ForerunnersEdit
Augustin-Jean Fresnel ei ollut ensimmäinen henkilö, joka tarkensi majakan säteen linssin avulla. Tämä kunnia kuuluu ilmeisesti lontoolaiselle lasinleikkaajalle Thomas Rogersille, joka ehdotti ideaa Trinity Houselle vuonna 1788. Ensimmäiset Rogersin linssit, joiden halkaisija oli 53 senttimetriä ja paksuus keskeltä 14 senttimetriä, asennettiin Portland Billin Old Lower Lighthouse -majakkaan vuonna 1789. Kunkin valaisimen takana oli takapinnoitettu pallomainen lasipeili, joka heijasti takasäteilyä takaisin valaisimen läpi linssiin. Muita näytteitä asennettiin Howth Bailyyn, North Forelandiin ja ainakin neljään muuhun paikkaan vuoteen 1804 mennessä. Suuri osa valosta meni kuitenkin hukkaan lasin absorption vuoksi.
Fresnel ei myöskään ollut ensimmäinen, joka ehdotti, että kupera linssi korvattaisiin sarjalla samankeskisiä rengasmaisia prismoja painon ja absorption vähentämiseksi. Vuonna 1748 kreivi Buffon ehdotti tällaisten prismojen hiontaa portaittain yhteen lasipalaan. Markiisi de Condorcet ehdotti vuonna 1790 (tosin toissijaiset lähteet ilmoittavat päivämääräksi 1773:609 tai 1788), että olisi helpompaa valmistaa rengasmaiset osat erikseen ja koota ne kehykseen, mutta sekin oli tuolloin epäkäytännöllistä. Näitä malleja ei ollut tarkoitettu majakoita vaan polttolaseja varten.:609 David Brewster ehdotti kuitenkin Condorcet’n järjestelmää muistuttavaa järjestelmää vuonna 1811, ja vuoteen 1820 mennessä hän kannatti sen käyttöä brittiläisissä majakoissa.
Fresnelin panos Muokkaa
Ranskalainen majakkakomissio (Commission des Phares, Commission of Lighthouses) perustettiin Napoleonin toimesta vuonna 1811, ja se asetettiin Fresnelin työnantajan, silta- ja tielaitoksen, alaisuuteen. Koska komission jäsenillä oli muuta tekemistä, se sai alkuvuosinaan aikaan vain vähän. Kesäkuun 21. päivänä 1819 – kolme kuukautta sen jälkeen, kun Fresnel oli voittanut tiedeakatemian fysiikan Grand Prix -palkinnon kuuluisasta diffraktiota käsittelevästä muistelmateoksestaan – hänet nimitettiin François Aragon (jäsen vuodesta 1813) suosituksesta ”väliaikaisesti” komission jäseneksi tarkastelemaan mahdollisia parannuksia majakoiden valaistuksessa.
Elokuun 1819 lopussa Fresnel, joka ei ollut tietoinen Buffon-Condorcet-Brewsterin ehdotuksesta, teki komissiolle ensimmäisen esityksensä, jossa hän suositteli niin sanottuja linssilinssejä (lentilles à échelons) korvaamaan tuolloin käytössä olleita heijastimia, jotka heijastivat vain noin puolet osuvasta valosta. Fresnelin hämmennykseksi yksi komission jäsenistä, Jacques Charles, muistutti Buffonin ehdotuksesta. Buffonin versio oli kuitenkin kaksoiskupera ja yksiosainen, kun taas Fresnelin versio oli tasokupera ja valmistettu useista prismoista rakentamisen helpottamiseksi. Fresnel otti yhteyttä kolmeen valmistajaan 500 frangin virallisen budjetin turvin. Kolmas, François Soleil, keksi keinon poistaa virheet lämmittämällä ja muokkaamalla lasia uudelleen. Arago auttoi Fresneliä suunnittelemaan muunnellun Argand-lampun, jossa oli samankeskiset sydämet (käsite, jonka Fresnel liitti kreivi Rumfordiin ), ja löysi sattumalta, että kalaliima oli kuumuutta kestävää, joten se soveltui käytettäväksi linssissä. Maaliskuussa 1820 valmistuneessa prototyypissä oli neliönmuotoinen linssipaneeli, jonka sivu oli 55 senttimetriä ja jossa oli 97 monikulmaista (ei rengasmaista) prismaa – ja se teki niin suuren vaikutuksen komissioon, että Fresneliltä pyydettiin täydellistä kahdeksanpaneelista versiota. Tässä mallissa, joka valmistui vuotta myöhemmin riittämättömästä rahoituksesta huolimatta, oli 76 cm:n neliön muotoiset paneelit. Huhtikuun 13. päivän iltana 1821 järjestetyssä julkisessa näytöksessä se esiteltiin vertaamalla sitä uusimpiin heijastimiin, jotka se yhtäkkiä teki vanhentuneiksi.
Pian tämän demonstraation jälkeen Fresnel julkaisi ajatuksen siitä, että valo, myös näennäisesti polarisoitumaton valo, koostuu yksinomaan poikittaisaalloista, ja jatkoi pohtimalla seurauksia kaksinkertaisesta taittumisesta ja osittaisesta heijastumisesta.
Fresnel tunnusti brittiläiset linssit ja Buffonin keksinnön muistelmateoksessa, joka luettiin 29. heinäkuuta 1822 ja painettiin samana vuonna. Tuon muistelmateoksen päivämäärän perusteella saatetaan väittää, että Fresnelin majakkapuolustus alkoi kaksi vuotta myöhemmin kuin Brewsterin; tekstistä käy kuitenkin selvästi ilmi, että Fresnelin osallistuminen alkoi viimeistään vuonna 1819.
Fresnelin seuraava linssi oli pyörivä laite, jossa oli kahdeksan Saint-Gobainin rengasmaisiksi kaariksi valmistamaa ”napakymppipaneelia”, jotka antoivat kahdeksan pyörivää valonsädettä – merenkulkijat näkivät ne jaksoittaisina välähtelyinä. Jokaisen pääpaneelin yläpuolella ja takana oli pienempi, kalteva napakymmensilmäpaneeli, jonka ääriviivat olivat puolisuunnikkaat ja jossa oli puolisuunnikkaita elementtejä. Tämä taittoi valon viistoon tasopeiliin, joka heijasti sen sitten vaakasuoraan 7 astetta pääsäteen eteen, mikä lisäsi välähdyksen kestoa. Pääpaneelien alapuolella oli 128 pientä peiliä, jotka oli sijoitettu neljään renkaaseen, jotka olivat päällekkäin kuin sälekaihtimen tai sälekaihtimen säleet. Kukin rengas, joka oli muotoiltu kartiotumakkeeksi, heijasti valoa horisonttiin, jolloin välähdysten välissä näkyi himmeämpää tasaista valoa. Virallinen koe suoritettiin keskeneräisellä Riemukaarella 20. elokuuta 1822, ja komissio – ja Ludvig XVIII seurueineen – todisti sitä 32 kilometrin (20 mailin) etäisyydeltä. Laite varastoitiin talven ajaksi Bordeaux’hun, minkä jälkeen se koottiin uudelleen Cordouanin majakalle Fresnelin valvonnassa – osittain Fresnelin omin käsin. Maailman ensimmäinen Fresnel-linssi syttyi 25. heinäkuuta 1823. Valo näkyi odotetusti horisonttiin asti, yli 20 mailin päähän.
Päivää ennen Cordouanin linssin testausta Pariisissa tiedeakatemian komitea raportoi Fresnelin muistelmista ja täydennyksistä, jotka koskivat kaksinkertaista taittumista – ja jotka, vaikka nykylukijat tuntevatkin ne huonommin kuin hänen aiemmat diffraktiota käsittelevät teoksensa, antoivat ratkaisevamman iskun valon aaltoteorialle. Kokeiden ja Cordouanissa tapahtuneen uudelleen kokoamisen välisenä aikana Fresnel toimitti artikkelinsa fotoelastisuudesta (16. syyskuuta 1822), elliptisestä ja ympyränmuotoisesta polarisaatiosta ja optisesta rotaatiosta (9. joulukuuta) sekä osittaisheijastuksesta ja sisäisestä kokonaisheijastuksesta (7. tammikuuta 1823), ja näin Fresnel viimeisteli olennaisilta osin fysikaalisen optiikan uudelleenrakentamisensa poikittaisaaltohypoteesin pohjalta. Pian Cordouan-linssin sytyttämisen jälkeen Fresnel alkoi yskiä verta.
Toukokuussa 1824 Fresnel ylennettiin Commission des Pharesin sihteeriksi, ja hänestä tuli ensimmäinen kyseisen elimen jäsen, joka sai palkkaa, vaikkakin hän toimi samalla pääinsinöörin roolissa. Saman vuoden loppupuolella hän yhä enemmän sairastuessaan supisti perustutkimustaan ja irtisanoutui kausiluonteisesta työstään École Polytechniquen tenttijänä säästääkseen jäljelle jäävän aikansa ja energiansa majakkatyöhönsä.
Samana vuonna hän suunnitteli ensimmäisen kiinteän linssin – valon levittämiseksi tasaisesti horisonttiin ja samalla hukan minimoimiseksi ylä- tai alapuolella. Ihannetapauksessa kaarevat taittopinnat olisivat toroidien segmenttejä yhteisen pystyakselin ympäri, jolloin dioptrinen paneeli näyttäisi sylinterimäiseltä rummulta. Jos tätä täydennettäisiin heijastavilla (katoptrisilla) renkailla taittuvien (dioptristen) osien ylä- ja alapuolella, koko laite näyttäisi mehiläispesältä. Toinen Fresnelin linssi, joka otettiin käyttöön, olikin kolmannen luokan kiinteä linssi, joka asennettiin Dunkerqueen 1. helmikuuta 1825. Koska suuria toroidiprismejä oli kuitenkin vaikea valmistaa, tässä laitteessa oli 16-sivuinen monikulmiokaavio.
Vuonna 1825 Fresnel laajensi kiinteän linssin rakennettaan lisäämällä kiinteän linssin ulkopuolelle pyörivän linssin. Pyörivän joukon jokaisen paneelin oli tarkoitus taittaa osa vaakasuorasta viuhkasta tulevasta kiinteästä valosta kapeaksi säteeksi.
Seuraavasti vuonna 1825 Fresnel esitteli Carte des Pharesin (majakkakartta), jossa hän kehotti 51 majakan ja pienempien satamavalojen järjestelmää, jotka sijaitsivat ”järjestyksiksi” kutsuttujen linssikokojen hierarkiassa (ensimmäinen on suurin) ja joilla oli erilaiset ominaisuudet tunnistettavuuden helpottamiseksi: vakiovalo (kiinteästä linssistä), yksi välähdys minuutissa (kahdeksan paneelia sisältävästä pyörivästä linssistä) ja kaksi välähdystä minuutissa (kuusitoista paneelia).
Vuoden 1825 lopulla Fresnel ehdotti heijastavien elementtien valohäviöiden vähentämiseksi, että kukin peili korvattaisiin katadioptrisella prismalla, jonka läpi valo kulkisi taittumalla ensimmäisen pinnan läpi, sitten täydellisen sisäisen heijastuksen kautta toisesta pinnasta ja sitten taittumalla kolmannen pinnan läpi. Tuloksena oli nykyisin tuntemamme majakkaobjektiivi. Vuonna 1826 hän kokosi pienen mallin käytettäväksi Canal Saint-Martinin kanavalla, mutta hän ei ehtinyt nähdä täysikokoista versiota: hän kuoli 14. heinäkuuta 1827, 39-vuotiaana.
Fresnelin jälkeenEdit
Augustin Fresnelin kuoleman jälkeen majakkalinssien kehityksen ensimmäinen vaihe koostui hänen suunnitelmiensa toteuttamisesta. Tätä edisti osittain hänen nuorempi veljensä Léonor, joka Augustinin tavoin oli koulutukseltaan rakennusinsinööri, mutta toisin kuin Augustin, hänellä oli vahva kyky johtamiseen. Léonor tuli majakkakomission palvelukseen vuonna 1825, ja hänestä tuli Augustinin seuraaja sihteerinä.
Ensimmäinen toroidiprismoilla rakennettu kiinteä linssi oli skotlantilaisen insinöörin Alan Stevensonin Léonor Fresnelin johdolla suunnittelema ja Isaac Cookson & Co:n ranskalaista lasia käyttävä ensimmäisen luokan laite, joka otettiin käyttöön Skotlannissa sijaitsevalla Isle of May -saarella 22 päivänä syyskuuta 1836. Ensimmäiset suuret katadioptriset linssit valmistettiin vuonna 1842 Gravelinesin ja Île Viergen majakoita varten Ranskassa; ne olivat kiinteitä kolmannen kertaluvun linssejä, joiden katadioptisten renkaiden halkaisija oli yksi metri. Stevensonin vuonna 1844 sytytetty ensimmäisen asteen Skerryvore-linssi oli vain osittain katadioptrinen; se oli samanlainen kuin Cordouan-linssi, paitsi että alemmat säleet korvattiin Ranskassa valmistetuilla katadioptrisilla prismoilla, mutta yläosassa säilytettiin peilit. Ensimmäinen täysin katadioptrinen ensimmäisen asteen linssi, joka asennettiin Pointe d’Aillyyn vuonna 1852, antoi myös kahdeksan pyörivää sädettä sekä kiinteän valon alareunassa; sen yläosassa oli kuitenkin kahdeksan katadioptrista paneelia, jotka fokusoivat valon noin 4 astetta pääsäteiden eteen, jotta välähdykset pitenisivät. Ensimmäinen täysin katadioptrinen linssi, jossa oli puhtaasti pyöriviä säteitä – myös ensimmäisen luokan linssi – asennettiin Saint-Clément-des-Baleinesiin vuonna 1854, ja se merkitsi Augustin Fresnelin alkuperäisen Carte des Pharesin valmistumista.
Thomas Stevenson (Alanin nuorempi veli) meni askeleen Fresneliä pidemmälle ”holofotaalisella” linssillään, joka fokusoi lampun säteilemän valon melkein kaikkiin suuntiin eteen- tai taaksepäin yhdeksi ainoaksi säteeksi. Ensimmäinen, vuonna 1849 kuvattu versio koostui tavallisesta Fresnelin häränsilmälinssistä, paraboloidisesta heijastimesta ja takimmaisesta pallonpuoliskoheijastimesta (joka vastasi toiminnallisesti 60 vuotta aiemmin kehitettyä Rogersin peiliä, paitsi että se kattoi koko pallonpuoliskon). Valo, joka säteili etupuoliskolle, mutta ei osunut häränsilmälinssiin, heijastui paraboloidin avulla samansuuntaiseksi sädekehäksi, joka ympäröi häränsilmälinssiä, kun taas valo, joka säteili takapuoliskolle, heijastui takaisin lampun läpi pallonmuotoisen heijastimen kautta (kuten Rogersin järjestelyssä), ja se kerättiin etupuoliskon komponenttien avulla. Ensimmäinen laite asennettiin Peterheadin North Harbouriin elokuussa 1849. Stevenson kutsui tätä versiota ”katadioptiseksi holofotoksi”, vaikka jokainen sen elementeistä oli joko puhtaasti heijastava tai puhtaasti taittuva. Holofootin toisessa versiossa häränsilmälinssi ja paraboloidinen heijastin korvattiin Fresnelin ideoimalla katadioptrisella Fresnelin linssillä, mutta sitä laajennettiin kattamaan koko etupuolisko. Kolmas versio, jota Stevenson kutsui hämmentävästi ”dioptriseksi holofotoksi”, oli innovatiivisempi: siinä säilytettiin katadioptrinen Fresnelin linssi etupuoliskolla, mutta takimmainen puolipallonmuotoinen heijastin korvattiin rengasmaisten prismojen puolipallonmuotoisella ristikolla, joista kukin käytti kahta sisäistä totaalista kokonaisheijastusta kääntäessään valon, joka poikkesi keskeltä puolipalloa, takaisin keskelle. Tuloksena oli kokonaan lasinen holofootti, jossa ei ollut metalliheijastusten aiheuttamia häviöitä.
James Timmins Chance muutti Thomas Stevensonin kokonaan lasista valmistettua holofotomallia järjestämällä kaksoisheijastavat prismat pystyakselin ympäri. Prototyyppi esiteltiin vuoden 1862 kansainvälisessä näyttelyssä Lontoossa. Myöhemmin valmistuksen helpottamiseksi Chance jakoi prismat segmentteihin ja järjesti ne lieriön muotoon säilyttäen kuitenkin ominaisuuden heijastaa valoa yhdestä pisteestä takaisin kyseiseen pisteeseen. Tämän muotoiset heijastimet, joita paradoksaalisesti kutsuttiin ”dioptrisiksi peileiksi”, osoittautuivat erityisen käyttökelpoisiksi, kun valoa pyrittiin palauttamaan maalta merelle päin.
Kun majakat lisääntyivät, niitä oli vaikeampi erottaa toisistaan, mikä johti värillisten suodattimien käyttöön, jotka tuhlasivat valoa. Vuonna 1884 John Hopkinson poisti suodattimien tarpeen keksimällä ”ryhmäväläyslinssin”, jossa dioptriset ja/tai katadioptriset paneelit oli jaettu niin, että ne antoivat useita välähdyksiä – näin majakat voitiin tunnistaa paitsi välähdystiheyden myös välähdysten lukumäärän perusteella. Kaksoissalamalinssejä asennettiin Tampicoon (Meksiko) ja Little Bassesiin (Sri Lanka) vuonna 1875 ja kolmoissalamalinssi Casquetsin majakkaan (Kanaalisaaret) vuonna 1876. Kuvassa oleva esimerkki (oikealla) on Point Arenan majakan kaksoisvilkkuva linssi, joka oli käytössä vuosina 1908-1977.
Hyperradiaalisten linssien kehittäminen johtui osittain tarpeesta käyttää suurempia valonlähteitä, kuten monisäteisiä kaasuvalaisimia, jotka vaativat pidemmän polttovälin tietylle säteenleveydelle ja siten suuremman linssin keräämään tiettyä osuutta tuotetusta valosta. Ranskalainen F. Barbier & Cie rakensi ensimmäisen hyperradiaalilinssin Stevensoneille vuonna 1885, ja sitä testattiin South Forelandin majakalla eri valonlähteillä. Chance Brothers (Hopkinsonin työnantajat) alkoivat sitten rakentaa hyperradiolinssejä ja asensivat ensimmäisen linssinsä Bishop Rockin majakkaan vuonna 1887. Samana vuonna Barbier asensi hyperradiaalin Tory Islandille. Mutta vain noin 30 hyperradiolinssiä otettiin käyttöön, ennen kuin pienikokoisempien kirkasvalolamppujen kehittyminen teki näin suuret optiikat tarpeettomiksi (ks. Hyperradiolinssi Fresnel-linssi).
Yksikomponenttisten asteittaisten dioptristen linssien – suurin piirtein Buffonin kaavailemien linssien – valmistus tuli mahdolliseksi vuonna 1852, kun John L. John L. Brooklyn Flint-Glass Companyn Gilliland patentoi menetelmän linssien valmistamiseksi puristetusta ja valetusta lasista. Yhtiö valmisti pieniä haulikkorakenteisia linssejä käytettäväksi rautateillä, höyrylaivoilla ja satamissa; tällaiset linssit olivat yleisiä Yhdysvalloissa 1870-luvulla.488 Vuonna 1858 yhtiö valmisti ”hyvin pienen määrän puristettuja sintilasista valmistettuja kuudennen luokan linssejä” käytettäväksi majakoissa – ensimmäisiä Amerikassa valmistettuja Fresnel-linssejä. 1950-luvulle tultaessa lasin korvaaminen muovilla teki taloudelliseksi käyttää Fresnel-linssejä kondensaattoreina piirtoheittimissä.