Opfundet for mere end 60 år siden er halvlederlasere grundlaget for mange af dagens teknologier, herunder stregkodescannere, fiberoptisk kommunikation, medicinsk billeddannelse og fjernbetjening.
Mulighederne for laserteknologi bedøvede det videnskabelige samfund i 1960, da den længe teoretiske laser blev demonstreret for første gang. Tre amerikanske forskningscentre begyndte et løb om at udvikle den første halvlederversion af teknologien uden at vide det. De tre selskabsgeneral Electric, IBMs Thomas J. Watson Research Center og MIT's Lincoln Laboratory-hver rapporterede den første demonstration af en halvlederlaser inden for et par dage efter hinanden i 1962.
Halvlederlaseren blev udpeget til en IEEE -milepæl i tre ceremonier, med en mindedommer installeret til hver enhed.
Opfindelsen af laseren udløste et trevejs løb
Kernekonceptet for laseren stammer tilbage til 1917, da Albert Einstein foreslog teorien om "stimuleret emission." Forskere vidste allerede, at elektroner spontant kunne absorbere og udsende lys, men Einstein troede, at de kunne manipuleres for at udsende ved specifikke bølgelængder. Det tog ingeniører årtier at omdanne sin teori til virkelighed.
I slutningen af 1940'erne arbejdede fysikere for at forbedre designet af vakuumrør, der blev brugt af det amerikanske militær i 2. verdenskrig for at opdage fjendens fly ved at forstærke signaler. En af dem var Charles Townes, en forsker ved Bell Labs i Murray Hill, New Jersey. Han foreslog at bygge en mere kraftfuld forstærker ved at passere en stråle af elektromagnetiske bølger gennem et hulrum indeholdende gasmolekyler. Bølgen ville stimulere atomer i gassen til at frigive energi med nøjagtig den samme hastighed som bølgen, hvilket genererer energi, der ville få den til at forlade hulrummet som en mere kraftfuld bjælke.
I 1954 opfandt Townes, dengang professor i fysik ved Columbia University, en enhed, han kaldte en "maser" (forkortet for forstærkning af stimuleret emission af stråling). Det viste sig at være en vigtig forløber for laseren.
Mange teoretikere fortalte Townes, at hans enhed aldrig ville fungere, ifølge en artikel offentliggjort af American Physical Society. Når det fungerede, kopierede andre forskere det hurtigt og begyndte at opfinde variationer, siger artiklen.
Townes og andre ingeniører troede, at de kunne skabe en optisk version af en maser, der kunne producere en lysstråle ved at udnytte højfrekvent energi. En sådan enhed producerer muligvis en stråle, der er mere kraftfuld end mikrobølger, men den ville også producere lysstråler ved en række bølgelængder, fra infrarød til synligt lys. I 1958 offentliggjorde Townes en teoretisk oversigt over "laseren."
"Det er forbløffende, at disse tre organisationer i det nordøstlige USA for 62 år siden forsynede os med alle disse kapaciteter nu og i fremtiden."
Flere hold arbejdede sammen for at bygge enheden, og i maj 1960 byggede Theodore Maiman, en forsker ved Hughes Research Laboratory i Malibu, Californien, den første fungerende laser. Tre måneder senere udgav Maiman et papir i tidsskriftet Nature, der beskrev opfindelsen, en højdrevet lampe, der skinnede lys på en Ruby-stang placeret mellem to spejllignende sølvoverflader. Det lys, der er produceret af den svingende rubinfluorescens i det optiske hulrum dannet af overfladen, realiserer Einsteins stimulerede emission.
Grundlæggende lasere var nu en realitet. Ingeniører begyndte hurtigt at designe forskellige modeller.
Mange var sandsynligvis mest begejstrede for potentialet for halvlederlasere. Halvledermaterialer kan manipuleres for at udføre elektricitet under de rigtige betingelser. I det væsentlige kunne lasere fremstillet af halvledermaterialer passe til alle de komponenter, der er nødvendige til en laserlys kilder og forstærkere, linser og spejle-til-mikrometer-størrelse enheder.
"Disse ønskelige egenskaber fangede fantasien hos forskere og ingeniører på tværs af discipliner," ifølge Wikipedia, teknik og teknologi.
I 1962 opdagede et par forskere, at et eksisterende materiale var en fremragende laser -halvleder: Gallium Arsenide.
Gallium Arsenide er et ideelt materiale til halvlederlasere
Den 9. juli 1962 meddelte MIT Lincoln Laboratory-forskere Robert Keyes og Theodore Quist før et publikum på Solid-State Device Research Conference, at de udviklede en eksperimentel halvlederlaser, IEEE-stipendiat Paul W. Juodawlkis sagde under en tale på IEEE Milestone Afsløring af ceremoni hos MIT. Juodawlkis var direktør for Quantum Information og Integrated Nanosystems Group på MIT Lincoln Laboratory.
Laserne på det tidspunkt var endnu ikke i stand til at udsende en sammenhængende bjælke, men arbejdet gik hurtigt videre, sagde Juodawlkis. Juodawlkis og Quist bedøvede derefter publikum: De kunne vise, sagde de, at næsten 100 procent af den elektriske energi, der blev indsprøjtet til en galliumarsenid -halvleder, kunne omdannes til lys.
Ingen havde nogensinde fremsat et sådant krav før. Publikum var i vantro, og deres vantro blev delt.
"I slutningen af Juodawlkis 'tale stod et publikummedlem op og sagde:' Nå, dette krænker den anden lov om termodynamik, '" sagde Juodawlkis.
Publikum brød ud af latter. Men fysiker Robert N. Hall, en halvlederekspert hos General Electric Research Laboratories i Schenectady, New York, dæmpede dem.
"Bob Hall kom ud og forklarede, hvorfor det ikke overtrådte den anden lov," sagde Juodawlkis. "Det var en sensation."
Flere hold kørte for at udvikle en fungerende halvlederlaser, og vinderen kom inden for få dage.
Halvlederlasere er lavet af små halvlederkrystaller ophængt i en glasbeholder fyldt med flydende nitrogen, hvilket hjælper med at holde enheden kølig.
Hall vendte tilbage til GE og blev inspireret af Juodawlkis og Quists præsentationer overbevist om, at han kunne føre et hold til at skabe et effektivt, effektivt galliumarsenid -laser. Han havde allerede brugt år på at arbejde med halvledere og opfinde den såkaldte "pin" -diode-ensretter.
Rektøren, der brugte krystaller lavet af rent germanium, et halvledermateriale, kunne konvertere vekselstrøm til at direkte strøm-A-nøgleudvikling i solid-state halvledere til kraftoverførsel.
Denne oplevelse fremskyndede udviklingen af halvlederlasere. Hall og hans team brugte en enhed, der ligner "pin" ensretter. De byggede en diodelaser, der producerede sammenhængende lys fra en galliumarsenid-krystal en tredjedel af en millimeter i størrelse, klemt i et hulrum mellem to spejle, så lyset sprang frem og tilbage gentagne gange. Nyheder om opfindelsen blev offentliggjort i 1. november 1962 -udgaven af Physical Review Letters.
Da Hall og hans team arbejdede, gjorde forskere også for Watson Research Center i Yorktown Heights, New York. Ifølge ETHW modtog Marshall I. Nathan, en IBM -forsker, der tidligere havde arbejdet på Gallium Arsenide, i februar 1962 en opgave fra sin afdelingsleder: at bygge den første galliumarsenid -laser.
Nathan ledede et team af forskere, der inkluderede William P. Dumke, Gerald Burns, Frederick H. Diehl og Gordon Rascher i udviklingen af laseren. De afsluttede opgaven i oktober og leverede et papir, der skitserede deres arbejde med anvendte fysikbrev, der offentliggjorde den den 4. oktober 1962.
På MITs Lincoln Laboratory rapporterede Quist, Juodawlkis og deres kollega Robert Reddick resultaterne i den 5. november 1962, spørgsmålet om anvendte fysikbrev.
Det hele skete så hurtigt, at en New York Times -artikel undrede sig over den "forbløffende tilfældighed", og bemærkede, at IBM -embedsmænd ikke vidste om GE's succes, før GE sendte en invitation til en pressekonference.
Alle tre organisationer er nu blevet hædret af IEEE for deres arbejde. "Måske har Semiconductor -lasere haft deres største indflydelse inden for kommunikationsområdet," skrev en ETHW -artikel. "Hvert sekund kodede halvlederlasere roligt summen af menneskelig viden i lys, hvilket gør det muligt at dele næsten øjeblikkeligt på tværs af oceaner og rum."
En talsmand for MIT fortalte The Times, at GE havde opnået sin succes "et par dage eller en uge" før sit eget hold. Både IBM og GE ansøgte om amerikanske patenter i oktober, og begge blev til sidst tildelt.
Ved Lincoln -laboratorieceremonien påpegede Gioudarkis, at hver gang du "foretager et telefonopkald" eller "Google Silly Cat -videoer", bruger du en halvlederlaser.
"Hvis vi ser på den bredere verden," sagde han, "halvlederlaseren er virkelig en af hjørnestenene i informationsalderen."
Han sluttede sin tale med et citat fra en tidsskrivelse fra 1963 Time Magazine: "Hvis verden skulle vælge mellem tusinder af forskellige tv -programmer, kunne kun et par dioder med deres små infrarøde bjælker vælge dem alle samtidig."
Det var "Prescience of Semiconductor Lasers", sagde Gioudarkis. "Det er forbløffende, hvad disse tre organisationer i nordøst gjorde for 62 år siden for at give os alle disse kapaciteter nu og i fremtiden."
General Electric, Watson Research Center og Lincoln Laboratory viser nu plaques ære for teknologien. De læste:
I efteråret 1962 blev de første demonstrationer af halvlederlasere rapporteret af General Electric's Schenectady og Syracuse Plants, IBM's Thomas J. Watson Research Center og MIT's Lincoln Laboratory. Mindre end et korn af ris, drevet af jævnstrøminjektion og med bølgelængder, der spænder fra ultraviolet til infrarøde, halvlederlasere er allestedsnærværende i moderne kommunikation, datalagring og præcisionsmålingssystemer.
