2014年一部科幻電影“星際穿越Interstellar”吸引了我的眼球，里面的內容都是根據科學基礎來設計的，只有一個黑洞發出的引力波理論還沒有被證實，在中國新年接近尾聲的2016年2月11日，科學界發生了一件大事！美國國家科學基金會召集來自Caltech加州理工學院、MIT麻省理工學院與LIGO團隊的科學家宣布發現愛因斯坦預言的引力波，他們利用激光干涉儀探測到了引力波，這件事情好像跟做半導體照明的我沒什么關系，但是我還是去查了相關的資料：
LG的OLED面板
美國西北海岸Hanford的LIGO基地
十九世紀（1864年）馬克斯韋爾提出電磁波理論，1887年赫茲證實了電磁波，二十世紀人類享受了這個科學理論帶來了人類文明巨大的進步！
二十世紀（1916年）愛因斯坦提出引力波理論，二十一世紀初（2016年）LIGO團隊證實了引力波，這個理論看似對我們目前的生活沒有產生影響，也許就像這次接收引力波的訊號一樣，非常微弱！
電磁波的理論與驗證時間只差了23年，電磁波在應用科學方面更是大放異彩，對人類文明的進步做出了不可磨滅的貢獻。而引力波呢？回歸現實，它的發現要放在應用科技上，估計五十年都很難。
什么是LIGO？LIGO就是Laser Interferometer Gravitational wave Observatory我們翻譯成激光干涉引力波天文臺，沒有LIGO的精密的量測設施，要發現引力波也許要再花很久很久的時間，我們也不得不佩服愛因斯坦的神奇與偉大，LIGO的核心是激光干涉，激光是1917年愛因斯坦受激輻射預言的原理，結果43年后科學家邁曼Maiman利用他的原理制作出了第一個激光器；讓人更沒想到的是一百年后，愛因斯坦用他自己預言的激光證實了自己更偉大的引力波理論，我覺得他真的不是跟我們同一個世界的人，也許他是遙遠的外星文明送給地球的信使，讓我們能加快腳步可以跟他們溝通！
LIGO激光干涉的原理圖
這次引力波的發現，激光干涉測量無疑是最重要的，為什么要用激光？這就是是我今天的主題，但是我會著重于介紹半導體激光，激光英文叫Laser，這個英文名詞是五個英文字的字首簡稱：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，很有趣的是海峽兩岸的中文翻譯略有不同，大陸取其意義叫激光（受激放大的輻射光），臺灣順其音與擬其形叫雷射（像雷電一樣的放射），大家覺得誰翻譯的好呢？其實大陸與臺灣在1949年分離之后很多歐美日的翻譯名詞都有很大的不同，也許兩岸在將來的將來統一之后，最重要的一件事就是統一翻譯名詞，這件事也許不是那么敏感，來一個投票讓中國的民主熱熱身也是不錯的。如果我可以活到那個時候，我會投雷射一票，你們呢？
由于在大陸，我文章中的laser都稱呼為激光，1960年第一個激光器出來以后，拜半導體科技的蓬勃發展，1962年第一個半導體激光器也出現了，但是只能在低溫下工作，真正可以在常溫下工作的半導體激光，是在1964年，于是人類漸漸開始進入光儲存、光顯示與光通訊的時代，我將激光中的戰斗機給了半導體激光是因為相對于其它類型的激光如固體寶石激光、氣體激光等用于工業與軍事方面，對我們人類生活影響最大的還是半導體激光，它的英文叫LD，是激光二極管Laser Diode的簡稱。
各種不同的半導體材料發出的光譜圖
在氮化鎵藍色激光二極管還沒有出來之前，激光二極管是磷化銦InP與砷化鎵GaAs的時代，但是兩者命運大不同，一個一枝獨秀，獨領風騷；一個一直遭遇挑戰，漸漸凋零。為什么呢？磷化銦InP可以發出近紅外的1310nm與1550nm波長，拜2009年諾貝爾物理獎得主高錕教授之賜，1966年七月，光纖成了人類通訊的主角，1310nm波長的激光在玻璃光纖色散最小，1550nm波長激光損耗最小，他們成為了光纖通訊主動器件的主角，一直到現在，磷化銦InP還是光通訊最重要的激光二極管的材料。
光纖通訊示意圖
相對于磷化銦，砷化鎵以及后來的鋁銦鎵磷AlInGaP這些材料能發出的波長只能局限在630nm到850nm，這導致它在光儲存與光顯示有非常致命的缺點，在光顯示方面，缺了藍與綠，無法全彩顯示，應用受到非常大的局限，光儲存方面，由于發出波長范圍的限制，它的儲存量有限，最大的630nm激光波長光儲存讀寫頭只可以儲存4.7G，加上隨著磁儲存技術的進步，它的優勢一步一步被趕上，甚至銷聲匿跡。雖然后來中村修二博士在1995年研發出了藍紫色激光二極管，它的儲存量可以達到19G以上，但是進入21世紀后隨著磁儲存技術的突飛猛進，光儲存有“時不我與”之憾。
不同的光儲存所對應的激光波長規格，由CD（GaAs），DVD（AlInGaP）到HD-DVD（InGaN）
激光二極管在21世紀沉寂了十年，原因是磁儲存與寬帶網絡的普及，光儲存不再有優勢，誰還會去買DVD？誰的電腦還有光驅？買碟的人也越來越少了，這讓當初鉆研激光二極管的我有一點失落感，于是我也放棄了激光LD的研發，改行進入LED了，當初我希望我們中國人趕快介入藍色激光LD這個領域讓它便宜下來，但是說也奇怪，藍色激光二極管不用中國人介入，卻也衰落得很快，原來，大家使用的U盤容量實在太大了，根本不需要光盤了，半導體資訊革命真是十年河東，十年河西，你不要以為你現在的東西技術很先進，可能過了不久，你就是被技術所革命的對象。
中村修二博士與激光二極管
進入21世紀第二個十年，2014年中村修二因為LED的貢獻拿到了諾貝爾物理獎，但是他的研究已經不再是LED了，他認為未來激光二極管LD會取代LED成為照明的主角，我也被他給懵了，真的是這樣嗎？我感到深深的懷疑，也許要給大家先科普一下這兩者的差異了：
這兩種器件除了材料相近以外，他們有很大的不同，這也決定了他們的應用將會很不同，
第一是在工作原理上的差別：LED是利用注入有源區的載流子自發輻射復合發光，而LD是受激輻射復合發光。
第二是在架構與結構上的差別：LD有光學諧振腔，使產生的光子在腔內振蕩放大，LED沒有諧振腔。
第三是效能上的差別 ：LED沒有閾值(threshold)特徴，光譜密度比LD高幾個數量級，LED匯出光功率小，發散角大。
LED與LD發光示意圖
以上這是本質上的差異，自從藍光LED發明了以后，日本一直在找一個能替代藍寶石的襯底材料，可以用在更高階的產品，到目前只有氮化鎵同質襯底可以量產，但是他貴得離譜（一片至少五百美金），對要革傳統照明的命的LED來說，簡直是一場革命逆流，反而會延緩照明革命。我對藍光LD最不看好的是它的價格，如上圖所示，由于激光LD的發光區密度是LED的1000倍以上，藍寶石與氮化鎵的晶格失陪太大，無法達到襯底的要求，目前只有昂貴的氮化鎵襯底可以達到，這導致藍色激光二極管的價格實在太貴了，所以目前它只能應用在HD-DVD讀寫頭的光源或是PS3游戲機，需求不大，但是價格很貴。而目前中村修二博士推廣的激光照明，也是以氮化鎵為襯底材料，這將注定它在短期內無法跟LED競爭，就算他有無數的優點，但是價格的劣勢讓他注定在這五年內無法成為通用照明的主流。但是激光照明真的就沒路走了嗎？我的答案是一扇門關了，但是另一扇門卻偷偷打開，也許短期內激光不會是照明的主角，但是它會是一個很出色的配角，那一扇門就是藍海的特殊照明市場，尤其是汽車照明，激光的方向性很強，跟汽車大燈是絕配，它可以提供駕駛很遠的視距，相比LED大燈200米的距離，激光LD可以達到600米以上，可以讓行車更安全，由于光的集中性，對向車與使用激光大燈的車會車也不會刺眼，因此目前高檔汽車已經將激光大燈變成標準配備，如果未來激光LD價格再降下來，激光大燈將主導汽車市場。有沒有可能繼續滲透到通用照明呢？就看看襯底性能與價格有沒有突破，如果有，也許中村的看法是對的，但是我認為至少需要10年以上。
激光LD大燈與LED大燈比較圖
激光LD還有另一個藍海市場，而且很有可能短期內可以實現，這就是激光顯示，目前加州大學圣塔巴巴拉光電實驗室正在做最后的突破，藍光激光LD與紅光激光LD目前已經突破了，但是綠光激光LD始終是一道坎，目前綠光激光是紅外808nm激光LD+釔鋁石榴石晶體與倍頻晶體組合的模組，體積太大，如下圖左所示，激光電視的模組體積太大，無法微型化，所以綠光激光LD如果可以研發成功，如下圖右所示，微型激光投影將不再是夢，未來我們的手機都可以內裝激光投影模組，如果加上3D全息投影技術，可以想象一下以后跟你視訊的人可能可以就站在你的前面了，這將是在不久的將來。
激光投影示意圖，上方為目前的激光投影電視，下方是微型投影
LG的OLED面板
最后很多人應該會問我，誰會是下一個光顯示技術的主角？是激光顯示，還是OLED或是目前負隅頑抗的LED？我認為OLED電視會取代現在LED背光的LCD電視，也許價格是取代時間的關鍵，看看現在高階手機已經慢慢都是用AMOLED面板了，大尺寸也許只是時間問題，但是也不要看低LED反撲的力度，也許Mico-LED會是OLED未來的對手，但是Micro LED的工藝復雜度與技術成熟度都是它能不能抗衡OLED的關鍵，讓人激動的激光投影未來如果可以體積微型化，價格平價化，三國鼎立之勢未來將導向激光也不無可能。
人類的科技目前已經導向了對人類自己感官享受的滿足，我對此深深的感到擔憂，因為我的有生之年也許只能看到人類科技滿足自己享受的這些小突破！回到我們人類的宏觀物理趨勢，我在想21世紀末或22世紀初人類才能有顛覆性地像20世紀初的科技大突破，那時可能可以利用相對論與引力波原理加上量子力學的超距作用量子糾纏對光速的突破，也許3D的激光全息技術也可以陪襯，這些遙遠的科技才會對人類未來有積極的貢獻，只有巨觀的引力波加上微觀的量子力學，20世紀科學的光芒才能照耀21世紀與22世紀人類的進步！
希望我可以活到那個時候親眼見證這個偉大時刻！
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