60 yıldan fazla bir süre önce icat edilen yarı iletken lazerler, barkod tarayıcılar, fiber optik iletişim, tıbbi görüntüleme ve uzaktan kumanda dahil olmak üzere günümüz teknolojilerinin çoğunun temelidir.
Lazer teknolojisinin olanakları, 1960 yılında uzun teorik lazerin ilk kez gösterildiği bilimsel topluluğu sersemletti. Üç ABD araştırma merkezi, teknolojinin ilk yarı iletken versiyonunu bilmeden geliştirme yarışına başladı. Üç Şirket Genel Electric, IBM'den Thomas J. Watson Araştırma Merkezi ve MIT's Lincoln Laboratuvarı-Ere, 1962'de birkaç gün içinde yarı iletken bir lazerin ilk gösterisini bildirdi.
Yarı iletken lazer, her cihaz için bir hatıra plakası ile üç törenle bir IEEE kilometre taşı olarak adlandırıldı.
Lazerin icadı üç yönlü bir yarışa yol açtı
Lazerin temel kavramı, Albert Einstein'ın "uyarılmış emisyon" teorisini önerdiği 1917 yılına dayanıyor. Bilim adamları, elektronların ışığı kendiliğinden emebileceğini ve yayabileceğini zaten biliyorlardı, ancak Einstein belirli dalga boylarında yayılmak üzere manipüle edilebileceklerini düşündüler. Teorisini gerçeğe dönüştürmek için mühendisler onlarca yıl aldı.
1940'ların sonlarında fizikçiler, II. Dünya Savaşı'nda ABD ordusu tarafından sinyalleri yükselterek düşman uçaklarını tespit etmek için kullanılan vakum tüplerinin tasarımını iyileştirmek için çalışıyorlardı. Bunlardan biri New Jersey, Murray Hill'deki Bell Labs'ta araştırmacı Charles Townes'du. Gaz molekülleri içeren bir boşluktan bir elektromanyetik dalgalar kirişini geçirerek daha güçlü bir amplifikatör inşa etmeyi önerdi. Dalga, gazdaki atomları, dalga ile aynı hızda enerjiyi salgılamak için uyararak, boşluğu daha güçlü bir ışın olarak bırakmasına neden olacak enerji üretecektir.
1954'te Columbia Üniversitesi'nde bir fizik profesörü olan Townes, "Maser" olarak adlandırdığı bir cihaz icat etti (uyarılmış radyasyon emisyonunun amplifikasyonu kısa). Lazer için önemli bir öncü olduğu ortaya çıktı.
Birçok teorisyen, Amerikan Fizik Derneği tarafından yayınlanan bir makaleye göre, Townes'a cihazının asla işe yaramayacağını söyledi. Makalede çalıştığında, diğer araştırmacılar hızlı bir şekilde kopyaladıklarını ve varyasyonları icat etmeye başladığını söyledi.
Townes ve diğer mühendisler, yüksek frekanslı enerjiyi kullanarak bir ışık demeti üretebilecek bir maser optik bir versiyonunu oluşturabileceklerini düşündüler. Böyle bir cihaz mikrodalgalardan daha güçlü bir ışın üretebilir, ancak kızılöteden görünür ışığa kadar çeşitli dalga boylarında ışık ışınları üretecektir. 1958'de Townes, "lazer" hakkında teorik bir genel bakış yayınladı.
Diyerek şöyle devam etti: "62 yıl önce Kuzeydoğu Amerika Birleşik Devletleri'ndeki bu üç kuruluşun bize şu anda ve gelecekte tüm bu yetenekleri sağlaması şaşırtıcı."
Birkaç ekip cihazı inşa etmek için birlikte çalıştı ve Mayıs 1960'da Malibu, Kaliforniya'daki Hughes Araştırma Laboratuvarı'nda araştırmacı Theodore Maiman ilk çalışan lazeri inşa etti. Üç ay sonra Maiman, doğayı tanımlayan Nature dergisinde, iki ayna benzeri gümüş yüzey arasına yerleştirilmiş bir yakut çubuğuna ışık tutan yüksek güçlü bir lamba olan Bicen'i tanımlayan bir makale yayınladı. Yüzey tarafından oluşturulan optik boşlukta salınan yakut floresan tarafından üretilen ışık, Einstein'ın uyarılmış emisyonunu fark eder.
Temel lazerler artık bir gerçekti. Mühendisler hızla çeşitli modeller tasarlamaya başladı.
Birçoğu muhtemelen yarı iletken lazerlerin potansiyeli konusunda heyecanlıydı. Yarı iletken malzemeler, doğru koşullar altında elektrik yapmak için manipüle edilebilir. Esasen, yarı iletken malzemelerden yapılan lazerler, bir lazer ışığı kaynakları ve amplifikatörler, lensler ve aynalar-mikrometre boyutlu cihazlar için gereken tüm bileşenlere sığabilir.
Mühendislik ve teknoloji tarihi Wikipedia'ya göre, "Bu arzu edilen mülkler, disiplinler arasında bilim adamlarının ve mühendislerin hayal gücünü yakaladı."
1962'de bir çift araştırmacı, mevcut bir materyalin mükemmel bir lazer yarı iletken olduğunu keşfetti: galyum arsenit.
Galyum arsenit, yarı iletken lazerler için ideal bir malzemedir
9 Temmuz 1962'de MIT Lincoln laboratuvar araştırmacıları Robert Keyes ve Theodore Quist, Katı Hal Cihaz Araştırma Konferansı'nda bir izleyici kitlesinden önce, IEEE Milestone'daki bir konuşmada IEEE arkadaşı Paul W. MIT'de Tören Açılış. Juodawlkis, MIT Lincoln Laboratuvarı'ndaki kuantum bilgilerinin ve entegre nanosistemler grubunun direktörüydü.
Juodawlkis, o zamanki lazerlerin henüz tutarlı bir ışın yayamadığını, ancak işin hızla ilerlediğini söyledi. Juodawlkis ve quist daha sonra izleyicileri sersemletti: Galyum arsenit yarı iletkenine enjekte edilen elektrik enerjisinin neredeyse yüzde 100'ünün ışığa dönüştürülebileceğini gösterebildiler.
Daha önce hiç kimse böyle bir iddiada bulunmamıştı. Seyirciler güvensizdi ve inançsızlıkları paylaşıldı.
Juodawlkis, "Juodawlkis'in konuşmasının sonunda, bir seyirci üyesi ayağa kalktı ve 'Bu, bu termodinamiğin ikinci yasasını ihlal ediyor' dedi.
Seyirci kahkahalarla patladı. Ancak New York, Schenectady'deki General Electric Research Laboratories'de yarı iletken bir uzman olan fizikçi Robert N. Hall onları susturdu.
Juodawlkis, "Bob Hall çıktı ve neden ikinci yasayı ihlal etmediğini açıkladı." Dedi. "Bu bir sansasyondu."
Birden fazla takım çalışan bir yarı iletken lazer geliştirmek için yarıştı ve kazanan günler içinde geldi.
Yarı iletken lazerler, sıvı azot ile doldurulmuş bir cam kapta asılı olan küçük yarı iletken kristallerden yapılmıştır, bu da cihazı serin tutmaya yardımcı olur.
Hall GE'ye döndü ve Juodawlkis ve Quist'in sunumlarından esinlenerek, bir takıma etkili, etkili bir galyum arsenid lazeri yaratmaya liderlik edebileceğine ikna oldu. Zaten yıllarca yarı iletkenlerle çalışarak, sözde "pin" diyot doğrultucuunu icat etmişti.
Yarı iletken bir malzeme olan saf germanyumdan yapılmış kristalleri kullanan doğrultma, alternatif akımı doğrudan akım-A anahtar geliştirmesine dönüştürebilir, güç iletimi için katı hal yarı iletkenlerinde.
Bu deneyim yarı iletken lazerlerin gelişimini hızlandırdı. Hall ve ekibi "pim" doğrultucuuna benzer bir cihaz kullandı. Bir milimetreden bir milimetre boyutunun üçte biri olan, iki ayna arasındaki bir boşlukta sandviçlenmiş, böylece ışık tekrar tekrar sıçrayacak bir galyum arsenit kristalinden tutarlı ışık üreten bir diyot lazer inşa ettiler. Buluş haberi 1 Kasım 1962'de Fiziksel İnceleme Mektupları sayısında yayınlandı.
Hall ve ekibi çalışırken, New York, Yorktown Heights'taki Watson Araştırma Merkezi'ndeki araştırmacılar da çalıştı. ETHW'ye göre, Şubat 1962'de, daha önce galyum arsenide üzerinde çalışan bir IBM araştırmacısı olan Marshall I. Nathan, bölüm başkanından bir görev aldı: ilk galyum arsenide lazeri inşa etmek için.
Nathan, William P. Dumke, Gerald Burns, Frederick H. Diehl ve Gordon Rascher'ı lazeri geliştirmede içeren bir araştırmacı ekibine liderlik etti. Görevi Ekim ayında tamamladılar ve 4 Ekim 1962'de yayınlayan çalışmalarını Uygulamalı Fizik Mektuplarına özetleyen bir makaleyi teslim ettiler.
MIT'in Lincoln Laboratuvarı, Quist, Juodawlkis ve meslektaşları Robert Reddick, 5 Kasım 1962'de Uygulamalı Fizik Mektupları sayısında sonuçları bildirdi.
Her şey o kadar çabuk oldu ki, bir New York Times makalesi "şaşırtıcı tesadüf" e hayran kaldı ve IBM yetkililerinin GE'nin bir basın toplantısına davet gönderene kadar GE'nin başarısını bilmediğini belirtti.
Her üç kuruluş da IEEE tarafından çalışmaları için onurlandırıldı. Bir ETHW makalesi, "Belki de yarı iletken lazerlerin iletişim alanında en büyük etkileri oldu." "Her saniyede, yarı iletken lazerler insan bilgisinin toplamını sessizce ışığa kodlayarak okyanus ve alan arasında neredeyse anında paylaşılmasını sağlıyor."
Bir MIT sözcüsü Times'a GE'nin başarısını kendi takımından önce "birkaç gün veya bir hafta" yaptığını söyledi. Hem IBM hem de GE, Ekim ayında ABD patentlerine başvurdu ve her ikisi de sonunda verildi.
Lincoln laboratuvar töreninde Gioudarkis, "bir telefon görüşmesi yaptığınızda" veya "Google aptal kedi videoları", yarı iletken bir lazer kullandığınızı belirtti.
"Daha geniş dünyaya bakarsak," dedi, "yarı iletken lazer gerçekten bilgi çağının temel taşlarından biridir."
Konuşmasını 1963 Time dergisi makalesinden bir alıntı ile sona erdirdi: "Eğer dünya binlerce farklı televizyon programı arasında seçim yapmak zorunda kalırsa, küçük kızılötesi kirişleriyle sadece birkaç diyot hepsini aynı anda seçebilir."
Gioudarkis, "yarı iletken lazerlerin önsezisi" dedi. Diyerek şöyle devam etti: "Kuzeydoğu'daki bu üç kuruluşun 62 yıl önce bize bu yeteneklerin hepsini şimdi ve gelecekte vermesi şaşırtıcı."
General Electric, Watson Araştırma Merkezi ve Lincoln Laboratuvarı artık teknolojiyi onurlandıran plaklar sergiliyor. Okuyorlar:
1962 sonbaharında, yarı iletken lazerlerin ilk gösterileri General Electric'in Schenectady ve Syracuse bitkileri, IBM'den Thomas J. Watson Araştırma Merkezi ve MIT's Lincoln laboratuvarı tarafından bildirildi. Doğrudan akım enjeksiyonu ile güçlendirilen ve ultraviyole kızılötesi, yarı iletken lazerlere kadar dalga boyları ile modern iletişim, veri depolama ve hassas ölçüm sistemlerinde her yerde bulunan bir pirinç tanesinden daha küçük.
