激光存储技术

二、激光存储技术

激光存储技术是20世纪70年代发展起来的一种全新的记录信息的光电子技术，这种技术转化成的产品成为今天人们的日常生活必需品。CD，VCD，DVD，文件档案，图书资料等的存储光盘，已进入百姓家庭，受到普遍欢迎，在传授知识、家庭娱乐、普及文化艺术方面产生了非常深远的影响。现在家用DV摄像机还可以将庆祝活动、朋友聚会、旅游风景名胜等直接刻录在光盘上，即刻可将摄录的光盘在VCD或DVD机上播放，这大大普及了人们的文化艺术活动，进一步提高了人们的生活和工作质量。如图7-3所示是光盘的实物照片。

图　7-3

图7-4　詹姆斯·罗素

自从1982年10月1日第一张CD光盘正式投放市场以来，无论在温馨的家庭，或者幽静的公园，还是富有浪漫情调的咖啡厅里……人们总会听到用CD播放的音乐，它为人们营造出了一种轻松闲适的氛围。因此，人们应该感谢“激光唱片”的发明人，物理学家詹姆斯·罗素（如图7-4所示），是他首先用光记录声音，随后才发展成记录彩色电影电视。罗素的奇思妙想的关键是用激光！用激光，将声音、图像信号转换为数字信号然后再转化为光信号，其他都与老式唱片的原理差不多，关键问题是如何将二进制的数0和1变成刻在光敏介质的凹槽，由激光束来读取。而盘片通过模板复制起来，那是件很容易的事，价格便宜而又非常容易普及。罗素当时就预感到他的这个新奇的想法有着不可估量的前景。接着，他很快意识到人类能够利用这种方法记录各种信息，不仅仅是声音，还有数据、文件和图像。他的这一构想经过多年艰苦努力终于实现了，并对现代科技的发展产生了深远的影响，特别是在信息记录、存储、传播技术等方面，使其发生了革命性的变化。

1904年电子管面世，1947年半导体三极管发明，1958年集成电路问世。人们不仅能将声音转化成为微小的电流变化，而且可以把它放大，将放大了的随声音大小变化的电流，流经线圈，线圈周围产生大大小小的磁场变化。如果将很长很长的细钢丝匀速穿过线圈，钢丝就会被磁化，磁化的强弱随着声音大小而变化。这样，人们用“磁化特性”就可以在钢丝上“记录”声音了。

要把细丝记录磁化的强弱还原成声音，这个道理是根据法拉第“磁能转换成电”（电磁感应）的原理来的。用磁记录了声音的钢丝，匀速穿过另外一个线圈，在线圈两端就会感应出变化的电压，其大小的变化与记录的声音一样；但电压的变化却非常小，只有几毫伏。这种微小的变化，经过电子管做成放大器放大以后就可以推动大喇叭。1949年10月1日毛泽东主席在天安门上宣布“中华人民共和国成立啦！”这个伟大响亮的声音就是这样记录下来的，也是用电子技术使这个声音传遍全世界的。

用磁性更好的磁粉均匀地贴在胶带上代替钢丝，精巧设计走带传动，线圈小型化后做成录音磁头或拾音头，用集成电路改进音频放大等，就是现在的录音机、录像机了。

而罗素的新方法，是将信号数字化就解决了一系列问题，即将信号数字化并刻录在光盘上，这样不仅保真度高而且经久耐用，多次翻录复制而不参入噪声干扰。价格也很低，极易于普及。

但是，什么是数字化？如何数字化信号?其中无线电报就是莫尔斯用“滴”（点，0）、“嗒”（横，1）将数字、文字编码来进行通信的，如图7-5所示。最早的文字与数字的对应集称为莫尔斯码，即将文字、数字变成0，1串了。

图7-5　莫尔斯电码

计算机工作速度非常快，有海量的记忆，惊人的阅读速度；但它只认得0和1，那么声音、图像怎样进行编码变成0，1串的呢?为了更好地理解声音信号的数字化，先讲这样一个故事。爷爷带着孙子在水库边画画，画的是对岸长堤上的一片树林。爷爷仔细用铅笔模拟树林与蓝天交界的上上下下、弯弯曲曲的图像曲线（很像话音信号，而话音信号是连续时间信号），爷爷的画称为模拟图像。

爷孙俩走上长堤，才发现这些树都是间距相等但品种不同的树，所以挨在一起才高矮参差不齐，但奇怪的是每棵树上都钉了一个小牌，上面标明了它的高度数据、名称、属性。孙儿很聪明，从第一棵树起就依次记下了每棵树的高度数据，得到了一个长长的数据串。孙子在纸上画了一条水平线，在上面等间距地、密密地画了很多竖线，每根竖线的高度是依次按他所记录的数据来确定的，并在每条竖线下记录对应的数据。当把竖线顶端互相连成曲线后，令人惊奇地发现这条曲线与爷爷画出的那条模拟曲线几乎一致，但它更准确地反映了祖孙看到的那幅景色。

孙子得到爷爷的特别夸奖。爷爷教会孙子把那一串阿拉伯数字的每组数都转换成二进制数，这串由0和1组成的数据串，就是那连续的很像声音信号波形的数字化信号。用这些数字化后的0，1数据很容易复制出那条曲线来，用逻辑电路或计算机来读入这串0，1组成的数据串和画出的曲线是很容易的事了。这就是模拟信号“数字化”的“联想”启示点。

数字音像刻录入光盘是怎样进行的呢？将激光束聚集到直径小于1μm的焦斑上，使处于焦点微小区域内的记录介质受高功率密度光的烧灼形成小孔或小坑；使圆盘片上形成一连串的“坑点”轨迹数字符号，成螺旋线轨迹，向外一圈圈扩展，就像蚊香一样。这些坑点深度一般为0.1μm，轨迹数字符号之间的距离为1.6μm。假如激光束受到要存储的信息的调制，那么介质将记录下相应的信息，如图7-6所示。

图7-6　光盘上记录的数字信息

光盘上的“小坑”是下凹的，光拾音器的光束是从下往上扫描的，因此“坑点”对激光来讲是凸出的，因而被漫反射，这时光拾音器检出的信号为“0”；而无“坑点”处，就像镜面一样平，这时光线被反射回来而检拾出，故信号为“1”。随着光盘转动激光束扫过长短不一的“坑点”，使得到的反射光的密度、强弱也将相应变化，形成一个连续的信号流，经光电转换、电流电压转换、放大、整形后就获得了光盘上所记录的数字式声音或图像信号。这些信号中还包含调制、同步、纠错等信号，故必须经解码、数字滤波和数字/模拟转换获得模拟信号后才能在电视机上显示活动图像和放出声音。

光盘记录信息具有许多以往存储介质不可比拟的优点：（1）存储密度极高。比较一下，图书记录的信息与光盘记录的信息容量，一页书纸能记录1500字，按此计算一张光盘可以存储85万页书稿。（2）存、取信息速度快。（3）保存信息时间长。一般录音磁带为5年，硬盘为7～8年，而光盘最少则是30年。

这里作为应用例子说一说。中国电子图书馆有3000册中外名著，平均每册30万字，共10亿多字数，占有4GB容量。不到半小时，就把这么多书轻松地搬到家了（将“中国电子图书馆”光盘安装在家里的电脑中）。比如：要查阅巴金的生平，可很快从巴金全集……巴金〈自传〉中查阅。又如：要查阅巴金的《家》，可很快从中国文学二……巴金文集……中查阅《家》，仅用5s就可一页页翻读了。再如，要查〈公司法〉，5s就可查阅。电子图书馆（就是几张光盘）占电脑1/10的容量，查阅电子世界地图特别是军用地图更详细方便快捷。从这些例子可见，光盘的容量之大是惊人的。

你知道吗？从第一张CD光盘上市后的20年间全世界生产了近1100亿张CD盘，相当于世界上平均每人有20张CD盘。每张盘上有8亿多凹槽，其光道螺旋长度为6km，每年生产250亿张，约每3s就生产出1张。20世纪90年代出现VCD及计算机用的CD-ROM只读数据存储器，很快又演变为“数字多用途光盘”DVD。它具有容量大，可供2：13电影使用的特点。上面的技术是用红外光或红光实现的。最近用蓝紫光做成的光盘，1张的容量超过5张DVD容量。这又是多么惊人的数字呀！由此观之，今后必将会有更多的电子读物出现。