با اختراع بیش از 60 سال پیش ، لیزرهای نیمه هادی پایه و اساس بسیاری از فناوری های امروزی از جمله اسکنرهای بارکد ، ارتباطات فیبر نوری ، تصویربرداری پزشکی و کنترل از راه دور هستند.
امکانات فناوری لیزر در سال 1960 هنگامی که لیزر بلند نظری برای اولین بار نشان داده شد ، جامعه علمی را متحیر کرد. سه مرکز تحقیقاتی ایالات متحده برای توسعه اولین نسخه نیمه هادی این فناوری بدون دانستن آن ، شروع به کار کردند. سه شرکت عمومی برقی ، مرکز تحقیقات توماس جی. واتسون IBM ، و آزمایشگاه لینکلن MIT-هر یک از اولین تظاهرات لیزر نیمه هادی را در طی چند روز از یکدیگر در سال 1962 گزارش دادند.
لیزر نیمه هادی در سه مراسم یک نقطه عطف IEEE تعیین شد که یک پلاک یادبود برای هر دستگاه نصب شده است.
اختراع لیزر یک مسابقه سه جانبه را برانگیخت
مفهوم اصلی لیزر به سال 1917 باز می گردد ، هنگامی که آلبرت انیشتین تئوری "انتشار تحریک شده" را پیشنهاد کرد. دانشمندان قبلاً می دانستند که الکترون ها می توانند به طور خودجوش نور را جذب و ساطع کنند ، اما انیشتین فکر می کرد که می توانند برای انتشار در طول موج های خاص دستکاری شوند. چندین دهه مهندسان طول کشید تا نظریه او را به واقعیت تبدیل کند.
در اواخر دهه 1940 ، فیزیکدانان در تلاش بودند تا طراحی لوله های خلاء مورد استفاده ارتش ایالات متحده در جنگ جهانی دوم را برای شناسایی هواپیماهای دشمن با تقویت سیگنال ها بهبود بخشند. یکی از آنها چارلز تاونز ، محقق در Bell Labs در موری هیل ، نیوجرسی بود. وی با عبور از پرتو امواج الکترومغناطیسی از طریق حفره حاوی مولکول های گاز ، یک تقویت کننده قدرتمندتر را پیشنهاد کرد. این موج باعث می شود اتمهای موجود در گاز برای آزاد شدن انرژی با همان سرعت موج ، انرژی ایجاد کند و باعث ایجاد انرژی شود که باعث می شود حفره به عنوان یک پرتوی قدرتمندتر از آن خارج شود.
در سال 1954 ، تاونز ، آن زمان استاد فیزیک در دانشگاه کلمبیا ، دستگاهی را که وی "ماسسر" نامید ، اختراع کرد (کوتاه برای تقویت انتشار تحریک تابش). معلوم شد که پیشرو مهم لیزر است.
براساس مقاله ای که توسط انجمن فیزیکی آمریکا منتشر شده است ، بسیاری از نظریه پردازان به تاونز گفتند که دستگاه وی هرگز کار نخواهد کرد. در این مقاله آمده است: پس از کار ، سایر محققان به سرعت آن را کپی کردند و شروع به اختراع تغییرات کردند.
تاونز و سایر مهندسان فکر می کردند که می توانند با استفاده از انرژی با فرکانس بالا ، یک نسخه نوری از یک ماسر ایجاد کنند که می تواند پرتوی نور را تولید کند. چنین دستگاهی ممکن است پرتو قدرتمندتر از مایکروویو ها ایجاد کند ، اما همچنین می تواند پرتوهای نور را در انواع موج های مختلف ، از مادون قرمز تا نور مرئی ایجاد کند. در سال 1958 ، تاونز مروری نظری درباره "لیزر" منتشر کرد.
"شگفت آور است که این سه سازمان در شمال شرقی ایالات متحده 62 سال پیش همه این قابلیت ها را اکنون و در آینده به ما ارائه دادند."
چندین تیم برای ساخت دستگاه با هم کار کردند و در ماه مه 1960 ، تئودور میمن ، محقق آزمایشگاه تحقیقاتی هیوز در مالیبو ، کالیفرنیا ، اولین لیزر کار را ساخت. سه ماه بعد ، میمن مقاله ای را در ژورنال طبیعت توصیف کرد که این اختراع را توصیف می کند ، یک لامپ پر قدرت که نور را بر روی یک میله یاقوت می درخشد که بین دو سطح نقره مانند آینه قرار گرفته است. نور تولید شده توسط فلورسانس یاقوت نوسان در حفره نوری که توسط سطح تشکیل شده است ، انتشار تحریک شده انیشتین را متوجه می شود.
لیزرهای اساسی اکنون یک واقعیت بودند. مهندسان به سرعت شروع به طراحی مدل های مختلف کردند.
احتمالاً بسیاری از آنها از پتانسیل لیزرهای نیمه هادی هیجان زده بودند. مواد نیمه هادی را می توان برای انجام برق در شرایط مناسب دستکاری کرد. در اصل ، لیزرهای ساخته شده از مواد نیمه هادی می توانند تمام اجزای مورد نیاز برای منابع لیزر و تقویت کننده ها ، لنزها و آینه های اندازه میکرومتر را متناسب کنند.
به گفته ویکی پدیا ، تاریخ مهندسی و فناوری ، "این خصوصیات مطلوب تصور دانشمندان و مهندسان را در سراسر رشته ها به دست آورد."
در سال 1962 ، یک جفت محقق دریافتند که یک ماده موجود یک نیمه هادی لیزر عالی است: گالیم آرسنید.
گالیم آرسنید یک ماده ایده آل برای لیزرهای نیمه هادی است
در 9 ژوئیه سال 1962 ، محققان آزمایشگاه MIT لینکلن ، رابرت کیز و تئودور کوئست قبل از مخاطبان در کنفرانس تحقیقاتی دستگاه های جامد اعلام کردند که آنها در حال تهیه یک لیزر نیمه هادی آزمایشی هستند ، Paul W. Joodawlkis ، همکار IEEE در سخنرانی در Milestone IEEE گفت مراسم رونمایی در MIT. Juodawlkis مدیر گروه اطلاعات کوانتومی و گروه نانوسیستم یکپارچه در آزمایشگاه MIT لینکلن بود.
یوودالکیس گفت ، لیزرها در آن زمان هنوز قادر به انتشار پرتوی منسجم نبودند ، اما کار به سرعت در حال پیشرفت بود. آنها گفتند که یوودولکیس و کوئیست سپس مخاطبان را متحیر کردند: آنها می توانند نشان دهند که تقریباً 100 درصد از انرژی الکتریکی تزریق شده به یک نیمه هادی آرسنید گالیم می توانند به نور تبدیل شوند.
قبلاً هیچ کس چنین ادعایی را مطرح نکرده بود. مخاطبان در کفر بودند و کفر آنها به اشتراک گذاشته شد.
یوودالکیس گفت: "در پایان صحبت های یووداولکیس ، یک عضو مخاطب ایستاد و گفت:" خوب ، این قانون دوم ترمودینامیک را نقض می کند. "
مخاطبان در خنده فوران کردند. اما فیزیکدان رابرت ن. هال ، یک متخصص نیمه هادی در آزمایشگاههای تحقیقاتی جنرال الکتریک در Schenectady ، نیویورک ، آنها را خاموش کرد.
یووداولکیس گفت: "باب هال بیرون آمد و توضیح داد که چرا قانون دوم را نقض نمی کند." "این یک احساس بود."
چندین تیم برای توسعه یک لیزر نیمه هادی کار کردند و برنده طی چند روز به دست آمد.
لیزرهای نیمه هادی از کریستال های نیمه هادی ریز ساخته شده در یک ظرف شیشه ای پر از نیتروژن مایع ساخته شده اند که به خنک نگه داشتن دستگاه کمک می کند.
هال به GE بازگشت و با الهام از ارائه های یووداولکیس و کوئیست ، متقاعد شد که می تواند تیمی را برای ایجاد لیزر آرسنید گالیم کارآمد و مؤثر هدایت کند. او قبلاً سالها کار خود را با نیمه هادی ها گذرانده بود و یکسو کننده دیود به اصطلاح "پین" را اختراع کرده بود.
یکسو کننده ، که از کریستال های ساخته شده از ژرمانیوم خالص ، یک ماده نیمه هادی استفاده می کند ، می تواند جریان متناوب را برای هدایت توسعه کلید در جریان نیمه هادی های حالت جامد برای انتقال نیرو تبدیل کند.
این تجربه باعث رشد لیزرهای نیمه هادی شد. هال و تیمش از دستگاهی شبیه به یکسو کننده "پین" استفاده کردند. آنها یک لیزر دیود ساختند که نور منسجم را از یک کریستال آرسنید گالیم یک سوم با اندازه میلی متر تولید می کند ، در یک حفره بین دو آینه ساندویچ شده است تا نور به طور مکرر به عقب و جلو بپردازد. اخبار این اختراع در شماره اول نوامبر 1962 نامه های بررسی فیزیکی منتشر شد.
همانطور که هال و تیمش کار می کردند ، محققان در مرکز تحقیقات واتسون در یورک تاون هایتز ، نیویورک نیز همین کار را کردند. به گفته اتیو ، در فوریه 1962 ، مارشال اول ناتان ، محقق IBM که قبلاً روی گالیم آرسنید کار کرده بود ، از رئیس بخش خود وظیفه دریافت کرد: برای ساخت اولین لیزر گالیم آرسنید.
ناتان تیمی از محققان را رهبری کرد که شامل ویلیام پی. دامک ، جرالد برنز ، فردریک اچ دیهل و گوردون رهچر در توسعه لیزر بود. آنها این کار را در ماه اکتبر به پایان رساندند و مقاله ای را ارائه دادند که کارشان را به نامه های فیزیک کاربردی ، که آن را در 4 اکتبر 1962 منتشر کرد ، ارائه داد.
در آزمایشگاه لینکلن MIT ، کوئیست ، یوودالکیس و همکار آنها رابرت ردیک نتایج را در تاریخ 5 نوامبر 1962 ، شماره نامه های فیزیک کاربردی گزارش دادند.
همه اینها به سرعت اتفاق افتاد که مقاله ای در نیویورک تایمز با تعجب از "تصادف حیرت انگیز" ، با اشاره به اینکه مقامات IBM از موفقیت GE نمی دانند تا زمانی که GE دعوت نامه ای را به یک کنفرانس مطبوعاتی ارسال کند.
اکنون هر سه سازمان از IEEE بخاطر کار خود تجلیل شده اند. یک مقاله اتیو نوشت: "شاید لیزرهای نیمه هادی بیشترین تأثیر خود را در زمینه ارتباطات داشته باشند." "هر لیزرهای نیمه هادی ، بی سر و صدا جمع دانش انسان را به نور رمزگذاری می کنند و این امکان را می دهد تا تقریباً فوراً در اقیانوس ها و فضا به اشتراک گذاشته شود."
سخنگوی MIT به Times گفت که GE قبل از تیم خود "چند روز یا یک هفته" به موفقیت خود رسیده است. هر دو IBM و GE در ماه اکتبر برای ثبت اختراعات ایالات متحده درخواست کردند و هر دو در نهایت اعطا شدند.
در مراسم آزمایشگاه لینکلن ، Gioudarkis خاطرنشان کرد: هر بار که "یک تماس تلفنی برقرار می کنید" یا "فیلم های گربه احمقانه Google" ، از لیزر نیمه هادی استفاده می کنید.
وی گفت: "اگر به دنیای گسترده تر نگاه کنیم ،" لیزر نیمه هادی واقعاً یکی از سنگ بنای عصر اطلاعات است. "
وی سخنان خود را با نقل قول از مقاله مجله تایم سال 1963 به پایان رساند: "اگر جهان مجبور بود بین هزاران برنامه تلویزیونی مختلف را انتخاب کند ، فقط چند دیود با تیرهای مادون قرمز کوچک خود می تواند همه آنها را همزمان انتخاب کند."
جودارکیس گفت: "این" پیش بینی لیزرهای نیمه هادی "بود. "این شگفت انگیز است که این سه سازمان در شمال شرقی 62 سال پیش انجام دادند تا همه این قابلیت ها را اکنون و در آینده به ما ارائه دهند."
جنرال الکتریک ، مرکز تحقیقات واتسون و آزمایشگاه لینکلن اکنون پلاک هایی را نشان می دهند که از این فناوری افتخار می کنند. آنها می خوانند:
در پاییز سال 1962 ، اولین تظاهرات لیزرهای نیمه هادی توسط گیاهان Schenectady و Siracuse جنرال الکتریک ، مرکز تحقیقات توماس جی واتسون IBM و آزمایشگاه لینکلن MIT گزارش شد. کوچکتر از یک دانه برنج ، با استفاده از تزریق مستقیم جریان ، و با طول موج اعم از ماوراء بنفش تا مادون قرمز ، لیزرهای نیمه هادی در ارتباطات مدرن ، ذخیره داده ها و سیستم های اندازه گیری دقیق همه جا هستند.
