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Un rayon bleu pour des disques plus denses


Paru dans : Un rayon bleu pour des disques plus denses J.M. Courty et E. Kierlik, Pour la Science N°387, (janvier 2010)

Comment augmenter la capacité des disques à lecture optique ? En réduisant la longueur d’onde du laser et en améliorant les composants optiques.

Seul le laser permet d’enregistrer et de lire, par des procédés optiques, de hautes densités d’information, stockée sur les disques compacts (CD), les DVD et maintenant les nouveaux disques Blu-Ray. Afin d’augmenter la densité de stockage, on doit focaliser le faisceau lumineux sur des régions de plus en plus petites. Comment ? D’abord en diminuant la longueur d’onde de la lumière utilisée : de l’infrarouge pour les CD, on est passé à une lumière rouge pour le DVD, puis bleue pour le Blu-Ray, couleurs qui correspondent à des longueurs d’onde plus courtes. Mais c’est loin de suffire : il faut aussi réaliser des optiques de haute qualité et affronter la diffraction, c’est-à-dire la divergence naturelle de tout faisceau lumineux.

Sur les disques numériques, on code l’information de façon binaire (des « 0 » et des « 1 ») sur une piste d’alvéoles par une série de zones réfléchissantes ou non. Les réflexions ou non-réflexions d’un faisceau lumineux sur cette piste traduisent l’information inscrite. Plus la tache produite sur le disque par le faisceau lumineux est petite, plus on peut diminuer la taille des alvéoles, donc augmenter la densité d’information stockée : on atteint aujourd’hui près de 23 gigaoctets pour un disque Blu-Ray, grâce à une tache lumineuse d’un demi-micromètre (un demi-millionième de mètre) de diamètre.

Petite tache de laser

Afin d’obtenir un tel résultat, il faut que la source lumineuse soit aussi de petite taille, parce qu’une lentille convergente qui focalise un faisceau reproduit dans son plan focal une image de la source. Mais plus la source est petite, moins elle est brillante. Peut-on trouver un bon compromis entre taille et intensité ? La solution est fournie par le laser, réalisé pour la première fois par l’Américain Theodore Maiman et qui fête cette année ses 50 ans d’existence.

Avec un laser, on peut obtenir un faisceau lumineux intense et très peu divergent. Un laser est constitué de deux miroirs disposés de part et d’autre d’un milieu amplificateur constitué par des atomes excités. Chaque photon qui arrive sur un atome excité induit l’émission par cet atome d’un photon identique, d’où une multiplication du nombre de pho- tons. L’un des miroirs est partiellement réfléchissant et laisse sortir une partie des photons, qui constituent le rayon laser. (dessin : Bruno Vacaro)

Au cœur du laser se trouve un milieu amplificateur de lumière constitué d’atomes excités, par exemple grâce à des décharges électriques. Lorsqu’un grain de lumière (un photon) frappe l’un de ces atomes, il induit l’émission d’un second photon identique en tous points au premier.

En rebondissant entre deux miroirs placés de part et d’autre du milieu amplificateur, les photons se multiplient à chaque traversée et l’intensité de la lumière s’accroît. Les miroirs qui forment la cavité laser sont particuliers. Tout d’abord, au moins l’un des deux est courbe, afin que la lumière ne s’échappe pas par les côtés et reste confinée autour de l’axe optique. Ensuite, l’un des miroirs transmet une petite partie de la lumière qu’il reçoit, laissant émerger un faisceau lumineux, le rayon laser (voir la figure 1).

À la sortie du faisceau, son intensité est maximale au centre et décroît lorsqu’on s’écarte de son axe. Quelle est sa forme ? On peut l’assimiler à ce que l’on obtiendrait en illuminant perpendiculairement un trou circulaire. Dans un premier temps, le faisceau a une forme cylindrique, de section constante ; mais, plus loin de l’ouverture, il devient conique, comme s’il était issu du centre du trou. C’est une manifestation du phénomène de diffraction : en franchissant un obstacle, la propagation de la lumière se modifie et n’est plus rectiligne.

Avec un trou circulaire, l’angle de divergence du faisceau est proche du rapport entre la longueur d’onde de la lumière et le diamètre du trou. Avant de devenir conique, le faisceau reste cylindrique jusqu’à ce que l’ouverture du cône soit comparable au diamètre du faisceau. Par exemple, un pointeur à laser rouge de 0,7 micromètre de longueur d’onde et de deux millimètres de diamètre a une divergence de 0,4 milliradian ; cette divergence devient sensible à partir de deux mètres environ.

La faible divergence d’un faisceau laser permet de le diriger, à l’aide d’un télescope, vers des réflecteurs posés sur la Lune en 1969, et de détecter la lumière réfléchie. La durée du trajet aller-retour détermine la distance Terre-Lune avec grande précision. Le faisceau laser, de 15 cen- timètres de diamètre initial, devient conique au bout de 25 kilomètres ; sur la Lune, il s’étale sur une région de quelque sept kilomètres de diamètre (un kilomètre s’il n’y avait pas d’influences atmosphériques). (Dessin : Bruno Vacaro)

Pour diminuer la divergence, il faut un faisceau large. C’est critique lorsqu’on vise la Lune avec un laser ! La mission Apollo XI a déposé à la surface de notre satellite des catadioptres qui réfléchissent la lumière dans la direction d’émission : si on éclaire depuis la Terre ces catadioptres, la lumière nous revient et la durée de l’aller-retour renseigne sur la distance Terre-Lune (voir la figure 2).

Mais si le faisceau diverge trop, l’énergie se disperse dans l’espace et on ne capte plus rien. En utilisant un télescope, on dilate le rayon vert d’un laser, à 500 nanomètres de longueur d’onde, en un faisceau de 15 centimètres de diamètre. Son angle de divergence est de trois microradians (l’angle sous lequel on voit un objet de trois millimètres à une distance de un kilomètre). Les effets de la diffraction se manifestent à partir de 25 kilomètres.

C’est peuà l’échelle des 400 000 kilomètres de la distance Terre-Lune. À cette distance, le faisceau crée, en théorie, une tache de plus de un kilomètre (sept en réalité, à cause des perturbations atmosphériques). Cela n’a pas que des inconvénients : on peut alors éclairer les catadioptres sans trop les chercher !

Focaliser au mieux

Comment focaliser le faisceau laser qui, à sa sortie, est cylindrique ? En utilisant une lentille, qui le transforme en un faisceau conique convergent. On peut montrer (et même deviner, en vertu du principe du retour inverse de la lumière) que la taille de la tache focale est égale au rapport entre la longueur d’onde lumineuse et l’angle du cône formé, ou, plus exactement, pour les grands angles, le sinus de cet angle, nommé ouverture numérique du faisceau. Le sinus étant inférieur ou égal à un, la tache est toujours plus grande que la longueur d’onde. Pour les CD, la lumière infrarouge de 785 nanomètres de longueur d’onde est focalisée avec une lentille d’ouverture numérique 0,45 et forme une tache de 1,56 micromètre. La densité d’information correspondante est de 0,65 gigaoctet pour un disque de 12 centimètres de diamètre.

En jouant sur les deux paramètres (longueur d’onde et ouverture numérique), on peut augmenter la densité d’information. Ainsi, on a utilisé des longueurs d’onde plus courtes en passant au rouge à 650 nanomètres des DVD, puis au bleu à 405 nanomètres des Blu-Ray (voir la figure 3).

L’augmentation des capacités de stockage des disques à lecture optique a été obtenue surtout grâce à une diminution de la longueur d’onde du laser et à des optiques d’ouverture numérique supérieure, ce qui réduit la taille de la tache focale du faisceau.. (dessin Bruno Vacaro )

Cette réduction d’un facteur deux des longueurs d’onde diminue la surface de la tache d’un facteur quatre. Avec l’amélioration de l’optique pour augmenter l’ouverture numérique jusqu’à 0,85, on gagne encore un facteur deux. Les progrès du codage numérique et des dispositifs de détection achèvent d’expliquer les performances des Blu-Ray.

Par ailleurs, une ouverture numérique élevée a pour conséquence de diminuer la distance sur laquelle le faisceau reste cylindrique. Cela permet d’utiliser des disques à double couche où l’information est inscrite soit à la surface du disque, soit sur une couche intérieure : lorsque le faisceau lit la couche interne, il est encore très large au niveau de la surface ; il couvre de nombreuses alvéoles dont l’effet se moyenne et il est donc
peu sensible à ce qui est écrit en surface.

En outre, la qualité optique du faisceau (sa bonne convergence) doit être meilleure. Pour le CD, on peut protéger l’information par une couche de vinyle transparent. Pour le Blu-Ray, les aberrations optiques produites par la traversée de l’interface air-vinyle empêcheraient l’obtention d’une tache focale de diamètre minimal. Pour cette raison, l’inscription est effectuée à la surface du disque : il n’y a plus de couche de protection et le disque est protégé par une boîte, comme l’étaient les anciennes disquettes de micro-ordinateur.

Références

  • CA. S. van de Nes et al., High-density optical data storage, Rep. Prog. Phys., vol. 69, pp. 2323-2363, 2006.
  • H. Kogelnik et T. Li, Laser beams and resonators, Applied Optics, vol. 5(10), pp. 1550-1567, 1966.

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