Изобретенные более 60 лет назад, полупроводниковые лазеры являются основой многих современных технологий, включая сканеры штрих-кода, волоконно-оптическую связь, медицинскую визуализацию и дистанционное управление.
Возможности лазерной технологии ошеломили научное сообщество в 1960 году, когда впервые был продемонстрирован длинный теоретический лазер. Три исследовательских центра США начали гонку по разработке первой полупроводниковой версии технологии, не зная об этом. Три генерал-компании Electric, исследовательский центр Thomas J. Watson's IBM и Lincoln Laboratory Emop, сообщили о первой демонстрации полупроводникового лазера в течение нескольких дней друг от друга в 1962 году.
Полупроводниковый лазер был обозначен вехой IEEE в трех церемониях с памятной табличкой, установленной для каждого устройства.
Изобретение лазера вызвало трехстороннюю гонку
Основная концепция лазера восходит к 1917 году, когда Альберт Эйнштейн предложил теорию «стимулированного излучения». Ученые уже знали, что электроны могут самопроизвольно поглощать и испускать свет, но Эйнштейн думал, что им можно манипулировать, чтобы излучать на определенных длин волн. Инженерам потребовалось десятилетия, чтобы превратить его теорию в реальность.
В конце 1940 -х годов физики работали над улучшением дизайна вакуумных трубок, используемых военными США во Второй мировой войне для обнаружения вражеских самолетов путем усиления сигналов. Одним из них был Чарльз Таунс, исследователь Bell Labs в Мюррей -Хилл, штат Нью -Джерси. Он предложил построить более мощный усилитель, передавая пучок электромагнитных волн через полость, содержащую молекулы газа. Волна будет стимулировать атомы в газе, чтобы высвобождать энергию на той же скорости, что и волна, генерируя энергию, которая заставит ее покинуть полость как более мощный луч.
В 1954 году Таунс, тогдашний профессор физики в Колумбийском университете, изобрел устройство, которое он назвал «мастером» (сокращение для усиления стимулированного излучения радиации). Это оказалось важным предшественником лазера.
Многие теоретики сказали Таунсу, что его устройство никогда не сработает, согласно статье, опубликованной Американским физическим обществом. Как только это сработало, другие исследователи быстро скопировали его и начали изобретать вариации, говорится в статье.
Таунс и другие инженеры думали, что они могут создать оптическую версию мастера, которая может производить луч света, используя высокочастотную энергию. Такое устройство может производить луч более мощную, чем микроволновые печи, но оно также будет производить лучи света на различных длинах волн, от инфракрасного до видимого света. В 1958 году Таунс опубликовал теоретический обзор «лазера».
«Удивительно, что эти три организации на северо -востоке Соединенных Штатов 62 года назад предоставили нам все эти возможности сейчас и в будущем».
Несколько команд работали вместе, чтобы создать устройство, а в мае 1960 года Теодор Майман, исследователь исследовательской лаборатории Хьюза в Малибу, штат Калифорния, построил первый рабочий лазер. Три месяца спустя Maiman опубликовал статью в журнале Nature, описывающую изобретение, мощную лампу, которая освещала свет на рубиновый стержень, расположенный между двумя зеркальными поверхностями серебра. Свет, вырабатываемый колеблющейся рубиновой флуоресценцией в оптической полости, образованной поверхностью, реализует стимулированное излучение Эйнштейна.
Основные лазеры теперь были реальностью. Инженеры быстро начали проектировать различные модели.
Многие, вероятно, были наиболее взволнованы потенциалом полупроводниковых лазеров. Полупроводниковые материалы можно манипулировать для проведения электроэнергии в правильных условиях. По сути, лазеры, изготовленные из полупроводниковых материалов, могут соответствовать всем компонентам, необходимым для источников лазерного света и усилителей, линз и устройств зеркал-интеллектуального микрометра.
«Эти желательные свойства захватили воображение ученых и инженеров в разных дисциплинах», - говорится в Википедии, истории инженерии и технологий.
В 1962 году пара исследователей обнаружила, что существующий материал был отличным лазерным полупроводником: арсенид галлия.
Арсенид галлия является идеальным материалом для полупроводниковых лазеров
9 июля 1962 года исследователи лаборатории MIT Lincoln Лаборатории Роберта Киса и Теодора Квиста объявили перед аудиторией на конференции по исследованию твердотельного устройства, что они разрабатывают экспериментальный полупроводник лазер, сказал он-товарищ по Пол В. Юодалкису во время выступления на веге Церемония открытия в MIT. Juodawlkis был директором квантовой информации и интегрированной группы Nanosystems в лаборатории MIT Lincoln.
По словам Юодавла, лазеры в то время еще не смогли излучать когерентный луч, но работа прогрессировала быстро. Juodawlkis и Quist затем ошеломили аудиторию: они могли бы показать, что, по их словам, что почти 100 процентов электрической энергии, введенной в полупроводник арсенида галлия, могут быть преобразованы в свет.
Никто никогда не делал такую претензию раньше. Аудитория была в неверии, и их неверие было разделено.
«В конце разговора Juodawlkis, член аудитории встал и сказал:« Ну, это нарушает второй закон термодинамики », - сказал Юодавлкис.
Аудитория разразилась смехом. Но физик Роберт Н. Холл, эксперт по полупроводнику в Laboratories General Electric Research в Schenectady, Нью -Йорк, замолчал их.
«Боб Холл вышел и объяснил, почему он не нарушал второй закон», - сказал Юодавлкис. «Это было ощущение».
Многочисленные команды участвовали в разработке работающего полупроводникового лазера, и победитель пришел в течение нескольких дней.
Полупроводниковые лазеры изготовлены из крошечных полупроводниковых кристаллов, подвешенных в стеклянном контейнере, заполненном жидким азотом, что помогает сохранить устройство прохладным.
Холл вернулся в GE, и, вдохновленный Juodawlkis и презентациями Quist, стал убежден, что он может привести команду к созданию эффективного, эффективного лазера арсенида галлиевого арсенида. Он уже провел годы, работая с полупроводниками, изобретая так называемый диодный выпрямитель «штифта».
Выпрямитель, в котором использовались кристаллы из чистого германия, полупроводникового материала, может преобразовать чередующее ток в ключевое развитие Compret-Cucce-A в твердотельных полупроводниках для передачи мощности.
Этот опыт ускорил разработку полупроводниковых лазеров. Холл и его команда использовали устройство, похожее на выпрямитель «PIN». Они построили диодный лазер, который давал когерентный свет из кристалла арсенида галлиевого арсенида треть миллиметра размера, зажатый в полости между двумя зеркалами, так что свет неоднократно отскочил вперед и назад. Новости о изобретении были опубликованы в выпуске письма о физическом обзоре 1 ноября 1962 года.
Как работали Холл и его команда, исследователи в Исследовательском центре Watson в Йорктаун -Хайтс, штат Нью -Йорк. Согласно Ethw, в феврале 1962 года Маршалл И. Натан, исследователь IBM, который ранее работал над арсенидом Gallium, получил задание от главы своего департамента: построить первый лазер арсенида галлия.
Натан руководил командой исследователей, в которую вошли Уильям П. Дамке, Джеральд Бернс, Фредерик Х. Дил и Гордон Рашер в развитие лазера. Они выполнили задачу в октябре и предоставили вручную статью с изложением своей работы в прикладные физические письма, которые опубликовали ее 4 октября 1962 года.
В Lincoln Laboratory, Quist, Juodawlkis в MIT, и их коллеге Роберт Реддик сообщили о результатах в 5 ноября 1962 года, выпуск писем с прикладными физическими письмами.
Все произошло так быстро, что статья «Нью -Йорк Таймс» поразилась «удивительному совпадению», отметив, что чиновники IBM не знали об успехе GE, пока GE не отправил приглашение на пресс -конференцию.
Все три организации были удостоены чести IEEE за их работу. «Возможно, полупроводниковые лазеры оказали наибольшее влияние на область коммуникаций», - написала статья ETHW. «Каждую секунду полупроводниковые лазеры тихо кодируют сумму человеческого знания в свет, что позволяет им разделиться почти мгновенно через океаны и пространство».
Представитель MIT сказал The Times, что GE добился успеха «за несколько дней или недели» до своей собственной команды. И IBM, и GE обратились к американским патентам в октябре, и оба были в конечном итоге предоставлены.
На лабораторной церемонии Линкольна Джиудуркис отметил, что каждый раз, когда вы «делаете телефонный звонок» или «Google Dyly Cat Video», вы используете лазер с полупроводником.
«Если мы посмотрим на более широкий мир, - сказал он, - полупроводник -лазер действительно является одним из краеугольных камней информационного века».
Он закончил свою речь цитатой из статьи журнала Time 1963 года: «Если бы мир должен был выбрать между тысячами различных телевизионных программ, лишь несколько диодов с их крошечными инфракрасными лучами могли бы выбрать все из них одновременно».
Это было «предвидение полупроводниковых лазеров», сказал Джиудуркис. «Удивительно, что эти три организации на северо -востоке сделали 62 года назад, чтобы дать нам все эти возможности сейчас и в будущем».
General Electric, исследовательский центр Watson и Lincoln Laboratory теперь демонстрируют таблички в честь технологии. Они читают:
Осенью 1962 года сообщили о первых демонстрациях полупроводниковых лазеров Schenectady и Syracuse заводы General Electric, исследовательским центром Thomas J. Watson и Lincoln's Laboratory MIT, соответственно. Меньше, чем зерно риса, питаемое от инъекции постоянного тока и с длиной волн, от ультрафиолетового до инфракрасного, полупроводниковых лазеров, являются вездесущими в современных коммуникациях, хранении данных и системах измерения точности.
