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激光会是下一代照明与显示的主角吗?

导读: 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?

  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:

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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!

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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?(欢迎在评论区说出你的选择)

  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。

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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。

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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。

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