Laser CD

Wie liest ein CD-Spieler eine CD-ROM?

Ob nun auf einer CD-ROM Musik, Videos oder Computerprogramme gespeichert sind - ein Laserstrahl entlockt den bunt schillernden Scheiben ihre Daten; das Phänomen der Interferenz hilft dabei.

Längst gehören CDs und DVDs bei Computern und Unterhaltung zum Alltag. Anders als bei den alten Vinylplatten, bei denen noch mit einer Nadel die Spurrillen abgetastet wurden, werden die Daten auf CDs kontaktfrei mit einem Laserstrahl ausgelesen. Die Erfinder der ersten Typen der Silberscheiben, der ausschließlich lesbaren CD-ROMs, machten sich das Phänomen der Interferenz zunutze.

Interferenz

Interferenz tritt immer dort auf, wo Wellen im Spiel sind und sich überlagern. Wenn etwa zwei Wellen mit derselben Wellenlänge aufeinander stoßen, können zwei Extremfällen eintreten:

  1. Die Wellenberge, der einen Welle überlagern sich mit den Wellenbergen der anderen, was doppelt so hohe Wellenberge ergibt: \(1 + 1 = 2\).
  2. Oder: Die Wellenberge der einen Wellen stoßen auf die Wellentäler der anderen, was eine völlige Auslöschung der beiden Wellen zur Folge hat: \(1 + (-1) = 0\).

Dazwischen gibt es unendlich viele weitere Möglichkeiten von 0 bis 2. Welcher Fall eintritt, hängt davon ab, wie die beiden Wellen gegeneinander verschoben sind.

Interferenz beim CD-Spieler

Auf der Oberfläche einer CD-ROM befinden sich Vertiefungen. Fällt der Laserstrahl eines CD-Spielers gleichmäßig auf eine Ebene, so wird das Licht bezügliche eines Auslesewinkels am besten reflektiert. An einer Kante löschen sich die reflektierten Wellenzüge hingegen teilweise aus: Die Intensität des reflektierten Lichts nimmt ab. Diese Änderung wird von einem Lichtsensor registriert und kann in Musik oder Daten umgewandelt werden. Treffen alle Teilstrahlen auf eine Ebene, fallen unter einem bestimmten Winkel Wellenberge auf Wellenberge: Die Reflexion ist maximal. An der Kante sind die Teilstrahlen unterschiedlich lange unterwegs. Wellenberge fallen auf Wellentäler: Die Reflexion ist vermindert.
Das Auslesen einer CD

Um Daten von einer CD zu lesen, wird nun ausgenutzt, dass es zu auslöschenden Verschiebungen kommen kann, wenn Laserlicht darauf fällt. Eine CD-ROM besteht aus einer spiegelnden Aluminiumschicht, in der kleine Vertiefungen eingelassen sind. Die Vertiefungen sind nur ein Viertel bis ein Sechstel der Wellenlänge des Lichtes tief, mit der die CD-ROM ausgelesen wird. Im Falle einer konventionellen CD-ROM wird dabei rotes Laserlicht mit einer Wellenlänge von 780 Milliardstel Metern (Nanometer) verwendet.

Wenn der Laserstrahl nun komplett auf eine Vertiefung oder eine Nicht-Vertiefung fällt, wird der Strahl unter einem bestimmten Auslesewinkel maximal reflektiert. Anders sieht das aus, wenn der Laserstrahl auf den Rand einer Vertiefung scheint. Dann wird ein Teil auf der Erhöhung und einer anderer Teil auf der Vertiefung reflektiert. Dabei kommt es aufgrund der Höhe der Vertiefung zu einer teilweise auslöschenden Interferenz, welche die Intensität des reflektierten Lichts vermindert.

Diese Verminderung in der Intensität kann mit einem Lichtsensor gemessen werden. Auf diese Weise kann ein CD-Spieler die Kanten auf der Oberfläche registrieren (zwischen normaler Oberfläche und Vertiefung kann er hingegen nicht unterscheiden). Werden jetzt die Kanten beispielsweise als „0“ interpretiert und der Rest als „1“, so können dieses Werte nachträglich in Musik, Videos oder andere Daten umgewandelt werden.

Neben den CD-ROMs kommen noch andere Silberscheiben zum Einsatz: Auf der einmal beschreibbaren CD-R beispielsweise kann ein Brennlaser eingebrachte Farbstoffe aktivieren und somit das Reflexionsverhalten der Oberfläche verändern. Die Information wird dann darüber ausgelesen. 

Interferenz in der aktuellen Forschung

Interferenzerscheinungen spielen bei vielen Messmethoden in der Physik eine wichtige Rolle – zum Beispiel wenn in der Astronomie die Signale mehrerer Teleskope zusammengeschaltet werden, um schärfere Blicke ins Weltall zu ermöglichen, oder Laserlicht nach kilometerlangem Lauf überlagert wird, um nach Gravitationswellen Ausschau zu halten. Aber auch bei der Untersuchung von Werkstoffen oder Biomolekülen mit intensiver Synchrotronstrahlung kommt man am Phänomen der Interferenz nicht herum. Denn in diesem Fall müssen die Forscherinnen und Forscher anhand der Interferenzmuster, die durch Bescheinen der Probe entstehen, auf deren Inneres schließen.