2014年一部科幻电影“星际穿越Interstellar”吸引了我的眼球，里面的内容都是根据科学基础来设计的，只有一个黑洞发出的引力波理论还没有被证实，在中国新年接近尾声的2016年2月11日，科学界发生了一件大事！美国国家科学基金会召集来自Caltech加州理工学院、MIT麻省理工学院与LIGO团队的科学家宣布发现爱因斯坦预言的引力波，他们利用激光干涉仪探测到了引力波，这件事情好像跟做半导体照明的我没什么关系，但是我还是去查了相关的资料：
LG的OLED面板
美国西北海岸Hanford的LIGO基地
十九世纪（1864年）马克斯韦尔提出电磁波理论，1887年赫兹证实了电磁波，二十世纪人类享受了这个科学理论带来了人类文明巨大的进步！
二十世纪（1916年）爱因斯坦提出引力波理论，二十一世纪初（2016年）LIGO团队证实了引力波，这个理论看似对我们目前的生活没有产生影响，也许就像这次接收引力波的讯号一样，非常微弱！
电磁波的理论与验证时间只差了23年，电磁波在应用科学方面更是大放异彩，对人类文明的进步做出了不可磨灭的贡献。而引力波呢？回归现实，它的发现要放在应用科技上，估计五十年都很难。
什么是LIGO？LIGO就是Laser Interferometer Gravitational wave Observatory我们翻译成激光干涉引力波天文台，没有LIGO的精密的量测设施，要发现引力波也许要再花很久很久的时间，我们也不得不佩服爱因斯坦的神奇与伟大，LIGO的核心是激光干涉，激光是1917年爱因斯坦受激辐射预言的原理，结果43年后科学家迈曼Maiman利用他的原理制作出了第一个激光器；让人更没想到的是一百年后，爱因斯坦用他自己预言的激光证实了自己更伟大的引力波理论，我觉得他真的不是跟我们同一个世界的人，也许他是遥远的外星文明送给地球的信使，让我们能加快脚步可以跟他们沟通！
LIGO激光干涉的原理图
这次引力波的发现，激光干涉测量无疑是最重要的，为什么要用激光？这就是是我今天的主题，但是我会着重于介绍半导体激光，激光英文叫Laser，这个英文名词是五个英文字的字首简称：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，很有趣的是海峡两岸的中文翻译略有不同，大陆取其意义叫激光（受激放大的辐射光），台湾顺其音与拟其形叫雷射（像雷电一样的放射），大家觉得谁翻译的好呢？其实大陆与台湾在1949年分离之后很多欧美日的翻译名词都有很大的不同，也许两岸在将来的将来统一之后，最重要的一件事就是统一翻译名词，这件事也许不是那么敏感，来一个投票让中国的民主热热身也是不错的。如果我可以活到那个时候，我会投雷射一票，你们呢？
由于在大陆，我文章中的laser都称呼为激光，1960年第一个激光器出来以后，拜半导体科技的蓬勃发展，1962年第一个半导体激光器也出现了，但是只能在低温下工作，真正可以在常温下工作的半导体激光，是在1964年，于是人类渐渐开始进入光储存、光显示与光通讯的时代，我将激光中的战斗机给了半导体激光是因为相对于其它类型的激光如固体宝石激光、气体激光等用于工业与军事方面，对我们人类生活影响最大的还是半导体激光，它的英文叫LD，是激光二极管Laser Diode的简称。
各种不同的半导体材料发出的光谱图
在氮化镓蓝色激光二极管还没有出来之前，激光二极管是磷化銦InP与砷化镓GaAs的时代，但是两者命运大不同，一个一枝独秀，独领风骚；一个一直遭遇挑战，渐渐凋零。为什么呢？磷化銦InP可以发出近红外的1310nm与1550nm波长，拜2009年诺贝尔物理奖得主高锟教授之赐，1966年七月，光纤成了人类通讯的主角，1310nm波长的激光在玻璃光纤色散最小，1550nm波长激光损耗最小，他们成为了光纤通讯主动器件的主角，一直到现在，磷化銦InP还是光通讯最重要的激光二极管的材料。
光纤通讯示意图
相对于磷化銦，砷化镓以及后来的铝銦镓磷AlInGaP这些材料能发出的波长只能局限在630nm到850nm，这导致它在光储存与光显示有非常致命的缺点，在光显示方面，缺了蓝与绿，无法全彩显示，应用受到非常大的局限，光储存方面，由于发出波长范围的限制，它的储存量有限，最大的630nm激光波长光储存读写头只可以储存4.7G，加上随着磁储存技术的进步，它的优势一步一步被赶上，甚至销声匿迹。虽然后来中村修二博士在1995年研发出了蓝紫色激光二极管，它的储存量可以达到19G以上，但是进入21世纪后随着磁储存技术的突飞猛进，光储存有“时不我与”之憾。
不同的光储存所对应的激光波长规格，由CD（GaAs），DVD（AlInGaP）到HD-DVD（InGaN）
激光二极管在21世纪沉寂了十年，原因是磁储存与宽带网络的普及，光储存不再有优势，谁还会去买DVD？谁的电脑还有光驱？买碟的人也越来越少了，这让当初钻研激光二极管的我有一点失落感，于是我也放弃了激光LD的研发，改行进入LED了，当初我希望我们中国人赶快介入蓝色激光LD这个领域让它便宜下来，但是说也奇怪，蓝色激光二极管不用中国人介入，却也衰落得很快，原来，大家使用的U盘容量实在太大了，根本不需要光盘了，半导体资讯革命真是十年河东，十年河西，你不要以为你现在的东西技术很先进，可能过了不久，你就是被技术所革命的对象。
中村修二博士与激光二极管
进入21世纪第二个十年，2014年中村修二因为LED的贡献拿到了诺贝尔物理奖，但是他的研究已经不再是LED了，他认为未来激光二极管LD会取代LED成为照明的主角，我也被他给懵了，真的是这样吗？我感到深深的怀疑，也许要给大家先科普一下这两者的差异了：
这两种器件除了材料相近以外，他们有很大的不同，这也决定了他们的应用将会很不同，
第一是在工作原理上的差别：LED是利用注入有源区的载流子自发辐射復合发光，而LD是受激辐射复合发光。
第二是在架构与结构上的差别：LD有光学谐振腔，使产生的光子在腔内振荡放大，LED没有谐振腔。
第三是效能上的差别 ：LED没有阈值(threshold)特徴，光谱密度比LD高几个数量级，LED匯出光功率小，发散角大。
LED与LD发光示意图
以上这是本质上的差异，自从蓝光LED发明了以后，日本一直在找一个能替代蓝宝石的衬底材料，可以用在更高阶的产品，到目前只有氮化镓同质衬底可以量产，但是他贵得离谱（一片至少五百美金），对要革传统照明的命的LED来说，简直是一场革命逆流，反而会延缓照明革命。我对蓝光LD最不看好的是它的价格，如上图所示，由于激光LD的发光区密度是LED的1000倍以上，蓝宝石与氮化镓的晶格失陪太大，无法达到衬底的要求，目前只有昂贵的氮化镓衬底可以达到，这导致蓝色激光二极管的价格实在太贵了，所以目前它只能应用在HD-DVD读写头的光源或是PS3游戏机，需求不大，但是价格很贵。而目前中村修二博士推广的激光照明，也是以氮化镓为衬底材料，这将注定它在短期内无法跟LED竞争，就算他有无数的优点，但是价格的劣势让他注定在这五年内无法成为通用照明的主流。但是激光照明真的就没路走了吗？我的答案是一扇门关了，但是另一扇门却偷偷打开，也许短期内激光不会是照明的主角，但是它会是一个很出色的配角，那一扇门就是蓝海的特殊照明市场，尤其是汽车照明，激光的方向性很强，跟汽车大灯是绝配，它可以提供驾驶很远的视距，相比LED大灯200米的距离，激光LD可以达到600米以上，可以让行车更安全，由于光的集中性，对向车与使用激光大灯的车会车也不会刺眼，因此目前高档汽车已经将激光大灯变成标准配备，如果未来激光LD价格再降下来，激光大灯将主导汽车市场。有没有可能继续渗透到通用照明呢？就看看衬底性能与价格有没有突破，如果有，也许中村的看法是对的，但是我认为至少需要10年以上。
激光LD大灯与LED大灯比较图
激光LD还有另一个蓝海市场，而且很有可能短期内可以实现，这就是激光显示，目前加州大学圣塔巴巴拉光电实验室正在做最后的突破，蓝光激光LD与红光激光LD目前已经突破了，但是绿光激光LD始终是一道坎，目前绿光激光是红外808nm激光LD+钇铝石榴石晶体与倍频晶体组合的模组，体积太大，如下图左所示，激光电视的模组体积太大，无法微型化，所以绿光激光LD如果可以研发成功，如下图右所示，微型激光投影将不再是梦，未来我们的手机都可以内装激光投影模组，如果加上3D全息投影技术，可以想象一下以后跟你视讯的人可能可以就站在你的前面了，这将是在不久的将来。
激光投影示意图，上方为目前的激光投影电视，下方是微型投影
LG的OLED面板
最后很多人应该会问我，谁会是下一个光显示技术的主角？是激光显示，还是OLED或是目前负隅顽抗的LED？我认为OLED电视会取代现在LED背光的LCD电视，也许价格是取代时间的关键，看看现在高阶手机已经慢慢都是用AMOLED面板了，大尺寸也许只是时间问题，但是也不要看低LED反扑的力度，也许Mico-LED会是OLED未来的对手，但是Micro LED的工艺复杂度与技术成熟度都是它能不能抗衡OLED的关键，让人激动的激光投影未来如果可以体积微型化，价格平价化，三国鼎立之势未来将导向激光也不无可能。
人类的科技目前已经导向了对人类自己感官享受的满足，我对此深深的感到担忧，因为我的有生之年也许只能看到人类科技满足自己享受的这些小突破！回到我们人类的宏观物理趋势，我在想21世纪末或22世纪初人类才能有颠覆性地像20世纪初的科技大突破，那时可能可以利用相对论与引力波原理加上量子力学的超距作用量子纠缠对光速的突破，也许3D的激光全息技术也可以陪衬，这些遥远的科技才会对人类未来有积极的贡献，只有巨观的引力波加上微观的量子力学，20世纪科学的光芒才能照耀21世纪与22世纪人类的进步！
希望我可以活到那个时候亲眼见证这个伟大时刻！
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