Εφευρέθηκαν πριν από περισσότερα από 60 χρόνια, τα λέιζερ ημιαγωγών αποτελούν το θεμέλιο πολλών από τις σημερινές τεχνολογίες, συμπεριλαμβανομένων των σαρωτών γραμμωτού κώδικα, των οπτικών ινών, της ιατρικής απεικόνισης και του τηλεχειριστηρίου.
Οι δυνατότητες της τεχνολογίας λέιζερ έκπληξαν την επιστημονική κοινότητα το 1960, όταν το μακρύ θεωρητικό λέιζερ αποδείχθηκε για πρώτη φορά. Τρία ερευνητικά κέντρα των ΗΠΑ ξεκίνησαν έναν αγώνα για να αναπτύξουν την πρώτη έκδοση ημιαγωγών της τεχνολογίας χωρίς να το γνωρίζουν. Οι τρεις εταιρείες General Electric, το ερευνητικό κέντρο Thomas J. Watson της IBM και το Lincoln Laboratory του MIT ανέφεραν την πρώτη επίδειξη ενός λέιζερ ημιαγωγών μέσα σε λίγες ημέρες το ένα το άλλο το 1962.
Το λέιζερ ημιαγωγών χαρακτηρίστηκε ένα ορόσημο IEEE σε τρεις τελετές, με μια αναμνηστική πλάκα εγκατεστημένη για κάθε συσκευή.
Η εφεύρεση του λέιζερ πυροδότησε έναν τρισδιάστατο αγώνα
Η βασική έννοια του λέιζερ χρονολογείται από το 1917, όταν ο Albert Einstein πρότεινε τη θεωρία της "διεγερμένης εκπομπής". Οι επιστήμονες γνώριζαν ήδη ότι τα ηλεκτρόνια θα μπορούσαν να απορροφήσουν αυθόρμητα και να εκπέμπουν φως, αλλά ο Αϊνστάιν πίστευε ότι θα μπορούσαν να χειραγωγηθούν για να εκπέμπουν συγκεκριμένα μήκη κύματος. Χρειάστηκαν δεκαετίες των μηχανικών για να μετατρέψουν τη θεωρία του σε πραγματικότητα.
Στα τέλη της δεκαετίας του 1940, οι φυσικοί εργάζονταν για να βελτιώσουν το σχεδιασμό των σωλήνων κενού που χρησιμοποίησαν ο αμερικανικός στρατός στον Β 'Παγκόσμιο Πόλεμο για να ανιχνεύσουν εχθρικά αεροσκάφη ενισχύοντας τα σήματα. Ένας από αυτούς ήταν ο Charles Townes, ερευνητής στο Bell Labs στο Murray Hill, New Jersey. Πρότεινε την οικοδόμηση ενός ισχυρότερου ενισχυτή, περνώντας μια δέσμη ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων μέσω μιας κοιλότητας που περιέχει μόρια αερίου. Το κύμα θα διεγείρει τα άτομα στο αέριο για να απελευθερώσει ενέργεια με ακριβώς την ίδια ταχύτητα με το κύμα, δημιουργώντας ενέργεια που θα την αναγκάσει να αφήσει την κοιλότητα ως μια πιο ισχυρή δέσμη.
Το 1954, ο Townes, τότε καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Κολούμπια, εφευρέθηκε μια συσκευή που ονομάζεται "Maser" (σύντομη για την ενίσχυση της διεγερμένης εκπομπής ακτινοβολίας). Αποδείχθηκε ότι ήταν ένας σημαντικός πρόδρομος του λέιζερ.
Πολλοί θεωρητικοί δήλωσαν στους Townes ότι η συσκευή του δεν θα λειτουργούσε ποτέ, σύμφωνα με ένα άρθρο που δημοσίευσε η Αμερικανική Φυσική Εταιρεία. Μόλις λειτούργησε, άλλοι ερευνητές το αντιγράφηκαν γρήγορα και άρχισαν να εφεύρουν παραλλαγές, ανέφερε το άρθρο.
Οι Townes και άλλοι μηχανικοί πίστευαν ότι θα μπορούσαν να δημιουργήσουν μια οπτική έκδοση ενός Maser που θα μπορούσε να παράγει μια δέσμη φωτός αξιοποιώντας ενέργεια υψηλής συχνότητας. Μια τέτοια συσκευή μπορεί να παράγει μια δέσμη πιο ισχυρή από τα μικροκύματα, αλλά θα παράγει επίσης δοκούς φωτός σε μια ποικιλία από μήκη κύματος, από υπέρυθρη σε ορατό φως. Το 1958, ο Townes δημοσίευσε μια θεωρητική επισκόπηση του "λέιζερ".
"Είναι εκπληκτικό ότι αυτές οι τρεις οργανώσεις στις βορειοανατολικές Ηνωμένες Πολιτείες πριν από 62 χρόνια μας έδωσαν όλες αυτές τις δυνατότητες τώρα και στο μέλλον".
Αρκετές ομάδες συνεργάστηκαν για να χτίσουν τη συσκευή και τον Μάιο του 1960, ο Theodore Maiman, ερευνητής στο ερευνητικό εργαστήριο Hughes στο Malibu της Καλιφόρνια, έχτισε το πρώτο λέιζερ εργασίας. Τρεις μήνες αργότερα, ο Maiman δημοσίευσε ένα έγγραφο στο περιοδικό Nature που περιγράφει την εφεύρεση, έναν λαμπτήρα υψηλής ισχύος που έριξε φως σε μια ράβδο που τοποθετείται ανάμεσα σε δύο ασημένιες επιφάνειες που μοιάζουν με καθρέφτες. Το φως που παράγεται από τον ταλαντευόμενο ρουψισμό φθορισμού στην οπτική κοιλότητα που σχηματίζεται από την επιφάνεια συνειδητοποιεί την διεγερμένη εκπομπή του Αϊνστάιν.
Τα βασικά λέιζερ ήταν τώρα πραγματικότητα. Οι μηχανικοί άρχισαν γρήγορα να σχεδιάζουν διάφορα μοντέλα.
Πολλοί ήταν πιθανώς πιο ενθουσιασμένοι για το δυναμικό των λέιζερ ημιαγωγών. Τα υλικά ημιαγωγών μπορούν να χειριστούν τη διεξαγωγή ηλεκτρικής ενέργειας υπό τις σωστές συνθήκες. Ουσιαστικά, τα λέιζερ που κατασκευάζονται από υλικά ημιαγωγών θα μπορούσαν να χωρέσουν σε όλα τα εξαρτήματα που απαιτούνται για πηγές φωτός λέιζερ και ενισχυτές, φακούς και συσκευές μεγέθους μικρομέτρου.
"Αυτές οι επιθυμητές ιδιότητες κατέλαβαν τη φαντασία των επιστημόνων και των μηχανικών σε όλους τους κλάδους", σύμφωνα με τη Wikipedia, την ιστορία της μηχανικής και της τεχνολογίας.
Το 1962, ένα ζευγάρι ερευνητών ανακάλυψε ότι ένα υπάρχον υλικό ήταν ένας εξαιρετικός ημιαγωγός λέιζερ: το αρσενίδιο του γαλλίου.
Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι ένα ιδανικό υλικό για λέιζερ ημιαγωγών
Στις 9 Ιουλίου 1962, οι ερευνητές του εργαστηρίου MIT Lincoln Robert Keyes και Theodore Quist ανακοίνωσαν ενώπιον ενός ακροατηρίου στο συνέδριο έρευνας για τη συσκευή στερεάς κατάστασης ότι αναπτύσσουν ένα πειραματικό λέιζερ ημιαγωγών, δήλωσε ο συνάδελφος IEEE Paul W. Juodawlkis κατά τη διάρκεια μιας ομιλίας στο IEEE Milestone Αποκάλυψη τελετή στο MIT. Ο Juodawlkis ήταν διευθυντής της κβαντικής πληροφόρησης και ολοκληρωμένης ομάδας Nanosystems στο εργαστήριο MIT Lincoln.
Τα λέιζερ τότε δεν ήταν ακόμη σε θέση να εκπέμπουν μια συνεκτική δέσμη, αλλά το έργο προχωρούσε γρήγορα, δήλωσε ο Juodawlkis. Ο Juodawlkis και ο Quist έκοψαν στη συνέχεια το κοινό: θα μπορούσαν να δείξουν, είπαν ότι σχεδόν το 100 % της ηλεκτρικής ενέργειας που εγχύθηκε σε ημιαγωγό αρσενίου γαλλίου θα μπορούσε να μετατραπεί σε φως.
Κανείς δεν είχε κάνει ποτέ τέτοια αξίωση πριν. Το κοινό ήταν απίστευτο και η δυσπιστία τους μοιράστηκε.
"Στο τέλος της ομιλίας του Juodawlkis, ένα μέλος του ακροατηρίου σηκώθηκε και είπε:" Λοιπόν, αυτό παραβιάζει τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής ", δήλωσε ο Juodawlkis.
Το κοινό ξέσπασε στο γέλιο. Αλλά ο φυσικός Robert N. Hall, ένας εμπειρογνώμονας ημιαγωγών στο General Electric Research Laboratories στο Schenectady της Νέας Υόρκης, τα σίγιζε.
"Ο Bob Hall βγήκε και εξήγησε γιατί δεν παραβίασε τον δεύτερο νόμο", δήλωσε ο Juodawlkis. "Αυτή ήταν μια αίσθηση."
Πολλές ομάδες αγωνίστηκαν για να αναπτύξουν ένα λέιζερ ημιαγωγών εργασίας και ο νικητής ήρθε μέσα σε λίγες μέρες.
Τα λέιζερ ημιαγωγών είναι κατασκευασμένα από μικροσκοπικά κρυστάλλους ημιαγωγών αιωρούμενα σε ένα γυάλινο δοχείο γεμάτο με υγρό άζωτο, το οποίο βοηθά στη διατήρηση της συσκευής δροσερό.
Ο Hall επέστρεψε στη GE και, εμπνευσμένη από τις παρουσιάσεις του Juodawlkis και του Quist, έγινε πεπεισμένος ότι θα μπορούσε να οδηγήσει μια ομάδα για να δημιουργήσει ένα αποτελεσματικό, αποτελεσματικό λέιζερ αρσενιδίου. Είχε ήδη περάσει χρόνια εργασίας με ημιαγωγούς, επινοώντας τον λεγόμενο ανορθωτή διόδου "PIN".
Ο ανορθωτής, ο οποίος χρησιμοποίησε κρυστάλλους από καθαρό γερμανικό, υλικό ημιαγωγού, θα μπορούσε να μετατρέψει το εναλλασσόμενο ρεύμα σε άμεσο ρεύμα-μια βασική ανάπτυξη σε ημιαγωγούς στερεάς κατάστασης για μετάδοση ισχύος.
Αυτή η εμπειρία επιτάχυνε την ανάπτυξη λέιζερ ημιαγωγών. Ο Hall και η ομάδα του χρησιμοποίησαν μια συσκευή παρόμοια με τον ανορθωτή "PIN". Δημιούργησαν ένα λέιζερ διόδου που παρήγαγε συνεκτικό φως από ένα κρύσταλλο αρσενιδίου ενός γαλλίου το ένα τρίτο ενός χιλιοστού σε μέγεθος, σάντουιτς σε μια κοιλότητα μεταξύ δύο καθρέφτη, έτσι ώστε το φως να αναπηδά πίσω και πίσω επανειλημμένα. Τα νέα της εφεύρεσης δημοσιεύθηκαν στο τεύχος της 1ης Νοεμβρίου 1962 των επιστολών φυσικής αναθεώρησης.
Καθώς ο Hall και η ομάδα του εργάστηκαν, οι ερευνητές του Watson Research Center στο Yorktown Heights της Νέας Υόρκης. Σύμφωνα με τον Ethw, τον Φεβρουάριο του 1962, ο Marshall I. Nathan, ερευνητής της IBM που είχε εργαστεί στο παρελθόν στο Arsenide του Γαλίου, έλαβε ένα έργο από τον επικεφαλής του τμήματος: για να χτίσει το πρώτο λέιζερ αρσενιδίου του γαλλίου.
Ο Nathan οδήγησε μια ομάδα ερευνητών που περιλάμβανε τον William P. Dumke, τον Gerald Burns, τον Frederick H. Diehl και τον Gordon Rascher στην ανάπτυξη του λέιζερ. Ολοκλήρωσαν το έργο τον Οκτώβριο και παραδόθηκαν με το χέρι ένα έγγραφο που περιγράφει το έργο τους σε Applied Physics Letters, η οποία το δημοσίευσε στις 4 Οκτωβρίου 1962.
Στο εργαστήριο Lincoln του MIT, ο Quist, ο Juodawlkis και ο συνάδελφός τους Robert Reddick ανέφεραν τα αποτελέσματα στο τεύχος της 5ης Νοεμβρίου 1962, των εφαρμοσμένων επιστολών φυσικής.
Όλα συνέβησαν τόσο γρήγορα που ένα άρθρο της New York Times εξέπληξε την «εκπληκτική σύμπτωση», σημειώνοντας ότι οι αξιωματούχοι της IBM δεν γνώριζαν την επιτυχία της GE μέχρι η GE να στείλει μια πρόσκληση σε συνέντευξη Τύπου.
Και οι τρεις οργανώσεις έχουν πλέον τιμηθεί από το IEEE για το έργο τους. "Ίσως τα λέιζερ ημιαγωγών είχαν το μεγαλύτερο αντίκτυπο τους στον τομέα των επικοινωνιών", γράφει ένα άρθρο Ethw. "Κάθε δευτερόλεπτο, τα λέιζερ ημιαγωγών κωδικοποιούν ήσυχα το άθροισμα της ανθρώπινης γνώσης στο φως, επιτρέποντάς του να μοιράζεται σχεδόν αμέσως στους ωκεανούς και το διάστημα".
Ένας εκπρόσωπος του MIT δήλωσε στους Times ότι η GE είχε επιτύχει την επιτυχία της "λίγες μέρες ή μια εβδομάδα" πριν από τη δική της ομάδα. Τόσο η IBM όσο και η GE υπέβαλαν αίτηση για διπλώματα ευρεσιτεχνίας των ΗΠΑ τον Οκτώβριο και και οι δύο τελικά χορηγήθηκαν.
Στην τελετή εργαστηρίου Lincoln, ο Gioudarkis επεσήμανε ότι κάθε φορά που "κάνετε ένα τηλεφώνημα" ή "Google Silly Cat Videos", χρησιμοποιείτε ένα λέιζερ ημιαγωγών.
"Αν κοιτάξουμε τον ευρύτερο κόσμο", είπε, "το λέιζερ ημιαγωγών είναι πραγματικά ένας από τους ακρογωνιαίους λίθους της εποχής της πληροφόρησης".
Τελείωσε την ομιλία του με ένα απόσπασμα από ένα άρθρο του περιοδικού Time του 1963: "Αν ο κόσμος έπρεπε να επιλέξει ανάμεσα σε χιλιάδες διαφορετικά τηλεοπτικά προγράμματα, μόνο μερικές δίοδοι με τις μικροσκοπικές υπέρυθρες δοκοί τους θα μπορούσαν να επιλέξουν όλα ταυτόχρονα".
Ήταν "η προέλευση των λέιζερ ημιαγωγών", δήλωσε ο Gioudarkis. "Είναι εκπληκτικό αυτό που οι τρεις αυτές οργανώσεις στα βορειοανατολικά έκαναν πριν από 62 χρόνια για να μας δώσουν όλες αυτές τις δυνατότητες τώρα και στο μέλλον".
Το General Electric, το Κέντρο Ερευνών Watson και το Lincoln Laboratory εμφανίζουν τώρα τις πλάκες που τιμούν την τεχνολογία. Διάβασαν:
Το φθινόπωρο του 1962, οι πρώτες διαδηλώσεις των λέιζερ ημιαγωγών αναφέρθηκαν από τα φυτά Schenectady και των Συρακουσών της General Electric, το ερευνητικό κέντρο Thomas J. Watson της IBM και το Lincoln Laboratory του MIT, αντίστοιχα. Μικρότερο από ένα κόκκο ρυζιού, που τροφοδοτείται από άμεση έγχυση ρεύματος, και με μήκη κύματος που κυμαίνονται από υπεριώδη έως υπέρυθρο, τα ημιαγωγικά λέιζερ είναι πανταχού παρόντα στις σύγχρονες επικοινωνίες, αποθήκευση δεδομένων και συστήματα μέτρησης ακριβείας.
