單會(huì)會(huì),馬書(shū)炳,張 輝,麻曉敏,史 博
(陸軍炮兵防空兵學(xué)院 基礎(chǔ)部 物理教研室,安徽 合肥 230031)
光柵是光學(xué)儀器中的重要元件,廣泛應(yīng)用于光譜分析、集成光路、光通信、光計(jì)算、光學(xué)信息處理和光學(xué)精密測(cè)量控制等領(lǐng)域. 光柵衍射是單縫衍射和縫與縫的干涉共同作用,在大學(xué)物理學(xué)的波動(dòng)光學(xué)中也占有重要的地位. 在大學(xué)物理課堂教學(xué)過(guò)程中,教師通常使用透射式光柵進(jìn)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(shù)制成. 在教學(xué)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(shí)容易破損;二是光柵片肉眼看起來(lái)是玻璃片上一片灰色的區(qū)域,其結(jié)構(gòu)不夠形象直觀. 光盤作為信息存儲(chǔ)元件,在日常生活和學(xué)習(xí)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(jí),與光柵的光柵常量的數(shù)量級(jí)相當(dāng)[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(xiàn)象. 將光盤作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究對(duì)象,學(xué)生能直觀地了解光柵的結(jié)構(gòu)和原理,加深對(duì)光學(xué)知識(shí)的理解和掌握,而且從學(xué)生身邊獲取教具,更容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及對(duì)身邊事物的探索,讓學(xué)生熱愛(ài)物理. 本文介紹了在課堂中使用CD/DVD光盤進(jìn)行光柵演示實(shí)驗(yàn)的方法,定性地觀察光柵衍射現(xiàn)象,并且分別對(duì)CD和DVD光盤的光柵常量進(jìn)行了定量地測(cè)量.
光盤上的信息是通過(guò)壓制在光盤上的細(xì)小坑點(diǎn)來(lái)貯存的, 并由這些不同時(shí)間長(zhǎng)度的細(xì)小坑點(diǎn)和坑點(diǎn)之間的平臺(tái)組成了由里向外分布的螺旋線光道. 當(dāng)激光光斑掃描這些坑點(diǎn)組成的光道時(shí), 就讀出了存儲(chǔ)的信息. CD光盤的2 個(gè)相鄰螺旋光道的間距約為1.5 μm[4],DVD光盤的2 個(gè)相鄰螺旋光道的間距約為0.74 μm,由于光盤內(nèi)徑和外徑為cm量級(jí),故光道近似平行且等間距,當(dāng)激光照射在光盤面時(shí),光盤像反射光柵一樣能夠發(fā)生光柵衍射現(xiàn)象[5].
在大學(xué)物理課堂教學(xué)中,可直觀演示光盤的光柵演示實(shí)驗(yàn). 當(dāng)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(jí)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(zhǎng),延長(zhǎng)線交于上光盤上一點(diǎn),即激光照射點(diǎn),延長(zhǎng)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(cè)到中央明條紋、1級(jí)主極大和2級(jí)主極大,DVD光盤只可觀測(cè)到中央明條紋和1級(jí)主極大.
圖1 光盤光柵演示實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)為640 nm. 當(dāng)激光束垂直照射在光盤面時(shí),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(jí)次.
圖3 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置原理如圖3所示,光盤放置在水平的桌面上,坐標(biāo)紙與光盤平行放置. 激光筆發(fā)射出的激光束穿過(guò)坐標(biāo)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(biāo)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(chǎn)生的條紋對(duì)稱地分布于坐標(biāo)紙上. 通過(guò)測(cè)量光柵衍射主極大的坐標(biāo)位置,計(jì)算光柵常量.
實(shí)驗(yàn)分別測(cè)量了空白的CD光盤、已刻錄過(guò)的CD光盤、空白的DVD光盤以及已刻錄過(guò)的DVD光盤. 光盤與坐標(biāo)紙的距離D=39.0 mm,1級(jí)主極大的位置為x1,1級(jí)主極大衍射角正弦值為sinθ1, 測(cè)量的光柵常量為d1;2極主極大位置為x2,2級(jí)主極大衍射角正弦值為sinθ2,測(cè)量的光柵常量為d2. 當(dāng)激光束垂直照射在光盤上,測(cè)得的數(shù)據(jù)如表1所示. 說(shuō)明:由于DVD光盤的光柵常量d較小,對(duì)于式(1),當(dāng)k=2時(shí),sinθ>1,故觀測(cè)不到2級(jí)主極大.
表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)
實(shí)驗(yàn)表明,已刻錄過(guò)的光盤和空白的光盤相比,測(cè)量的光柵常量相差很小,應(yīng)為實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差. 由于DVD的光柵常量比CD的光柵常量小,故1級(jí)衍射角較大.
國(guó)家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中CD光盤的2 個(gè)相鄰螺旋光道的間距約為1.5 μm,DVD光盤的2 個(gè)相鄰螺旋光道的間距約為0.74 μm,實(shí)驗(yàn)測(cè)得的光柵常量和國(guó)家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值相符很好.
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(dòng)光學(xué)中的光柵衍射現(xiàn)象,并利用光柵衍射測(cè)量了光盤的光道間距. 在大學(xué)物理課堂教學(xué)中進(jìn)行光盤的光柵演示實(shí)驗(yàn)不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,活躍了課堂氣氛,提高了教學(xué)效率,更是激發(fā)了學(xué)生運(yùn)用物理知識(shí)對(duì)身邊事物的探索興趣.
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[2] 王文麒,樂(lè)永康. 光盤結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)中的光學(xué)現(xiàn)象[J]. 物理實(shí)驗(yàn),2013,33(4):44-47.
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[4] 李靈杰. 試析光盤道間距測(cè)量中光柵方程的適用條件[J]. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2011,24(4):19-21.
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