Der vor mehr als 60 Jahren erfundene Festkörperlaser ist die Grundlage vieler heutiger Technologien, darunter Barcode-Lesegeräte, Glasfaserkommunikation, medizinische Bildgebung und Fernbedienungen. Dieses vielseitige kleine Gerät ist mittlerweile ein IEEE-Meilenstein.
Die Möglichkeiten, die die Lasertechnologie bietet, erregten 1960 die wissenschaftliche Welt, als der Laser, der schon lange in der Theorie beschrieben war, erstmals demonstriert wurde. Daraufhin begannen drei amerikanische Forschungszentren miteinander zu konkurrieren, um die erste Halbleiterversion dieser Technologie zu entwickeln. Die drei Zentren – General Electric, das Thomas J. Watson Research Center von IBM und das Lincoln Laboratory des MIT – berichteten jeweils 1962 innerhalb weniger Tage über die ersten Demonstrationen eines Halbleiterlasers.
Der Halbleiterlaser wurde als IEEE-Meilenstein in drei Zeremonien eingeweiht, wobei an jeder Einrichtung eine Gedenktafel angebracht wurde, um die Errungenschaft zu kennzeichnen. Die Lincoln Lab-Veranstaltung ist auf Anfrage verfügbar.
Die Erfindung des Lasers löst einen Dreierwettlauf aus
Das Grundkonzept des Lasers geht auf das Jahr 1917 zurück, als Albert Einstein die Theorie der „stimulierten Emission“ aufstellte. Wissenschaftler wussten bereits, dass Elektronen spontan Licht absorbieren und emittieren können, aber Einstein postulierte, dass Elektronen so manipuliert werden könnten, dass sie bei einer bestimmten Wellenlänge emittieren. Die Ingenieure brauchten Jahrzehnte, um seine Theorie in die Tat umzusetzen.
In den späten 1940er Jahren arbeiteten Physiker daran, das Design einer Vakuumröhre zu verbessern, die das US-Militär im Zweiten Weltkrieg zur Erkennung feindlicher Flugzeuge durch Verstärkung ihrer Signale verwendete. Charles Townes, ein Forscher am Bell Labs in Murray Hill, New Jersey, war einer von ihnen. Er schlug vor, einen leistungsstärkeren Verstärker zu entwickeln, der einen Strahl elektromagnetischer Wellen durch einen Hohlraum mit Gasmolekülen leiten würde. Der Strahl würde die Atome im Gas dazu anregen, ihre Energie genau im Takt der Strahlwellen freizusetzen und so Energie zu erzeugen, die es ihm ermöglichen würde, den Hohlraum als viel stärkerer Strahl zu verlassen.
Im Jahr 1954 entwickelte Townes, damals Physikprofessor an der Columbia University, das Gerät, das er „Maser“ (kurz für „Maser“) nannte Mikrowellenverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission). Es würde sich als wichtiger Vorläufer des Lasers erweisen.
Laut einem von der American Physical Society veröffentlichten Artikel hatten viele Theoretiker Townes gesagt, dass sein Gerät nicht funktionieren könne. Sobald es funktionierte, reproduzierten andere Forscher es schnell und begannen, Variationen zu erfinden.
Townes und andere Ingenieure stellten sich vor, durch die Nutzung hochfrequenter Energie eine optische Version des Masers zu schaffen, die Lichtstrahlen erzeugen könnte. Ein solches Gerät könnte möglicherweise Strahlen erzeugen, die stärker sind als die von Mikrowellen, es könnte aber auch Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge erzeugen, von Infrarot bis sichtbar. 1958 veröffentlichte Townes einen theoretischen Überblick über den „Laser“.
„Es ist erstaunlich, was diese … drei Organisationen im Nordosten der Vereinigten Staaten vor 62 Jahren getan haben, um uns heute und in Zukunft all diese Fähigkeiten zur Verfügung zu stellen.“ »
Mehrere Teams arbeiteten an der Herstellung eines solchen Geräts, und im Mai 1960 baute Theodore Maiman, ein Forscher am Hughes Research Lab in Malibu, Kalifornien, den ersten funktionierenden Laser. Maimans Artikel, veröffentlicht in Natur Drei Monate später beschrieb er seine Erfindung als eine Hochleistungslampe, die Licht auf einen Rubinstab projizierte, der zwischen zwei silbernen, spiegelähnlichen Oberflächen platziert war. Der durch die Oberflächen erzeugte optische Hohlraum ließ das durch die Fluoreszenz des Rubins erzeugte Licht oszillieren und erreichte so Einsteins stimulierte Emission.
Der grundlegende Laser war nun Realität. Die Ingenieure begannen schnell mit der Entwicklung von Variationen.
Viele dürften besonders vom Potenzial eines Festkörperlasers begeistert gewesen sein. Halbleitermaterialien können so manipuliert werden, dass sie unter den richtigen Bedingungen Elektrizität leiten. Ein aus Halbleitermaterialien hergestellter Laser könnte naturgemäß alle für einen Laser erforderlichen Elemente (eine Lichterzeugungs- und -verstärkungsquelle, Linsen und Spiegel) in einem mikrometergroßen Gerät enthalten.
„Diese wünschenswerten Eigenschaften haben die Fantasie von Wissenschaftlern und Ingenieuren aller Disziplinen beflügelt“, heißt es im History of Engineering and Technology Wiki.
Ein paar Forscher entdeckten 1962, dass es sich bei einem existierenden Material um einen hervorragenden Laserhalbleiter handelte: Galliumarsenid.
Galliumarsenid war ideal für einen Halbleiterlaser
Am 9. Juli 1962 gaben die Forscher Robert Keyes und Theodore Quist vom MIT Lincoln Laboratory dem Publikum der Solid State Device Research-Konferenz bekannt, dass sie einen experimentellen Halbleiterlaser entwickeln, sagte Paul W. IEEE Fellow Juodawlkis bei der Einweihungszeremonie des IEEE Milestone MIT. Juodawlkis ist Direktor der Quantum Information and Integrated Nanosystems Group am MIT Lincoln Laboratory.
Der Laser strahlte noch keinen kohärenten Strahl aus, aber die Arbeiten gingen schnell voran, sagte Keyes. Und dann schockierten Keyes und Quist die Öffentlichkeit: Sie erklärten, sie könnten nachweisen, dass fast 100 Prozent der in einen Galliumarsenid-Halbleiter eingespeisten elektrischen Energie in Licht umgewandelt werden könne.
MIT Lincoln Laboratory [from left] Robert Keyes, Theodore M. Quist und Robert Rediker testen ihren Laser auf einem Fernseher.MIT Lincoln Laboratory
Noch nie hatte jemand eine solche Aussage gemacht. Das Publikum war ungläubig, und zwar lautstark.
„Als Bob [Keyes] „Nachdem seine Rede beendet war, stand einer der Zuschauer auf und sagte: ‚Ähm, das verstößt gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik‘“, sagte Juodawlkis.
Das Publikum brach in Gelächter aus, aber der Physiker Robert N. Hall, ein Halbleiterexperte, der im GE-Forschungslabor in Schenectady, New York, arbeitet, brachte sie zum Schweigen.
„Bob Hall stand auf und erklärte, warum dies nicht gegen das zweite Gesetz verstieß“, sagte Juodawlkis. „Es hat für echtes Aufsehen gesorgt. »
Mehrere Teams liefern sich einen Wettlauf um die Entwicklung eines funktionierenden Festkörperlasers. Der Sieg wurde schließlich in wenigen Tagen entschieden.
Ein „verblüffender Zufall“
Ein Festkörperlaser besteht aus einem winzigen Halbleiterkristall, der in einem mit flüssigem Stickstoff gefüllten Glasbehälter aufgehängt ist, der dazu beiträgt, das Gerät kühl zu halten. General Electric/AIP Forschungs- und Entwicklungszentrum Emilio Segrè Visual Archives
Hall kehrte, inspiriert von der Rede von Keyes und Quist, zu GE zurück und war überzeugt, dass er ein Team leiten könnte, das einen effektiven und effizienten Galliumarsenid-Laser bauen sollte.
Er hatte bereits jahrelang mit Halbleitern gearbeitet und etwas namens a erfunden Pin-Dioden-Gleichrichter. Mithilfe eines Kristalls aus gereinigtem Geranium, einem Halbleitermaterial, könnte der Gleichrichter Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln, eine entscheidende Entwicklung für Festkörperhalbleiter, die in der elektrischen Übertragung eingesetzt werden.
Diese Erfahrung trug dazu bei, die Entwicklung von Halbleiterlasern zu beschleunigen. Hall und sein Team verwendeten eine Konfiguration ähnlich dem „Pin“-Gleichrichter. Sie bauten einen Diodenlaser, der kohärentes Licht aus einem Galliumarsenidkristall von einem Drittel Millimeter Durchmesser erzeugte, der in einem Hohlraum zwischen zwei Spiegeln untergebracht war, sodass das Licht viele Male hin und her reflektierte. Neuigkeiten über die Erfindung wurden in der Ausgabe vom 1. November 1962 veröffentlicht. Briefe zur körperlichen Untersuchung.
Während Hall und sein Team arbeiteten, arbeiteten auch Forscher am Watson Research Center in Yorktown Heights, New York. Im Februar 1962 erhielt Marshall I. Nathan, ein IBM-Forscher, der zuvor mit Galliumarsenid gearbeitet hatte, laut ETHW von seinem Abteilungsleiter den Auftrag, den ersten Galliumarsenid-Laser zu entwickeln.
Nathan leitete ein Forscherteam, darunter William P. Dumke, Gerald Burns, Frederick H. Dill und Gordon Lasher, bei der Entwicklung des Lasers. Sie haben die Aufgabe im Oktober abgeschlossen und persönlich ein Dokument überreicht, in dem ihre Arbeit beschrieben wird Angewandte Physikbriefeder es am 4. Oktober 1962 veröffentlichte.
Im Lincoln Laboratory des MIT veröffentlichten Quist, Keyes und ihr Kollege Robert Rediker ihre Ergebnisse inAngewandte Physikbriefe am 5. November 1962.
Alles war so schnell passiert New York Times Der Artikel bewunderte diesen „verblüffenden Zufall“ und wies darauf hin, dass die IBM-Verantwortlichen nichts vom Erfolg von GE wussten, bis GE ihnen Einladungen zu einer Pressekonferenz schickte. Ein MIT-Sprecher sagte zu dem Artikel Mal dass GE „ein paar Tage oder eine Woche“ vor seinem eigenen Team Erfolge erzielt hatte.
Sowohl IBM als auch GE hatten im Oktober in den USA Patentanmeldungen eingereicht, denen letztlich beide stattgegeben wurden.
Alle drei Einrichtungen wurden nun vom IEEE für ihre Arbeit ausgezeichnet.
„Vielleicht hat der Halbleiterlaser nirgendwo einen so großen Einfluss gehabt wie im Bereich der Kommunikation“, heißt es in einem ETHW-Artikel, „wo ein Halbleiterlaser jede Sekunde stillschweigend die Summe des menschlichen Wissens über Licht kodiert, sodass es nahezu augenblicklich an andere weitergegeben werden kann.“ Ozeane und Weltraum. »
Der Halbleiterlaser von IBM Research nutzte eine Galliumarsenid-PN-Diode, die als kleiner optischer Hohlraum mit einer geätzten Mesa-Struktur konzipiert war.IBM
Juodawlkis bemerkte bei der Zeremonie im Lincoln Lab, dass Festkörperlaser „jedes Mal verwendet werden, wenn Sie mit Ihrem Mobiltelefon telefonieren“ oder „bei Google nach albernen Katzenvideos suchen“.
„Wenn wir die Welt als Ganzes betrachten“, sagte er, „sind Festkörperlaser tatsächlich eine der Grundpfeiler des Informationszeitalters.“ »
Er beendete seine Rede mit einem Zitat, das das Jahr 1963 zusammenfasste. Zeit Zeitschriftenartikel: „Wenn die Welt jemals zwischen Tausenden verschiedener Fernsehprogramme wählen müsste, könnten ein paar Dioden mit ihren schwachen Infrarotlichtstrahlen sie alle auf einmal übertragen.“ »
„Dies ist ein Vorgeschmack auf das, was Festkörperlaser ermöglicht haben“, sagte Juodawlkis. „Es ist erstaunlich, was diese … drei Organisationen im Nordosten der Vereinigten Staaten vor 62 Jahren getan haben, um uns heute und in Zukunft all diese Fähigkeiten zu bieten.“ »
Gedenktafeln zur Anerkennung dieser Technologie sind jetzt bei GE, dem Watson Research Center und dem Lincoln Laboratory ausgestellt. Dort können wir lesen:
Im Herbst 1962 berichteten die Einrichtungen von General Electric in Schenectady und Syracuse, das Thomas J. Watson Research Center von IBM und das Lincoln Laboratory des MIT jeweils unabhängig voneinander über die ersten Demonstrationen des Halbleiterlasers. Kleiner als ein Reiskorn, angetrieben durch direkte Stromeinspeisung und verfügbar in Wellenlängen von Ultraviolett bis Infrarot, ist der Halbleiterlaser in der modernen Kommunikation, der Datenspeicherung und in Präzisionsmesssystemen allgegenwärtig geworden.
Die IEEE-Sektionen Boston, New York und Schenectady haben die Nominierung gesponsert.
Das vom IEEE History Center verwaltete und von Spendern unterstützte Milestone-Programm würdigt herausragende technische Entwicklungen auf der ganzen Welt.