基于CD/DVD光盘的光栅衍射演示实验

单会会,马书炳，张 辉，麻晓敏，史 博

(陆军炮兵防空兵学院 基础部 物理教研室,安徽 合肥 230031)

光栅是光学仪器中的重要元件,广泛应用于光谱分析、集成光路、光通信、光计算、光学信息处理和光学精密测量控制等领域. 光栅衍射是单缝衍射和缝与缝的干涉共同作用，在大学物理学的波动光学中也占有重要的地位. 在大学物理课堂教学过程中,教师通常使用透射式光栅进行操作演示. 常用的透射式光栅片是在玻璃片上利用全息摄影技术制成. 在教学中，利用玻璃片制作的光栅片有一定的弊端:一是由玻璃材料制作的光栅片，在操作时容易破损；二是光栅片肉眼看起来是玻璃片上一片灰色的区域，其结构不够形象直观. 光盘作为信息存储元件，在日常生活和学习中十分普遍. 光盘的光道由里向外呈螺旋线分布，由于光道的间距为μm量级，与光栅的光栅常量的数量级相当[1-3], 因此在激光的照射下光盘作为反射光栅能够发生光栅衍射现象. 将光盘作为实验教学的研究对象，学生能直观地了解光栅的结构和原理，加深对光学知识的理解和掌握，而且从学生身边获取教具，更容易激发学生的学习兴趣以及对身边事物的探索，让学生热爱物理. 本文介绍了在课堂中使用CD/DVD光盘进行光栅演示实验的方法，定性地观察光栅衍射现象，并且分别对CD和DVD光盘的光栅常量进行了定量地测量.

1 实验方法和理论基础

光盘上的信息是通过压制在光盘上的细小坑点来贮存的, 并由这些不同时间长度的细小坑点和坑点之间的平台组成了由里向外分布的螺旋线光道. 当激光光斑扫描这些坑点组成的光道时, 就读出了存储的信息. CD光盘的2 个相邻螺旋光道的间距约为1.5 μm[4]，DVD光盘的2 个相邻螺旋光道的间距约为0.74 μm，由于光盘内径和外径为cm量级，故光道近似平行且等间距，当激光照射在光盘面时，光盘像反射光栅一样能够发生光栅衍射现象[5].

在大学物理课堂教学中，可直观演示光盘的光栅演示实验. 当激光照射在光盘上，在有烟雾的环境下，可以清晰地观察激光发射光束和1级主极大衍射光束，如图1所示.

图1中红色为拍摄到的激光光柱，把入射光线和衍射光线延长，延长线交于上光盘上一点，即激光照射点，延长线用白色虚线表示.

激光照射在CD光盘和DVD光盘上，反射在墙面的光栅衍射图样如图2所示，光栅衍射效果明显. CD光盘可观测到中央明条纹、1级主极大和2级主极大，DVD光盘只可观测到中央明条纹和1级主极大.

图1 光盘光栅演示实验操作方法

(a)CD光盘

(b)DVD光盘图2 激光照射在CD和DVD光盘上的衍射图样

使用红色激光教鞭作为激光源，其波长为640 nm. 当激光束垂直照射在光盘面时，其光栅方程为

dsinθ=kλ，

(1)

式中d为光栅常量,θ为主极大的衍射角,k为衍射级次.

图3 实验装置示意图

实验测量装置原理如图3所示，光盘放置在水平的桌面上，坐标纸与光盘平行放置. 激光笔发射出的激光束穿过坐标纸的中心小孔后垂直地照射在光盘的中垂线,且中央明条纹也从坐标纸的中心小孔穿出. 这样能保证激光垂直照射在光盘面，并使光盘衍射产生的条纹对称地分布于坐标纸上. 通过测量光栅衍射主极大的坐标位置，计算光栅常量.

2 实验结果与分析

实验分别测量了空白的CD光盘、已刻录过的CD光盘、空白的DVD光盘以及已刻录过的DVD光盘. 光盘与坐标纸的距离D=39.0 mm,1级主极大的位置为x1，1级主极大衍射角正弦值为sinθ1, 测量的光栅常量为d1；2极主极大位置为x2，2级主极大衍射角正弦值为sinθ2，测量的光栅常量为d2. 当激光束垂直照射在光盘上，测得的数据如表1所示. 说明：由于DVD光盘的光栅常量d较小，对于式(1)，当k=2时，sinθ>1，故观测不到2级主极大.

表1 实验测量数据

实验表明，已刻录过的光盘和空白的光盘相比，测量的光栅常量相差很小，应为实验测量误差. 由于DVD的光栅常量比CD的光栅常量小，故1级衍射角较大.

国家工业标准中CD光盘的2 个相邻螺旋光道的间距约为1.5 μm，DVD光盘的2 个相邻螺旋光道的间距约为0.74 μm，实验测得的光栅常量和国家工业标准值相符很好.

3 结束语

使用了激光教鞭和不同种类的光盘，形象直观地展示了波动光学中的光栅衍射现象，并利用光栅衍射测量了光盘的光道间距. 在大学物理课堂教学中进行光盘的光栅演示实验不仅激发了学生的学习兴趣，活跃了课堂气氛，提高了教学效率，更是激发了学生运用物理知识对身边事物的探索兴趣.

[1] 许炎桥. 一种简便的光盘光栅常量测定方法[J]. 物理通报，2007(4)：41-43.

[2] 王文麒，乐永康. 光盘结构及实验中的光学现象[J]. 物理实验，2013，33(4)：44-47.

[3] 黄振永，林学春，赖康，等． 光盘等效光栅常量和存储容量的测量[J]． 物理实验，2008，28(1)：5-8．

[4] 李灵杰. 试析光盘道间距测量中光栅方程的适用条件[J]. 大学物理实验，2011，24(4)：19-21.

[5] 杨保东，周海涛. 光盘道间距及其信道轨迹长度的测量[J]. 大学物理，2007，26(5)：35-36.