Los colores de un CD. Parte I

He decidido escribir entradas no demasiado largas, por ello cuando trate un tema largo como este, lo dividiré en varias partes. Soy consciente de que la gente no siempre tiene tiempo suficiente para leer blogs, y una entrada demasiado larga puede causar que los potenciales lectores huyan despavoridos. Espero que ésta no quede demasiado extensa. Vamos allá.

A estas alturas del siglo XXI doy por hecho que todo el mundo, o al menos todo el mundo que pueda estar leyendo esto, tiene una idea aproximada de cómo funciona un disco óptico (CD, CD-R, DVD, lo que sea). La idea será más o menos así: El disco tiene una superficie reflectante en la que existen unos pequeños agujeros distribuidos a lo largo de una larga pista en espiral. La información está codificada en la propia secuencia de agujeros y espacios (pits y lands). Para leer la información se enfoca un haz láser sobre la pista mientras el disco gira, y un sensor óptico recibe la luz reflejada. Los agujeros no reflejan y los espacios sí, por lo que se obtiene una señal digital que puede ser procesada y convertida en bytes de información.
La idea aproximada y muy simplificada del funcionamiento de un disco óptico es esa. Pero en esta serie de entradas no voy a hablar del funcionamiento de los CDs, sino de un efecto colateral de su construcción física: los colores tan monos que tienen.

Esos colores se forman debido a la propia estructura microscópica del disco: lineas reflectantes (los espacios entre pistas) separadas por líneas no tan reflectantes (las pistas). Para intentar explicarlo propongo el siguiente experimento mental. Podemos imaginar una "rejilla" formada por una lámina oscura y sobre ella largas tiras de espejo colocadas paralelamente unas a otras. A las habituales escalas humanas la rejilla se comporta frente a la luz como nuestra intuición nos sugiere. La luz se refleja en los espejos y es absorbida por los huecos, como vemos en el siguiente dibujo:


Pero si pudiésemos miniaturizarla poco a poco, llegaría una escala en el que empezarían a pasar cosas curiosas. Esa escala sería aquella en la que el ancho de las ranuras empieza a ser comparable con la longitud de onda de la luz que incide sobre ella (para simplificar, supondremos que utilizamos luz monocromática, es decir, de una única longitud de onda). Aquí es donde comienza a manifestarse el comportamiento ondulatorio de la luz. La luz ya no se refleja en los espejos siguiendo las leyes de la óptica geométrica, sino que cada espejo dispersa la luz en todas las direcciones de un plano vertical, convirtiéndose así en un nuevo foco de luz. Esto ya es más difícil de representar con un dibujo, pero yo me he sentido razonablemente satisfecho después de dibujar lo siguiente:


Las ondas de luz emergen de cada uno de los "micro-espejos" como las ondas que surgen al soltar una piedra en un estanque.
Y aquí viene lo interesante. Las ondas luminosas, como todas las ondas, producen fenómenos de interferencia. Esto quiere decir que cuando dos ondas están en fase se refuerzan, y cuando están en contrafase se cancelan, dándose también, por supuesto, todos los casos intermedios. Lo mismo ocurre si soltamos dos piedras cercanas en el estanque.
La luz reflejada por un espejo interfiere con la reflejada por los demás espejos. En la siguiente imagen, simplificada para mostrar únicamente el efecto de dos espejos, se puede ver claramente las zonas donde las ondas están en fase. El dibujo no es muy riguroso, pero sirve para hacerse una idea aproximada.


La interferencia entre las ondas hace que un haz de luz monocromática (una única longitud de onda) se vea dividido en varios haces al reflejarse. Los ángulos de estos haces dependen de la longitud de onda de la luz y de la distancia entre ranuras. Si acortásemos la longitud de onda podríamos ver cómo los ángulos se reducen. Si usamos luz no monocromática, cada longitud de onda contenida en ella (cada color) emergería de la rejilla con un ángulo diferente. El resultado es que la luz se descompone, de la misma manera que ocurre al pasar a través de un prisma. Estos efectos de dispersión y de interferencia de la luz al encontrarse con objetos muy pequeños son conocidos con el nombre genérico de difracción. De hecho, un CD es un ejemplo de rejilla de difracción, pues así se llaman ese tipo de rejillas microscópicas que descomponen la luz.

Las rejillas de difracción han tenido una relevancia enorme en la ciencia, ya que cuentan con grandes ventajas sobre los prismas al obtener el espectro de una fuente luminosa. Con ellas se fabrican espectrómetros, monocromadores y muchos otros dispositivos ópticos.

Bien, espero no haber aburrido demasiado con esta entrada, pero me parece importante explicar los princios de algo antes de empezar a jugar con ello. En las siguientes pretendo mostrar algunas cosas curiosas que se pueden hacer con un CD, así que manteneos hambrientos.