光盘参数的测量实验报告

1光盘参数的测量摘要：通过将光盘径向结构和切向结构都等效为光栅，利用衍射现象分别测量光栅常数，从而计算光盘径向、切向参数，进而估算光盘容量。关键词：光盘；光栅；衍射；道间距；信道长度一、实验目的、目的和要求测量光盘的径向与切向的结构，从而推算光盘的容量，加深对光的衍射现象的理解和掌握。二、实验原理1、衍射光在传播路径中，遇到不透明或透明的障碍物或者小孔（窄缝），绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象称为光的衍射。衍射时产生的明暗条纹或光环，叫衍射图样如果采用单色平行光，则衍射后将产生干涉结果。相干波在空间某处相遇后，因位相不同，相互之间产生干涉作用，引起相互加强或减弱的物理现象。衍射的结果是产生明暗相间的衍射花纹，代表着衍射方向（角度）和强度。根据衍射花纹可以反过来推测光源和光栅的情况。为了使光能产生明显的偏向，必须使光栅间隔（光栅常数）具有与光的波长相同的数量级。这是光栅发生明显衍射的条件。惠更斯提出，媒质上波阵面上的各点，都可以看成是发射子波的波源，其后任意时刻这些子波的包迹，就是该时刻新的波阵面。菲涅尔充实了惠更斯原理，他提出波前上每个面元都可视为子波的波源，在空间某点P的振动是所有这些子波在该点产生的相干振动的叠加，称为惠更斯－菲涅尔原理。2、衍射光栅衍射光栅是一种由密集﹑等间距平行刻线构成的非常重要的光学器件，分反射和图1衍射光栅2图2CD与DVD近似微观结构图3实验仪器摆放透射两大类。投射光栅如图1所示。光栅形成相长干涉时满足公式sinndn，其中d为两狭缝之间的间距,为衍射角度，n为衍射条纹级数，为波长。当平面波以入射角i入射时，光栅方程写为(sinsin)midm。因而可通过测出衍射角度和激光波长来测量光栅缝间距，即光栅常数，而不受光栅缝宽得影响。3、光盘结构和光盘参数光盘微观结构近似如图2所示。需要测量的光盘参数有道间距d，记录点长度d∥，信息区内半径r内和外半径r外。由于光道曲率远大于记录点长度，因此在激光束照射区可视为直线，光盘表面则可视为一组光栅，光道道间距和记录点长度即为等效光栅常数，记为d和d∥。设光盘信息区内半径为r内，外半径为r外，则总信道数rrnd外内。总信道长度2213512[()()()...()]()2222Lrdrdrdrdrrd内内内外外内。总记录点数LNd∥。以此可换算光盘容量。三、实验器材He-Ne激光器（632.8nm）、半导体激光器（532nm）、CD光盘、DVD光盘、屏幕、支架、刻度纸、直尺、游标卡尺。3四、实验步骤1、安装和调节实验仪器。在屏幕中央孔加贴玻璃片，打开激光器，使玻璃片反射光点与激光出射孔重合。取下玻璃片，将光盘夹上支架，使光盘反射衍射形成的零级亮斑与屏幕中央孔重合。此时激光光束与观察屏和光盘表面分别垂直。2、d和d∥的测量测量零级衍射亮斑与一级衍射亮斑的距离l，测量光盘与观察屏的距离D，则衍射角正弦22sinllD，代入激光波长即可计算d和d∥。3、光盘容量的测量测量信息区内外半径，计算信道长度L和光盘总容量。五、实验记录1、纵向结构的测量使用He-Ne激光器。对于DVD和CD，都在观察屏上与所测点所在直径相平行的方向上观察到了一列亮斑，其中，中间较亮，往两边亮度递减，间隔也递减。DVD:序号n/Lcm1/lcm1/dnm2/lcm2/dnm16.7811.0074311.0074326.4210.3674410.3074637.1211.5274411.487457440.74dnmm，与参考值基本相符。CD:序号n/Lcm1/lcm1/dm2/lcm2/dm110.865.001.515.141.48211.605.301.525.521.47313.226.201.496.161.50417.908.441.488.261.514图4一般CD光盘衍射图样518.248.581.498.501.50619.889.381.489.381.481.49dm，与参考值1.6m有7%的相对误差。由于相对误差较大，因此改变实验条件后增加了实验次数，但是结果基本不变，因此认为是CD光盘之间有一定的规格差异，实验所用光盘的参数与参考值误差在规格整体允许范围之内。2、切向结构的测量根据公式sinndn可知仅在d时可观察到垂直入射下的反射衍射图样，因而无法在垂直入射情况下测量DVD的切向结构，而CD的一级亮斑衍射角度理论值约为50度。但是由于实验所用CD都是使用过的非空白光盘，不同记录点无规律分布，记录点长度也不是定值，因而对于实验所提供的不同CD光盘，都没能在切向的方向上观察到预期的亮斑。对于一些CD光盘，观察到了在径向亮斑带两侧紧贴着两条平行的较暗的细线，但由于直线间距很小，并不能对应到CD的某级衍射图样，这两条细线的产生原理尚不明确。对于其他的一些光盘，在径向亮斑带两侧较远的地方对称分布着两条散乱的光带，这两条光带由散乱无章的亮点构成，分别沿径向方向对称，中间密，两边暗，在径向方向上也比较连续，也不能对应到CD的某级衍射图样。（如图4所示）5但是在一张CD的内圈非信息区，观察到了类似六边形对称分布的衍射光斑，在观察屏上与切向相平行的方向上也有规律分布的衍射光斑（如图5所示），且衍射角度与50度相近，因而猜测是由光盘均匀的切向结构产生，此区域恰好为光盘生产厂商保留的未经数据记录的空白区域，其光栅常数即为d∥。使用He-Ne激光器。L=7.90cm。/lcm/dm/lcm∥/dnm∥3.401.608.028883.401.608.36871换用半导体激光器。L=9.60cm。/lcm/dm/lcm∥/dnm∥3.321.637.228853.421.597.248841.60dm;882dnm∥。此次光盘的径向道间距与参考值相符，而切向间距略大图5特殊CD光盘区域的六边形衍射图样6图6倾斜入射情况于最小记录点长度0.83m，这是因为包含了记录点之间的距离，所以也符合。对于DVD，理论上斜入射可以观察到切向衍射光斑，但是实际实验中并没有观察到类似现象。猜想也是由于样品DVD并不是空白的，不同长度的记录点散乱分布，因此只能产生CD类似的现象。DVD切向结构的测量只能放弃了。3、光盘容量的测量CD信息区r2.30cm内，外半径为r5.90cm外。计算得总信道长度223()5.7910Lrrmd外内。总记录点数96.5610LNd∥，即CD光盘容量为96.5610bit，换算得容量为783MB。六、实验讨论1、误差分析及改进实验中采用在观察屏孔贴玻璃片，反射激光束至激光出射孔的方法来检测观察屏与激光束垂直，由于激光光束有一定宽度，玻璃片与观察屏不完全贴合，因而可能出现观察屏与激光束不完全垂直的情况。若激光斜入射，即入射激光与观察屏表面不垂直，但光盘衍射主极大仍然保持与观察屏入射孔重合，即保证激光光束仍然垂直光盘表面。如图所示，设实验中所测得的光盘与观察屏的距离恰为AH，则实际一级衍射角的正弦为sinsin()sincoscossinOABOAHBAHOAHBAHOAHBAH，代入得22222222()sin()()()()OHBHAHOBAHOABAHOHAHBHAHOHAHBH，同理可得22222222()sin()()()()CHOHAHOCAHOACAHCHAHOHAHCHAHOH。而计算值将是122sinOBAHOB，222sinOCAHOC。实际值与计算值的比值将是7422222222224222221()(2)sinsin()()()AHAHOHBHAHOHBHOABAHAHOBAHOHAHBHAHAHOHBHOHBH，估算其比值将略大于1。而2222222sin1sin()()OACAHAHOCAHOHAHCH，根据激光倾斜程度会有不同程度的误差。其改进方法比较简单。调整光盘衍射主极大与观察屏出射孔重合之后，光盘表面与激光束基本垂直，则光盘将与观察屏不平行，因而只要测量光盘同一直径两端到观察屏的距离，若两端距离不同那么就符合这种误差情形，需要进一步调整。实验的另一种误差是，本实验所用的观察屏有一定弹性，架于支架上之后会向一边弯曲，导致观察屏竖直方向上与光盘表面距离不恒定，不平行，在测量观察屏竖直方向的干涉分布的时候必然有一定误差。因此有条件的实验室可以换用低弹性低延展性的观察屏材料。除此之外，建议将需要测量的衍射图样呈现在水平方向测量，因为观察屏某一高度在水平方向上仍然近似为一条直线。2、一个小误区一些实验者误把最小记录点长度作为切向结构对应的光栅常数，然而实际上光栅常数应该为记录点长度加上相邻记录点之间的距离。3、特殊衍射成像的原因猜想原光盘结构预期如下图所示：其中黑色区域为记录点，且长度相同、结构相同，这样在切向和纵向上都是标准的光栅结构。此时对应的衍射图样应为：8在切向和纵向上都为一系列平行线，在平行线相交处为衍射亮斑。然后实验中并没有观察到切向对应的衍射光斑，因为切向记录点长度不恒定。而观察到的特殊衍射光斑图样大致分布如下图所示：其衍射光斑类似正六边形的结构分布应该对应到光盘光栅也有类似正六边形的结构。因而猜想如下：9这样，每个记录点有6个相邻记录点，除了沿切向平移一定距离可以与相邻记录点重合外，在斜向上，一个记录点向四个方向分别平移相同的距离也可以和相邻记录点重合。这样，光盘记录点除了在切向和纵向形成衍射光栅外，在两个斜向也可以形成衍射光栅。只要上述平移距离相近，那么切向和斜向的光栅常数也是相近的，这样就可以形成类似正六边形的衍射图样。当然，这只是一个猜想，这对光盘结构的对称性要求也非常的高，尤其要求相邻信道正好叉开半个记录点长度多。如果满足实验条件能够用显微镜等仪器来验证会比较好。七、实验结论实验中所测得的CD光盘，一个样品的道间距为1.49μm，另一个样品的道间距为1.60μm，记录点间隔882nm，光盘容量783MB。实验中所测得的DVD光盘样品道间距为744nm。参考文献：【1】黄振永等.光盘等效光栅常量和存储容量的测量.物理实验.2008年1月，第28卷第1期，5-8.