De halfgeleiderlaser, meer dan 60 jaar geleden uitgevonden, vormt de basis van veel van de hedendaagse technologieën, waaronder barcodescanners, optische communicatie, medische beeldvorming en afstandsbedieningen. Het kleine, veelzijdige apparaat is nu een IEEE-mijlpaal.
De mogelijkheden van lasertechnologie brachten de wetenschappelijke wereld in vuur en vlam in 1960, toen de laser, die lang in theorie werd beschreven, voor het eerst werd gedemonstreerd. Drie Amerikaanse onderzoekscentra begonnen onbewust te racen om de eerste halfgeleiderversie van de technologie te creëren. Drie – General Electric, IBM’s Thomas J. Watson Research Center en MIT Lincoln Laboratory – rapporteerden onafhankelijk van elkaar de eerste demonstraties van een halfgeleiderlaser, allemaal binnen een paar dagen in 1962.
De halfgeleiderlaser werd in drie ceremonies ingewijd als IEEE-mijlpaal, waarbij op elk object een plaquette werd geplaatst die de prestatie markeerde. Het Lincoln Lab-evenement kan op aanvraag worden bekeken.
De uitvinding van de laser leidt tot een driewegrace
Het basisconcept van lasers dateert uit 1917, toen Albert Einstein theoretiseerde over ‘gestimuleerde emissie’. Wetenschappers wisten al dat elektronen spontaan licht konden absorberen en uitzenden, maar Einstein veronderstelde dat elektronen gemanipuleerd konden worden om op een specifieke golflengte uit te zenden. Het duurde tientallen jaren voordat ingenieurs zijn theorie werkelijkheid konden maken.
Eind jaren veertig werkten natuurkundigen aan het verbeteren van het ontwerp van een vacuümbuis die door het Amerikaanse leger in de Tweede Wereldoorlog werd gebruikt om vijandelijke vliegtuigen te detecteren door hun signalen te versterken. Charles Townes, een onderzoeker bij Bell Labs in Murray Hill, NJ, was een van hen. Hij stelde voor een krachtigere versterker te creëren die een straal elektromagnetische golven door een holte met gasmoleculen zou sturen. De straal zou de atomen in het gas stimuleren om hun energie precies in de tijd vrij te geven met de golven van de straal, waardoor de energie ontstond die het mogelijk maakte de holte te verlaten als een veel krachtigere straal.
In 1954 creëerde Townes, toen hoogleraar natuurkunde aan Columbia, een apparaat dat hij de ‘masser’ noemde (afkorting van microgolfversterking door gestimuleerde emissie van straling). Het zou een belangrijke voorloper van de laser blijken te zijn.
Veel theoretici vertelden Townes dat zijn apparaat onmogelijk zou kunnen werken, volgens een artikel gepubliceerd door de American Physical Society. Toen het werkte, zegt het artikel, repliceerden andere onderzoekers het snel en begonnen variaties te bedenken.
Townes en andere ingenieurs kwamen tot de conclusie dat ze door het gebruik van energie met een hogere frequentie een optische versie van een maser konden maken die lichtstralen zou genereren. Zo’n apparaat zou potentieel krachtigere stralen kunnen genereren dan mogelijk was met microgolven, maar zou ook stralen van verschillende golflengten kunnen creëren, van infrarood tot zichtbaar. In 1958 publiceerde Townes een theoretisch overzicht van “lasers”.
“Het is ongelooflijk wat deze drie organisaties in het noordoosten van de Verenigde Staten 62 jaar geleden hebben gedaan om ons nu en in de toekomst van al deze mogelijkheden te voorzien.”
Verschillende teams werkten aan de bouw van zo’n apparaat, en in mei 1960 bouwde Theodore Maiman, een onderzoeker bij het Hughes Research Lab in Malibu, Californië, de eerste werkende laser. Maimans werk, gepubliceerd in Natuur drie maanden later beschreef hij de uitvinding als een krachtige lamp die licht liet flitsen op een robijnrode staaf die tussen twee met zilver beklede spiegelachtige oppervlakken was geplaatst. De optische holte gecreëerd door de oppervlakken oscilleerde het licht dat werd geproduceerd door de robijnrode fluorescentie, waardoor een door Einstein gestimuleerde emissie werd bereikt.
De basislaser is nu werkelijkheid geworden. Ingenieurs begonnen al snel variaties te creëren.
Velen waren misschien wel het meest enthousiast over de mogelijkheden van een halfgeleiderlaser. Een halfgeleidermateriaal kan worden gemanipuleerd om onder de juiste omstandigheden elektriciteit te geleiden. Door zijn aard kan een laser gemaakt van halfgeleidermateriaal alle noodzakelijke elementen van een laser – lichtopwekkings- en versterkingsbron, lenzen en spiegels – in een apparaat op micrometerschaal verpakken.
“Deze wenselijke eigenschappen hebben tot de verbeelding gesproken van wetenschappers en ingenieurs” in een verscheidenheid aan disciplines, aldus Wikipedia Engineering and Technology History.
In 1962 ontdekten een paar onderzoekers dat een bestaand materiaal een uitstekende laserhalfgeleider was: galliumarsenide.
Galliumarsenide was ideaal voor een halfgeleiderlaser
Op 9 juli 1962 vertelden MIT Lincoln Laboratory-onderzoekers Robert Keyes en Theodore Quist een publiek op de Solid State Devices Research Conference dat ze een experimentele halfgeleiderlaser aan het ontwikkelen waren, zei IEEE Fellow Paul W. Juodawlkis tijdens zijn toespraak tijdens de IEEE Milestone-inwijdingsceremonie. bij MIT. Juodawlkis is directeur van de Quantum Information and Integrated Nanosystems-groep van het MIT Lincoln Laboratory.
De laser straalde nog geen coherente straal uit, maar het werk vorderde snel, zei Keyes. En toen shockeerden Keyes en Quist het publiek: ze zeiden dat ze konden bewijzen dat bijna 100 procent van de elektriciteit die in een galliumarsenide-halfgeleider werd geïnjecteerd, in licht kon worden omgezet.
MIT’s Lincoln-laboratorium [from left] Robert Keyes, Theodore M. Quist en Robert Rediker testen hun laser op een tv-toestel.MIT Lincoln-laboratorium
Niemand heeft eerder een dergelijke bewering gedaan. Het publiek was ongelooflijk – en luid.
“Toen Bob [Keyes] Toen hij zijn toespraak beëindigde, stond een van de toehoorders op en zei: ‘Eh, dat is in strijd met de tweede wet van de thermodynamica’, zei Juodawlkis.
Het publiek barstte in lachen uit. Maar natuurkundige Robert N. Hall – een halfgeleiderexpert die werkt in het onderzoekslaboratorium van GE in Schenectady, N.Y. – hield ze de mond.
“Bob Hall stond op en legde uit waarom hij niet nog een wet overtrad”, zei Juodawlkis. “Het zorgde voor een echte buzz.”
Verschillende teams haastten zich om een werkende halfgeleiderlaser te ontwikkelen. De winstmarge werd uiteindelijk teruggebracht tot een paar dagen.
‘Opvallend toeval’
Een halfgeleiderlaser is gemaakt van een klein halfgeleiderkristal dat is opgehangen in een glazen container gevuld met vloeibare stikstof, waardoor het apparaat wordt gekoeld. General Electric Research and Development Center/AIP Emilio Segrè Visuele archieven
Hall keerde terug naar GE, geïnspireerd door de toespraak van Keyes en Quist, ervan overtuigd dat hij een team kon leiden om een efficiënte, effectieve galliumarsenidelaser te bouwen.
Hij had al jaren met halfgeleiders gewerkt en vond wat bekend staat als een “pin”-diodegelijkrichter. Met behulp van een kristal gemaakt van gezuiverd geranium, een halfgeleidend materiaal, kon de gelijkrichter wisselstroom omzetten in gelijkstroom – een belangrijke ontwikkeling voor halfgeleiders in vaste toestand die worden gebruikt bij elektrische transmissie.
Die ervaring hielp de ontwikkeling van halfgeleiderlasers te versnellen. Hall en zijn team gebruikten een soortgelijke opstelling voor een “pin”-gelijkrichter. Ze creëerden een diodelaser die coherent licht genereerde uit een kristal van galliumarsenide van een derde millimeter, geperst in een holte tussen twee spiegels, zodat het licht continu heen en weer stuiterde. Het nieuws over de uitvinding kwam naar buiten op 1 november 1962. Fysieke beoordelingsbrieven.
Terwijl Hall en zijn team werkten, deden onderzoekers van het Watson Research Center in Yorktown Heights, NY dat ook. In februari 1962 ontving Marshall I. Nathan, een IBM-onderzoeker die eerder met galliumarsenide had gewerkt, volgens ETHW een mandaat van zijn afdelingsdirecteur: Bouw de eerste galliumarsenidelaser.
Nathan leidde een team van onderzoekers, waaronder William P. Dumke, Gerald Burns, Frederick H. Dill en Gordon Lasher, om de laser te ontwikkelen. In oktober voltooiden ze de taak en dienden een paper in waarin ze hun werk beschreven Brieven over toegepaste natuurkundedie het op 4 oktober 1962 publiceerde.
Bij het Lincoln Laboratory van MIT publiceerden Quist, Keyes en hun collega Robert Rediker hun bevindingen inBrieven over toegepaste natuurkunde 5 november 1962
Alles gebeurde zo snel dat a De New York Times het artikel verwonderde zich over het ‘opvallende toeval’ en merkte op dat IBM-functionarissen zich niet bewust waren van het succes van GE totdat GE uitnodigingen voor de persconferentie stuurde. Dat zei een woordvoerder van MIT De tijden dat GE “een paar dagen of een week” eerder succes boekte dan zijn team.
Zowel IBM als GE hebben in oktober Amerikaanse patenten aangevraagd en beide zijn uiteindelijk toegekend.
Alle drie de faciliteiten zijn nu door de IEEE bekroond voor hun werk.
“Misschien heeft de halfgeleiderlaser nergens anders een grotere impact gehad dan op het gebied van de communicatie,” stelt de ETHW-notitie, “waar de halfgeleiderlaser elke seconde in stilte de som van de menselijke kennis in licht codeert, waardoor deze vrijwel onmiddellijk over de oceanen en de ruimte kan worden gedeeld. .”
De halfgeleiderlaser van IBM Research gebruikte een galliumarsenide-pn-diode, die was gevormd tot een kleine optische holte met een geëtste mesastructuur.IBM
Juodawlkis merkte tijdens de Lincoln Lab-ceremonie op dat halfgeleiderlasers worden gebruikt “elke keer dat u belt” of “Google-stomme kattenvideo’s”.
“Als we naar de wijdere wereld kijken”, zei hij, “zijn halfgeleiderlasers echt een van de hoekstenen van het informatietijdperk.”
Hij eindigde zijn toespraak met een citaat dat 1963 samenvat Tijd tijdschriftartikel: “Als de wereld ooit de keuze zou krijgen tussen duizenden verschillende tv-programma’s, zouden een paar diodes met hun zwakke infraroodstralen ze allemaal tegelijk kunnen dragen.”
Het was “een voorafschaduwing van wat halfgeleiderlasers mogelijk maakten”, zei Juodawlkis. “Het is ongelooflijk wat deze drie organisaties in het noordoosten van de Verenigde Staten 62 jaar geleden hebben gedaan om ons nu en in de toekomst van al deze mogelijkheden te voorzien.”
Plaquettes ter erkenning van de technologie zijn nu te zien bij GE, Watson Research Center en Lincoln Laboratory. Ze lazen:
In de herfst van 1962 rapporteerden de faciliteiten van General Electric in Schenectady en Syracuse, het IBM Thomas J. Watson Research Center en het MIT Lincoln Laboratory elk onafhankelijk de eerste demonstraties van een halfgeleiderlaser. Kleiner dan een rijstkorrel, aangedreven door gelijkstroominjectie en beschikbaar bij golflengten van ultraviolet tot infrarood, is de halfgeleiderlaser alomtegenwoordig geworden in moderne communicatie-, gegevensopslag- en precisiemeetsystemen.
De secties IEEE Boston, New York en Schenectady sponsorden de nominatie.
Het Milestone-programma wordt beheerd door het IEEE History Center en ondersteund door donoren en erkent uitmuntende technische prestaties wereldwijd.