Les reflets colorés sur un CD

Dans cette expérience, nous vous invitons à explorer les reflets colorés qui apparaissent à la surface des CD (« Compact Disc » en anglais ou « disque compact » en français). Et si les CD permettent d'enregistrer de la musique, ou encore de fabriquer de très jolis objets décoratifs comme sur la photo-ci contre, nous verrons qu’ils constituent également de formidables outils pour analyser la composition spectrale d’une source lumineuse.

Matériel

  • Un CD, de préférence enregistrable (CR-R)
  • Une pièce permettant de faire l'obscurité
  • Une lampe torche à LED ou un spot avec une ampoule à incandescence

Observations

Commençons par regarder les reflets colorés qui apparaissent à la surface d'un CD quand il est éclairé à la lumière du jour. Nous regarderons la face "brillante" du CD, celle où est stockée l’information (fichiers d’images, de musiques ou autres). Nous pouvons faire les observations suivantes :

  • Les couleurs sont très particulières : elles sont changeantes, dans le sens où elles semblent se déplacer sur la surface du disque en fonction de son inclinaison et de la position de l'observateur. Contrairement à un objet coloré classique comme une peinture, il est impossible d’attribuer une couleur à une zone précise de la surface du CD. Ce n'est pas le CD qui est rose ou vert : c'est son reflet !
  • A la lumière du jour, les teintes des reflets sont très variées et ne se limitent pas aux couleurs de l’arc-en-ciel. On peut en effet y voir par exemple du magenta, couleur extra-spectrale. Là où il n’y a pas de reflets, la couleur du CD est généralement proche d’un gris métallisé.
  • A l’œil, la surface du CD semble lisse comme un miroir. Aucune aspérité ou rayure n’est visible ni sensible du bout des doigts, sauf bien sûr si le disque a été abimé. Il est d’ailleurs possible de « se voir dans le CD » comme dans un miroir.

Pour comprendre d’où viennent ces reflets colorés, il est préférable de limiter l’origine de la lumière à une source unique de petite taille, comme une lampe torche ou une ampoule. Pour cela, on se placera dans l’obscurité et on allumera une lampe non colorée (blanche) à LED ou à incandescence (l'observation sera différente avec un tube fluorescent).

Des reflets colorés sont toujours visibles mais ils présentent des différences notables avec ceux observés à la lumière du jour. Nous commençons par rechercher l'image de la lampe sur le CD (sans couleurs) comme pour un miroir (première photo ci-dessous).  Puis, nous inclinons le CD à partir de cette position « miroir » et nous voyons apparaître une première bande colorée, avec dans l'ordre les couleurs suivantes : violet – bleu – cyan – vert – jaune – orange – rouge (première série de photos ci-dessous). Ces couleurs sont celles de l’arc-en-ciel. En continuant à incliner le CD de plus en plus loin de la position "miroir", une deuxième bande aux couleurs de l'arc-en-ciel apparait (deuxième série de photos ci-dessous) dont les couleurs sont plus étalées et moins intenses.  Cette deuxième bande n'est en général pas séparée de la troisième qui lui succède (visible sur la dernière photo ci-dessous) avec une région de transition de couleur magenta. Le même phénomène se reproduit si on incline le CD dans l'autre sens à partir de la position "miroir".

Remarque : en plein jour et avec une source lumineuse de type lampe torche ou ampoule, les bandes colorés décrites précédemment s'ajoutent aux reflets visibles dus à la lumière du jour (photos ci-dessous).

L'observation de la première bande colorée peut également se faire :

  • En posant le CD à plat sur une table et en ajustant la direction d’émission de la lampe (éclairage légèrement en oblique) jusqu’à obtenir sur le plafond à la fois le reflet direct de la lampe (reflet blanc sur la photo) et le reflet coloré (un deuxième reflet coloré plus large est aussi parfois visible).
  • En posant le CD à plat sur une table et à l'éclairant avec une lampe torche placée à une dizaine de cm au-dessus de son centre. En regardant le disque par au-dessus, dans une direction proche de la verticale, on observe des anneaux aux couleurs de l'arc-en-ciel.

Discussion

Les couleurs de l’arc-en-ciel observées quand le CD est éclairé par une source de lumière blanche sont des couleurs « lumière » pures, c’est-à-dire qu’elles ne sont composées que d’une seule longueur d’onde. Le CD permet donc, comme le fait un prisme, de séparer les couleurs « lumière » pures présentes mais mélangées dans la source lumineuse qui l’éclaire. Nous retrouvons le fait qu'une ampoule à LED blanche ou à incandescence émet bien toutes les couleurs de l'arc-en-ciel. La couleur magenta observée dans la zone de recouvrement des deuxième et troisième bandes colorées n'est pas une couleur « lumière » pure mais un mélange de lumière bleue et rouge. Quand le CD est éclairé par plusieurs sources lumineuses en même temps, ou une source lumineuse diffuse comme la lumière du jour, les couleurs « lumière » pures de l’arc-en-ciel peuvent se mélanger de façons différentes suivant la zone du CD regardée, créant ainsi une grande diversité de teintes.

Un CD et un prisme permettent tous deux de séparer les couleurs "lumière" pures présentes dans la lumière blanche, mais les phénomènes physiques à l’origine de cette séparation ne sont pas les mêmes pour ces deux objets. Dans le cas du CD, ce sont la diffraction et les interférences qui expliquent pourquoi certaines longueurs d’onde sont réfléchies dans des directions très précises, alors que dans le cas du prisme c'est un phénomène de réfraction qui entre en jeu.

Dans d’autres pages d’expériences, nous utiliserons un CD pour analyser et comparer les compositions spectrales de différentes lampes, ainsi que pour comprendre les mélanges de couleurs observés avec des filtres colorés. Un site très complet (en anglais) vous montre comment aller plus loin et réaliser des mesures précises avec de véritables spectromètres fabriqués à partir de CD.

A quoi ressemble vraiment la surface d'un CD ?

A l’œil nu, la surface d’un CD ressemble à un miroir. Mais en l’observant à l'échelle du micromètre avec un microscope optique (une loupe ne suffit pas !) ou avec des microscopes encore plus performants (microscopes à force atomique ou électronique) nous verrions apparaître un relief très particulier. Sur l'image ci-contre d'un CD enregistrable prise au microscope électronique à balayage, des sillons régulièrement espacés sont visibles. Ces sillons appartiennent en réalité à une unique spirale qui s'enroule autour du centre du disque jusqu'à sa périphérie, comme pour un disque vinyle. La largeur caractéristique des sillons et la distance qui les sépare sont de l’ordre du micromètre. La faible largeur des sillons est responsable du phénomène de diffraction alors que leur espacement régulier est responsable du phénomène d’interférence (les lumières diffractées par chacun des sillons interfèrent les unes avec les autres pour se renforcer dans des directions particulières dépendant de la longueur d'onde, créant ainsi un reflet coloré). Le relief des CD non enregistrables (CD-audio, CD-ROM, ...) est légèrement différent puisque les sillons sont remplacées par des lignes d'alvéoles, toujours réparties en spirale autour du centre du disque (voir l'image en bas de page).  

Pour identifier la structure « verticale » (c'est-à-dire selon son épaisseur) du CD, il suffit d’en casser un morceau. On constate alors que le CD est constitué d’une base en plastique (polycarbonate) recouverte d’une fine couche métallique permettant de réfléchir la lumière.

Les DVD et les Blu-rays ont des structures similaires, mais les alvéoles sont encore plus petits et plus serrés, ce qui permet de stocker plus d’information sur une même surface (voir les images en fausses couleurs ci-dessous, obtenues avec un microscope à force atomique). La séparation des couleurs est plus forte que sur un CD mais les reflets colorés sont aussi moins intenses (avec un Blu-ray, les couleurs sont tellement séparées qu'on ne peut voir que le début de la première bande colorée).