Измислени преди повече от 60 години, полупроводниковите лазери са в основата на много от днешните технологии, включително скенери за баркод, оптични комуникации, медицински изображения и дистанционно управление.
Възможностите на лазерната технология зашеметиха научната общност през 1960 г., когато дългооретичният лазер беше демонстриран за първи път. Три американски изследователски центъра започнаха състезание за разработване на първата полупроводникова версия на технологията, без да го знаят. Трите генерални компании Electric, Изследователският център на IBM Thomas J. Watson и Lincoln Laboratory-EAM на MIT съобщиха за първата демонстрация на полупроводник лазер в рамките на няколко дни един от друг през 1962 г.
Полупроводниковият лазер е обозначен с IEEE крайъгълен камък в три церемонии, с възпоменателна плака, инсталирана за всяко устройство.
Изобретението на лазера предизвика трипосочно състезание
Основната концепция на лазера датира от 1917 г., когато Алберт Айнщайн предложи теорията за „стимулираната емисия“. Учените вече знаеха, че електроните могат спонтанно да абсорбират и излъчват светлина, но Айнщайн смяташе, че могат да бъдат манипулирани, за да се излъчват при конкретни дължини на вълната. На инженерите бяха необходими десетилетия, за да превърнат неговата теория в реалност.
В края на 40 -те години физиците работят за подобряване на дизайна на вакуумни тръби, използвани от американските военни през Втората световна война за откриване на вражески самолети чрез усилване на сигналите. Един от тях беше Чарлз Таунс, изследовател в Bell Labs в Мъри Хил, Ню Джърси. Той предложи да се изгради по -мощен усилвател, като преминава лъч от електромагнитни вълни през кухина, съдържаща газови молекули. Вълната би стимулирала атомите в газа да отделя енергия при абсолютно същата скорост като вълната, генерирайки енергия, която би накарала да остави кухината като по -мощен лъч.
През 1954 г. Таунс, тогава професор по физика в Колумбийския университет, изобретява устройство, което той нарече "мазер" (кратко за усилване на стимулираното излъчване на радиация). Оказа се важен предшественик на лазера.
Много теоретици казаха на Таунс, че устройството му никога няма да работи, според статия, публикувана от Американското физическо общество. След като работи, други изследователи бързо го копираха и започнаха да измислят вариации, се казва в статията.
Градовете и други инженери смятаха, че могат да създадат оптична версия на Maser, който може да произведе лъч светлина, като използва високочестотна енергия. Такова устройство може да произведе лъч, по -мощен от микровълните, но също така би произвеждало лъчи светлина при различни дължини на вълната, от инфрачервена до видима светлина. През 1958 г. Таунс публикува теоретичен преглед на „лазера“.
"Удивително е, че тези три организации в Североизточните Съединени щати преди 62 години ни предоставиха всички тези възможности сега и в бъдеще."
Няколко екипа работиха заедно за изграждането на устройството, а през май 1960 г. Теодор Майман, изследовател в изследователската лаборатория на Хюз в Малибу, Калифорния, построи първия работещ лазер. Три месеца по-късно Maiman публикува хартия в списанието Nature, описваща изобретението, високомощна лампа, която свети светлина върху рубинен прът, поставен между две сребърни повърхности, подобни на огледала. Светлината, произведена от осцилиращата рубинена флуоресценция в оптичната кухина, образувана от повърхността, осъзнава стимулираната емисия на Айнщайн.
Основните лазери вече бяха реалност. Инженерите бързо започнаха да проектират различни модели.
Мнозина вероятно бяха най -развълнувани от потенциала на полупроводниковите лазери. Полупроводниковите материали могат да бъдат манипулирани за провеждане на електричество при правилните условия. По същество лазерите, направени от полупроводникови материали, могат да пасват на всички компоненти, необходими за източници на лазерна светлина и усилватели, лещи и устройства с огледала-в микрометър с размер на микрометър.
„Тези желани имоти уловиха въображението на учени и инженери в различни дисциплини“, според Уикипедия, историята на инженерството и технологиите.
През 1962 г. двойка изследователи откриват, че съществуващ материал е отличен лазерен полупроводник: галиев арсенид.
Галив арсенид е идеален материал за полупроводникови лазери
На 9 юли 1962 г. изследователите на лабораторията на MIT Lincoln Робърт Кийс и Теодор Quist обявиха пред публика на конференцията за изследване на твърдото устройство, че те разработват експериментален полупроводник лазер, заяви, че сътрудникът на IEEE Пол У. Джуодаукис по време на реч на IEEE Milestone Церемония по разкриване на MIT. Juodawlkis беше директор на квантовата информация и интегрираната група на наносистеми в MIT Lincoln Laboratory.
По това време лазерите все още не бяха в състояние да излъчват съгласуван лъч, но работата напредваше бързо, каза Джуодаулкис. След това Juodawlkis и Quist зашеметиха публиката: те могат да покажат, казаха, че почти 100 процента от електрическата енергия, инжектирана в полупроводник на галий арсенид, могат да бъдат превърнати в светлина.
Никой досега никой не е отправял такова твърдение. Публиката беше в неверие и тяхното неверие беше споделено.
„В края на беседата на Juodawlkis членът на публиката се изправи и каза:„ Е, това нарушава втория закон на термодинамиката “, каза Juodawlkis.
Публиката избухна от смях. Но физикът Робърт Н. Хол, експерт по полупроводникови в General Electric Research Laboratories в Schenectady, Ню Йорк, ги заглуши.
"Боб Хол излезе и обясни защо не нарушава втория закон", каза Юодаулкис. "Това беше усещане."
Множество отбори се състезаваха, за да развият работещ полупроводник лазер, а победителят дойде в рамките на дни.
Полупроводниковите лазери са изработени от малки полупроводникови кристали, окачени в стъклен контейнер, пълен с течен азот, което помага да се запази устройството хладно.
Хол се завърна в GE и, вдъхновен от презентациите на Juodawlkis и Quist, се убеди, че той може да ръководи екип, който да създаде ефикасен, ефективен лазер на галий арсенид. Той вече беше прекарал години в работа с полупроводници, измисляйки така наречения диоден изправител "Пин".
Токоизправителят, който използва кристали, изработени от чист германий, полупроводников материал, може да преобразува редуващи се ток в директно развитие на тока-ключове в твърдо състояние полупроводници за предаване на мощност.
Този опит ускори развитието на полупроводникови лазери. Хол и неговият екип използваха устройство, подобно на токоизправител "щифт". Те изградиха диоден лазер, който произвеждаше кохерентна светлина от кристал на галий арсенид с една трета от милиметър с размер, задушена в кухина между две огледала, така че светлината да отскача напред и назад многократно. Новините за изобретението са публикувани в изданието на писма за физически преглед на 1 ноември 1962 г.
Докато Хол и неговият екип работеха, така и изследователите в изследователския център на Уотсън в Йорктаун Хайтс, Ню Йорк. Според ETHW, през февруари 1962 г. Маршал I. Натан, изследовател на IBM, който преди това е работил върху галий Арсенид, е получил задача от ръководителя на своя отдел: да построи първия лазер на галий Арсенид.
Нейтън ръководи екип от изследователи, който включваше Уилям П. Дъмке, Джералд Бърнс, Фредерик Х. Диел и Гордън Рашер при развитието на лазера. Те изпълниха задачата през октомври и предадоха ръчна хартия, очертаваща работата си на приложни писма по физика, която я публикува на 4 октомври 1962 г.
В лабораторията на Lincoln на MIT, Quist, Juodawlkis и техният колега Робърт Реддик съобщават за резултатите от 5 ноември 1962 г., изданието на писмата за приложна физика.
Всичко се случи толкова бързо, че статия на New York Times се удиви на "удивителното съвпадение", отбелязвайки, че служителите на IBM не знаеха за успеха на GE, докато GE не изпрати покана на пресконференция.
И трите организации вече са почитани от IEEE за тяхната работа. „Може би полупроводниковите лазери са оказали най -голямо влияние в областта на комуникациите“, пише статия на ETHW. "Всяка секунда полупроводникови лазери тихо кодират сумата на човешкото познание в светлина, което позволява да се споделя почти моментално в океаните и пространството."
Говорител на MIT заяви пред The Times, че GE е постигнал успеха си „няколко дни или седмица“ пред собствения си екип. И IBM, и GE кандидатстваха за американски патенти през октомври и двамата в крайна сметка бяха предоставени.
На церемонията по лабораторията на Линкълн Джударкис посочи, че всеки път, когато „осъществявате телефонно обаждане“ или „Google Silly Cat Cidees“, „използвате полупроводник лазер.
"Ако погледнем по -широкия свят", каза той, "полупроводниковият лазер наистина е един от крайъгълните камъни на информационната епоха."
Той завърши речта си с цитат от статия на списание Time от 1963 г.: "Ако светът трябваше да избира между хиляди различни телевизионни програми, само няколко диода с малките си инфрачервени лъчи могат да изберат всички тях едновременно."
Това беше "предсказанието на полупроводниковите лазери", каза Джударкис. "Удивително е какво направиха тези три организации в Североизтока преди 62 години, за да ни дадат всички тези възможности сега и в бъдеще."
General Electric, The Watson Research Center и Lincoln Laboratory сега показват плаки, които почитат технологията. Те четат:
През есента на 1962 г. са докладвани първите демонстрации на полупроводникови лазери от растенията Schenectady и Syracuse на General Electric, изследователския център на IBM Thomas J. Watson и Lincoln Laboratory на MIT. По -малки от зърно ориз, захранван от инжектиране на директен ток и с дължини на вълната, вариращи от ултравиолетово до инфрачервено, полупроводниковите лазери са повсеместни в съвременните комуникации, съхранение на данни и прецизни измервателни системи.
