揭秘三家競相開發(fā)最廣泛使用的激光器

半導體激光器發(fā)明于 60 多年前，是當今許多技術的基礎，包括條形碼掃描儀、光纖通信、醫(yī)學成像和遠程控制。

1960 年，激光技術的可能性讓科學界為之震驚，當時長期處于理論階段的激光首次被演示。三家美國研究中心在不知情的情況下開始競相開發(fā)該技術的第一個半導體版本。這三家公司——通用電氣、IBM 的托馬斯·J·沃森研究中心和麻省理工學院林肯實驗室——在 1962 年短短幾天內分別報告了半導體激光的首次演示。

半導體激光器在三次儀式上被指定為 IEEE 里程碑，每臺設備都安裝了一塊紀念牌匾。

激光的發(fā)明引發(fā)了三方競賽

激光的核心概念可以追溯到 1917 年，當時阿爾伯特·愛因斯坦提出了「受激發(fā)射」理論?？茖W家已經(jīng)知道電子可以自發(fā)吸收和發(fā)射光，但愛因斯坦認為可以操縱電子以特定波長發(fā)射。工程師們花了幾十年的時間才將他的理論變成現(xiàn)實。

20 世紀 40 年代末，物理學家們致力于改進美國軍方在二戰(zhàn)中使用的真空管設計，該真空管通過放大信號來探測敵機。新澤西州默里山貝爾實驗室的研究員查爾斯·湯斯就是其中之一。他提議制造一個更強大的放大器，讓一束電磁波穿過一個含有氣體分子的腔體。這束電磁波將刺激氣體中的原子釋放能量，使其與電磁波的波速完全一致，產(chǎn)生的能量使其以更強大的光束形式離開腔體。

1954 年，時任哥倫比亞大學物理學教授的湯斯發(fā)明了一種裝置，他稱之為「微波激射器」（微波激射是受激輻射放大的縮寫）。事實證明，它是激光的重要先驅。

據(jù)美國物理學會發(fā)表的一篇文章稱，許多理論家都告訴湯斯，他的裝置不可能成功。文章稱，一旦它成功，其他研究人員就會迅速復制它，并開始發(fā)明各種變體。

湯斯和其他工程師認為，通過利用高頻能量，他們可以制造出一種能產(chǎn)生光束的光學版微波激射器。這種裝置可能產(chǎn)生比微波更強大的光束，但它也能產(chǎn)生各種波長的光束，從紅外線到可見光。1958 年，湯斯發(fā)表了「激光」的理論概述。

「令人驚奇的是，62 年前美國東北部的這三個組織為我們現(xiàn)在和將來提供了所有這些能力?！?/p>

幾個團隊合作制造了這種裝置，1960 年 5 月，加利福尼亞州馬里布休斯研究實驗室的研究員西奧多·梅曼制造出了第一臺可以工作的激光器。三個月后，梅曼在《自然》雜志上發(fā)表了一篇論文，文中描述了這項發(fā)明，它是一種高功率燈，可將光線照射到放置在兩個鏡面般的鍍銀表面之間的紅寶石棒上。由表面形成的光學腔振蕩紅寶石熒光產(chǎn)生的光，實現(xiàn)了愛因斯坦的受激發(fā)射。

基本型激光器現(xiàn)已成為現(xiàn)實。工程師們迅速開始設計各種型號。

許多人可能對半導體激光器的潛力最為興奮。半導體材料可以在適當?shù)臈l件下進行操控以導電。從本質上講，由半導體材料制成的激光器可以將激光器所需的所有元件（光源和放大器、透鏡和鏡子）裝入微米級設備中。

據(jù)工程和技術史維基百科介紹，「這些理想的屬性吸引了跨學科科學家和工程師的想象力」。

1962 年，一對研究人員發(fā)現(xiàn)一種現(xiàn)有材料是一種優(yōu)秀的激光半導體：砷化鎵。

砷化鎵是半導體激光器的理想材料

1962 年 7 月 9 日，麻省理工學院林肯實驗室的研究人員 Robert Keyes 和 Theodore Quist 在固態(tài)器件研究會議的觀眾面前宣布，他們正在開發(fā)一種實驗性半導體激光器，IEEE 院士 Paul W. Juodawlkis 在麻省理工學院舉行的 IEEE 里程碑揭幕儀式上發(fā)表演講時說道。Juodawlkis 是麻省理工學院林肯實驗室量子信息與集成納米系統(tǒng)小組的主任。

Juodawlkis 說，當時的激光器還不能發(fā)射出相干光束，但這項工作進展很快。Juodawlkis 和奎斯特隨后震驚了觀眾：他們說，他們可以證明，注入砷化鎵半導體的電能幾乎 100% 可以轉化為光。

麻省理工學院林肯實驗室的 Robert Keyes（左起）、Theodore M. Quist 和 Robert Rediker 在電視機上測試他們的激光。

之前從未有人提出過這樣的主張。觀眾們都難以置信，而且紛紛表示難以置信。

「當 Juodawlkis 演講結束時，一位觀眾站起來說，『呃，這違反了熱力學第二定律，』」朱奧達爾基斯說。

觀眾爆發(fā)出笑聲。但物理學家羅伯特·N·霍爾（Robert N. Hall）——紐約州斯克內克塔迪通用電氣研究實驗室的半導體專家——讓他們安靜了下來。

「鮑勃·霍爾站出來解釋了為什么它不違反第二定律，」朱奧達爾基斯說?！高@引起了轟動。」

多個團隊競相開發(fā)出可以運行的半導體激光器，最終勝負只差幾天。

「驚人的巧合」

半導體激光器由微小的半導體晶體制成，該晶體懸浮在充滿液氮的玻璃容器內，這有助于保持設備冷卻。

霍爾回到通用電氣公司，受到 Juodawlkis 和奎斯特演講的啟發(fā)，確信他可以帶領一個團隊制造出高效、有效的砷化鎵激光器。

他已經(jīng)花了數(shù)年時間研究半導體，發(fā)明了所謂的「pin」二極管整流器。該整流器使用由半導體材料純凈的鍺制成的晶體，可以將交流電轉換為直流電——這是用于電力傳輸?shù)墓虘B(tài)半導體的一個關鍵發(fā)展。

這一經(jīng)驗加速了半導體激光器的發(fā)展。霍爾和他的團隊使用了與「pin」整流器類似的裝置。他們制造了一種二極管激光器，它從三分之一毫米大小的砷化鎵晶體中產(chǎn)生相干光，該晶體夾在兩個鏡子之間的腔體中，因此光會反復來回反射。這項發(fā)明的消息發(fā)表在 1962 年 11 月 1 日的《物理評論快報》上。

當霍爾和他的團隊工作時，位于紐約州約克敦高地的沃森研究中心的研究人員也在工作。根據(jù) ETHW 的說法，1962 年 2 月，之前從事砷化鎵研究的 IBM 研究員馬歇爾·I·內森（Marshall I. Nathan）從其部門主管那里得到了一項任務：制造第一臺砷化鎵激光器。

內森帶領一支研究小組，其中包括威廉·P·杜姆克、杰拉爾德·伯恩斯、弗雷德里克·H·迪爾和戈登·拉舍爾，共同開發(fā)了這種激光器。他們在 10 月完成了這項任務，并親手將一份概述其工作的論文交給了《應用物理快報》，該報于 1962 年 10 月 4 日發(fā)表了該論文。

在麻省理工學院林肯實驗室，奎斯特、Juodawlkis 和他們的同事羅伯特·雷迪克在 1962 年 11 月 5 日的《應用物理快報》。

這一切發(fā)生得太快了，以至于《紐約時報》的一篇文章對這一「驚人的巧合」表示驚嘆，并指出 IBM 的官員直到 GE 發(fā)出新聞發(fā)布會邀請后才知道 GE 的成功。麻省理工學院的一位發(fā)言人告訴《紐約時報》，GE 比自己的團隊「早了幾天或一周」就取得了成功。

IBM 和 GE 均于 10 月份申請了美國專利，并且最終均獲得了批準。

目前，這三家機構均因其出色的工作而榮獲 IEEE 嘉獎。

「也許半導體激光器在通信領域的影響力最大」，ETHW 的一篇文章寫道，「每一秒，半導體激光器都會悄悄地將人類的知識總和編碼成光，使其能夠幾乎瞬間跨越海洋和太空進行共享?！?/p>

IBM Research 的半導體激光器采用砷化鎵 pn 二極管，該二極管采用蝕刻臺面結構制成小型光學腔。

朱奧達爾基斯在林肯實驗室的儀式上指出，每次你「打電話」或「用谷歌搜索傻貓視頻」時都會用到半導體激光器。

「如果我們放眼更廣闊的世界，」他說，「半導體激光器確實是信息時代的基石之一?！?/p>

他在演講結束時引用了 1963 年《時代》雜志的一篇文章：「如果全世界要在數(shù)千個不同的電視節(jié)目之間做出選擇，那么只需幾個二極管用其微弱的紅外光束就可以同時選擇所有節(jié)目?！?/p>

朱奧達爾基斯說，這是「半導體激光器的先見之明」?！?2 年前，美國東北部的這三個組織所做的一切，為我們現(xiàn)在和未來提供了所有這些能力，真是令人驚嘆?！?/p>

目前，通用電氣公司、沃森研究中心和林肯實驗室都展示了表彰該技術的紀念牌匾。上面寫著：

1962 年秋，通用電氣的斯克內克塔迪和錫拉丘茲工廠、IBM 托馬斯·沃森研究中心和麻省理工學院林肯實驗室分別報告了半導體激光器的首次演示。半導體激光器比米粒還小，采用直流注入供電，波長范圍從紫外線到紅外線，在現(xiàn)代通信、數(shù)據(jù)存儲和精密測量系統(tǒng)中無處不在。