Inventados hace más de 60 años, los láseres de semiconductores son la base de muchas de las tecnologías actuales, incluidos escáneres de códigos de barras, comunicaciones de fibra óptica, imágenes médicas y control remoto.
Las posibilidades de la tecnología láser sorprendieron a la comunidad científica en 1960 cuando el láser teórico a largo plazo se demostró por primera vez. Tres centros de investigación estadounidenses comenzaron una carrera para desarrollar la primera versión semiconductora de la tecnología sin saberla. Las tres compañías Generales Generales Electric, el Centro de Investigación Thomas J. Watson de IBM y el Laboratorio Lincoln del MIT informaron la primera demostración de un láser semiconductor en unos pocos días en 1962.
El láser semiconductor se designó un hito IEEE en tres ceremonias, con una placa conmemorativa instalada para cada dispositivo.
La invención del láser provocó una carrera de tres vías
El concepto central del láser se remonta a 1917, cuando Albert Einstein propuso la teoría de la "emisión estimulada". Los científicos ya sabían que los electrones podían absorber y emitir la luz espontáneamente, pero Einstein pensó que podrían ser manipulados para emitir a longitudes de onda específicas. Llevó a los ingenieros décadas convertir su teoría en realidad.
A fines de la década de 1940, los físicos estaban trabajando para mejorar el diseño de tubos de vacío utilizados por el ejército estadounidense en la Segunda Guerra Mundial para detectar aviones enemigos amplificando las señales. Uno de ellos fue Charles Townes, investigador de Bell Labs en Murray Hill, Nueva Jersey. Propuso construir un amplificador más potente al pasar un haz de ondas electromagnéticas a través de una cavidad que contiene moléculas de gas. La onda estimularía los átomos en el gas para liberar energía exactamente a la misma velocidad que la onda, generando energía que haría que dejara la cavidad como un haz más poderoso.
En 1954, Townes, entonces profesor de física en la Universidad de Columbia, inventó un dispositivo que llamó "Maser" (abreviatura de amplificación de la emisión estimulada de radiación). Resultó ser un precursor importante para el láser.
Muchos teóricos dijeron a Townes que su dispositivo nunca funcionaría, según un artículo publicado por la American Physical Society. Una vez que funcionó, otros investigadores lo copiaron rápidamente y comenzaron a inventar variaciones, según el artículo.
Townes y otros ingenieros pensaron que podrían crear una versión óptica de un maser que podría producir un haz de luz aprovechando la energía de alta frecuencia. Tal dispositivo puede producir un haz más potente que las microondas, pero también produciría haces de luz en una variedad de longitudes de onda, desde la luz infrarroja hasta la luz visible. En 1958, Townes publicó una descripción teórica del "láser".
"Es sorprendente que estas tres organizaciones en el noreste de los Estados Unidos hace 62 años nos proporcionaran todas estas capacidades ahora y en el futuro".
Varios equipos trabajaron juntos para construir el dispositivo, y en mayo de 1960, Theodore Maiman, investigador del Laboratorio de Investigación de Hughes en Malibú, California, construyó el primer láser que trabaja. Tres meses después, Maiman publicó un artículo en la revista Nature que describe la invención, una lámpara de alta potencia que brillaba en una barra de rubí colocada entre dos superficies plateadas tipo espejo. La luz producida por la fluorescencia de rubí oscilante en la cavidad óptica formada por la superficie se da cuenta de la emisión estimulada de Einstein.
Los láseres básicos ahora eran una realidad. Los ingenieros comenzaron rápidamente a diseñar varios modelos.
Muchos probablemente estaban más entusiasmados con el potencial de los láseres de semiconductores. Los materiales semiconductores se pueden manipular para llevar a cabo electricidad en las condiciones correctas. Esencialmente, los láseres hechos de materiales de semiconductores podrían adaptarse a todos los componentes necesarios para fuentes de luz láser y amplificadores, lentes y espejos en dispositivos del tamaño de un micrómetro.
"Estas propiedades deseables capturaron la imaginación de científicos e ingenieros en todas las disciplinas", según Wikipedia, la historia de la ingeniería y la tecnología.
En 1962, un par de investigadores descubrieron que un material existente era un excelente semiconductor láser: Gallium Arsenide.
Gallium Arsenide es un material ideal para láseres de semiconductores
El 9 de julio de 1962, los investigadores de laboratorio del MIT Lincoln Robert Keyes y Theodore Quist anunciaron ante una audiencia en la Conferencia de Investigación de Dispositivos de Estado Sólido que estaban desarrollando un láser experimental de semiconductores, dijo el compañero de IEEE Paul W. Juodawlkis durante un discurso en el Milestone IEEE. Ceremonia de inauguración en el MIT. Juodawlkis fue Director del Grupo de Información cuántica y Nanosystems Integrado en el Laboratorio MIT Lincoln.
Los láseres en ese momento aún no podían emitir un rayo coherente, pero el trabajo progresaba rápidamente, dijo Juodawlkis. Juodawlkis y Quist sorprendieron a la audiencia: podrían demostrar, dijeron, que casi el 100 por ciento de la energía eléctrica inyectada en un semiconductor de arsenida de Gallium podría convertirse en luz.
Nadie había hecho tal reclamo antes. El público estaba incrédulo y su incredulidad fue compartida.
"Al final de la charla de Juodawlkis, un miembro de la audiencia se puso de pie y dijo: 'Bueno, esto viola la segunda ley de la termodinámica'", dijo Juodawlkis.
La audiencia estalló en risa. Pero el físico Robert N. Hall, experto en semiconductores en General Electric Research Laboratories en Schenectady, Nueva York, los silenció.
"Bob Hall salió y explicó por qué no violó la segunda ley", dijo Juodawlkis. "Esa fue una sensación".
Múltiples equipos corrieron para desarrollar un láser de semiconductores que funcionen, y el ganador llegó en unos días.
Los láseres de semiconductores están hechos de pequeños cristales de semiconductores suspendidos en un recipiente de vidrio lleno de nitrógeno líquido, lo que ayuda a mantener el dispositivo fresco.
Hall regresó a GE y, inspirado en las presentaciones de Juodawlkis y Quist, se convenció de que podría llevar a un equipo a crear un láser eficiente y efectivo de Gallium Arsenide. Ya había pasado años trabajando con semiconductores, inventando el llamado rectificador de diodos "PIN".
El rectificador, que usó cristales hechos de germanio puro, un material semiconductor, podría convertir la corriente alterna en el desarrollo clave de la corriente continua en semiconductores de estado sólido para la transmisión de potencia.
Esta experiencia aceleró el desarrollo de láseres de semiconductores. Hall y su equipo usaron un dispositivo similar al rectificador "PIN". Construyeron un láser de diodo que producía una luz coherente a partir de un cristal de arseniuro de galio un tercio de un milímetro de tamaño, intercalada en una cavidad entre dos espejos para que la luz rebotara de un lado a otro repetidamente. News of the Invention se publicó en la edición del 1 de noviembre de 1962 de Physical Review Letters.
Mientras Hall y su equipo trabajaban, también lo hicieron los investigadores en el Centro de Investigación Watson en Yorktown Heights, Nueva York. Según Ethw, en febrero de 1962, Marshall I. Nathan, un investigador de IBM que anteriormente había trabajado en Gallium Arsenide, recibió una tarea del jefe de su departamento: para construir el primer láser de Arsenide de Gallium.
Nathan dirigió un equipo de investigadores que incluía a William P. Dumke, Gerald Burns, Frederick H. Diehl y Gordon Rascher en el desarrollo del láser. Completaron la tarea en octubre y entregaron un artículo que describe su trabajo a las cartas de física aplicada, que la publicó el 4 de octubre de 1962.
En el Laboratorio Lincoln del MIT, Quist, Juodawlkis, y su colega Robert Reddick informaron los resultados en la edición del 5 de noviembre de 1962 de las cartas de física aplicada.
Todo sucedió tan rápido que un artículo del New York Times se maravilló de la "asombrosa coincidencia", señalando que los funcionarios de IBM no sabían sobre el éxito de GE hasta que GE envió una invitación a una conferencia de prensa.
Las tres organizaciones ahora han sido honradas por el IEEE por su trabajo. "Quizás los láseres de semiconductores han tenido su mayor impacto en el campo de las comunicaciones", escribió un artículo de ETHW. "Cada segundo, los láseres de semiconductores codifican silenciosamente la suma del conocimiento humano a la luz, lo que permite que se comparta casi instantáneamente en los océanos y el espacio".
Un portavoz del MIT le dijo a The Times que GE había logrado su éxito "unos días o una semana" antes de su propio equipo. Tanto IBM como GE solicitaron patentes estadounidenses en octubre, y ambas finalmente fueron otorgadas.
En la ceremonia de laboratorio de Lincoln, Gioudarkis señaló que cada vez que "hace una llamada telefónica" o "videos de gato de google tonto", está utilizando un láser de semiconductores.
"Si observamos el mundo más amplio", dijo, "el láser de semiconductores es realmente uno de los pilares de la era de la información".
Terminó su discurso con una cita de un artículo de la revista Time de 1963: "Si el mundo tuviera que elegir entre miles de programas de televisión diferentes, solo unos pocos diodos con sus pequeñas vigas infrarrojas podrían seleccionarlos todos simultáneamente".
Era "la presciencia de los láseres de semiconductores", dijo Gioudarkis. "Es sorprendente lo que hicieron estas tres organizaciones en el noreste hace 62 años para darnos todas estas capacidades ahora y en el futuro".
General Electric, el Centro de Investigación de Watson y el Laboratorio Lincoln ahora muestran placas en honor a la tecnología. Leen:
En el otoño de 1962, las primeras manifestaciones de láseres semiconductores fueron reportadas por las plantas de Schenectady y Syracuse de General Electric, el Laboratorio Lincoln de Thomas J. Watson de IBM y el Laboratorio Lincoln del MIT, respectivamente. Más pequeño que un grano de arroz, alimentado por la inyección de corriente continua, y con longitudes de onda que van desde ultravioleta hasta láseres de semiconductores infrarrojos son ubicuos en las comunicaciones modernas, el almacenamiento de datos y los sistemas de medición de precisión.
