光盤上的折射衍射偏振實驗

魯斌

(浙江省余姚中學 浙江 寧波 315400)

在高中物理課堂中，涉及的光學內容較為豐富．例如光的反射、折射、干涉、衍射、偏振等．筆者嘗試用生活中常見的光盤進行課堂演示實驗，有利于增加課堂的趣味性并引導學生充分理解光學現象的物理內涵．

1 CD-R光盤的結構

如圖1所示，CD-R光盤是由基板(基盤)、染料層、反射層、保護層、印刷層組成．其中，基板由PC(樹脂)材料構成，染料層厚度約100 nm．

圖1 CD-R光盤的結構

如圖2所示，CD光盤的2個相鄰螺旋光道的間距約為1.5 μm[1]．這種存儲元件主要依靠其信息存儲層上的“凹坑”結構進行信息的記錄與存儲．當此光盤在進行燒錄時，激光就會對在基板上涂的有機染料進行燒錄，直接燒錄成一個接一個的“坑”，這樣有“坑”和沒有“坑”的狀態就形成了“0”和“1”的信號．這一連串的“0”“1”信息，就組成了二進制代碼，從而表示特定的數據．

圖2 光道和凹坑

2 光盤上的折射實驗

由于基板由PC材料構成，可透光，又具有厚度，則可將側面為界面進行折射實驗．

2.1 折射率的測量

如圖3所示，光從左后側進入光盤后發生折射．入射光、反射光、折射光都很清晰，反射光能夠在界面進行多次折射與反射．我們挑選一個較為特殊的位置，即3條反射光構成一個正三角形．經過測量，入射角i=50.1°,折射角r=30.0°．根據折射定律

圖3 折射實驗

2021年6月浙江選考第12題正是利用此實驗進行光學內容的考查．

2.2 掠入射

如圖4所示，我們可以將光線掠入射進入，在界面進行了多次反射與折射．測量臨界角c=40.1°

圖4 掠入射

根據折射率與臨界角的關系

這與之前的結果符合得很好．

2.3 其他實驗

如圖5所示，由于光盤中間有一小孔，孔中為空氣，故光在此交界面也會發生折射，進而再次進入樹脂材料，實現了多次折射．在課堂教學中，可以讓學生通過預判，繪制相應光路圖，并用實驗驗證．

圖5 多次折射

如圖6所示，由于小孔中空氣為光疏介質，則增大入射角時，在交界面會發生全反射現象．在課堂教學中，可以通過測量剛發生全反射時的臨界角，計算材料折射率．

圖6 全反射

3 光盤上的衍射實驗

CD光盤的2個相鄰螺旋光道的間距約為1.5 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生光柵衍射現象．對于白光的衍射，如圖7所示，我們可以觀察到明顯的色散現象.

圖7 衍射產生的色散

3.1 衍射現象的觀察

實驗原理圖如圖8所示，將光盤豎直放置，激光器垂直入射光盤，使其能夠反射到墻面，得到相應的衍射條紋．

圖8 光柵衍射原理圖

當入射點為最低點P時，由于光道近似水平分布，則產生如圖9所示的衍射現象．

圖9 光盤反射光柵衍射圖樣

當入射點為Q時，由于光道近似豎直分布，則產生如圖10所示的衍射現象．另外，由于光道存在一定的弧度，則衍射條紋也產生一定的彎曲分布．

圖10 光盤反射光柵衍射圖樣

3.2 光柵常數的測量

使用綠色激光筆作為激光源，其波長為532 nm．當激光束垂直照射在光盤面時，其光柵方程為

dsinθ=kλ

式中d為光柵常數，θ為主極大的衍射角，k為衍射級次．通過測量光柵衍射主極大的坐標位置，計算光柵常數．

光盤與墻面的距離OQ=62.00 cm，1級主極大的位置為x1，1級主極大衍射角為φ1；2極主極大位置為x2，2級主極大衍射角φ2．所得數據如表1所示.

表1 光柵衍射數據

實驗測得光道的間距為1.48 μm，與一般的參數符合得很好．

4 光盤上的偏振實驗

4.1 空白光盤上的偏振實驗

首先，將偏振片置于手電筒前，轉動偏振片，發現墻面的光斑強弱不變，說明手電筒發出的光不是偏振光．之后，準備一張空白光盤，即數據未寫入的光盤．

實驗裝置如圖11所示，光源發出的光經過空白光盤反射后，在墻上留下清晰的反射斑．接著，將一塊偏振片放在反射光的路徑上，轉動偏振片，可以看到反射光斑的強弱發生變化，說明反射光是部分偏振光．在布儒斯特角下，強弱變化尤為明顯．這與光在桌面、水表面等界面反射的效果一致．這說明，光盤內部雖然存在光道，但由于數據未寫入，幾乎不存在“凹坑”，反射光的反射較為整齊，屬于鏡面反射，未改變反射光的偏振方向(圖12)．

圖11 反射光的偏振

圖12 在光盤表面發生“鏡面反射”

4.2 非空白光盤上的實驗

將原實驗光路中的空白光盤替換為非空白光盤，再進行上述實驗，發現無論偏振片如何轉動，都不能觀察到明暗交替出現的現象．這說明，由于數據的寫入，存在較多的“凹坑”，入射光到達光盤表面進行漫反射，反射不再整齊，偏振方向發生轉動(圖13)．

圖13 在光盤表面發生漫反射

5 結束語

光盤作為常見數據存儲器件，學生接觸較多，也較容易得到．我們在光盤上進行折射、衍射、偏振實驗，儀器簡單，方法明確，效果顯著．將這3個實驗引入課堂教學，有利于增強學生對于這些光學現象的理解，進一步激發學生探索生活中物理現象的興趣．