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(chǔ)元件，具有體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格低、存儲(chǔ)量大等優(yōu)勢(shì)，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(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究對(duì)象，很容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對(duì)相關(guān)內(nèi)容的理解和掌握.也正因?yàn)槿绱?，不少學(xué)校已經(jīng)開展了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)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(huì)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(jìn)一步的分析和測(cè)量中存在著較大的偏差.此外，用光學(xué)實(shí)驗(yàn)方法來測(cè)定光盤容量，需要知道信息存儲(chǔ)時(shí)的編碼技術(shù).本次實(shí)驗(yàn)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(shí)產(chǎn)生的光學(xué)現(xiàn)象，并對(duì)實(shí)驗(yàn)中觀察到的非正常的衍射斑點(diǎn)序列進(jìn)行了分析和驗(yàn)證.

2 實(shí)驗(yàn)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(chǔ)元件主要依靠其信息存儲(chǔ)層上的“凹坑”結(jié)構(gòu)（對(duì)CD-R，“凹坑”結(jié)構(gòu)是由激光燒蝕引起的折射率對(duì)比）進(jìn)行信息的記錄與存儲(chǔ)，為了觀測(cè)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(jìn)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(cè)得相鄰2個(gè)光道之間的距離均為1.54μm.圖1中灰白色的斑點(diǎn)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(gè)不同位置處的光道間距，由于光道邊緣并不清晰，測(cè)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(chǔ)的關(guān)鍵，入射激光射在光盤的凹坑或平臺(tái)時(shí)，輸入到計(jì)算機(jī)中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)為0，0的多少視凹坑或平臺(tái)的長短而定，最少為2個(gè)，最多為10個(gè).只有在凹坑和平臺(tái)的交界處信號(hào)發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)，才會(huì)輸入給計(jì)算機(jī)二進(jìn)制數(shù)據(jù)1，這是由于凹坑與平臺(tái)對(duì)激光的反射信號(hào)不同，因而計(jì)算機(jī)在信號(hào)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(hào)的不同并不是由于干涉相消造成的，而是由于反射信號(hào)的不同造成的.

沿著光道，相鄰2個(gè)平臺(tái)之間凹槽的最短長度為0.833μm［7］，而該段光道對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)量為3bit，故可知光道上1bit的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的光道長度為0.278μm.之前曾有報(bào)道直接用光學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法即可測(cè)量出凹槽的最短距離0.833μm［1］，但是實(shí)驗(yàn)中并不能直接測(cè)得.

2.3 光盤的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

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(huì)增加3位.數(shù)據(jù)在寫入光盤時(shí)，不僅要寫入存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，還要同時(shí)寫入糾錯(cuò)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(gè)校驗(yàn)位.其對(duì)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(jì)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(gè)光道之間的距離，因而光道總長度L為

所以光盤存儲(chǔ)的信息量C（MB）應(yīng)為

其中a為1bit數(shù)據(jù)對(duì)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(gè)數(shù)（即圖2中數(shù)據(jù)部分對(duì)應(yīng)的位數(shù)），8表示每個(gè)數(shù)據(jù)位含有8bit的有效數(shù)據(jù).

上述計(jì)算過程將光盤螺旋線形的光道近似認(rèn)為是同心圓形，誤差相對(duì)較小，認(rèn)為兩者相同.實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，其中衍射光點(diǎn)的位置應(yīng)滿足：

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

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 光盤容量計(jì)算

數(shù)據(jù)如表1所示.照射點(diǎn)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(diǎn)的距離為1.50mm，0級(jí)次小亮點(diǎn)大小為0.05cm，下方第1級(jí)次（記為“-1級(jí)”）和上方第1級(jí)次（記為“＋1級(jí)”）小亮點(diǎn)大小均為0.10cm.

表1 光盤與屏相距14.90cm時(shí)各級(jí)次小亮點(diǎn)的分布

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

表2 光盤與屏相距8.50cm時(shí)各級(jí)次小亮點(diǎn)的分布

將測(cè)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(jì)算式（2）中，得C＝699MB，對(duì)比光盤的實(shí)際容量700MB，相對(duì)偏差為0.14%.若選用光盤剝離后的樹脂層進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以觀察到?jīng)]有干擾小亮點(diǎn)的衍射亮點(diǎn).

3.2 衍射亮點(diǎn)分析

實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，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(diǎn)，亮點(diǎn)之間的間距變化表明小亮點(diǎn)之間的距離與波長正相關(guān).

這些衍射亮點(diǎn)具有如下的特點(diǎn)：

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(gè)級(jí)次衍射亮點(diǎn)周圍的小亮點(diǎn)消失.

2）小亮點(diǎn)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(gè)小亮點(diǎn)，不同級(jí)次衍射亮點(diǎn)周圍對(duì)應(yīng)級(jí)次的小亮點(diǎn)一同消失，圖6中圈住的部分表示一同消失的小亮點(diǎn).

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(diǎn)觀察到的情況

4）每個(gè)小亮點(diǎn)都具有明顯的偏振特性.

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

事實(shí)上，這些小亮點(diǎn)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(diǎn)主要是由于第2級(jí)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(gè)衍射源，從而形成了實(shí)驗(yàn)中的小衍射亮點(diǎn).根據(jù)該原理可以解釋上述的幾種實(shí)驗(yàn)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(jìn)行反射，因而只具備1個(gè)衍射源，從而每級(jí)次周圍的衍射亮點(diǎn)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(diǎn)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(jí)次亮點(diǎn)周圍的相同級(jí)次的小亮點(diǎn)是由同一衍射源形成的，故而當(dāng)1個(gè)衍射源被遮住后，其他級(jí)次亮點(diǎn)周圍相同級(jí)次的小量點(diǎn)同時(shí)消失.

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

5）小亮點(diǎn)的強(qiáng)弱分布特征可根據(jù)衍射公式進(jìn)行計(jì)算，定性分析的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)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(shí)驗(yàn)的方法測(cè)量了光盤徑向的光道間距.利用測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)估算出了光盤的容量，與理論結(jié)果吻合.

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