Inventate în urmă cu mai bine de 60 de ani, laserele cu semiconductor sunt fundamentul multor tehnologii de astăzi, inclusiv scanere cu coduri de bare, comunicații cu fibră optică, imagini medicale și telecomandă.
Posibilitățile tehnologiei laser au uimit comunitatea științifică în 1960, când laserul teoretic de lungă durată a fost demonstrat pentru prima dată. Trei centre de cercetare din SUA au început o cursă pentru a dezvolta prima versiune semiconductor a tehnologiei fără a o ști. Cele trei companii generale electrice, IBM's Thomas J. Watson Research Center și MIT's Lincoln Laboratory-Eeach au raportat prima demonstrație a unui laser semiconductor în câteva zile unul de celălalt în 1962.
Laserul semiconductorului a fost desemnat o etapă IEEE în trei ceremonii, cu o placă comemorativă instalată pentru fiecare dispozitiv.
Invenția laserului a stârnit o cursă cu trei sensuri
Conceptul de bază al laserului datează din 1917, când Albert Einstein a propus teoria „emisiilor stimulate”. Oamenii de știință știau deja că electronii pot absorbi și emite în mod spontan lumină, dar Einstein a crezut că pot fi manipulați pentru a emite la lungimi de undă specifice. A fost nevoie de ingineri zeci de ani pentru a -și transforma teoria în realitate.
La sfârșitul anilor 1940, fizicienii lucrau la îmbunătățirea proiectării tuburilor de vid utilizate de armata americană în al doilea război mondial pentru a detecta aeronavele inamice prin amplificarea semnalelor. Unul dintre ei a fost Charles Townes, cercetător la Bell Labs din Murray Hill, New Jersey. El a propus construirea unui amplificator mai puternic trecând un fascicul de unde electromagnetice printr -o cavitate care conține molecule de gaz. Valul ar stimula atomii din gaz pentru a elibera energie exact cu aceeași viteză ca unda, generând energie care ar determina -o să părăsească cavitatea ca un fascicul mai puternic.
În 1954, Townes, apoi profesor de fizică la Universitatea Columbia, a inventat un dispozitiv pe care l -a numit „maser” (scurt pentru amplificarea emisiilor stimulate de radiații). S -a dovedit a fi un precursor important al laserului.
Mulți teoreticieni le -au spus lui Townes dispozitivul său nu va funcționa niciodată, potrivit unui articol publicat de American Physical Society. Odată ce a funcționat, alți cercetători au copiat -o rapid și au început să inventeze variații, a spus articolul.
Townes și alți ingineri au crezut că pot crea o versiune optică a unui maser care ar putea produce un fascicul de lumină prin valorificarea energiei de înaltă frecvență. Un astfel de dispozitiv ar putea produce un fascicul mai puternic decât microundele, dar ar produce, de asemenea, fascicule de lumină la o varietate de lungimi de undă, de la infraroșu la lumină vizibilă. În 1958, Townes a publicat o imagine de ansamblu teoretică a „laserului”.
"Este uimitor faptul că aceste trei organizații din nord -estul Statelor Unite în urmă cu 62 de ani ne -au oferit toate aceste capacități acum și în viitor."
Mai multe echipe au lucrat împreună pentru construirea dispozitivului, iar în mai 1960, Theodore Maiman, cercetător la Laboratorul de Cercetare Hughes din Malibu, California, a construit primul laser de lucru. Trei luni mai târziu, Maiman a publicat o lucrare în revista Nature care descrie invenția, o lampă cu putere mare care a strălucit lumina pe o tijă de rubin așezată între două suprafețe de argint asemănătoare cu oglindă. Lumina produsă de fluorescența rubin oscilantă în cavitatea optică formată de suprafață realizează emisia stimulată a lui Einstein.
Laserele de bază erau acum o realitate. Inginerii au început rapid să proiecteze diverse modele.
Mulți au fost probabil cei mai încântați de potențialul laserelor cu semiconductor. Materialele semiconductoare pot fi manipulate pentru a efectua energie electrică în condițiile potrivite. În esență, laserele fabricate din materiale semiconductoare ar putea să se potrivească tuturor componentelor necesare pentru surse și amplificatoare, lentile și dispozitive de dimensiuni de micrometru cu micrometru.
„Aceste proprietăți dezirabile au capturat imaginația oamenilor de știință și ingineri din discipline”, potrivit Wikipedia, istoria ingineriei și a tehnologiei.
În 1962, o pereche de cercetători au descoperit că un material existent a fost un excelent semiconductor laser: arsenidă de galiu.
Arsenida de galiu este un material ideal pentru laserele cu semiconductor
La 9 iulie 1962, cercetătorii de laborator MIT Lincoln, Robert Keyes și Theodore Quist, au anunțat în fața unei audiențe la Conferința de cercetare a dispozitivelor solide că dezvoltă un laser cu semiconductor experimental, a declarat colegul IEEE, Paul W. Juodawlkis Ceremonia de dezvăluire la MIT. Juodawlkis a fost directorul grupului cuantic și a grupului Nanosystems integrat la MIT Lincoln Laboratory.
Laserele de la acea vreme nu erau încă capabili să emită un fascicul coerent, dar lucrarea progresează rapid, a spus Juodawlkis. Juodawlkis și Quist au uimit apoi publicul: ei ar putea arăta, au spus ei, că aproape 100 la sută din energia electrică injectată într -un semiconductor de arsenidă de galiu ar putea fi transformat în lumină.
Nimeni nu a mai făcut vreodată o astfel de cerere. Publicul era în necredință și necredința lor a fost împărtășită.
"La sfârșitul discuției lui Juodawlkis, un membru al audienței s -a ridicat și a spus:„ Ei bine, aceasta încalcă a doua lege a termodinamicii ", a spus Juodawlkis.
Publicul a izbucnit în râs. Însă fizicianul Robert N. Hall, expert în semiconductor la General Electric Research Laboratories din Schenectady, New York, i -a tăcut.
"Bob Hall a ieșit și a explicat de ce nu a încălcat a doua lege", a spus Juodawlkis. „Aceasta a fost o senzație”.
Mai multe echipe au alergat pentru a dezvolta un laser cu semiconductor de lucru, iar câștigătorul a venit în câteva zile.
Laserele cu semiconductor sunt confecționate din cristale minuscule semiconductoare suspendate într -un recipient de sticlă umplut cu azot lichid, ceea ce ajută la menținerea dispozitivului răcoros.
Hall s -a întors la GE și, inspirat de prezentările lui Juodawlkis și Quist, a devenit convins că poate conduce o echipă să creeze un laser eficient și eficient de arsenidă de galiu. El a petrecut deja ani întregi lucrând cu semiconductori, inventând așa-numitul redresor de diode „pin”.
Rectificatorul, care a folosit cristale din germaniu pur, un material semiconductor, ar putea transforma curentul alternativ în curent cu curentul direct-o dezvoltare cheie în semiconductori în stare solidă pentru transmiterea puterii.
Această experiență a accelerat dezvoltarea laserelor semiconductoare. Hall și echipa sa au folosit un dispozitiv similar cu redresorul „pin”. Au construit un laser cu diodă care a produs lumină coerentă dintr-un cristal de arsenidă de galiu, o treime dintr-o dimensiune de milimetru, sandwich într-o cavitate între două oglinzi, astfel încât lumina a sărit înainte și înapoi în mod repetat. Știrile invenției au fost publicate în numărul de 1 noiembrie 1962 al scrisorilor de revizuire fizică.
Pe măsură ce Hall și echipa sa au lucrat, la fel și cercetătorii de la Watson Research Center din Yorktown Heights, New York. Potrivit lui Ethw, în februarie 1962, Marshall I. Nathan, un cercetător IBM care a lucrat anterior la arsenida de galiu, a primit o sarcină de la șeful său de departament: pentru a construi primul laser cu arsenidă de galiu.
Nathan a condus o echipă de cercetători care a inclus William P. Dumke, Gerald Burns, Frederick H. Diehl și Gordon Rascher în dezvoltarea laserului. Au finalizat sarcina în octombrie și au profitat manual o lucrare care a prezentat lucrările lor către Applied Physics Letters, care a publicat-o pe 4 octombrie 1962.
La MIT's Lincoln Laboratory, Quist, Juodawlkis și colegul lor, Robert Reddick, au raportat rezultatele în numărul din 5 noiembrie 1962, al Applied Physics Letters.
Totul s -a întâmplat atât de repede, încât un articol din New York Times s -a minunat de „coincidența uimitoare”, menționând că oficialii IBM nu știau despre succesul lui GE până când GE a trimis o invitație la o conferință de presă.
Toate cele trei organizații au fost acum onorate de IEEE pentru munca lor. „Poate că laserele semiconductoare au avut cel mai mare impact în domeniul comunicațiilor”, a scris un articol ETHW. "În fiecare secundă, laserele semiconductoare codifică liniștit suma cunoașterii umane în lumină, permițându -i să fie împărtășită aproape instantaneu pe oceane și spațiu."
Un purtător de cuvânt al MIT a declarat pentru The Times că GE și -a obținut succesul „câteva zile sau o săptămână” înaintea propriei echipe. Atât IBM, cât și GE au solicitat brevetele americane în octombrie și ambele au fost în cele din urmă acordate.
La ceremonia de laborator Lincoln, Gioudarkis a subliniat că de fiecare dată când „efectuați un apel telefonic” sau „videoclipuri Google Silly Cat”, utilizați un laser cu semiconductor.
„Dacă ne uităm la lumea mai largă”, a spus el, „laserul cu semiconductor este într -adevăr unul dintre pietrele de temelie ale epocii informaționale”.
Și -a încheiat discursul cu un citat dintr -un articol din 1963 Time Magazine: „Dacă lumea ar trebui să aleagă între mii de programe de televiziune diferite, doar câteva diode cu grinzile lor infraroșii minuscule le -ar putea selecta simultan”.
A fost „Prescuția laserelor cu semiconductor”, a spus Gioudarkis. "Este uimitor ce au făcut aceste trei organizații din nord -est acum 62 de ani pentru a ne oferi toate aceste capacități acum și în viitor."
General Electric, Watson Research Center și Lincoln Laboratory afișează acum plăci care onorează tehnologia. Au citit:
În toamna anului 1962, primele manifestații ale laserelor semiconductoare au fost raportate de plantele Schenectady și Syracuse General Electric, THOMAS J. WATSON Cercension Center și, respectiv, la Laboratorul Lincoln al MIT. Mai mic decât un bob de orez, alimentat de injecția directă de curent și cu lungimi de undă, de la ultraviolete la lasere cu infraroșu, semiconductor sunt omniprezente în sistemele de comunicații moderne, stocarea datelor și sisteme de măsurare a preciziei.
