Винайдено понад 60 років тому, напівпровідникові лазери є основою багатьох сучасних технологій, включаючи сканери штрих-коду, волоконно-оптичні комунікації, медичні візуалізації та дистанційне контроль.
Можливості лазерної технології приголомшили наукове співтовариство в 1960 році, коли довготеоретичний лазер вперше був продемонстрований. Три дослідницькі центри США розпочали гонку з розробки першої напівпровідникової версії технології, не знаючи цього. Три генеральні компанії Electric, дослідницький центр Томаса Дж. Уотсона IBM та лабораторія Лінкольна-Лабораторія MIT повідомили про першу демонстрацію напівпровідникового лазера протягом декількох днів один від одного в 1962 році.
Напівпровідниковий лазер був позначений віхою IEEE у трьох церемоніях, з пам’ятною табличкою, встановленою для кожного пристрою.
Винахід лазера викликав тристоронню гонку
Основна концепція лазера датується 1917 р., Коли Альберт Ейнштейн запропонував теорію "стимульованого випромінювання". Вчені вже знали, що електрони можуть спонтанно поглинати та випромінювати світло, але Ейнштейн подумав, що їх можна маніпулювати для випромінювання на конкретних довжинах хвилі. Інженерам знадобилося десятиліття, щоб перетворити його теорію в реальність.
Наприкінці 40 -х років фізики працювали над покращенням проектування вакуумних труб, які використовуються американськими військовими у Другій світовій війні для виявлення літаків противника шляхом посилення сигналів. Одним із них був Чарльз Таунс, дослідник Bell Labs в Мюррей -Хілл, штат Нью -Джерсі. Він запропонував побудувати більш потужний підсилювач, пропускаючи промінь електромагнітних хвиль через порожнину, що містить молекули газу. Хвиля стимулюватиме атоми в газі вивільняти енергію з точно такою ж швидкістю, що і хвиля, генеруючи енергію, що призведе до того, що вона залишає порожнину як більш потужний промінь.
У 1954 році Таунс, тодішній професор фізики Колумбійського університету, винайшов пристрій, який він назвав "Масер" (короткий для посилення стимульованого випромінювання). Це виявилося важливим попередником лазера.
Багато теоретиків розповіли Таунс, що його пристрій ніколи не буде працювати, згідно зі статтею, опублікованою Американським фізичним товариством. Як тільки він працював, інші дослідники швидко копіювали його і почали вигадувати варіації, йдеться у статті.
Таунс та інші інженери думали, що вони можуть створити оптичну версію масера, яка може створити промінь світла, використовуючи високочастотну енергію. Такий пристрій може виробляти промінь, більш потужний, ніж мікрохвильові печі, але він також виробляє промені світла на різних довжинах хвиль, від інфрачервоного до видимого світла. У 1958 році Таунс опублікував теоретичний огляд "лазера".
"Дивовижно, що ці три організації на північному сході США 62 роки тому забезпечили нам усі ці можливості зараз і в майбутньому".
Кілька команд працювали разом над створенням пристрою, а в травні 1960 року Теодор Майман, дослідник дослідницької лабораторії Х'юза в Малібу, штат Каліфорнія, побудував перший робочий лазер. Через три місяці Майман опублікував документ у журналі Nature, що описує винахід, потужну лампу, яка світила світло на рубіновий стрижень, розміщений між двома дзеркальними срібними поверхнями. Світло, що утворюється коливальною флуоресценцією рубіну в оптичній порожнині, утвореній поверхнею, усвідомлює стимульоване випромінювання Ейнштейна.
Основні лазери тепер були реальністю. Інженери швидко почали розробляти різні моделі.
Багато хто, мабуть, був найбільше схвильований потенціалом напівпровідникових лазерів. Напівпровідникові матеріали можна маніпулювати для проведення електроенергії в правильних умовах. По суті, лазери, виготовлені з напівпровідникових матеріалів, можуть відповідати всім компонентам, необхідним для джерел лазерного світла, та підсилювачів, лінз та дзеркал-вдосконалених пристроїв.
"Ці бажані властивості захопили уяву вчених та інженерів у різних дисциплінах", - згідно з Вікіпедії, історії інженерії та технологій.
У 1962 році пара дослідників виявила, що існуючий матеріал був чудовим лазерним напівпровідником: арсенід галій.
Арсенід галію - ідеальний матеріал для напівпровідникових лазерів
9 липня 1962 р. Дослідники лабораторії MIT Lincoln Роберт Кейс та Теодор Кіст оголосили перед аудиторією на дослідницькій конференції з твердої статі, що вони розробляють експериментальний напівпровідник, колега IEEE Paul W. Juodawlkis під час промови в IEEE етанові Церемонія відкриття в MIT. Juodawlkis був директором групи Quantum Information та інтегрована група наносистем у лабораторії MIT Lincoln.
У той час лазери ще не змогли випромінювати цілісний промінь, але робота швидко прогресувала, сказав Юодавкіс. Тоді Юодавкіс і Квіст приголомшили аудиторію: вони могли показати, вони сказали, що майже 100 відсотків електричної енергії, що вводиться в напівпровідник арсеніду галій, може бути перетворений на світло.
Ніхто ніколи раніше не пред'являв такої претензії. Аудиторія була в невірі, і їхня невіра була поділена.
"Наприкінці розмови Юодавкіса, член аудиторії встав і сказав:" Ну, це порушує другий закон термодинаміки ", - сказав Юодавкіс.
Аудиторія вибухнула від сміху. Але фізик Роберт Н. Холл, напівпровідниковий експерт із загальних електричних досліджень лабораторій у Шенектаді, Нью -Йорк, замовкла їх.
"Боб Холл вийшов і пояснив, чому це не порушує другий закон", - сказав Юодавкіс. "Це було відчуття".
Кілька команд змагалися, щоб розробити робочий напівпровідниковий лазер, а переможець прийшов протягом днів.
Напівпровідникові лазери виготовлені з крихітних напівпровідникових кристалів, підвішених у скляній ємності, наповненій рідким азотом, що допомагає тримати пристрій прохолодним.
Холл повернувся до GE і, натхненний презентаціями Юодавкіса та Куста, став переконаним, що він може очолити команду створити ефективну, ефективну лазер арсеніду галій. Він вже провів роки, працюючи з напівпровідниками, вигадуючи так званий випрямляч діода.
Випрямляч, який використовував кристали, виготовлені з чистого германію, напівпровідникового матеріалу, може перетворити змінний струм на прямий струм-ключовий розвиток у твердотільних напівпровідниках для передачі електроенергії.
Цей досвід прискорив розвиток напівпровідникових лазерів. Холл та його команда використовували пристрій, подібний до випрямляча "PIN". Вони побудували діодний лазер, який виробляв цілісне світло з кристала арсеніду галійного арсеніду на третину міліметра розміром, просочений у порожнині між двома дзеркалами, щоб світло відскакувало вперед і назад неодноразово. Новини про винахід були опубліковані у випуску 1 листопада 1962 р. Листи фізичного огляду.
Коли Холл та його команда працювали, як і дослідники в дослідницькому центрі Ватсона в Йорктаун -Хайтс, Нью -Йорк. За словами Ethw, у лютому 1962 року Маршалл І. Натан, дослідник IBM, який раніше працював над арсенідом Галію, отримав завдання від свого керівника відділу: побудувати перший лазер арсеніду галій.
Натан очолив команду дослідників, до складу якої входили Вільям П. Дамке, Джеральд Бернс, Фредерік Х. Діель та Гордон Расчер у розробці лазера. Вони виконали це завдання в жовтні та вручну розповсюджували документ, в якому викладено свою роботу до прикладних листів фізики, які опублікували його 4 жовтня 1962 року.
У лабораторії Лінкольна MIT, Quist, Juodawlkis та їх колега Роберт Реддік повідомили про результати 5 листопада 1962 року, випуску прикладних листів фізики.
Все це сталося так швидко, що стаття New York Times дивувалась "дивовижному збігу", зазначивши, що чиновники IBM не знали про успіх GE, поки GE не надіслав запрошення на прес -конференцію.
Усі три організації зараз відзначили IEEE за свою роботу. "Можливо, напівпровідникові лазери мали найбільший вплив у галузі комунікацій", - написала стаття Ethw. "Кожну секунду напівпровідникові лазери спокійно кодують суму людських знань у світлі, що дозволяє йому майже миттєво ділитися в океанах та просторі".
Речник MIT сказав Times, що GE досяг свого успіху "за кілька днів або тиждень" до власної команди. І IBM, і GE подали заявку на патенти США в жовтні, і обидва були врешті -решт надані.
На церемонії лабораторії Лінкольна Джударкіс зазначав, що кожного разу, коли ви "здійснюєте телефонний дзвінок" або "відеоролики Google Silly Cat", ви використовуєте напівпровідниковий лазер.
"Якщо ми подивимось на більш широкий світ, - сказав він, - напівпровідниковий лазер - це справді один із наріжних каменів інформації про інформаційну епоху".
Він закінчив свою промову цитатою із статті журналу Time 1963 року: "Якщо світ повинен був вибрати між тисячами різних телевізійних програм, лише кілька діодів з їх крихітними інфрачервоними променями могли вибрати їх усіх одночасно".
Це була "презентація напівпровідникових лазерів", - сказав Джударкіс. "Дивно, що ці три організації на північному сході зробили 62 роки тому, щоб дати нам усі ці можливості зараз і в майбутньому".
General Electric, Центр досліджень Ватсона та Лінкольнська лабораторія тепер демонструють таблички, що вшановують технологію. Вони читають:
Восени 1962 року про перші демонстрації напівпровідникових лазерів повідомили рослини Шенектаді та Сіракузи General Electric, дослідницький центр Томаса Дж. Уотсона IBM та лабораторія Лінкольна MIT відповідно. Менше, ніж зерно рису, що працює від введення прямого струму та з довжиною хвиль, починаючи від ультрафіолету до інфрачервоного, напівпровідникові лазери є всюдисущими в сучасних комунікаціях, зберіганням даних та точній системи вимірювання.
