Etiqueta: Láser

El láser semiconductor, inventado hace más de 60 años, es la base de muchas de las tecnologías actuales, incluidos los lectores de códigos de barras, las comunicaciones por fibra óptica, las imágenes médicas y los controles remotos. El pequeño y versátil dispositivo es ahora un hito del IEEE. Las posibilidades de la tecnología láser habían encendido al mundo científico en 1960, cuando se demostró por primera vez el láser, descrito durante mucho tiempo en teoría. Tres centros de investigación de EE. UU., sin saberlo, comenzaron a competir entre sí para crear la primera versión de semiconductores de la tecnología. Los tres (General Electric, el Centro de Investigación Thomas J. Watson de IBM y el Laboratorio Lincoln del MIT) informaron de forma independiente sobre las primeras demostraciones de un láser semiconductor, todo en cuestión de días en 1962. El láser semiconductor fue dedicado como un hito del IEEE en tres ceremonias, con una placa que marca el logro instalada en cada instalación. El evento del Laboratorio Lincoln está disponible para ver a pedido. La invención del láser impulsa una carrera a tres bandas El concepto central del láser se remonta a 1917, cuando Albert Einstein teorizó sobre la «emisión estimulada». Los científicos ya sabían que los electrones podían absorber y emitir luz espontáneamente, pero Einstein postuló que los electrones podían ser manipulados para emitir en una longitud de onda particular. Los ingenieros tardaron décadas en convertir su teoría en realidad. A finales de la década de 1940, los físicos estaban trabajando para mejorar el diseño de un tubo de vacío utilizado por el ejército estadounidense en la Segunda Guerra Mundial para detectar aviones enemigos amplificando sus señales. Charles Townes, un investigador de Bell Labs en Murray Hill, Nueva Jersey, fue uno de ellos. Propuso crear un amplificador más potente que hiciera pasar un haz de ondas electromagnéticas a través de una cavidad que contenía moléculas de gas. El haz estimularía a los átomos del gas para que liberaran su energía exactamente al ritmo de las ondas del haz, creando energía que le permitiera salir de la cavidad como un haz mucho más potente. En 1954, Townes, entonces profesor de física en Columbia, creó el dispositivo, al que llamó «máser» (abreviatura de amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación). Sería un precursor importante del láser. Muchos teóricos le habían dicho a Townes que su dispositivo no podía funcionar, según un artículo publicado por la American Physical Society. Una vez que funcionó, dice el artículo, otros investigadores lo replicaron rápidamente y comenzaron a inventar variaciones. Townes y otros ingenieros pensaron que al aprovechar la energía de mayor frecuencia, podrían crear una versión óptica del máser que generaría rayos de luz. Un dispositivo de este tipo podría generar rayos potencialmente más potentes que los que eran posibles con las microondas, pero también podría crear rayos de longitudes de onda variadas, desde el infrarrojo hasta el visible. En 1958 Townes publicó un esquema teórico del «láser». «Es asombroso lo que estas … tres organizaciones en el noreste de los Estados Unidos hicieron hace 62 años para proporcionarnos toda esta capacidad ahora y en el futuro». Varios equipos trabajaron para fabricar un dispositivo de este tipo, y en mayo de 1960 Theodore Maiman, un investigador del Laboratorio de Investigación Hughes, en Malibú, California, construyó el primer láser funcional. El artículo de Maiman, publicado en Nature tres meses después, describía la invención como una lámpara de alta potencia que proyectaba luz sobre una varilla de rubí colocada entre dos superficies plateadas que parecían espejos. La cavidad óptica creada por las superficies hacía oscilar la luz producida por la fluorescencia del rubí, logrando la emisión estimulada de Einstein. El láser básico era ahora una realidad. Los ingenieros rápidamente comenzaron a crear variaciones. Muchos estaban quizás más entusiasmados por el potencial de un láser semiconductor. El material semiconductor puede manipularse para conducir electricidad en las condiciones adecuadas. Por su naturaleza, un láser hecho de material semiconductor podría incluir todos los elementos necesarios de un láser (una fuente de generación y amplificación de luz, lentes y espejos) en un dispositivo a escala micrométrica. «Estos atributos deseables atrajeron la imaginación de científicos e ingenieros» de todas las disciplinas, según la Wiki de Historia de la Ingeniería y la Tecnología. Un par de investigadores descubrieron en 1962 que un material existente era un gran semiconductor láser: el arseniuro de galio. El arseniuro de galio era ideal para un láser semiconductor El 9 de julio de 1962, los investigadores del Laboratorio Lincoln del MIT Robert Keyes y Theodore Quist dijeron a la audiencia en la Conferencia de Investigación de Dispositivos de Estado Sólido que estaban desarrollando un láser semiconductor experimental, dijo el miembro del IEEE Paul W. Juodawlkis durante su discurso en la ceremonia de inauguración del hito del IEEE en el MIT. Juodawlkis es director del grupo de información cuántica y nanosistemas integrados del Laboratorio Lincoln del MIT. El láser aún no emitía un haz coherente, pero el trabajo avanzaba rápidamente, dijo Keyes. Y entonces Keyes y Quist sorprendieron a la audiencia: dijeron que podían demostrar que casi el 100 por ciento de la energía eléctrica inyectada en un semiconductor de arseniuro de galio podía convertirse en luz. El Laboratorio Lincoln del MIT [from left] Robert Keyes, Theodore M. Quist y Robert Rediker prueban su láser en un televisor. Laboratorio Lincoln del MIT Nadie había hecho tal afirmación antes. El público estaba incrédulo, y en voz alta. “Cuando Bob [Keyes] «Cuando terminó su charla, uno de los miembros de la audiencia se puso de pie y dijo: ‘Uh, eso viola la segunda ley de la termodinámica'», dijo Juodawlkis. El público estalló en risas. Pero el físico Robert N. Hall, un experto en semiconductores que trabaja en el laboratorio de investigación de GE en Schenectady, Nueva York, los silenció. «Bob Hall se puso de pie y explicó por qué no violaba la segunda ley», dijo Juodawlkis. «Generó un verdadero revuelo». Varios equipos compitieron para desarrollar un láser semiconductor funcional. El margen de victoria finalmente se redujo a unos pocos días. Una ‘coincidencia sorprendente’ Un láser semiconductor está hecho con un pequeño cristal semiconductor que está suspendido dentro de un recipiente de vidrio lleno de nitrógeno líquido, que ayuda a mantener el dispositivo frío. Centro de Investigación y Desarrollo de General Electric/Archivos visuales Emilio Segrè de AIPHall regresó a GE, inspirado por el discurso de Keyes y Quist, seguro de que podría liderar un equipo para construir un láser de arseniuro de galio eficiente y efectivo. Ya había pasado años trabajando con semiconductores e inventó lo que se conoce como rectificador de diodo «pin». Usando un cristal hecho de geranio purificado, un material semiconductor, el rectificador podía convertir CA en CC, un desarrollo crucial para los semiconductores de estado sólido utilizados en la transmisión eléctrica. Esa experiencia ayudó a acelerar el desarrollo de los láseres semiconductores. Hall y su equipo utilizaron una configuración similar al rectificador «pin». Construyeron un láser de diodo que generaba luz coherente a partir de un cristal de arseniuro de galio de un tercio de milímetro de tamaño, intercalado en una cavidad entre dos espejos para que la luz rebotara de un lado a otro repetidamente. La noticia de la invención salió en la revista Physical Review Letters del 1 de noviembre de 1962. Mientras Hall y su equipo trabajaban, también lo hacían los investigadores del Watson Research Center, en Yorktown Heights, Nueva York. En febrero de 1962, Marshall I. Nathan, un investigador de IBM que anteriormente había trabajado con arseniuro de galio, recibió un mandato del director de su departamento, según ETHW: crear el primer láser de arseniuro de galio. Nathan dirigió un equipo de investigadores, entre ellos William P. Dumke, Gerald Burns, Frederick H. Dill y Gordon Lasher, para desarrollar el láser. Completaron la tarea en octubre y entregaron personalmente un documento que describía su trabajo en Applied Physics Letters, que lo publicó el 4 de octubre de 1962. En el Laboratorio Lincoln del MIT, Quist, Keyes y su colega Robert Rediker publicaron sus hallazgos en Applied Physics Letters el 5 de noviembre de 1962. Todo había sucedido tan rápido que un artículo del New York Times se maravilló de la «sorprendente coincidencia», señalando que los funcionarios de IBM no sabían del éxito de GE hasta que GE envió invitaciones a una conferencia de prensa. Un portavoz del MIT dijo al Times que GE había logrado el éxito «un par de días o una semana» antes que su propio equipo. Tanto IBM como GE habían solicitado patentes estadounidenses en octubre, y ambas fueron finalmente concedidas. Las tres instalaciones han sido ahora honradas por el IEEE por su trabajo. «Tal vez en ningún otro lugar el láser semiconductor ha tenido mayor impacto que en las comunicaciones», según una entrada de ETHW, «donde cada segundo, un láser semiconductor codifica silenciosamente la suma del conocimiento humano en luz, lo que permite compartirlo casi instantáneamente a través de los océanos y el espacio». El láser semiconductor de IBM Research utilizó un diodo pn de arseniuro de galio, que fue modelado en una pequeña cavidad óptica con una estructura de mesa grabada. IBMJoodawlkis, hablando en la ceremonia del Laboratorio Lincoln, señaló que los láseres semiconductores se utilizan «cada vez que haces una llamada de teléfono móvil» o «buscas videos tontos de gatos en Google». «Si miramos al mundo más amplio», dijo, «los láseres semiconductores son realmente uno de los pedestales fundadores de la era de la información». Concluyó su discurso con una cita que resume unaArtículo de la revista Time de 1963: “Si alguna vez el mundo se ve afligido con la elección entre miles de programas de televisión diferentes, unos pocos diodos con sus débiles rayos de luz infrarroja podrían transmitirlos todos a la vez”. Ese fue un “premonitorio de lo que han hecho posible los láseres semiconductores”, dijo Juodawlkis. “Es asombroso lo que estas… tres organizaciones del noreste de los Estados Unidos hicieron hace 62 años para proporcionarnos toda esta capacidad ahora y en el futuro”. Las placas que reconocen la tecnología ahora se exhiben en GE, el Centro de Investigación Watson y el Laboratorio Lincoln. Dicen: En el otoño de 1962, las instalaciones de Schenectady y Syracuse de General Electric, el Centro de Investigación Thomas J. Watson de IBM y el Laboratorio Lincoln del MIT informaron cada uno de forma independiente sobre las primeras demostraciones del láser semiconductor. Más pequeño que un grano de arroz, alimentado mediante inyección de corriente continua y disponible en longitudes de onda que abarcan desde el ultravioleta hasta el infrarrojo, el láser semiconductor se volvió omnipresente en las comunicaciones modernas, el almacenamiento de datos y los sistemas de medición de precisión. Las secciones del IEEE de Boston, Nueva York y Schenectady patrocinaron la nominación. Administrado por el Centro de Historia del IEEE y apoyado por donantes, el programa Milestone reconoce desarrollos técnicos sobresalientes en todo el mundo.