CD光盤軌道間距測量

高范平　沈范申　沈自達(dá)

[摘 要]從合適的角度看光盤，在日光下可見彩色的輻射光帶，而且不同的觀察角度，光帶的色彩不同。當(dāng)白光照射到這種反射光柵上時(shí)，由于光柵衍射的作用，產(chǎn)生彩色光帶，其色彩取決于光柵常量和觀察角度。本實(shí)驗(yàn)就用一種簡單的方法來測量CD光盤的光柵常量。

[關(guān)鍵詞]激光發(fā)射系統(tǒng)；光柵常量；光柵衍射

[中圖分類號]TP333.4 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

光盤是一種常見的數(shù)字信息的載體，從上到下主要分為五層，即基板、記錄層、反射層、保護(hù)層、印刷層。從某個(gè)角度看光盤，在日光下可見彩色的輻射光帶，而且不同的觀察角度，光帶的色彩不同。如果仔細(xì)觀察光盤表面，會發(fā)現(xiàn)光盤上有一道道密集的“光道”，在“光道”上布滿了一個(gè)個(gè)長短不一的“凹坑”。正是這些“凹坑”記錄了數(shù)字信息“1”和“0”。這些“光道”在宏觀上表現(xiàn)出空間周期性，在反射層的作用下，光盤相當(dāng)于一種一維反射光柵。當(dāng)白光照射到這種反射光柵上時(shí)，由于光柵衍射的作用，產(chǎn)生彩色光帶，其色彩取決于光柵常量和觀察角度。本實(shí)驗(yàn)就用一種簡單的方法來測量CD光盤的光柵常量。

1 CD光盤軌道間距測量方法與基本操作

1.1 基本原理

1.1.1 光盤以臺或槽面的形式記錄信息，信息軌道呈阿基米德螺線形排列，可看成同心圓環(huán)。信道起源于中心位置，結(jié)束于光盤邊緣。由于道間距很小很小，所以在一定區(qū)域內(nèi)可將光盤磁軌道視為反射光柵。測量時(shí)利用激光照射光盤，光盤會發(fā)生明顯的光柵衍射現(xiàn)象，由反射光柵性質(zhì)得出光柵常量（即道間距）。

光柵方程為： dsin θ= kλ（1）

式中d 為光柵常量，即磁軌道間距；θ為衍射角；λ為入射光波長（這里λ= 633nm） ；k 為衍射級。

1.1.2 經(jīng)過推斷：（2）

式中h表示一級衍射斑點(diǎn)（ k = ±1） 到零級衍射斑點(diǎn)的距離，S表示零級衍射斑點(diǎn)到光盤的垂直距離。

由（1）、（2）式得：（3）

1.2 實(shí)際CD光盤軌道間距測量

第一步：調(diào)節(jié)光盤與木板的距離，使S等于200mm，用記號筆標(biāo)出光點(diǎn)在白紙上的位置；

第二步：改變S的大小，按S=250mm、300mm、350mm、400mm、450mm、500mm、550mm，重復(fù)步驟一；

第三步：每次改變S的大小以后都要重新調(diào)節(jié)光盤的位置，使白紙上的亮點(diǎn)都打在之前畫好的直線上，并且使零級亮點(diǎn)與孔重合；

第四步：對于不同S，用不同的符號標(biāo)記白紙上的點(diǎn)，加以區(qū)別。

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，取下粘在木板上的白紙，用直尺量出白紙上每一個(gè)標(biāo)記的點(diǎn)離小孔的距離，并記錄。（為了減小誤差，可以量出同一S，同一級（K），小孔上下對稱的兩亮點(diǎn)距離為2h，則這兩個(gè)亮點(diǎn)與小孔的距離都為h。）

2 結(jié)語

用簡單的儀器和簡便的方法測出CD光盤的軌道間距為d=1.609±0.014（μm），一般CD軌道間距約為1.6微米，誤差甚小。

誤差的主要來源有以下幾點(diǎn)：

在材料方面：我經(jīng)過多次選擇，最后選定一塊90cm*20cm的木板。這是我能找到的最好的木板了，但是木板不夠直，有地方凹陷，光衍射到木板上再進(jìn)行h的測量時(shí)會有誤差。另外，氦—氖激光的波長用633nm代入，與實(shí)際氦—氖激光器發(fā)出的波長可能有一定出入。

在儀器調(diào)節(jié)方面：雖然經(jīng)過調(diào)節(jié)（具體方法見四、實(shí)驗(yàn)方法與步驟），但無法實(shí)現(xiàn)激光嚴(yán)格水平射出，無法實(shí)現(xiàn)激光嚴(yán)格垂直打在光盤上。導(dǎo)致木板上的衍射光斑不能嚴(yán)格地落在之前所畫的直線上。

在實(shí)驗(yàn)操作方面：無法正確標(biāo)記木板上衍射光斑的位置。

在實(shí)驗(yàn)理論方面：光盤只能在某個(gè)局部區(qū)域看成等效光柵，所以衍射光斑很難在木板上排成一條嚴(yán)格的直線，會呈現(xiàn)一定的弧度。