Observer le spectre des ampoules avec un réseau de diffraction

Choisir une ampoule dans le rayon dédié d’un magasin de bricolage est devenu un véritable casse-tête pour les non-spécialistes : halogène, fluo-compacte, LED, lumières de couleurs blanc-chaud, blanc-neutre, blanc-froid. Le monde de l’éclairage est en pleine (r)évolution ! Nous vous proposons dans cette page d’expériences d’y voir un peu plus clair en utilisant un réseau de diffraction pour analyser la lumière émise par différentes ampoules. Vous découvrirez que les technologies utilisées sont reconnaissables aux particularités des spectres de la lumière émise.

Matériel

  • Lunettes de diffraction. Vous pouvez vous en procurer des toutes faites ou les fabriquer à partir de feuilles de réseaux de diffraction (voir notre boutique en ligne). Pour le choix du réseau de diffraction, voir ci-dessous les rubriques « Qu’est-ce qu’un réseau de diffraction et à quoi sert-il ? » et « Quel réseau de diffraction choisir ? ».
  •  Feuille opaque avec un petit trou. Par exemple, une feuille A4 cartonnée noire avec un trou d’un ou deux millimètres de diamètre.
  •  Ampoules diverses (lampes torches, ampoules domestiques). Choisir si possible des ampoules de différents types : halogène, fluo-compacte, LED.
  •  Il est préférable de pouvoir faire l’obscurité (ou d’attendre la nuit) afin de mieux voir la lumière émise par la lampe que l’on souhaite étudier, sans être pollué par une autre source de lumière.

Remarque : il est également possible d’utiliser comme réseau de diffraction un morceau de CD dont on aura préalablement retiré la couche métallique qui le recouvre pour ne garder que la base en plastique. On ne fabriquera alors pas de lunettes mais on placera directement le morceau de CD (devenu transparent) devant un œil.

Qu'est-ce qu'un réseau de diffraction et à quoi sert-il ?

Un réseau de diffraction est un dispositif optique constitué d’un ensemble de traits (« rayures » ou « fentes ») parallèles entre eux et régulièrement espacés. Il permet, grâce aux phénomènes de diffraction et d’interférences, de décomposer la lumière d’une source en ses composantes spectrales, et donc de faire apparaître les couleurs lumières pures qui la composent. La distance typique entre deux traits successifs est de quelques micromètres seulement, ces traits ne sont donc pas visibles à l’œil nu.

Il existe des réseaux réfléchissants, comme par exemple les surfaces des CD et des DVD, et des réseaux transparents pouvant se présenter sous forme de feuilles plastiques, comme ceux que nous allons utiliser ici. Dans le cas des réseaux réfléchissants, l’analyse de la composition spectrale d’une source de lumière peut se faire via les reflets colorés qui apparaissent à leur surface. Dans le cas des réseaux transparents, même si des reflets colorés sont visibles à leur surface, l’analyse se fera mieux en regardant directement à travers le réseau. La photo ci-dessous montre à titre d’exemple ce que l’on voit en regardant une source de lumière blanche de petite taille, à travers un réseau transparent. De part et d’autre de l’image de la source lumineuse blanche, on observe des bandes aux couleurs de l’arc-en-ciel : ce sont des spectres. Chaque bande latérale peut être identifiée par son numéro d’ordre : d’un côté -1, -2, -3, …, de l’autre 1, 2, 3, …, la tache centrale non décomposée correspondant à l’ordre 0. On peut remarquer que plus les ordres sont élevés (en valeur absolue), plus les spectres sont étalées et moins ils sont lumineux (les bandes d’ordres -3 et 3, visibles à l’œil nu, le sont à peine sur la photo).

Quel réseau de diffraction choisir ?

Les réseaux les plus classiques sont des réseaux « 1D » : leurs traits sont distribués dans une seule direction de l’espace, ce qui produit un étalement des spectres dans une seule direction, celle qui est perpendiculaire aux traits. On trouve aussi des réseaux « 2D », qui peuvent être vus comme la superposition de deux réseaux 1D orientés dans deux directions perpendiculaires. Leurs spectres forment un quadrillage. L’effet obtenu est plus ludique qu’avec un réseau 1D, mais aussi plus riche à analyser (voir plus loin).

Un deuxième paramètre important est le « pas » du réseau, qui correspond à la distance entre deux traits successifs. On peut le déduire du nombre de traits par millimètres annoncé par le fabricant : par exemple un réseau 200 traits par millimètres a un pas de 1 mm / 200, soit 5 µm. Plus le pas est petit, plus la figure observée est étalée. Pour une observation fine, on préféra donc un pas le plus petit possible, c’est-à-dire un nombre de traits par mm le plus grand possible. À noter qu’au-delà de 1250 traits par mm, soit un pas de 0,8 mm, qui correspond à la limite supérieure des longueurs d’onde de la lumière visible, l’étalement des spectres autour de la tache centrale est tel que même les spectres d’ordre -1 et 1 ne sont plus entièrement observables, si on s’intéresse à l’ensemble de la gamme spectrale visible, du violet au rouge.

Toutes les observations et les photos de spectres de cette page ont été effectuées avec les réseaux 1D à 500 traits/mm, et 2D à environ 200 traits par mm, vendus sur notre boutique en ligne.

Protocole

Le protocole proposé est extrêmement simple : choisissez une source de lumière pas trop intense, voir l’avertissement ci-dessous, placez votre cache avec le trou devant la lampe (et si possible près de la lampe) de manière à voir une petite tache de lumière assez intense à travers, mettez vos lunettes de diffraction ou placez un morceau de réseau de diffraction devant un œil en fermant l’autre. Il ne reste plus qu’à regarder !

Attention : un réseau de diffraction ne protège en rien contre les intensités lumineuses trop fortes. On ne regardera donc pas avec les lunettes ou le réseau de diffraction ce qu’on ne regarderait pas directement à l’œil nu (Soleil, laser, etc.).

Remarque : il est possible de photographier ce que l’on voit en remplaçant l’œil par l’objectif d’un appareil photo ou d’un smartphone (vous pouvez caler le réseau contre l’objectif et le fixer avec de petits morceaux de scotch). Les photos de cette page ont été prises de cette façon. Mais attention, le rendu de la photo ne correspondra sans doute pas exactement à ce que vous voyez : un appareil numérique gère plus difficilement que l’œil les niveaux de luminosité très différents observés ici (il est difficile de rendre visibles les ordres élevés, très peu lumineux, sans saturer le capteur pour les ordres faibles), ainsi que le rendu de couleurs pures spectralement (voir la page « Photographier un spectre »).

Quelle bande colorée regarder ?

Dans le cas du réseau 1D, les spectres d’ordre 1 et 2 sont entièrement visibles, mais les zones rouges des spectres d’ordres -2 et 2 se recouvrent avec les zones bleues des spectres d’ordre -3 et 3 pour donner du magenta, semblable à ce que l’on obtient en mélangeant des lumières colorées sur un écran. Pour analyser les couleurs présentes dans la source de lumière, on se limitera donc aux spectres d’ordre -1 et 1 situés de part et d’autre de l’image du trou.

Dans le cas du réseau 2D, un très grand nombre de spectres ne présentent pas de recouvrement avec les spectres voisins : ce sont tous ceux qui apparaissent en premier dans une direction donnée en partant de l’image du trou (les plus intenses sont entourés en blanc sur la photo ci-dessous). Certains étant très étalés, cela permet, même pour un pas de réseau relativement grand, de faire des observations fines.

À quoi sert le cache avec un petit trou ?

L’utilisation d’un cache avec un petit trou sert à réduire la taille apparente de la source lumineuse (et accessoirement, de limiter l’intensité qui entre dans l’œil, utile si la source de lumière est trop intense). Plus cette taille apparente est petite et plus la séparation des couleurs spectrales sera bonne (mais moins les spectres seront lumineux !). Pour une source lumineuse de grande taille (image de gauche, sans cache), on voit apparaître du blanc au centre des bandes colorées proches de la tache centrale, qui disparait quand la taille apparente de la source diminue (cache placé devant la lampe). On pourra réduire la taille apparente en diminuant le diamètre du trou ou en s’en éloignant.

Autres montages possibles :

D’autres montages plus élaborés sont bien sûr possibles. Vous trouverez de nombreux tutos sur internet pour par exemple fabriquer un spectroscope en plaçant aux extrémités d’un tube opaque, d’un côté un petit trou (ou une fente pour un réseau 1D), de l’autre un morceau de réseau de diffraction. Avec du matériel plus spécifique (condenseur, fente réglable, lentille de projection), on peut projeter les spectres sur un écran (voir ici pour plus de détails) pour une observation collective si chaque observateur ne peut disposer de son propre réseau.

Observations d'ampoules "domestiques"

Voici ce que nous avons observé en regardant différentes ampoules d'usage courant à travers les réseaux 1D et 2D de notre boutique. Pour chaque type d’ampoule, la photo du haut a été prise avec le réseau 1D, celle du milieu avec le réseau 2D, et celle du bas est un zoom sur le spectre d’ordre 1 du réseau 1D. Attention une nouvelle fois au rendu des couleurs sur les photos : si vous voulez mieux les voir, il faut faire l’expérience vous-même et observer avec vos yeux !

  • Avec une ampoule à filament de type halogène

Le spectre s’étend du violet au rouge de manière continue. Une observation attentive permet de voir que le rouge est plus lumineux que de bleu.

  • Avec une ampoule fluo-compacte

Le spectre n’est pas continu : on retrouve du violet, du cyan, du vert, du jaune, de l’orange et un peu de rouge, mais avec des trous entre certaines de ces couleurs : la lampe n’émet pas toutes les composantes spectrales du visible.

  • Avec une ampoule à LED (lumière « blanc froid »)

Le spectre est continu. Une observation attentive permet de voir que l’intensité émise est plus forte dans la gamme des bleus, avec un creux dans le domaine du cyan (mieux visible directement à l’œil que sur la photo), et peu d’intensité dans le rouge.

Discussion

Alors même que la lumière émise semble similaire à l’œil nu (ces différentes lampes émettent de la lumière « blanche »), nos observations montrent que les spectres ne sont pas les mêmes d’un type d’ampoule à un autre. Pourquoi cela ? Parce que les caractéristiques des spectres sont directement liées aux processus physiques utilisés pour émettre de la lumière. Afin de mieux illustrer ces différences, nos observations sont comparées ci-dessous à des mesures effectuées avec un spectromètre, appareil de laboratoire qui permet de connaître précisément quelles couleurs spectrales sont présentes et en quelle quantité. Pour plus de détails, nous vous renvoyons à la lecture de notre page d’explications sur les différentes sources de lumière.

  • Lampe halogène

Dans une ampoule de type halogène, la lumière est émise par incandescence. On fait passer un fort courant électrique dans un filament très fin qui atteint environ 3000°C et qui émet un spectre continu caractéristique d’un objet chauffé à haute température. Pour une température de 3000°C, le maximum d’émission se situe dans l’infrarouge (qu’on ne voit pas), ce qui explique pourquoi la lumière est plus intense du côté du rouge que du côté bleu. La grande quantité d’infrarouges émis font que ces lampes chauffent beaucoup et ont une mauvaise efficacité énergétique, d’où leur disparition progressive du marché.

  • Lampe fluo-compacte

Dans une ampoule de type fluo-compacte, la lumière est émise par un gaz (du mercure) soumis à des décharges électriques. Ce type d’émission se caractérise par des pics très prononcés pour certaines longueurs d’onde, pics qu’on retrouve très clairement dans nos observations et dans les mesures réalisées avec un spectromètre. Le préfixe « fluo » vient du fait que ces ampoules utilisent également la fluorescence pour transformer la lumière UV (invisible à nos yeux) émise par le mercure en d’autres couleurs visibles. Cette transformation permet d’enrichir le spectre pour obtenir un « blanc » mieux équilibré, et d’améliorer l’efficacité énergétique de l’ampoule, qui est bien supérieure à celle des ampoules halogènes. Très en vogue il y a une vingtaine d’année, elles sont aujourd’hui en perte de vitesse devant les LEDs. Vous observerez le même type de spectre en regardant la lumière émise par les tubes fluorescents, parfois appelés abusivement « néons ». Il n’y a rien d’étonnant à cela car les lampes fluo-compactes ne sont rien d’autre que des tubes fluorescents compactés.

  • Lampe torche à LED

Les LEDs (« Light-Emitting Diode » ou diode électroluminescente) sont des composants électroniques qui convertissent directement un courant électrique en lumière. Les LEDs utilisées actuellement dans les ampoules domestiques ou les lampes torches émettent un pic relativement large de lumière bleue (situé vers 450 nm), qui par fluorescence est transformé (partiellement) en un continuum de lumières verte, jaune, orange et rouge. Suivant l’efficacité de cette conversion, et donc l’importance relative du pic de lumière bleue par rapport au reste de l’émission, la lumière est « blanc froid », « blanc neutre » ou « blanc chaud ». La lumière d’une LED se caractérise ainsi par un spectre continu, mais avec une répartition de l’intensité des couleurs spectrales bien différente de celle observée pour une lampe halogène : on trouve un pic de lumière bleue, particulièrement intense dans le cas d’une lumière « blanc froid », un creux marqué dans le cyan et une intensité limitée dans le rouge. Ce pic de lumière bleue est source d’inquiétude car il serait susceptible de générer des troubles du sommeil et du comportement (voir notre article). Les LEDs sont aujourd’hui de plus en plus utilisées car elles ont une très bonne efficacité énergétique et une longue durée de vie.

Expériences bonus : observations d'autres sources lumineuses.

Maintenant que savez reconnaître les trois grandes familles d’ampoules, nous vous invitons à partir, muni de votre réseau de diffraction, à la découverte d’autres sources lumineuses : voyants de veille, écrans d’ordinateur et de smartphone, phares de voiture, éclairage public, flammes de bougies ou de gazinière, etc.