问题

激光笔打在电脑或手机屏幕上再反射到墙上就出现了这种花纹,像衍射花样一样。这其中的机理是什么?

回答
你观察到的现象,激光笔打在电脑或手机屏幕上再反射到墙上出现的类似衍射的花纹,这确实是一个很有意思的物理现象,背后涉及到的原理其实蛮“硬核”的。简单来说,这并不是什么神奇的魔术,而是 光的干涉和衍射 在屏幕材质和反射过程中的综合体现。

让我来给你掰扯掰扯里面的门道:

1. 屏幕的“不那么完美”:微观世界里的“沟沟坎坎”

我们平时看到的电脑或手机屏幕,虽然看起来光滑平整,但在微观尺度上,它远非完美的光滑表面。特别是一些液晶显示屏(LCD)和OLED屏幕,它们为了实现显示功能,表面结构非常复杂,包含了很多精密的“加工痕迹”和“结构单元”。

液晶显示屏 (LCD):
偏振片: LCD屏幕的核心部件之一是偏振片。偏振片本身就是一种具有周期性微观结构的材料,它允许特定方向振动的光通过,而阻挡其他方向的。这些周期性的结构(比如排列整齐的分子链)本身就可以引发光的衍射。
彩色滤光片 (CF): 为了呈现不同的颜色,LCD屏幕在像素点上覆盖了红、绿、蓝三原色的滤光片。这些滤光片也并非无限精细,它们是制造出来的微小图案,同样具有一定的周期性或不规则性,可以看作是微小的“光栅”或“不均匀性”。
TFT(薄膜晶体管)阵列: 控制每个像素开关的TFT本身也是微小的电子元件,它们的边缘和排列也可能对光线产生影响。
表面涂层: 屏幕表面可能还有防眩光、抗反射等涂层,这些涂层为了达到光学效果,也可能设计成具有特殊的微观纹理。

OLED屏幕:
发光二极管阵列: OLED屏幕的每个像素都是独立的有机发光二极管。虽然发光区域本身是小小的点,但制造过程中的精密度、像素之间的间隔、以及支撑这些发光材料的基板,都可能在微观上存在细小的起伏和结构。
封装和保护层: 屏幕的封装层和保护层也可能不是绝对光滑的,同样可能包含微观的纹理。

2. 激光的“纯粹”与“微小”:它不像普通光源那样“随和”

激光之所以能产生这种花样,关键在于它具有两个非常重要的特性:

单色性(高度单色): 激光发出的是非常单一波长的光。这意味着光的波长非常稳定,而且几乎没有其他杂乱的波长混杂。
相干性(高度相干): 激光的光波在空间和时间上都具有高度的相位一致性。简单来说,就是所有的光波就像是“步调一致”的士兵,它们的波峰和波谷都非常有规律地排列。

普通的光源(比如灯泡)发出的光是“非相干”的,各种波长的光混杂,而且波的相位是杂乱无章的。当你用它照射到任何表面,反射回来的光也是杂乱的,所以我们看不到清晰的干涉衍射花样。

3. 激光与屏幕“碰撞”:微观结构“筛”光

当一束高度相干、单色的激光照射到屏幕这些具有微观结构的表面时,会发生什么呢?

衍射(Diffraction): 激光的光波遇到屏幕表面的这些微小结构(比如偏振片的周期性栅栏、彩色滤光片的图案、TFT边缘等),就会发生衍射。衍射是指光波在遇到障碍物或通过小孔时,会向各个方向散开的现象。
干涉(Interference): 衍射后,从屏幕不同微小结构处散射开来的光波,它们是来自同一束相干的激光,因此具有相同的波长和相位关系。当这些衍射后的光波传播到墙上时,它们会相互叠加。
相长干涉: 如果两个(或多个)光波的波峰遇到波峰,波谷遇到波谷,它们会相互加强,形成更强的光(更亮的点)。
相消干涉: 如果一个光波的波峰遇到另一个光波的波谷,它们会相互抵消,形成更弱的光(更暗的点)。

4. 墙上的“花纹”:衍射与干涉的“记录”

正是这种叠加效应,在墙上形成了明暗相间的花纹。

花样的形状: 花样的具体形状取决于屏幕微观结构的性质。
如果屏幕的微观结构是规则的(比如非常精密的周期性光栅),那么衍射和干涉会产生非常规则、对称的图案,类似我们熟悉的“光栅衍射”产生的彩色条纹或点阵。
如果屏幕的微观结构是随机的、不规则的(比如制造过程中的一些细微划痕、不均匀性),那么衍射后的光波的相位和方向会比较杂乱,但由于激光的高度相干性,这些杂乱的光波叠加起来,也会在墙上形成一种“斑点状”的、类似散斑(speckle)的图案,但这种斑点通常比纯粹的衍射条纹要复杂和密集。你描述的“花纹”很可能就是这种衍射和不规则结构共同作用的结果,可能包含了不同尺度的结构引发的衍射。
彩色现象: 有时候你看到的“花纹”可能还带点颜色,这是因为衍射的程度(光线偏转的角度)与光的波长有关。不同颜色的光(即使在激光的单色性范围内,也可能存在细微的波长差异,或者屏幕结构对不同波长有不同的衍射效果)会沿着不同的方向传播,从而在墙上形成彩色的条纹或区域,这叫做 色散。

简单总结一下过程:

1. 激光照射: 高度相干、单色的激光束射向屏幕。
2. 微观结构的作用: 屏幕表面(像素、偏振片、滤光片、制造痕迹等)的微观不平整或周期性结构,对激光产生了衍射,将激光束散射开。
3. 衍射光波的干涉: 从屏幕不同部位衍射出来的光波,由于来源是同一束相干激光,会在传播过程中相互叠加。
4. 墙上成像: 叠加的结果(相长干涉形成亮区,相消干涉形成暗区)在墙上形成了明暗相间的花纹。

所以,你看到的“花纹”实际上是激光“探测”到了屏幕极其精密的微观世界,并通过光的干涉衍射原理,把这个微观世界的“样子”给“画”在了墙上。就像用一个非常细的针去触碰一张粗糙的纸,纸的粗糙程度会通过针尖的移动显现出来一样。

下次你再观察的时候,可以试试改变一下激光笔的角度,或者换一个屏幕(比如CD/DVD的背光面,它本身的微观凹槽结构就是完美的衍射光栅),你会发现花纹的形状也会随之改变,这都是光的干涉衍射在不同“光栅”上的表现。

网友意见

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衍射光栅

非常基本的光学现象。

不光是激光笔,手电筒也可以。我用我老婆手机的手电筒打在我的Mac上,再用我的手机拍照也能出现漂亮的衍射图样,而且还是彩虹色。当然眼睛直接看到的更漂亮。

那么原理到底是什么呢,为什么我的能出现彩虹色呢?


彩虹大家都知道,是水滴折射了自然光形成的。自然光包含不同的光谱成分,即不同的颜色,对应不同的电磁波波长。水滴的折射率与空气不同,不同波长的光的折射率也不同,因此不同颜色的光在水滴里面的折射程度「即角度」不同,因此自然光的不同颜色被分开。牛爵爷的三棱镜分光也是一样的道理。水滴和三棱镜都是分光元件。

光栅也是分光元件。

光栅是由一组等间距周期性的窄狭缝或凹槽组成,可分为透射光栅和反射光栅。

光栅的原理很简单。当特定波长的光线入射光栅时,每条狭缝或凹槽上的点都可看做次波源。从这些次波源发出的光线沿所有方向传播。当从相邻两条狭缝出射的光线的光程差是光的波长的整数倍时,两束光线相位相同,就会发生干涉,出现亮斑。如下图所示,当入射光线和衍射光线的角度满足下面的公式就会出现干涉增强:

这里d为光栅周期性单元间距, 为波长,m为整数 ,称为衍射级数。当正入射 ,公式简化为: 。显然,对于特定的光波长和d,不同的衍射级数对应不同的角度。这是为什么题主看到一系列分立的光斑。不同级数的衍射光斑的强度也是不同的,级数越小强度越强。中间最大的亮斑自然是零级衍射「即反射」。

说了这么多跟电脑或手机屏幕有啥关系呢?光栅的核心是周期性结构,那么电脑或手机屏幕一定也具有周期性结构。其微观基本结构大体如下。

因此,当激光照射屏幕后,自然发生衍射。

最后, 这个公式还告诉我们,当衍射级数m固定了以后,不同的波长也对应不同的角度,即分光。这是为什么我用手电筒照射的时候,每一个衍射斑都有不同的颜色成分。而题主使用的是激光笔,激光的特性第一条就是单色性,因此不存在分光,只能看到单一颜色。

按照不同波长分光这个简单的衍射现象可是获得过2018年诺贝尔物理学奖的。CPA技术,有时间再介绍。

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