PrecursoresEditar
Augustin-Jean Fresnel no fue la primera persona en enfocar el haz de un faro utilizando una lente. Al parecer, esa distinción corresponde al cristalero londinense Thomas Rogers, que propuso la idea a Trinity House en 1788. Las primeras lentes de Rogers, de 53 cm de diámetro y 14 cm de grosor en el centro, se instalaron en el Old Lower Lighthouse de Portland Bill en 1789. Detrás de cada lámpara había un espejo de cristal esférico con revestimiento posterior, que reflejaba la radiación posterior a través de la lámpara y hacia la lente. En 1804 se instalaron otras muestras en Howth Baily, North Foreland, y al menos en otros cuatro lugares. Pero gran parte de la luz se desperdiciaba por la absorción en el vidrio.
Tampoco fue Fresnel el primero en sugerir la sustitución de una lente convexa por una serie de prismas anulares concéntricos, para reducir el peso y la absorción. En 1748, el conde Buffon propuso moler tales prismas como escalones en una sola pieza de vidrio. En 1790 (aunque las fuentes secundarias dan la fecha de 1773:609 o 1788), el marqués de Condorcet sugirió que sería más fácil fabricar las secciones anulares por separado y ensamblarlas en una montura; pero incluso eso era poco práctico en aquella época. Sin embargo, David Brewster propuso en 1811 un sistema similar al de Condorcet y, en 1820, defendió su uso en los faros británicos.
Las contribuciones de FresnelEditar
La Comisión de Faros francesa fue creada por Napoleón en 1811 y puesta bajo la autoridad del empleador de Fresnel, el Cuerpo de Puentes y Caminos. Como los miembros de la Comisión estaban ocupados en otras cosas, sus logros fueron escasos en los primeros años. Pero el 21 de junio de 1819 -tres meses después de haber ganado el Gran Premio de Física de la Academia de Ciencias por su célebre memoria sobre la difracción- Fresnel fue adscrito «temporalmente» a la Comisión por recomendación de François Arago (miembro desde 1813), para revisar las posibles mejoras en la iluminación de los faros.
A finales de agosto de 1819, sin conocer la propuesta de Buffon-Condorcet-Brewster, Fresnel hizo su primera presentación ante la Comisión, recomendando lo que denominó lentilles à échelons (lentes por escalones) para sustituir los reflectores entonces en uso, que sólo reflejaban aproximadamente la mitad de la luz incidente. Para vergüenza de Fresnel, uno de los comisarios reunidos, Jacques Charles, recordó la sugerencia de Buffon. Sin embargo, mientras que la versión de Buffon era biconvexa y de una sola pieza, la de Fresnel era plano-convexa y estaba formada por múltiples prismas para facilitar su construcción. Con un presupuesto oficial de 500 francos, Fresnel se dirigió a tres fabricantes. El tercero, François Soleil, encontró la manera de eliminar los defectos recalentando y volviendo a moldear el vidrio. Arago ayudó a Fresnel a diseñar una lámpara Argand modificada con mechas concéntricas (un concepto que Fresnel atribuyó al conde Rumford ), y descubrió accidentalmente que la cola de pescado era resistente al calor, lo que la hacía adecuada para su uso en la lente. El prototipo, terminado en marzo de 1820, tenía un panel de lente cuadrado de 55 cm de lado, que contenía 97 prismas poligonales (no anulares), y causó tanta impresión a la Comisión que se pidió a Fresnel una versión completa de ocho paneles. Este modelo, completado un año más tarde a pesar de la insuficiente financiación, tenía paneles de 76 cm cuadrados. En un espectáculo público celebrado la noche del 13 de abril de 1821, se hizo una demostración por comparación con los reflectores más recientes, a los que dejó repentinamente obsoletos.
Poco después de esta demostración, Fresnel publicó la idea de que la luz, incluida la aparentemente no polarizada, está formada exclusivamente por ondas transversales, y pasó a considerar las implicaciones de la doble refracción y la reflexión parcial.
Fresnel reconoció las lentes británicas y el invento de Buffon en una memoria leída el 29 de julio de 1822 e impresa ese mismo año. La fecha de esa memoria puede ser el origen de la afirmación de que la defensa de los faros de Fresnel comenzó dos años más tarde que la de Brewster; pero el texto deja claro que la participación de Fresnel comenzó a más tardar en 1819.
La siguiente lente de Fresnel fue un aparato giratorio con ocho paneles de «ojo de buey», fabricados en arcos anulares por Saint-Gobain, que daban ocho haces giratorios para ser vistos por los marineros como un destello periódico. Encima y detrás de cada panel principal había un panel de ojo de buey más pequeño e inclinado de contorno trapezoidal con elementos trapezoidales. Éste refractaba la luz hacia un espejo plano inclinado, que luego la reflejaba horizontalmente, 7 grados por delante del haz principal, aumentando la duración del destello. Debajo de los paneles principales había 128 pequeños espejos dispuestos en cuatro anillos, apilados como las lamas de una persiana veneciana. Cada anillo, con forma de cono, reflejaba la luz hacia el horizonte, proporcionando una luz fija más tenue entre los destellos. La prueba oficial, llevada a cabo en el Arco del Triunfo, aún sin terminar, el 20 de agosto de 1822, fue presenciada por la Comisión -y por Luis XVIII y su séquito- desde 32 km de distancia. El aparato se almacenó en Burdeos durante el invierno y luego se volvió a montar en el faro de Cordouan bajo la supervisión de Fresnel, en parte con sus propias manos. El 25 de julio de 1823 se encendió la primera lente de Fresnel del mundo. Como se esperaba, la luz fue visible hasta el horizonte, a más de 20 millas de distancia.
El día anterior a la prueba de la lente de Cordouan en París, un comité de la Academia de Ciencias informó sobre la memoria y los suplementos de Fresnel sobre la doble refracción -que, aunque menos conocidos por los lectores modernos que su anterior trabajo sobre la difracción, supuso un golpe más decisivo para la teoría ondulatoria de la luz. Entre la prueba y el montaje en Cordouan, Fresnel presentó sus trabajos sobre la fotoelasticidad (16 de septiembre de 1822), la polarización elíptica y circular y la rotación óptica (9 de diciembre), y la reflexión parcial y la reflexión interna total (7 de enero de 1823), completando esencialmente su reconstrucción de la óptica física sobre la hipótesis de la onda transversal. Poco después de encender la lente de Cordouan, Fresnel empezó a toser sangre.
En mayo de 1824, Fresnel fue ascendido a secretario de la Comisión des Phares, convirtiéndose en el primer miembro de ese organismo que cobraba un sueldo, aunque con la función simultánea de ingeniero jefe. A finales de ese año, al estar cada vez más enfermo, redujo su investigación fundamental y renunció a su trabajo estacional como examinador en la École Polytechnique, con el fin de ahorrar el tiempo y la energía que le quedaban para su trabajo en los faros.
Ese mismo año diseñó la primera lente fija, para difundir la luz de manera uniforme alrededor del horizonte y minimizar el desperdicio por encima o por debajo. Lo ideal sería que las superficies refractoras curvas fueran segmentos de toroides en torno a un eje vertical común, de modo que el panel dióptrico tuviera el aspecto de un tambor cilíndrico. Si esto se complementara con anillos reflectantes (catóptricos) por encima y por debajo de las partes refractoras (dióptricas), todo el aparato tendría el aspecto de una colmena. La segunda lente de Fresnel que entró en servicio fue efectivamente una lente fija, de tercer orden, instalada en Dunkerque el 1 de febrero de 1825. Sin embargo, debido a la dificultad de fabricar grandes prismas toroidales, este aparato tenía una planta poligonal de 16 lados.
En 1825 Fresnel amplió su diseño de lente fija añadiendo un conjunto giratorio fuera del conjunto fijo. Cada panel del conjunto giratorio debía refractar parte de la luz fija de un abanico horizontal en un haz estrecho.
También en 1825, Fresnel dio a conocer la Carte des Phares (Mapa de los Faros), que preveía un sistema de 51 faros, además de luces portuarias más pequeñas, en una jerarquía de tamaños de lentes llamados «órdenes» (el primero es el más grande), con diferentes características para facilitar el reconocimiento: una luz constante (de una lente fija), un destello por minuto (de una lente giratoria con ocho paneles), y dos por minuto (dieciséis paneles).
A finales de 1825, para reducir la pérdida de luz en los elementos reflectantes, Fresnel propuso sustituir cada espejo por un prisma catadióptrico, a través del cual la luz viajaría por refracción a través de la primera superficie, luego por reflexión interna total en la segunda superficie, y después por refracción a través de la tercera superficie. El resultado fue la lente de faro tal y como la conocemos ahora. En 1826 montó un pequeño modelo para utilizarlo en el Canal Saint-Martin, pero no vivió para ver una versión a tamaño real: murió el 14 de julio de 1827, a la edad de 39 años.
Después de FresnelEditar
La primera etapa del desarrollo de las lentes de faro tras la muerte de Augustin Fresnel consistió en la aplicación de sus diseños. Para ello, se contó con la ayuda de su hermano menor, Léonor, que, al igual que Augustin, se había formado como ingeniero civil pero, a diferencia de éste, tenía una gran aptitud para la gestión. Léonor entró al servicio de la Comisión de Faros en 1825, y llegó a suceder a Augustin como Secretario.
La primera lente fija que se construyó con prismas toroidales fue un aparato de primer orden diseñado por el ingeniero escocés Alan Stevenson bajo la dirección de Léonor Fresnel, y fabricado por Isaac Cookson & Co. utilizando vidrio francés; entró en servicio en la Isla de Mayo, Escocia, el 22 de septiembre de 1836. Las primeras grandes lentes catadióptricas se fabricaron en 1842 para los faros de Gravelines e Île Vierge (Francia); se trataba de lentes fijas de tercer orden cuyos anillos catadióptricos (fabricados en segmentos) tenían un metro de diámetro. El objetivo de primer orden de Stevenson en Skerryvore, iluminado en 1844, era sólo parcialmente catadióptrico; era similar al de Cordouan, salvo que las lamas inferiores fueron sustituidas por prismas catadióptricos de fabricación francesa, mientras que en la parte superior se mantuvieron los espejos. El primer objetivo totalmente catadióptrico de primer orden, instalado en Pointe d’Ailly en 1852, también daba ocho haces giratorios más una luz fija en la parte inferior; pero su sección superior tenía ocho paneles catadióptricos que enfocaban la luz unos 4 grados por delante de los haces principales, con el fin de alargar los destellos. La primera lente totalmente catadióptrica con haces puramente giratorios -también de primer orden- se instaló en Saint-Clément-des-Baleines en 1854, y supuso la finalización de la Carte des Phares original de Augustin Fresnel.
Thomas Stevenson (hermano menor de Alan) fue un paso más allá de Fresnel con su lente «holofotal», que enfocaba la luz irradiada por la lámpara en casi todas las direcciones, hacia delante o hacia atrás, en un solo haz. La primera versión, descrita en 1849, consistía en una lente de ojo de buey estándar de Fresnel, un reflector paraboloidal y un reflector hemisférico trasero (funcionalmente equivalente al espejo de Rogers de 60 años antes, salvo que subtiende un hemisferio entero). La luz irradiada hacia el hemisferio delantero pero que no llegaba a la lente de ojo de buey era desviada por el paraboloide en un haz paralelo que rodeaba la lente de ojo de buey, mientras que la luz irradiada hacia el hemisferio trasero era reflejada de nuevo a través de la lámpara por el reflector esférico (como en la disposición de Rogers), para ser recogida por los componentes delanteros. La primera unidad se instaló en North Harbour, Peterhead, en agosto de 1849. Stevenson llamó a esta versión «holofota catadióptrica», aunque cada uno de sus elementos era puramente reflectante o puramente refractivo. En la segunda versión del concepto de holofota, la lente de ojo de buey y el reflector paraboloidal se sustituyeron por una lente catadióptrica de Fresnel, tal como la concibió Fresnel, pero ampliada para cubrir todo el hemisferio delantero. La tercera versión, que Stevenson denominó confusamente «holofota dióptrica», era más innovadora: mantenía la lente catadióptrica de Fresnel para el hemisferio delantero, pero sustituía el reflector hemisférico trasero por un conjunto hemisférico de prismas anulares, cada uno de los cuales utilizaba dos reflexiones internas totales para devolver la luz divergente desde el centro del hemisferio hacia el centro. El resultado era una holofota totalmente de vidrio, sin pérdidas por reflexiones metálicas.
James Timmins Chance modificó el diseño de holofota totalmente de vidrio de Thomas Stevenson disponiendo los prismas de doble reflexión alrededor de un eje vertical. El prototipo se presentó en la Exposición Internacional de Londres de 1862. Más tarde, para facilitar la fabricación, Chance dividió los prismas en segmentos y los dispuso en forma cilíndrica, conservando la propiedad de reflejar la luz de un solo punto hacia ese punto. Los reflectores de esta forma, paradójicamente llamados «espejos dióptricos», resultaron especialmente útiles para devolver la luz desde el lado de tierra de la lámpara hacia el lado de mar.
A medida que los faros proliferaban, se hacía más difícil distinguirlos entre sí, lo que llevó al uso de filtros de colores, que desperdiciaban la luz. En 1884, John Hopkinson eliminó la necesidad de los filtros al inventar la lente de «destello de grupo», en la que los paneles dióptricos y/o catadióptricos se dividían para dar múltiples destellos, lo que permitía identificar los faros no sólo por la frecuencia de los destellos, sino también por la multiplicidad de los mismos. Se instalaron lentes de doble destello en Tampico (México) y Little Basses (Sri Lanka) en 1875, y una lente de triple destello en el faro de Casquets (Islas del Canal) en 1876. El ejemplo que se muestra (a la derecha) es la lente de doble destello del faro de Point Arena, que estuvo en servicio desde 1908 hasta 1977.
El desarrollo de las lentes hiperradiales fue impulsado, en parte, por la necesidad de contar con fuentes de luz más grandes, como las luces de gas con múltiples chorros, que requerían una mayor distancia focal para un ancho de haz determinado, y por tanto una lente más grande para recoger una fracción determinada de la luz generada. La primera lente hiperradial fue construida para los Stevenson en 1885 por F. Barbier & Cie de Francia, y probada en el faro de South Foreland con varias fuentes de luz. Los hermanos Chance (empleadores de Hopkinson) comenzaron entonces a construir hiperradiales, instalando la primera en el faro de Bishop Rock en 1887. Ese mismo año, Barbier instaló un hiperradial en la isla Tory. Pero sólo entraron en servicio unas 30 hiperradiales antes de que el desarrollo de lámparas brillantes más compactas hiciera innecesaria una óptica tan grande (véase Lente de Fresnel hiperradiante).
La producción de lentes dióptricas escalonadas de una sola pieza -más o menos como las previstas por Buffon- fue posible en 1852, cuando John L. Gilliland, de la Brooklyn Flint-Glass Company, patentó un método para fabricar lentes de vidrio prensado y moldeado. La empresa fabricó pequeñas lentes de ojo de buey para su uso en ferrocarriles, barcos de vapor y muelles; este tipo de lentes eran habituales en Estados Unidos en la década de 1870:488 En 1858, la empresa produjo «un número muy reducido de lentes de sexto orden de vidrio de pedernal prensado» para su uso en faros: las primeras lentes de faro Fresnel fabricadas en Estados Unidos. En la década de 1950, la sustitución del vidrio por el plástico hizo que resultara económico utilizar las lentes Fresnel como condensadores en los retroproyectores.