居家光栅衍射实验 - NENUwlsy.nenu.edu.cn/lib/exe/fetch.php?media=zsy:hgd32.pdf · • 避免使用绿色激光笔，现象不稳定，对眼睛伤害 大； •...

规格严格功夫到家

居家光栅衍射实验

2020.03

魏 波哈尔滨工业大学 物理学院

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光学居家DIY实验之二

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手电筒照射液晶屏的衍射效果

手机屏幕、光盘是一块反射光栅，白光在正上方照射后发生光栅衍射，出现美丽的彩色条纹。

现象观察

白光下光盘的衍射效果

• 利用激光笔研究手机屏衍射现象，计算光栅常数

实验器材

• 激光笔（红/绿）、液晶屏、支架、尺、白屏（墙）等

实验原理

• LCD屏幕具有类似晶体的周期性排列特性，故可以用衍射的方法来测量光栅常数。

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1. 液晶光栅衍射

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0级

-1级

1级

as

衍射方程：dsin=k很小时,取k=1, d /(a/s):激光波长；d: 光栅常数常见激光笔波长：红色650nm

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红色激光笔的衍射效果，水平、垂直两组衍射光斑

• 查找激光笔参数，确定激光波长• 进行衍射实验，测量a,s• 带入衍射方程，计算光栅常数d,d /(a/s)（垂直、水平）

• 查询手机屏幕分辨率 （例：2160×1080像素）• 测量手机屏幕长度、宽度,计算光栅常数并对比测量值

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误差分析• 长度测量误差；• 光斑大小；• 器材摆放；• 角度近似。

注意事项• 避免使用绿色激光笔，现象不稳定，对眼睛伤害大；

• 禁止将激光聚焦后照射物体！实验中一定要注意激光防护，不要长时间观察；

• 建议使用旧款手机（RGB模式像素排列），衍射斑点规律性好。

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2. 光盘信道间距和容量

• 使用CD/DVD的光栅衍射现象，计算光盘信道间距和容量

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CD

DVD

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(a) CD (b) DVD CD与DVD记录点大小与信道间距

通常光盘直径为12cm,厚度约为1mm,中心孔直径为15mm

实验项目

• 使用CD/DVD的衍射，计算光盘信道间距和容量

实验器材

• 激光笔、光盘、支架、尺、白屏（墙）等

实验原理

光盘光道上布满了长短不一凹坑，表现出宏观周期性，故可以用衍射的方法来测量波长。

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0级

-1级

1级

as

• 激光笔应垂直墙面，光盘平行墙面• 反射光照到激光笔出口，保证入射角为0• 对比CD/DVD光盘衍射图样，改变s,测量3-5组数据• 计算信道宽度

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CD光盘衍射图样

衍射方程：dsin=k

asa

sin=d

22

CD: d=1.61m

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信道间距d 与环形区域宽度R-r ，相比很小，螺旋线的总长度L可用一系列同心圆周长之和来近似

可近似认为同心圆平均周长*圈数

drR

2rR2L

光盘容量计算

Rr d

阿基米德螺旋线

• 信道记录点的宽度d'约为信道宽度一半• 则光盘的总记录点数 N=L/d'

进一步计算得CD光盘容量，并与标称值对比

(1M=1024k,1K=1024Byte,1Byte=8bit)

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d'

d

• 误差分析

螺旋线长度计算近似

长度测量

器材摆放，入射角不为0

光斑大小影响

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拓展

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1.尝试不同光源照射光盘，观察衍射现象，什么情况下会出现下面七彩衍射环现象。

台灯 电筒 蜡烛