Wedi'i ddyfeisio fwy na 60 mlynedd yn ôl, mae laserau lled-ddargludyddion yn sylfaen i lawer o dechnolegau heddiw, gan gynnwys sganwyr cod bar, cyfathrebiadau ffibr-optig, delweddu meddygol, a rheoli o bell.
Fe wnaeth posibiliadau technoleg laser syfrdanu'r gymuned wyddonol ym 1960 pan ddangoswyd y laser hir-ddamcaniaethol am y tro cyntaf. Dechreuodd tair canolfan ymchwil yn yr UD ras i ddatblygu fersiwn lled -ddargludyddion cyntaf y dechnoleg heb ei wybod. Adroddodd y tri chwmni-gyffredinol Electric, Canolfan Ymchwil Thomas J. Watson IBM, a Lincoln Laboratory-Each o MIT yr arddangosiad cyntaf o laser lled-ddargludyddion o fewn ychydig ddyddiau i'w gilydd ym 1962.
Dynodwyd y laser lled -ddargludyddion yn garreg filltir IEEE mewn tair seremonïau, gyda phlac coffa wedi'i osod ar gyfer pob dyfais.
Sbardunodd dyfeisio'r laser ras dair ffordd
Mae cysyniad craidd y laser yn dyddio'n ôl i 1917, pan gynigiodd Albert Einstein theori "allyriadau ysgogedig." Roedd gwyddonwyr eisoes yn gwybod y gallai electronau amsugno ac allyrru golau yn ddigymell, ond roedd Einstein o'r farn y gallent gael eu trin i allyrru ar donfeddi penodol. Cymerodd ddegawdau i beirianwyr droi ei theori yn realiti.
Ar ddiwedd y 1940au, roedd ffisegwyr yn gweithio i wella dyluniad tiwbiau gwactod a ddefnyddiwyd gan fyddin yr Unol Daleithiau yn yr Ail Ryfel Byd i ganfod awyrennau'r gelyn trwy ymhelaethu ar signalau. Un ohonyn nhw oedd Charles Townes, ymchwilydd yn Bell Labs yn Murray Hill, New Jersey. Cynigiodd adeiladu mwyhadur mwy pwerus trwy basio trawst o donnau electromagnetig trwy geudod sy'n cynnwys moleciwlau nwy. Byddai'r don yn ysgogi atomau yn y nwy i ryddhau egni ar yr un cyflymder yn union â'r don, gan gynhyrchu egni a fyddai'n achosi iddi adael y ceudod fel trawst mwy pwerus.
Ym 1954, dyfeisiodd Townes, athro ffiseg ym Mhrifysgol Columbia ar y pryd, ddyfais a alwodd yn "maser" (yn fyr ar gyfer ymhelaethu ar allyriad ymbelydredd wedi'i ysgogi). Roedd yn rhagflaenydd pwysig i'r laser.
Dywedodd llawer o ddamcaniaethwyr wrth Townes na fyddai ei ddyfais byth yn gweithio, yn ôl erthygl a gyhoeddwyd gan Gymdeithas Gorfforol America. Unwaith iddo weithio, fe wnaeth ymchwilwyr eraill ei gopïo’n gyflym a dechrau dyfeisio amrywiadau, meddai’r erthygl.
Roedd Townes a pheirianwyr eraill o'r farn y gallent greu fersiwn optegol o maser a allai gynhyrchu pelydr o olau trwy harneisio egni amledd uchel. Gallai dyfais o'r fath gynhyrchu trawst sy'n fwy pwerus na microdonnau, ond byddai hefyd yn cynhyrchu trawstiau o olau ar amrywiaeth o donfeddi, o is -goch i olau gweladwy. Ym 1958, cyhoeddodd Townes drosolwg damcaniaethol o'r "laser."
"Mae'n anhygoel bod y tri sefydliad hyn yng ngogledd -ddwyrain yr Unol Daleithiau 62 mlynedd yn ôl wedi darparu’r holl alluoedd hyn i ni nawr ac yn y dyfodol."
Gweithiodd sawl tîm gyda'i gilydd i adeiladu'r ddyfais, ac ym mis Mai 1960, adeiladodd Theodore Maiman, ymchwilydd yn Labordy Ymchwil Hughes ym Malibu, California, y laser cyntaf sy'n gweithio. Dri mis yn ddiweddarach, cyhoeddodd Maiman bapur yn y cyfnodolyn Nature yn disgrifio'r ddyfais, lamp pŵer uchel a ddisgleiriodd olau ar wialen ruby wedi'i gosod rhwng dau arwyneb arian tebyg i ddrych. Mae'r golau a gynhyrchir gan y fflwroleuedd ruby oscillaidd yn y ceudod optegol a ffurfiwyd gan yr wyneb yn gwireddu allyriad ysgogol Einstein.
Roedd laserau sylfaenol bellach yn realiti. Yn fuan iawn dechreuodd peirianwyr ddylunio modelau amrywiol.
Mae'n debyg bod llawer yn gyffrous iawn am botensial laserau lled -ddargludyddion. Gellir trin deunyddiau lled -ddargludyddion i gynnal trydan o dan yr amodau cywir. Yn y bôn, gallai laserau wedi'u gwneud o ddeunyddiau lled-ddargludyddion gyd-fynd â'r holl gydrannau sydd eu hangen ar gyfer ffynonellau golau laser a chwyddseinyddion, lensys a dyfeisiau maint micromedr drychau.
"Fe wnaeth yr eiddo dymunol hyn ddal dychymyg gwyddonwyr a pheirianwyr ar draws disgyblaethau," yn ôl Wikipedia, hanes peirianneg a thechnoleg.
Ym 1962, darganfu pâr o ymchwilwyr fod deunydd presennol yn lled -ddargludydd laser rhagorol: gallium arsenide.
Mae Gallium arsenide yn ddeunydd delfrydol ar gyfer laserau lled -ddargludyddion
Ar Orffennaf 9, 1962, cyhoeddodd ymchwilwyr Labordy MIT Lincoln Robert Keyes a Theodore Quist gerbron cynulleidfa yn y Gynhadledd Ymchwil Dyfeisiau Solid-Wladwriaeth eu bod yn datblygu laser lled-ddargludyddion arbrofol, meddai Cymrawd IEEE Paul W. Juodawlkis yn ystod araith yn y garreg filltir IEEE yn IEEE Seremoni Dadorchuddio yn MIT. Roedd Juodawlkis yn gyfarwyddwr y Grŵp Gwybodaeth Quantum a Nanosystems Integredig yn Labordy MIT Lincoln.
Nid oedd y laserau ar y pryd yn gallu allyrru trawst cydlynol eto, ond roedd y gwaith yn dod yn ei flaen yn gyflym, meddai Juodawlkis. Yna syfrdanodd Juodawlkis a Quist y gynulleidfa: gallent ddangos, meddent, y gallai bron i 100 y cant o'r egni trydanol a chwistrellwyd i led -ddargludydd gallium arsenide gael ei drawsnewid yn olau.
Nid oedd unrhyw un erioed wedi gwneud honiad o'r fath o'r blaen. Roedd y gynulleidfa mewn anghrediniaeth, a rhannwyd eu hanghrediniaeth.
"Ar ddiwedd sgwrs Juodawlkis, fe wnaeth aelod o'r gynulleidfa sefyll i fyny a dweud, 'Wel, mae hyn yn torri ail gyfraith thermodynameg,'" meddai Juodawlkis.
Fe ffrwydrodd y gynulleidfa mewn chwerthin. Ond fe wnaeth y ffisegydd Robert N. Hall, arbenigwr lled -ddargludyddion yn General Electric Research Laboratories yn Schenectady, Efrog Newydd, eu distewi.
"Daeth Bob Hall allan ac egluro pam nad oedd yn torri'r ail gyfraith," meddai Juodawlkis. "Roedd hynny'n deimlad."
Fe rasiodd timau lluosog i ddatblygu laser lled -ddargludyddion gweithredol, a daeth yr enillydd o fewn dyddiau.
Mae laserau lled -ddargludyddion wedi'u gwneud o grisialau lled -ddargludyddion bach wedi'u hatal mewn cynhwysydd gwydr wedi'i lenwi â nitrogen hylifol, sy'n helpu i gadw'r ddyfais yn cŵl.
Dychwelodd Hall i GE ac, wedi’i ysbrydoli gan gyflwyniadau Juodawlkis a Quist, daeth yn argyhoeddedig y gallai arwain tîm i greu laser gallium arsenide effeithlon, effeithiol. Roedd eisoes wedi treulio blynyddoedd yn gweithio gyda lled-ddargludyddion, gan ddyfeisio'r unionydd deuod "pin" fel y'i gelwir.
Gallai'r unionydd, a ddefnyddiodd grisialau wedi'u gwneud o germaniwm pur, deunydd lled-ddargludyddion, drosi cerrynt eiledol i gyfeirio cerrynt-datblygiad allweddol mewn lled-ddargludyddion cyflwr solid ar gyfer trosglwyddo pŵer.
Cyflymodd y profiad hwn ddatblygiad laserau lled -ddargludyddion. Defnyddiodd Hall a'i dîm ddyfais debyg i'r unionydd "pin". Fe wnaethant adeiladu laser deuod a oedd yn cynhyrchu golau cydlynol o grisial gallium arsenide draean o filimetr o faint, wedi'i ryngosod mewn ceudod rhwng dau ddrych fel bod y golau yn bownsio yn ôl ac ymlaen dro ar ôl tro. Cyhoeddwyd newyddion am y ddyfais yn rhifyn Tachwedd 1, 1962 o lythyrau adolygiad corfforol.
Wrth i Hall a'i dîm weithio, felly hefyd ymchwilwyr yng Nghanolfan Ymchwil Watson yn Yorktown Heights, Efrog Newydd. Yn ôl Ethw, ym mis Chwefror 1962, derbyniodd Marshall I. Nathan, ymchwilydd IBM a oedd wedi gweithio ar Gallium Arsenide o’r blaen, dasg gan ben ei adran: i adeiladu’r laser Gallium Arsenide cyntaf.
Arweiniodd Nathan dîm o ymchwilwyr a oedd yn cynnwys William P. Dumke, Gerald Burns, Frederick H. Diehl a Gordon Rascher wrth ddatblygu'r laser. Fe wnaethant gwblhau'r dasg ym mis Hydref a dosbarthu papur â llaw yn amlinellu eu gwaith i lythyrau ffiseg gymhwysol, a'i cyhoeddodd ar Hydref 4, 1962.
Yn Labordy Lincoln MIT, adroddodd Quist, Juodawlkis, a'u cydweithiwr Robert Reddick y canlyniadau yn rhifyn Tachwedd 5, 1962, rhifyn llythyrau ffiseg gymhwysol.
Digwyddodd y cyfan mor gyflym nes i erthygl yn y New York Times ryfeddu at y "cyd -ddigwyddiad rhyfeddol," gan nodi nad oedd swyddogion IBM yn gwybod am lwyddiant GE nes i GE anfon gwahoddiad i gynhadledd i'r wasg.
Mae'r tri sefydliad bellach wedi cael eu hanrhydeddu gan yr IEEE am eu gwaith. "Efallai bod laserau lled -ddargludyddion wedi cael eu heffaith fwyaf ym maes cyfathrebu," ysgrifennodd erthygl ETHW. "Bob eiliad, mae laserau lled -ddargludyddion yn amgodio swm y wybodaeth ddynol yn dawel yn olau, gan ei alluogi i gael ei rannu bron yn syth ar draws cefnforoedd a gofod."
Dywedodd llefarydd ar ran MIT wrth y Times fod GE wedi cyflawni ei lwyddiant "ychydig ddyddiau neu wythnos" cyn ei dîm ei hun. Gwnaeth IBM a GE gais ar gyfer patentau'r UD ym mis Hydref, a rhoddwyd y ddau yn y pen draw.
Yn seremoni Laboratory Lincoln, nododd Gioudarkis eich bod bob tro y byddwch chi'n "gwneud galwad ffôn" neu "fideos cath silly google," rydych chi'n defnyddio laser lled -ddargludyddion.
"Os edrychwn ar y byd ehangach," meddai, "mae'r laser lled -ddargludyddion yn un o gonglfeini’r oes wybodaeth mewn gwirionedd."
Gorffennodd ei araith gyda dyfyniad o erthygl cylchgrawn amser 1963: "Pe bai'n rhaid i'r byd ddewis rhwng miloedd o wahanol raglenni teledu, dim ond ychydig o ddeuodau gyda'u trawstiau is -goch bach a allai ddewis pob un ohonynt ar yr un pryd."
Roedd yn "bresenoldeb laserau lled -ddargludyddion," meddai Gioudarkis. "Mae'n anhygoel beth wnaeth y tri sefydliad hyn yn y Gogledd -ddwyrain 62 mlynedd yn ôl i roi'r holl alluoedd hyn i ni nawr ac yn y dyfodol."
Mae General Electric, Canolfan Ymchwil Watson, a Laboratory Lincoln bellach yn arddangos placiau sy'n anrhydeddu’r dechnoleg. Maent yn darllen:
Yn ystod cwymp 1962, adroddwyd am yr arddangosiadau cyntaf o laserau lled -ddargludyddion gan blanhigion Schenectady a Syracuse General Electric, Canolfan Ymchwil Thomas J. Watson IBM, a Laboratory Lincoln MIT, yn y drefn honno. Llai na gronyn o reis, wedi'i bweru gan bigiad cyfredol uniongyrchol, a gyda thonfeddi yn amrywio o uwchfioled i laserau is -goch, lled -ddargludyddion yn hollbresennol mewn cyfathrebiadau modern, storio data a systemau mesur manwl gywirdeb.
