Được phát minh hơn 60 năm trước, laser bán dẫn là nền tảng của nhiều công nghệ ngày nay, bao gồm máy quét mã vạch, truyền thông sợi quang, hình ảnh y tế và kiểm soát từ xa.
Khả năng của công nghệ laser đã làm choáng váng cộng đồng khoa học vào năm 1960 khi lần đầu tiên laser lý thuyết được chứng minh. Ba trung tâm nghiên cứu của Hoa Kỳ đã bắt đầu một cuộc đua để phát triển phiên bản bán dẫn đầu tiên của công nghệ mà không biết nó. Ba công ty điện tử, Trung tâm nghiên cứu Thomas J. Watson của IBM, và Phòng thí nghiệm Lincoln-Aeach của MIT đã báo cáo cuộc biểu tình đầu tiên về laser bán dẫn trong vòng vài ngày vào năm 1962.
Laser bán dẫn được chỉ định là một cột mốc IEEE trong ba nghi lễ, với một tấm biển kỷ niệm được cài đặt cho mỗi thiết bị.
Phát minh của laser đã gây ra cuộc đua ba chiều
Khái niệm cốt lõi của laser có từ năm 1917, khi Albert Einstein đề xuất lý thuyết về "phát xạ kích thích". Các nhà khoa học đã biết rằng các electron có thể tự nhiên hấp thụ và phát ra ánh sáng, nhưng Einstein nghĩ rằng chúng có thể bị thao túng để phát ra ở các bước sóng cụ thể. Phải mất nhiều thập kỷ để biến lý thuyết của mình thành hiện thực.
Vào cuối những năm 1940, các nhà vật lý đã làm việc để cải thiện thiết kế các ống chân không được sử dụng bởi quân đội Hoa Kỳ trong Thế chiến II để phát hiện máy bay của kẻ thù bằng cách khuếch đại tín hiệu. Một trong số đó là Charles Townes, một nhà nghiên cứu tại Bell Labs ở Murray Hill, New Jersey. Ông đề xuất xây dựng một bộ khuếch đại mạnh mẽ hơn bằng cách truyền một chùm sóng điện từ qua một khoang chứa các phân tử khí. Sóng sẽ kích thích các nguyên tử trong khí giải phóng năng lượng với tốc độ chính xác với sóng, tạo ra năng lượng sẽ khiến nó rời khỏi khoang như một chùm mạnh hơn.
Năm 1954, Townes, khi đó là giáo sư vật lý tại Đại học Columbia, đã phát minh ra một thiết bị mà ông gọi là "Maser" (viết tắt để khuếch đại phát xạ phóng xạ được kích thích). Nó hóa ra là một tiền thân quan trọng đối với laser.
Nhiều nhà lý thuyết nói với Townes, thiết bị của anh ta sẽ không bao giờ hoạt động, theo một bài báo được xuất bản bởi Hiệp hội Vật lý Hoa Kỳ. Một khi nó hoạt động, các nhà nghiên cứu khác đã nhanh chóng sao chép nó và bắt đầu phát minh ra các biến thể, bài báo cho biết.
Townes và các kỹ sư khác nghĩ rằng họ có thể tạo ra một phiên bản quang học của một maser có thể tạo ra một chùm ánh sáng bằng cách khai thác năng lượng tần số cao. Một thiết bị như vậy có thể tạo ra một chùm mạnh hơn so với lò vi sóng, nhưng nó cũng sẽ tạo ra các chùm ánh sáng ở nhiều bước sóng, từ hồng ngoại đến ánh sáng nhìn thấy được. Năm 1958, Townes đã xuất bản một cái nhìn tổng quan về mặt lý thuyết về "laser."
"Thật đáng kinh ngạc khi ba tổ chức này ở Đông Bắc Hoa Kỳ 62 năm trước đã cung cấp cho chúng tôi tất cả các khả năng này hiện nay và trong tương lai."
Một số nhóm đã làm việc cùng nhau để chế tạo thiết bị, và vào tháng 5 năm 1960, Theodore Maiman, một nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm nghiên cứu Hughes ở Malibu, California, đã xây dựng laser làm việc đầu tiên. Ba tháng sau, Maiman đã xuất bản một bài báo trên tạp chí Nature mô tả sáng chế, một chiếc đèn công suất cao chiếu sáng lên một thanh ruby được đặt giữa hai bề mặt bạc giống như gương. Ánh sáng được tạo ra bởi huỳnh quang ruby dao động trong khoang quang được hình thành bởi bề mặt nhận ra phát xạ kích thích của Einstein.
Laser cơ bản bây giờ là một thực tế. Các kỹ sư nhanh chóng bắt đầu thiết kế các mô hình khác nhau.
Nhiều người có lẽ đã hào hứng nhất về tiềm năng của laser bán dẫn. Vật liệu bán dẫn có thể được thao tác để tiến hành điện trong điều kiện thích hợp. Về cơ bản, laser được làm từ vật liệu bán dẫn có thể phù hợp với tất cả các thành phần cần thiết cho các nguồn ánh sáng laser và bộ khuếch đại, ống kính và các thiết bị có kích thước micromet vào gương.
"Những đặc tính mong muốn này đã chiếm được trí tưởng tượng của các nhà khoa học và kỹ sư qua các ngành," theo Wikipedia, lịch sử kỹ thuật và công nghệ.
Năm 1962, một cặp nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng một vật liệu hiện có là chất bán dẫn laser tuyệt vời: gallium arsenide.
Gallium arsenide là một vật liệu lý tưởng cho laser bán dẫn
Vào ngày 9 tháng 7 năm 1962, các nhà nghiên cứu của Phòng thí nghiệm MIT Lincoln Robert Keyes và Theodore Quist đã thông báo trước khán giả tại Hội nghị nghiên cứu thiết bị trạng thái rắn rằng họ đang phát triển một laser bán dẫn thử nghiệm, đồng nghiệp của IEEE Buổi ra mắt tại MIT. Juodawlkis là giám đốc của Tập đoàn Thông tin lượng tử và tích hợp Nanosystems tại Phòng thí nghiệm MIT Lincoln.
Các tia laser vào thời điểm đó chưa thể phát ra một chùm tia mạch lạc, nhưng công việc đang tiến triển nhanh chóng, Juodawlkis nói. Juodawlkis và Quist sau đó làm choáng váng khán giả: Họ có thể cho thấy, họ nói rằng gần 100 % năng lượng điện được bơm vào một chất bán dẫn gallium arsenide có thể được chuyển đổi thành ánh sáng.
Không ai từng đưa ra yêu cầu như vậy trước đây. Khán giả đã không tin, và sự hoài nghi của họ đã được chia sẻ.
"Vào cuối cuộc nói chuyện của Juodawlkis, một thành viên khán giả đã đứng lên và nói, 'Chà, điều này vi phạm luật nhiệt động thứ hai", Juodawlkis nói.
Khán giả nổ ra trong tiếng cười. Nhưng nhà vật lý Robert N. Hall, một chuyên gia bán dẫn tại Phòng thí nghiệm nghiên cứu điện General ở Schenectady, New York, đã im lặng họ.
"Bob Hall đã ra ngoài và giải thích lý do tại sao nó không vi phạm luật thứ hai", Juodawlkis nói. "Đó là một cảm giác."
Nhiều đội đua để phát triển một laser chất bán dẫn hoạt động, và người chiến thắng đã đến trong vài ngày.
Laser bán dẫn được làm từ các tinh thể bán dẫn nhỏ được treo trong một thùng chứa thủy tinh chứa đầy nitơ lỏng, giúp giữ cho thiết bị mát mẻ.
Hall trở lại GE và, lấy cảm hứng từ các bài thuyết trình của Juodawlkis và Quist, đã bị thuyết phục rằng anh ta có thể dẫn dắt một nhóm tạo ra một laser gallium arsenide hiệu quả, hiệu quả. Ông đã dành nhiều năm làm việc với chất bán dẫn, phát minh ra cái gọi là bộ chỉnh lưu diode "pin".
Bộ chỉnh lưu, sử dụng các tinh thể được làm từ Germanium tinh khiết, vật liệu bán dẫn, có thể chuyển đổi dòng điện xen kẽ thành hiện tại-phát triển chính trong các chất bán dẫn trạng thái rắn để truyền điện.
Kinh nghiệm này đã đẩy nhanh sự phát triển của laser bán dẫn. Hall và nhóm của anh ta đã sử dụng một thiết bị tương tự như bộ chỉnh lưu "pin". Họ đã chế tạo một laser diode tạo ra ánh sáng kết hợp từ một tinh thể gallium arsenide một phần ba kích thước milimet, kẹp trong một khoang giữa hai gương để ánh sáng bật qua lại nhiều lần. Tin tức về sáng chế đã được xuất bản vào ngày 1 tháng 11 năm 1962 về các thư đánh giá vật lý.
Khi Hall và nhóm của ông làm việc, các nhà nghiên cứu tại Trung tâm nghiên cứu Watson ở Yorktown Heights, New York cũng vậy. Theo ETHW, vào tháng 2 năm 1962, Marshall I. Nathan, một nhà nghiên cứu của IBM, người trước đây đã từng làm việc trên Gallium Arsenide, đã nhận được một nhiệm vụ từ người đứng đầu bộ phận của mình: để xây dựng Laser Gallium Arsenide đầu tiên.
Nathan đã lãnh đạo một nhóm các nhà nghiên cứu bao gồm William P. Dumke, Gerald Burns, Frederick H. Diehl và Gordon Rascher trong việc phát triển laser. Họ đã hoàn thành nhiệm vụ vào tháng 10 và đưa ra một bài báo phác thảo công việc của họ cho các thư vật lý ứng dụng, đã xuất bản nó vào ngày 4 tháng 10 năm 1962.
Tại Phòng thí nghiệm Lincoln của MIT, Quist, Juodawlkis và đồng nghiệp Robert Reddick của họ đã báo cáo kết quả trong ngày 5 tháng 11 năm 1962, vấn đề về các thư vật lý ứng dụng.
Tất cả đã xảy ra nhanh đến nỗi một bài báo của New York Times đã ngạc nhiên trước "sự trùng hợp đáng kinh ngạc", lưu ý rằng các quan chức của IBM đã không biết về thành công của GE cho đến khi GE gửi lời mời đến một cuộc họp báo.
Tất cả ba tổ chức hiện đã được IEEE vinh danh vì công việc của họ. "Có lẽ laser chất bán dẫn đã có tác động lớn nhất trong lĩnh vực truyền thông", một bài báo của ETHW viết. "Mỗi giây, laser bán dẫn lặng lẽ mã hóa tổng số kiến thức của con người thành ánh sáng, cho phép nó được chia sẻ gần như ngay lập tức trên các đại dương và không gian."
Một phát ngôn viên của MIT nói với tờ Times rằng GE đã đạt được thành công của mình "một vài ngày hoặc một tuần" trước đội của mình. Cả IBM và GE đều áp dụng cho các bằng sáng chế của Hoa Kỳ vào tháng 10, và cả hai cuối cùng đã được cấp.
Tại buổi lễ trong phòng thí nghiệm Lincoln, Gioudarkis chỉ ra rằng mỗi khi bạn "gọi điện thoại" hoặc "video Cat Silly Cat", bạn đang sử dụng laser bán dẫn.
"Nếu chúng ta nhìn vào thế giới rộng lớn hơn", ông nói, "laser bán dẫn thực sự là một trong những nền tảng của thời đại thông tin."
Ông đã kết thúc bài phát biểu của mình bằng một trích dẫn từ một bài báo của tạp chí Time năm 1963: "Nếu thế giới phải lựa chọn giữa hàng ngàn chương trình truyền hình khác nhau, chỉ một vài điốt với những chùm hồng ngoại nhỏ của họ có thể chọn tất cả chúng cùng một lúc."
Đó là "sự phát triển của laser bán dẫn," Gioudarkis nói. "Thật đáng kinh ngạc những gì ba tổ chức này ở Đông Bắc đã làm 62 năm trước để cung cấp cho chúng ta tất cả các khả năng này bây giờ và trong tương lai."
General Electric, Trung tâm nghiên cứu Watson và Phòng thí nghiệm Lincoln hiện đang hiển thị các mảng tôn vinh công nghệ. Họ đọc:
Vào mùa thu năm 1962, các cuộc biểu tình đầu tiên của các laser bán dẫn đã được báo cáo bởi các nhà máy Schenectady và Syracuse của General Electric, Trung tâm nghiên cứu Thomas J. Watson của IBM và Phòng thí nghiệm Lincoln của MIT. Nhỏ hơn một hạt gạo, được cung cấp bằng cách tiêm dòng điện trực tiếp và với các bước sóng từ tia cực tím đến hồng ngoại, laser bán dẫn có mặt khắp nơi trong truyền thông hiện đại, lưu trữ dữ liệu và hệ thống đo chính xác.
