Polovodičové lasery vymyslely před více než 60 lety, jsou základem mnoha dnešních technologií, včetně skenerů čárových kódů, optické komunikace, lékařského zobrazování a dálkového ovládání.
Možnosti laserové technologie ohromily vědeckou komunitu v roce 1960, kdy byl poprvé prokázán dlouhý teoretický laser. Tři americká výzkumná centra zahájila závod na vývoj první polovodičové verze technologie, aniž by to věděli. Tři generální společnosti Electric, výzkumné středisko Thomas J. Watson IBM a Lincoln Laboratory-Each MIT oznámily první demonstraci polovodičového laseru během několika dnů od sebe v roce 1962.
Polovodičový laser byl jmenován milníkem IEEE ve třech obřadech s pamětním plakem nainstalovaným pro každé zařízení.
Vynález laseru vyvolal třícestný závod
Hlavní koncept laseru sahá až do roku 1917, kdy Albert Einstein navrhl teorii „stimulované emise“. Vědci již věděli, že elektrony mohou spontánně absorbovat a emitovat světlo, ale Einstein si myslel, že lze manipulovat, aby emitovali na konkrétních vlnových délkách. Trvalo inženýry desetiletí, než se jeho teorie proměnila v realitu.
Na konci čtyřicátých let pracovali fyziky na zlepšení návrhu vakuových trubek používaných americkou armádou ve druhé světové válce k detekci nepřátelských letadel zesílením signálů. Jedním z nich byl Charles Townes, výzkumný pracovník v Bell Labs v Murray Hill v New Jersey. Navrhl stavbu silnějšího zesilovače projít paprskem elektromagnetických vln skrz dutinu obsahující molekuly plynu. Vlna by stimulovala atomy v plynu, aby uvolňovaly energii přesně stejnou rychlostí jako vlna, což by generovalo energii, která by způsobila, že nechala dutinu jako silnější paprsek.
V roce 1954 vynalezl Townes, tehdejší profesor fyziky na Columbia University, zařízení, které nazval „Maser“ (zkratka pro zesílení stimulované emise záření). Ukázalo se, že to byl důležitý předchůdce laseru.
Mnoho teoretiků řekl Townesovi, že jeho zařízení nebude nikdy fungovat, podle článku zveřejněného American Physical Society. Jakmile to fungovalo, jiní vědci to rychle zkopírovali a začali vymýšlet variace, uvedl článek.
Townes a další inženýři si mysleli, že by mohli vytvořit optickou verzi Maseru, která by mohla vytvořit paprsek světla využitím vysokofrekvenční energie. Takové zařízení může produkovat paprsek silnější než mikrovlny, ale také by produkoval paprsky světla na různých vlnových délkách, od infračerveného po viditelné světlo. V roce 1958 vydal Townes teoretický přehled „laseru“.
"Je úžasné, že tyto tři organizace v severovýchodních Spojených státech před 62 lety nám poskytly všechny tyto schopnosti nyní i v budoucnosti."
Několik týmů spolupracovalo na stavbě zařízení a v květnu 1960 postavil Theodore Maiman, výzkumný pracovník Hughes Research Laboratory v Malibu v Kalifornii, první pracovní laser. O tři měsíce později Maiman publikoval v časopise Nature popisující vynález, vysoce výkonnou lampu, která svítila světlo na rubínovou tyč umístěnou mezi dvěma zrcadlovými stříbrnými povrchy. Světlo produkované oscilační rubínovou fluorescencí v optické dutině vytvořené povrchem si uvědomí Einsteinovy stimulované emise.
Základní lasery byly nyní realitou. Inženýři rychle začali navrhovat různé modely.
Mnoho z nich bylo pravděpodobně nejvíce nadšeno potenciálem polovodičových laserů. Polovodičové materiály mohou být manipulovány tak, aby za správných podmínek prováděly elektřinu. V podstatě by se lasery vyrobené z polovodičových materiálů mohly hodit ke všem komponentům potřebným pro zdroje a zesilovače laserového světla, čočky a zrcátka-into mikrometrové zařízení.
„Tyto žádoucí vlastnosti zachytily představivost vědců a inženýrů napříč disciplínami,“ říká Wikipedia, historie inženýrství a technologie.
V roce 1962 pár vědců zjistil, že existující materiál byl vynikající laserový polovodič: arzenid Gallium.
Arsenid gallium je ideální materiál pro polovodičové lasery
9. července 1962, laboratorní vědci MIT Lincoln Robert Keyes a Theodore Quist oznámili před publikem na konferenci o výzkumu pevného státu, že vyvíjeli experimentální polovodičový laser, řekl IEEE Paul W. Juodawlkis během projevu v IEEE Miinstone řekl Slavnostní odhalení na MIT. Juodawlkis byl ředitelem skupiny Quantum Information and Integrated Nanosystems v MIT Lincoln Laboratory.
Lasery v té době ještě nebyly schopny emitovat koherentní paprsek, ale práce postupovala rychle, řekl Juodawlkis. Juodawlkis a Quist pak omráčili publikum: mohli ukázat, že téměř 100 procent elektrické energie vstříknuté do polovodiče Gallium Arsenide by mohlo být přeměněno na světlo.
Nikdo předtím takový nárok neudělal. Publikum bylo nevěřícně a jejich nedůvěra byla sdílena.
„Na konci Juodawlkisův přednáška se člen publika postavil a řekl:„ No, to porušuje druhý termodynamiku, “řekl Juodawlkis.
Publikum vypuklo smíchem. Ale fyzik Robert N. Hall, polovodičový odborník ve společnosti General Electric Research Laboratories ve Schenectady v New Yorku, je však umlčel.
„Bob Hall vyšel a vysvětlil, proč to neporušilo druhý zákon,“ řekl Juodawlkis. "To byl pocit."
Několik týmů závodilo o vývoji pracovního polovodičového laseru a vítěz přišel během několika dní.
Polovodičové lasery jsou vyrobeny z malých polovodičových krystalů zavěšených ve skleněné nádobě naplněné tekutým dusíkem, což pomáhá udržovat zařízení v chladu.
Hall se vrátil do GE a inspiroval se Juodawlkis a Quist prezentacemi, byl přesvědčen, že může vést tým k vytvoření efektivního a efektivního laseru Arsenide Gallium. Už strávil roky prací s polovodiči a vynalezl tzv. „Pin“ diodové usměrňovač.
Osměrná míra, která používala krystaly vyrobené z čistého germania, polovodičového materiálu, by mohl převést střídavý proud na směr proudu-vývoj klíčů v polovodičových polovodičích pro přenos energie.
Tato zkušenost zrychlila vývoj polovodičových laserů. Hall a jeho tým použili zařízení podobné usměrňovači "Pin". Postavili diodový laser, který produkoval koherentní světlo z gallia arzenidového krystalu jedné třetiny milimetru velikosti, sendvičoval v dutině mezi dvěma zrcadly, takže se světlo opakovaně odrazilo sem a tam. Zprávy o vynálezu byly zveřejněny v vydání dopisů o fyzické revizi 1. listopadu 1962.
Jak Hall a jeho tým pracovali, tak vědci ve Watson Research Center v Yorktown Heights v New Yorku. Podle ETHW, v únoru 1962, Marshall I. Nathan, výzkumník IBM, který dříve pracoval na Gallium Arsenide, obdržel úkol od jeho vedoucího oddělení: postavit první laser Gallium Arsenide.
Nathan vedl tým vědců, který zahrnoval Williama P. Dumkeho, Gerald Burns, Frederick H. Diehl a Gordon Rascher při vývoji laseru. Dokončili úkol v říjnu a ručně doručili papír, který uvedl svou práci na aplikované fyzikální dopisy, které jej zveřejnily 4. října 1962.
V Lincoln Laboratory MIT, Quist, Juodawlkis a jejich kolega Robert Reddick, ohlásili výsledky v 5. listopadu 1962, vydání aplikovaných fyzikálních dopisů.
Všechno se to stalo tak rychle, že článek New York Times se divil „úžasné náhodě“ a poznamenal, že úředníci IBM nevěděli o úspěchu GE, dokud GE neposílala pozvání na tiskovou konferenci.
Všechny tři organizace byly nyní IEEE oceněny za jejich práci. „Možná, že polovodičové lasery měly největší dopad v oblasti komunikace,“ napsal článek ETHW. "Každou sekundu, polovodičové lasery tiše kódují součet lidských znalostí do světla, což umožňuje sdílet téměř okamžitě přes oceány a prostor."
Mluvčí MIT řekl Times, že GE dosáhl svého úspěchu „několik dní nebo týdne“ před vlastním týmem. IBM i GE požádaly o americké patenty v říjnu a oba byly nakonec uděleny.
Na laboratorním obřadu v Lincolnu poukázal Gioudarkis na to, že pokaždé, když „zavoláte“ nebo „videa Google Silly Cat“, používáte polovodičový laser.
„Když se podíváme na širší svět,“ řekl, „polovodičový laser je opravdu jedním ze základních kamenů informačního věku.“
Svou řeč ukončil citací z časopisu Time Magazine z roku 1963: „Pokud by si svět musel vybrat mezi tisíci různých televizních programů, jen několik diod s jejich malými infračervenými paprsky si mohlo všechny vybrat současně.“
Byla to „předzvěst polovodičových laserů,“ řekl Gioudarkis. "Je úžasné, co tyto tři organizace na severovýchodě udělaly před 62 lety, aby nám poskytly všechny tyto schopnosti nyní i v budoucnu."
General Electric, Watson Research Center a Lincoln Laboratory nyní zobrazují plakety, které tuto technologii ctí. Čte:
Na podzim roku 1962 byly první demonstrace polovodičových laserů hlášeny společností General Electric's Schenectady a Syracuse, výzkumné středisko IBM Thomas J. Watson a Lincoln Laboratory MIT. Menší než zrno rýže, poháněné přímým proudem injekce a s vlnovými délkami od ultrafialového po infračervené lasery, jsou všudypřítomné v moderní komunikaci, ukládání dat a systémy měření přesnosti.
