王 祥 司民真 余春明

(楚雄師院物理與電子科學(xué)系 云南楚雄 675000)

CD-ROM(compact disc-read only m em ory)是一種只讀式存儲器,俗稱光碟(光盤),它由基底、鋁膜、保護(hù)層三層構(gòu)成.最下面是一層由聚碳酸脂樹脂構(gòu)成的較厚透明基底;接著是鋁金屬膜片,用以儲存有用的信息;最上面的是保護(hù)層.鋁金屬膜片經(jīng)過模具壓制,上面充滿很多小凹坑(槽),這些小凹坑在空間呈現(xiàn)周期性排列的螺旋軌道,它的最小凹坑線度為0.834μm,軌道間距為1.6μm;所以可以把光碟看成是反射光柵[1].筆者把常見的的CD光碟制作成反射光柵進(jìn)行實(shí)驗(yàn),給出了一種測量激光波長的新方法.

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 光碟結(jié)構(gòu)

光碟上的信息是通過壓制在光碟上的細(xì)小坑點(diǎn)來貯存的,并由這些不同時間長度的細(xì)小坑點(diǎn)(PIT)和坑點(diǎn)之間的平面(LAND)組成了一個由里向外的螺旋形數(shù)據(jù)軌跡.CD的軌跡間距為1.6 μm.CD光碟的結(jié)構(gòu)如圖1所示[2].CD光碟碟基類似一個位相光柵 ,當(dāng)光束通過光碟碟基有溝槽的區(qū)域時(或經(jīng)光碟碟基有溝槽的區(qū)域反射時)將發(fā)生衍射,如圖2所示[3].

圖1 光碟結(jié)構(gòu)俯視圖

圖2 CD-R光碟衍射原理圖(-1級、-2級等未畫出)

1.2 公式推導(dǎo)

當(dāng)激光垂直照射到光碟表面時,其L的數(shù)據(jù)軌跡便相當(dāng)于反射光柵的刻痕,從而使光束發(fā)生衍射,如圖3所示[4].一個1維反射光柵位于xOy平面內(nèi),狹縫平行于x軸,一束平行光平行于z軸負(fù)方向入射到反射光柵上(反射面在左側(cè)),圖3中僅畫出光柵剖面.每個反射單元形成次波源,各次波源的相位差為零.在光柵的后場各次波疊加,形成衍射光線.此時,零級衍射光線即為入射光線的反射光線其余各級衍射光線在反射光線兩側(cè)對稱分布(圖4中僅畫一個衍射單元的情形),其衍射角θ滿足光柵方程[4]

圖3

其中d為光柵常量,λ為入射單色光的波長,k為衍射主極大級次.對于零級主極大,k=0,此時θ=0.所以零級主極大即入射光線直接透射后的光線.各級衍射光線以反射光線(零級衍射光線)為始邊,向兩側(cè)展開,即衍射光線向光碟光柵的“凹坑”縱向展開.對于CD類光碟,衍射光線有5條(即k可取 0,±1,±2).由光路簡圖4(光碟光柵水平放置情況)可知

把此式代入光柵光柵方程有

對光碟而言光柵常量d=1.6μm,ai表示衍射光點(diǎn)(i=0,±1,±2,…)到零級衍射光點(diǎn)的距離,b表示零級衍射光點(diǎn)到光柵的垂直距離,λ為待測激光波長.

圖4 光柵水平放置光路圖

2 實(shí)驗(yàn)過程

首先調(diào)節(jié)儀器的“等高共軸”.所謂的“等高共軸”是指激光射到光屏上經(jīng)光屏反射仍然能進(jìn)入激光源并且射到光屏上的光點(diǎn)始終指一點(diǎn),不隨光屏的滑動而上下、左右移動.不上下移動說明已等高,光軸已與光具座平行;不左右移動說明光軸已與光具座垂直.用坐標(biāo)紙確定光屏的中心線(軸線)采用“三點(diǎn)一線”法來實(shí)現(xiàn)儀器的等高共軸,固定反射衍射光屏,主要調(diào)整激光的支架,使呈現(xiàn)在B支架光屏上的光點(diǎn)在光屏中心線上(即B支架軸心線上),并且高度與A支架針孔一樣高(可以用直尺量一下).把切取下來的光碟豎直(CD光碟軌道圓弧線與光屏中心線相切)貼在B支架的光屏上,根據(jù)反射衍射光點(diǎn)應(yīng)對稱和反射衍射光點(diǎn)應(yīng)在一直線上的特點(diǎn),找到最佳貼位,用膠帶把之貼在光屏上.實(shí)驗(yàn)裝置簡圖如圖5所示.

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置

其次,找最佳的測量位置.光碟光屏離反射衍射接收光屏越遠(yuǎn),衍射條紋越分散和不能呈現(xiàn)在接收屏上,在此取光碟光屏和衍射接收的最近距離(即緊挨在一起).此CD可見四個衍射條紋(1級,2級),由于反射衍射接收光屏的限制和最近距離已到極限,2級衍射光點(diǎn)已離開了反射衍射接收屏,不能呈現(xiàn)在反射衍射接收屏上,加長坐標(biāo)紙可以使之呈現(xiàn),但平整度不好,測量誤差會很大,所以舍棄2級衍射光點(diǎn),只取1級反射衍射光點(diǎn).

最后,采用光碟光柵水平放置(CD光碟軌道圓弧線與光屏中心線垂直)情況,在坐標(biāo)紙上記錄一組點(diǎn),即可求得激光的波長.

通過光具座讀數(shù)間接測得b,數(shù)據(jù)記錄如表1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

光碟水平放置情況,從坐標(biāo)紙上可讀得ay1+和ay1-.

代入公式(3)

誤差為-0.4 nm.

代入公式(3)

誤差為0.5 nm.

結(jié)論:把光碟當(dāng)反射光柵用來測激光波長所得的測量結(jié)果,誤差在允許范圍內(nèi).實(shí)驗(yàn)取材方便,操作簡單,是一種測量激光波長的好方法.

1 姚啟鈞.光學(xué)教程.北京:高等教育出版社,2008.102

2 許炎橋.一種簡便的光碟光柵常量測定方法.物理通報,2007(4):41

3 徐文東,干福熹,施宏仁,何紅,林強(qiáng).CD-R光碟碟基槽深和槽寬均勻性測試方法研究.中國激光,2001,28(11)

4 姚啟鈞.光學(xué)教程.北京:高等教育出版社,2008.97