如何在家做出彩虹环？你肯定想不到 | 正经玩

听说你手里有一张废光盘？

如何只靠它和一只手电筒，

做出一圈漂亮的悬空彩虹光环？

实验器材

废弃光盘 1 张（表面尽量完整、无大划痕）、透明胶带、双面胶、小纸片、手电筒 1 只（光束越集中效果越好）、所标杯

实验步骤

第一步：

给光盘“脱妆”。用透明胶带一段一段地粘在光盘有字的一面，迅速撕下，反复多次，把表面的金属反光层或有颜料的涂层尽量撕掉，直到这张光盘整体变得更“透”。

第二步：

剪一小圆片纸板（大小略大于 1 元硬币）

第三步：

安装中间挡光板。用双面胶把挡光板粘在光盘中心位置，让它能遮住中间一小块区域即可。

第四步：

立起光盘，用所标杯等手段把光盘竖直固定，让它稳稳站在桌面上，手电筒从光盘背面正对中心摆放；光盘高度尽量和你的眼睛一致，后续更容易找到“出彩虹”的角度。

第五步：

关灯，在较暗环境中，用手电筒从光盘背面正对中心照射，你在光盘正面迎着光观察；缓慢调整手电筒和光盘距离、以及你观察的角度，很快就能看到一圈清晰的圆形彩虹光环，条件合适还会出现多圈。

原理解说

光盘能“生出彩虹”，不是因为颜料在发光，而是因为光盘内部天生带着一套微米尺度的“精密刻线”。光盘的记录轨道是一条从里到外的螺旋线，等价于一圈圈极密的环形刻槽，刻槽间距在微米量级，和可见光波长是同一个数量级；

光盘的刻录过程，产生环形刻槽

当手电筒的白光穿过这些周期性结构时，每一条“刻线”都像一个小狭缝在让光发生衍射，来自大量刻线的衍射光再彼此叠加，在某些方向上相长干涉变亮、在另一些方向上相消干涉变暗，于是形成一束束“被挑选出来的方向”。因为白光包含不同波长，不同颜色满足相长干涉的方向角不同，于是就被空间上分开，出现彩虹般的色散；这件事用光栅方程就能概括：

dsinθ=mλ，

同一个级次 m下，波长 λ 越长（偏红），对应的衍射角 θ 越大（看起来更“外圈”），波长越短（偏蓝紫），θ越小（更“内圈”）。你在光盘中心加的小挡光板，本质是在挡住最刺眼的零级直射光（几乎不偏折的那一束白光），让你的眼睛/相机不被“白光糊脸”，从而更容易看到周围较暗但色彩分离很清楚的高阶衍射光。

光栅将白光分解成彩色的示意图

为什么你看到的不是一条彩虹带，而是一整圈彩虹环？关键在“刻线的几何形状”。普通教材里的光栅多是平行直线刻线，所以不同颜色沿一个方向展开成彩色条纹；而光盘刻线绕着中心分布，具有旋转对称性。对于某个固定的衍射角 θ，满足条件的光不是集中在一条线，而是绕着光轴形成一个圆锥面；你迎着光看，相当于看这个圆锥面的“正投影”，它就呈现为一圈圆环。不同波长对应不同衍射角，圆锥开口大小不同，于是红、绿、蓝各自落在不同半径上，叠起来就是你看到的那一圈的圆形彩虹光环。

光栅方程与衍射几何关系的示意图

你成功看到圆形彩虹了吗？除了改变角度，试着用不同光源（比如蜡烛、太阳光、彩色led灯）照射，又会有什么新发现？