Inventados há mais de 60 anos, os lasers de semicondutores são a base de muitas das tecnologias atuais, incluindo scanners de código de barras, comunicações de fibra óptica, imagem médica e controle remoto.
As possibilidades da tecnologia a laser surpreenderam a comunidade científica em 1960, quando o laser teórico longa foi demonstrado pela primeira vez. Três centros de pesquisa dos EUA começaram uma corrida para desenvolver a primeira versão semicondutora da tecnologia sem conhecê -la. As três empresas-gerais elétricas, o Thomas J. Watson Research Center, da IBM, e o Lincoln Laboratory-Eça do MIT relataram a primeira demonstração de um laser semicondutor alguns dias um do outro em 1962.
O laser semicondutor foi designado um marco de IEEE em três cerimônias, com uma placa comemorativa instalada para cada dispositivo.
A invenção do laser provocou uma corrida de três vias
O conceito central do laser remonta a 1917, quando Albert Einstein propôs a teoria da "emissão estimulada". Os cientistas já sabiam que os elétrons podiam absorver e emitir espontaneamente a luz, mas Einstein achou que eles poderiam ser manipulados para emitir em comprimentos de onda específicos. Levou os engenheiros décadas para transformar sua teoria em realidade.
No final da década de 1940, os físicos estavam trabalhando para melhorar o design de tubos de vácuo usados pelas forças armadas dos EUA na Segunda Guerra Mundial para detectar aeronaves inimigas, ampliando sinais. Um deles foi Charles Townes, pesquisador da Bell Labs em Murray Hill, Nova Jersey. Ele propôs a construção de um amplificador mais poderoso, passando um feixe de ondas eletromagnéticas através de uma cavidade contendo moléculas de gás. A onda estimularia átomos no gás a liberar energia exatamente na mesma velocidade que a onda, gerando energia que causaria a cavidade como um feixe mais poderoso.
Em 1954, Townes, então professor de física da Universidade de Columbia, inventou um dispositivo que ele chamou de "Maser" (abreviação de amplificação da emissão estimulada de radiação). Acabou sendo um precursor importante para o laser.
Muitos teóricos disseram a Townes que seu dispositivo nunca funcionaria, de acordo com um artigo publicado pela American Physical Society. Uma vez funcionou, outros pesquisadores o copiaram rapidamente e começaram a inventar variações, disse o artigo.
Townes e outros engenheiros pensaram que poderiam criar uma versão óptica de um maser que poderia produzir um feixe de luz, aproveitando a energia de alta frequência. Esse dispositivo pode produzir um feixe mais poderoso que as microondas, mas também produziria vigas de luz em vários comprimentos de onda, da luz infravermelha a visível. Em 1958, Townes publicou uma visão teórica do "laser".
"É incrível que essas três organizações no nordeste dos Estados Unidos há 62 anos nos tenham fornecido todas essas capacidades agora e no futuro".
Várias equipes trabalharam juntas para construir o dispositivo e, em maio de 1960, Theodore Maiman, pesquisador do Hughes Research Laboratory em Malibu, Califórnia, construiu o primeiro laser que trabalha. Três meses depois, Maiman publicou um artigo na revista Nature descrevendo a invenção, uma lâmpada de alta potência que brilhava em uma haste de rubi colocada entre duas superfícies de prata semelhantes ao espelho. A luz produzida pela fluorescência dos rubi oscilantes na cavidade óptica formada pela superfície realiza a emissão estimulada de Einstein.
Os lasers básicos eram agora uma realidade. Os engenheiros começaram rapidamente a projetar vários modelos.
Muitos provavelmente estavam mais empolgados com o potencial de lasers semicondutores. Os materiais semicondutores podem ser manipulados para conduzir eletricidade nas condições certas. Essencialmente, os lasers fabricados com materiais semicondutores podem se encaixar em todos os componentes necessários para fontes e amplificadores de luzes a laser, lentes e dispositivos de tamanho de micrômetro.
"Essas propriedades desejáveis capturaram a imaginação de cientistas e engenheiros de todas as disciplinas", de acordo com a Wikipedia, a história da engenharia e da tecnologia.
Em 1962, um par de pesquisadores descobriu que um material existente era um excelente semicondutor a laser: arseneto de gálio.
Arseneto de gálio é um material ideal para lasers semicondutores
Em 9 de julho de 1962, os pesquisadores do MIT Lincoln Laboratory Robert Keyes e Theodore Quist anunciaram perante uma audiência na conferência de pesquisa de dispositivos de estado sólido que eles estavam desenvolvendo um laser experimental de semicondutores, o companheiro de IEEE, Paul W. Juodawlkis, disse durante um discurso no IEEe Milestone Cerimônia de revelação no MIT. Juodawlkis foi diretor do Grupo de Informações Quânticas e Nanossistemas Integrados do MIT Lincoln Laboratory.
Os lasers na época ainda não eram capazes de emitir um feixe coerente, mas o trabalho estava progredindo rapidamente, disse Juodawlkis. Juodawlkis e Quist surpreenderam o público: eles poderiam mostrar, eles disseram, que quase 100 % da energia elétrica injetada em um semicondutor de arsenide de gálio poderia ser convertida em luz.
Ninguém jamais havia feito essa afirmação antes. O público estava incrédulo e sua descrença foi compartilhada.
"No final da palestra de Juodawlkis, um membro da platéia se levantou e disse: 'Bem, isso viola a segunda lei da termodinâmica'", disse Juodawlkis.
A platéia irrompeu em gargalhadas. Mas o físico Robert N. Hall, especialista em semicondutores da General Electric Research Laboratories em Schenectady, Nova York, os silenciou.
"Bob Hall saiu e explicou por que não violou a segunda lei", disse Juodawlkis. "Isso foi uma sensação."
Várias equipes correram para desenvolver um laser semicondutor de trabalho, e o vencedor ocorreu em dias.
Os lasers semicondutores são feitos de pequenos cristais de semicondutores suspensos em um recipiente de vidro cheio de nitrogênio líquido, o que ajuda a manter o dispositivo frio.
Hall voltou para a GE e, inspirado pelas apresentações de Juodawlkis e Quist, ficou convencido de que ele poderia liderar uma equipe a criar um laser eficiente e eficaz de arseneto de arseneto. Ele já havia passado anos trabalhando com semicondutores, inventando o chamado retificador de diodo "pino".
O retificador, que usava cristais feito de germânio puro, um material semicondutor, poderia converter corrente alternada para direcionar a corrente-um desenvolvimento chave em semicondutores de estado sólido para transmissão de energia.
Essa experiência acelerou o desenvolvimento de lasers semicondutores. Hall e sua equipe usaram um dispositivo semelhante ao retificador "PIN". Eles construíram um laser de diodo que produzia luz coerente a partir de um cristal de arseneto de gálio um terço de milímetro de tamanho, imprensado em uma cavidade entre dois espelhos, de modo que a luz saltou repetidamente para frente e para trás. As notícias da invenção foram publicadas na edição de 1º de novembro de 1962 da Física de Revisão.
Enquanto Hall e sua equipe trabalhavam, os pesquisadores também no Watson Research Center em Yorktown Heights, Nova York. De acordo com a ETH, em fevereiro de 1962, Marshall I. Nathan, pesquisador da IBM que já havia trabalhado no Gallium Arsenide, recebeu uma tarefa de seu chefe de departamento: para construir o primeiro laser de arsenide de gálio.
Nathan liderou uma equipe de pesquisadores que incluíram William P. Dumke, Gerald Burns, Frederick H. Diehl e Gordon Rascher no desenvolvimento do laser. Eles concluíram a tarefa em outubro e entregaram a mão em um artigo que descreveu seu trabalho para as cartas de física aplicadas, que a publicaram em 4 de outubro de 1962.
No Laboratório Lincoln do MIT, Quist, Juodewlkis, e seu colega Robert Reddick relataram os resultados na edição de 5 de novembro de 1962 da Applied Physics Letters.
Tudo aconteceu tão rapidamente que um artigo do New York Times se maravilhou com a "surpreendente coincidência", observando que os funcionários da IBM não sabiam sobre o sucesso da GE até que a GE enviou um convite para uma conferência de imprensa.
Todas as três organizações agora foram homenageadas pelo IEEE pelo trabalho deles. "Talvez os lasers de semicondutores tenham tido seu maior impacto no campo das comunicações", escreveu um artigo da ETHW. "A cada segundo, os lasers semicondutores codificam silenciosamente a soma do conhecimento humano à luz, permitindo que ele seja compartilhado quase instantaneamente entre os oceanos e o espaço".
Um porta -voz do MIT disse ao Times que a GE alcançou seu sucesso "alguns dias ou uma semana" antes de sua própria equipe. A IBM e a GE se candidataram a patentes dos EUA em outubro, e ambas foram concedidas.
Na Cerimônia do Laboratório de Lincoln, Gioudarkis apontou que toda vez que você "faz uma ligação" ou "Vídeos de gatos bobos do Google", você está usando um laser semicondutor.
"Se olharmos para o mundo mais amplo", disse ele, "o laser semicondutor é realmente uma das pedras angulares da era da informação".
Ele terminou seu discurso com uma citação de um artigo da revista Time de 1963: "Se o mundo tivesse que escolher entre milhares de programas de televisão diferentes, apenas alguns diodos com seus pequenos vigas infravermelhos poderiam selecionar todos eles simultaneamente".
Era "a presciência dos lasers de semicondutores", disse Gioudarkis. "É incrível o que essas três organizações no Nordeste fizeram há 62 anos para nos dar todas essas capacidades agora e no futuro".
A General Electric, o Watson Research Center e o Lincoln Laboratory agora exibem placas em homenagem à tecnologia. Eles leem:
No outono de 1962, as primeiras manifestações de lasers de semicondutores foram relatadas pelas plantas Schenectady e Siracusa da General Electric, o Centro de Pesquisa Thomas J. Watson, da IBM, e o Laboratório Lincoln do MIT, respectivamente. Menores que um grão de arroz, alimentado por injeção direta de corrente e com comprimentos de onda que variam de ultravioleta a infravermelho, os lasers de semicondutores são onipresentes em comunicações modernas, armazenamento de dados e sistemas de medição de precisão.
