TS Thème : Agir TP
Physique Stockage de l’information sur un disque optique - CD ou DVD Chap.21
Objectifs :
Comparer les figures d’interférences obtenues avec un réseau de diffraction et avec un CD ou un DVD.
Mesurer le pas de deux réseaux : l’un de 140 traits/mm, l’autre de 530 traits/mm, dans l’approximation des petits angles. Discuter de la validité de l’approximation après un calcul d’incertitude.
Mesurer la distance entre deux pistes d’un disque optique. En déduire s’il s’agit d’un CD ou d’un DVD.
Document 1 : Interférences avec un réseau de diffraction, en lumière monochromatique
Un réseau de diffraction est constitué d’un grand nombre de fentes (ou traits) identiques parallèles, séparées d’une distance a.
L’écart a séparant deux fentes, encore appelé « pas du réseau », se déduit facilement des indications du fabricant. Ainsi, le pas d’un réseau à 300 traits/mm vaut : a = mm = 3,33 10-3 mm = 3,33 µm
Schéma du dispositif vu de dessus :
Figure d’interférences obtenue avec un réseau de diffraction :
L’écart angulaire entre la frange lumineuse centrale, d’ordre p = 0, et la frange lumineuse consécutive d’ordre p =1, située à une distance x/2 de la frange centrale, vérifie les relations suivantes, sans
approximation : tan = et sin =
Dans l’approximation des petits angles, on admet que tan θ = θ = sin θ (avec θ en radians).
Document 2 : Structures comparatives de CD et DVD
Un CD ou un DVD est composé d’un plateau de polycarbonate (polymère issu de la polycondensation du bisphénol A et d’un carbonate) de 1,2 mm d’épaisseur (en
moyenne), recouvert d’une fine couche d’aluminium, protégée par une couche de laque. Dans cette surface métallique sont gravées une multitude d’alvéoles formant une piste en spirale, et qui constituent l’enregistrement proprement dit : l’information enregistrée sur le CD est donc disposée en sillons circulaires. Le « relief » d’un sillon correspond à l’information codée en binaire.
Image issue du site http://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_CD_DVD_HDDVD_BD.svg
Document 3 : Dispositif expérimental de mesure de la distance a entre deux sillons d’un CD ou DVD
Image issue du site
http://www.vulgarisation-infor matique.com/graveur.php
Source laser
Écran
Potence
TS Thème : Agir TP n°27
Physique Stockage de l’information sur un disque optique - CD ou DVD Chap.21
I. Mesure du pas d’un réseau
1) On se place dans l’approximation des petits angles. A l’aide du document 1, démontrer que l’expression du pas a d’un réseau en fonction de λ, x et D pour la frange d’ordre 1 est : a = .
2) Réaliser le montage permettant la mesure du pas d’un réseau.
Appeler le professeur pour vérifier le montage3) Faire les réglages puis les mesures nécessaires pour déterminer le plus précisément possible le pas :
D’un réseau de 140 traits/mm puis noter vos résultats dans le tableau ci-dessous.
Puis d’un réseau de 530 traits/mm puis noter vos résultats dans le tableau ci-dessous.
4) En déduire le pas a des deux réseaux dans l’approximation des petits angles. Compléter le tableau ci-dessous.
5) Calculer l’incertitude de mesure U(a) pour chacun d’eux : U(a) = a
L’incertitude U mesurée avec une règle graduée au mm sera prise égale à 2 mm. U() = 1 nm
Conseil : Pour le calcul d’incertitude, utiliser les unités identiques pour l’incertitude de mesure et la mesure Réseau D (mm) x (mm) (nm) a = (µm) U() (nm) U(D) (mm) U(x) (mm) U(a) (µm)
140 530
6) Donner un encadrement du pas a pour chaque réseau.
7) Obtient-on la valeur attendue du pas de chaque réseau ? Expliquer d’où viennent les différences éventuelles entre la valeur attendue et la valeur expérimentale pour les deux mesures.
II. Mesure de la distance a entre deux pistes d’un disque optique (CD ou DVD)
1) Décrire en quelques lignes le dispositif expérimental (présenté dans le document 3) permettant de mesurer la distance a entre deux pistes d’un disque optique. On justifiera l’ordre des composants de ce montage.
2) Réaliser le montage.
Appeler le professeur pour vérifier le montage3) Pourquoi observe-t-on une figure d’interférences semblable à celle obtenue avec un réseau dans l’expérience précédente ?
4) Faire les réglages pour déterminer le plus précisément possible la distance a entre deux pistes du disque optique.
5) Peut-on faire l’approximation des petits angles pour obtenir une mesure correcte de la distance entre deux pistes ? Pourquoi ?
6) Faire les mesures. S’agit-il d’un CD ou d’un DVD ? Justifier.
III. Capacité de stockage
La capacité de stockage est donc liée à la longueur de la piste qui spirale du centre du support vers son bord.
Ainsi, pour augmenter la capacité de stockage, il faut augmenter la longueur de la piste. Pour disposer d’une piste plus longue sans agrandir le disque support, on rapproche les lignes de la piste de manière à resserrer la spirale.
Le faisceau laser incident doit alors être plus fin pour ne pas lire simultanément deux lignes. Le diamètre d du faisceau laser sur le support est donné par la relation : d = 1,22 avec NA l’ouverture numérique qui dépend de l’émetteur laser
Ainsi, pour diminuer le diamètre du faisceau de manière à pouvoir rapprocher les lignes de codes (et donc augmenter la capacité de stockage), il faut utiliser un laser de longueur d’onde plus petite.
Questions
1) Comment doit-on choisir la longueur d’onde du laser utilisé pour avoir le diamètre d puis le rayon r du faisceau laser le plus petit possible ? Justifier.
2) Déterminer le diamètre puis le rayon r de la tache laser sur un DVD.
3) Ce diamètre est-il compatible avec l’écartement des lignes sur le DVD. (1,1 μm) ? Le rayon du spot est en réalité de 0,74 µm
4) Même question avec le Blu- ray et ses lignes séparées de 0,30 μm. Expliquer pourquoi un lecteur de DVD ne peut pas lire un Blu- ray.
IV. Stockage optique de l’information
Comment sont stockées les données sur un disque ?
Sur un CD pressé, l’information numérique est stockée par une succession de creux et de plats disposés sur une piste lue à partir du centre du CD.
La fabrication d’un disque par pressage comporte 3 étapes :
Une matrice permet de déformer le support et est réutilisable pour une production en série. On remarquera que le terme « creux » utilisé pour les trous n’est pas très judicieux car un « creux » correspond à une « bosse » sur la face lue par le laser !
La numérisation binaire correspond en une succession de 0 et 1. le « 0 » est utilisé tant que la surface du support ne change pas de niveau le « 1 » apparaît dès que la surface subit une
modification de niveau, que ce soit vers le haut ou le bas.
Les étapes 2 et 3 viennent finir la fabrication du disque.
Comment sont lues les données sur un disque ?
Le faisceau laser émis par la photodiode du lecteur de disque possède une longueur d’onde .
La différence de hauteur entre un creux et un plat du support (CD par exemple) est de /4
Questions :
1) Quelle est la différence de marche entre deux rayons laser émis par la diode et réceptionnés par le capteur si l’un est réfléchi par un creux et l’autre par un plat ?
2) Quel type d’interférence obtient-on lorsque deux rayons reviennent sur le capteur avec une telle différence de marche ?
3) L’intensité captée est-elle alors maximale ou
(pressage) repose sur le phénomène d’interférence entre les rayons du laser réfléchis par les différentes zones du disque.
