半導體(ti) 激光器發明於(yu) 60 多年前，是當今許多技術的基礎，包括條形碼掃描儀(yi) 、光纖通信、醫學成像和遠程控製。
1960 年，激光技術的可能性讓科學界為(wei) 之震驚，當時長期處於(yu) 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始競相開發該技術的第一個(ge) 半導體(ti) 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院林肯實驗室——在 1962 年短短幾天內(nei) 分別報告了半導體(ti) 激光的首次演示。半導體(ti) 激光器在三次儀(yi) 式上被指定為(wei) IEEE 裏程碑，每台設備都安裝了一塊紀念牌匾。激光的核心概念可以追溯到 1917 年，當時阿爾伯特·愛因斯坦提出了「受激發射」理論。科學家已經知道電子可以自發吸收和發射光，但愛因斯坦認為(wei) 可以操縱電子以特定波長發射。工程師們(men) 花了幾十年的時間才將他的理論變成現實。
20 世紀 40 年代末，物理學家們致力於改進美國軍方在二戰中使用的真空管設計，該真空管通過放大信號來探測敵機。新澤西州默裏山貝爾實驗室的研究員查爾斯·湯斯就是其中之一。他提議製造一個更強大的放大器，讓一束電磁波穿過一個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，產生的能量使其以更強大的光束形式離開腔體。
1954 年，時任哥倫(lun) 比亞(ya) 大學物理學教授的湯斯發明了一種裝置，他稱之為(wei) 「微波激射器」（微波激射是受激輻射放大的縮寫(xie) ）。事實證明，它是激光的重要先驅。據美國物理學會(hui) 發表的一篇文章稱，許多理論家都告訴湯斯，他的裝置不可能成功。文章稱，一旦它成功，其他研究人員就會(hui) 迅速複製它，並開始發明各種變體(ti) 。湯斯和其他工程師認為(wei) ，通過利用高頻能量，他們(men) 可以製造出一種能產(chan) 生光束的光學版微波激射器。這種裝置可能產(chan) 生比微波更強大的光束，但它也能產(chan) 生各種波長的光束，從(cong) 紅外線到可見光。1958 年，湯斯發表了「激光」的理論概述。「令人驚奇的是，62 年前美國東(dong) 北部的這三個(ge) 組織為(wei) 我們(men) 現在和將來提供了所有這些能力。」幾個(ge) 團隊合作製造了這種裝置，1960 年 5 月，加利福尼亞(ya) 州馬裏布休斯研究實驗室的研究員西奧多·梅曼製造出了第一台可以工作的激光器。三個(ge) 月後，梅曼在《自然》雜誌上發表了一篇論文，文中描述了這項發明，它是一種高功率燈，可將光線照射到放置在兩(liang) 個(ge) 鏡麵般的鍍銀表麵之間的紅寶石棒上。由表麵形成的光學腔振蕩紅寶石熒光產(chan) 生的光，實現了愛因斯坦的受激發射。基本型激光器現已成為(wei) 現實。工程師們(men) 迅速開始設計各種型號。許多人可能對半導體(ti) 激光器的潛力最為(wei) 興(xing) 奮。半導體(ti) 材料可以在適當的條件下進行操控以導電。從(cong) 本質上講，由半導體(ti) 材料製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。據工程和技術史維基百科介紹，「這些理想的屬性吸引了跨學科科學家和工程師的想象力」。1962 年，一對研究人員發現一種現有材料是一種優(you) 秀的激光半導體(ti) ：砷化镓。
砷化镓是半導體激光器的理想材料
1962 年 7 月 9 日，麻省理工學院林肯實驗室的研究人員 Robert Keyes 和 Theodore Quist 在固態器件研究會(hui) 議的觀眾(zhong) 麵前宣布，他們(men) 正在開發一種實驗性半導體(ti) 激光器，IEEE 院士 Paul W. Juodawlkis 在麻省理工學院舉(ju) 行的 IEEE 裏程碑揭幕儀(yi) 式上發表演講時說道。Juodawlkis 是麻省理工學院林肯實驗室量子信息與(yu) 集成納米係統小組的主任。Juodawlkis 說，當時的激光器還不能發射出相幹光束，但這項工作進展很快。Juodawlkis 和奎斯特隨後震驚了觀眾(zhong) ：他們(men) 說，他們(men) 可以證明，注入砷化镓半導體(ti) 的電能幾乎 100% 可以轉化為(wei) 光。麻省理工學院林肯實驗室的 Robert Keyes（左起）、Theodore M. Quist 和 Robert Rediker 在電視機上測試他們(men) 的激光。之前從(cong) 未有人提出過這樣的主張。觀眾(zhong) 們(men) 都難以置信，而且紛紛表示難以置信。「當 Juodawlkis 演講結束時，一位觀眾(zhong) 站起來說，『呃，這違反了熱力學第二定律，』」朱奧達爾基斯說。觀眾(zhong) 爆發出笑聲。但物理學家羅伯特·N·霍爾（Robert N. Hall）——紐約州斯克內(nei) 克塔迪通用電氣研究實驗室的半導體(ti) 專(zhuan) 家——讓他們(men) 安靜了下來。「鮑勃·霍爾站出來解釋了為(wei) 什麽(me) 它不違反第二定律，」朱奧達爾基斯說。「這引起了轟動。」多個(ge) 團隊競相開發出可以運行的半導體(ti) 激光器，最終勝負隻差幾天。
「驚人的巧合」
半導體(ti) 激光器由微小的半導體(ti) 晶體(ti) 製成，該晶體(ti) 懸浮在充滿液氮的玻璃容器內(nei) ，這有助於(yu) 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，確信他可以帶領一個(ge) 團隊製造出高效、有效的砷化镓激光器。他已經花了數年時間研究半導體(ti) ，發明了所謂的「pin」二極管整流器。該整流器使用由半導體(ti) 材料純淨的鍺製成的晶體(ti) ，可以將交流電轉換為(wei) 直流電——這是用於(yu) 電力傳(chuan) 輸的固態半導體(ti) 的一個(ge) 關(guan) 鍵發展。這一經驗加速了半導體(ti) 激光器的發展。霍爾和他的團隊使用了與(yu) 「pin」整流器類似的裝置。他們(men) 製造了一種二極管激光器，它從(cong) 三分之一毫米大小的砷化镓晶體(ti) 中產(chan) 生相幹光，該晶體(ti) 夾在兩(liang) 個(ge) 鏡子之間的腔體(ti) 中，因此光會(hui) 反複來回反射。這項發明的消息發表在 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，位於(yu) 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 的說法，1962 年 2 月，之前從(cong) 事砷化镓研究的 IBM 研究員馬歇爾·I·內(nei) 森（Marshall I. Nathan）從(cong) 其部門主管那裏得到了一項任務：製造第一台砷化镓激光器。內(nei) 森帶領一支研究小組，其中包括威廉·P·杜姆克、傑拉爾德·伯恩斯、弗雷德裏克·H·迪爾和戈登·拉舍爾，共同開發了這種激光器。他們(men) 在 10 月完成了這項任務，並親(qin) 手將一份概述其工作的論文交給了《應用物理快報》，該報於(yu) 1962 年 10 月 4 日發表了該論文。在麻省理工學院林肯實驗室，奎斯特、Juodawlkis 和他們(men) 的同事羅伯特·雷迪克在 1962 年 11 月 5 日的《應用物理快報》。這一切發生得太快了，以至於(yu) 《紐約時報》的一篇文章對這一「驚人的巧合」表示驚歎，並指出 IBM 的官員直到 GE 發出新聞發布會(hui) 邀請後才知道 GE 的成功。麻省理工學院的一位發言人告訴《紐約時報》，GE 比自己的團隊「早了幾天或一周」就取得了成功。IBM 和 GE 均於(yu) 10 月份申請了美國專(zhuan) 利，並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(ti) 激光器在通信領域的影響力最大」，ETHW 的一篇文章寫(xie) 道，「每一秒，半導體(ti) 激光器都會(hui) 悄悄地將人類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行共享。」IBM Research 的半導體(ti) 激光器采用砷化镓 pn 二極管，該二極管采用蝕刻台麵結構製成小型光學腔。朱奧達爾基斯在林肯實驗室的儀(yi) 式上指出，每次你「打電話」或「用穀歌搜索傻貓視頻」時都會(hui) 用到半導體(ti) 激光器。「如果我們(men) 放眼更廣闊的世界，」他說，「半導體(ti) 激光器確實是信息時代的基石之一。」他在演講結束時引用了 1963 年《時代》雜誌的一篇文章：「如果全世界要在數千個(ge) 不同的電視節目之間做出選擇，那麽(me) 隻需幾個(ge) 二極管用其微弱的紅外光束就可以同時選擇所有節目。」朱奧達爾基斯說，這是「半導體(ti) 激光器的先見之明」。「62 年前，美國東(dong) 北部的這三個(ge) 組織所做的一切，為(wei) 我們(men) 現在和未來提供了所有這些能力，真是令人驚歎。」目前，通用電氣公司、沃森研究中心和林肯實驗室都展示了表彰該技術的紀念牌匾。上麵寫(xie) 著：1962 年秋，通用電氣的斯克內(nei) 克塔迪和錫拉丘茲(zi) 工廠、IBM 托馬斯·沃森研究中心和麻省理工學院林肯實驗室分別報告了半導體(ti) 激光器的首次演示。半導體(ti) 激光器比米粒還小，采用直流注入供電，波長範圍從(cong) 紫外線到紅外線，在現代通信、數據存儲(chu) 和精密測量係統中無處不在。
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