Izuzeli su prije više od 60 godina, poluvodički laseri temelj su mnogih današnjih tehnologija, uključujući skenere barkoda, optičke komunikacije, medicinsko snimanje i daljinsko upravljanje.
Mogućnosti laserske tehnologije zaprepastile su znanstvenu zajednicu 1960. godine kada je prvi put dokazan dugooretski laser. Tri američka istraživačka centra započela je utrku za razvoj prve verzije tehnologije poluvodiča bez da je znala. Tri general tvrtke Electric, IBM-ov istraživački centar Thomas J. Watson i MIT-ov Lincoln Laboratory-Eacki izvijestili su o prvoj demonstraciji poluvodičkog lasera u roku od nekoliko dana jedni od drugih 1962. godine.
Poluvodički laser proglašen je IEEE prekretnicom u tri ceremonije, s prigodnom plakom instaliranom za svaki uređaj.
Izum lasera pokrenuo je trosmjernu utrku
Temeljni koncept lasera datira iz 1917. godine, kada je Albert Einstein predložio teoriju "stimulirane emisije". Znanstvenici su već znali da elektroni mogu spontano apsorbirati i emitirati svjetlost, ali Einstein je mislio da se mogu manipulirati da bi emitirali na određenim valnim duljinama. Inženjerima je trebalo desetljećima da njegovu teoriju pretvore u stvarnost.
Krajem četrdesetih godina prošlog stoljeća fizičari su radili na poboljšanju dizajna vakuumskih cijevi koje je američka vojska koristila u Drugom svjetskom ratu kako bi otkrila neprijateljske zrakoplove pojačavajući signale. Jedan od njih bio je Charles Townes, istraživač u Bell Labs u Murray Hillu, New Jersey. Predložio je izgradnju snažnijeg pojačala prolazeći snop elektromagnetskih valova kroz šupljinu koja sadrži molekule plina. Val bi potaknuo atome u plinu da oslobađa energiju potpuno istom brzinom kao i val, stvarajući energiju zbog koje bi šupljinu napustio kao snažniji snop.
Godine 1954. Townes, tada profesor fizike na Sveučilištu Columbia, izumio je uređaj koji je nazvao "maser" (kratko za pojačavanje stimulirane emisije zračenja). Pokazalo se da je to važan prethodnik lasera.
Mnogi teoretičari rekli su Townesu da njegov uređaj nikada neće raditi, navodi se u članku koje je objavilo Američko fizičko društvo. Jednom kada je to uspjelo, drugi su ga istraživači brzo kopirali i počeli izmišljati varijacije, navodi se u članku.
Townes i drugi inženjeri mislili su da mogu stvoriti optičku verziju masera koja bi mogla proizvesti snop svjetla iskorištavajući visokofrekventnu energiju. Takav bi uređaj mogao proizvesti snop snažnije od mikrovalnih pećnica, ali također bi proizveo grede svjetlosti na raznim valnim duljinama, od infracrvene do vidljive svjetlosti. Godine 1958. Townes je objavio teorijski pregled "lasera".
"Nevjerojatno je da su nam ove tri organizacije na sjeveroistoku Sjedinjenih Država prije 62 godine pružile sve ove mogućnosti sada i u budućnosti."
Nekoliko timova zajedno je radilo na izgradnji uređaja, a u svibnju 1960. Theodore Maiman, istraživač iz Hughes Research Laboratory u Malibuu u Kaliforniji, izgradio je prvi radni laser. Tri mjeseca kasnije, Maiman je objavio rad u časopisu Nature koji opisuje izum, svjetiljku s jakim pogonom koja je svjetlucala na rubinsku šipku postavljenu između dvije srebrne površine poput ogledala. Svjetlost proizvedena oscilirajućom rubin fluorescencijom u optičkoj šupljini koja je nastala površinom ostvaruje Einsteinovu stimuliranu emisiju.
Osnovni laseri sada su bili stvarnost. Inženjeri su brzo počeli dizajnirati različite modele.
Mnogi su se vjerojatno najviše uzbuđivali zbog potencijala poluvodičkih lasera. Poluvodički materijali mogu se manipulirati za provođenje električne energije u pravim uvjetima. U osnovi, laseri izrađeni od poluvodičkih materijala mogu uklopiti sve komponente potrebne za izvore laserskog svjetla i pojačala, leće i ogledala u uređajima veličine mikrometra.
"Ova poželjna svojstva zabilježila su maštu znanstvenika i inženjera u disciplinama", prema Wikipediji, Povijesti inženjerstva i tehnologije.
1962. godine, par istraživača otkrio je da je postojeći materijal izvrstan laserski poluvodič: galijski arsenid.
Gallium arsenid idealan je materijal za poluvodičke lasere
Dana 9. srpnja 1962. godine, istraživači laboratorija MIT Lincoln Robert Keyes i Theodore Quist najavili su pred publikom na konferenciji o istraživanju solidnog stanja uređaja da razvijaju eksperimentalni poluvodički laser, kolega IEEE Paul W. Juodawlkis tijekom govora u IEEE Milestoneu Ceremonija otkrivanja na MIT -u. Juodawlkis je bio direktor Quantum Informacije i integrirane grupe Nanosystems u MIT Lincoln Laboratory.
Laseri u to vrijeme još nisu mogli emitirati koherentnu gredu, ali rad je brzo napredovao, rekao je Juodawlkis. Juodawlkis i Quist tada su zaprepastili publiku: mogli su pokazati, rekli su da se gotovo 100 posto električne energije ubrizgava u galijski arsenidni poluvodič može se pretvoriti u svjetlost.
Nitko nikada prije nije iznio takvu tvrdnju. Publika je bila u nevjerici, a njihova nevjerica je bila podijeljena.
"Na kraju razgovora Juodawlkisa, član publike ustao je i rekao:" Pa, to krši drugi zakon termodinamike ", rekao je Juodawlkis.
Publika je izbila od smijeha. No, fizičar Robert N. Hall, stručnjak za poluvodiča iz Laboratorija General Electric Research u Schenectadyju u New Yorku, ušutkao ih je.
"Bob Hall je izašao i objasnio zašto nije kršio drugi zakon", rekao je Juodawlkis. "To je bila senzacija."
Više timova utrčalo je kako bi razvili radni poluvodički laser, a pobjednik je došao u roku od nekoliko dana.
Poluvodički laseri izrađeni su od sitnih kristala poluvodiča koji su suspendirani u staklenoj posudi napunjenoj tekućim dušikom, što pomaže da uređaj bude hladan.
Hall se vratio u GE i, nadahnut prezentacijama Juodawlkisa i Quista, postao uvjeren da može voditi tim na stvaranje učinkovitog, učinkovite galij arsenide lasera. Već je godinama proveo radeći s poluvodičima, izmišljajući takozvano "PIN" diode ispravljača.
Ispravljač, koji je koristio kristale izrađene od čistog germanija, materijala poluvodiča, mogao bi pretvoriti izmjeničnu struju u izravnu struju-ključni razvoj u čvrstom stanju poluvodiča za prijenos snage.
Ovo je iskustvo ubrzalo razvoj poluvodičkih lasera. Hall i njegov tim koristili su uređaj sličan "PIN" ispravljaču. Izgradili su diodni laser koji je proizveo koherentno svjetlo iz kristala galij arsenida jednu trećinu milimetra veličine, zasićen je u šupljini između dva ogledala, tako da se svjetlost više puta odbijala naprijed-nazad. Vijesti o izumu objavljene su u izdanju fizičkih pregleda od 1. studenog 1962. godine.
Dok su Hall i njegov tim radili, tako su i istraživači istraživačkog centra Watson u Yorktown Heightsu, New York. Prema ETHW -u, u veljači 1962., Marshall I. Nathan, istraživač IBM -a koji je prethodno radio na Gallium Arsenideu, primio je zadatak od šefa svog odjela: za izgradnju prvog galijskog arsenidnog lasera.
Nathan je vodio tim istraživača koji su uključivali William P. Dumke, Gerald Burns, Frederick H. Diehl i Gordon Rascher u razvoju lasera. Zadatak su dovršili u listopadu i ručno dostavili papir u kojem su iznijeli svoj rad na primijenjena pisma fizike, koji su ga objavili 4. listopada 1962. godine.
U MIT -ovom Lincoln Laboratoriju, Quist, Juodawlkis i njihov kolega Robert Reddick izvijestili su o rezultatima u 5. studenoga 1962., izdanju slova primijenjenih fizika.
Sve se to dogodilo tako brzo da se članak New York Timesa divio "zapanjujuće slučajnosti", primjećujući da službenici IBM -a nisu znali za uspjeh GE -a sve dok GE nije poslao poziv na konferenciju za novinare.
Sve tri organizacije IEEE je sada počastila zbog svog rada. "Možda su poluvodički laseri imali svoj najveći utjecaj na području komunikacije", napisao je članak ETHW -a. "Svake sekunde, poluvodički laseri tiho kodiraju zbroj ljudskog znanja u svjetlost, omogućujući mu da se dijeli gotovo odmah preko oceana i prostora."
Glasnogovornik MIT -a rekao je The Timesu da je GE postigao svoj uspjeh "nekoliko dana ili tjedan" prije vlastitog tima. I IBM i GE prijavili su se za američke patente u listopadu, a obojica su na kraju odobreni.
Na laboratorijskoj ceremoniji Lincoln, Gioudarkis je istaknuo da svaki put kada "uputite telefonski poziv" ili "Google Silly Cat Videos", koristite poluvodički laser.
"Ako pogledamo širi svijet," rekao je, "poluvodički laser je zaista jedan od kamen temeljac informatičkog doba."
Svoj govor je završio citatom iz članka časopisa Time iz 1963. godine: "Ako je svijet morao birati između tisuća različitih televizijskih programa, samo nekoliko dioda sa svojim sitnim infracrvenim gredama moglo bi ih istovremeno odabrati."
Bilo je to "predviđanje poluvodičkih lasera", rekao je Gioudarkis. "Nevjerojatno je što su ove tri organizacije na sjeveroistoku učinile prije 62 godine kako bi nam pružile sve ove mogućnosti sada i u budućnosti."
General Electric, Watson Research Center i Lincoln Laboratory sada prikazuju plakete u čast tehnologiji. Čitaju:
U jesen 1962. godine, prve demonstracije poluvodičkih lasera izvijestili su biljke Schenectady i Syracuse General Electric, IBM -ov istraživački centar Thomas J. Watson, i MIT -ov Lincoln Laboratory. Manje od zrna riže, pokreće se ubrizgavanjem izravne struje, a s valnim duljinama u rasponu od ultraljubičastog do infracrvenog, poluvodički laseri su sveprisutni u modernim komunikacijama, skladištenju podataka i preciznim mjernim sustavima.
