Đĩa CD, đĩa DVD và đĩa…?

Vậy nguyên tắc ghi và đọc ở đĩa như thế nào? Tại sao có đĩa ghi được ít, có đĩa ghi được nhiều? Nay mai có loại đĩa nào ghi được nhiều hơn hẳn so với các loại đĩa hiện đại đang có hay không?

Năm 1969 hãng Philips lần đầu tiên đưa ra đĩa laser. Sau đấy hãng này cùng hãng Sony phát triển ồ ạt loại đĩa laser với tên gọi là đĩa CD, viết tắt của chữ Compact Disc.

Thoạt đầu người ta làm đĩa nhựa bề mặt bằng phẳng. Bằng cách dùng khuôn, người ta tạo ra dọc theo các đường tròn (hơi xoáy trôn ốc) quanh tâm đĩa nhựa những vét lõm cực nhỏ, nằm chi chít, nối đuôi nhau. Có hai loại vết lõm: vét lõm dài và vết lõm ngắn ứng với cách ghi 1 và 0 ở kỹ thuật số. Sau khi phủ lớp nhôm mỏng trên bề mặt đĩa nhựa, chỗ nào bề mặt đĩa nhựa phẳng phia, lớp nhôm phẳng và phản xạ tốt ánh sáng. Chỗ nào có vết lõm, lớp nhôm phủ lõm theo nên không phản xạ (phản xạ rất kém) (H.1).

Vì vậy, nếu chiếu vào đĩa một tia sáng mảnh và hứng đầy lấy tia phản xạ cho rọi và đêtectơ quang điện, khi đĩa quay tròn, lúc nào tia sáng rọi vào chỗ phẳng, đêtectơ quang điện nhận được tia phản xạ, sinh ra dòng quang điện. Lúc nào tia sáng chiếu vào chỗ lõm, không có tia phản xạ, đêtectơ không cho dòng quang điện, nói cách khác dòng quang điện bằng không. Ta có được xung điện (bằng không) dài ứng với vết lõm dài, xung điện ngắn ứng với vết lõm ngắn tức là đọc được 1 và 0 đã ghi ở đĩa.

Rõ ràng là với kích thước đĩa nhất định, đĩa ghi được nhiều hay ít các bit 1 và 0 như thế là tuỳ thuộc vào kích thước nhỏ hay to của điểm sáng mà tia sáng chiếu lên màng nhôm ở đĩa. Nếu kích thước của điểm sáng nhỏ thì nhà chế tạo quyết định kích thước các vết lõm tạo ra trên bề mặt đĩa cũng nhỏ theo, đĩa ghi được nhiều. Để có điểm sáng chiếu lên bề mặt đĩa với cường độ lớn và kích thước nhỏ, người ta dùng nguồn sáng tia điôt laser và thấu kính hội tụ để tập trung ánh sáng. Có thể phấn đấu làm thấu kính cho thật tốt để ánh sáng laser hội tụ thành một điểm cực nhỏ, nhỏ bao nhiêu cũng được hay không? Từ lý thuyết nhiễu xạ, vật lý đã chứng minh rằng, nếu ánh sáng dùng có bước sóng là λ, góc khẩu độ là NA ( NA= nsin α với n là chiết suất, α là góc mở) thì kích thước d nhỏ nhất của điểm sáng (xem như hình tròn đường kính là d) mà thấu kính hội tụ tạo ra là: d= 0,61λ/ NA

(Đây chính là công thức mà kỹ sư Abbé đã tìm ra khi nghiên cứu về độ phân giải của kính hiển vi).

Hình 2

Thực tế, với bước sóng λ và số khẩu độ như vậy thì kích thước d của điểm sáng tương đối lớn, d = 2,1 μm. Tuy d còn lớn như vậy nhưng đĩa CD đã lưu trữ được khá nhiều, dung lượng cỡ 640 MB (megabyte - triệu byte). Một đĩa CD có thể ghi được chữ viết trên 290.000 trang giấy A4 hoặc 500 ảnh màu.

Muốn đĩa ghi được nhiều hơn, phải tìm cách giảm d tức là giảm bước sóng λ và tăng số khẩu độ NA. Nhờ chế tạo được điôt laser đỏ với bước sóng λ = 660 nmvà tăng NA đến 0,6, đường kính d của điểm sáng giảm xuống, chỉ còn 1,3 μm, nhờ đó người ta làm ra đĩa DVD (viết tắt của các chữ Digital Video Dischay Digital Versatile Disc). Dung lượng của loại đĩa này có thể đến 5GB (gigabyte - tỉ byte). Vì vậy ta thấy một cuộn phim màu dài đến vài tiếng đồng hồ chỉ cần ghi vào một đĩa DVD là đủ (còn ở đĩa CD phải cần đến ba, bốn đĩa), không những thế lại còn kèm theo phụ đề bảy, tám thứ tiếng. Đó là chưa kể đến đĩa DVD ghi cả hai mặt, mỗi mặt ghi hai lớp, tức là dung lượng bằng 4 lần so với đĩa DVD ghi ở một mặt, một lớp.

Đĩa DVD có phải là loại đĩa dung lượng cao nhất chưa? Hiện nay do đã làm được điôt laser phát ra ánh sáng xanh bước sóng λ = 405nm(cuối xanh, gần đến tím) nên hai hãng Toshiba và Sony đang cạnh tranh nhau tung ra thị trường các loại đĩa mới, dung lượng cao hơn hẳn. Cả hai hãng đều dùng điôt laser xanh với λ = 405nmnhưng hãng Toshiba tìm cách giảm bề dày lớp phủ trong suốt bảo vệ chỉ còn 0,1mm, tăng NA được đến 0,85 nên đường kính d của điểm sáng chỉ còn bằng 0,6 μm, dung lượng của đĩa (một mặt, một lớp) lên đến 25GB (bằng 5 lần dung lượng đĩa DVD). Tên gọi của đĩa này là Blu-Ray. Còn hãng Sony cũng dùng điôt laser xanh nhưng muốn lợi dụng công nghệ cũ như đã làm đối với đĩa DVD nên bề dày lớp phủ không giảm nhiều, NA đạt được là 0,65, kích thước d của điểm sáng là 0,76 μm, dung lượng của đĩa (một lớp, một mặt) là 15MB và đặt tên là HD-DVD ( high definition DVD– đĩa DVD phân giải cao). Hãng Sony hy vọng rằng đĩa HD-DVD tuy dung lượng có hơi kém hơn đĩa Blu-Ray nhưng giá lại rẻ hơn, dễ cạnh tranh hơn.

Chú ý là ban đầu cách ghi quang học như ở đĩa CD có ưu điểm là dung lượng lớn nhưng người sử dụng không tự ghi được như ở các cách ghi từ, ở băng cassette, như băng hình chẳng hạn. Do đó về sau người ta làm ra đĩa CD-W (CD- Writable) bằng cách ban đầu làm đĩa toàn bộ phủ lớp nhôm phẳng (trên có lớp bảo vệ trong suốt) gọi là đĩa trắng. Thay cho việc làm các vết lõm dài và ngắn, ở đây khi ghi người ta cũng dùng laser chiếu vào như khi đọc nhưng công suất lớn hơn, chiếu lâu hơn, tia điôt laser nóng làm cho bề mặt màng nhôm (chỗ bị chiếu vào) sần sùi không phản xạ tốt ánh sáng, tương tự như khi màng nhôm bị lõm.

Với cách này người sử dụng có thể ghi được vào đĩa CD, nhưng chỉ ghi được một lần. Để ghi được nhiều lần (ghi được, xoá được, rồi ghi lại được) người ta làm ra đĩa CD-RW (CD- rewritable). Ở đây, thay cho màng nhôm người ta phủ lên đĩa một màng hợp chất đặc biệt có thể có hai trạng thái: trạng thái tinh thể phản xạ tốt ánh sáng, trạng thái vô định hình không phản xạ ánh sáng (phản xạ kém). Nếu ban đầu cả bề mặt đĩa đều ở trạng thái tinh thể, ta dùng chùm laser tập trung chiếu vào điểm nào của màng, điểm đó gần như bị nóng chảy, màng hợp chất ở điểm đó gần như ở thể lỏng. Nếu nhanh chóng tắt chùm laser, điểm nóng chảy đó bị nguội nhanh, màng hợp chất ở điểm đó trở nên trạng thái vô định hình, không phản xạ ánh sáng. Bằng cách này trên màng hợp chất dạng tinh thể phản xạ tốt ánh sáng ta tạo ra được các vết dài, vết ngắn không phản xạ ánh sáng tương tự như các vết lõm dài, vết lõm ngắn ở màng nhôm của đĩa CD thường. Nếu muốn xoá hết những vết đã ghi, ta chỉ cần chiếu lần lượt lên các điểm của màng tia laser cho các điểm đó nóng chảy nhưng sau đó không tắt nhanh mà tắt rất chậm để hợp chất nóng chảy nguội từ từ kịp kết tinh thành màng tinh thể phản xạ tốt ánh sáng như lúc mới ban đầu. Phải chăng là ở lĩnh vực đĩa CD, đĩa DVD… đã có rất nhiều định luật, hiện tượng vật lý được ứng dụng rất tinh vi.