Pourquoi un disque compact est-il irisé ?

Tout le monde a déjà admiré les couleurs de l’arc-en-ciel qui apparaissent lorsqu’on regarde un CD à la lumière du jour. Celles-ci sont dues à une décomposition de la lumière par les sillons du disque. Grâce à un faisceau laser, ce clip vous en explique le principe.

Fiche d’accompagnement de l’expérience:

Matériel
  • un stylo laser vert ou rouge
  • une règle graduée d’un mètre
  • un CDROM
  • des supports et des pinces
  • un bouchon
Montage et réalisation
  • Enfoncer un bouchon dans le trou central du CDROM

  • Maintenir le CDROM verticalement à l’aide d’une pince et d’un support

  • Fixer un stylo laser sur un support

  • Orienter le faisceau laser vers un point du diamètre horizontal du CDROM (de manière à obtenir par la suite une dispersion horizontale du faisceau incident par réflexion sur le CDROM

  • Maintenir à l’aide d’un support la règle horizontale de manière à ce que les positions des taches des faisceaux dispersés par le CDROM soient repérables (graduations tournées vers le CDROM)

Mesurer les distances entre la tache centrale et les taches secondaires de part et d’autre de celle-ci.

Explications

Pourquoi observons-nous plusieurs taches sur la règle après que le faisceau laser se soit réfléchi sur le CDROM?

Les informations numériques d’un disque compact sont enregistrées sur une piste en forme de spirale et la distance entre deux passages successifs de la piste est de qui représente seulement plusieurs fois la longueur d’onde de la lumière visible.

Cette distance est donc trop petite pour être vue dans un microscope simple: il faut un instrument de qualité professionnelle avec un fort grossissement (1000x).

Cette distance représente le pas du réseau constitué par le CD.

Dans la zone restreinte éclairée par le faisceau laser, les rayures (ou traits) sont approximativement parallèles et pratiquement rectilignes et constituent un réseau de diffraction qui disperse la lumière.

C’est cette répartition des pistes qui est responsable de la dispersion du faisceau vert ou des jolies couleurs réfléchies par le CDROM qui fonctionne comme un réseau de diffraction.

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Considérons une onde incidente perpendiculaire au plan du CDROM.

Chaque rainure du CDROM renvoie une onde lumineuse dans toutes les directions et l’onde résultante est la superposition de toutes les ondes individuelles.

Dans la direction d’observation caractérisée par l’angle α, les ondes envoyées par la rainure de gauche présente un retard sur les ondes renvoyées par la rainure de droite car son chemin est plus long d’une quantité .

Si la différence de marche est égale à une demi longueur d’onde (ou à un multiple impair) le maximum de l’onde A coïncide avec le minimum de l’onde B et l’intensité s’annule.

Mais si la différence de marche correspond à une longueur d’onde complète les maxima des ondes voisines se superposent et contribuent à un maximum de lumière dans cette direction.

Comme la séparation entre les traits est constante, chacun des traits apporte sa contribution à l’intensité de la lumière dans cette direction.

On obtient alors les spectre du premier ordre. Le spectre du second ordre correspond à une différence de marche de deux longueurs d’onde, celui du troisième ordre à trois longueurs d’onde, etc…

Nous pouvons vérifier cette théorie en mesurant sur la règle les distances des différents ordres sachant que la règle est située à 40cm du CDROM et que nous éclairons le CDROM en lumière monochromatique de longueur d’onde égale à 532 nm

Pour le 1er ordre, la distance entre l’ordre -1 et +1 est de : 29,5 cm

Nous pouvons alors calculer α :

sachant que les maxima de diffraction des différents ordres sont donnés, en incidence normale, par :

on en déduit :

ce qui correspond bien aux erreurs de mesure près à l’écartement estimé entre 2 pistes du CDROM (1600 nm).

Refaîtes les mesures dans l’ordre 2…

Si au lieu d’éclairer le CDROM en lumière monochromatique, on l’éclaire en lumière blanche on observe la séparation des différentes radiations constituant le spectre visible de 0,4 à 0,8

Remarques

Si l’on utilise un DVD à la place du CDROM les pistes sont encore plus rapprochées (D = 0.74μm) et donc les angles de déviation sont beaucoup plus grands.

Références

Université en Ligne : Diffraction

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