Inventés il y a plus de 60 ans, les lasers semi-conducteurs sont le fondement de nombreuses technologies d'aujourd'hui, notamment des scanners de code-barres, des communications en fibre optique, de l'imagerie médicale et de la télécommande.
Les possibilités de la technologie laser ont stupéfait la communauté scientifique en 1960 lorsque le laser à long terme a été démontré pour la première fois. Trois centres de recherche américains ont commencé une course pour développer la première version de semi-conducteurs de la technologie sans le savoir. Les trois sociétés générales électriques, le Thomas J. Watson Research Center d'IBM et le Lincoln Laboratory-WECK de MIT ont signalé la première démonstration d'un laser semi-conducteur à quelques jours les uns des autres en 1962.
Le laser semi-conducteur a été désigné une étape importante de l'IEEE en trois cérémonies, avec une plaque commémorative installée pour chaque appareil.
L'invention du laser a déclenché une course à trois
Le concept principal du laser remonte à 1917, quand Albert Einstein a proposé la théorie de «l'émission stimulée». Les scientifiques savaient déjà que les électrons pouvaient absorber spontanément et émettre de la lumière, mais Einstein pensait qu'ils pouvaient être manipulés pour émettre à des longueurs d'onde spécifiques. Il a fallu des décennies des ingénieurs pour transformer sa théorie en réalité.
À la fin des années 40, les physiciens travaillaient pour améliorer la conception des tubes à vide utilisés par l'armée américaine de la Seconde Guerre mondiale pour détecter les avions ennemis en amplifiant les signaux. L'un d'eux était Charles Townes, chercheur à Bell Labs à Murray Hill, New Jersey. Il a proposé de construire un amplificateur plus puissant en passant un faisceau d'ondes électromagnétiques à travers une cavité contenant des molécules de gaz. La vague stimulerait les atomes du gaz pour libérer l'énergie exactement à la même vitesse que l'onde, générant une énergie qui le ferait quitterait la cavité comme un faisceau plus puissant.
En 1954, Townes, alors professeur de physique à l'Université de Columbia, a inventé un appareil qu'il a appelé un "maser" (abréviation d'amplification des émissions de radiation stimulées). Il s'est avéré être un précurseur important pour le laser.
De nombreux théoriciens ont déclaré à Townes que son appareil ne fonctionnerait jamais, selon un article publié par l'American Physical Society. Une fois que cela a fonctionné, d'autres chercheurs l'ont rapidement copié et ont commencé à inventer des variations, a indiqué l'article.
Townes et d'autres ingénieurs pensaient pouvoir créer une version optique d'un maser qui pourrait produire un faisceau de lumière en exploitant une énergie haute fréquence. Un tel appareil pourrait produire un faisceau plus puissant que les micro-ondes, mais il produirait également des faisceaux de lumière à une variété de longueurs d'onde, de la lumière infrarouge à la lumière visible. En 1958, Townes a publié un aperçu théorique du «laser».
"Il est étonnant que ces trois organisations du nord-est des États-Unis il y a 62 ans nous aient fourni toutes ces capacités maintenant et à l'avenir."
Plusieurs équipes ont travaillé ensemble pour construire l'appareil et, en mai 1960, Theodore Maiman, chercheur au Hughes Research Laboratory à Malibu, en Californie, a construit le premier laser fonctionnel. Trois mois plus tard, Maiman a publié un article dans la revue Nature décrivant l'invention, une lampe haute puissance qui brillait la lumière sur une tige de rubis placée entre deux surfaces en argent en forme de miroir. La lumière produite par la fluorescence rubis oscillante dans la cavité optique formée par la surface réalise l'émission stimulée d'Einstein.
Les lasers de base étaient maintenant une réalité. Les ingénieurs ont rapidement commencé à concevoir divers modèles.
Beaucoup étaient probablement les plus enthousiasmés par le potentiel des lasers semi-conducteurs. Les matériaux semi-conducteurs peuvent être manipulés pour conduire de l'électricité dans les bonnes conditions. Essentiellement, les lasers fabriqués à partir de matériaux semi-conducteurs pourraient s'adapter à tous les composants nécessaires à des sources et amplificateurs de lumière laser, des lentilles et des dispositifs de taille micrométrique INTO-INTO.
"Ces propriétés souhaitables ont capturé l'imagination des scientifiques et des ingénieurs à travers les disciplines", selon Wikipedia, l'histoire de l'ingénierie et de la technologie.
En 1962, une paire de chercheurs a découvert qu'un matériau existant était un excellent semi-conducteur laser: l'arséniure de gallium.
L'arséniure de gallium est un matériau idéal pour les lasers semi-conducteurs
Le 9 juillet 1962, les chercheurs du MIT Lincoln Laboratory Robert Keyes et Theodore Quist ont annoncé devant un public lors de la conférence de recherche sur les appareils à semi-conducteurs qu'ils développaient un laser semi-conducteur expérimental, a déclaré le collègue de l'IEEE, Paul W. Juodawlkis Cérémonie de dévoilement au MIT. Juodawlkis était directeur du groupe Nanosystems Quantum Information and Integrated au MIT Lincoln Laboratory.
Les lasers à l'époque n'étaient pas encore en mesure d'émettre un faisceau cohérent, mais le travail progressait rapidement, a déclaré Juodawlkis. Juodawlkis et Quist ont ensuite stupéfait le public: ils pourraient montrer, ont-ils dit, que près de 100% de l'énergie électrique injectée en semi-conducteur d'arséniure de gallium pouvaient être converties en lumière.
Personne n'avait jamais fait une telle réclamation auparavant. Le public était en incrédulité et leur incrédulité a été partagée.
"À la fin de la conférence de Juodawlkis, un membre du public s'est levé et a déclaré:" Eh bien, cela viole la deuxième loi de la thermodynamique "", a déclaré Juodawlkis.
Le public a éclaté de rire. Mais le physicien Robert N. Hall, un expert en semi-conducteur des laboratoires de recherche électrique générale de Schenectady, New York, les a fait taire.
"Bob Hall est sorti et a expliqué pourquoi cela n'avait pas violé la deuxième loi", a déclaré Juodawlkis. "C'était une sensation."
Plusieurs équipes ont couru pour développer un laser semi-conducteur fonctionnel, et le vainqueur est venu en quelques jours.
Les lasers semi-conducteurs sont faits de minuscules cristaux de semi-conducteurs en suspension dans un récipient en verre rempli d'azote liquide, ce qui aide à garder l'appareil au frais.
Hall est retourné à GE et, inspiré par les présentations de Juodawlkis et Quist, est devenu convaincu qu'il pourrait diriger une équipe pour créer un laser efficace et efficace d'arséniure de gallium. Il avait déjà passé des années à travailler avec des semi-conducteurs, inventant le soi-disant redresseur de diode "broche".
Le redresseur, qui a utilisé des cristaux en germanium pur, un matériau semi-conducteur, pourrait convertir le courant alternatif en courant direct - un développement clé dans les semi-conducteurs à l'état solide pour la transmission de puissance.
Cette expérience a accéléré le développement de lasers semi-conducteurs. Hall et son équipe ont utilisé un appareil similaire au redresseur "PIN". Ils ont construit un laser à diode qui produisait une lumière cohérente à partir d'un cristal d'arséniure de gallium un tiers d'un millimètre, pris en sandwich dans une cavité entre deux miroirs afin que la lumière rebondisse à plusieurs reprises. La nouvelle de l'invention a été publiée dans le numéro du 1er novembre 1962 de Physical Review Letters.
Alors que Hall et son équipe travaillaient, les chercheurs du Watson Research Center à Yorktown Heights, New York. Selon Ethw, en février 1962, Marshall I. Nathan, un chercheur IBM qui avait auparavant travaillé sur l'arséniure de gallium, a reçu une tâche de son chef de département: construire le premier laser à l'arséniure de gallium.
Nathan a dirigé une équipe de chercheurs qui comprenait William P. Dumke, Gerald Burns, Frederick H. Diehl et Gordon Rascher dans le développement du laser. Ils ont accompli la tâche en octobre et ont livré à la main un papier décrivant leur travail aux lettres de physique appliquées, qui l'ont publié le 4 octobre 1962.
Au Lincoln Laboratory du MIT, Quist, Juodawlkis, et leur collègue Robert Reddick ont rapporté les résultats du numéro du 5 novembre 1962 d'Applied Physics Letters.
Tout s'est produit si rapidement qu'un article du New York Times s'est émerveillé par la "coïncidence étonnante", notant que les responsables d'IBM ne connaissaient pas le succès de GE jusqu'à ce que GE envoie une invitation à une conférence de presse.
Les trois organisations ont maintenant été honorées par l'IEEE pour leur travail. "Peut-être que les lasers semi-conducteurs ont eu leur plus grand impact dans le domaine des communications", a écrit un article de l'ETHW. "Chaque seconde, les lasers semi-conducteurs codent tranquillement la somme des connaissances humaines dans la lumière, ce qui permet de partager instantanément instantanément instantanément à travers les océans et l'espace."
Un porte-parole du MIT a déclaré au Times que GE avait obtenu son succès "quelques jours ou une semaine" avant sa propre équipe. IBM et GE ont tous deux demandé des brevets américains en octobre et les deux ont finalement été accordés.
Lors de la cérémonie du Lincoln Laboratory, Gioudarkis a souligné que chaque fois que vous «faites un appel téléphonique» ou «des vidéos de chat idiotes Google», vous utilisez un laser semi-conducteur.
"Si nous regardons le monde plus large", a-t-il dit, "le laser semi-conducteur est vraiment l'une des pierres angulaires de l'ère de l'information."
Il a terminé son discours avec une citation d'un article du magazine Time de 1963: "Si le monde devait choisir entre des milliers de programmes de télévision différents, quelques diodes avec leurs minuscules poutres infrarouges pourraient les sélectionner tous simultanément."
C'était "la prescience des lasers semi-conducteurs", a déclaré Gioudarkis. "C'est incroyable ce que ces trois organisations du Nord-est ont fait il y a 62 ans pour nous donner toutes ces capacités maintenant et à l'avenir."
General Electric, le Watson Research Center et le Lincoln Laboratory affichent désormais des plaques honorant la technologie. Ils lisent:
À l'automne 1962, les premières manifestations de lasers semi-conducteurs ont été signalées par les plantes Schenectady et Syracuse de General Electric, le Thomas J. Watson Research Center d'IBM et le Lincoln Laboratory de MIT, respectivement. Plus petit qu'un grain de riz, alimenté par l'injection de courant direct, et avec des longueurs d'onde allant de l'ultraviolet aux lasers infrarouges, les semi-conducteurs sont omniprésents dans les systèmes de communication moderne, de stockage de données et de mesure de précision.
