Yli 60 vuotta sitten keksitty puolijohdelaserit ovat perusta monille nykypäivän tekniikolle, mukaan lukien viivakoodin skannerit, kuituoptiset viestinnät, lääketieteellinen kuvantaminen ja kaukosäädin.
Laser-tekniikan mahdollisuudet tainnuttivat tiedeyhteisöä vuonna 1960, kun pitkän teoreettinen laser osoitettiin ensimmäistä kertaa. Kolme Yhdysvaltain tutkimuskeskusta aloitti kilpailun tekniikan ensimmäisen puolijohdeversion kehittämiseksi tietämättä sitä. Kolme Yritysyhtiötä, IBM: n Thomas J. Watson Research Center ja MIT: n Lincoln-laboratorio-erä ilmoittivat puolijohdelaserin ensimmäisestä osoituksesta muutaman päivän kuluessa toisistaan vuonna 1962.
Puolijohdelaser oli nimetty IEEE: n virstanpylväs kolmeen seremonioon, ja jokaiselle laitteelle asennettiin muistolaatta.
Laserin keksintö herätti kolmisuuntaisen kilpailun
Laserin ydinkonsepti juontaa juurensa vuoteen 1917, jolloin Albert Einstein ehdotti teoriaa "stimuloidusta päästöstä". Tutkijat tiesivät jo, että elektronit voivat spontaanisti imeytyä ja lähettää valoa, mutta Einstein ajatteli, että niitä voidaan manipuloida pääsemään tietyillä aallonpituuksilla. Kesti insinöörejä vuosikymmenien ajan muuttaa hänen teoriansa todellisuudeksi.
1940 -luvun lopulla fyysikot pyrkivät parantamaan Yhdysvaltain armeijan toisessa maailmansodassa käytettävien tyhjiöputkien suunnittelua vihollisen lentokoneiden havaitsemiseksi vahvistamalla signaaleja. Yksi heistä oli Charles Townes, Bell Labs -yrityksen tutkija Murray Hillissä, New Jerseyssä. Hän ehdotti voimakkaamman vahvistimen rakentamista kuljettamalla sähkömagneettisten aaltojen säteen ontelon läpi, joka sisältää kaasumolekyylejä. Aalto stimuloi kaasun atomeja vapauttamaan energiaa täsmälleen samalla nopeudella kuin aalto, aiheuttaen energiaa, joka aiheuttaisi sen jättämisen onkalon kuin tehokkaampi säde.
Vuonna 1954 Townes, silloin Columbian yliopiston fysiikan professori, keksi laitteen, jota hän kutsui "maseriksi" (lyhyt säteilyn stimuloidun päästöjen monistamiseksi). Se osoittautui tärkeäksi laserille.
Monet teoreetikot kertoivat Townille, että hänen laitteensa ei koskaan toimisi, American Physical Society -lehden julkaiseman artikkelin mukaan. Kun se toimi, muut tutkijat kopioivat sen nopeasti ja alkoivat keksimällä variaatioita, artikkeli totesi.
Townes ja muut insinöörit ajattelivat voivansa luoda optisen version maserista, joka voisi tuottaa valonsäteen hyödyntämällä korkeataajuista energiaa. Tällainen laite saattaa tuottaa palkin tehokkaamman kuin mikroaaltouunit, mutta se tuottaisi myös valonsäteet monilla aallonpituuksilla infrapuna -näkyvään valoon. Vuonna 1958 Townes julkaisi teoreettisen yleiskatsauksen "laserista".
"On hämmästyttävää, että nämä kolme Yhdysvaltojen koillisosassa 62 vuotta sitten järjestettäviä organisaatioita tarjosivat meille kaikki nämä kyvyt nyt ja tulevaisuudessa."
Useat ryhmät työskentelivät yhdessä laitteen rakentamiseksi, ja toukokuussa 1960 Theodore Maiman, Hughes Research Laboratory -yrityksen tutkija Malibussa, Kaliforniassa, rakensi ensimmäisen toimivan laserin. Kolme kuukautta myöhemmin Maiman julkaisi lehden Nature-lehdessä, joka kuvaa keksintöä, suuritehoisen lampun, joka valaisee valoa rubiinitankoon, joka oli asetettu kahden peilin kaltaisen hopeapinnan väliin. Pinnan muodostama heilahtava rubiinin fluoresenssi tuottama valo pinnan muodostamassa optisessa ontelossa toteuttaa Einsteinin stimuloidun päästöjen.
Peruslaserit olivat nyt todellisuus. Insinöörit alkoivat nopeasti suunnitella erilaisia malleja.
Monet olivat luultavasti innostuneimpia puolijohdelaserien potentiaalista. Puolijohdemateriaaleja voidaan manipuloida sähkön johtamiseksi oikeissa olosuhteissa. Pohjimmiltaan puolijohdemateriaalista valmistetut laserit voisivat sopia kaikkiin laservalonlähteisiin ja vahvistimiin, linsseihin ja peilien mikrometrikokoisiin laitteisiin tarvittavat komponentit.
"Nämä toivotut ominaisuudet vangitsivat tutkijoiden ja insinöörien mielikuvituksen tieteenaloilla", Wikipedian, tekniikan ja tekniikan historia.
Vuonna 1962 pari tutkijoita havaitsi, että olemassa oleva materiaali oli erinomainen laserpuolijohde: gallium arsenidi.
Gallium arsenidi on ihanteellinen materiaali puolijohdelasereille
MIT Lincoln -laboratoriotutkijat Robert Keyes ja Theodore Quist ilmoittivat 9. heinäkuuta 1962 kiinteän valtion laitetutkimuskonferenssin yleisölle, että he kehittivät kokeellista puolijohdelaseria, IEEE-toveri Paul W. Juodawlkis sanoi IEEE Milestone -puheen aikana paljastamisseremonia MIT: ssä. Juodawlkis oli MIT Lincoln -laboratorion kvanttitietojen ja integroidun nanosysteemiryhmän johtaja.
Tuolloin laserit eivät vielä pystyneet säteilemään johdonmukaista sädettä, mutta työ eteni nopeasti, Juodawlkis sanoi. Juodawlkis ja Quist tainnuttivat sitten yleisöä: he voisivat osoittaa, että melkein 100 prosenttia gallium -arsenidipemonuktoriksi injektoidusta sähköenergiasta voitiin muuttaa valoksi.
Kukaan ei ollut koskaan tehnyt tällaista vaatimusta aikaisemmin. Yleisö oli epäusko, ja heidän epäuskonsa jaettiin.
"Juodawlkisin puheen lopussa yleisön jäsen nousi seisomaan ja sanoi:" No, tämä rikkoo termodynamiikan toista lakia "," Juodawlkis sanoi.
Yleisö puhkesi naurusta. Mutta fyysikko Robert N. Hall, New Yorkin Schenectadyn General Electric Research Laboratorien puolijohdeasiantuntija, vaiensi heidät.
"Bob Hall tuli ulos ja selitti, miksi se ei rikkonut toista lakia", Juodawlkis sanoi. "Se oli sensaatio."
Useat joukkueet kilpailivat kehittääkseen toimivan puolijohdelaseria, ja voittaja tuli päivien sisällä.
Puolijohdelaserit on valmistettu pienistä puolijohdekiteistä, jotka on suspendoitu lasiastiaan, joka on täytetty nestemäisellä typellä, mikä auttaa pitämään laite jäähtymässä.
Hall palasi GE: hen ja Juodawlkisin ja Quistin esitysten inspiroimana hän vakuutti, että hän voisi johtaa joukkuetta luomaan tehokkaan, tehokkaan gallium -arsenidilaserin. Hän oli jo viettänyt vuosia työskentelemällä puolijohteiden kanssa keksimällä ns. PIN-diodin tasasuuntaajan.
Sasasasuuntaaja, joka käytti puhtaasta germaniumista, puolijohdemateriaalista valmistettuja kiteitä, voisi muuntaa vaihtovirran suoravirta-A-avainkehitykseksi kiinteän tilan puolijohdeilla tehonsiirtoon.
Tämä kokemus nopeutti puolijohdelaserien kehitystä. Hall ja hänen tiiminsä käyttivät laitetta, joka on samanlainen kuin "PIN" -suuntaaja. He rakensivat diodilaserin, joka tuotti koherentin valon gallium-arsenidikristallista kolmasosa millimetriä kooltaan, kerrostettuna onkaloon kahden peilin välillä siten, että valo palasi edestakaisin toistuvasti. Keksinnön uutiset julkaistiin 1. marraskuuta 1962 julkaisussa fyysisen katsauksen kirjeitä.
Kun Hall ja hänen tiiminsä työskentelivät, samoin tutkijat Watson Research Centerissä Yorktown Heightsissa, New Yorkissa. ETHW: n mukaan helmikuussa 1962 Marshall I. Nathan, IBM: n tutkija, joka oli aiemmin työskennellyt Gallium Arsenidessa, sai tehtävänsä osastopäälliköltä: rakentaa ensimmäisen gallium -arsenidilaserin.
Nathan johti tutkijaryhmää, johon kuuluivat William P. Dumke, Gerald Burns, Frederick H. Diehl ja Gordon Rascher laserin kehittämisessä. He suorittivat tehtävän lokakuussa ja toimittivat käsin paperin, jossa hahmoteltiin heidän työnsä soveltaville fysiikan kirjeille, jotka julkaisivat sen 4. lokakuuta 1962.
MIT: n Lincoln -laboratoriossa Quist, Juodawlkis ja heidän kollegansa Robert Reddick ilmoittivat tulokset 5. marraskuuta 1962 sovelletun fysiikan kirjeiden julkaisemiseksi.
Kaikki tapahtui niin nopeasti, että New York Times -artikkeli ihmetteli "hämmästyttävää sattumaa", huomauttaen, että IBM: n virkamiehet eivät tienneet GE: n menestyksestä, ennen kuin GE lähetti kutsun lehdistötilaisuuteen.
IEEE on nyt kunnioittanut kaikkia kolme organisaatiota heidän työstään. "Ehkä puolijohdelaserilla on ollut suurin vaikutus viestinnän alalla", ETHW -artikkeli kirjoitti. "Joka sekunti, puolijohdelaserit koodaavat hiljaa ihmisen tiedon summan valoon, mikä mahdollistaa sen jakamisen melkein heti valtamerten ja avaruuden välillä."
MIT: n tiedottaja kertoi Timesille, että GE oli saavuttanut menestyksensä "muutama päivä tai viikko" ennen omaa joukkuettaan. Sekä IBM että GE hakivat Yhdysvaltain patentteja lokakuussa, ja molemmat lopulta myönnettiin.
Lincoln -laboratorioseremoniassa Giudarkis huomautti, että joka kerta kun "soitat puhelun" tai "Google Silly Cat -videot", käytät puolijohdelaseria.
"Jos tarkastelemme laajempaa maailmaa", hän sanoi, "puolijohdelaser on todella yksi tietokauden kulmakivistä."
Hän lopetti puheensa lainauksella vuoden 1963 Time Magazine -artikkelista: "Jos maailman olisi valittava tuhansien erilaisten televisio -ohjelmien välillä, vain muutama diodi pienillä infrapunapalkeillaan voisi valita ne kaikki samanaikaisesti."
Se oli "puolijohdelaserien prescience", Giudarkis sanoi. "On hämmästyttävää, mitä nämä kolme Koillis -organisaatiota tekivät 62 vuotta sitten antaa meille kaikki nämä kyvyt nyt ja tulevaisuudessa."
Watson -tutkimuskeskus ja Lincoln -laboratorio General Electricillä on nyt tekniikkaa kunnioittavia plakkeja. He lukevat:
Syksyllä 1962 General Electricin Schenectady- ja Syrakuse -kasvit, IBM: n Thomas J. Watson Research Center ja MIT: n Lincoln -laboratorio ilmoittivat syksyllä 1962. Pienempi kuin riisinjyvä, jota saa suora virran injektio, ja aallonpituuksilla ultravioletista infrapuna-, puolijohdelaserit ovat kaikkialla nykyaikaisessa viestinnässä, tiedon varastoinnissa ja tarkkuusmittausjärjestelmissä.
