ForerunnersEdit
Augustin-Jean Fresnel var ikke den første person, der fokuserede en fyrtårnsstråle ved hjælp af en linse. Den ære tilhører tilsyneladende Londons glasskærer Thomas Rogers, som foreslog ideen til Trinity House i 1788. De første Rogers-linser, der havde en diameter på 53 cm og en tykkelse på 14 cm i midten, blev installeret på det gamle lavere fyrtårn ved Portland Bill i 1789. Bag hver lampe var der et bagbeklædt sfærisk glasspejl, som reflekterede den bageste stråling tilbage gennem lampen og ind i linsen. Yderligere prøver blev installeret ved Howth Baily, North Foreland og mindst fire andre steder i 1804. Men en stor del af lyset gik tabt på grund af absorption i glasset.
Der var Fresnel heller ikke den første, der foreslog at erstatte en konveks linse med en række koncentriske ringformede prismer for at reducere vægt og absorption. I 1748 foreslog grev Buffon at slibe sådanne prismer som trin i et enkelt stykke glas. I 1790 (selv om sekundære kilder angiver datoen som 1773:609 eller 1788) foreslog markis de Condorcet, at det ville være lettere at fremstille de ringformede sektioner separat og samle dem på en ramme; men selv dette var upraktisk på det tidspunkt. Disse designs var ikke beregnet til fyrtårne, men til brændeglas:609 David Brewster foreslog imidlertid et system, der lignede Condorcets, i 1811, og i 1820 var han fortaler for dets anvendelse i britiske fyrtårne.
Fresnels bidragRediger
Den franske Commission des Phares (kommission for fyrtårne) blev oprettet af Napoleon i 1811 og placeret under ledelse af Fresnels arbejdsgiver, korpset for broer og veje. Da medlemmerne af kommissionen var optaget af andre ting, opnåede den ikke meget i sine første år. Men den 21. juni 1819 – tre måneder efter at han havde vundet videnskabsakademiets Grand Prix i fysik for sin berømte afhandling om diffraktion – blev Fresnel “midlertidigt” udstationeret i kommissionen på anbefaling af François Arago (medlem siden 1813) med henblik på at undersøge mulige forbedringer af fyrtårnsbelysningen.
I slutningen af august 1819, uden at kende til Buffon-Condorcet-Brewster-forslaget, holdt Fresnel sit første oplæg for kommissionen og anbefalede, hvad han kaldte lentilles à échelons (trinvise linser) til erstatning for de dengang anvendte reflektorer, som kun reflekterede omkring halvdelen af det indfaldende lys. Til Fresnels’ store forlegenhed mindede en af de forsamlede kommissærer, Jacques Charles, om Buffons forslag. Men hvor Buffons version var bikonveks og i ét stykke, var Fresnels version plano-konveks og fremstillet af flere prismer for at lette konstruktionen. Med et officielt budget på 500 francs henvendte Fresnel sig til tre fabrikanter. Den tredje, François Soleil, fandt en måde at fjerne fejlene på ved at genopvarme og omforme glasset. Arago hjalp Fresnel med at designe en modificeret Argand-lampe med koncentriske væger (et koncept, som Fresnel tilskrev grev Rumford ), og ved et tilfælde opdagede han, at fiskelim var varmebestandig, hvilket gjorde den egnet til brug i linsen. Prototypen, der blev færdig i marts 1820, havde et kvadratisk linsepanel på 55 cm på en side og indeholdt 97 polygonale (ikke ringformede) prismer – og imponerede Kommissionen så meget, at Fresnel blev bedt om at fremstille en version med hele otte paneler. Denne model, der blev færdiggjort et år senere på trods af utilstrækkelig finansiering, havde paneler på 76 cm i kvadrat. Ved et offentligt skuespil om aftenen den 13. april 1821 blev den demonstreret ved sammenligning med de nyeste reflektorer, som den pludselig gjorde forældede.
Snart efter denne demonstration offentliggjorde Fresnel ideen om, at lys, herunder tilsyneladende upolariseret lys, udelukkende består af tværgående bølger, og fortsatte med at overveje konsekvenserne for dobbelt brydning og delvis refleksion.
Fresnel anerkendte de britiske linser og Buffons opfindelse i en erindringsbog, der blev oplæst den 29. juli 1822 og trykt samme år. Datoen for denne erindringsbog kan være kilden til påstanden om, at Fresnels fortalervirksomhed for fyrtårne begyndte to år senere end Brewsters; men teksten gør det klart, at Fresnels engagement begyndte senest i 1819.
Fresnels næste linse var et roterende apparat med otte “bull’s-eye”-paneler, fremstillet i ringformede buer af Saint-Gobain, som gav otte roterende stråler, der skulle ses af søfolk som et periodisk lysglimt. Over og bag hvert hovedpanel var der et mindre, skrånende bull’s-eye-panel med trapezformet omrids og trapezformede elementer. Dette brækkede lyset til et skråt plan spejl, som derefter reflekterede det horisontalt, 7 grader foran hovedstrålen, hvilket forlængede blitzets varighed. Under hovedpanelerne var 128 små spejle anbragt i fire ringe, der var stablet som lamellerne i en persienne eller en jalousi. Hver ring, der var formet som en keglestump, reflekterede lyset mod horisonten og gav et svagere konstant lys mellem blitzene. Den officielle test, der blev udført på den ufærdige Triumfbuen den 20. august 1822, blev overværet af kommissionen – og af Louis XVIII og hans følge – på 32 km afstand. Apparatet blev opbevaret i Bordeaux om vinteren og derefter samlet igen i fyrtårnet i Cordouan under Fresnels tilsyn – til dels af Fresnel selv. Den 25. juli 1823 blev verdens første Fresnel-linse tændt i et fyrtårn. Som forventet var lyset synligt til horisonten, mere end 20 miles ude.
Dagen før afprøvningen af Cordouan-linsen i Paris aflagde et udvalg under videnskabsakademiet rapport om Fresnels memoirer og supplementer om dobbelt refraktion – som, selv om de er mindre kendte for moderne læsere end hans tidligere arbejde om diffraktion, slog et mere afgørende slag for bølgeteorien om lys. Mellem prøven og genforsamlingen i Cordouan fremlagde Fresnel sine artikler om fotoelasticitet (16. september 1822), elliptisk og cirkulær polarisering og optisk rotation (9. december) samt partiel refleksion og total intern refleksion (7. januar 1823), hvorved han i det væsentlige fuldendte sin rekonstruktion af den fysiske optik på baggrund af hypotesen om tværgående bølger. Kort efter at Cordouan-linsen var blevet tændt, begyndte Fresnel at hoste blod op.
I maj 1824 blev Fresnel forfremmet til sekretær for Commission des Phares og blev det første medlem af dette organ, der fik løn, om end i den sideløbende rolle som overingeniør. Da han i slutningen af samme år blev mere og mere syg, indskrænkede han sin grundforskning og sagde sit sæsonarbejde som eksaminator ved École Polytechnique op for at spare sin resterende tid og energi til sit fyrtårnsarbejde.
Samme år konstruerede han den første faste linse – til at sprede lyset jævnt rundt om horisonten og samtidig minimere spild over eller under horisonten. Ideelt set skulle de buede brydningsflader være segmenter af toroider omkring en fælles lodret akse, således at det dioptriske panel ville ligne en cylindrisk tromle. Hvis dette blev suppleret med reflekterende (katoptriske) ringe over og under de refrakterende (dioptriske) dele, ville hele apparatet ligne en bikube. Den anden Fresnel-linse, der blev taget i brug, var faktisk en fast linse af tredje orden, som blev installeret i Dunkerque den 1. februar 1825. På grund af vanskelighederne med at fremstille store toroidale prismer havde dette apparat imidlertid et 16-sidet polygonalt plan.
I 1825 udvidede Fresnel sit design med faste linser ved at tilføje en roterende række uden for den faste række. Hvert panel i det roterende array skulle brække en del af det faste lys fra en horisontal vifte til en smal stråle.
Også i 1825 fremlagde Fresnel Carte des Phares (fyrtårnskortet), hvori han opfordrede til et system af 51 fyrtårne plus mindre havnefyr, i et hierarki af linsestørrelser kaldet “ordener” (den første er den største), med forskellige karakteristika for at lette genkendelsen: et konstant lys (fra en fast linse), et blink pr. minut (fra en roterende linse med otte paneler) og to pr. minut (seksten paneler).
For at mindske tabet af lys i de reflekterende elementer foreslog Fresnel i slutningen af 1825 at erstatte hvert spejl med et katadioptrisk prisme, hvorigennem lyset ville bevæge sig ved refraktion gennem den første overflade, derefter total intern refleksion på den anden overflade, derefter refraktion gennem den tredje overflade. Resultatet blev den fyrfadslyslinse, som vi kender den i dag. I 1826 fremstillede han en lille model til brug på Canal Saint-Martin, men han nåede ikke at opleve en version i fuld størrelse: han døde den 14. juli 1827 i en alder af 39 år.
Efter FresnelRediger
Den første fase i udviklingen af fyrtårnsobjektiver efter Augustin Fresnels død bestod i at gennemføre hans design. Dette blev til dels drevet af hans yngre bror Léonor – der ligesom Augustin var uddannet som civilingeniør, men som i modsætning til Augustin havde stærke evner for ledelse. Léonor trådte ind i fyrtårnskommissionens tjeneste i 1825 og efterfulgte Augustin som sekretær.
Den første faste linse, der blev konstrueret med toroide prismer, var et apparat af første orden, som blev designet af den skotske ingeniør Alan Stevenson under vejledning af Léonor Fresnel og fremstillet af Isaac Cookson & Co. med fransk glas; det blev taget i brug ved Isle of May, Skotland, den 22. september 1836. De første store katadioptriske linser blev fremstillet i 1842 til fyrtårnene i Gravelines og Île Vierge i Frankrig; det var faste linser af tredje orden, hvis katadioptriske ringe (fremstillet i segmenter) var en meter i diameter. Stevensons Skerryvore-linse af første orden, der blev tændt i 1844, var kun delvist katadioptrisk; den lignede Cordouan-linsen, bortset fra at de nederste lameller blev erstattet af katadioptriske prismer af fransk fabrikat, mens spejle blev bibeholdt i toppen. Den første fuldt katadioptriske linse af første orden, der blev installeret i Pointe d’Ailly i 1852, gav også otte roterende stråler plus et fast lys i bunden; men dens øverste del havde otte katadioptriske paneler, der fokuserede lyset ca. 4 grader foran hovedstrålerne for at forlænge lysglimtene. Den første fuldt katadioptriske linse med rent roterende stråler – også af første orden – blev installeret i Saint-Clément-des-Baleines i 1854 og markerede færdiggørelsen af Augustin Fresnels oprindelige Carte des Phares.
Thomas Stevenson (yngre bror til Alan) gik et skridt videre end Fresnel med sin “holofotale” linse, som fokuserede det lys, der blev udstrålet af lampen i næsten alle retninger, fremad eller bagud, i en enkelt stråle. Den første version, der blev beskrevet i 1849, bestod af en standard Fresnel-linse, en paraboloidal reflektor og en bagvedliggende halvkugleformet reflektor (funktionelt set svarende til Rogers-spejlet fra 60 år tidligere, bortset fra at det dækkede en hel halvkugle). Lys, der blev udstrålet ind i den forreste halvkugle, men som ikke nåede frem til kuglelinsen, blev afbøjet af paraboloiden til en parallel stråle, der omgav kuglelinsen, mens lys, der blev udstrålet ind i den bageste halvkugle, blev reflekteret tilbage gennem lampen af den sfæriske reflektor (som i Rogers’ arrangement) for at blive opsamlet af de forreste komponenter. Den første enhed blev installeret i North Harbour, Peterhead, i august 1849. Stevenson kaldte denne version for en “katadioptrisk holofotop”, selv om hvert af dens elementer enten var rent reflekterende eller rent refraktivt. I den anden version af holofontkonceptet blev bull’s-eye-linsen og den paraboloide reflektor erstattet af en katadioptrisk Fresnel-linse – som Fresnel havde udtænkt den, men udvidet til at dække hele den forreste halvkugle. Den tredje version, som Stevenson til forveksling kaldte en “dioptrisk holofont”, var mere nyskabende: den beholdt den katadioptriske Fresnel-linse til den forreste halvkugle, men erstattede den bageste halvkugleformede reflektor med en halvkugleformet række af ringformede prismer, som hver især brugte to totale interne refleksioner til at vende lys, der divergerede fra halvkuglens centrum, tilbage mod centrum. Resultatet blev en holofotop helt i glas, uden tab fra metalliske refleksioner.
James Timmins Chance modificerede Thomas Stevensons holofotopdesign helt i glas ved at anbringe de dobbeltreflekterende prismer omkring en lodret akse. Prototypen blev vist på den internationale udstilling i London i 1862. Senere, for at lette fremstillingen, opdelte Chance prismerne i segmenter og arrangerede dem i en cylindrisk form, samtidig med at han bevarede den egenskab, at lyset fra et enkelt punkt reflekteres tilbage til dette punkt. Reflektorer af denne form, der paradoksalt nok blev kaldt “dioptriske spejle”, viste sig at være særligt nyttige til at returnere lyset fra lampens landside til søsiden.
Da fyrtårnene blev flere og flere, blev de sværere at skelne fra hinanden, hvilket førte til brug af farvede filtre, som spildte lyset. I 1884 eliminerede John Hopkinson behovet for filtre ved at opfinde objektivet med “gruppe-blink”, hvor de dioptriske og/eller katadioptriske paneler blev delt op, så de gav flere blink, hvilket gjorde det muligt at identificere fyrtårne ikke kun på baggrund af blinkfrekvensen, men også på baggrund af antallet af blink. Der blev installeret dobbeltblink i Tampico (Mexico) og Little Basses (Sri Lanka) i 1875 og et tredobbelt blink i Casquets Lighthouse (Kanaløerne) i 1876. Det viste eksempel (til højre) er den dobbeltblinkende linse på Point Arena fyret, som var i brug fra 1908 til 1977.
Udviklingen af hyperradiale linser skyldtes til dels behovet for større lyskilder, f.eks. gaslys med flere stråler, som krævede en længere brændvidde for en given strålebredde og dermed en større linse for at opsamle en given brøkdel af det frembragte lys. Den første hyperradiallinse blev bygget for Stevensons i 1885 af F. Barbier & Cie i Frankrig for F. Barbier & Cie i Frankrig og blev afprøvet ved South Foreland Lighthouse med forskellige lyskilder. Chance Brothers (Hopkinsons arbejdsgivere) begyndte derefter at konstruere hyperradiallinser og installerede deres første ved Bishop Rock Lighthouse i 1887. Samme år installerede Barbier en hyperradial ved Tory Island. Men kun omkring 30 hyper-radialer blev taget i brug, før udviklingen af mere kompakte lyse lamper gjorde så store optikker unødvendige (se Hyperradiant Fresnel-linse).
Produktion af dioptriske linser i ét stykke med trinformede dioptrier – nogenlunde som Buffon havde forestillet sig – blev mulig i 1852, da John L. Gilliland fra Brooklyn Flint-Glass Company tog patent på en metode til at fremstille linser af presset og støbt glas. Firmaet fremstillede små bull’s-eye-linser til brug på jernbaner, dampskibe og havne; sådanne linser var almindelige i USA i 1870’erne. 488 I 1858 producerede firmaet “et meget lille antal linser af presset flintglas af sjette orden” til brug i fyrtårne – de første Fresnel-fyrtårnslinser fremstillet i Amerika. I 1950’erne gjorde udskiftningen af plastik med glas det økonomisk muligt at bruge Fresnel-linser som kondensatorer i overheadprojektorer.