基于CD/DVD光盤的光柵衍射演示實驗

單會會,馬書炳，張 輝，麻曉敏，史 博

(陸軍炮兵防空兵學院 基礎部 物理教研室,安徽 合肥 230031)

光柵是光學儀器中的重要元件,廣泛應用于光譜分析、集成光路、光通信、光計算、光學信息處理和光學精密測量控制等領域. 光柵衍射是單縫衍射和縫與縫的干涉共同作用，在大學物理學的波動光學中也占有重要的地位. 在大學物理課堂教學過程中,教師通常使用透射式光柵進行操作演示. 常用的透射式光柵片是在玻璃片上利用全息攝影技術制成. 在教學中，利用玻璃片制作的光柵片有一定的弊端:一是由玻璃材料制作的光柵片，在操作時容易破損；二是光柵片肉眼看起來是玻璃片上一片灰色的區(qū)域，其結構不夠形象直觀. 光盤作為信息存儲元件，在日常生活和學習中十分普遍. 光盤的光道由里向外呈螺旋線分布，由于光道的間距為μm量級，與光柵的光柵常量的數量級相當[1-3], 因此在激光的照射下光盤作為反射光柵能夠發(fā)生光柵衍射現象. 將光盤作為實驗教學的研究對象，學生能直觀地了解光柵的結構和原理，加深對光學知識的理解和掌握，而且從學生身邊獲取教具，更容易激發(fā)學生的學習興趣以及對身邊事物的探索，讓學生熱愛物理. 本文介紹了在課堂中使用CD/DVD光盤進行光柵演示實驗的方法，定性地觀察光柵衍射現象，并且分別對CD和DVD光盤的光柵常量進行了定量地測量.

1 實驗方法和理論基礎

光盤上的信息是通過壓制在光盤上的細小坑點來貯存的, 并由這些不同時間長度的細小坑點和坑點之間的平臺組成了由里向外分布的螺旋線光道. 當激光光斑掃描這些坑點組成的光道時, 就讀出了存儲的信息. CD光盤的2 個相鄰螺旋光道的間距約為1.5 μm[4]，DVD光盤的2 個相鄰螺旋光道的間距約為0.74 μm，由于光盤內徑和外徑為cm量級，故光道近似平行且等間距，當激光照射在光盤面時，光盤像反射光柵一樣能夠發(fā)生光柵衍射現象[5].

在大學物理課堂教學中，可直觀演示光盤的光柵演示實驗. 當激光照射在光盤上，在有煙霧的環(huán)境下，可以清晰地觀察激光發(fā)射光束和1級主極大衍射光束，如圖1所示.

圖1中紅色為拍攝到的激光光柱，把入射光線和衍射光線延長，延長線交于上光盤上一點，即激光照射點，延長線用白色虛線表示.

激光照射在CD光盤和DVD光盤上，反射在墻面的光柵衍射圖樣如圖2所示，光柵衍射效果明顯. CD光盤可觀測到中央明條紋、1級主極大和2級主極大，DVD光盤只可觀測到中央明條紋和1級主極大.

圖1 光盤光柵演示實驗操作方法

(a)CD光盤

(b)DVD光盤圖2 激光照射在CD和DVD光盤上的衍射圖樣

使用紅色激光教鞭作為激光源，其波長為640 nm. 當激光束垂直照射在光盤面時，其光柵方程為

dsinθ=kλ，

(1)

式中d為光柵常量,θ為主極大的衍射角,k為衍射級次.

圖3 實驗裝置示意圖

實驗測量裝置原理如圖3所示，光盤放置在水平的桌面上，坐標紙與光盤平行放置. 激光筆發(fā)射出的激光束穿過坐標紙的中心小孔后垂直地照射在光盤的中垂線,且中央明條紋也從坐標紙的中心小孔穿出. 這樣能保證激光垂直照射在光盤面，并使光盤衍射產生的條紋對稱地分布于坐標紙上. 通過測量光柵衍射主極大的坐標位置，計算光柵常量.

2 實驗結果與分析

實驗分別測量了空白的CD光盤、已刻錄過的CD光盤、空白的DVD光盤以及已刻錄過的DVD光盤. 光盤與坐標紙的距離D=39.0 mm,1級主極大的位置為x1，1級主極大衍射角正弦值為sinθ1, 測量的光柵常量為d1；2極主極大位置為x2，2級主極大衍射角正弦值為sinθ2，測量的光柵常量為d2. 當激光束垂直照射在光盤上，測得的數據如表1所示. 說明：由于DVD光盤的光柵常量d較小，對于式(1)，當k=2時，sinθ>1，故觀測不到2級主極大.

表1 實驗測量數據

實驗表明，已刻錄過的光盤和空白的光盤相比，測量的光柵常量相差很小，應為實驗測量誤差. 由于DVD的光柵常量比CD的光柵常量小，故1級衍射角較大.

國家工業(yè)標準中CD光盤的2 個相鄰螺旋光道的間距約為1.5 μm，DVD光盤的2 個相鄰螺旋光道的間距約為0.74 μm，實驗測得的光柵常量和國家工業(yè)標準值相符很好.

3 結束語

使用了激光教鞭和不同種類的光盤，形象直觀地展示了波動光學中的光柵衍射現象，并利用光柵衍射測量了光盤的光道間距. 在大學物理課堂教學中進行光盤的光柵演示實驗不僅激發(fā)了學生的學習興趣，活躍了課堂氣氛，提高了教學效率，更是激發(fā)了學生運用物理知識對身邊事物的探索興趣.

[1] 許炎橋. 一種簡便的光盤光柵常量測定方法[J]. 物理通報，2007(4)：41-43.

[2] 王文麒，樂永康. 光盤結構及實驗中的光學現象[J]. 物理實驗，2013，33(4)：44-47.

[3] 黃振永，林學春，賴康，等． 光盤等效光柵常量和存儲容量的測量[J]． 物理實驗，2008，28(1)：5-8．

[4] 李靈杰. 試析光盤道間距測量中光柵方程的適用條件[J]. 大學物理實驗，2011，24(4)：19-21.

[5] 楊保東，周海濤. 光盤道間距及其信道軌跡長度的測量[J]. 大學物理，2007，26(5)：35-36.