki trudili izboljšati oblikovanje vakuumskih cevi, ki jih ameriška vojska uporablja v drugi svetovni vojni za odkrivanje sovražnih zrakoplovov z ojačanjem signalov. Eden od njih je bil Charles Townes, raziskovalec v Bell Labs v Murray Hillu v New Jerseyju. Predlagal je gradnjo močnejšega ojačevalnika s prehodom žarka elektromagnetnih valov skozi votlino, ki vsebuje molekule plina. Val bi spodbudil atome v plinu, da bi sprostili energijo z enako hitrostjo kot val, kar bi ustvarilo energijo, zaradi katere bi pustila votlino kot močnejši žarek.
Leta 1954 je Townes, takrat profesor fizike na univerzi Columbia, izumil napravo, ki jo je imenoval "Maser" (kratko za ojačanje stimulirane emisije sevanja). Izkazalo se je, da je to pomemben predhodnik laserja.
Številni teoretiki so za Townes povedali, da njegova naprava nikoli ne bo delovala, v skladu s člankom, ki ga je objavilo Ameriško fizično društvo. Ko je deloval, so ga drugi raziskovalci hitro kopirali in začeli izumiti različice, so zapisali v članku.
Townes in drugi inženirji so menili, da lahko ustvarijo optično različico maserja, ki bi lahko ustvarila žarek svetlobe z izkoriščanjem visokofrekvenčne energije. Takšna naprava lahko ustvari žarek, ki je močnejši od mikrovalovnih pečic, hkrati pa bi ustvarila tudi žarke svetlobe pri različnih valovnih dolžinah, od infrardeče do vidne svetlobe. Leta 1958 je Townes objavil teoretični pregled "laserja".
"Neverjetno je, da so nam te tri organizacije na severovzhodu ZDA pred 62 leti zagotovile vse te zmogljivosti zdaj in v prihodnosti."
Več ekip je sodelovalo pri gradnji naprave in maja 1960 je Theodore Maiman, raziskovalec v raziskovalnem laboratoriju Hughes v Malibuju v Kaliforniji, zgradil prvi delovni laser. Tri mesece pozneje je Maiman v reviji Nature objavil prispevek, v katerem opisuje izum, močno svetilko, ki je sijala svetlobo na rubinsko palico, nameščena med dve zrcali podobni srebrni površini. Svetloba, ki jo proizvaja nihajoča rubina fluorescenca v optični votlini, ki jo tvori površina, realizira Einsteinovo stimulirano emisijo.
Osnovni laserji so bili zdaj resničnost. Inženirji so hitro začeli oblikovati različne modele.
Mnogi so bili verjetno najbolj navdušeni nad potencialom polprevodniških laserjev. Polprevodniške materiale se lahko manipulirajo za izvajanje električne energije v pravih pogojih. V bistvu bi lahko laserji, narejeni iz polprevodniških materialov, ustrezali vsem komponentam, potrebnim za lasersko svetlobo in ojačevalnike, leče in zrcala-mikrometrske naprave.
"Te zaželene lastnosti so zajele domišljijo znanstvenikov in inženirjev v disciplinah," je povedala Wikipedia, zgodovina inženiringa in tehnologije.
Leta 1962 je par raziskovalcev odkril, da je obstoječi material odličen laserski polprevodnik: Gallium arsenid.
Gallium arsenid je idealen material za polprevodniške laserje
9. julija 1962 sta laboratorijski raziskovalci MIT Lincoln Robert Keyes in Theodore Quist pred občinstvom na konferenci o raziskavi naprav naprav v trdnem stanju razvili, da razvijajo eksperimentalni polprevodniški laser, je med govorom na mejniki IEEE povedal IEEE sodelavec IEEE Paul W. Juodawlkis Slovesnost razkritja na MIT. Juodawlkis je bil direktor kvantne informacije in integrirane skupine nanosistemov v laboratoriju MIT Lincoln.
Takratni laserji še niso mogli oddajati skladnega žarka, vendar je delo hitro napredovalo, je dejal Juodawlkis. Juodawlkis in Quist sta nato omamila občinstvo: lahko so pokazali, da je mogoče skoraj 100 odstotkov električne energije, ki je vbrizgala v polprevodnik Gallium arsenida, pretvoriti v svetlobo.
Nihče še ni vložil takšne trditve. Občinstvo je bilo v neverici in njihovo nevero je bilo deljeno.
"Na koncu pogovora o Juodawlkisu je član občinstva vstal in rekel:" No, to krši drugi zakon termodinamike "," je dejal Juodawlkis.
Občinstvo je izbruhnilo v smehu. Toda fizik Robert N. Hall, strokovnjak za polprevodnike v General Electric Research Laboratories v Schenectadyju v New Yorku, jih je utišal.
"Bob Hall je izšel in razložil, zakaj ni kršil drugega zakona," je dejal Juodawlkis. "To je bil občutek."
Več ekip je dirkalo, da bi razvile delovni polprevodniški laser, zmagovalec pa je prišel v nekaj dneh.
Polprevodniški laserji so narejeni iz drobnih polprevodniških kristalov, obešenih v stekleni posodi, napolnjeni s tekočim dušikom, kar pomaga ohranjati hladno napravo.
Hall se je vrnil v GE in navdihnil predstavitev Juodawlkisa in Quista, je postal prepričan, da lahko vodi ekipo, da ustvari učinkovit, učinkovit laser Gallium Arsenide. Dolga leta je sodeloval s polprevodniki in izumil tako imenovani usmernik "PIN" diode.
Umernik, ki je uporabljal kristale iz čistega germanija, polprevodniškega materiala, bi lahko pretvoril izmenični tok v usmerjanje ključnega razvoja toka-A v polprevodnikih v trdnem stanju za prenos moči.
Ta izkušnja je pospešila razvoj polprevodniških laserjev. Hall in njegova ekipa sta uporabila napravo, podobno usmeru "PIN". Zgradili so diodni laser, ki je ustvaril koherentno svetlobo iz kristala galijevega arsenida, ki je veliko tretjina milimetra, zasut v votlino med dvema ogledaloma, tako da je svetloba večkrat odskočila naprej in nazaj. Novice o izumu so bile objavljene v številki Physical Review Letters 1. novembra 1962.
Ko so Hall in njegova ekipa delovali, so to storili tudi raziskovalci v raziskovalnem centru Watson v Yorktown Heightsu v New Yorku. Po besedah ETHW je februarja 1962 Marshall I. Nathan, IBM -ov raziskovalec, ki je prej delal na Gallium Arsenide, prejel nalogo od svojega oddelka: zgraditi prvi laser Gallium Arsenide.
Nathan je vodil skupino raziskovalcev, v kateri so bili William P. Dumke, Gerald Burns, Frederick H. Diehl in Gordon Rascher pri razvoju laserja. Nalogo so opravili oktobra in izročili papir, v katerem so opisali svoje delo na uporabljena fizikalna pisma, ki so jo objavili 4. oktobra 1962.
V MIT -ovem laboratoriju Lincoln, Quist, Juodawlkis in njihov kolega Robert Reddick so poročali o rezultatih v 5. novembru 1962, številki uporabnih fizičnih pisem.
Vse se je zgodilo tako hitro, da se je članek New York Timesa čudil "presenetljivemu naključju", pri čemer je poudaril, da uradniki IBM za uspeh GE niso vedeli, dokler GE ne pošlje povabila na tiskovno konferenco.
Vse tri organizacije so IEEE zdaj počastile za svoje delo. "Morda so polprevodniški laserji imeli največji vpliv na področju komunikacij," je zapisal članek ETHW. "Vsako sekundo, polprevodniški laserji tiho kodirajo vsoto človeškega znanja v svetlobo, kar omogoča, da se skoraj v trenutku deli po oceanih in prostoru."
Tiskovni predstavnik MIT je za Times povedal, da je GE dosegel svoj uspeh "nekaj dni ali teden" pred lastno ekipo. Oktobra sta se za ameriške patente zaprosila za IBM in GE in oba sta bila na koncu odobrena.
Na laboratorijski slovesnosti Lincoln je Gioudarkis poudaril, da vsakič, ko "pokličete telefonski klic" ali "Google Silly Cat video posnetke", uporabljate polprevodniški laser.
"Če pogledamo širši svet," je dejal, "je polprevodniški laser res eden od temeljev informacijske dobe."
Svoj govor je končal s citatom iz članka iz revije Time iz leta 1963: "Če bi moral svet izbrati med tisoč različnih televizijskih programih, bi le nekaj diod z njihovimi drobnimi infrardečimi tramovi lahko izbralo vse hkrati."
To je bila "predsedovanje polprevodniških laserjih," je dejal Gioudarkis. "Neverjetno je, kaj so te tri organizacije na severovzhodu storile pred 62 leti, da bi nam dale vse te zmogljivosti zdaj in v prihodnosti."
General Electric, Raziskovalni center Watson in Lincoln Laboratory zdaj prikazujejo plakete, ki počastijo tehnologijo. Berejo:
Jeseni 1962 so o prvih demonstracijah polprevodniških laserjev poročali rastline Schenectady in Syracuse General Electric, IBM -ov raziskovalni center Thomas J. Watson in MIT -ov Lincoln Laboratory. Manjši od zrnja riža, ki ga poganja neposredna vbrizgavanje toka, in z valovnimi dolžinami, ki segajo od ultravijoličnega do infrardečega, so polprevodniški laserji vseprisotni v sodobnih komunikacijah, shranjevanju podatkov in natančnosti merilnih sistemov.
