揭秘三家競相開(kāi)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(shù)的基礎，包括條形碼掃描儀、光纖通信、醫學(xué)成像和遠程控制。

1960 年，激光技術(shù)的可能性讓科學(xué)界為之震驚，當時(shí)長(cháng)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(kāi)始競相開(kāi)發(fā)該技術(shù)的第一個(gè)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(xué)院林肯實(shí)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(shí)阿爾伯特·愛(ài)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(ài)因斯坦認為可以操縱電子以特定波長(cháng)發(fā)射。工程師們花了幾十年的時(shí)間才將他的理論變成現實(shí)。

20 世紀 40 年代末，物理學(xué)家們致力于改進(jìn)美國軍方在二戰中使用的真空管設計，該真空管通過(guò)放大信號來(lái)探測敵機。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(gè)更強大的放大器，讓一束電磁波穿過(guò)一個(gè)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(kāi)腔體。

1954 年，時(shí)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(chēng)之為「微波激射器」（微波激射是受激輻射放大的縮寫(xiě)）。事實(shí)證明，它是激光的重要先驅。

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

湯斯和其他工程師認為，通過(guò)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)生比微波更強大的光束，但它也能產(chǎn)生各種波長(cháng)的光束，從紅外線(xiàn)到可見(jiàn)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(gè)組織為我們現在和將來(lái)提供了所有這些能力?！?/p>

幾個(gè)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(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(gè)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(xiàn)照射到放置在兩個(gè)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)現了愛(ài)因斯坦的受激發(fā)射。

基本型激光器現已成為現實(shí)。工程師們迅速開(kāi)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的條件下進(jìn)行操控以導電。從本質(zhì)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)現一種現有材料是一種優(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(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(huì )議的觀(guān)眾面前宣布，他們正在開(kāi)發(fā)一種實(shí)驗性半導體激光器，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(shí)說(shuō)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小組的主任。

Juodawlkis 說(shuō)，當時(shí)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(guān)眾：他們說(shuō)，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(xué)院林肯實(shí)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(guò)這樣的主張。觀(guān)眾們都難以置信，而且紛紛表示難以置信。

「當 Juodawlkis 演講結束時(shí)，一位觀(guān)眾站起來(lái)說(shuō)，『呃，這違反了熱力學(xué)第二定律，』」朱奧達爾基斯說(shuō)。

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

「鮑勃·霍爾站出來(lái)解釋了為什么它不違反第二定律，」朱奧達爾基斯說(shuō)?！高@引起了轟動(dòng)?！?/p>

多個(gè)團隊競相開(kāi)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(mǎn)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(lǐng)一個(gè)團隊制造出高效、有效的砷化鎵激光器。

他已經(jīng)花了數年時(shí)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——這是用于電力傳輸的固態(tài)半導體的一個(gè)關(guān)鍵發(fā)展。

這一經(jīng)驗加速了半導體激光器的發(fā)展?；魻柡退膱F隊使用了與「pin」整流器類(lèi)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(gè)鏡子之間的腔體中，因此光會(huì )反復來(lái)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(shí)，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 ETHW 的說(shuō)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(mén)主管那里得到了一項任務(wù)：制造第一臺砷化鎵激光器。

內森帶領(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(kāi)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《應用物理快報》。

這一切發(fā)生得太快了，以至于《紐約時(shí)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(huì )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(shí)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(zhuān)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(lǐng)域的影響力最大」，ETHW 的一篇文章寫(xiě)道，「每一秒，半導體激光器都會(huì )悄悄地將人類(lèi)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(xué)腔。

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

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

他在演講結束時(shí)引用了 1963 年《時(shí)代》雜志的一篇文章：「如果全世界要在數千個(gè)不同的電視節目之間做出選擇，那么只需幾個(gè)二極管用其微弱的紅外光束就可以同時(shí)選擇所有節目?！?/p>

朱奧達爾基斯說(shuō)，這是「半導體激光器的先見(jiàn)之明」?！?2 年前，美國東北部的這三個(gè)組織所做的一切，為我們現在和未來(lái)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)的紀念牌匾。上面寫(xiě)著(zhù)：

1962 年秋，通用電氣的斯克內克塔迪和錫拉丘茲工廠(chǎng)、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(cháng)范圍從紫外線(xiàn)到紅外線(xiàn)，在現代通信、數據存儲和精密測量系統中無(wú)處不在。