光盘上的折射衍射偏振实验

2022-07-04鲁斌

物理通报 2022年7期

关键词：偏振片反射光偏振

鲁斌

(浙江省余姚中学浙江宁波 315400)

在高中物理课堂中，涉及的光学内容较为丰富．例如光的反射、折射、干涉、衍射、偏振等．笔者尝试用生活中常见的光盘进行课堂演示实验，有利于增加课堂的趣味性并引导学生充分理解光学现象的物理内涵．

1 CD-R光盘的结构

如图1所示，CD-R光盘是由基板(基盘)、染料层、反射层、保护层、印刷层组成．其中，基板由PC(树脂)材料构成，染料层厚度约100 nm．

图1 CD-R光盘的结构

如图2所示，CD光盘的2个相邻螺旋光道的间距约为1.5 μm[1]．这种存储元件主要依靠其信息存储层上的“凹坑”结构进行信息的记录与存储．当此光盘在进行烧录时，激光就会对在基板上涂的有机染料进行烧录，直接烧录成一个接一个的“坑”，这样有“坑”和没有“坑”的状态就形成了“0”和“1”的信号．这一连串的“0”“1”信息，就组成了二进制代码，从而表示特定的数据．

图2 光道和凹坑

2 光盘上的折射实验

由于基板由PC材料构成，可透光，又具有厚度，则可将侧面为界面进行折射实验．

2.1 折射率的测量

如图3所示，光从左后侧进入光盘后发生折射．入射光、反射光、折射光都很清晰，反射光能够在界面进行多次折射与反射．我们挑选一个较为特殊的位置，即3条反射光构成一个正三角形．经过测量，入射角i=50.1°,折射角r=30.0°．根据折射定律

图3 折射实验

2021年6月浙江选考第12题正是利用此实验进行光学内容的考查．

2.2 掠入射

如图4所示，我们可以将光线掠入射进入，在界面进行了多次反射与折射．测量临界角c=40.1°

图4 掠入射

根据折射率与临界角的关系

这与之前的结果符合得很好．

2.3 其他实验

如图5所示，由于光盘中间有一小孔，孔中为空气，故光在此交界面也会发生折射，进而再次进入树脂材料，实现了多次折射．在课堂教学中，可以让学生通过预判，绘制相应光路图，并用实验验证．

图5 多次折射

如图6所示，由于小孔中空气为光疏介质，则增大入射角时，在交界面会发生全反射现象．在课堂教学中，可以通过测量刚发生全反射时的临界角，计算材料折射率．

图6 全反射

3 光盘上的衍射实验

CD光盘的2个相邻螺旋光道的间距约为1.5 μm．由于光盘内径和外径为cm量级，故光道近似平行且等间距，当激光照射在光盘面时，光盘像反射光栅一样能够发生光栅衍射现象．对于白光的衍射，如图7所示，我们可以观察到明显的色散现象.

图7 衍射产生的色散

3.1 衍射现象的观察

实验原理图如图8所示，将光盘竖直放置，激光器垂直入射光盘，使其能够反射到墙面，得到相应的衍射条纹．

图8 光栅衍射原理图

当入射点为最低点P时，由于光道近似水平分布，则产生如图9所示的衍射现象．

图9 光盘反射光栅衍射图样

当入射点为Q时，由于光道近似竖直分布，则产生如图10所示的衍射现象．另外，由于光道存在一定的弧度，则衍射条纹也产生一定的弯曲分布．

图10 光盘反射光栅衍射图样

3.2 光栅常数的测量

使用绿色激光笔作为激光源，其波长为532 nm．当激光束垂直照射在光盘面时，其光栅方程为

dsinθ=kλ

式中d为光栅常数，θ为主极大的衍射角，k为衍射级次．通过测量光栅衍射主极大的坐标位置，计算光栅常数．

光盘与墙面的距离OQ=62.00 cm，1级主极大的位置为x1，1级主极大衍射角为φ1；2极主极大位置为x2，2级主极大衍射角φ2．所得数据如表1所示.

表1 光栅衍射数据

实验测得光道的间距为1.48 μm，与一般的参数符合得很好．

4 光盘上的偏振实验

4.1 空白光盘上的偏振实验

首先，将偏振片置于手电筒前，转动偏振片，发现墙面的光斑强弱不变，说明手电筒发出的光不是偏振光．之后，准备一张空白光盘，即数据未写入的光盘．

实验装置如图11所示，光源发出的光经过空白光盘反射后，在墙上留下清晰的反射斑．接着，将一块偏振片放在反射光的路径上，转动偏振片，可以看到反射光斑的强弱发生变化，说明反射光是部分偏振光．在布儒斯特角下，强弱变化尤为明显．这与光在桌面、水表面等界面反射的效果一致．这说明，光盘内部虽然存在光道，但由于数据未写入，几乎不存在“凹坑”，反射光的反射较为整齐，属于镜面反射，未改变反射光的偏振方向(图12)．