大新闻！重磅揭秘物理所实验室"秘密武器"的原理 | 正经玩_风闻

原创：中科院物理所

相信大家应该都用过光盘，

光盘没有芯片，

是怎样储存数据的呢？

今天小编就带大家来看一下，

光盘有着怎样的独特结构，

再带大家做一下大物实验(不要怕)，

计算一下光盘的数据。

做完这些，

你就可以对物理所实验室的秘密武器之一—XRD技术有所了解了。

实验器材

光盘、激光笔、卷尺、笔和纸

实验过程

第一步：

本次的实验操作很简单，只需要找到一个合适的距离，用激光笔照射光盘的光面，我们在墙面上就可以看到一个个的光斑。这其实就是光盘上一个个小光栅导致的衍射斑。

第二步：

原来我们光盘能够记录数据，是因为**它表面有一道道小的刻线，也就是光栅，信息便存储在其中。**下面我们计算一下光栅常数，也就是光栅两刻线间的距离。我们需要测量的数据有光盘到墙面之间的距离D，一列衍射光斑中最中心的一级光斑与旁边的二级光斑之间的距离x。如图所示，我们测量的数据为D = 32cm，x = 12cm。

第三步：

利用这些数据，我们首先可以得到θ角的正弦值sinθ，利用三角函数公式，

之后将sinθ和绿光波长λ = 532nm代入到光的衍射公式dsinθ=λ，就可以计算得到光栅常数d的值，d = 1520nm。也就是说，光盘上的一道道刻线间距仅为1520nm。从网上查到光盘的光栅常数国家标准是1.5微米，即1500nm，与我们的计算结果比较接近，说明我们的测量是比较准确的。

原理解说

首先我们来看光盘的结构。光盘通过在“反光的那一面”上刻出一条一条的凹槽来存储信息。对于计算机来说，每一个凹槽代表数字“0”，而没有凹槽的位置表示数字“1”。

光盘的微观结构

光盘上没有凹槽的地方可以反光，而凹槽的地方则不会反光。这形成了一个著名的光学结构，叫做“光栅”。

光栅

当光经过光栅的时候，会发生衍射的现象，本来沿着直线传播的光则会发生偏折。在后面的光屏上呈现出一系列的光斑。

当一束光通过光栅以后，在光栅后方形成的光场分布。| 图源：wiki

利用光学的公式，可以得到激光在通过光栅以后形成的光斑的位置满足的方程，这个方程也叫做“光栅方程”

其中θ为光斑到光栅连线与光栅法线之间的夹角，λ 为入射光的波长，d为光栅中两个缝隙之间的间距，也就是对应于光盘中两个凹槽在径向上的间距。而其中的k为整数，对应于不同的光斑，这也叫光斑的“级”。

不同入射光在经过光栅衍射后形成的不同图样 | 图源：[1]

从光栅方程中可以看出，对于同一级的光斑来说（相同），如果入射光的波长不同，那么衍射后的光斑也会出现在光屏的不同位置（不同）。这也就意味着，如果入射光是白光或者其他复色光，那么在经过光栅后会发生色散。

白光经过光栅以后发生的色散 | 图源：wiki

现在让我们回到今天的小实验上。我们通过测量光盘、光屏（墙面）、光斑间距等参数，就可以确定光栅衍射光斑的位置 ，然后将激光器发出激光的波长数据带入到光栅方程中就可以计算得到光盘的光栅常数。

需要说明的是，对于不同的颜色的激光笔来说，发出光的波长是不同的。一般来说，红色激光笔的波长大约为650nm；而绿色激光笔的波长大约为532nm。而对于不同的光盘来说，光盘的光栅常数也会不同。对于CD光盘来说，光栅常数应该约为1600nm，而对于DVD光盘来说，光栅常数应该约为740nm。

利用光栅衍射的原理，我们也可以探测晶体的结构。利用波长非常短的X光来照射晶体，晶体中的每一个原子也会散射X光。**而晶体中原子的周期性排列也可以被看作是“光栅”，因此可以通过观察X射线通过晶体的衍射图样来得到晶体的结构。**这项技术在凝聚态物理领域有着非常广泛的应用。

晶体的X射线衍射 | 图源：wiki

参考资料：

[1] https://zhuanlan.zhihu.com/p/145789054

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Diffraction_grating

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Bragg%27s_law