Dicipta lebih daripada 60 tahun yang lalu, laser semikonduktor adalah asas banyak teknologi hari ini, termasuk pengimbas kod bar, komunikasi serat optik, pengimejan perubatan, dan kawalan jauh.
Kemungkinan teknologi laser mengejutkan komuniti saintifik pada tahun 1960 apabila laser lama-teoretikal ditunjukkan untuk kali pertama. Tiga pusat penyelidikan AS memulakan perlumbaan untuk membangunkan versi semikonduktor pertama teknologi tanpa mengetahui. Ketiga-tiga syarikat itu, Pusat Penyelidikan Thomas J. Watson dari IBM, dan Laboratorium Lincoln MIT melaporkan demonstrasi pertama laser semikonduktor dalam masa beberapa hari antara satu sama lain pada tahun 1962.
Laser semikonduktor telah ditetapkan sebagai tonggak IEEE dalam tiga upacara, dengan plak peringatan yang dipasang untuk setiap peranti.
Penciptaan laser mencetuskan perlumbaan tiga hala
Konsep teras laser bermula pada tahun 1917, ketika Albert Einstein mencadangkan teori "pelepasan yang dirangsang." Para saintis sudah tahu bahawa elektron secara spontan dapat menyerap dan memancarkan cahaya, tetapi Einstein menganggap mereka dapat dimanipulasi untuk memancarkan pada panjang gelombang tertentu. Ia mengambil jurutera beberapa dekad untuk menjadikan teorinya menjadi realiti.
Pada akhir 1940 -an, ahli fizik sedang berusaha untuk memperbaiki reka bentuk tiub vakum yang digunakan oleh tentera AS dalam Perang Dunia II untuk mengesan pesawat musuh dengan menguatkan isyarat. Salah seorang daripada mereka ialah Charles Townes, seorang penyelidik di Bell Labs di Murray Hill, New Jersey. Beliau mencadangkan membina penguat yang lebih kuat dengan melewati rasuk gelombang elektromagnet melalui rongga yang mengandungi molekul gas. Gelombang akan merangsang atom dalam gas untuk melepaskan tenaga pada kelajuan yang sama seperti gelombang, menjana tenaga yang akan menyebabkan ia meninggalkan rongga sebagai rasuk yang lebih kuat.
Pada tahun 1954, Townes, kemudian seorang profesor fizik di Columbia University, mencipta peranti yang dipanggilnya "maser" (pendek untuk penguatan pelepasan radiasi yang dirangsang). Ia menjadi pendahulu penting kepada laser.
Ramai ahli teori memberitahu Townes perantinya tidak akan berfungsi, menurut artikel yang diterbitkan oleh Persatuan Fizikal Amerika. Sebaik sahaja ia berfungsi, penyelidik lain dengan cepat menyalinnya dan mula mencipta variasi, kata artikel itu.
Townes dan jurutera lain menyangka mereka boleh membuat versi optik maser yang dapat menghasilkan rasuk cahaya dengan memanfaatkan tenaga frekuensi tinggi. Peranti sedemikian mungkin menghasilkan rasuk yang lebih kuat daripada gelombang mikro, tetapi ia juga akan menghasilkan rasuk cahaya pada pelbagai panjang gelombang, dari inframerah ke cahaya yang kelihatan. Pada tahun 1958, Townes menerbitkan gambaran teori "laser."
"Sungguh mengagumkan bahawa ketiga -tiga organisasi di timur laut Amerika Syarikat 62 tahun yang lalu memberikan kami semua keupayaan ini sekarang dan di masa depan."
Beberapa pasukan bekerjasama untuk membina peranti itu, dan pada bulan Mei 1960, Theodore Maiman, seorang penyelidik di Makmal Penyelidikan Hughes di Malibu, California, membina laser kerja pertama. Tiga bulan kemudian, Maiman menerbitkan sebuah kertas dalam jurnal Nature yang menggambarkan ciptaan itu, lampu berkuasa tinggi yang menyinari cahaya ke batang ruby yang diletakkan di antara dua permukaan perak seperti cermin. Cahaya yang dihasilkan oleh pendarfluor ruby berayun dalam rongga optik yang dibentuk oleh permukaan menyedari pelepasan yang dirangsang oleh Einstein.
Laser asas kini menjadi kenyataan. Jurutera dengan cepat mula merancang pelbagai model.
Ramai yang mungkin paling teruja dengan potensi laser semikonduktor. Bahan semikonduktor boleh dimanipulasi untuk menjalankan elektrik di bawah keadaan yang betul. Pada asasnya, laser yang diperbuat daripada bahan semikonduktor boleh sesuai dengan semua komponen yang diperlukan untuk sumber dan penguat cahaya laser, kanta dan cermin-ke dalam peranti bersaiz mikrometer.
"Ciri -ciri yang diingini ini menangkap imaginasi saintis dan jurutera merentasi disiplin," menurut Wikipedia, sejarah kejuruteraan dan teknologi.
Pada tahun 1962, sepasang penyelidik mendapati bahawa bahan yang sedia ada adalah semikonduktor laser yang sangat baik: Gallium Arsenide.
Gallium Arsenide adalah bahan yang ideal untuk laser semikonduktor
Pada 9 Julai 1962, penyelidik makmal MIT Lincoln Robert Keyes dan Theodore Quist mengumumkan sebelum penonton di Persidangan Penyelidikan Peranti Pepejal bahawa mereka sedang membangunkan laser semikonduktor eksperimen, IEEE Fellow Paul W. Juodawlkis berkata semasa ucapan di IEEE Milestone Majlis Pembukaan di MIT. Juodawlkis adalah pengarah Maklumat Kuantum dan Kumpulan Nanosystems Bersepadu di Makmal MIT Lincoln.
Laser pada masa itu belum dapat memancarkan rasuk yang koheren, tetapi kerja itu berjalan dengan cepat, kata Juodawlkis. Juodawlkis dan Quist kemudian mengejutkan penonton: mereka dapat menunjukkan, mereka berkata, hampir 100 peratus tenaga elektrik yang disuntik ke dalam semikonduktor arsenida galium dapat ditukar menjadi cahaya.
Tiada siapa yang pernah membuat tuntutan sedemikian sebelum ini. Penonton tidak percaya, dan ketidakpercayaan mereka dikongsi.
"Pada akhir ceramah Juodawlkis, seorang penonton berdiri dan berkata, 'Nah, ini melanggar undang -undang termodinamik kedua,' 'kata Juodawlkis.
Para penonton meletupkan ketawa. Tetapi ahli fizik Robert N. Hall, pakar semikonduktor di Makmal Penyelidikan General Electric di Schenectady, New York, membungkam mereka.
"Bob Hall keluar dan menjelaskan mengapa ia tidak melanggar undang -undang kedua," kata Juodawlkis. "Itu sensasi."
Pelbagai pasukan berlumba untuk membangunkan laser semikonduktor kerja, dan pemenang datang dalam beberapa hari.
Laser semikonduktor diperbuat daripada kristal semikonduktor kecil yang digantung dalam bekas kaca yang diisi dengan nitrogen cecair, yang membantu mengekalkan peranti sejuk.
Hall kembali ke GE dan, yang diilhamkan oleh persembahan Juodawlkis dan Quist, menjadi yakin bahawa dia boleh memimpin satu pasukan untuk mewujudkan laser Gallium Arsenide yang cekap dan berkesan. Dia telah menghabiskan masa bertahun-tahun bekerja dengan semikonduktor, mencipta penetapan diod yang dipanggil "pin".
Penyearah, yang menggunakan kristal yang diperbuat daripada germanium tulen, bahan semikonduktor, boleh menukar arus bergantian untuk mengarahkan perkembangan utama-A dalam semikonduktor keadaan pepejal untuk penghantaran kuasa.
Pengalaman ini mempercepatkan perkembangan laser semikonduktor. Hall dan pasukannya menggunakan peranti yang serupa dengan penerus "pin". Mereka membina laser diod yang menghasilkan cahaya yang koheren dari kristal arsenide galium satu pertiga daripada saiz milimeter, diapit di rongga antara dua cermin sehingga cahaya melantun ke belakang dan sebagainya berulang kali. Berita mengenai ciptaan itu diterbitkan dalam edisi 1 November 1962 edisi Surat Kajian Fizikal.
Sebagai Hall dan pasukannya bekerja, begitu juga penyelidik di Pusat Penyelidikan Watson di Yorktown Heights, New York. Menurut ETHW, pada bulan Februari 1962, Marshall I. Nathan, seorang penyelidik IBM yang sebelum ini bekerja di Gallium Arsenide, menerima tugas dari ketua jabatannya: untuk membina laser Gallium Arsenide yang pertama.
Nathan mengetuai pasukan penyelidik yang termasuk William P. Dumke, Gerald Burns, Frederick H. Diehl dan Gordon Rascher dalam membangunkan laser. Mereka menyelesaikan tugas itu pada bulan Oktober dan dihantar dengan tangan yang menggariskan kerja mereka kepada Surat Fizik Gunaan, yang menerbitkannya pada 4 Oktober 1962.
Di makmal Lincoln MIT, Quist, Juodawlkis, dan rakan sekerja mereka Robert Reddick melaporkan hasilnya pada 5 November 1962, terbitan Surat Fizik Gunaan.
Semuanya berlaku begitu cepat bahawa artikel New York Times kagum dengan "kebetulan yang mengagumkan," dengan menyatakan bahawa pegawai IBM tidak tahu tentang kejayaan GE sehingga GE menghantar jemputan ke sidang akhbar.
Ketiga -tiga organisasi kini telah dihormati oleh IEEE untuk kerja mereka. "Mungkin laser semikonduktor mempunyai kesan terbesar mereka dalam bidang komunikasi," tulis artikel ETHW. "Setiap detik, laser semikonduktor secara senyap -senyap menyandarkan jumlah pengetahuan manusia ke dalam cahaya, membolehkannya dikongsi hampir dengan serta -merta di lautan dan ruang."
Jurucakap MIT memberitahu Times bahawa GE telah mencapai kejayaannya "beberapa hari atau seminggu" sebelum pasukannya sendiri. Kedua -dua IBM dan GE memohon paten AS pada bulan Oktober, dan kedua -duanya telah diberikan.
Di majlis makmal Lincoln, Gioudarkis menegaskan bahawa setiap kali anda "membuat panggilan telefon" atau "video kucing Google Silly," anda menggunakan laser semikonduktor.
"Jika kita melihat dunia yang lebih luas," katanya, "laser semikonduktor itu benar -benar salah satu batu asas dari zaman maklumat."
Beliau mengakhiri ucapannya dengan petikan dari artikel majalah Time 1963: "Jika dunia terpaksa memilih antara beribu -ribu program televisyen yang berbeza, hanya beberapa diod dengan rasuk inframerah kecil mereka boleh memilih semuanya secara serentak."
Ia adalah "prescience of laser semikonduktor," kata Gioudarkis. "Sungguh mengagumkan apa yang ketiga -tiga organisasi di timur laut melakukan 62 tahun yang lalu untuk memberi kita semua keupayaan ini sekarang dan di masa depan."
General Electric, Pusat Penyelidikan Watson, dan Makmal Lincoln kini memaparkan plak yang menghormati teknologi. Mereka membaca:
Pada musim gugur tahun 1962, demonstrasi pertama laser semikonduktor dilaporkan oleh tumbuhan Schenectady dan Syracuse General Electric, Pusat Penyelidikan Thomas J. Watson, dan Laboratorium Lincoln MIT. Lebih kecil daripada sebutir beras, yang dikuasakan oleh suntikan semasa langsung, dan dengan panjang gelombang dari ultraviolet ke inframerah, laser semikonduktor adalah di mana -mana dalam komunikasi moden, penyimpanan data, dan sistem pengukuran ketepatan.
