Izgudroti vairāk nekā pirms 60 gadiem pusvadītāju lāzeri ir daudzu mūsdienu tehnoloģiju pamats, ieskaitot svītrkodu skenerus, optisko šķiedru komunikāciju, medicīnisko attēlveidošanu un tālvadības pulti.
Lāzera tehnoloģijas iespējas apdullināja zinātnieku aprindās 1960. gadā, kad pirmo reizi tika demonstrēta ilgstošā teorētiskais lāzers. Trīs ASV pētniecības centri sāka sacīkstes, lai izstrādātu pirmo tehnoloģijas pusvadītāju versiju, to nezinot. Trīs uzņēmumi General Electric, IBM Tomasa J. Vatsona pētījumu centrs un MIT Linkolna laboratorija-katrs ziņoja par pirmo pusvadītāju lāzera demonstrāciju dažu dienu laikā viens no otra 1962. gadā.
Pusvadītāju lāzers tika apzīmēts ar IEEE pavērsienu trīs ceremonijās, katrai ierīcei uzstādot piemiņas plāksni.
Lāzera izgudrojums izraisīja trīsceļu sacīkstes
Lāzera pamatkoncepcija datēta ar 1917. gadu, kad Alberts Einšteins ierosināja "stimulētās emisijas" teoriju. Zinātnieki jau zināja, ka elektroni var spontāni absorbēt un izstarot gaismu, bet Einšteins domāja, ka ar viņiem var manipulēt, lai izstarotu īpašos viļņu garumos. Inženieriem vajadzēja gadu desmitiem, lai viņa teoriju pārvērstu realitātē.
1940. gadu beigās fiziķi strādāja, lai uzlabotu vakuuma cauruļu dizainu, ko ASV militārais izmantots Otrajā pasaules karā, lai atklātu ienaidnieka gaisa kuģi, pastiprinot signālus. Viens no tiem bija Čārlzs Taunss, Bell Labs pētnieks Murray Hill, Ņūdžersijā. Viņš ierosināja uzbūvēt jaudīgāku pastiprinātāju, caur dobumu, kas satur gāzes molekulas, caur dobumu izlaižot elektromagnētisko viļņu staru. Vilnis stimulētu gāzes atomus atbrīvot enerģiju tieši tādā pašā ātrumā kā viļņam, radot enerģiju, kas izraisītu tai dobumu kā jaudīgāku staru.
1954. gadā Townes, toreizējais fizikas profesors Kolumbijas universitātē, izgudroja ierīci, kuru viņš sauca par “Maser” (īss stimulētās starojuma emisijas pastiprināšanai). Tas izrādījās svarīgs lāzera priekštecis.
Daudzi teorētiķi Townes teica, ka viņa ierīce nekad nedarbosies, saskaņā ar Amerikas Fiziskās biedrības publicēto rakstu. Kad tas darbojās, citi pētnieki to ātri nokopēja un sāka izgudrot variācijas, teikts rakstā.
Townes un citi inženieri domāja, ka viņi varētu izveidot masiera optisko versiju, kas varētu radīt gaismas staru, izmantojot augstfrekvences enerģiju. Šāda ierīce varētu radīt staru kūli, kas ir jaudīgāks nekā mikroviļņi, bet tā arī radītu gaismas starus dažādos viļņu garumos, sākot no infrasarkanās līdz redzamai gaismai. 1958. gadā Townes publicēja teorētisku pārskatu par "lāzeru".
"Tas ir pārsteidzoši, ka šīs trīs organizācijas Amerikas Savienoto Valstu ziemeļaustrumos pirms 62 gadiem mums nodrošināja visas šīs iespējas tagad un nākotnē."
Vairākas komandas strādāja kopā, lai izveidotu ierīci, un 1960. gada maijā Teodors Maimans, Hughes pētījumu laboratorijas Malibu, Kalifornijā, pētnieks, uzcēla pirmo strādājošo lāzeru. Pēc trim mēnešiem Maimans žurnālā Nature publicēja rakstu, kurā aprakstīts izgudrojums-lieljaudas lampa, kas spīdēja uz rubīna stieņa, kas novietots starp divām spoguļiem līdzīgām sudraba virsmām. Gaisma, ko rada svārstīgā rubīna fluorescence optiskajā dobumā, ko veido virsma, realizē Einšteina stimulēto emisiju.
Pamata lāzeri tagad bija realitāte. Inženieri ātri sāka veidot dažādus modeļus.
Daudzi, iespējams, visvairāk bija satraukti par pusvadītāju lāzeru potenciālu. Pusvadītāju materiālus var manipulēt, lai veiktu elektrību pareizajos apstākļos. Būtībā lāzeri, kas izgatavoti no pusvadītāju materiāliem, varētu būt piemēroti visiem komponentiem, kas nepieciešami lāzera gaismas avotiem un pastiprinātājiem, objektīviem un spoguļiem mikrometra lieluma ierīcēm.
"Šīs vēlamās īpašības atspoguļoja zinātnieku un inženieru iztēli dažādās disciplīnās," saskaņā ar inženierzinātņu un tehnoloģiju vēsturi norāda Wikipedia.
1962. gadā pētnieku pāris atklāja, ka esošais materiāls ir lielisks lāzera pusvadītājs: Gallium arsenīds.
Gallium arsenīds ir ideāls materiāls pusvadītāju lāzeriem
1962. gada 9. jūlijā MIT Lincoln laboratorijas pētnieki Roberts Keyes un Theodore Quist pirmsdzemdību ierīču pētījumu konferences auditorijā paziņoja, ka viņi izstrādā eksperimentālu pusvadītāju lāzeru, IEEE kolēģis Pols W. Juodawlkis teica runas laikā IEEE pavērsiena centrā Atklāšanas ceremonija MIT. Juodawlkis bija Kvantu informācijas un integrētās Nanosistēmu grupas direktors MIT Linkolna laboratorijā.
Lāzeri tajā laikā vēl nespēja izstarot koherentu staru, bet darbs ātri progresēja, sacīja Juodawlkis. Pēc tam Juodawlkis un Quist apdullināja auditoriju: viņi varēja parādīt, viņi teica, ka gandrīz 100 procentus no elektriskās enerģijas, kas ievadīta gallija arsenīda pusvadītājā, var pārveidot gaismā.
Neviens vēl nekad iepriekš nebija iesniedzis šādu prasību. Skatītāji bija neticīgi, un viņu neticība tika dalīta.
"Pēc JuodawlKis sarunas beigām auditorijas loceklis piecēlās un sacīja:" Nu, tas pārkāpj otro termodinamikas likumu "," sacīja Juodawlkis.
Auditorija izcēlās smieklos. Bet fiziķis Roberts N. Hols, General Electric Research Laboratories pusvadītāju eksperts Schenectady, Ņujorkā, viņus apklusināja.
"Bobs Hols iznāca un paskaidroja, kāpēc tas nepārkāpj otro likumu," sacīja Juodawlkis. "Tā bija sensācija."
Vairākas komandas sacentās, lai izstrādātu strādājošu pusvadītāju lāzeru, un uzvarētājs ieradās dažu dienu laikā.
Pusvadītāju lāzeri ir izgatavoti no sīkiem pusvadītāju kristāliem, kas suspendēti stikla traukā, kas piepildīts ar šķidru slāpekli, kas palīdz saglabāt ierīci vēsu.
Hall atgriezās GE un, iedvesmojoties no Juodawlkis un Quist prezentācijām, pārliecinājās, ka viņš var vadīt komandu, lai izveidotu efektīvu, efektīvu gallija arsenīda lāzeru. Viņš jau bija pavadījis gadus, strādājot ar pusvadītājiem, izgudrojot tā dēvēto "tapu" diodes taisngriezi.
Taisngriežu, kas izmantoja kristālus, kas izgatavoti no tīra germānija, pusvadītāju materiāla, varētu pārveidot pārmaiņus strāvu, lai vadītu strāvas-A galveno attīstību cietvielu pusvadītājos, lai nodrošinātu enerģijas pārraidi.
Šī pieredze paātrināja pusvadītāju lāzeru attīstību. Halle un viņa komanda izmantoja ierīci, kas līdzīga “tap” taisngriežam. Viņi uzcēla diodes lāzeru, kas radīja koherentu gaismu no gallija arsenīda kristāla viena trešdaļa milimetra izmēra, kas ir ieslēgts dobumā starp diviem spoguļiem, lai gaisma atkārtoti un atpakaļ atlec uz priekšu un atpakaļ. Ziņas par izgudrojumu tika publicētas 1962. gada 1. novembra numurā par fizisko pārskata vēstulēm.
Kā strādāja Hols un viņa komanda, tāpat arī pētnieki Vatsona pētījumu centrā Yorktown Heights, Ņujorkā. Pēc ETHW teiktā, 1962. gada februārī Marshall I. Nathan, IBM pētnieks, kurš iepriekš bija strādājis pie Gallium arsenīda, saņēma uzdevumu no sava nodaļas vadītāja: lai izveidotu pirmo gallija arsenīda lāzeru.
Nātans vadīja pētnieku komandu, kurā bija Viljams P. Dumke, Džeralds Burns, Frederiks H. Diehls un Gordons Rasčers, izstrādājot lāzeru. Viņi pabeidza uzdevumu oktobrī un ar rokām iesniedza papīru, kurā aprakstīts viņu darbs ar lietišķajām fizikas vēstulēm, kas to publicēja 1962. gada 4. oktobrī.
MIT Linkolna laboratorijā, Quist, Juodawlkis un viņu kolēģis Roberts Reddiks ziņoja par rezultātiem 1962. gada 5. novembrī, lietišķās fizikas vēstules.
Tas viss notika tik ātri, ka New York Times raksts brīnījās par "pārsteidzošu sakritību", atzīmējot, ka IBM amatpersonas nezina par GE panākumiem, kamēr GE izsūtīja ielūgumu uz preses konferenci.
Visas trīs organizācijas tagad ir pagodinājušas IEEE par savu darbu. "Varbūt pusvadītāju lāzeriem ir bijusi vislielākā ietekme komunikāciju jomā," rakstīja ETHW raksts. "Katru sekundi pusvadītāju lāzeri mierīgi kodē cilvēku zināšanu summu gaismā, ļaujot to gandrīz uzreiz koplietot visā okeānos un telpā."
MIT pārstāvis laikrakstam The Times sacīja, ka GE ir guvis panākumus "dažas dienas vai nedēļu" pirms savas komandas. Gan IBM, gan GE pieteicās ASV patentiem oktobrī, un abi galu galā tika piešķirti.
Linkolna laboratorijas ceremonijā Gioudarkis norādīja, ka katru reizi, kad jūs "veicat tālruņa zvanu" vai "Google Silly Cat Video", jūs izmantojat pusvadītāju lāzeru.
"Ja mēs skatāmies uz plašāku pasauli," viņš teica, "pusvadītāju lāzers patiešām ir viens no informācijas laikmeta stūrakmeņiem."
Savu runu viņš noslēdza ar 1963. gada žurnāla Time raksta citātu: "Ja pasaulei būtu jāizvēlas starp tūkstošiem dažādu televīzijas programmu, tikai dažas diodes ar savām niecīgajām infrasarkanajām starām varēja vienlaikus atlasīt visas."
Tas bija "pusvadītāju lāzeru priekšstats", sacīja Gioudarkis. "Tas ir pārsteidzoši, ko šīs trīs organizācijas ziemeļaustrumos darīja pirms 62 gadiem, lai dotu mums visas šīs iespējas tagad un nākotnē."
General Electric, Watson Research Center un Linkolna laboratorija tagad demonstrē plāksnes, kas godina tehnoloģiju. Viņi lasīja:
1962. gada rudenī par pirmajām pusvadītāju lāzeru demonstrācijām ziņoja General Electric Schenectady un Sirakūzu rūpnīcas, IBM Tomasa J. Vatsona pētījumu centrs un MIT Linkolna laboratorija. Mazāks par rīsu graudiem, ko darbina tiešās strāvas iesmidzināšana, un ar viļņu garumu, sākot no ultravioletā līdz infrasarkanajiem, pusvadītāju lāzeri ir visuresoši mūsdienu sakaros, datu glabāšanā un precīzas mērīšanas sistēmās.
