История полупроводникового лазера

В конце 50-х — начале 60-х годов XX века между физиками всего мира развернулась настоящая гонка лазерных технологий. Изобретателей по обе стороны железного занавеса подстегивали и научный интерес, и гонка вооружений.

Принцип работы был сформулирован задолго до того, как появился первый настоящий лазер. Начало теории положил Альберт Эйнштейн, сформулировав в 1913 году гипотезу о том, как внутри звезд получается излучение. Явление, которое в гипотезе Эйнштейна отвечало за этот процесс, получило название «вынужденное», или индуцированное, излучение. Оно состоит из фотонов, которые испускают возбужденные атомы, возвращаясь обратно в стабильное состояние после возбуждения вынуждающими фотонами. Великий ученый утверждал, что вынуждающий и вынужденные фотоны всегда когерентны. Он не знал, что это знание положит начало лазерной революции.

Когерентность волн, поглощаемых и излучаемых, — принципиально важное для лазерной техники свойство. Оно означает совпадение направления, длины, фазы и поляризации обеих волн. Именно благодаря когерентности луч лазера не рассеивается.



Для того чтобы создать такое устройство, не хватало только положительной обратной связи.

На несколько десятилетий после Эйнштейна о вынужденном излучении как будто бы забыли, зато в начале 50-х годов прошлого столетия оно внезапно всех заинтересовало. Сначала родилась идея резонатора — усилителя вынужденного излучения. За разработку прибора для усиления вынужденного микроволнового излучения на пучке молекул аммиака получили Нобелевскую премию по физике двое советских ученых, Александр Прохоров и Николай Басов, и их американский коллега — Чарльз Таунс. После этого началась бешеная гонка открытий: о лазере, способном генерировать мощное излучение, мечтали сотни ученых. К тому времени стало понятно, что лазер должен состоять из рабочей среды (вещества, которое дает вынужденное излучение), источника энергии (устройства накачки) и резонатора, который усиливает вынужденное излучение.

Для того чтобы создать такое устройство, не хватало только положительной обратной связи. Волны оптического диапазона очень короткие (их длина измеряется в долях микрона), казалось невероятным построить резонатор таких же масштабов. Только в 1956 году американский ученый Роберт Дике понял, что совершенно необязательно конструировать микроскопический резонатор — он может быть и большим. Через год на полях в записной книжке физика Гордона Гулда впервые появилось слово «лазер».

Если Энштейна считают отцом лазерной теории, то отец лазерной техники — это Теодор Мейман, создатель первого твердотельного лазера. В качестве активной среды для первого лазера использовали рубиновый цилиндр. В качестве резонатора выступило серебряное напыление, которое Мейман нанес прямо на поверхность рубина. Весной 1960 года лазер Меймана дал первый в мире лазерный луч.



А в 1962 году в лаборатории General Electric в Скенектади физик Роберт Холл первым создал полупроводниковый лазер. Почти одновременно с этой задачей справились исследователи из MIT, компании IBM и уже знакомый нам Николай Басов в СССР, но научное сообщество признало первенство Холла. Лазер Холла работал на основе арсенида галлия (GaAs). Вынужденное излучение в нем создавалось не за счет перехода электрона в атомах на более высокие энергетические уровни и обратно, а благодаря особым свойствам полупроводниковых материалов. В полупроводниках электроны могут перемещаться между разрешенными энергетическими зонами или подзонами кристалла, выделяя и поглощая при этом фотоны.

Чтобы собрать полупроводниковый лазер, Холлу потребовалось не только знание физики, но и умение работать руками. В детстве он увлекался шлифовкой линз и даже сам построил телескоп, поэтому ручная работа с оптикой была для него не в новинку. В его руках кристалл арсенида галлия пробрел нужные формы: строго параллельные грани полупроводника обеспечили переход электронов между зоной проводимости и валентной зоной. Оставалось дать электронам первый импульс к движению — начать накачку. Холл пропустил через кристалл сильный электрический ток, при этом охлаждая материал, чтобы тот не расплавился. В сентябре 1962 года Холл получил первый лазерный диод, а статья о нем вышла в журнале Physical Review Letters.

Твердотельный лазер Меймана был великим изобретением, но его значение заключалось в первую очередь в proof of concept — доказательстве возможности реализации идеи. Лазерный диод Холла положил начало бурному росту лазерных технологий. Без них невозможны были бы хранение данных на оптических носителях и передача информации по оптоволоконным сетям. Диоды вошли в наши дома оптоволоконными кабелями телекоммуникационных сетей, CD-, DVD- и Blu-ray-дисками и проигрывателями.
[link]