激光光盘的物理原理

1、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屮十分常见的信息存储媒介。而这其屮包含了许多我们 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。其屮激光是光盘原 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)是近代发展起來不同于磁性载体的 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

2、息。在激光光盘中，主要涉及的物理原理包括两个方面，一个是光盘记录层屮材 料的应用，另一个则是激光技术在信息存储中的应用。激光的应用在其屮占有主 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屮 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

3、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。一般來说， 基板是无色透明的聚碳酸酯板，在整个光盘屮，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

4、光束读取光盘片屮的资料。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 而。 其中，在记录层中所使用的有机染料主要有三种：花菁(cyanine). 菁(phthalocyanine)及偶氮(azo)。目前，一次性记录的cd-r光盘主要采用(猷菁)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t'的信号，这一个接一个 的坑是不能回复的

5、，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。这一连吊的0、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"、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 射到记录介质表而上时，会

6、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 10mw-20mwo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

7、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

8、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。光源发岀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，探测器便输岀数字的电脉 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，不过偏振而相对原人射的线偏振

9、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

10、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:光盘的内容一般來自咅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

11、普遍可读性，光盘复制厂商会对母带或cd-r±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 式化的数据进行逐字节的核对，以保证数据的正确。当然，如果您制作apple 格式或unix格式的光盘，现有的设备也会对它作出相应的处理。在玻璃基片 上的感光树脂是用一个旋转涂膜系统按照螺旋轨道以微米（比头发细460 倍）的厚度涂上去的，接收到激光束记录仪发射出蓝色激光的感光树脂曝光，然 后通显影药水将曝光部分腐蚀掉，在未被腐蚀的部分和腐蚀掉部分之间就形成了 凸起和凹下，这样就将

12、信息留在基片上。制作基片的过程是整个光盘制作过程 最关键的一环，光盘质量再好也只能达到基片的质量，而且这些凸起和凹下仅相 当于烟尘颗粒的大小，所以制作基片的车间空气中尘埃的数量是严格控制在一定 数量内的，任何一个灰尘都可能造成严重的数据丢失。经过显影的主片，在树 脂表面上蒸镀一层银作为导电层，以便为以后的电铸工艺做准备。这个过程实际 上是一个屯镀的过程，但形成的厚度较电镀厚的多，所以被称为”屯铸蔦电铸制 作出可以用于复制生产的金属模子，将基片放入含有银离子（一般是磺胺基银） 的电解液中。通电后，基片表面含银部分不断吸引银离子，银层不断增厚，最 终形成一个0.3毫米的鎳片。这个坚硕的鎳片是同主片

13、的凸凹止好相反，被称为”父片蔦制作成”父片”后，并不是马上用父片开始制作光盘，而是采用同样的 方法来制作“母片蔦再利用“母片”制作“模片“。3:注塑生产：注塑机是由一个模片和模具组成，模片就是我们在母版作工序中 的最终产品，通过它可以在盘基上形成信息面。模具则是一个光滑的表面（读 取面），再加热筒中熔融的聚碳酸脂被传送到模具中，同时模片和模具闭合形成 一个空腔，在空腔内注入聚碳酸脂的同时，加热筒的螺杆转动，推动模片向前移 动，给聚碳酸脂一个压力，使其表面同两边的模具完全贴合，并开始强制冷却。 这个过程一般为35秒钟，一张光盘的质量好坏取决于模片的质量、加热的温 度、螺杆的压力和冷却的吋间。模片质量不好就无法保证数据的准确；加热温度 和螺杆的压力与模片同聚碳酸脂的贴合度有直接关系，贴合度低就无法保证信息 的正确。4:溅射：反射层下而的工序就是真空溅射反射层，溅射工艺也是在一体机里而 完成的。其原理是将高纯度的铝做成圆形的”铝靶”，上下通正负极，中间真空 并充填惰性气体。当通电的时候，铝靶上的铝原子受电子冲击溅射到光盘的信息 面上，从而形成一个反射层。铝靶同光盘之间的距离很短，并有一对铜制的比光 盘稍小的圆环，防止铝溅射到光盘以外。由于采用溅射的方法，每张光盘的反 射层都很薄，仅有儿个铝分子厚。铝靶的内部同样要求高度的清洁，