Enam kui 60 aastat tagasi leiutatud pooljuhtide laserid on paljude tänapäevaste tehnoloogiate alus, sealhulgas vöötkoodiskannerid, kiudoptiline side, meditsiiniline pildistamine ja kaugkontroll.
Lasertehnoloogia võimalused uimastasid teadusringkonnad 1960. aastal, kui pikkadeteoreetilist laserit esimest korda demonstreeriti. Kolm USA uurimiskeskust alustasid võistlust tehnoloogia esimese pooljuhtide versiooni väljatöötamiseks, ilma et seda teaksite. Kolm peaettevõttet, IBM-i Thomas J. Watsoni uurimiskeskus ja MIT-i Lincolni laboratoorium-Leac teatasid pooljuhtide laseri esimesest demonstreerimisest mõne päeva jooksul üksteisest 1962. aastal.
Pooljuhtide laseriks määrati kolmel tseremoonial IEEE verstapostiks, iga seadme jaoks paigaldati mälestusväe tahvel.
Laseri leiutis kutsus esile kolmesuunalise võistluse
Laseri põhikontseptsioon pärineb 1917. aastast, kui Albert Einstein pakkus välja "stimuleeritud emissiooni" teooria. Teadlased teadsid juba, et elektronid võivad valgust spontaanselt imenduda ja eraldada, kuid Einsteini arvas, et nendega saab manipuleerida konkreetsetel lainepikkustel. Inseneridel kulus tema teooria reaalsuseks muutmiseks aastakümneid.
1940. aastate lõpus töötasid füüsikud, et parandada vaakumtorude kujundamist, mida USA sõjaväelased kasutasid II maailmasõjas vaenlase lennukite tuvastamiseks signaalide võimendamisega. Üks neist oli New Jersey osariigis Murray Hillis asuva Bell Labi teadlane Charles Townes. Ta tegi ettepaneku ehitada võimsama võimendiga, edastades elektromagnetiliste lainete tala läbi gaasimolekule sisaldava õõnsuse. Laine stimuleeriks gaasi aatomeid, et vabastada energiat täpselt sama kiirusega kui laine, mis tekitaks energiat, mis põhjustaks selle õõnsuse võimsama talana.
1954. aastal leiutas Columbia ülikooli tollane füüsikaprofessor Townes seadme, mida ta nimetas "Maseriks" (lühike kiirguse stimuleeritud emissiooni võimendamiseks). See osutus laseri oluliseks eelkäijaks.
Paljud teoreetikud ütlesid Townesile, et tema seade ei tööta kunagi, vastavalt Ameerika Physical Society avaldatud artiklile. Kui see toimis, kopeerisid teised teadlased selle kiiresti ja hakkasid variatsioone leiutama, teatas artikkel.
Townes ja teised insenerid arvasid, et nad võiksid luua magistri optilise versiooni, mis võiks tekitada valguskiire, kasutades kõrgsageduslikku energiat. Selline seade võib tekitada mikrolainetest võimsamaid tala, kuid see toodaks ka valguskiire erinevatel lainepikkustel, alates infrapunast kuni nähtava valguseni. 1958. aastal avaldas Townes teoreetilise ülevaate "Laser".
"On hämmastav, et need kolm Ameerika Ühendriikide kirdeosa organisatsiooni 62 aastat tagasi andsid meile kõik need võimalused nüüd ja tulevikus."
Mitmed meeskonnad töötasid koos seadme ehitamiseks ja 1960. aasta mais ehitas Californias Malibu Hughesi teaduslabori teadlane Theodore Maiman esimese töötava laseri. Kolm kuud hiljem avaldas Maiman ajakirjas Nature, mis kirjeldas leiutist, suure võimsusega lamp, mis säras valguse rubiinivardale, mis oli asetatud kahe peegel-sarnase hõbedase pinna vahele. Pinna moodustatud optilise õõnsuse võnkuva rubiinfluorestsentsi tekitatud valgus realiseerib Einsteini stimuleeritud emissiooni.
Põhilised laserid olid nüüd reaalsus. Insenerid hakkasid kiiresti erinevaid mudeleid kavandama.
Paljud olid ilmselt kõige põnevil pooljuhtide laserite potentsiaalist. Pooljuhtide materjalidega saab elektrienergia läbiviimiseks manipuleerida. Põhimõtteliselt sobivad pooljuhtide materjalidest valmistatud laserid kõik komponendid, mis on vajalikud laservalguse allikate ja võimendite, läätsede ja peeglite-into-mikromeetri suuruste seadmete jaoks.
"Need soovitavad omadused haarasid teadlaste ja inseneride kujutlusvõimet distsipliinide vahel," ütles Vikipeedia, inseneri- ja tehnoloogia ajalugu.
1962. aastal avastas paar teadlast, et olemasolev materjal oli suurepärane laser pooljuht: gallium arseniid.
Gallium arseniid on ideaalne materjal pooljuhtide laserite jaoks
9. juulil 1962 teatasid MIT Lincolni laboratooriumiuurijad Robert Keyes ja Theodore Quist tahkis-seadme uuringukonverentsil publiku ees, et nad arendavad eksperimentaalset pooljuhtlaserit, ütles IEEE kaaslane Paul W. Juodawlkis IEEE misstone Avaliku tseremoonia MIT -is. Juodawlkis oli MIT Lincolni labori kvantteabe ja integreeritud nanosüsteemide rühma direktor.
Toonased laserid ei suutnud veel sidusat tala eraldada, kuid töö edenes kiiresti, ütles Juodawlkis. Juodawlkis ja Quist uimastasid seejärel publikut: nad said näidata, et peaaegu 100 protsenti gallium -arseniidi pooljuhtidesse süstitud elektrienergiast võis muuta valguseks.
Keegi polnud kunagi varem sellist nõuet esitanud. Publik oli uskmatuses ja nende uskmatust jagati.
"Juodawlkise jutu lõpus tõusis publiku liige püsti ja ütles:" Noh, see rikub termodünaamika teist seadust, "" ütles Juodawlkis.
Publik puhkes naerdes. Kuid New Yorgis Schenectady linnas asuva General Electric Research Laboratories pooljuhtide ekspert füüsik Robert N. Hall vaigistas nad.
"Bob Hall tuli välja ja selgitas, miks see teist seadust ei rikkunud," sõnas Juodawlkis. "See oli sensatsioon."
Mitu meeskonda võistlesid töötava pooljuhtlaseri väljatöötamisel ja võitja tuli päevade jooksul.
Pooljuhil laserid on valmistatud pisikestest pooljuhtide kristallidest, mis on riputatud vedela lämmastikuga täidetud klaasist anumas, mis aitab seadme jahedana hoida.
Hall naasis GE -sse ja inspireerituna Juodawlkisest ja Quist'i esitlustest veenis, et ta võib viia meeskonda tõhusa ja tõhusa galliumrseniidi laseri loomisele. Ta oli juba aastaid veetnud pooljuhtidega töötades, leiutades niinimetatud "PIN" dioodi alaldi.
Pooljuhtide materjalist puhtast germaaniumist valmistatud kristallide kasutatud alaldihaaval võiks muuta vahelduvvoolu alalisvooluks-võtme arenguks tahkis-pooljuhtides jõuülekandes.
See kogemus kiirendas pooljuhtide laserite arengut. Hall ja tema meeskond kasutasid alaldi "PIN" -ga sarnast seadet. Nad ehitasid dioodlaseri, mis tekitas ühe kolmandiku millimeetri suurusest galliumrseniidi kristallist sidusat valgust, mis oli kahe peegli vahel õõnsuses, nii et valgus põrkas korduvalt edasi. Leiutise uudised avaldati 1. novembri 1962. aasta numbris füüsilise ülevaate kirjade numbris.
Kui Hall ja tema meeskond töötasid, ka New Yorgis Yorktown Heightsi Watsoni uurimiskeskuse teadlased. Ethw teatel sai 1962. aasta veebruaris Gallium Arseniidi kallal töötanud IBM -i teadlane Marshall I. Nathan oma osakonnajuhatajalt ülesande: ehitada esimene gallium arseniidi laser.
Nathan juhtis laser arendamisel teadlaste meeskonda, kuhu kuulusid William P. Dumke, Gerald Burns, Frederick H. Diehl ja Gordon Rascher. Nad täitsid selle ülesande oktoobris ja edastasid käsitsi paberi, milles tutvustati nende tööd rakendusfüüsikakirjadele, mis avaldas selle 4. oktoobril 1962.
MIT -i Lincolni laboris teatasid Quist, Juodawlkis ja nende kolleeg Robert Reddick tulemustest 5. novembri 1962. aasta väljaandes Applied Physics Letters.
Kõik juhtus nii kiiresti, et New York Timesi artikkel imestas "hämmastava kokkusattumuse üle", märkides, et IBMi ametnikud ei teadnud GE edust enne, kui GE saatis kutse pressikonverentsile.
IEEE on oma töö eest nüüd austanud kõiki kolme organisatsiooni. "Võib -olla on pooljuhtide laseritel olnud oma suurim mõju kommunikatsiooni valdkonnas," kirjutas Ethw artikkel. "Iga sekundi jooksul kodeerib pooljuhi laserid vaikselt inimteadmiste summa valgusesse, võimaldades seda jagada peaaegu kohe ookeanide ja ruumi vahel."
MITi pressiesindaja ütles ajalehele Times, et GE oli saavutanud oma edu oma meeskonna ees "paar päeva või nädala". Nii IBM kui ka GE taotlesid USA patente oktoobris ja mõlemad anti lõpuks.
Lincolni laboratoorsel tseremoonial tõi Gioudarkis välja, et iga kord, kui te "telefonikõnete" või "Google Silly Cat videod", kasutate pooljuhtide laser.
"Kui vaatame laiemat maailma," ütles ta, "pooljuhtide laser on tõesti üks infoajastu nurgakive."
Ta lõpetas oma kõne 1963. aasta ajakirja artikli tsitaadiga: "Kui maailm pidi valima tuhandete erinevate teleprogrammide vahel, võiksid vaid mõned dioodid nende pisikeste infrapunakiirtega valida kõik üheaegselt."
See oli "pooljuhtide laserite eelarvamus", ütles Gioudarkis. "On hämmastav, mida need kolm kirde organisatsiooni tegid 62 aastat tagasi, et anda meile kõik need võimed nüüd ja tulevikus."
General Electric, Watsoni teaduskeskus ja Lincolni laboratoorium näitavad nüüd tehnoloogiat austavaid tahvleid. Nad loevad:
1962. aasta sügisel teatasid pooljuhtlaserite esimestest meeleavaldustest vastavalt General Electricu Schenectady ja Syracuse taimed, vastavalt IBMi Thomas J. Watsoni uurimiskeskus ja MIT -i Lincolni labor. Väiksem kui riisitera, mille toiteallikaks on alalisvoolu süstimine ja lainepikkused, mis ulatuvad ultraviolettkiirguseni infrapunani, on pooljuhtide laserid tänapäevastes suhtlustes, andmete salvestamise ja täpsuse mõõtmissüsteemides üldlevinud.
