CD/DVD

CD/DVD (Interferenca – izmeri podatke z laserjem)

 

PDF eksperimenta

CD (kompaktni disk) ali DVD (digitalni video disk) sta digitalna pomnilniška medija. Še desetletje nazaj sta bila zalo priljubljena in pogosto uporabljena, a ju je naposled le izpodrinil USB-ključek, danes pa možnost shranjevanja podatkov v oblačnem sistemu. DVD je zaradi omejene kapacitete nadomestil CD, saj je to želela video industrija, naslednik DVD-ja pa je Blu-ray disk, ki omogoča shranjevanje video vsebine v formatu 4K.

Optični pomnilniški mediji so pri nakladi v velikih količinah silno poceni. Nekoliko dražja je le izdelava bralnikov in zapisovalnikov, saj je treba plošček vrteti, z njega pa brati s pomočjo optične naprave, ki je občutljiva na vibracije in hipne pospeške. Poenostavljena struktura CD-pomnilnika je prikazana na Sliki 1.

Slika 1: Struktura CD-R-ploščka po slojih (slika ni v merilu).

Večji del diska sestavlja prosojna plastika, ki hkrati služi kot mehanska osnova. Tej sledi sloj podatkov, dielektrična snov vdolbin in ravnin, ki jih optični bralnik prebere kot digitalno ničlo ali enico ter tako sestavi podatke. Nanjo je naparjen tanek sloj aluminija, ki igra vlogo zrcala, podobno kot pri ogledalu v domači kopalnici. Od njega se odbije laserski žarek bralnika, tega pa zazna detektor v optičnem delu. Sledi akrilna zaščitna barva ter nalepka, na katero proizvajalec ali uporabnik napiše vsebino CD-ja.

Podatki so na ploščku nanešeni po spirali, kot to prikazuje Slika 2. Spirala je največja ob robu diska in se manjša proti njegovi notranjosti, skupna dolžina pa za CD-disk znaša 5,38 km.

Slika 2: Urejenost podatkov na optičnem mediju.

Ko optična enota bere CD, laser potuje vzdolž površine da pridobi podatke iz vseh sledi. Informacija je na disku shranjena v obliki vdolbinic in ravnin, kot to lahko vidimo na Sliki 3.

Slika 3: Površina CD-ROM-a pod elektronskim mikroskopom.

Kadar laserski žarek zadane vdolbino, se svetloba razprši v različne smeri, zato detektor to lahko prepozna kot spremembo. Vsaka sprememba je določena kot digitalna enica (1). Če spremembe ni, računalnik prejme digitalno ničlo (0).

Slika 4: Branje informacij z optičnega diska.

Vrste s podatki so na disku med seboj razmaknjene za točno določeno dolžino d. Če želimo na enako površino spraviti več podatkov, moramo to razdaljo zmanjšati, kar so storili pri zasnovi DVD-diska. To seveda pomeni, da potrebujemo bolj natančen optični bralnik, pri diskih Blu-ray pa celo laser drugačne barve (manjša valovna dolžina svetlobe).

S preprostim poskusom bomo izmerili, kakšna je razdalja med posameznimi tračnicami s podatki na optičnem disku.

Potrebni pripomočki

Za izvedbo naloge potrebujemo:

• odslužen CD- in DVD-disk,
• laser (rdeč ali zelen – najdemo jih v kazalnikih za tablo, igračah),
• geotrikotnik ali kotomer,
• mali karo papir ali milimetrski A4 list,
• lepilni trak.

Opis poteka naloge

Razdaljo med tračnicami d na optičnem podatkovnem mediju bomo izmerili s pomočjo interferenčnega vzorca, ki je posledica uklona svetlobe na uklonski mrežici. S podrobno razlago pojava se za zdaj ne bomo ukvarjali, posvetili se ji bomo na koncu poglavja.

Pri izvedbi poskusa moramo biti zelo natančni! Že majhni premiki laserja pod napačnim kotom ali naklon CD-ploščka nam lahko da nepravilen rezultat. Previdno postavimo merilno mesto, kot to prikazujeta Sliki 5 in 6.

Slika 5: Pogled s strani.

CD-plošček namestimo na rob ravne mize z lepilnim trakom za stene. Pri tem poskrbimo, da se nad površino mize nahajata vsaj 2/3 notranje luknje, saj moramo z laserskim žarkom zadeti točno na sredinsko črto diska. Laser namestimo čimbolj vodoravno s površino mize in ga usmerimo proti disku tako, kot to prikazuje Slika 6. Pri tem pazimo, da laserski žarek ne zaide v oči, saj lahko s tem trajno poškodujemo vid!

Slika 6: Pogled od zgoraj.

Laserski žarek mora ciljati tisti del ploščka, kjer črte s podatki potekajo navpično na površino mize, saj bomo le tako dobili želen in pravilen vzorec glede na svojo merilno postavitev. Na mizo položimo mali karo ali milimetrski papir in nanj s svinčnikom previdno vrišemo poti laserskih žarkov, kot to prikazuje zgornja slika. Z geotrikotnikom ali kotomerom izmerimo zahtevane kote in jih vpišemo v preglednico. Pri izvedbi meritev se lahko zgodi, da žarka, označenega z m=2, ne vidimo oziroma se ne pojavi. Meritev ponovimo še za DVD-disk.

Tabela 1: Zbirna tabela.

Razdaljo d izračunamo s pomočjo enačbe:

Valovna dolžina žarka je odvisna od barve našega laserja. Spodnja tabela prikazuje običajne vrednosti polprevodniških laserjev (takšnih, ki so v igračah, kazalcih, lučkah). Če poznamo natančno valovno dolžino uporabljenega laserja, računamo z njo.

Razdalje posameznih meritev za različne m na koncu povprečimo, saj tako dobimo natančnejši rezultat. Primerjajmo vrednosti razdalje d med CD- in DVD-jem.

Na podlagi izračunane razdalje d in meritve območja diska, kjer se nahajajo podatki (rahel sivkast odtenek), izračunamo število ovojev spirale za CD- in DVD-disk.

Nasveti:

• Z uporabo različnih barv laserja lahko s povprečenjem vseh meritev dobimo še točnejši rezultat.
• Ceneni rdeči laserji pogosto niso točni v valovni dolžini, zato je račun le približen.
• Če žarkov ne vidimo na mizi, rahlo nagnemo plošček, da se pokažejo vzorci. Pri dnevni svetlobi bomo videli izrazitejši le odsek daljice, pri popolni temi pa tanko črto v smeri žarka.
• Najboljši rezultat dobimo s CD-R- ali DVD-R-diski, kjer je informacija trajno zapisana v samo strukturo in je ni mogoče brisati kot pri CD-RW- ali DVD-RW-tehnologiji. Le ta v svoji notranjosti uporablja posebno snov, ki ji je možno spreminjati lomni količnik z močnim laserjem.
• Do interferenčnega vzorca pride zaradi praznih vdolbin v notranjosti, ki skupaj z zrcalom (sloj aluminija) delujejo kot uklonska mrežica.
• Drobne napake pri vpadnem kotu laserskega žarka pomenijo velike napake pri preračunu razdalje d. Poskrbimo, da je vpadni žarek čim bolj pravokoten na ravnino CD/DVD-ploščka. Pomagajmo si z ravno črto karo lista.

Dodatno

Zakaj pride do vzorca na površini papirja? Gre za fizikalen pojav, ki se zgodi, ko valovanje (tudi svetloba) pade na površino uklonske mrežice. Uklonska mrežica je ploščica, ki ima veliko število majhnih rež (manjših od valovne dolžine). Reže so navadno prozorni deli v ploščici. Primitivne uklonske mrežice dobimo, če na okvir napnemo drobne tanke žice, ki jih namestimo precej skupaj, da dobimo fino sito.

Ko valovanje prispe do rež, se na vsaki izmed rež ukloni (širi se v področje sence za oviro). Za uklonsko mrežico dobimo vrsto valov, ki se v nekaterih točkah seštejejo tako, da tam dobimo zgoščino (svetlo piko), drugje pa se med sabo odštejejo in izničijo (temno področje). Če v prostor namestimo zaslon, pojav s pomočjo svetlobe opazujemo s prostim očesom

.

Slika 7: Interferenčni vzorec.

Točke, kjer nastanejo zgoščine, lahko točno izračunamo, če le poznamo razdaljo d med posameznimi režami uklonske mrežice in uporabljano valovno dolžino (valovna dolžina laserskega žarka), po spodnji enačbi:

Uklonske mrežice imajo lahko tudi več sto rež na milimeter. Po načinu delovanja jih delimo na:

• prosojne uklonske mrežice,
• odbojne uklonske mrežice.

V prosojnih uklonskih mrežicah so reže izdelane na prosojni snovi, opazujemo pa svetlobo, ki gre skozi mrežico, pri odbojnih uklonskih mrežicah pa so reže izdelane na odbojni površini (zrcalo), zato opazujemo odbito svetlobo. CD ali DVD spadata v skupino odbojnih uklonskih mrežic.

Slika 8: Primer meritve s CD/DVD odbojno uklonsko mrežico.