光盤結(jié)構(gòu)及實驗中的光學(xué)現(xiàn)象

王文麒，樂永康

（復(fù)旦大學(xué) 物理學(xué)系，上海200433）

1 引 言

光盤作為信息存儲元件，具有體積小、質(zhì)量輕、價格低、存儲量大等優(yōu)勢，在工業(yè)生產(chǎn)、日常生活中有著廣泛的應(yīng)用.將光盤作為實驗教學(xué)的研究對象，很容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對相關(guān)內(nèi)容的理解和掌握.也正因為如此，不少學(xué)校已經(jīng)開展了相關(guān)的實驗教學(xué)［1-3］.但是，光盤本身具有比較復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)，用普通激光照射后會產(chǎn)生很復(fù)雜的光學(xué)現(xiàn)象，很難明確各種光學(xué)現(xiàn)象的成因，以至于在進一步的分析和測量中存在著較大的偏差.此外，用光學(xué)實驗方法來測定光盤容量，需要知道信息存儲時的編碼技術(shù).本次實驗研究中，先用掃描電子顯微鏡觀察了數(shù)據(jù)記錄層的物理結(jié)構(gòu)，然后研究了激光照射在未經(jīng)處理的光盤上時產(chǎn)生的光學(xué)現(xiàn)象，并對實驗中觀察到的非正常的衍射斑點序列進行了分析和驗證.

2 實驗裝置及原理

2.1 CD-R光盤的結(jié)構(gòu)

CD-R光盤是由基板、染料層反射層以及印刷層組成.其中，基板由PC（樹脂）材料構(gòu)成，PC層的光透過率為90%，折射率為1.538［4］，染料層厚度約100nm［5］.這種存儲元件主要依靠其信息存儲層上的“凹坑”結(jié)構(gòu)（對CD-R，“凹坑”結(jié)構(gòu)是由激光燒蝕引起的折射率對比）進行信息的記錄與存儲，為了觀測光盤的數(shù)據(jù)記錄層的結(jié)構(gòu)，用膠帶將用于數(shù)據(jù)記錄的染料層與樹脂層進行剝離，然后利用掃描電鏡觀察CD-R的數(shù)據(jù)記錄層的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，測得相鄰2個光道之間的距離均為1.54μm.圖1中灰白色的斑點為光驅(qū)刻錄后形成折射率變化區(qū)，如圖1中虛線標(biāo)記處所示，其中811，927，888nm為3個不同位置處的光道間距，由于光道邊緣并不清晰，測量值有偏差.

圖1 掃描電子顯微鏡下觀察到的光驅(qū)刻錄過后的CD-R的數(shù)據(jù)記錄層的結(jié)構(gòu)

2.2 光盤的光道結(jié)構(gòu)

光盤數(shù)據(jù)記錄層的凹坑結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)存儲的關(guān)鍵，入射激光射在光盤的凹坑或平臺時，輸入到計算機中的二進制數(shù)據(jù)為0，0的多少視凹坑或平臺的長短而定，最少為2個，最多為10個.只有在凹坑和平臺的交界處信號發(fā)生轉(zhuǎn)變時，才會輸入給計算機二進制數(shù)據(jù)1，這是由于凹坑與平臺對激光的反射信號不同，因而計算機在信號變化的部分得到不同的返回值.CD-R刻錄的凹槽的深度范圍是 115.79～132.76nm，平均值為126.38nm［6］，由于光程差的不固定，故而反射信號的不同并不是由于干涉相消造成的，而是由于反射信號的不同造成的.

沿著光道，相鄰2個平臺之間凹槽的最短長度為0.833μm［7］，而該段光道對應(yīng)的數(shù)據(jù)量為3bit，故可知光道上1bit的數(shù)據(jù)對應(yīng)的光道長度為0.278μm.之前曾有報道直接用光學(xué)實驗的方法即可測量出凹槽的最短距離0.833μm［1］，但是實驗中并不能直接測得.

2.3 光盤的數(shù)據(jù)存儲

光盤采用EFM編碼，即將8位的數(shù)據(jù)信息調(diào)制至14位，然后為了防止編碼中產(chǎn)生非法編碼，相鄰的14位數(shù)據(jù)中還會增加3位.數(shù)據(jù)在寫入光盤時，不僅要寫入存儲數(shù)據(jù)，還要同時寫入糾錯部分的數(shù)據(jù)和控制部分的數(shù)據(jù).在光盤的1幀內(nèi)，具有24bit的同步位，14bit的控制位，以及9個校驗位.其對應(yīng)過程如圖2所示.

圖2 光盤上的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.4 光盤容量的計算

將光盤上的光道近似為同心圓環(huán)，因而同心圓環(huán)的半徑從內(nèi)到外分別為R內(nèi)，R內(nèi)＋d，R內(nèi)＋2d，…，R內(nèi)＋（n-1）d，R外，其中R內(nèi)為數(shù)據(jù)開始記錄的內(nèi)半徑，R外為數(shù)據(jù)終止記錄的外半徑，d為光盤的徑向相鄰2個光道之間的距離，因而光道總長度L為

所以光盤存儲的信息量C（MB）應(yīng)為

其中a為1bit數(shù)據(jù)對應(yīng)的光道長度，為0.278μm；23表示1幀數(shù)據(jù)中數(shù)據(jù)位的個數(shù)（即圖2中數(shù)據(jù)部分對應(yīng)的位數(shù)），8表示每個數(shù)據(jù)位含有8bit的有效數(shù)據(jù).

上述計算過程將光盤螺旋線形的光道近似認為是同心圓形，誤差相對較小，認為兩者相同.實驗裝置如圖3所示，其中衍射光點的位置應(yīng)滿足：

其中λ＝632.8nm，實驗用的He-Ne激光器發(fā)出的激光近似為線偏振光.

圖3 實驗裝置圖

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 光盤容量計算

數(shù)據(jù)如表1所示.照射點與光盤邊緣的距離2.30cm，光盤與接收屏距離14.90cm，光柵常量d1＝1.53μm，相鄰小亮點的距離為1.50mm，0級次小亮點大小為0.05cm，下方第1級次（記為“-1級”）和上方第1級次（記為“＋1級”）小亮點大小均為0.10cm.

表1 光盤與屏相距14.90cm時各級次小亮點的分布

調(diào)整光盤與屏的距離為8.50cm后，重新測量結(jié)果見表2.光柵常量d2＝1.51μm，相鄰小亮點的距離為1.50mm.

表2 光盤與屏相距8.50cm時各級次小亮點的分布

將測得的光盤R內(nèi)＝2.70cm，R外＝5.70cm，及徑向相鄰光道之間的距離d平均＝1.52μm，代入光盤容量的計算式（2）中，得C＝699MB，對比光盤的實際容量700MB，相對偏差為0.14%.若選用光盤剝離后的樹脂層進行實驗，可以觀察到?jīng)]有干擾小亮點的衍射亮點.

3.2 衍射亮點分析

實驗中在光盤的印刷層一側(cè)（即圖3中的面Ⅰ），觀察到了如圖4所示的衍射亮點，左側(cè)的光盤樹脂層未剝離，右側(cè)光盤樹脂層剝離.在衍射光接收板上觀察到了如圖5所示的衍射亮點，亮點之間的間距變化表明小亮點之間的距離與波長正相關(guān).

這些衍射亮點具有如下的特點：

1）剝離光盤表面的樹脂層后，徑向光柵結(jié)構(gòu)的衍射現(xiàn)象依舊存在，但每個級次衍射亮點周圍的小亮點消失.

2）小亮點之間的距離與光盤和接收屏的距離無關(guān)，為1.50mm.

3）在靠近光盤處每遮住1個小亮點，不同級次衍射亮點周圍對應(yīng)級次的小亮點一同消失，圖6中圈住的部分表示一同消失的小亮點.

圖4 光盤背面的衍射現(xiàn)象

圖5 衍射光接收板上的衍射現(xiàn)象

圖6 在靠近光盤處遮住小亮點觀察到的情況

4）每個小亮點都具有明顯的偏振特性.

5）小亮點的強度有明顯的、規(guī)律性的強弱分布特征；位于徑向光柵衍射級次亮點下方的同級次小亮點的亮度從下方的2級亮點到上方的2級亮點逐漸減弱，位于徑向光柵衍射級次上方的同級次小亮點的亮度從上2級次到下2級次減弱，并且在每個級次亮點周圍，小亮點的亮度隨其與主亮點的距離的增大而減小.

事實上，這些小亮點的形成是由于金屬印刷層與樹脂層之間多次反射、衍射形成的，如圖7所示.上述的小亮點主要是由于第2級次的衍生光在樹脂層內(nèi)多次反射后在金屬的光柵結(jié)構(gòu)上形成了多個衍射源，從而形成了實驗中的小衍射亮點.根據(jù)該原理可以解釋上述的幾種實驗現(xiàn)象：

1）將樹脂層剝離后，衍射光無法在樹脂層與空氣層的界面進行反射，因而只具備1個衍射源，從而每級次周圍的衍射亮點消失.

2）從圖7中可以看出，隨著光盤與接收屏之間距離的增大，相鄰衍射源之間的距離并沒有變化，該距離僅與入射光的波長以及樹脂層的厚度有關(guān)，因而相鄰小亮點之間的距離保持恒定不變.

圖7 光學(xué)現(xiàn)象原理圖

3）由于每級次亮點周圍的相同級次的小亮點是由同一衍射源形成的，故而當(dāng)1個衍射源被遮住后，其他級次亮點周圍相同級次的小量點同時消失.

4）經(jīng)過計算可知，在第2級次的衍射光的透射成分中，s光的成分要遠高于p光的成分，因而在測量中可以觀察到明顯的線偏振特性.

5）小亮點的強弱分布特征可根據(jù)衍射公式進行計算，定性分析的結(jié)果與實驗觀測的結(jié)果完全吻合.

4 結(jié)束語

利用掃描電鏡觀察了光盤的光道結(jié)構(gòu)，并利用光學(xué)實驗的方法測量了光盤徑向的光道間距.利用測得的實驗數(shù)據(jù)估算出了光盤的容量，與理論結(jié)果吻合.

［1］黃振永，林學(xué)春，賴康，等.光盤等效光柵常量和存儲容量的測量［J］.物理實驗，2008，28（1）：5-8.

［2］楊保東，周海濤.光盤道間距及其信道軌跡長度的測量［J］.大學(xué)物理，2007，26（5）：35-36.

［3］王聽琦.光盤生產(chǎn)在線檢測技術(shù)原理及應(yīng)用［J］.燕山大學(xué)學(xué)報，2001，25（21）：150-152.

［4］陳贅，王力鋒，李艷茹.PC光學(xué)樹脂計量圓光柵的制作［J］.光學(xué) 精密工程，2010，18（8）：1788-1792.

［5］岳宏達，賓月景，潘龍法，等.我國國產(chǎn)化CD-R染料的研發(fā)［J］.1009—5624（2002）03 0013 04，13-16.

［6］徐琳，李伯全，丁建寧，等.基于原子力顯微鏡的光盤表面微結(jié)構(gòu)的檢測［J］.光學(xué)儀器，2008，30（4）：1-4.

［7］Audio recording-Compact disc digital audio system，IEC60908，141-145.