Halvledarlasrar uppfanns för mer än 60 år sedan är grunden för många av dagens teknik, inklusive streckkodskannrar, fiberoptisk kommunikation, medicinsk avbildning och fjärrkontroll.
Möjligheterna med laserteknologi bedövade det vetenskapliga samfundet 1960 när den longteoretiska lasern demonstrerades för första gången. Tre amerikanska forskningscentra inledde ett lopp för att utveckla den första halvledarversionen av tekniken utan att veta den. De tre företagens generella elektriska, IBM: s Thomas J. Watson Research Center, och MIT: s Lincoln Laboratory-varje rapporterade den första demonstrationen av en halvledarlaser inom några dagar efter varandra 1962.
Halvledarlaseren utsågs till en IEEE -milstolpe i tre ceremonier, med en minnesplack installerad för varje enhet.
Uppfinningen av lasern utlöste ett trevägslopp
Kärnkonceptet för lasern går tillbaka till 1917, då Albert Einstein föreslog teorin om "stimulerad utsläpp." Forskare visste redan att elektroner spontant kunde absorbera och avge ljus, men Einstein trodde att de kunde manipuleras för att avge vid specifika våglängder. Det tog ingenjörer årtionden att förvandla sin teori till verklighet.
I slutet av 1940 -talet arbetade fysiker för att förbättra utformningen av vakuumrör som användes av den amerikanska militären under andra världskriget för att upptäcka fiendens flygplan genom att förstärka signaler. En av dem var Charles Townes, forskare vid Bell Labs i Murray Hill, New Jersey. Han föreslog att bygga en kraftfullare förstärkare genom att passera en stråle av elektromagnetiska vågor genom ett kavitet som innehåller gasmolekyler. Vågen skulle stimulera atomer i gasen för att frigöra energi med exakt samma hastighet som vågen, vilket genererar energi som skulle göra att den lämnar kaviteten som en kraftfullare stråle.
1954 uppfann Townes, då professor i fysik vid Columbia University, en enhet som han kallade en "maser" (kort för amplifiering av stimulerad utsläpp av strålning). Det visade sig vara en viktig föregångare till lasern.
Många teoretiker sa till Townes att hans enhet aldrig skulle fungera, enligt en artikel publicerad av American Physical Society. När det fungerade kopierade andra forskare snabbt och började uppfinna variationer, säger artikeln.
Städer och andra ingenjörer trodde att de kunde skapa en optisk version av en maser som kunde producera en ljusstråle genom att utnyttja högfrekvent energi. En sådan anordning kan producera en stråle mer kraftfull än mikrovågor, men den skulle också producera ljusstrålar vid olika våglängder, från infraröd till synligt ljus. 1958 publicerade Townes en teoretisk översikt över "lasern".
"Det är fantastiskt att dessa tre organisationer i nordöstra USA för 62 år sedan gav oss alla dessa kapaciteter nu och i framtiden."
Flera team arbetade tillsammans för att bygga enheten, och i maj 1960 byggde Theodore Maiman, en forskare vid Hughes Research Laboratory i Malibu, Kalifornien, den första arbetande lasern. Tre månader senare publicerade Maiman ett papper i tidskriften Nature som beskrev uppfinningen, en högdriven lampa som lyser ljus på en rubinstång placerad mellan två spegelliknande silverytor. Det ljus som produceras av den oscillerande rubinfluorescensen i den optiska kaviteten som bildas av ytan inser Einsteins stimulerade emission.
Grundläggande lasrar var nu verklighet. Ingenjörer började snabbt utforma olika modeller.
Många var förmodligen mest glada över potentialen för halvledarlasrar. Halvledarmaterial kan manipuleras för att genomföra el under rätt förhållanden. I huvudsak kan lasrar tillverkade av halvledarmaterial passa alla komponenter som behövs för en laserljuskällor och förstärkare, linser och speglar-till-mikrometer-storlekar.
"Dessa önskvärda egenskaper fångade fantasin hos forskare och ingenjörer över olika discipliner," enligt Wikipedia, historien om teknik och teknik.
1962 upptäckte ett par forskare att ett befintligt material var en utmärkt laser -halvledare: Gallium arsenid.
Gallium Arsenide är ett idealiskt material för halvledarlasrar
Den 9 juli 1962 meddelade MIT Lincoln Laboratory-forskare Robert Keyes och Theodore Quist inför en publik vid Solid-State-enhetens forskningskonferens att de utvecklade en experimentell halvledarlaser, sade IEEE-kollegan Paul W. Juodawlkis under ett tal på IEEE Milestone Avtäckt ceremoni vid MIT. Juodawlkis var chef för Quantum Information och Integrated Nanosystems Group på MIT Lincoln Laboratory.
Lasrarna vid den tiden kunde ännu inte avge en sammanhängande stråle, men arbetet fortsatte snabbt, sa Juodawlkis. Juodawlkis och Quist bedövade sedan publiken: de kunde visa, sade de, att nästan 100 procent av den elektriska energin som injicerades i en gallium Arsenide halvledare kunde omvandlas till ljus.
Ingen hade någonsin gjort ett sådant påstående tidigare. Publiken var i misstro och deras misstro delades.
"I slutet av Juodawlkis samtal stod en publikmedlem och sa:" Tja, detta bryter mot den andra lagen om termodynamik, "sa Juodawlkis.
Publiken bröt ut i skratt. Men fysiker Robert N. Hall, en halvledarekspert vid General Electric Research Laboratories i Schenectady, New York, tystade dem.
"Bob Hall kom ut och förklarade varför den inte bröt mot den andra lagen," sa Juodawlkis. "Det var en sensation."
Flera lag tävlade för att utveckla en fungerande halvledarlaser, och vinnaren kom inom några dagar.
Halvledarlasrar är gjorda av små halvledarkristaller suspenderade i en glasbehållare fylld med flytande kväve, vilket hjälper till att hålla enheten sval.
Hall återvände till GE och, inspirerad av Juodawlkis och Quists presentationer, blev övertygad om att han kunde leda ett team för att skapa en effektiv, effektiv galliumarsenidlaser. Han hade redan tillbringat flera år med att arbeta med halvledare och uppfunnit den så kallade "Pin" -diodens likriktare.
Likriktaren, som använde kristaller gjorda av rent germanium, ett halvledarmaterial, kunde konvertera växelström till direktström-en nyckelutveckling i solid-state halvledare för kraftöverföring.
Denna erfarenhet påskyndade utvecklingen av halvledarlasrar. Hall och hans team använde en enhet som liknar "Pin" -likatorn. De byggde en diodlaser som producerade sammanhängande ljus från en galliumarsenidkristall en tredjedel av en millimeter i storlek, inklämd i ett kavitet mellan två speglar så att ljuset studsade fram och tillbaka upprepade gånger. Nyheter om uppfinningen publicerades i numret 1 november 1962 av fysiska granskningsbrev.
När Hall och hans team arbetade, gjorde också forskare vid Watson Research Center i Yorktown Heights, New York. Enligt ETHW, i februari 1962, fick Marshall I. Nathan, en IBM -forskare som tidigare arbetat på Gallium Arsenide, en uppgift från sin avdelningschef: att bygga den första galliumarsenidlaseren.
Nathan ledde ett team av forskare som inkluderade William P. Dumke, Gerald Burns, Frederick H. Diehl och Gordon Rascher för att utveckla lasern. De slutförde uppgiften i oktober och handlevererade ett papper som beskrev deras arbete på tillämpade fysikbrev, som publicerade den den 4 oktober 1962.
På MIT: s Lincoln Laboratory rapporterade Quist, Juodawlkis och deras kollega Robert Reddick resultaten i den 5 november 1962, nummer av tillämpade fysikbrev.
Allt hände så snabbt att en artikel i New York Times undrade över "häpnadsväckande tillfällighet", och noterade att IBM -tjänstemän inte visste om GE: s framgång förrän GE skickade ut en inbjudan till en presskonferens.
Alla tre organisationerna har nu hedrats av IEEE för sitt arbete. "Kanske har halvledarlasrar haft sin största inverkan inom kommunikationsområdet," skrev en ETHW -artikel. "Varje sekund kodar halvledarlasrar tyst summan av mänsklig kunskap till ljus, vilket gör att den kan delas nästan omedelbart över hav och rymden."
En talesman för MIT berättade för Times att GE hade uppnått sin framgång "några dagar eller en vecka" före sitt eget team. Både IBM och GE ansökte om amerikanska patent i oktober, och båda beviljades så småningom.
Vid Lincoln Laboratory Ceremony påpekade Gioudarkis att varje gång du "ringer ett telefonsamtal" eller "Google Silly Cat -videor", använder du en halvledarlaser.
"Om vi tittar på den bredare världen," sade han, "Semiconductor Laser är verkligen en av hörnstenarna i informationsåldern."
Han avslutade sitt tal med en offert från en tidskriftsartikel från 1963: "Om världen var tvungen att välja mellan tusentals olika tv -program, kunde bara några dioder med sina små infraröda balkar välja dem alla samtidigt."
Det var "halvledarlasrarnas prescience", sa Gioudarkis. "Det är fantastiskt vad dessa tre organisationer i nordöstra gjorde för 62 år sedan för att ge oss alla dessa förmågor nu och i framtiden."
General Electric, Watson Research Center och Lincoln Laboratory visar nu plack som hedrar tekniken. De läste:
Hösten 1962 rapporterades de första demonstrationerna av halvledarlasrar av General Electrics Schenectady respektive Syracuse -anläggningar, IBM: s Thomas J. Watson Research Center respektive MIT: s Lincoln Laboratory. Mindre än ett riskorn, drivs av likströmsinjektion, och med våglängder som sträcker sig från ultraviolett till infraröd, är halvledarlasrar allestädes närvarande i modern kommunikation, datalagring och precisionsmätningssystem.
