相信大家應(yīng)該都用過(guò)光盤，

沒(méi)有芯片的光盤，

是怎樣儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的呢？

今天小編就帶大家來(lái)看一下，

光盤有著怎樣的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，

再帶大家做一下大物實(shí)驗(yàn)(不要怕)，

計(jì)算一下光盤的數(shù)據(jù)。

做完這些，

你就可以對(duì)物理所實(shí)驗(yàn)室的秘密武器之一—XRD技術(shù)有所了解了。

實(shí)驗(yàn)器材

光盤、激光筆、卷尺、筆和紙

實(shí)驗(yàn)過(guò)程

第一步：

本次的實(shí)驗(yàn)操作很簡(jiǎn)單，只需要找到一個(gè)合適的距離，用激光筆照射光盤的光面，我們?cè)趬γ嫔暇涂梢钥吹揭粋€(gè)個(gè)的光斑。這其實(shí)就是光盤上一個(gè)個(gè)小光柵導(dǎo)致的衍射斑。

第二步：

原來(lái)我們光盤能夠記錄數(shù)據(jù)，是因?yàn)?strong>它表面有一道道小的刻線，也就是光柵，信息便存儲(chǔ)在其中。下面我們計(jì)算一下光柵常數(shù)，也就是光柵兩刻線間的距離。我們需要測(cè)量的數(shù)據(jù)有光盤到墻面之間的距離D，一列衍射光斑中最中心的一級(jí)光斑與旁邊的二級(jí)光斑之間的距離x。如圖所示，我們測(cè)量的數(shù)據(jù)為D = 32cm，x = 12cm。

第三步：

利用這些數(shù)據(jù)，我們首先可以得到θ角的正弦值sinθ，利用三角函數(shù)公式，

之后將sinθ和綠光波長(zhǎng)λ?=?532nm代入到光的衍射公式dsinθ=λ，就可以計(jì)算得到光柵常數(shù)d的值，d?= 1520nm。也就是說(shuō)，光盤上的一道道刻線間距僅為1520nm。從網(wǎng)上查到光盤的光柵常數(shù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是1.5微米，即1500nm，與我們的計(jì)算結(jié)果比較接近，說(shuō)明我們的測(cè)量是比較準(zhǔn)確的。

原理解說(shuō)

首先我們來(lái)看光盤的結(jié)構(gòu)。光盤通過(guò)在“反光的那一面”上刻出一條一條的凹槽來(lái)存儲(chǔ)信息。對(duì)于計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，每一個(gè)凹槽代表數(shù)字“0”，而沒(méi)有凹槽的位置表示數(shù)字“1”。

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光盤上沒(méi)有凹槽的地方可以反光，而凹槽的地方則不會(huì)反光。這形成了一個(gè)著名的光學(xué)結(jié)構(gòu)，叫做“光柵”。

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當(dāng)光經(jīng)過(guò)光柵的時(shí)候，會(huì)發(fā)生衍射的現(xiàn)象，本來(lái)沿著直線傳播的光則會(huì)發(fā)生偏折。在后面的光屏上呈現(xiàn)出一系列的光斑。

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利用光學(xué)的公式，可以得到激光在通過(guò)光柵以后形成的光斑的位置滿足的方程，這個(gè)方程也叫做“光柵方程”

其中θ為光斑到光柵連線與光柵法線之間的夾角，λ?為入射光的波長(zhǎng)，d為光柵中兩個(gè)縫隙之間的間距，也就是對(duì)應(yīng)于光盤中兩個(gè)凹槽在徑向上的間距。而其中的k為整數(shù)，對(duì)應(yīng)于不同的光斑，這也叫光斑的“級(jí)”。

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從光柵方程中可以看出，對(duì)于同一級(jí)的光斑來(lái)說(shuō)（相同），如果入射光的波長(zhǎng)不同，那么衍射后的光斑也會(huì)出現(xiàn)在光屏的不同位置（不同）。這也就意味著，如果入射光是白光或者其他復(fù)色光，那么在經(jīng)過(guò)光柵后會(huì)發(fā)生色散。

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現(xiàn)在讓我們回到今天的小實(shí)驗(yàn)上。我們通過(guò)測(cè)量光盤、光屏（墻面）、光斑間距等參數(shù)，就可以確定光柵衍射光斑的位置 ，然后將激光器發(fā)出激光的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)帶入到光柵方程中就可以計(jì)算得到光盤的光柵常數(shù)。

需要說(shuō)明的是，對(duì)于不同的顏色的激光筆來(lái)說(shuō)，發(fā)出光的波長(zhǎng)是不同的。一般來(lái)說(shuō)，紅色激光筆的波長(zhǎng)大約為650nm；而綠色激光筆的波長(zhǎng)大約為532nm。而對(duì)于不同的光盤來(lái)說(shuō)，光盤的光柵常數(shù)也會(huì)不同。對(duì)于CD光盤來(lái)說(shuō)，光柵常數(shù)應(yīng)該約為1600nm，而對(duì)于DVD光盤來(lái)說(shuō)，光柵常數(shù)應(yīng)該約為740nm。

利用光柵衍射的原理，我們也可以探測(cè)晶體的結(jié)構(gòu)。利用波長(zhǎng)非常短的X光來(lái)照射晶體，晶體中的每一個(gè)原子也會(huì)散射X光。而晶體中原子的周期性排列也可以被看作是“光柵”，因此可以通過(guò)觀察X射線通過(guò)晶體的衍射圖樣來(lái)得到晶體的結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)技術(shù)在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。

?參考資料：

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

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

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

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