揭秘三家競相開發(fā)最廣泛使用的激光器

半導(dǎo)體激光器發(fā)明于 60 多年前，是當(dāng)今許多技術(shù)的基礎(chǔ)，包括條形碼掃描儀、光纖通信、醫(yī)學(xué)成像和遠(yuǎn)程控制。

1960 年，激光技術(shù)的可能性讓科學(xué)界為之震驚，當(dāng)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(shù)的第一個半導(dǎo)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(xué)院林肯實(shí)驗室——在 1962 年短短幾天內(nèi)分別報告了半導(dǎo)體激光的首次演示。

半導(dǎo)體激光器在三次儀式上被指定為 IEEE 里程碑，每臺設(shè)備都安裝了一塊紀(jì)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(dāng)時阿爾伯特·愛因斯坦提出了「受激發(fā)射」理論?？茖W(xué)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(rèn)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(shí)。

20 世紀(jì) 40 年代末，物理學(xué)家們致力于改進(jìn)美國軍方在二戰(zhàn)中使用的真空管設(shè)計，該真空管通過放大信號來探測敵機(jī)。新澤西州默里山貝爾實(shí)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(qiáng)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(qiáng)大的光束形式離開腔體。

1954 年，時任哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)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(shí)證明，它是激光的重要先驅(qū)。

據(jù)美國物理學(xué)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(fù)制它，并開始發(fā)明各種變體。

湯斯和其他工程師認(rèn)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(xué)版微波激射器。這種裝置可能產(chǎn)生比微波更強(qiáng)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(tuán)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(shí)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(xué)腔振蕩紅寶石熒光產(chǎn)生的光，實(shí)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(shí)。工程師們迅速開始設(shè)計各種型號。

許多人可能對半導(dǎo)體激光器的潛力最為興奮。半導(dǎo)體材料可以在適當(dāng)?shù)臈l件下進(jìn)行操控以導(dǎo)電。從本質(zhì)上講，由半導(dǎo)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(shè)備中。

據(jù)工程和技術(shù)史維基百科介紹，「這些理想的屬性吸引了跨學(xué)科科學(xué)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(dǎo)體：砷化鎵。

砷化鎵是半導(dǎo)體激光器的理想材料

1962 年 7 月 9 日，麻省理工學(xué)院林肯實(shí)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(shí)驗性半導(dǎo)體激光器，IEEE 院士 Paul W. Juodawlkis 在麻省理工學(xué)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(xué)院林肯實(shí)驗室量子信息與集成納米系統(tǒng)小組的主任。

Juodawlkis 說，當(dāng)時的激光器還不能發(fā)射出相干光束，但這項工作進(jìn)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(dǎo)體的電能幾乎 100% 可以轉(zhuǎn)化為光。

麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗室的 Robert Keyes（左起）、Theodore M. Quist 和 Robert Rediker 在電視機(jī)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(dāng) Juodawlkis 演講結(jié)束時，一位觀眾站起來說，『呃，這違反了熱力學(xué)第二定律，』」朱奧達(dá)爾基斯說。

觀眾爆發(fā)出笑聲。但物理學(xué)家羅伯特·N·霍爾（Robert N. Hall）——紐約州斯克內(nèi)克塔迪通用電氣研究實(shí)驗室的半導(dǎo)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(dá)爾基斯說?！高@引起了轟動?！?/p>

多個團(tuán)隊競相開發(fā)出可以運(yùn)行的半導(dǎo)體激光器，最終勝負(fù)只差幾天。

「驚人的巧合」

半導(dǎo)體激光器由微小的半導(dǎo)體晶體制成，該晶體懸浮在充滿液氮的玻璃容器內(nèi)，這有助于保持設(shè)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(lǐng)一個團(tuán)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(dǎo)體，發(fā)明了所謂的「pin」二極管整流器。該整流器使用由半導(dǎo)體材料純凈的鍺制成的晶體，可以將交流電轉(zhuǎn)換為直流電——這是用于電力傳輸?shù)墓虘B(tài)半導(dǎo)體的一個關(guān)鍵發(fā)展。

這一經(jīng)驗加速了半導(dǎo)體激光器的發(fā)展?；魻柡退膱F(tuán)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(fù)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(dāng)霍爾和他的團(tuán)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(nèi)森（Marshall I. Nathan）從其部門主管那里得到了一項任務(wù)：制造第一臺砷化鎵激光器。

內(nèi)森帶領(lǐng)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(wù)，并親手將一份概述其工作的論文交給了《應(yīng)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(xué)院林肯實(shí)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(yīng)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(xué)院的一位發(fā)言人告訴《紐約時報》，GE 比自己的團(tuán)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(zhǔn)。

目前，這三家機(jī)構(gòu)均因其出色的工作而榮獲 IEEE 嘉獎。

「也許半導(dǎo)體激光器在通信領(lǐng)域的影響力最大」，ETHW 的一篇文章寫道，「每一秒，半導(dǎo)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(jìn)行共享?！?/p>

IBM Research 的半導(dǎo)體激光器采用砷化鎵 pn 二極管，該二極管采用蝕刻臺面結(jié)構(gòu)制成小型光學(xué)腔。

朱奧達(dá)爾基斯在林肯實(shí)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(dǎo)體激光器。

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

他在演講結(jié)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(dá)爾基斯說，這是「半導(dǎo)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(shí)驗室都展示了表彰該技術(shù)的紀(jì)念牌匾。上面寫著：

1962 年秋，通用電氣的斯克內(nèi)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(xué)院林肯實(shí)驗室分別報告了半導(dǎo)體激光器的首次演示。半導(dǎo)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。