1. Por qué un disco muestra colores sin pintura: la luz y sus surcos ordenados
El brillo de colores en la parte trasera de un CD o DVD no viene de tintes o pintura. Es lo que se llama «color estructural». Se produce porque la luz se difracta (se dobla) al pasar por surcos llamados pistas que están alineados con mucha precisión, y luego esas ondas de luz interfieren entre sí para crear colores [1].
En un CD, la distancia entre estas pistas es de 1,6 μm. Como 1 μm es una milésima de milímetro, esto significa que en un espacio de 1 mm caben más de 600 pistas. Sin embargo, hay una diferencia importante con el Blu-ray (BD). Según un centro de educación en Japón, si iluminas un BD de frente con luz blanca, no se observan los colores del arcoíris [2]. ¿Por qué un disco plateado igual no muestra colores? La respuesta está en el tamaño de sus surcos, que veremos más adelante.
2. La pista en espiral de un CD: 5,4 km de datos en un solo disco
Los datos en un CD están escritos en una sola pista que va en espiral desde el centro hacia afuera [4]. La distancia entre las vueltas de esta espiral es de 1,6 μm. El área donde hay datos tiene un radio de entre 25 y 58 mm. Si calculamos cuántas vueltas caben en ese ancho de 33 mm, obtenemos unas 20 000 vueltas. Al sumar la longitud de cada vuelta, el camino total mide aproximadamente 5,4 km. Un artículo sobre las normas del CD confirma que la longitud de la espiral es de 5,38 km, lo cual coincide con este cálculo [4]. Es decir, un camino de más de cinco kilómetros cabe en un disco.
Sobre esa pista hay pequeñas marcas llamadas «pits» (pozos). Su ancho es de unos 0,5 μm y su profundidad de unos 0,1 μm [3]. Para que te hagas una idea, si un cabello humano mide 0,1 mm de grosor, la profundidad de estos pozos es unas 1000 veces menor. Según el estudio de Immink, la longitud de los pozos va de 0,9 a 3,3 μm [4]; otras fuentes dan valores algo distintos (por ejemplo, de 0,83 a 3,56 μm), así que conviene tomarlos como aproximados.
3. Cómo los pozos de un CD apagan la luz del láser: son escalones, no agujeros
Un CD tiene cuatro capas principales. De abajo hacia arriba: una capa de plástico (policarbonato) de 1,1 mm, una capa reflectante de aluminio, una capa de laca protectora y una capa de impresión. El láser atraviesa el plástico transparente y golpea la capa de aluminio. Desde el lado donde se lee, los pozos parecen salientes [1].
La luz que rebota en las zonas planas (llamadas «lands») vuelve directamente. Pero la luz que rebota en un pozo está desfasada medio ciclo (1/2 longitud de onda) respecto a la luz de las zonas planas. Cuando estas dos ondas se encuentran, se cancelan mutuamente, creando oscuridad. El disco detecta estos cambios de luz y oscuridad para leer los datos [3].
La profundidad del pozo es clave para crear ese desfase. La luz láser del CD tiene una longitud de onda de 780 nm. Dentro del plástico, esta longitud se reduce a unos 500 nm. La cuarta parte (1/4) de esa longitud es unos 125 nm. La profundidad real de los pozos del CD es de 110 nm, lo que es aproximadamente 1/4 de la longitud de onda dentro del material. Como la luz viaja hacia el pozo y regresa, atraviesa el escalón dos veces, creando una diferencia total de camino de media longitud de onda [3].
4. Por qué el punto de luz del láser es más ancho que el pozo y cómo ayuda la interferencia
Aunque usemos lentes para enfocar la luz del láser, no podemos hacer el punto de luz infinitamente pequeño debido a la naturaleza de las ondas. Esto se llama límite de difracción. El tamaño del punto depende de la longitud de onda y de la «apertura numérica» (NA) del lente. La NA indica qué tan fuerte puede enfocar el lente [5].
Como regla general, si dividimos la longitud de onda entre la NA, para el CD tenemos 780 nm dividido entre 0,45, lo que da unos 1,7 μm [6]. De hecho, los documentos explican que el diámetro del punto de luz en la superficie de grabación del CD es de unos 1,7 μm [3]. Este punto es más ancho que el ancho de un pozo (0,5 μm) y que la distancia entre pistas (1,6 μm). No leemos con un punto más fino que el pozo. Leemos usando la diferencia de brillo causada por la interferencia de la luz, lo que permite distinguir detalles más pequeños que el punto de luz en sí [3].
5. Cómo guarda más datos el Blu-ray: luz de menor longitud de onda y lentes con mayor NA
El Blu-ray logra guardar más datos cambiando dos cosas respecto al DVD: usa una luz de menor longitud de onda y un lente con mayor NA. El DVD usa luz roja de 650 nm, mientras que el Blu-ray usa luz azul-violeta de 405 nm. Además, la NA pasa de 0,6 en el DVD a 0,85 en el Blu-ray [6].
Según la explicación de Sony, estos cambios hacen que el área del punto de luz sea aproximadamente 1/5 de la del DVD. También reducen la distancia entre pistas a menos de la mitad (de 0,74 μm a 0,32 μm). Como resultado, la capacidad aumenta de 4,7 GB (DVD) a unos 25 GB (Blu-ray), es decir, unas 5 veces más [7]. Si calculamos el cambio de área, el efecto de la longitud de onda da un factor de 2,6 y el de la NA uno de 2; al multiplicarse (2,6 × 2), el resultado es aproximadamente 5, coincidiendo con los datos oficiales.
Hay también una estimación más simple. Una explicación de Canon señala que, como la longitud de onda de un láser azul es casi la mitad que la de uno rojo, el punto de luz puede reducirse a unos 500 nm y, con un cálculo sencillo, caben 4 veces más datos en el mismo disco [9]. Pero el azul-violeta del Blu-ray (405 nm) no es exactamente la mitad de 650 nm, y la diferencia real de capacidad no sigue este cálculo simple.
Este láser azul-violeta fue desarrollado por la empresa Nichia, que logró su funcionamiento continuo a temperatura ambiente en 1996, y en 2003 se lanzó un Blu-ray que usaba este láser [8]. Volviendo a la pregunta del principio: la distancia entre pistas del Blu-ray es de 0,32 μm, que es menor que la longitud de onda de la luz visible (380-770 nm). Por eso, según la medición, no se observa el arcoíris de frente. Solo si miras el disco de lado, se reportan colores azul, verde y naranja [2]. Los colores en los otros discos son señal de surcos finos, pero en el Blu-ray son tan finos que la luz visible normal no los refleja como arcoíris frontal.
6. Las capas más delgadas del Blu-ray: más capacidad, pero más cuidado
En un Blu-ray, la capa de datos está justo debajo de una capa protectora de 0,1 mm, y debajo de eso hay una base de 1,1 mm. En un DVD, la base tiene 0,6 mm en cada lado [5]. Sony explica que poner la capa de datos más cerca del lente reduce los errores de lectura y escritura si el disco se dobla o inclina [7].
Pero al hacer la capa protectora tan delgada, el disco se vuelve más vulnerable a los rayones. Al principio, los Blu-ray venían dentro de cartuchos protectores. Luego, las empresas desarrollaron recubrimientos duros (hard coat) para resistir rayones, y los cartuchos se dejaron de usar [5]. En los CDs, la capa de datos está cerca de la etiqueta. Sony advierte que no se debe escribir con bolígrafos de punta afilada en la etiqueta de los CD-R [7]. La capa protectora en esa zona es muy fina, aunque los documentos indican un grosor que varía entre 20 μm y 0,1 mm.
7. Cómo observar los colores de tus propios discos con precaución
Si tienes discos en casa, puedes hacer estas observaciones. Inclina el disco hacia la luz de la habitación y mira hacia dónde se mueven las bandas de color. Se dice que las lámparas fluorescentes de tres longitudes de onda muestran mejor la separación de colores [10]. Compara un CD y un DVD para ver si los colores salen diferente. Si tienes un Blu-ray, compara cómo se ve de frente y de lado [2].
Nota de seguridad: Algunos tipos de luz emiten rayos ultravioleta que pueden dañar los ojos. Nunca uses un disco para reflejar la luz del sol hacia los ojos de alguien, ni mires directamente el láser dentro de un reproductor [10].