CD PREHRÁVAČ                                                                                                                       ÚVOD

 

 

Fyzikálne javy:  Optika

Didaktické použitie (ročník, tématický celok, téma):

9. ročník ZŠ; SVETELNÉ JAVY; Optické javy

4. ročník SŠ; VLNENIE; Optické javy; (Laser)

História  a princíp činnosti:

Mnohí sa domnievajú, že kompaktný disk vznikol v 80. rokoch, ale je pravdou, že začiatky jeho vzniku spadajú asi do polovice 60. rokov. Vtedy James T. Russell dostal nápad vytvoriť záznamový systém, ktorý by umožňoval neobmedzené prehrávanie bez veľkej straty kvality nahrávky. Je známe, že napr. gramofónová platňa sa časom ohrá a kvalita záznamu klesá.  Preto prišiel Russell s myšlienkou záznamu a reprodukcie zvuku bezdotykovo, predávaním potrebných informácií len svetlom. Využil už vtedy známy princíp digitálneho záznamu. Ten v jeho prípade tvorili „body“ svetla alebo tmy, každý s priemerom 1 mikrometer. Ako svetelný zdroj použil laser, „svetlo“ a „tmu“ potom počítačom prevádzal na elektrický signál, ktorý bol počuteľný alebo viditeľný. Výrobné práva kúpili spoločnosti PhillipsSony.

Na rozvoji prehrávačov má zásluhu aj príchod pomerne lacných laserových LED diód. V roku 1986 sa stali jednými z najpredávanejších prístrojov spotrebnej elektroniky.

Ale rozvoj pokračoval. Objavili sa prepisovateľné kompaktné disky. Technický pokrok umožnil aj výrobu CD, ktoré sa dajú vymazať a nahrať znova: Laserom jednej farby sa prevedie záznam, laserom druhej farby sa prevedie vymazanie [26].

 

                                                                         cd.jpg (12395 bytes)

                                                                                       Digitálny záznam zvuku

Analógový záznam zvukového signálu aj napriek špičkovým technológiám nepriaznivo ovplyvňuje ktorákoľvek časť záznamového alebo reprodukčného reťazca. Dochádza tak k určitej degradácii kvality pôvodnej zvukovej informácie. Tieto nedostatky eliminuje digitálny záznam zvuku.

Na kompaktný disk CD (Compact Discs) s priemerom 120 mm a pamäťovou kapacitou 650 MB/44,1 kHz sa dá uložiť 74 – minútový vysokokvalitný zvukový záznam v digitálnej podobe. „Digitálny signál zvukovej informácie sa na CD disk zaznamenáva mechanickým spôsobom pomocou lisovacej matrice vyrobenej podľa nosiča prvotného zvukového záznamu. V hustej špirálovej stope na povrchu matrice sú zakódované konkrétne dáta digitálneho zvukového záznamu“ [3].

                        

                                                                                            Schéma CD prehrávača

Keď umelec vytvorí v štúdiu hudbu, tento zvuk sa nahrá meraním amplitúdy zvukových vĺn, ktoré sa transformujú do skupín číslic 0 a 1. Je to vlastne digitalizácia. Hodina stereo zvuku zodpovedá sérii piatich biliónov cifier. Kde a ako ich uchovávame?

Vstúpme do kompaktného disku (CD). Ak sa pozriete na povrch CD pod mikroskopom, uvidíte série jamôk a hrbolčekov. Sú to vlastne 0 a 1. Jamky neodrážajú svetlo, avšak hrbolčeky a zvyšok povrchu disku svetlo odrážajú. Odraz odpovedá nule, žiaden odraz zodpovedá jednotke. Rady cifier vytvárajú špirálovitú dráhu po povrchu CD. Keby sme túto špirálu vyrovnali, takáto úsečka by mala dĺžku 5 kilometrov!

Ako zmeníme jamky a hrbolčeky opäť na hudbu? Pomocou CD prehrávača, ktorý používa laser na čítanie povrchu CD. Lasery sú kľúčovou súčiastkou CD prehrávača, pretože práve tieto zariadenia dokážu sústrediť svetlo na veľmi malú plochu a tak odlíšiť jemné rozdiely medzi hrbolčekmi a jamkami. V závislosti od toho, či dôjde k odrazu, dochádza k opätovnej reprodukcii 0 či 1. Súslednosť 0 a 1 sa využíva v elektronickom zariadení, ktoré sa nazýva digitálno-analógový transformátor. Tento prístroj znovu vytvára tvar zvukovej vlny, ktorá je potom zosilnená zosilňovačom. Nasledujúca animácia predstavuje sekvenciu.

Čo umožnilo rozvoj CD prehrávačov? Laser!

Slovo laser je skratka názvu pozostávajúceho zo slov Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (zosilnenie svetla stimulované emisiou žiarenia). Je to zariadenie, ktoré vyžaruje lúč častíc svetla, nazývaných fotóny. Základné princípy, podľa ktorých funguje, siahajú do čias Einsteina, ktorý objavil niektoré dôležité vlastnosti fotónov. Rozdiel medzi laserom a klasickým zdrojom svetla, ako je napríklad žiarovka, spočíva v tom, že farbu a smer laserového svetelného lúča môžeme ovládať. Lúč svetla, ktorý je produkovaný laserom, je dostatočne silný na vypálenie diery počas niekoľkých sekúnd.

Informačný obsah sa vlisuje do povrchu číreho polykarbonátového kotúča – disku- v podobe veľkého množstva mikroskopických priehlbiniek a lesklých plôšok so šírkou 0,5 μm. Na povrch vylisovaného digitálneho zvukového záznamu CD sa nanesie hliníková reflexná vrstva, ktorá dá disku jeho charakteristické sfarbenie. Reflexná vrstva sa pokryje ochranným lakom a disk dostane etiketu s príslušnými údajmi.

So značným podielom firmy Philips bol na začiatku a v polovici 90. rokov na trh uvedený záznamový kompaktný disk CD-R (Compact Disc – Recordable) označovaný aj ako CD-WO (CD-Write Once)a prepisovací disk s označením CD-RW (Compact Disc-ReWriteable). Zapisovateľné disky CD-R a CD-RW majú okrem zavádzacej a dátovej oblasti navyše oblasť programovej pamäti (Program Memory Area) a oblasť kalibrácie PCA (Program Calibration Area) – údaje o zázname a nastavení laserového lúča.   Na disk CD-R sa dá záznam uložiť iba raz, to znamená, že záznamový proces je nezvratný.

Disk CD-RW umožňuje viac ako stonásobné chronologické nahrávanie a mazanie záznamu s nezmenenou kvalitou nahrávky. Disky CD-R a CD-RW majú vlastnú záznamovú vrstvu. Na polykarbonátovom disku je predlisovaná špirálová stopa s údajmi na presné sledovanie stopy záznamovým laserom a stabilizáciu obvodovej rýchlosti kotúča. Digitálna informácia sa na disk zapisuje laserovým lúčom určitého výkonu s vlnovou dĺžkou 780 nanometrov, ktorý je modulovaný dátovým signálom. Zaostrený laserový lúč zapisuje digitálne informácie lokálnym ohrevom záznamovej vrstvy a substrátu na teplotu 250°C, čím dôjde k jej roztaveniu. Vplyvom lokálneho ohrevu vznikajú v záznamovej vrstve špirálovej stopy, vypálené jamky s následnou zmenou pôvodnej štruktúry a odrazovej schopnosti svetla. Pri čítaní zvukového záznamu laserový lúč sníma odraz svetla z priesvitných a nepriesvitných miest (jamiek a plôšok): ďalší elektrónový obvod túto informáciu vyhodnotí ako nuly a jednotky a digitálno – analógový prevodník D/A ich spracuje do podoby zvukového signálu Horné plochy diskov CD-R a CD-RW sú v podstate zhodné. Pod vrstvou ochranného laku a štítkom disku CD-RW, medzi dvoma dielektrickými vrstvami pohlcujúcimi nadbytočné teplo počas záznamu, je záznamová vrstva zo zliatiny striebra, antimónu, india a telúru. Spodná vrstva disku je číry polykarbonátový substrát. Záznamová vrstva založená na zvratovej zmene zloženia materiálu má v pôvodnom stave kryštalickú štruktúru. Pri jej lokálnom zohriatí počas zápisu na 500 až 700°C laserovým lúčom s väčším výkonom dochádza k roztaveniu kryštálov, z ktorých v záznamovej vrstve vznikne nepriesvitná amorfná (beztvárna) hmota s podstatne menšou odrazivosťou svetla ako kryštalický základ. Počas rýchleho ochladzovania sa amorfná hmota „zmrazí“, čím sa dosiahne dlhodobá stabilita záznamu [3].

Záznam na disku možno vymazať zmenením amorfnej hmoty opäť na kryštalickú, resp. na polykryštalickú ohriatím záznamovej vrstvy na teplotu 200 °C asi na 35 minút.

 

                       

                                                           Rez CD                                                              CD

 

                                   

                                            

 

Motivačné otázky:

Ak sa pozrieme na povrch CD proti svetlu z boku, vidíme farebné pásy. Čím je to spôsobené?

Tieto farebné efekty vznikajú podobne ako pri optickej mriežke, ale s tým rozdielom, že v tomto prípade objektom svetlo zdroja neprechádza, ale sa odráža. Na disku neporušené miesta odrážajú dopadajúce svetlo, ryha svetelný lúč pohlcuje, resp. rozptyluje [2].

(Vlnové vlastnosti svetla)

Pokusy:

CD

Optika: referenčná optická mriežka, interferencia (SŠ)

Pomôcky: CD, žiarovka 40 W, pravítko, tienidlo s otvorom priemeru asi 1 cm, podstavce, meradlo, rôzne druhy svietidiel, podstavce s objímkami, alebo laserové ukazovátko.

Povrch CD

Určite ste už pozorovali svetelné efekty na CD. Prečo na ňom dochádza pri odraze k rozkladu svetla? – Informácia je na CD uložená digitálne vo forme mikroskopicky malých priehlbiniek, v podobe takmer rovných zárezov. Tie sú napríklad 0,12 mm hlboké, 0,6 mm široké a rôzne dlhé. Ich dĺžka je však vždy celočíselným násobkom hodnoty 0,3 μm v intervale 0,9 μm až 3,3 μm. Na tomto systéme (kruhovej mriežke) dochádza k odrazu a rozkladu svetla, ktoré potom vytvára výrazný interferenčný obrazec.

Pokus:  CD teda funguje ako optická mriežka. Môžeme nejako  zmerať jej mriežkovú konštantu, t.j. vzdialenosť dvoch susedných oblúkov na doske? Posaďme sa chrbtom k rozsvietenej žiarovke, ktorá je umiestnená vo výške našich očí, vo vzdialenosti asi 2 m. CD pridržme pred svojim okom tak, aby obraz žiarovky zapadol do otvoru v strede CD. Ak budeme mať CD vo vzdialenosti asi 10 cm, uvidíme na doske sústredené farebné kruhy ohybového spektra. Potom pomaly vzďaľujeme CD od oka, až na okraji dosky zostane len fialová časť spektra. Vtedy niekto zmeria vzdialenosť oka od CD a potom aj polomer r fialovej kružnice na CD.     

Pri λ = 450 nm, a = 17 cm a r = 5,5 cm je d = 1,5 mm.

Pre presnejšie predvedenie tohto pokusu možno ako zdroj svetla použiť laserové ukazovátko a ľudské oko nahradiť tienidlom s otvorom. Lúč laseru, ktorý otvorom prechádza, musí dopadať kolmo na tú časť CD, na ktorej sú zakódované informácie. Na tienidle sa objavia interferenčné obrazce 1. a 2. rádu. Na tienidlo možno pripevniť aj milimetrový papier a zakresliť maximá odrazeného svetla. Pri hodnotách λ = 632,8 nm, a = 20 cm a r = 8,8 cm je radiálny odstup dvoch stôp na CD d = 1,57 mm.

CD môžeme použiť aj ako spektrometer, napr. na porovnanie rôznych svietidiel. Na stôl položíme do radu svietidlá rôzneho druhu v objímkach a podstavcoch asi 10 cm od seba. Žiaci s CD v ruke sa rozostavia vo vzdialenosti asi 1 m tak, aby sa priamo pozerali na svietidlá a súčasne stáli chrbtom k oknu. CD držia najprv vo vodorovnej polohe, ich funkčnou stranou hore. Potom ich pomaly skláňajú smerom k lampám, až sa na nich objavia spektrá. Pri postupnom zhasínaní lámp môžu spektrá jednoznačne priradiť svietidlám a porovnávať ich so spektrom bežnej žiarovky. Napríklad v spektre úspornej kompaktnej žiarivky pozorujeme, že niektoré časti spektra sú výrazne svetlejšie a iné tmavšie ako u žiarovky. V spektre vysokotlakovej ortuťovej výbojky  na CD vidieť len oranžovú, zelenú a modrú farbu.

Zo spektra potom môžu žiaci odhadovať použitie svietidiel a diskutovať o tom, ako v nich vzniká svetlo [4].