光学设计性试验《光盘性质的研究》学院：物理学院专业：物理学指导老师：李金环姓名：陈哲学号：1221410007光盘性质的研究【摘要】CD光盘上的信息是通过压制在光盘上的细小坑点来贮存的,并由这些不同时间长度的细小坑点和坑点之间的平台组成了由里向外分布的螺旋光道.当激光光斑扫描这些坑点组成的光道时,就读出了存储的信息。
光盘盘片光道间距为0.74μm,.并且其最小记录点长度为0.4μm,如此小的光道间隔密度和光栅的光栅常量的数量级相当，因此光盘在激光的照射下会像反射光栅一样发生光栅衍射现象。
当我们把衍射光斑记录在光屏上，我们就可以根据光的衍射计算出光栅常量b,从而可以计算出光盘的周期。
【关键词】光道反射光栅衍射现像光盘周期光盘厚度【实验目的】（一）了解光盘CD，VCD，DVD的构成及光学性质；（二）学会解释出现的光学现象；【实验要求】（一）设计实验方案，推导出实验的原理和公式，画出光路图；（二）使用多种方法进行测量；（三）光盘的刻线走向及刻线密度。
【实验仪器】激光器，废旧光盘三个、没有刻录过的光盘三个、自己制作的可以记录具体位置的光屏一个，光聚座一个，分光计一个。
【实验原理】1光盘的结构光盘的物理构造：CD光盘上记录的信息最小单元是比特（bit）。
在聚碳酸脂材料上用凹痕和凸痕的形式记录二进制“0”和“1”，然后覆上一层薄铝反射层，最后再覆上一层透明胶膜保护层，并在保护层的一面印上标记。
我们通常称光盘的两面分别为数据面和标记面。
目前通常用的光盘直径为12cm，厚度约为1mm，中心孔直径为15mm，重约14--18g。
光盘由透明塑料PCC聚碳酸酷基片做成，由衬底层、反射层及保护层和最上面的商标层组成。
光盘的信息是通过激光反射原理从信息面通过透明塑料来读取的。
图1 光盘的基本结构在反射层中有四凸坑来表示的信息，当激光头的激光束照射这些凹凸坑时，产生强弱不同的反射光，再将这些反射光变为大小不同的电流，经解码电路还原成信号。
光盘的信息坑长为0.9-3.2μm，信息坑宽为0.5μm，信息坑深为0.11μm，信息纹迹间距为1.6μm。
2.光盘的读取原理光盘的原理是：光盘能以二进制数据(由“0”和“1”组成的数据模式)的形式存储文件和音乐信息。
要在光盘上存储数据，首先必须借助电脑将数据转换成二进制，然后用激光将数据模式灼刻在扁平的、具有反射能力的盘片上。
激光在盘片上刻出的小坑代表“1”，空白处代表“0”。
.在从光盘上读取数据的时候，定向光束(激光)在光盘的表面上迅速移动。
从光盘上读取数据的电脑或激光唱机，观察激光经过的每一个点，以确定它是否反射激光，如果它不反射激光(那里有一个小坑)，那么电脑就知道它代表一个“1”，如果激光被反射回来，电脑就知道这个点是一个“0”，然后，这些成千上万、或者数以百万计的“1”和“0”又被电脑或激光唱机恢复成音乐、文件或程序。
3.实验理论基础CD光盘上的信息是通过压制在光盘上的细小坑点来贮存的,并由这些不同时间长度的细小坑点和坑点之间的平台组成了由里向外分布的螺旋光道.当激光光斑扫描这些坑点组成的光道时,就读出了存储的信息.CD光盘的2个相邻螺旋光道间的间距约为1.6μm,.相当于160000T.PI(.每英寸轨道数)的道密度,并且其最小记录点长度为0.83μm而4.7GB容量的DVD.光盘盘片光道间距为0.74μm,.并且其最小记录点长度为0.4μm,.如图2所示如此小的光道间隔密度和光栅的光栅常量的数量级相当，因此光盘在激光的照射下会像反射光栅一样发生光栅衍射现像。
图2.CD.与DVD.记录点大小与轨道间距比较对于信息坑呈螺旋型轨迹分布的光盘而言,由于在径向方向上光道间隔和光栅的光栅常量的量级相当,.在垂直于径向方向上信息坑和坑间的平台也近似等效于光栅结构,.所以光盘的衍射光强分布近似为正交形分布(.仅对垂直入射而言)当激光束垂直于光盘面入射时满足的光栅方程为： d 1*sin θ=k 1λ, d 2*sin ψ=k 2λ（1)其中,d 1为径向的等效光栅常量,d 2为垂直于径向的等效光栅常量,θ为径向的衍射角,ψ为垂直于径向的衍射角,k 1为径向的衍射级次，k 2为垂直于径向的衍射级次.实验测量装置原理如图2.所示He-Ni 激光器发出的激光束穿过坐标纸的中心小孔后垂直地照射在光盘的中垂线,且零级条纹也穿过坐标纸的中心小孔这样做可使得光盘面、坐标纸同时垂直于激光器发出的激光束,并使光盘衍射产生的条纹对称地分布于坐标纸上此外,光盘垂直地放置在分光计的载物台上,其调节方法与分光计的调节及棱镜角的测定0的方法相同. 由图2.可知, sin θ=OA/PA=OA/)(22OP OAsin ψ=OC/PC=OC/)(22OP OC +(2) 根据d*sin θ=k*λ可以得到图3.激光束垂直照射光盘的中垂线时的实验装置原理图由(2)可知,只要知道波长λ，衍射级次k 、OA 、PO 、OC 的值就可以计算出光栅常量d 的值.实验时发现CD 光盘的k=0,1,2和DVD 光盘的k=0,1时衍射级次较易测量. 【实验内容及实验的步骤】1.按照下图的顺序摆放实验仪器，在调节的过程中尽量的使0级条纹和光闸重，这样做的目的是入射光和光盘的平面是垂直的，保证了光是垂直入射的；2.在观察CD 衍射现象时，记录0、1、2条纹的位置，在观察DVD 的时候记录0、1级条纹的位置；3.在实验的过程中出现了迈克尔干涉的现象，利用分光计的刻度盘，研究光盘的在转动一定角度的时候，是否是前后面的干涉产生的这种现象； 【实验结果及数据处理】1.CD 光盘的实验结果(由已知条件可知，激光的波长λ=633nm)2.DVD的实验数据3.研究未刻录过的DVD光盘上产生的干涉圆环现象的实验结果记录圆环冒出N=20时圆环转过的角度4.研究刻录过的DVD 光盘上产生的干涉圆环现象的实验结果 记录圆环冒出N=20时圆环转过的角度数据处理分析1.由表一和表二分析可得，CD 光盘的刻线的密度分别为1b =6 (6)21b b b +++=938.04nm=0.93804μm ,DVD 光盘的刻线密度为2b =6 (6)21b b b +++=664.677nm=0.664677μm ,通过比较CD 光盘和DVD 光盘我们发现DVD 的刻线密度明显大于CD 的密度，这也就是说DVD 的储存信息的能力变强了，其储存的空间变大了。
2.分析光盘上因为转过一定的角度出现的迈克尔干涉的现象，′ 前后表面的干涉现象是等厚干涉产生的光程差Δ=2d(icos 1-1)； 衍射方程为Δ=N*λ/2； 未刻录过的光盘θ1=4°38′； 刻录过的光盘θ2=7°19.3′； 未刻录过的光盘的厚度d1=0.973cm 刻录过的光盘的厚度d2=0.385cm分光计为旋转轴的过程中，由于光盘的前后表面有干涉的现象，所以我们在研究该过程中是探索的方法去研究的。
假设光盘产生的前后表面的干涉现象是等厚干涉产生的光程差Δ=2d(icos 1-1),同时我们可以知道一级衍射方程为Δ=N*λ/2,由实验结果可知未刻录过的DVD旋转的角度为θ1=4°38′，刻录过的DVD光盘旋转的为角度θ2=7°19.3′。
对以上的实验数据进行处理未刻录过的光盘d1=0.973cm,刻录过的光盘的厚度d2=0.385cm.由实验的结果可知我们判断出光盘上产生的环状的干涉条纹是由于光盘的前后表面的干涉所产生的现象，因为我们假设是由于光盘的前后表面的干涉产生的，在旋转光盘的过程中，光程差不断的变化从而发生了等倾干涉。
从我们的实验结果分析可以看出我们的实验假设是成立的，因为标准的厚度是1-1.2cm左右，由于我们的实验存在误差，所以我们的实验结果在数量级上是正确的，并且我们的实验数据也是十分的接近标准的厚度，所以我们的假设正确。
3.实验误差分析(1).激光束不能严格照射在光盘的某中垂线上确保激光束严格照射在光盘的某个直径上的方法是:使得坐标纸上的O,A和AC,B和BC五个点在同一条竖线上实验发现,当入射光偏离直径方向入射时,即斜入射光盘时,衍射点A与Ac和B与BC虽然呈对称分布,但是O,A及AC,B及BC并不是严格在同一直线上,如图3.所示,这与光道并非直线形光栅有关研究该5点满足的轨迹方程有助于研究光驱中光学头的精确定位技术(a)入射点偏左(b)入射点偏右图3.O,A,Ac,B和BC衍射分布注意:在图3.中仅画出了与dl对应的衍射分布,实际上O,A,AC,B和BC五个点还有垂直于切线的衍射分布,如图4.中的A点和B点,其他点也有类似的现象[4]实验中还发现在O处的x方向上相邻的3个级次点的位置有奇特的现象:当光盘绕着载物台的中心旋转时,x3将向O点靠近,并且会和x2重合,继续绕同一方向旋转时又会和x1重合,继续旋转衍射级重合点又会分离.该现象产生的原因和规律有待于进一步研究.图4.A点和B点处的衍射分布；(2)在探究光盘上因为旋转而产生的干涉光环时，分光计没有严格的水平放置，所以在测量的角度上存在着一定的误差；(3)O,A,AC,B 和BC 五个点不对称分布于坐标纸上减小该误差的方法是使从光盘衍射的零级光也穿过坐标纸的中心小孔；(4)计算光盘的存储容量时的最大误差来源是d 1的值由于光盘存储的信息/00和/10通常的分布不是对称的,如/01000110111111010110,所以的值会因激光照射的位置变化可能有较大的变化,这就给估算光盘的存储容量带来了较大误差其解决方法是对同一半径上不同的点和不同半径上的点采取多次测量,剔除最大值和最小值后再取均值.（5）由于实验的全部结果都是没有严格水平状态，，其次是读数的过程和计算中的四舍五入，所以读数存在误差。
【参考文献】(1)《中国科学报》第28 卷 第1 期2008年1月《光盘等效光栅常量和存储容量的测量》黄振永,林学春,赖康, 张炫辉,石友彬；（2）《中国激光》第13卷第10期《光盘衍射特性的研究—严格模式法》阮玉，周治平；(3）《大学物理实验》第24卷第4期《试析光盘道间距测量中光栅方程的适用条件》北方工业大学，李灵杰；（4）《大学物理》第30卷第7期《测量光盘物理参数的综合性实验设计》北京理工大学，张楠，李林，史庆藩。