聽說你手里有一張廢光盤？

如何只靠它和一只手電筒，

做出一圈漂亮的懸空彩虹光環(huán)？

實(shí)驗(yàn)器材

廢棄光盤 1 張（表面盡量完整、無大劃痕）、透明膠帶、雙面膠、小紙片、手電筒 1 只（光束越集中效果越好）、所標(biāo)杯

實(shí)驗(yàn)步驟

給光盤“脫妝”。用透明膠帶一段一段地粘在光盤有字的一面，迅速撕下，反復(fù)多次，把表面的金屬反光層或有顏料的涂層盡量撕掉，直到這張光盤整體變得更“透”。

剪一小圓片紙板（大小略大于 1 元硬幣）

第三步：

安裝中間擋光板。用雙面膠把擋光板粘在光盤中心位置，讓它能遮住中間一小塊區(qū)域即可。

第四步：

立起光盤，用所標(biāo)杯等手段把光盤豎直固定，讓它穩(wěn)穩(wěn)站在桌面上，手電筒從光盤背面正對中心擺放；光盤高度盡量和你的眼睛一致，后續(xù)更容易找到“出彩虹”的角度。

第五步：

關(guān)燈，在較暗環(huán)境中，用手電筒從光盤背面正對中心照射，你在光盤正面迎著光觀察；緩慢調(diào)整手電筒和光盤距離、以及你觀察的角度，很快就能看到一圈清晰的圓形彩虹光環(huán)，條件合適還會出現(xiàn)多圈。

原理解說

光盤能“生出彩虹”，不是因?yàn)?strong>顏料在發(fā)光，而是因?yàn)楣獗P內(nèi)部天生帶著一套微米尺度的“精密刻線”。光盤的記錄軌道是一條從里到外的螺旋線，等價于一圈圈極密的環(huán)形刻槽，刻槽間距在微米量級，和可見光波長是同一個數(shù)量級；

光盤的刻錄過程，產(chǎn)生環(huán)形刻槽

當(dāng)手電筒的白光穿過這些周期性結(jié)構(gòu)時，每一條“刻線”都像一個小狹縫在讓光發(fā)生衍射，來自大量刻線的衍射光再彼此疊加，在某些方向上相長干涉變亮、在另一些方向上相消干涉變暗，于是形成一束束“被挑選出來的方向”。因?yàn)榘坠獍煌ㄩL，不同顏色滿足相長干涉的方向角不同，于是就被空間上分開，出現(xiàn)彩虹般的色散；這件事用光柵方程就能概括：

dsinθ=mλ，

同一個級次 m下，波長 λ 越長（偏紅），對應(yīng)的衍射角 θ 越大（看起來更“外圈”），波長越短（偏藍(lán)紫），θ越�。ǜ皟�(nèi)圈”）。你在光盤中心加的小擋光板，本質(zhì)是在擋住最刺眼的零級直射光（幾乎不偏折的那一束白光），讓你的眼睛/相機(jī)不被“白光糊臉”，從而更容易看到周圍較暗但色彩分離很清楚的高階衍射光。

光柵將白光分解成彩色的示意圖

為什么你看到的不是一條彩虹帶，而是一整圈彩虹環(huán)？關(guān)鍵在“刻線的幾何形狀”。普通教材里的光柵多是平行直線刻線，所以不同顏色沿一個方向展開成彩色條紋；而光盤刻線繞著中心分布，具有旋轉(zhuǎn)對稱性。對于某個固定的衍射角 θ，滿足條件的光不是集中在一條線，而是繞著光軸形成一個圓錐面；你迎著光看，相當(dāng)于看這個圓錐面的“正投影”，它就呈現(xiàn)為一圈圓環(huán)。不同波長對應(yīng)不同衍射角，圓錐開口大小不同，于是紅、綠、藍(lán)各自落在不同半徑上，疊起來就是你看到的那一圈的圓形彩虹光環(huán)。

光柵方程與衍射幾何關(guān)系的示意圖

你成功看到圓形彩虹了嗎？除了改變角度，試著用不同光源（比如蠟燭、太陽光、彩色led燈）照射，又會有什么新發(fā)現(xiàn)？

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編輯：二分 & Chocobo