Inventati più di 60 anni fa, i laser a semiconduttore sono la base di molte delle tecnologie di oggi, tra cui scanner di codici a barre, comunicazioni in fibra ottica, imaging medico e telecomando.
Le possibilità della tecnologia laser hanno sbalordito la comunità scientifica nel 1960 quando il laser teorico a lungo teorico è stato dimostrato per la prima volta. Tre centri di ricerca statunitensi hanno iniziato una gara per sviluppare la prima versione a semiconduttore della tecnologia senza saperlo. Le tre compagnie generali elettriche, il Thomas J. Watson Research Center di IBM e il Lincoln Laboratory del MIT, che hanno riferito della prima dimostrazione di un laser a semiconduttore entro pochi giorni l'uno dall'altro nel 1962.
Il laser a semiconduttore è stato designato una pietra miliare IEEE in tre cerimonie, con una targa commemorativa installata per ciascun dispositivo.
L'invenzione del laser ha scatenato una gara a tre vie
Il concetto fondamentale del laser risale al 1917, quando Albert Einstein propose la teoria di "emissione stimolata". Gli scienziati sapevano già che gli elettroni potevano assorbire spontaneamente ed emettere luce, ma Einstein pensava di poter essere manipolati per emettere a lunghezze d'onda specifiche. Gli ingegneri hanno impiegato decenni per trasformare la sua teoria in realtà.
Alla fine degli anni '40, i fisici stavano lavorando per migliorare la progettazione di tubi a vuoto utilizzati dai militari statunitensi nella seconda guerra mondiale per rilevare aerei nemici amplificando i segnali. Uno di loro era Charles Townes, ricercatore di Bell Labs a Murray Hill, nel New Jersey. Ha proposto di costruire un amplificatore più potente passando un raggio di onde elettromagnetiche attraverso una cavità contenente molecole di gas. L'onda stimolerebbe gli atomi nel gas a rilasciare energia esattamente alla stessa velocità dell'onda, generando energia che la avrebbe lasciato la cavità come un raggio più potente.
Nel 1954, Townes, allora professore di fisica alla Columbia University, inventò un dispositivo che chiamava un "maser" (abbreviato per l'amplificazione dell'emissione stimolata di radiazioni). Si è rivelato essere un precursore importante per il laser.
Molti teorici hanno detto a Townes che il suo dispositivo non avrebbe mai funzionato, secondo un articolo pubblicato dall'American Physical Society. Una volta che ha funzionato, altri ricercatori lo hanno rapidamente copiato e hanno iniziato a inventare variazioni, ha detto l'articolo.
Townes e altri ingegneri hanno pensato di poter creare una versione ottica di un maser in grado di produrre un raggio di luce sfruttando l'energia ad alta frequenza. Tale dispositivo potrebbe produrre un raggio più potente delle microonde, ma produrrebbe anche travi di luce a una varietà di lunghezze d'onda, dall'infrarosso alla luce visibile. Nel 1958, Townes pubblicò una panoramica teorica del "laser".
"È sorprendente che queste tre organizzazioni negli Stati Uniti nord -orientali 62 anni fa ci abbiano fornito tutte queste capacità ora e in futuro."
Diversi team hanno lavorato insieme per costruire il dispositivo e, nel maggio 1960, Theodore Maiman, un ricercatore del Hughes Research Laboratory di Malibu, in California, ha costruito il primo laser funzionante. Tre mesi dopo, Maiman ha pubblicato un documento sulla rivista Nature che descrive l'invenzione, una lampada ad alta potenza che ha illuminato la luce su un'asta di rubino posizionata tra due superfici argento a specchio. La luce prodotta dalla fluorescenza oscillante rubino nella cavità ottica formata dalla superficie realizza l'emissione stimolata di Einstein.
I laser di base erano ora una realtà. Gli ingegneri hanno rapidamente iniziato a progettare vari modelli.
Molti erano probabilmente molto entusiasti del potenziale dei laser a semiconduttore. I materiali a semiconduttore possono essere manipolati per condurre elettricità nelle giuste condizioni. In sostanza, i laser realizzati con materiali a semiconduttore potrebbero adattarsi a tutti i componenti necessari per fonti e amplificatori a luce laser e amplificatori, lenti e specchi, in dispositivi a dimensioni di micrometro.
"Queste proprietà desiderabili hanno catturato l'immaginazione di scienziati e ingegneri attraverso le discipline", secondo Wikipedia, la storia dell'ingegneria e della tecnologia.
Nel 1962, un paio di ricercatori scoprirono che un materiale esistente era un eccellente semiconduttore laser: l'arsenuro di gallio.
L'arsenuro di gallio è un materiale ideale per i laser a semiconduttore
Il 9 luglio 1962, i ricercatori del MIT Lincoln Laboratory Robert Keyes e Theodore Quist hanno annunciato davanti a un pubblico alla conferenza di ricerca sul dispositivo a stato solido che stavano sviluppando un laser a semiconduttore sperimentale, ha detto il compagno IEEE Paul W. Juodawlkis durante un discorso alla pietra miliare IEEE. Cerimonia di svelamento al MIT. Juodawlkis è stato direttore del Quantum Information e del gruppo di nanosistemi integrato presso il MIT Lincoln Laboratory.
I laser all'epoca non erano ancora in grado di emettere un raggio coerente, ma il lavoro stava progredendo rapidamente, ha detto Juodawlkis. Juodawlkis e Quist hanno poi sbalordito il pubblico: potevano mostrare, hanno detto, che quasi il 100 percento dell'energia elettrica iniettata in un semiconduttore di arsenide al gallio poteva essere convertito in luce.
Nessuno aveva mai fatto una simile richiesta prima. Il pubblico era incredulo e la loro incredulità era condivisa.
"Alla fine del discorso di Juodawlkis, un membro del pubblico si è alzato e ha detto: 'Bene, questo viola la seconda legge della termodinamica", ha detto Juodawlkis.
Il pubblico è scoppiato in risate. Ma il fisico Robert N. Hall, un esperto di semiconduttori presso General Electric Research Laboratories a Schenectady, New York, li ha messi a tacere.
"Bob Hall è uscito e ha spiegato perché non ha violato la seconda legge", ha detto Juodawlkis. "Questa era una sensazione."
Più squadre hanno corso per sviluppare un laser a semiconduttore funzionante e il vincitore è arrivato in pochi giorni.
I laser a semiconduttore sono realizzati con piccoli cristalli a semiconduttore sospesi in un contenitore di vetro riempito con azoto liquido, che aiuta a mantenere fresco il dispositivo.
Hall è tornato a GE e, ispirato alle presentazioni di Juodawlkis e Quist, è diventato convinto di poter guidare una squadra a creare un laser di arsenide di gallio efficiente ed efficace. Aveva già trascorso anni a lavorare con semiconduttori, inventando il cosiddetto raddrizzatore del diodo "PIN".
Il raddrizzatore, che utilizzava cristalli realizzati in puro germanio, un materiale a semiconduttore, poteva convertire la corrente alternata in corrente continua di corrente-A Sviluppo chiave nei semiconduttori a stato solido per la trasmissione di potenza.
Questa esperienza ha accelerato lo sviluppo di laser a semiconduttore. Hall e il suo team hanno utilizzato un dispositivo simile al raddrizzatore "PIN". Hanno costruito un laser a diodi che produceva luce coerente da un cristallo di arsenide di gallio un terzo di un millimetro di dimensioni, inserito in una cavità tra due specchi in modo che la luce rimbalzava avanti e indietro ripetutamente. La notizia dell'invenzione è stata pubblicata nel numero del 1 ° novembre 1962 di Physical Review Letters.
Mentre Hall e il suo team lavoravano, anche i ricercatori del Watson Research Center di Yorktown Heights, New York. Secondo ETHW, nel febbraio del 1962, Marshall I. Nathan, un ricercatore IBM che in precedenza aveva lavorato sull'arsenuro di gallio, ricevette un compito dal suo capo dipartimento: costruire il primo laser di arsenide di gallio.
Nathan ha guidato un team di ricercatori che includevano William P. Dumke, Gerald Burns, Frederick H. Diehl e Gordon Rascher nello sviluppo del laser. Hanno completato il compito in ottobre e hanno consegnato a mano un documento che delinea il loro lavoro alle lettere di fisica applicata, che lo ha pubblicato il 4 ottobre 1962.
Al Lincoln Laboratory del MIT, Quist, Juodawlkis e il loro collega Robert Reddick riferirono i risultati nella questione del 5 novembre 1962 delle lettere di fisica applicata.
È successo tutto così in fretta che un articolo del New York Times si è meravigliato della "sorprendente coincidenza", notando che i funzionari IBM non sapevano il successo di GE fino a quando GE non ha inviato un invito a una conferenza stampa.
Tutte e tre le organizzazioni sono state onorate dall'IEEE per il loro lavoro. "Forse i laser a semiconduttore hanno avuto il loro maggiore impatto nel campo delle comunicazioni", ha scritto un articolo ETHW. "Ogni secondo, i laser a semiconduttore codificano in silenzio la somma della conoscenza umana in luce, consentendo che sia condivisa quasi istantaneamente attraverso oceani e spazio."
Un portavoce del MIT ha detto al Times che GE aveva raggiunto il suo successo "qualche giorno o una settimana" prima della sua squadra. Sia IBM che GE hanno fatto domanda per i brevetti statunitensi in ottobre ed entrambi sono stati alla fine concessi.
Alla cerimonia di Lincoln Laboratory, Gioudarkis ha sottolineato che ogni volta che "fai una telefonata" o "video di gatti sciocchi di Google", stai usando un laser a semiconduttore.
"Se guardiamo al mondo più ampio", ha detto, "il laser a semiconduttore è davvero uno dei cardini dell'era dell'informazione".
Ha concluso il suo discorso con una citazione di un articolo della rivista Time del 1963: "Se il mondo dovesse scegliere tra migliaia di programmi televisivi diversi, solo alcuni diodi con i loro piccoli raggi a infrarossi potevano selezionarli tutti contemporaneamente".
Era "la prescienza dei laser a semiconduttore", ha detto Gioudarkis. "È incredibile ciò che queste tre organizzazioni nel nord -est hanno fatto 62 anni fa per darci tutte queste capacità ora e in futuro."
General Electric, il Watson Research Center e il Lincoln Laboratory ora mostrano targhe in onore della tecnologia. Hanno letto:
Nell'autunno del 1962, le prime dimostrazioni di laser a semiconduttore furono riportati dalle piante di Schenectady e Syracuse del generale Electric, rispettivamente, rispettivamente il Lincoln Laboratory del MIT e il Lincoln Laboratory del MIT. Più piccolo di un granello di riso, alimentato dall'iniezione di corrente continua e con lunghezze d'onda che vanno dai laser ultravioletti ai infrarossi, i laser a semiconduttore sono onnipresenti nei moderni comunicazioni, stoccaggio dei dati e sistemi di misurazione di precisione.
