用CD光碟在光具座上測激光的波長

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(chǔ)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(chǔ)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(shí)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(gè)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(gè)位相光柵 ,當(dāng)光束通過光碟碟基有溝槽的區(qū)域時(shí)(或經(jīng)光碟碟基有溝槽的區(qū)域反射時(shí))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(jí)、-2級(jí)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(shí),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(gè)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(gè)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(shí),零級(jí)衍射光線即為入射光線的反射光線其余各級(jí)衍射光線在反射光線兩側(cè)對(duì)稱分布(圖4中僅畫一個(gè)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(jí)次.對(duì)于零級(jí)主極大,k=0,此時(shí)θ=0.所以零級(jí)主極大即入射光線直接透射后的光線.各級(jí)衍射光線以反射光線(零級(jí)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(duì)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(duì)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(jí)衍射光點(diǎn)的距離,b表示零級(jí)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(dòng)而上下、左右移動(dòng).不上下移動(dòng)說明已等高,光軸已與光具座平行;不左右移動(dòng)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(duì)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(gè)衍射條紋(1級(jí),2級(jí)),由于反射衍射接收光屏的限制和最近距離已到極限,2級(jí)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(huì)很大,所以舍棄2級(jí)衍射光點(diǎn),只取1級(jí)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(bào),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