Semiconductor-Laser erfunden vor mehr als 60 Jahren und bilden die Grundlage vieler der heutigen Technologien, darunter Barcode-Scanner, faseroptische Kommunikation, medizinische Bildgebung und Fernbedienung.
Die Möglichkeiten der Lasertechnologie verblüfften die wissenschaftliche Gemeinschaft 1960, als der lang theoretische Laser erstmals demonstriert wurde. Drei US -Forschungszentren begannen ein Rennen um die erste Halbleiterversion der Technologie, ohne es zu wissen. Das Thomas J. Watson Research Center von IBM und das Lincoln Laboratory-Each von MIT berichteten über die erste Demonstration eines Halbleiterlasers innerhalb weniger Tage voneinander.
Der Halbleiterlaser wurde in drei Zeremonien als IEEE -Meilenstein bezeichnet, wobei für jedes Gerät eine Gedenkplaque installiert war.
Die Erfindung des Lasers löste ein Drei-Wege-Rennen aus
Das Kernkonzept des Lasers stammt aus dem Jahr 1917, als Albert Einstein die Theorie der "stimulierten Emission" vorschlug. Wissenschaftler wussten bereits, dass Elektronen Licht spontan absorbieren und Licht ausgeben konnten, aber Einstein glaubte, sie könnten manipuliert werden, um bei bestimmten Wellenlängen zu emittieren. Es dauerte Jahrzehnte, um seine Theorie in die Realität umzusetzen.
In den späten 1940er Jahren arbeiteten Physiker daran, das Design von Vakuumröhrchen zu verbessern, die vom US -Militär im Zweiten Weltkrieg verwendet wurden, um feindliche Flugzeuge zu erkennen, indem es Signale verstärkt. Einer von ihnen war Charles Townes, ein Forscher bei Bell Labs in Murray Hill, New Jersey. Er schlug vor, einen stärkeren Verstärker zu bauen, indem er einen Strahl elektromagnetischer Wellen durch einen Hohlraum, der Gasmoleküle enthielt, durchsah. Die Welle würde Atome im Gas stimulieren, um Energie auf genau der gleichen Geschwindigkeit wie die Welle freizusetzen und Energie zu erzeugen, die dazu führen würde, dass sie den Hohlraum als leistungsstärkerer Strahl verlässt.
1954 erfand Townes, damals Professor für Physik an der Columbia University, ein Gerät, das er als "Maser" bezeichnete (kurz zur Verstärkung der stimulierten Strahlungsemission). Es stellte sich als wichtiger Vorläufer des Lasers heraus.
Viele Theoretiker sagten Townes, sein Gerät würde niemals funktionieren, so ein Artikel der American Physical Society. Sobald es funktioniert hatte, kopierten andere Forscher es schnell und begannen, Variationen zu erfinden, heißt es in dem Artikel.
Townes und andere Ingenieure dachten, sie könnten eine optische Version eines Masers schaffen, die einen Lichtstrahl erzeugen könnten, indem sie Hochfrequenzenergie nutzen. Ein solches Gerät kann einen Strahl erzeugen, der leistungsfähiger ist als Mikrowellen, aber es würde auch Lichtstrahlen bei einer Vielzahl von Wellenlängen produzieren, von Infrarot bis zu sichtbarem Licht. 1958 veröffentlichte Townes einen theoretischen Überblick über den "Laser".
"Es ist erstaunlich, dass diese drei Organisationen im Nordosten der Vereinigten Staaten vor 62 Jahren uns jetzt und in Zukunft all diese Fähigkeiten zur Verfügung gestellt haben."
Mehrere Teams arbeiteten zusammen, um das Gerät zu bauen, und im Mai 1960 baute Theodore Maiman, ein Forscher am Hughes Research Laboratory in Malibu, Kalifornien, den ersten arbeitenden Laser. Drei Monate später veröffentlichte Maiman ein Papier in der Zeitschrift Nature, in der die Erfindung beschrieben wurde, eine leistungsstarke Lampe, die Licht auf eine Rubinstange leuchtete, die zwischen zwei spiegelartigen silbernen Oberflächen gelegt wurde. Das Licht, das durch die oszillierende Rubinfluoreszenz in der optischen Höhle erzeugt wird, die von der Oberfläche gebildet wird, realisiert die stimulierte Emission von Einstein.
Grundlegende Laser waren jetzt Realität. Die Ingenieure begannen schnell, verschiedene Modelle zu entwerfen.
Viele waren wahrscheinlich am meisten über das Potenzial von Halbleiterlasern begeistert. Halbleitermaterialien können manipuliert werden, um Strom unter den richtigen Bedingungen zu leiten. Im Wesentlichen könnten Laser aus Halbleitermaterialien alle Komponenten passen, die für Laserlichtquellen und Verstärker, Linsen und Spiegel-in-in-Into-Geräte erforderlich sind.
"Diese wünschenswerten Eigenschaften haben die Vorstellungskraft von Wissenschaftlern und Ingenieuren über Disziplinen hinweg erfasst", so Wikipedia, die Geschichte von Ingenieurwesen und Technologie.
Im Jahr 1962 stellten ein Paar Forscher fest, dass ein bestehendes Material ein ausgezeichneter Laser -Halbleiter war: Galliumarsenid.
Galliumarsenid ist ein ideales Material für Halbleiterlaser
Am 9. Juli 1962 kündigten MIT Lincoln Laborforscher Robert Keyes und Theodore Quist vor einem Publikum auf der Solid-State-Geräte-Forschungskonferenz an, dass sie einen experimentellen Halbleiter-Laser-Laser entwickelten, Paul W. Juodawlkis während einer Rede beim IEEE-Meilenstein Enthüllung der Zeremonie am MIT. Juodawlkis war Direktor der Quanteninformationen und integrierte Nanosystemgruppe am MIT Lincoln Laboratory.
Die damaligen Laser waren noch nicht in der Lage, einen kohärenten Strahl auszugeben, aber die Arbeit ging schnell voran, sagte Juodawlkis. Juodawlkis und Quist verblüfften dann das Publikum: Sie könnten zeigen, dass fast 100 Prozent der in einen Gallium -Arsenid -Halbleiter injizierten elektrischen Energie in Licht umgewandelt werden könnten.
Niemand hatte jemals zuvor einen solchen Anspruch erhoben. Das Publikum war ungläubig und ihr Unglauben wurde geteilt.
"Am Ende von Juodawlkis 'Talk stand ein Publikum auf und sagte:' Nun, dies verstößt gegen das zweite Gesetz der Thermodynamik", sagte Juodawlkis.
Das Publikum brach vor Lachen aus. Der Physiker Robert N. Hall, Semiconductor -Experte bei General Electric Research Laboratories in Schenectady, New York, hat sie zum Schweigen gebracht.
"Bob Hall kam heraus und erklärte, warum es nicht gegen das zweite Gesetz verstoßen", sagte Juodawlkis. "Das war eine Empfindung."
Mehrere Teams rannten, um einen funktionierenden Halbleiterlaser zu entwickeln, und der Gewinner kam innerhalb weniger Tage.
Halbleiterlaser bestehen aus winzigen Halbleiterkristallen, die in einem mit flüssigen Stickstoff gefüllten Glasbehälter aufgehängt sind, was dazu beiträgt, das Gerät kühl zu halten.
Hall kehrte nach GE zurück und wurde, inspiriert von Juodawlkis und Quists Präsentationen, davon überzeugt, dass er ein Team dazu führen konnte, einen effizienten, effektiven Gallium -Arsenid -Laser zu schaffen. Er hatte bereits Jahre mit Halbleitern zusammengearbeitet und den sogenannten "Pin" -Diodengleichrichter erfunden.
Der Gleichrichter, bei dem Kristalle aus reinem Germanium, einem Halbleitermaterial, verwendete, könnte den Wechselstrom in die Gleichstromabwicklung in Festkörper-Halbleitern für die Stromübertragung umwandeln.
Diese Erfahrung beschleunigte die Entwicklung von Halbleiterlasern. Hall und sein Team verwendeten ein Gerät, das dem "Pin" -Kreißer ähnelt. Sie bauten einen Diodenlaser, der zusammenhängendes Licht aus einem Gallium-Arsenid-Kristall ein Drittel einer Millimeter Größe erzeugte, die in einem Hohlraum zwischen zwei Spiegeln eingeklemmt war, so dass das Licht wiederholt hin und her abprallte. Die Nachrichten der Erfindung wurden in der Ausgabe von Physical Review Letters vom 1. November 1962 veröffentlicht.
Während Hall und sein Team arbeiteten auch Forscher des Watson Research Center in Yorktown Heights, New York. Laut ETHW erhielt Marshall I. Nathan, ein IBM -Forscher, der zuvor an Gallium Arsenid gearbeitet hatte, im Februar 1962 eine Aufgabe von seinem Abteilungsleiter, um den ersten Gallium -Arsenid -Laser zu bauen.
Nathan leitete ein Forscherteam, zu dem William P. Dumke, Gerald Burns, Frederick H. Diehl und Gordon Rascher bei der Entwicklung des Lasers gehörten. Sie erledigten die Aufgabe im Oktober und lieferten ein Papier, in dem ihre Arbeiten an angewandte Physikbriefe beschrieben wurden, die sie am 4. Oktober 1962 veröffentlichten.
Im Lincoln Laboratory von MIT meldeten Quist, Juodawlkis und ihr Kollege Robert Reddick die Ergebnisse im 5. November 1962, Ausgabe der angewandten Physikbriefe.
Es geschah so schnell, dass ein Artikel in New York Times den "erstaunlichen Zufall" staunte und feststellte, dass IBM -Beamte nichts über GEs Erfolg wussten, bis GE eine Einladung zu einer Pressekonferenz versandte.
Alle drei Organisationen wurden jetzt von der IEEE für ihre Arbeit geehrt. "Vielleicht hatten Halbleiterlaser ihre größten Auswirkungen auf den Bereich der Kommunikation", schrieb ein ETHW -Artikel. "Jede Sekunde codieren Halbleiterlaser die Summe des menschlichen Wissens leise in Licht, sodass es fast augenblicklich über Ozeane und Raum geteilt werden kann."
Ein MIT -Sprecher sagte der Times, dass GE vor seinem eigenen Team seinen Erfolg "ein paar Tage oder eine Woche" erzielt habe. Sowohl IBM als auch GE bewarb sich im Oktober für US -Patente, und beide wurden schließlich gewährt.
Bei der Laborzeremonie in Lincoln wies Gioudarkis darauf hin, dass Sie jedes Mal, wenn Sie "einen Anruf" oder "Google Silly Cat -Videos" tätigen, einen Halbleiterlaser verwenden.
"Wenn wir uns die breitere Welt ansehen", sagte er, "der Halbleiterlaser ist wirklich einer der Eckpfeiler des Informationszeitalters."
Er beendete seine Rede mit einem Zitat aus einem Artikel des Time Magazine aus dem Jahr 1963: "Wenn die Welt zwischen Tausenden verschiedener Fernsehprogramme wählen musste, könnten nur ein paar Dioden mit ihren winzigen Infrarotstrahlen alle gleichzeitig auswählen."
Es war "die Voraussicht der Halbleiterlaser", sagte Gioudarkis. "Es ist erstaunlich, was diese drei Organisationen im Nordosten vor 62 Jahren getan haben, um uns jetzt und in Zukunft all diese Fähigkeiten zu geben."
General Electric, das Watson Research Center und das Lincoln Laboratory zeigen nun Plaketten, die die Technologie ehren. Sie lesen:
Im Herbst 1962 wurden die ersten Demonstrationen von Halbleiterlasern von Schenectady und Syracuse -Anlagen von General Electric, dem Thomas J. Watson Research Center von IBM und dem Labor von MIT, dem IBM -Labor von IBM berichtet. Kleiner als ein Reiskorn, der durch Gleichstrominjektion und Wellenlängen von Ultraviolett bis Infrarot bis hin zu Infrarot- und Infrarot -Lasern reichen, sind Halbleiterlaser in modernen Kommunikations-, Datenspeicher- und Präzisionsmesssystemen allgegenwärtig.
