激光光盘的物理原理

激光光盘的物理原理

编写成员:李春雨储鑫倪涛

通过大学这一学期对大学物理的学习以及了解，我们觉得物理是一门科学，在我们生活的各个方面都有很多的应用，比如激光光盘在储存信息方面的应用等等。下面我们小组成员通过网上资料的查找，简单的了解了一下激光光盘的基本知识。

摘要:

激光光盘是我们生活中十分常见的信息存储媒介。而这其中包含了许多我们所熟知的物理技术：例如激光的应用和记录层中材料的应用。其中激光是光盘原理的核心技术，是激光造就了这种便利的光学存储介质。

激光光盘即高密度光盘(Compact Disc)是近代发展起来不同于磁性载体的光学存储介质，用聚焦的氢离子激光束处理记录介质的方法存储和再生信息。

在激光光盘中，主要涉及的物理原理包括两个方面，一个是光盘记录层中材料的应用，另一个则是激光技术在信息存储中的应用。激光的应用在其中占有主要地位，可以说是激光造就了这种光学存储介质，它在光盘的信息录入与输出中都是关键因素。

激光光盘一般分为两类，一类是只读型光盘，另一类是可刻录型光盘。根据光盘结构，光盘又可以分为CD、DVD、蓝光光盘等几种类型，这几种类型的光盘，在结构上有所区别，但主要结构原理是一致的。而只读的CD光盘和可记录的CD 光盘在结构上没有区别，它们主要区别在材料的应用和某些制造工序的不同，DVD 方面也是同样的道理。

以常见的CD光盘为例，别看它只有薄薄的1.2mm，就有5层结构：基板、记录层、反射层、保护层、印刷层。

基板：它是各功能性结构(如沟槽等)的载体，其使用的材料是聚碳酸酯(PC)，冲击韧性极好、使用温度范围大、尺寸稳定性好、耐候性、无毒性。一般来说，基板是无色透明的聚碳酸酯板，在整个光盘中，它不仅是沟槽等的载体，更是整体个光盘的物理外壳。反射层、保护层、印刷层。

记录层(染料层)：这是烧录时刻录信号的地方,其主要的工作原理是在基板上涂抹上专用的有机染料，以供激光记录信息。由于烧录前后的反射率不同,经由激光读取不同长度的信号时,通过反射率的变化形成0与1信号，借以读取信息。

反射层：这是光盘的第三层，它是反射光驱激光光束的区域，借反射的激光光束读取光盘片中的资料。其材料为纯度为99.99%的纯银金属。

保护层：它是用来保护光盘中的反射层及染料层防止信号被破坏。材料为光固化丙烯酸类物质。

印刷层：印刷盘片的客户标识、容量等相关资讯的地方，这就是光盘的背面。其中，在记录层中所使用的有机染料主要有三种：花菁(Cyanine)、酞菁 (Phthalocyanine)及偶氮(AZO)。

目前，一次性记录的CD-R光盘主要采用(酞菁)有机染料，当此光盘在进行烧录时，激光就会对在基板上涂的有机染料，进行烧录，直接烧录成一个接一个的"坑"，这样有"坑"和没有"坑"的状态就形成了‘0'和‘1'的信号，这一个接一个的"坑"是不能回复的，也就是当烧成"坑"之后，将永久性地保持现状，这也就意味着此光盘不能重复擦写。这一连串的"0"、"1"信息，就组成了二进制代码，从而表示特定的数据。

对于可重复擦写的CD-RW而言，所涂抹的就不是有机染料，而是某种碳性物质，当激光在烧录时，就不是烧成一个接一个的"坑"，而是改变碳性物质的极性，通过改变碳性物质的极性，来形成特定的"0"、"1"代码序列。这种碳性物质的极性是可以重复改变的，这也就表示此光盘可以重复擦写。

而其中所应用到的激光具有优良的时间相干性和空间相干性，可以聚焦到极其微小的光斑，接近与本身波长相应的衍射极限。这种高功率密度的激光光束照射到记录介质表面上时，会烧蚀出直径约0.6微米的小孔。如果光速受数字信号控制，它扫描时烧蚀孔的分布花样就与数字编码信号相对应。烧蚀孔为二进制的“1"，未烧蚀处为“0"，则记录何时何地形成的一系列“1”和“0”便是所要存储信息的二进制数字编码。这就是光盘的信息记录过程，常称作信息写人。

光盘所用的用以产生极光的光源为半导体激光二极管((LD)，激光功率大约在lOmW-20mW。

由于光盘绕中心轴旋转，激光束沿径向扫描，所以烧蚀的排布轨迹呈螺旋状，相邻两线间距为 1.6微米左右，为使在不同径向位置处都保持恒定的扫描线速度，就要求光盘的转速随扫描位置而变化，照射在外圈轨道时转速要慢，在里圈轨道时转速要快。为此，需要有精密灵活的传动机构和伺服系统，实现对光盘的高精度地驱动。

当用一束很细的激光束照射到光盘，扫描其上螺旋形轨迹时，反射回来的光强大小显然与光斑扫到的地方是否有孔有关。拘句话说，反射光强度将受到光盘上烧蚀孔排布光样的调制。于是，就可以根据反射光的强弱将存储在光盘上的数字信息转换成二进制电脉冲信号。此信号经处理系统处理后，再通过解码器解码，还原成初始的模拟信号，最后显示或记录下来。这就是光盘信息的提取再现过程，即通常所说的读出信息。

从光盘上读出信息的关键部件是光盘头，亦称阅读器，其作用是从光盘上提

取数字信号，并送给信号处理系统。它主要由光源(半导体激光二极管)、光电探测器及光学系统组成。光电探测器多采用硅光二极管，光学系统包括准直透镜、大数值孔径的聚焦透镜、半反射式分光镜等。光源发出的激光束经分光镜反射后，通过准直透镜，变成平行光束，再由聚焦透镜聚焦到光盘记录介质表面。由于是平行光束，能保证聚焦与光束路径长短无关。从光盘反射的光沿原光路返回，经分光镜后的透射光(不是反射光)投射到光电探测器上，探测器便输出数字的电脉冲信号。分光作用也可以采用偏振分束镜和1/4波长晶片来实现，光源发出的线偏振光通过偏振分束镜(二者偏振化方向一致)后，再经1/4波片时，变为圆偏振光，由透镜聚焦到光盘记录介质上。反射的圆偏振光再经该波返回时，又变为线偏振光，不过偏振面相对原人射的线偏振光转动了900角。这种线偏振光不能透过偏振分束镜，只能被反射，沿与原人射光垂直方向射向光电探测器，从而达到分光的目的。

目前，由半导体激光器、光学系统及相应的调节机构构成的光盘头多半既可以作信息写人(记录)，又可以把光强衰减后作读出(提取)用。

光盘是集磁带大容量和磁盘检索功能于一体，且具有使用寿命长，信息保存可靠，对环境无严格要求的优点，它不仅能存储诸如立体声之类的音频信息，也能存储图像一类的视频信息，还可以存储其他信息，是当今各种存储媒体中的佼佼者。而这一成果主要依靠了激光的发现和发展，在此基础上，碳性材料的应用使得光盘也具有重复擦写功能，大大提高了光盘的应用性，使之成为现代信息生活中必不可少的储存媒介。物理的发展不仅仅体现在高端产业，我们的生活也因此改变。压制盘片的工作流程：

1:数据检测：光盘的内容一般来自音像制作单位或软件开发商，这些单位在节目制作完毕后，会将内容刻录在一张CD-R光盘上或录制在母带上作为"源盘"

交给复制生产商。复制生产商为了保证制作出的光盘不出现质量问题，通过先进的检测设备对源盘上的数据进行检测，这些检测设备的精度比我们使用的光驱或其它光盘播放设备精度高的多，并经常用标准盘进行校对以保证设备的精度。只有不存在数据问题的源盘才被转到母版制作工序。

2 制作模片：制作模片是一个复杂的过程，也是关系光盘质量的重要过程。首先，为了保证光盘的普遍可读性，光盘复制厂商会对母带或CD-R上的数据进行格式化，以保证这些数据符合ISO9660 CD-ROM逻辑格式的国际标准，通过格式化的数据可以在PC、Mac、Unix等*作系统中使用。转换后，设备会对格