ليزر أشباه الموصلات – IEEE Spectrum
يعد ليزر أشباه الموصلات، الذي تم اختراعه منذ أكثر من 60 عامًا، الأساس للعديد من التقنيات الحالية بما في ذلك ماسحات الباركود الضوئية، واتصالات الألياف الضوئية، والتصوير الطبي، وأجهزة التحكم عن بعد. أصبح هذا الجهاز الصغير متعدد الاستخدامات أحد إنجازات IEEE الآن.
لقد أشعلت إمكانيات تكنولوجيا الليزر العالم العلمي في عام 1960، عندما تم عرض الليزر، الذي تم وصفه نظريًا منذ فترة طويلة، لأول مرة. بدأت ثلاثة مراكز أبحاث أمريكية، دون قصد، في التنافس مع بعضها البعض لإنشاء أول نسخة من أشباه الموصلات لهذه التكنولوجيا. أعلنت الشركات الثلاث — جنرال إلكتريك، ومركز أبحاث توماس ج. واتسون التابع لشركة آي بي إم، ومختبر لينكولن بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا — بشكل مستقل عن أول عروض ليزر أشباه الموصلات، كل ذلك في غضون أيام في عام 1962.
تم تخصيص ليزر أشباه الموصلات كأحد إنجازات IEEE في ثلاث احتفالات، مع لوحة تشير إلى الإنجاز تم تركيبها في كل منشأة. حدث Lincoln Lab متاح للمشاهدة عند الطلب.
اختراع الليزر يحفز سباقًا ثلاثيًا
يعود المفهوم الأساسي لليزر إلى عام 1917، عندما وضع ألبرت أينشتاين نظرية حول “الانبعاث المحفز”. كان العلماء يعرفون بالفعل أن الإلكترونات يمكنها امتصاص الضوء وإصداره تلقائيًا، لكن أينشتاين افترض أنه يمكن التحكم في الإلكترونات لإصدارها عند طول موجي معين. لقد استغرق المهندسون عقودًا لتحويل نظريته إلى واقع.
في أواخر الأربعينيات من القرن الماضي، كان الفيزيائيون يعملون على تحسين تصميم الأنبوب المفرغ الذي استخدمه الجيش الأمريكي في الحرب العالمية الثانية للكشف عن طائرات العدو من خلال تضخيم إشاراتها. وكان تشارلز تاونز، الباحث في مختبرات بيل في موراي هيل بولاية نيوجيرسي، واحدًا منهم. واقترح إنشاء مضخم أكثر قوة يمرر شعاعًا من الموجات الكهرومغناطيسية عبر تجويف يحتوي على جزيئات الغاز. يقوم الشعاع بتحفيز الذرات الموجودة في الغاز لإطلاق طاقتها بما يتماشى تمامًا مع موجات الشعاع، مما يخلق طاقة تسمح له بالخروج من التجويف كشعاع أقوى بكثير.
في عام 1954، ابتكر تاونز، الذي كان آنذاك أستاذًا للفيزياء في جامعة كولومبيا، الجهاز الذي أطلق عليه اسم “مازر” (اختصار لـ “مازر”). تضخيم الموجات الصغرية عن طريق انبعاث الإشعاع المحفز). سيكون بمثابة مقدمة مهمة لليزر.
أخبر العديد من المنظرين تاونز أن جهازه لا يمكن أن يعمل، وفقًا لمقالة نشرتها الجمعية الفيزيائية الأمريكية. ويقول المقال إنه بمجرد نجاحه، قام باحثون آخرون بتكراره بسرعة وبدأوا في اختراع أشكال مختلفة.
اكتشف تاونز ومهندسون آخرون أنه من خلال تسخير الطاقة ذات التردد العالي، يمكنهم إنشاء نسخة بصرية من جهاز الميزر الذي من شأنه أن يولد حزمًا من الضوء. من المحتمل أن يتمكن مثل هذا الجهاز من توليد أشعة أقوى مما كان ممكنًا باستخدام الموجات الدقيقة، ولكنه يمكنه أيضًا إنشاء حزم ذات أطوال موجية متنوعة، من الأشعة تحت الحمراء إلى المرئية. في عام 1958 نشر تاونز الخطوط العريضة النظرية لـ “الليزر”.
“إنه لأمر مدهش ما فعلته هذه… ثلاث منظمات في شمال شرق الولايات المتحدة قبل 62 عامًا لتوفير كل هذه القدرة لنا الآن وفي المستقبل.”
عملت عدة فرق على تصنيع مثل هذا الجهاز، وفي مايو 1960، قام ثيودور ميمان، الباحث في مختبر هيوز للأبحاث، في ماليبو، كاليفورنيا، ببناء أول ليزر فعال. ورقة ميمان المنشورة في طبيعة وبعد ثلاثة أشهر، وصف الاختراع بأنه مصباح عالي الطاقة يسلط الضوء على قضيب ياقوتي موضوع بين سطحين مطليين بالفضة يشبهان المرآة. أدى التجويف البصري الناتج عن الأسطح إلى تذبذب الضوء الناتج عن مضان الياقوت، مما أدى إلى تحقيق انبعاث أينشتاين المحفز.
أصبح الليزر الأساسي الآن حقيقة واقعة. بدأ المهندسون بسرعة في إنشاء أشكال مختلفة.
ربما كان الكثيرون متحمسين للغاية لإمكانية وجود ليزر أشباه الموصلات. يمكن التلاعب بالمواد شبه الموصلة لتوصيل الكهرباء في ظل الظروف المناسبة. بحكم طبيعته، يمكن لليزر المصنوع من مادة شبه موصلة أن يجمع جميع العناصر المطلوبة لليزر – مصدر لتوليد الضوء وتضخيمه، والعدسات، والمرايا – في جهاز بمقياس ميكرومتر.
“لقد جذبت هذه السمات المرغوبة خيال العلماء والمهندسين” عبر التخصصات، وفقًا لموقع ويكي تاريخ الهندسة والتكنولوجيا.
اكتشف زوج من الباحثين في عام 1962 أن المادة الموجودة كانت عبارة عن أشباه موصلات ليزر رائعة: زرنيخيد الغاليوم.
كان زرنيخيد الغاليوم مثاليًا لليزر أشباه الموصلات
في 9 يوليو 1962، أخبر الباحثون في مختبر لينكولن بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، روبرت كيز وثيودور كويست، الجمهور في مؤتمر أبحاث أجهزة الحالة الصلبة أنهم كانوا يطورون ليزرًا تجريبيًا لأشباه الموصلات، كما قال زميل IEEE بول دبليو جوداولكيس خلال كلمته في حفل تكريس IEEE Milestone في 9 يوليو 1962. معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. جوداولكيس هو مدير مجموعة المعلومات الكمومية والأنظمة النانوية المتكاملة في مختبر لينكولن بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.
وقال كييز إن الليزر لم يكن يصدر بعد شعاعًا متماسكًا، لكن العمل كان يتقدم بسرعة. وبعد ذلك صدم كييز وكويست الجمهور: قالا إنهما يستطيعان إثبات أن ما يقرب من 100% من الطاقة الكهربائية المحقونة في شبه موصل زرنيخيد الغاليوم يمكن تحويلها إلى ضوء.
مختبر لينكولن التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا [from left] روبرت كيز، وثيودور إم كويست، وروبرت ريديكر يختبرون الليزر على جهاز تلفزيون.مختبر معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا لينكولن
ولم يقم أحد بمثل هذا الادعاء من قبل. كان الجمهور متشككًا – وبصوت عالٍ.
“عندما بوب [Keyes] وقال جوداولكيس: “بعد انتهاء حديثه، وقف أحد الجمهور وقال: “آه، هذا ينتهك القانون الثاني للديناميكا الحرارية”.
وانفجر الجمهور في الضحك. لكن الفيزيائي روبرت ن. هول – وهو خبير في أشباه الموصلات يعمل في مختبر أبحاث جنرال إلكتريك في شينيكتادي، نيويورك – أسكتهم.
وقال جوداولكيس: “وقف بوب هول وأوضح لماذا لم ينتهك القانون الثاني”. “لقد أحدثت ضجة حقيقية.”
تسابقت عدة فرق لتطوير ليزر أشباه الموصلات العامل. انخفض هامش النصر في النهاية إلى بضعة أيام.
“صدفة مذهلة”
يتكون ليزر أشباه الموصلات من بلورة شبه موصلة صغيرة معلقة داخل حاوية زجاجية مملوءة بالنيتروجين السائل، مما يساعد على إبقاء الجهاز باردًا. مركز جنرال إلكتريك للأبحاث والتطوير / AIP Emilio Segrè الأرشيف المرئي
عاد هول إلى شركة جنرال إلكتريك، مستوحى من خطاب كييز وكويست، واثقًا من قدرته على قيادة فريق لبناء ليزر زرنيخيد الغاليوم يتسم بالكفاءة والفعالية.
لقد أمضى سنوات بالفعل في العمل مع أشباه الموصلات واخترع ما يعرف باسم مقوم الصمام الثنائي “دبوس”.. وباستخدام بلورة مصنوعة من إبرة الراعي المنقى، وهي مادة شبه موصلة، يستطيع المقوم تحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر، وهو تطور حاسم لأشباه الموصلات ذات الحالة الصلبة المستخدمة في نقل الكهرباء.
ساعدت هذه التجربة في تسريع تطوير ليزر أشباه الموصلات. استخدم هول وفريقه إعدادًا مشابهًا لمقوم “الدبوس”. لقد قاموا ببناء ليزر ديود يولد ضوءًا متماسكًا من بلورة زرنيخيد الغاليوم يبلغ حجمها ثلث ملليمتر واحد، محصورة في تجويف بين مرآتين بحيث يرتد الضوء ذهابًا وإيابًا بشكل متكرر. وخرج خبر الاختراع في 1 نوفمبر 1962، رسائل المراجعة البدنية.
أثناء عمل هول وفريقه، عمل أيضًا الباحثون في مركز أبحاث واتسون، في يوركتاون هايتس، نيويورك. في فبراير 1962، تلقى مارشال ناثان، الباحث في شركة IBM والذي عمل سابقًا مع زرنيخيد الغاليوم، تفويضًا من مدير قسمه، وفقًا لـ ETHW : إنشاء أول ليزر زرنيخيد الغاليوم.
قاد ناثان فريقًا من الباحثين يضم ويليام ب. دومكي، وجيرالد بيرنز، وفريدريك إتش ديل، وجوردون لاشر، لتطوير الليزر. لقد أكملوا المهمة في أكتوبر وقاموا بتسليم ورقة تحدد عملهم يدويًا إلى رسائل الفيزياء التطبيقيةوالذي نشره في 4 أكتوبر 1962.
في مختبر لينكولن التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، نشر كويست وكييز وزميلهما روبرت ريديكر النتائج التي توصلوا إليها فيرسائل الفيزياء التطبيقية في 5 نوفمبر 1962.
لقد حدث كل ذلك بسرعة كبيرة لدرجة أن أ نيويورك تايمز وتعجب المقال من “الصدفة المذهلة”، مشيرًا إلى أن مسؤولي شركة IBM لم يعلموا بنجاح جنرال إلكتريك حتى أرسلت جنرال إلكتريك دعوات لحضور مؤتمر صحفي. وقال متحدث باسم معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ل مرات أن شركة جنرال إلكتريك قد حققت النجاح “بضعة أيام أو أسبوع” قبل فريقها.
وكانت كل من شركتي آي بي إم وجنرال إلكتريك قد تقدمتا بطلب للحصول على براءات اختراع أمريكية في أكتوبر/تشرين الأول، وتم منحهما في نهاية المطاف.
وقد تم الآن تكريم المرافق الثلاثة من قبل IEEE لعملها.
“ربما لم يكن لليزر أشباه الموصلات تأثير أكبر في أي مكان آخر من الاتصالات،” وفقًا لمدخل لـ ETHW، “حيث يقوم ليزر أشباه الموصلات في كل ثانية بتشفير مجموع المعرفة البشرية إلى ضوء، مما يتيح مشاركتها بشكل فوري تقريبًا عبر المحيطات و فضاء.”
استخدم ليزر أشباه الموصلات من شركة IBM Research صمامًا ثنائيًا زرنيخيد الغاليوم، والذي تم تصميمه على شكل تجويف بصري صغير ببنية ميسا محفورة.آي بي إم
وأشار جوداولكيس، الذي كان يتحدث في حفل مختبر لينكولن، إلى أن أشعة الليزر شبه الموصلة تُستخدم “في كل مرة تجري فيها مكالمة هاتفية” أو “فيديوهات القطط السخيفة على جوجل”.
وقال: «إذا نظرنا إلى العالم الأوسع، فستجد أن ليزر أشباه الموصلات هو في الحقيقة أحد الركائز الأساسية لعصر المعلومات».
واختتم حديثه باقتباس يلخص عام 1963 وقت مقالة في مجلة: «إذا اضطر العالم يوما ما إلى الاختيار بين آلاف البرامج التليفزيونية المختلفة، فإن بضعة صمامات ثنائية بأشعتها الضعيفة من الأشعة تحت الحمراء يمكن أن تحملها كلها مرة واحدة.»
وقال جوداولكيس إن ذلك كان بمثابة “نبذة ثاقبة لما أتاحته أشعة ليزر أشباه الموصلات”. “إنه لأمر مدهش ما فعلته هذه… ثلاث منظمات في شمال شرق الولايات المتحدة قبل 62 عامًا لتوفير كل هذه القدرة لنا الآن وفي المستقبل.”
يتم الآن عرض اللوحات التي تعترف بالتكنولوجيا في شركة جنرال إلكتريك، ومركز أبحاث واتسون، ومختبر لينكولن. قرأوا:
في خريف عام 1962، قامت منشآت شينيكتادي وسيراكوز التابعة لشركة جنرال إلكتريك، ومركز أبحاث توماس ج. واتسون التابع لشركة آي بي إم، ومختبر لينكولن التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بالإبلاغ بشكل مستقل عن العروض الأولى لليزر أشباه الموصلات. أصغر من حبة الأرز، ويتم تشغيله باستخدام الحقن الحالي المباشر، ومتوفر بأطوال موجية تمتد من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء، وأصبح ليزر أشباه الموصلات موجودًا في كل مكان في الاتصالات الحديثة، وتخزين البيانات، وأنظمة القياس الدقيقة.
قامت أقسام IEEE في بوسطن ونيويورك وشينيكتادي برعاية الترشيح.
يُدير برنامج Milestone، الذي يديره مركز تاريخ IEEE وبدعم من الجهات المانحة، التطورات التقنية المتميزة حول العالم.
