לייזר כחול
היסטוריה > לייזרים מוליכים למחצה

ניתן ליצור לייזרים אדומים בעזרת גליום ארסניד (GaAs) מוליך למחצה, שבו תריסר שכבות של אטומים הממוקמים כדי ליצור את החלק של הלייזר שיוצרת קרן האור מבורות קוונטיים. באמצעות שיטות דומות לאלה שפותחו עבור סיליקון, המצע יכול להיבנות ללא פגמים (נקעים), ואת האטומים ניתן להניח כך שהמרחקים בין האטומים המרכיבים את הקרקע לבין שמרכיבים את הבורות הקוונטיים זהים.
עם זאת, המוליכים למחצה הטובים ביותר ללייזר כחול הם גבישים של גליום ניטריד (GaN) אשר קשים ביותר לייצור ודורשים לחצים בטמפרטורות גבוהות יותר, בדומה לאלו שצריכים לייצור יהלומים סינתטיים, ודורשים שימוש בלחץ גבוה של הגז חנקן. יש קושי בפתרון הבעיות הטכניות, ולכן מאז 1960 חוקרים רצו לשמור על הגז גליום ניטריד על בסיס של האבן ספיר. עם זאת, חוסר ההתאמה בין המבנים של הספיר והגליום ניטריד יצר יותר מידי פגמים.
ה-LED הכחול הראשון על בסיס גליום ניטריד, פותח ב-1972 על ידי הרברט פאול מארושקה וואלי רהינס מאוניברסיטת סטנפורד. ב-1987, חברת Cree פיתחה LED כחול על בסיס צורן קרביד. בהמשך פיתח הממציא היפני שוג'י נקמורה ב-1992, LED כחול בבהירות גבוהה שאפשר את פיתוח ה-LED הלבן העשוי מ-LED כחול המצופה בציפוי פלואורסצנטי צהוב. 4 שנים מאוחר יותר בשנת 1996 המציא את הלייזר הכחול הראשון שמבוסס על מוליך למחצה. נקמורה השתמש בחומר שהופק על הספיר, אם כי מספר הפגמים נשאר גבוה למדי, כדי ליצור לייזר בעל תדר גבוה בלי קושי רב.
בשנות ה-90 המוקדמות של המאה העשרים פיתח המכון לפיזיקה ללחץ גבוה באקדמיה הפולנית למדעים בוורשה, בהנהגתו של ד"ר סילבסטר פורובסקי, טכנולוגיה ליצירת גבישי גליום ניטריד באיכות מבנית גבוהה ופחות מ-100 פגמים לסנטימטר רבוע - לפחות פי 1,000 טוב יותר מאשר גביש הנתמך בספיר.
עד סוף שנות ה-90, כאשר פותחו לייזרים כחולים מבוססי דיודה או דיודה במצב מוצק (Diode Pumped Solid State), לייזרים כחולים היו לייזרי גז גדולים ויקרים, אשר הסתמכו על היפוך האוכלוסייה בתערובות גזים נדירות, ודרשו זרמים גבוהים וקירור איתן.
בשנת 1999 נקמורה ניסה לפתח גבישים פולניים שאורך חייהם גבוה פי 10 מאשר מהלייזרים שפותחו קודם לכן – 3000 שעות במתח של 30 mW.
לאחר 10 שנים, הייצרנים היפניים תפסו בעלות על ייצור לייזר כחול בתדר של 60 mW מה שאפשר עבור אותם לייזרים לקרוא התקנים (BD-R, Blu-ray ו- BD-RE) במהירות גבוהה יותר. הטכנולוגיה הפולנית זולה יותר מאשר היפנית אולם ליפנים יש נתח גבוה יותר מהשוק. ישנה חברת היי-טק פולנית נוספת אשר יוצרת גבישים של גליום ניטריד, אך היא אינה מייצרת לייזרים כחולים.
בזכות עבודתו של נקמורה הוא קיבל את פרס טכנולוגיית המילניום (אנ') בשנת 2006 ופרס נובל לפיזיקה בשנת 2014.
הודות לפיתוח מוקדם של קבוצות רבות, במיוחד הקבוצה של הפרופסור איסמו אקסאקי ושוג'י נקמורה באנאן שביפן, נוצרו סדרות של המצאות של לייזרים מוליכים למחצה כחולים וסגולים שהביא פיתוח מסחרי גדול מאוד. השכבה הפעילה של הלייזרים של חברת ניצ'יה מיוצרת על ידי קירות או נקודות קוונטיות של גליום ניטריד שנוצרו באופן אקראי לחלוטין ובאמצעות הרכבה עצמית. המצאה חדשה אפשרה פיתוח של לייזר כחול, סגול ואולטרה סגול (UV) אשר לא היו זמינים קודם לכן, ופתחו את הדרך ליישומים (אפליקציות) באיכות גבוהה כגון תקליטורי HD DVD ו-Blu-ray. אורך הגל הקצר מאפשר ללייזר לקרוא תקליטורים המכילים מידע בצפיפות גבוהה יותר משניתן היה לפני כן.
הירושי אמאנו, איסמו אקסאקי ושוג'י נקמורה זכו בפרס נובל לשנת 2014 בפיזיקה "על המצאת דיודות פולטות אור יעילות בעלות אור כחול, אשר אפשרו ליצור מקורות אור לבן חסכניים באנרגיה". הזכייה לוותה בביקורות, כיוון שהיו מדענים שהציגו לפניהם דיודות פולטות אור כחולות, וכי ועדת הפרס, התעלמה לחלוטין ממאמצי הפיתוח הנרחבים שהובילו לפיתוח הדיודה הראשונה שפלטה אור נראה.
התפתחות נוספת של הטכנולוגיה הובילה ליצור המוני של הלייזר. כיום, על מנת לייצר לייזרים כחולים משתמשים במשטח ספיר המכוסה בשכבה של גליום ניטריד, ועל מנת לייצר לייזרים כחולים מוליכים למחצה משתמשים בשכבה של גבישים של גליום ניטריד.