1 Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest wyznaczenie stałej odległości pomiędzy ścieżkami zapisu na płycie CD i DVD oraz zapoznanie się z optycznymi metodami zapisu informacji. Zagadnienia do opracowania 1) Interferencja światła. Warunek interferencji fal. 2) Droga optyczna, różnica faz. 3) Zjawisko dyfrakcji. 4) Siatka dyfrakcyjna. 5) Fizyczne podstawy zapisu informacji. 6) Budowa i zasada zapisu informacji na płycie CD/DVD. 7) Budowa i zasada działania lasera półprzewodnikowego. Zalecana literatura 1) Sz. Szczeniowski - Fizyka doświadczalna, cz. IV - Optyka. 2) F. Kaczmarek, Podstawy działania laserów, WNT, Warszawa, 1983. 3) A. Piekara, Nowe oblicze optyki, PWN, Warszawa 1968. 4) F. C. Crawford, Fale, PWN, Warszawa 1972. 5) H. Haken, Światło. Fale, fotony, atomy, PWN, Warszawa, 1993.
2 Wstęp Płyta kompaktowa (z ang. Compact Disc, CD-ROM - Compact Disc - Read Only Memory) to poliwęglanowy krążek z zakodowaną cyfrowo informacją do bezkontaktowego odczytu światłem lasera optycznego. Standardowa płyta CD ma średnicę 120 mm i jest w stanie pomieścić 700 MB danych lub 80 minut dźwięku. W środku znajduje się otwór o średnicy 15mm. Nagrywana - i oczywiście odtwarzana - jest od środka na zewnątrz. Powierzchnia czynna zawiera długi ciąg mikroskopijnych wgłębień, które odpowiadają binarnemu 0. Każde wgłębienie ma 0,5 µm szerokości i od 0,83 µm do 3,56 µm długości (długość fali światła dla barwy zielonej wynosi około 0,5 µm). Nagrania są oddzielone od siebie przerwą szerokości 1,6 µm. Rys. 1. Budowa płyty CS. DVD Digital Video Disc Digital Versatile Disc - standard zapisu danych na optycznym nośniku danych, podobnym do CD-ROM (te same wymiary: 12 lub 8 cm), lecz o większej pojemności uzyskanej dzięki zwiększeniu gęstości zapisu. Na płycie CD odległość między ścieżkami wynosi 1,6 mikrona, dla krążka DVD zaś 0,74 mikrona. Blu-ray Disc (BD) - konkurencyjny dla HD DVD format zapisu optycznego, opracowany przez Blu Ray Disc Associaton BDA. Następca formatu DVD. Wyróżnia się większą pojemnością od płyt DVD, co jest możliwe dzięki zastosowaniu niebieskiego lasera. Do zapisywania danych na tym nośniku jest używany niebieski laser (w nagrywarkach DVD używany jest czerwony laser). Podstawową różnicą pomiędzy tymi laserami jest długość fali: czerwony ma 650 albo 635 (nanometrów), podczas gdy niebieski tylko 405 nm. Rys. 2. Wymiary płyty CD oraz położenia najważniejszych jej obszarów.
3 Sposób zapisu informacji na płycie CD, DVD i Blu-ray Proces wytwarzania pitów na warstwie nośnej to proces zapisu danych na płycie. Barwnik i warstwa nośna zostają podgrzane przez laser, którego moc wynosi od 4 do 11 mw. Temperatura uzyskana podczas pracy wynosi ok. 250 stopni Celsjusza. Pod jej wpływem warstwa nośna topnieje a barwnik jest rozprzestrzeniany na wolne obszary dysku. Początkowo laser generuje wyższą moc aby uległ stopieniu barwnik, ale w momencie gdy już to nastąpi następuje zmiana mocy, umożliwiająca zapis danych. Dane na płytach DVD zapisywane są w identyczny sposób, jak na płytach CD: na jednej, spiralnej ścieżce. Same informacje mają postać niewielkich zagłębień (tzw. pits) na lustrzanej powierzchni płyty. Jeżeli podczas odczytywania danych promień lasera natrafia na obszar pomiędzy zagłębieniami (obszar ten nazywa się land) - ulega on odbiciu. Jeżeli jednak trafia na obszar pit, to następuje takie jego odchylenie, iż nie trafia on do specjalnego fototranzystora, stanowiącego odbiornik sygnału. Dzięki temu, poszczególne obszary są identyfikowane jako bity o wartości 1 lub 0. Jednymi istotnymi różnicami konstrukcyjnymi pomiędzy płytami CD i DVD są szerokość spiralnej ścieżki oraz rozmiary pitów i landów. Na płycie CD odległość między ścieżkami wynosi 1,6 mikrona, dla krążka DVD zaś 0,74 mikrona. Minimalna wielkość pitu dla standardu CD określona została na 0,83 mikrona, a dla DVD na 0,4 mikrona. Ta ostatnia zmiana dla płyty DVD pociągnęła ze sobą ponad siedmiokrotne zwiększenie pojemności nośnika z 650 do 4,7 GB. Zmniejszenie szerokości ścieżek wymagało też skrócenia długości światła odczytującego dane. W napędach CD używa się laserów półprzewodnikowych pracujących w podczerwieni (długość fali światła 780nm), do obsługi płyt DVD wykorzystywane są zaś czerwone lasery o długości fali światła 650nm. Rys. 3. Mikroskopowy (AFM) obraz pitów i landów na płycie CD oraz DVD. Płytka CD jako odbiciowa siatka dyfrakcyjna. Typowy krążek CD (lud DVD) można potraktować jak odbiciową siatkę dyfrakcyjną. Stała tej siatki odpowiada odległości między ścieżkami z zapisaną informacją. Ścieżki te mają kształt współśrodkowych okręgów. Każda zapisana ścieżka składa się z odcinków bardzo dobrze odbijających światło (nie zapisanych- land) oraz słabo odbijających światło (zapisanych - pit).
4 Pierwszy z nich odpowiada logicznemu zeru, drugi logicznej jedynce. Informacje na płycie zapisane są w postaci cyfrowej w systemie binarnym (dwójkowym) i powstają np. w procesie wypalania określonych obszarów promieniem lasera (w domowych nagrywarkach płyt). Metoda pomiarowa Znając długość fali światła używanego lasera można wyznaczyć stałą siatki dyfrakcyjnej, jaką jest w tym wypadku płytka CD (DVD). Metoda pomiaru jest taka sama jak w przypadku tradycyjnej siatki dyfrakcyjnej, lecz tym razem dyfrakcji ulega światło odbite od siatki, a nie przechodzące przez siatkę. Dlatego laser umieszony jest po tej samej stronie co ekran a płyta jest oświetlana przez otwór w ekranie. Płytka natomiast umieszczona jest w statywie. Na ekranie powstaje obraz dyfrakcyjny w postaci prążków. Wyraźne są prążki zerowego i pierwszego rzędu, a w przypadku płyty DVD możemy zaobserwować również wyraźne prążki drugiego rzędu. Rys. 4. Schemat układu do pomiaru odległości miedzy ścieżkami na płycie CD i DVD. Zmierzymy: - odległość między płytką a ekranem (odcinek l) oraz - odległość między prążkami pierwszego rzędu a prążkiem zerowym (odcinki x). Wyznaczymy sinus kąta, a ze wzoru siatki dyfrakcyjnej (dla k=1) stałą siatki d (czyli odległość między ścieżkami): d = 1 λ sin α = λ l2 + x 2 x
5 n = r d = r 2 r 1 d Liczbę ścieżek n można z pewnym przybliżeniem wyznaczyć dzieląc szerokość używanego do zapisu obszaru r przez stałą siatki d. (r 1 i r 2 to promienie wewnętrznej i zewnętrznej części obszaru z danymi.) Średnia długość jednej ścieżki to s=2πr, przyjmując średni promień ścieżki jako: r = r 2+r 1 2 Całkowitą długość y wszystkich ścieżek obliczymy jako iloczyn długości jednej ścieżki s i liczby wszystkich ścieżek n: y = n s Oszacowanie pojemności płyty CD (DVD) Typowa płytka CD ma pojemność 650Mb informacji natomiast DVD 4.7 GB. Oznacza to, że na płycie CD można pomieścić: m = 650 1024 1024 8 = 5452595200 5,5 10 9 bitów informacji (1Mb to 1024kb, 1kb to 1024 bajty, a 1 bajt to 8 bitów). Analogicznie dla płyty DVD: m = 4,7 1024 1024 8 = 40372692582,4 4 10 10 Dzieląc długość wszystkich ścieżek y przez liczbę bitów m i jeszcze dzieląc wszystko przez dwa (przyjmiemy, że odstęp między kolejnymi bitami jest taki sam, jak dystans zajmowany przez 1 bit) otrzymamy szacunkową długość b odcinka ścieżki potrzebną do zapisania jednego bitu informacji: Sposób realizacji ćwiczenia b = y m 2 1) Umocować laser w statywie. 2) Umieścić płytkę CD w stojaku stroną zapisaną skierowaną ku laserowi. 3) Włączyć laser i skierować jego promień na płytkę CD. 4) Skorygować ustawienie lasera i płytki CD tak, aby obraz prążków pojawił się na przymocowanym do statywu ekranie (linijka z otworem). 5) Zmierzyć odległość l między płytką a ekranem. 6) Zmierzyć odległości x pomiędzy prążkiem zerowym a prążkiem pierwszym (na prawo i lewo od prążka zerowego). 7) Zmierzyć suwmiarką promień wewnętrzny r 1 oraz zewnętrzny r 2 zapisanego obszaru płytki.
6 8) Czynności z punktów 4-7 powtórzyć dla trzech różnych odległości. 9) Wyliczyć stałą d siatki-płytki CD i DVD. 10) Obliczyć długość b odcinka ścieżki potrzebną do zapisania jednego bitu informacji. 11) Oszacować dokładność wyznaczenia stałej siatki d oraz odcinka b 12) Wyniki umieścić w tabeli: Źródła: http://edu.pjwstk.edu.pl/wyklady/wspmu2/scb/main20.html http://labor.zut.edu.pl/index.php?id=10243&no_cache=1