تم اختراعها منذ أكثر من 60 عامًا ، وهي أشباه أشباه الموصلات هي أساس العديد من تقنيات اليوم ، بما في ذلك ماسحات الباركود ، والاتصالات الأليفية البصرية ، والتصوير الطبي ، والتحكم عن بعد.
أذهلت إمكانيات تكنولوجيا الليزر المجتمع العلمي في عام 1960 عندما تم عرض الليزر النظري الطويل لأول مرة. بدأت ثلاثة مراكز بحث في الولايات المتحدة سباقًا لتطوير أول نسخة أشباه الموصلات من التكنولوجيا دون معرفة ذلك. أبلغت شركة Electric الثلاثية الثلاثية ، ومركز Thomas J. Watson للأبحاث ، ومختبر Lincoln's Lincoln's Lincoln ، عن العرض الأول لليزر أشباه الموصلات في غضون بضعة أيام من بعضها البعض في عام 1962.
تم تعيين ليزر أشباه الموصلات علامة معلما IEEE في ثلاثة احتفالات ، مع لوحة تذكارية مثبتة لكل جهاز.
أثار اختراع الليزر سباقًا ثلاثي الاتجاه
يعود المفهوم الأساسي للليزر إلى عام 1917 ، عندما اقترح ألبرت أينشتاين نظرية "الانبعاثات المحفزة". عرف العلماء بالفعل أن الإلكترونات يمكن أن تمتص وتنبعث من الضوء بشكل تلقائي ، لكن آينشتاين اعتقد أنه يمكن التلاعب به للانبعاث في أطوال موجية محددة. استغرق الأمر من المهندسين عقودًا لتحويل نظريته إلى حقيقة واقعة.
في أواخر الأربعينيات من القرن الماضي ، كان الفيزيائيون يعملون على تحسين تصميم أنابيب الفراغ التي يستخدمها الجيش الأمريكي في الحرب العالمية الثانية للكشف عن طائرة العدو عن طريق تضخيم الإشارات. أحدهم كان تشارلز تاونز ، باحث في بيل لابز في موراي هيل ، نيو جيرسي. اقترح بناء مكبر صوت أكثر قوة من خلال تمرير شعاع من الموجات الكهرومغناطيسية من خلال تجويف يحتوي على جزيئات الغاز. من شأن الموجة أن تحفز الذرات في الغاز لإطلاق الطاقة بنفس سرعة الموجة تمامًا ، مما يولد الطاقة التي من شأنها أن تتسبب في ترك تجويف شعاع أكثر قوة.
في عام 1954 ، ابتكر تاونز ، أستاذ الفيزياء آنذاك بجامعة كولومبيا ، جهازًا أطلق عليه اسم "مازير" (قصير لتضخيم انبعاث الإشعاع المحفز). اتضح أنه مقدمة مهمة للليزر.
أخبر العديد من المنظرين Townes أن جهازه لن يعمل أبدًا ، وفقًا لمقال نشرته الجمعية الفيزيائية الأمريكية. وقال المقال إنه بمجرد عمله ، قام باحثون آخرون بنسخها وبدأوا في اختراع الاختلافات.
اعتقد المدن والمهندسون الآخرون أنهم يمكن أن يخلقوا نسخة بصرية من مازر يمكن أن ينتج شعاعًا من الضوء عن طريق تسخير الطاقة عالية التردد. قد ينتج عن مثل هذا الجهاز شعاعًا أكثر قوة من أفران الميكروويف ، ولكنه سيؤدي أيضًا إلى إنتاج عوارض من الضوء في مجموعة متنوعة من الأطوال الموجية ، من الأشعة تحت الحمراء إلى الضوء المرئي. في عام 1958 ، نشرت Townes نظرة عامة نظرية على "الليزر".
"إنه لأمر مدهش أن هذه المنظمات الثلاث في شمال شرق الولايات المتحدة قبل 62 عامًا وفرت لنا كل هذه القدرات الآن وفي المستقبل."
عملت العديد من الفرق معًا لبناء الجهاز ، وفي مايو 1960 ، قام ثيودور ميمان ، الباحث في مختبر أبحاث هيوز في ماليبو ، كاليفورنيا ، ببناء أول ليزر يعمل. بعد ثلاثة أشهر ، نشرت ميمان ورقة في مجلة Nature التي تصف الاختراع ، وهو مصباح عالي الطاقة يتلألأ الضوء على قضيب الياقوت الموضوعة بين سطحين فضيين يشبهون المرآة. يدرك الضوء الناتج عن مضان الياقوت المتذبذب في التجويف البصري الذي يتكون من السطح انبعاثات إينشتاين المحفزة.
أصبحت الليزر الأساسية الآن حقيقة واقعة. بدأ المهندسون بسرعة في تصميم نماذج مختلفة.
ربما كان الكثيرون متحمسون للغاية حول إمكانات ليزر أشباه الموصلات. يمكن معالجة مواد أشباه الموصلات لإجراء الكهرباء في ظل الظروف المناسبة. في الأساس ، يمكن أن تتناسب الليزر المصنوع من مواد أشباه الموصلات جميع المكونات اللازمة لمصادر ومكبرات الصوت للليزر والعدسات والأجهزة المرايا في الحجم الميكرومتر.
"هذه الخصائص المرغوبة استحوذت على خيال العلماء والمهندسين عبر التخصصات" ، وفقًا لما قاله ويكيبيديا ، تاريخ الهندسة والتكنولوجيا.
في عام 1962 ، اكتشف زوجان من الباحثين أن مادة حالية كانت أشباه الموصلات بالليزر: غاليوم أرسينيد.
أرسينييد غاليوم هو مادة مثالية لأشعة أشباه الموصلات
في 9 يوليو 1962 ، أعلن باحثو مختبرات معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في مختبر Robert Keyes و Theodore Quist أمام جمهور في مؤتمر أبحاث الأجهزة الصلبة أنهم كانوا يقومون بتطوير ليزر أشباه الموصلات التجريبية. كشف النقاب عن حفل معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. كان Juodawlkis مديرًا لمجموعة Quantum Information ومجموعة Nanosystems المتكاملة في مختبر MIT Lincoln.
وقال جودولكيس إن الليزر في ذلك الوقت لم يتمكنوا بعد من انبعاث شعاع متماسك ، لكن العمل كان يتقدم بسرعة. بعد ذلك ، أذهل Juodawlkis و Quist الجمهور: يمكن أن يظهروا ، كما قالوا ، أن ما يقرب من 100 في المائة من الطاقة الكهربائية التي يتم حقنها في أشباه الموصلات من غاليوم يمكن تحويلها إلى ضوء.
لم يقدم أحد مثل هذا الادعاء من قبل. كان الجمهور في حالة عدم تصديق ، وتم تقاسم الكفر.
وقال جودولكيس: "في نهاية حديث Juodawlkis ، وقف أحد أفراد الجمهور وقال:" حسنًا ، هذا ينتهك القانون الثاني للديناميكا الحرارية ".
اندلع الجمهور في الضحك. لكن الفيزيائي روبرت ن. هول ، خبير أشباه الموصلات في مختبرات جنرال إلكتريك للأبحاث في شينيكتادي ، نيويورك ، أسكتهم.
وقال جودولكيس "خرج بوب هول وشرح لماذا لم ينتهك القانون الثاني". "كان ذلك ضجة كبيرة."
تسابقت فرق متعددة لتطوير ليزر أشباه الموصلات العاملة ، وجاء الفائز في غضون أيام.
تتكون ليزر أشباه الموصلات من بلورات أشباه الموصلات الصغيرة المعلقة في حاوية زجاجية مملوءة بالنيتروجين السائل ، مما يساعد على إبقاء الجهاز باردًا.
عاد هول إلى GE ، وأصبح مستوحى من عروض Juodawlkis و Quist ، مقتنعًا بأنه يمكن أن يقود فريقًا لإنشاء ليزر فعال وفعال للمرسلين. كان قد أمضى بالفعل سنوات في العمل مع أشباه الموصلات ، حيث اخترع ما يسمى مقوم الصمام الثنائي "دبوس".
يمكن للمقوم ، الذي استخدم بلورات مصنوعة من الجرمانيوم النقي ، وهي مادة أشباه الموصلات ، تحويل التيار المتناوب إلى توجيه التطوير الرئيسي للتيار الناتج عن حدوثها في أشباه الموصلات الصلبة لنقل الطاقة.
هذه التجربة تسارعت تطوير ليزر أشباه الموصلات. استخدم هول وفريقه جهازًا مشابهًا لمقوم "دبوس". قاموا ببناء ليزر الصمام الثنائي الذي أنتج الضوء المتماسك من بلورة أرسينيد غاليوم ثلث مليمتر في الحجم ، محصورة في تجويف بين مرايا بحيث ارتد الضوء ذهابًا وإيابًا. نُشرت أخبار الاختراع في عدد 1 نوفمبر 1962 من خطابات المراجعة المادية.
عندما كان هول وفريقه يعملون ، فعل الباحثون في مركز أبحاث واتسون في يوركتاون هايتس ، نيويورك. وفقًا لـ ETHW ، في فبراير 1962 ، تلقى مارشال آي ناثان ، باحث في IBM الذي كان يعمل سابقًا في غاليوم أرسينيد ، مهمة من رئيس قسمه: لبناء أول ليزر غاليوم أرسينيد.
قاد ناثان فريقًا من الباحثين الذين شملوا ويليام ب. دوميك وجيرالد بيرنز وفريدريك هـ. ديل وجوردون راشر في تطوير الليزر. أكملوا المهمة في شهر أكتوبر وأخذوا ورقة تحدد عملهم لرسائل الفيزياء التطبيقية ، التي نشرتها في 4 أكتوبر 1962.
في مختبر لينكولن في معهد ماساتشوستس للتكن
لقد حدث كل ذلك بسرعة كبيرة لدرجة أن مقالًا في صحيفة نيويورك تايمز قد تعجب من "الصدفة المذهلة" ، مشيرًا إلى أن مسؤولي IBM لم يعرفوا نجاح GE حتى أرسلت GE دعوة إلى مؤتمر صحفي.
تم الآن تكريم المنظمات الثلاث من قبل IEEE لعملها. وكتب مقال إيثو "ربما كان ليزر أشباه الموصلات أكبر تأثير في مجال الاتصالات". "كل ثانية ، تشفر ليزر أشباه الموصلات بهدوء مجموع المعرفة الإنسانية إلى الضوء ، مما يتيح مشاركته على الفور تقريبًا عبر المحيطات والمساحة."
وقال متحدث باسم معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا لصحيفة التايمز إن GE قد حققت نجاحها "بضعة أيام أو أسبوع" أمام فريقها. تقدم كل من IBM و GE بطلب لبراءات الاختراع الأمريكية في أكتوبر ، وتم منح كلاهما في النهاية.
في حفل مختبر لينكولن ، أشار Gioudarkis إلى أنه في كل مرة تقوم فيها "بإجراء مكالمة هاتفية" أو "Google Silly Cat Videos" ، فأنت تستخدم ليزر أشباه الموصلات.
وقال "إذا نظرنا إلى العالم الأوسع ، فإن ليزر أشباه الموصلات هو في الحقيقة أحد حجرات الزاوية في عصر المعلومات."
أنهى خطابه باقتباس من مقال مجلة تايم عام 1963: "إذا كان على العالم أن يختار بين الآلاف من البرامج التلفزيونية المختلفة ، فإن عدد قليل من الثنائيات مع عوارضه الأشعة تحت الحمراء الصغيرة يمكن أن تختارها جميعًا في وقت واحد."
وقال جيوداركيس: "كان" علوم الليزر أشباه الموصلات ". "إنه لأمر مدهش ما فعلته هذه المنظمات الثلاث في الشمال الشرقي قبل 62 عامًا لمنحنا كل هذه القدرات الآن وفي المستقبل."
يعرض جنرال إلكتريك ومركز أبحاث واتسون ومختبر لينكولن الآن لويحات تكريم التكنولوجيا. قرأوا:
في خريف عام 1962 ، تم الإبلاغ عن المظاهرات الأولى لليزر أشباه الموصلات من قبل محطات جنرال إلكتريكز وسيراكيوز ، ومركز توماس ج. واتسون للأبحاث ، ومختبر لينكولن في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، على التوالي. أصغر من حبة الأرز ، مدعومة بالحقن الحالي المباشر ، ومع الأطوال الموجية التي تتراوح من الأشعة فوق البنفسجية إلى أشعة أشعة تحت الحمراء ، تكون ليزر أشباه الموصلات في كل مكان في الاتصالات الحديثة ، وتخزين البيانات ، وأنظمة قياس الدقة.
