揭秘三家竞相开发最广泛使用的激光器！

2025-01-06

半导体激光器发明于 60 多年前，是当今许多技术的基础，包括条形码扫描仪、光纤通信、医学成像和远程控制。


1960 年，激光技术的可能性让科学界为之震惊，当时长期处于理论阶段的激光首次被演示。三家美国研究中心在不知情的情况下开始竞相开发该技术的第一个半导体版本。这三家公司——通用电气、IBM 的托马斯·J·沃森研究中心和麻省理工学院林肯实验室——在 1962 年短短几天内分别报告了半导体激光的首次演示。
半导体激光器在三次仪式上被指定为 IEEE 里程碑，每台设备都安装了一块纪念牌匾。

激光的核心概念可以追溯到 1917 年，当时阿尔伯特·爱因斯坦提出了「受激发射」理论。科学家已经知道电子可以自发吸收和发射光，但爱因斯坦认为可以操纵电子以特定波长发射。工程师们花了几十年的时间才将他的理论变成现实。

20 世纪 40 年代末，物理学家们致力于改进美国军方在二战中使用的真空管设计，该真空管通过放大信号来探测敌机。新泽西州默里山贝尔实验室的研究员查尔斯·汤斯就是其中之一。他提议制造一个更强大的放大器，让一束电磁波穿过一个含有气体分子的腔体。这束电磁波将刺激气体中的原子释放能量，使其与电磁波的波速完全一致，产生的能量使其以更强大的光束形式离开腔体。



1954 年，时任哥伦比亚大学物理学教授的汤斯发明了一种装置，他称之为「微波激射器」（微波激射是受激辐射放大的缩写）。事实证明，它是激光的重要先驱。
据美国物理学会发表的一篇文章称，许多理论家都告诉汤斯，他的装置不可能成功。文章称，一旦它成功，其他研究人员就会迅速复制它，并开始发明各种变体。
汤斯和其他工程师认为，通过利用高频能量，他们可以制造出一种能产生光束的光学版微波激射器。这种装置可能产生比微波更强大的光束，但它也能产生各种波长的光束，从红外线到可见光。1958 年，汤斯发表了「激光」的理论概述。
「令人惊奇的是，62 年前美国东北部的这三个组织为我们现在和将来提供了所有这些能力。」
几个团队合作制造了这种装置，1960 年 5 月，加利福尼亚州马里布休斯研究实验室的研究员西奥多·梅曼制造出了第一台可以工作的激光器。三个月后，梅曼在《自然》杂志上发表了一篇论文，文中描述了这项发明，它是一种高功率灯，可将光线照射到放置在两个镜面般的镀银表面之间的红宝石棒上。由表面形成的光学腔振荡红宝石荧光产生的光，实现了爱因斯坦的受激发射。
基本型激光器现已成为现实。工程师们迅速开始设计各种型号。
许多人可能对半导体激光器的潜力最为兴奋。半导体材料可以在适当的条件下进行操控以导电。从本质上讲，由半导体材料制成的激光器可以将激光器所需的所有元件（光源和放大器、透镜和镜子）装入微米级设备中。
据工程和技术史维基百科介绍，「这些理想的属性吸引了跨学科科学家和工程师的想象力」。
1962 年，一对研究人员发现一种现有材料是一种优秀的激光半导体：砷化镓。



砷化镓是半导体激光器的理想材料



1962 年 7 月 9 日，麻省理工学院林肯实验室的研究人员 Robert Keyes 和 Theodore Quist 在固态器件研究会议的观众面前宣布，他们正在开发一种实验性半导体激光器，IEEE 院士 Paul W. Juodawlkis 在麻省理工学院举行的 IEEE 里程碑揭幕仪式上发表演讲时说道。Juodawlkis 是麻省理工学院林肯实验室量子信息与集成纳米系统小组的主任。
Juodawlkis 说，当时的激光器还不能发射出相干光束，但这项工作进展很快。Juodawlkis 和奎斯特随后震惊了观众：他们说，他们可以证明，注入砷化镓半导体的电能几乎 100% 可以转化为光。
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麻省理工学院林肯实验室的 Robert Keyes（左起）、Theodore M. Quist 和 Robert Rediker 在电视机上测试他们的激光。
之前从未有人提出过这样的主张。观众们都难以置信，而且纷纷表示难以置信。
「当 Juodawlkis 演讲结束时，一位观众站起来说，『呃，这违反了热力学第二定律，』」朱奥达尔基斯说。
观众爆发出笑声。但物理学家罗伯特·N·霍尔（Robert N. Hall）——纽约州斯克内克塔迪通用电气研究实验室的半导体专家——让他们安静了下来。
「鲍勃·霍尔站出来解释了为什么它不违反第二定律，」朱奥达尔基斯说。「这引起了轰动。」
多个团队竞相开发出可以运行的半导体激光器，最终胜负只差几天。



「惊人的巧合」



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半导体激光器由微小的半导体晶体制成，该晶体悬浮在充满液氮的玻璃容器内，这有助于保持设备冷却。
霍尔回到通用电气公司，受到 Juodawlkis 和奎斯特演讲的启发，确信他可以带领一个团队制造出高效、有效的砷化镓激光器。
他已经花了数年时间研究半导体，发明了所谓的「pin」二极管整流器。该整流器使用由半导体材料纯净的锗制成的晶体，可以将交流电转换为直流电——这是用于电力传输的固态半导体的一个关键发展。
这一经验加速了半导体激光器的发展。霍尔和他的团队使用了与「pin」整流器类似的装置。他们制造了一种二极管激光器，它从三分之一毫米大小的砷化镓晶体中产生相干光，该晶体夹在两个镜子之间的腔体中，因此光会反复来回反射。这项发明的消息发表在 1962 年 11 月 1 日的《物理评论快报》上。
当霍尔和他的团队工作时，位于纽约州约克敦高地的沃森研究中心的研究人员也在工作。根据 ETHW 的说法，1962 年 2 月，之前从事砷化镓研究的 IBM 研究员马歇尔·I·内森（Marshall I. Nathan）从其部门主管那里得到了一项任务：制造第一台砷化镓激光器。
内森带领一支研究小组，其中包括威廉·P·杜姆克、杰拉尔德·伯恩斯、弗雷德里克·H·迪尔和戈登·拉舍尔，共同开发了这种激光器。他们在 10 月完成了这项任务，并亲手将一份概述其工作的论文交给了《应用物理快报》，该报于 1962 年 10 月 4 日发表了该论文。
在麻省理工学院林肯实验室，奎斯特、Juodawlkis 和他们的同事罗伯特·雷迪克在 1962 年 11 月 5 日的《应用物理快报》。
这一切发生得太快了，以至于《纽约时报》的一篇文章对这一「惊人的巧合」表示惊叹，并指出 IBM 的官员直到 GE 发出新闻发布会邀请后才知道 GE 的成功。麻省理工学院的一位发言人告诉《纽约时报》，GE 比自己的团队「早了几天或一周」就取得了成功。
IBM 和 GE 均于 10 月份申请了美国专利，并且最终均获得了批准。
目前，这三家机构均因其出色的工作而荣获 IEEE 嘉奖。
「也许半导体激光器在通信领域的影响力最大」，ETHW 的一篇文章写道，「每一秒，半导体激光器都会悄悄地将人类的知识总和编码成光，使其能够几乎瞬间跨越海洋和太空进行共享。」
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IBM Research 的半导体激光器采用砷化镓 pn 二极管，该二极管采用蚀刻台面结构制成小型光学腔。
朱奥达尔基斯在林肯实验室的仪式上指出，每次你「打电话」或「用谷歌搜索傻猫视频」时都会用到半导体激光器。
「如果我们放眼更广阔的世界，」他说，「半导体激光器确实是信息时代的基石之一。」
他在演讲结束时引用了 1963 年《时代》杂志的一篇文章：「如果全世界要在数千个不同的电视节目之间做出选择，那么只需几个二极管用其微弱的红外光束就可以同时选择所有节目。」
朱奥达尔基斯说，这是「半导体激光器的先见之明」。「62 年前，美国东北部的这三个组织所做的一切，为我们现在和未来提供了所有这些能力，真是令人惊叹。」
目前，通用电气公司、沃森研究中心和林肯实验室都展示了表彰该技术的纪念牌匾。上面写着：
1962 年秋，通用电气的斯克内克塔迪和锡拉丘兹工厂、IBM 托马斯·沃森研究中心和麻省理工学院林肯实验室分别报告了半导体激光器的首次演示。半导体激光器比米粒还小，采用直流注入供电，波长范围从紫外线到红外线，在现代通信、数据存储和精密测量系统中无处不在。


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