ứng dụng laser trong ghi và đọc tín hiệu quang học

Tia ánh sáng thường là tia laser có công suất thấp, khi chiếu vào bề mặt đĩa quang nếu gặp một điểm sáng, tia sáng sẽ được phản xạ ngược lạ nguồn phát sáng, khi gặp một điểm tối, tia las

CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ – KỸ THUẬT Y SINH

TIỂU LUẬN VẬT LÝ LASER

ỨNG DỤNG LASER TRONG

GHI VÀ ĐỌC TÍN HIỆU QUANG HỌC

Thành Viên

1/ Nguyễn Nhự My

2/ Thái Hòa Thành

3/ Trương Phương Tú

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 2

I SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ HÌNH THÀNH LASER 3

II SƠ LƯỢC VỀ Ổ ĐĨA QUANG 4

III CÁCH THỨC HOẠT ĐỘNG CỦA Ổ ĐĨA QUANG 6

L Ờ I M Ở Đ Ầ U

R a

đ ờ i

v à o

k h o ả n g

I Sơ lược về lịch sử Laser

Laser (Light Amplification by Stimulated Emisson of Radiation) có nghĩa là khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức Nguyên lý của bức xạ cưỡng bức là nền tảng hoạt động của laser Nguyên lý của bức xạ cưỡng bức là nền tảng hoạt động của laser Lý thuyết bắt đầu được xây dựng vào năm 1900 bởi Max Planck, người đầu tiên chứng minh rằng năng lượng của sóng điện từ không liên tục mà là những phần tử rời rạc-lượng tử năng lượng-với mức năng lượng tương ứng với tần số của sóng Vào năm 1916, sau khi được bầu vào Viên Hàn lâm Khoa học Đức, A.Einstein bằng tư duy trừu tượng cao, đã đưa ra định đề về lý thuyết của bức xạ cưỡng bức: Nếu chiếu những nguyên tử bằng một sóng điện từ, sẽ có thể xảy ra một bức xạ “được kích hoạt” và trở thành một chùm tia hoàn toàn đơn sắc, ở đó tất cả những photon phát ra sẽ có cùng một bước sóng

Năm 1960, chiếc laser đầu tiên ra đời do nhà bác học Maiman (Mỹ) chế tạo Đó là chiếc laser Ruby, laser này sử dụng Ruby làm môi trường hoạt chất Ngay sau đó các nhà khoa học nghiên cứu và chế tạo ra nhiều laser khác sử dụng nhiều chất khác làm môi trường hoạt chất Từ đó công nghệ laser trở nên đa dạng với nhiều lĩnh vực: laser rắn, laser khí, laser bán dẫn, laser lỏng Ban đầu laser tạo ra có công suất thấp ứng dụng không nhiều, các nhà khoa học đã nghiên cứu và dùng nhiều cách đã tạo ra được laser công suất cao với nhiều ứng dụng quan trọng trong thực tế Công nghệ laser phát triển mạnh mẽ nữa sau thế kỷ 20, nhưng hiện nay công nghệ laser được nghiên cứu theo những hướng mới Đặc biệt là trào lưu sử dụng đơn nguyên tử vào công nghệ laser

Ở lĩnh vực công nghệ,Nhu cầu lưu trữ thông tin cũng trở nên cần thiết Người ta

cố tìm ra nhiều cách thức lưu trữ, truy xuất dữ liệu mà không cần nguồn nuôi mà tín hiệu vẫn có thể tồn tại vĩnh viễn và có thể đọc, ghi sửa hay xóa bất kì lúc nào Ngày nay, gần như tất cả các thông tin được số hóa và được ghi lại trong định dạng kỹ thuật số Có nhiều yếu tố để tạo ra mã nhị phân nhưng chỉ có 3 là có giá trị thương mại : Từ trường, quang học và điện tử

Các khái niệm cơ bản của một đĩa quang bắt đầu từ năm 1961 khi các phòng thí nghiệm nghiên cứu Stanford đã phát triển một đĩa video sử dụng công nghệ chụp ảnh Tuy nhiên, độ sáng thấp của nguồn ánh sáng có sẵn mang lại sao chép hình ảnh chất lượng thấp Columbia Broadcasting System (CBS) công bố hệ thống EVR (điện tử Video

Recorder) trong năm 1967, nhưng chi phí khổng lồ cuối cùng buộc họ phải ngừng phát triển Việc phát minh ra tia laser bởi T.H Maiman et al năm 1960 cung cấp nguồn ánh sáng được coi là phù hợp nhất cho các ổ đĩa quang

Laser có sự đồng bộ thời gian và không gian tốt, điều đó cho phép có được giới hạn nhiễu xạ tia nhỏ cần thiết để thu hồi thông tin chất lượng cao từ đĩa quang

Sau nhiều phương pháp được xem xét, thiết kế cơ bản của đĩa quang và phương pháp ghi "bit-by-bit" đã được phát triển trong những năm 1970 Lần đầu tiên hệ thống đĩa video quang học để sử dụng thương mại,nó được phát hành vào năm 1973 bởi Philips của

Hà Lan và MCA (Tổng công ty âm nhạc của Mỹ) của Hoa Kỳ.Những hệ thống đầu tiên, laser He - Nelà nguồn ánh sáng ưa thích Ngay sau đó, nhiều hệ thống đĩa quang học mới được ra đời.Đĩa âm thanh kỹ thuật số (DAD) có đường kính là 12cm, sau này gọi là đĩa

CD (compact disk) đã được công bố trong năm 1978 Đến năm 1980 thì chuẩn đĩa

CD-DA ra đời, chúng được chuẩn hoá với định dạng Sách đỏ (Red Book) Sản phẩm CD tiêu chuẩn từ một số nhà sản xuất bắt đầu có sẵn vào tháng 12 năm 1982 Năm 1983 Sony và Philips tiếp tục hợp tác để đưa ra các chuẩn đĩa chung Chuẩn định dạng Sách vàng để phù hợp hơn với dữ liệu trên máy tính CD ROM Máy nghe đĩa CD sử dụng laser bán dẫn

để cho phép thiết kế các đầu phát nhỏ và trọng lượng nhẹ Năm 1996, đĩa đa năng kỹ thuật số (DVD) cho đầu phát đã được phát hành Các hệ thống phát lại chỉ đánh dấu sự khởi đầu của các sản phẩm đĩa quang

Đĩa quang tiếng Anh là optical disc là thuật ngữ dùng để chỉ chung các loại đĩa mà

dữ liệu được ghi/đọc bằng tia ánh sáng hội tụ Tuỳ thuộc vào từng loại đĩa quang (CD, DVD ) mà chúng có các khả năng chứa dữ liệu với dung lượng khác nhau

Đĩa quang là hình thức lưu trữ dữ liệu mà khi ngừng cung cấp điện (non-volatile)

sẽ không mất dữ liệu Các nguồn tín hiệu được mã hóa dưới dạng số (ADC) sau đó được điều chế và ghi trên đĩa Các tín hiệu số được ghi trên đĩa dưới dạng các lỗ trống (pit) hoặc mặt phẳng (land)

Đĩa quang theo đúng như ý nghĩa của tên gọi, nó sử dụng các tính chất quang học

để lưu trữ dữ liệu Khái niệm track trên đĩa quang cũng giống như ổ đĩa cứng, mỗi track là một vòng tròn, tuy nhiên ở đĩa quang các track là các vòng tròn hở nối tiếp nhau

Trên đĩa quang có các rãnh theo hình xoắn ốc từ trong ra ngoài không giống như các track đồng tâm ở ổ đĩa cứng Nó chứa các chấm sáng (có khả năng phản xạ tia sáng đến) và điểm tối (không phải xạ hoặc phản xạ yếu đối với tia sáng chiếu vào) Tia ánh sáng thường là tia laser có công suất thấp, khi chiếu vào bề mặt đĩa quang nếu gặp một điểm sáng, tia sáng sẽ được phản xạ ngược lạ nguồn phát sáng, khi gặp một điểm tối, tia laser không phản xạ ngược lại bởi điểm tối đã hấp thụ tia sáng chuyển hoá chúng thành nhiệt năng nên đĩa quang thường nóng lên khi làm việc

Tại ổ đĩa quang, trên đường chiếu của tia sáng có hệ lăng kính để phản xạ tia sáng truyền ngược lại (khi chiếu vào điểm sáng) để không chuyển tia sáng này về nguồn phát,

mà đổi hướng chúng đến một bộ cảm biến để nhận tín hiệu (thường là các điốt cảm

quang) Tín hiệu nhận được dạng nhị phân, tương ứng với điểm sáng và tối sẽ cho kết quả

1 và 0

Hình cấu trúc bề mặt đĩa quang

Ưu điểm

Đĩa quang đang được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau, bao gồm các thiết bị

âm thanh bộ nhớ máy tính, tập tin hình ảnh, tập tin tài liệu và các tập tin video Những lợi thế của đĩa quang học trên các thiết bị nhớ khác được biết đến là:

1 Dung lượng lớn / mật độ thông tin cao.

Dung lượng thông tin của một đĩa DVD đường kính 120 mmlà 4,7 GBytes cho DVD-ROM/RAM 1 lớp , và 8,5 GBytes cho DVD ROM hai lớp.Các sản phẩm phát triển mới

cho thế hệ tiếp theo cho thấy một dung lượng thông tin có thể đạt được hơn 16 Gbits / in2 bằng cách sử dụng một tia laser màu xanh và một vật kính có khẩu độ số cao

2 Truy cập nhanh và ngẫu nhiên vào hệ thống thư viện cho phép truy cập vào hàng loạt bộ nhớ lớn.

Cơ chế thay đổi cung cấp truy cập chỉ trong vài giây đến vài petabyte thông tin

3 Độ tin cậy.

Bề mặt thông tin của một đĩa quang học được bao phủ bởi một lớp bảo vệ, đảm bảo sự lưu trữ lâu dài Truy vấn thông tin được thực hiện mà không cần tiếp xúc vật lý, làm tăng

độ tin cậy của thông tin được lưu trữ

4 Nhân rộng.

Sản xuất hàng loạt sử dụng khuôn đúc, ép hoặc kỹ thuật cao là có thể thực hiện được Sao chép đĩa quang chi phí thấp hơn cho đĩa từ cứng hoặc băng

5 Removability

Khả năng tương thích giữa nhân rộng và ghi đĩa giữa các ổ đĩa tiêu chuẩn cung cấp khả năng này Những lợi thế này dẫn đến việc sử dụng phổ biến các sản phẩm đĩa quang trong các ứng dụng của người tiêu dùng và máy tính

Cấu tạo đĩa quang

Một cách chung nhất, đĩa quang có cấu tạo gồm:

Lớp nhãn đĩa (chỉ có ở loại đĩa quang một mặt)

Lớp phủ chống xước (chỉ có ở loại đĩa quang một mặt)

Lớp bảo vệ tia tử ngoại

Lớp chứa dữ liệu

Lớp polycarbonat trong suốt (phía bề mặt làm việc)

Đối với loại đĩa quang ghi dữ liệu ở cả hai mặt, các lớp được bố trí đối xứng nhau để đảm bảo ghi dữ liệu ở cả hai mặt đĩa

Cấu tạo vật lý

Vùng trong cùng của đĩa không chứa dữ liệu, dữ liệu bắt đầu được ghi ở vị trí bán kính 23mm và kết thúc ở đường kính vòng ngoài là 117mm

Vùng bán kính từ 23mm đến 25mm là vùng lead-in và vùng đường kính từ 116-117mm là vùng lead-out Vùng lead-in chứa các kênh thông tin phụ để truy xuất dữ liệu nhanh hơn Còn vùng lead-out ngoài cùng chứa dữ liệu bằng 0 Vùng này cho biết vùng chứa dữ liệu trên CD đã kết thúc

Độ rộng của một pit bằng khoảng bước sóng của ánh sáng và khoảng cách giữa các rãnh bằng khoảng gấp 3 lần bước sóng

III Cách đĩa quang hoạt động

Ghi tín hiệu

Khi ghi tín hiệu người ta sử dụng diode laser để tạo chùm tia laser đi qua hệ thống thấu kính để tập trung năng lượng trên bề mặt của đĩa, cường độ của tia laser phụ thuộc vào các bit tín hiệu và ta sẽ có các pit và các plant tương ứng trên mặt đĩa

Các chùm tia laser phát ra từ vật kính thì tập trung vào một chỗ trên đĩa Kích thước tại chỗ là tỷ lệ thuận với bước sóng l của các chùm tia laser và tỉ lệ nghịch với khẩu độ số (NA) của vật kính

khẩu độ số NA được tính bởi (sin u ) của góc giữa quang trục và các tia biên:

NA = n*sin (u)

trong đó n đại diện cho chiết suất của môi trường trong không gian vật thể

Ds= k*λ/ NA

k đại diện cho một hằng số phụ thuộc vào sự phân bố biên độ ánh sáng ở đồng tử vật kính Nếu chùm tia tới để vật kính là làn sóng phẳng, giá trị của k là 0,53.Khi chùm tia tới là Gaussian hoặc có chứa một số quang sai, k trở thành lớn hơn

Giả sử k = 0.53, λ= 0,405 µm và NA=0.85

Chúng ta có được những điểm có đường kính Ds=0.25µm Có thể lưu trữ nhiều hơn 1.4x1011bit thông tin trên một mặt của một đĩa quang học 5.25 in sử dụng tia có kích thước này

Khẩu độ vật kính hạn chế đáp ứng tần số không gian của các hệ thống quang học

Hình Bước sóng và khẩu độ số ở 1 số đĩa quang hiện nay

Với đường kính khoảng 12cm dữ liệu được chứa theo hình xoắn ốc từ trong ra ngoài, khoảng cách giữa các track là 1.6µm, kích thước đường dữ liệu là 0.5µm

Hình ảnh trên bề mặt đĩa quang

Đọc tín hiệu

Đĩa có dữ liệu được quay với tốc độ cao, mắt đọc sẽ đọc dữ liệu ghi trên đĩa theo nguyên tắc:

* Sử dụng tia laser ( yếu hơn lúc ghi ) chiếu lên bề mặt đĩa dọc theo các đường track có

dữ liệu, sau đó hứng lấy tia phản xạ quay lại rồi đổi chúng thành tín hiệu điện

- Khi tia laser chiếu qua các điểm trên bề mặt đĩa bị đốt cháy sẽ không có tia phản xạ và tín hiệu thu được là 0

- Khi tia laser chiếu qua các điểm trên bề mặt đĩa không bị đốt cháy sẽ có tia phản xạ và tín hiệu thu được là 1

Tia phản xạ sẽ được đổi thành tín hiệu điện, sau khi khuếch đại và xử lý ta thu được tín hiệu ban đầu

Đĩa quang được chia thành nhiều loại khác nhau Về dạng thức dữ liệu tồn tại: Đĩa quang thường được chia thành các loại sau:

Đĩa đã ghi dữ liệu: Loại đĩa ca nhạc, phim, phần mềm ngay từ khi bán ra thị trường Loại này người sử dụng không thể ghi thêm dữ liệu vào được (trừ một số trường hợp đặc biệt như đĩa mua về được ghi chưa hết dung lượng theo cách ghi cho phép ghi tiếp hay đĩa mua về là dạng RW) Do là đĩa đã ghi dữ liệu nên giá cả của đĩa này sẽ cao hơn so với đĩa chưa ghi dữ liệu

Đĩa chưa ghi dữ liệu - Loại ghi một lần: Đĩa được sản xuất chưa được ghi dữ liệu nhưng chỉ cho phép người sử dụng ghi dữ liệu lần đầu tiên Đây cũng chỉ là khái

niệm tương đối, người sử dụng có thể có cách thức ghi dữ liệu sao cho một đĩa có thể ghi nhiều lần liên tiếp nhau cho đến khi đĩa được ghi hết chỗ trống Loại đĩa này thường có ký hiệu “R”, hầu hết các đĩa bán ngoài thị trường được ghi từ loại đĩa này mà ra, người ta còn gọi loại đĩa này là đĩa trắng và chữ R là viết tắt của Recordable

Đĩa chưa ghi dữ liệu - Loại ghi nhiều lần: Đĩa được sản xuất chưa ghi dữ liệu nhưng cho phép người sử dụng có thể ghi dữ liệu và sau đó có thể xoá đi để ghi lại dữ liệu khác (hoàn toàn khác nội dung trước đó) Loại này thường có ký hiệu “RW”-Read-Write

Để ghi và xóa được loại đĩa này, chúng ta cần dùng một phần mềm chuyên dụng như Nero Do có khả năng lưu trữ như một USB- nghĩa là ghi-xóa-ghi nên giá của loại đĩa này rất mắc, cao khoảng 4 lần so với loại chỉ ghi một lần

Với dạng thức: Số mặt chứa dữ liệu, đĩa quang có hai dạng sau:

Đĩa chỉ có một mặt chứa dữ liệu: Là loại đĩa thông dụng nhất: Dữ liệu chỉ chứa trên một mặt của đĩa, mặt còn lại thường là nhãn đĩa và các lớp bảo vệ

Đĩa có cả hai mặt chứa dữ liệu: (kiểu tương tự các đĩa nhựa của các máy hát cổ điển) Cả hai mặt đĩa đều được ghi dữ liệu do đó loại đĩa này thường không có lớp nhãn đĩa hoặc các lớp bảo vệ phần dữ liệu Người sử dụng có thể lật mặt đĩa để đọc dữ liệu tại mặt còn lại Dung lượng đĩa hai mặt lớn nhất (tất nhiên) gấp đôi đĩa một mặt

Phân loại và thông số kỹ thuật đĩa quang

Đĩa CD (CD-ROM, CD-R, CD-RW)

Dung lượng: thông dụng là đĩa có đường kính 129mm có dung lượng 605MiB (682MB) hoặc 700MiB (737MB) – 1MiB = 220byte

Đĩa DVD (DVD-ROM, DVD-RAM, DVD±RW, DVD±R)

Dung lượng: Cấu trúc pit và land trên đĩa DVD nhỏ hơn CD và có khả năng ghi trên nhiều lớp khác nhau

DVD-5: 4,7GB một mặt, một lớp

DVD-9: 8,5GB một mặt, hai lớp

DVD-10: 9,4GB hai mặt, một lớp

DVD-18: 17.1GB hai mặt, hai lớp

Đĩa Blu-ray (BD-ROM, BD-R, BD-RW):

Đĩa quang cao cấp được phát triển bởi hãng SONY sử dụng tia lazer xanh-tím (405nm) Dung lượng: 25GB đối với đĩa 1 lớp, 50GB đối với đĩa 2 lớp

Đĩa HD-DVD (HD-DVD-R, HD-DVD-RW): đĩa quang cao cấp được phát triển bởi hãng Panasonic và NEC, dung lượng: 15GB đối với đĩa 1 lớp, 30GB đối với đĩa 2 lớp DVD sử dụng ánh sáng laser diode có bước sóng 650nm, khác với bước sóng 780 nm đối với CD Việc làm này cho phép tạo nên những điểm nhỏ hơn trên bề mặt đĩa (1.32

micromet cho DVD còn 2.11 micromet đối với CD)

Tốc độ ghi của DVD là 1X, là 1350 kB/s (1318 KiB/s), trong ổ đĩa và những mẫu DVD đầu tiên Các mẫu gần đây hơn đã đạt tốc độ 18X hoặc 20X, nghĩa là 18 hoặc 20 lần nhanh hơn Lưu ý là đối với ổ đĩa Cd, 1X có tốc độ 153.6 kB/s (150 KiB/s), chậm hơn 9 lần

Tài liệu tham khảo

Bài giảng của trường cao đẳng công nghệ thông tin iSPACE

Handbook of Optical and Laser Scanningedited byGerald F MarshallConsultant in OpticsNiles, Michigan, U.S.A

http://www.howstuffworks.com/cd.htm

http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_disc

http://en.wikipedia.org/wiki/LaserDisc

http://news.softpedia.com/news/Store-your-mind-42894.shtml

http://kedaisumberilmu.blogspot.com/2011_11_01_archive.html

Thảo luận

1/ Tại sao chỉ có ghi và đọc tín hiệu bằng chùm tia laser mà không dùng ánh sáng khác?

Bởi vì

+ Bước sóng càng ngắn thì mật độ thông tin càng nhiều, lượng thông tin lưu trữ càng lớn + Laser có tính đơn sắc cao, tính kết hợp cao, mang năng lượng lớn

+ Laser có sự đồng bộ thời gian và không gian tốt, điều đó cho phép có được giới hạn nhiễu xạ tia nhỏ cần thiết để thu hồi thông tin chất lượng cao từ đĩa quang

2/ Bộ phận ghi và đọc có nằm trên cùng ổ đĩa hay không?

Phần lớn các ổ đĩa sử dụng chỉ có thể dùng để đọc Người ta gọi đó là ổ CD-ROM, DVD-ROM

Bộ phận ghi đĩa khá đắt tiền nên thường không được tích hợp nhưng vẫn có thể kết hợp ghi và đọc Các ổ đĩa có thể ghi và đọc là các ổ CD-RW,DVD-RW

Hiện nay, vẫn chưa có thiết bị ghi đĩa Blu-ray mà chỉ có các nhà sản xuất đĩa

3/ Các đĩa đó có thể sao chép (copy) được hay không?

Hầu như các đĩa CD, DVD đều có thể sao chép được Đó là ưu điểm đĩa CD, DVD Nó cho phép sản xuất hàng loạt, sao chép đĩa quang với chi phí thấp hơn cho đĩa từ cứng hoặc băng từ

Như đã nói thì đĩa Blu-Ray do sử dụng bước sóng ngắn, khẩu độ số lớn nên hệ thống ghi

và đọc đĩa rất đắt tiền

Nếu chúng ta có thể chuyền được dữ liệu từ đĩa sang dạng số thì việc sao chép có thể thực hiện được Tùy vào việc bảo mật của đĩa quang mà các đĩa đó có thể sao chép được hay không