Inventat fa més de 60 anys, els làsers semiconductors són el fonament de moltes de les tecnologies actuals, incloses els escàners de codis de barres, les comunicacions de fibra òptica, la imatge mèdica i el control remot.
Les possibilitats de la tecnologia làser van atordir la comunitat científica el 1960 quan es va demostrar per primera vegada el làser teòric de llarga durada. Tres centres de recerca dels Estats Units van iniciar una carrera per desenvolupar la primera versió semiconductor de la tecnologia sense saber -ho. Les tres empreses generals Electric, Thomas J. Watson Center de IBM i el laboratori de Lincoln del MIT van reportar la primera demostració d’un làser de semiconductors en pocs dies l’un de l’altre el 1962.
El làser de semiconductors es va designar una fita IEEE en tres cerimònies, amb una placa commemorativa instal·lada per a cada dispositiu.
La invenció del làser va provocar una cursa a tres bandes
El concepte bàsic del làser data del 1917, quan Albert Einstein va proposar la teoria de la "emissió estimulada". Els científics ja sabien que els electrons podrien absorbir i emetre espontàniament llum, però Einstein va pensar que es podrien manipular per emetre a longituds d’ona específiques. Es va trigar els enginyers dècades a convertir la seva teoria en realitat.
A finals dels anys quaranta, els físics treballaven per millorar el disseny de tubs de buit utilitzats pels militars nord -americans a la Segona Guerra Mundial per detectar avions enemics amplificant senyals. Un d’ells va ser Charles Townes, investigador de Bell Labs de Murray Hill, Nova Jersey. Va proposar construir un amplificador més potent passant un feix d’ones electromagnètiques a través d’una cavitat que contenia molècules de gas. L’ona estimularia els àtoms del gas per alliberar l’energia a la mateixa velocitat que l’ona, generant energia que faria que deixés la cavitat com un feix més potent.
El 1954, Townes, aleshores professor de física de la Universitat de Columbia, va inventar un dispositiu que va anomenar "Maser" (curt per a l'amplificació de l'emissió estimulada de la radiació). Va resultar ser un precursor important del làser.
Molts teòrics van dir a Townes que el seu dispositiu no funcionaria mai, segons un article publicat per la American Physical Society. Un cop va funcionar, altres investigadors ho van copiar ràpidament i van començar a inventar variacions, segons va dir l'article.
Les ciutats i altres enginyers van pensar que podrien crear una versió òptica d’un maser que podria produir un feix de llum aprofitant l’energia d’alta freqüència. Aquest dispositiu pot produir un feix més potent que els microones, però també produiria bigues de llum a una varietat de longituds d'ona, des de la llum infraroja fins a la llum visible. El 1958, Townes va publicar una visió teòrica del "làser".
"És sorprenent que aquestes tres organitzacions del nord -est dels Estats Units fa 62 anys ens proporcionessin totes aquestes capacitats ara i en el futur".
Diversos equips van treballar junts per construir el dispositiu i, al maig de 1960, Theodore Maiman, investigador del Laboratori de Recerca de Hughes a Malibu, Califòrnia, va construir el primer làser de treball. Tres mesos després, Maiman va publicar un article a la revista Nature que descrivia la invenció, una làmpada de gran potència que brillava sobre una vareta rubí situada entre dues superfícies de plata semblants a miralls. La llum produïda per la fluorescència rubí oscil·lant a la cavitat òptica formada per la superfície realitza l’emissió estimulada d’Einstein.
Els làsers bàsics eren ara una realitat. Els enginyers van començar a dissenyar ràpidament diversos models.
Probablement molts estaven més emocionats amb el potencial dels làsers de semiconductors. Els materials semiconductors es poden manipular per conduir electricitat en les condicions adequades. Essencialment, els làsers elaborats amb materials semiconductors podrien adaptar-se a tots els components necessaris per a fonts i amplificadors de llum làser, lents i dispositius de mida de micromètric-into.
"Aquestes propietats desitjables van capturar la imaginació de científics i enginyers a través de disciplines", segons Wikipedia, la història de l'enginyeria i la tecnologia.
El 1962, un parell d’investigadors van descobrir que un material existent era un excel·lent semiconductor làser: l’arsenide de Gallium.
L’arsenide de Gallium és un material ideal per a làsers semiconductors
El 9 de juliol de 1962, els investigadors del laboratori del MIT Lincoln Robert Keyes i Theodore Quist van anunciar davant una audiència de la Conferència de Recerca en Dispositius de Solid Estat que estaven desenvolupant un làser experimental de semiconductors, va dir Paul W. Juodawlkis IEEE, durant un discurs a la fita de l'IEEE. Cerimònia de desplegament al MIT. Juodawlkis va ser director del grup quàntic d'informació i nanosistemes integrats al laboratori MIT Lincoln.
Els làsers en aquell moment encara no eren capaços d’emetre un feix coherent, però l’obra avançava ràpidament, va dir Juodawlkis. Juodawlkis i Quist van atordir el públic: van poder demostrar, van dir, que gairebé el 100 per cent de l’energia elèctrica injectada en un semiconductor de l’arsenide de Gallium es podia convertir en llum.
Ningú no havia presentat mai aquesta reclamació. El públic estava en incredulitat i es va compartir la seva incredulitat.
"Al final de la xerrada de Juodawlkis, un membre de l'audiència es va aixecar i va dir:" Bé, això viola la segona llei de la termodinàmica ", va dir Juodawlkis.
El públic va esclatar a riure. Però el físic Robert N. Hall, expert en semiconductors de General Electric Research Laboratories de Schenectady, Nova York, els va silenciar.
"Bob Hall va sortir i va explicar per què no violava la segona llei", va dir Juodawlkis. "Va ser una sensació."
Diversos equips van córrer per desenvolupar un làser de semiconductors de treball i el guanyador es va produir en pocs dies.
Els làsers de semiconductors estan fets de petits cristalls de semiconductors suspesos en un contenidor de vidre ple de nitrogen líquid, que ajuda a mantenir el dispositiu fresc.
Hall va tornar a GE i, inspirat en les presentacions de Juodawlkis i Quist, es va convèncer que podia dirigir un equip per crear un làser eficient i eficaç de Gallium Arsenide. Ja havia passat anys treballant amb semiconductors, invent l’anomenat rectificador de díodes "pin".
El rectificador, que utilitzava cristalls fets de germani pur, un material semiconductor, podria convertir el corrent altern en el desenvolupament de corrent directe: un desenvolupament clau en semiconductors d’estat sòlid per a la transmissió de potència.
Aquesta experiència va accelerar el desenvolupament de làsers de semiconductors. Hall i el seu equip van utilitzar un dispositiu similar al rectificador "Pin". Van construir un làser de díodes que produïa llum coherent a partir d’un cristall d’arsenide de Gallium d’un terç d’un mil·límetre de mida, sandvitxat en una cavitat entre dos miralls de manera que la llum rebotava repetidament i cap endavant. Les notícies de la invenció es van publicar al número de l'1 de novembre de 1962 de les cartes de revisió física.
Mentre Hall i el seu equip treballaven, també ho van fer els investigadors al Watson Research Center de Yorktown Heights, Nova York. Segons ETHW, el febrer de 1962, Marshall I. Nathan, un investigador d’IBM que abans havia treballat a Gallium Arsenide, va rebre una tasca del seu cap de departament: per construir el primer làser de Gallium Arsenide.
Nathan va dirigir un equip d’investigadors que incloïa William P. Dumke, Gerald Burns, Frederick H. Diehl i Gordon Rascher en el desenvolupament del làser. Van completar la tasca a l'octubre i van lliurar a mà un treball que explicava la seva obra a Applied Physics Letters, que la va publicar el 4 d'octubre de 1962.
Al Laboratori Lincoln del MIT, Quist, Juodawlkis i el seu col·lega Robert Reddick van informar dels resultats al número del 5 de novembre de 1962, de les cartes de física aplicada.
Tot va passar tan ràpidament que un article del New York Times es va meravellar per la "sorprenent coincidència", assenyalant que els funcionaris de l'IBM no coneixien l'èxit de GE fins que GE va enviar una invitació a una conferència de premsa.
Les tres organitzacions han estat honrades per l'IEEE per la seva feina. "Potser els làsers de semiconductors han tingut el seu major impacte en el camp de les comunicacions", va escriure un article de l'ETHW. "Cada segon, els làsers de semiconductors codifiquen tranquil·lament la suma del coneixement humà a la llum, permetent que es comparteixi gairebé a l'instant a través dels oceans i l'espai".
Un portaveu del MIT va dir al Times que GE havia aconseguit el seu èxit "uns dies o una setmana" abans del seu propi equip. Tant IBM com GE van sol·licitar les patents dels Estats Units a l'octubre i ambdues van ser atorgades.
A la cerimònia del laboratori de Lincoln, Gioudarkis va assenyalar que cada vegada que "feu una trucada telefònica" o "Google Silly Cat Videos", utilitzeu un làser de semiconductors.
"Si ens fixem en el món més ampli", va dir, "el làser de semiconductors és realment un dels anteriors de l'edat de la informació".
Va acabar el seu discurs amb una cita d'un article de la revista Time de 1963: "Si el món hagués de triar entre milers de programes de televisió diferents, només uns quants díodes amb els seus petits bigues infrarojos podrien seleccionar -los simultàniament".
Va ser "la presciència dels làsers de semiconductors", va dir Gioudarkis. "És sorprenent el que aquestes tres organitzacions del nord -est van fer fa 62 anys per donar -nos totes aquestes capacitats ara i en el futur".
General Electric, el Watson Research Center i el laboratori Lincoln ara mostren plaques en honor a la tecnologia. Llegeixen:
A la tardor de 1962, les primeres demostracions de làsers de semiconductors van ser reportades per les plantes de Schenectady i Syracuse de General Electric, el Thomas J. Watson Center de l'IBM i el laboratori Lincoln del MIT, respectivament. Menor que un gra d’arròs, alimentat per la injecció de corrent directe, i amb longituds d’ona que van des d’ultraviolats fins a infrarojos, els làsers semiconductors són omnipresents en les comunicacions modernes, l’emmagatzematge de dades i els sistemes de mesura de precisió.
