ForerunnersEdit
Augustin-Jean Fresnel n’a pas été le premier à focaliser un faisceau de phare à l’aide d’une lentille. Cette distinction revient apparemment au tailleur de verre londonien Thomas Rogers, qui a proposé l’idée à Trinity House en 1788. Les premières lentilles Rogers, d’un diamètre de 53 cm et d’une épaisseur de 14 cm au centre, ont été installées au Old Lower Lighthouse de Portland Bill en 1789. Derrière chaque lampe se trouvait un miroir en verre sphérique revêtu d’un revêtement arrière, qui renvoyait le rayonnement arrière à travers la lampe et dans la lentille. D’autres échantillons ont été installés à Howth Baily, North Foreland, et au moins quatre autres endroits en 1804. Mais une grande partie de la lumière était perdue par absorption dans le verre.
Fresnel n’était pas non plus le premier à suggérer de remplacer une lentille convexe par une série de prismes annulaires concentriques, pour réduire le poids et l’absorption. En 1748, le comte Buffon propose de broyer de tels prismes en escalier dans une seule pièce de verre. En 1790 (bien que des sources secondaires donnent la date de 1773:609 ou 1788), le marquis de Condorcet a suggéré qu’il serait plus facile de fabriquer les sections annulaires séparément et de les assembler sur une monture ; mais même cette solution n’était pas pratique à l’époque. Ces conceptions n’étaient pas destinées à des phares, mais à des verres à brûler :609 David Brewster, cependant, proposa un système similaire à celui de Condorcet en 1811, et dès 1820 préconisait son utilisation dans les phares britanniques.
Les contributions de FresnelModification
La Commission française des Phares fut créée par Napoléon en 1811, et placée sous l’autorité de l’employeur de Fresnel, le Corps des Ponts et Chaussées. Les membres de la Commission étant occupés à d’autres tâches, elle n’a pas beaucoup progressé au cours de ses premières années. Mais le 21 juin 1819 – trois mois après avoir remporté le Grand Prix de physique de l’Académie des sciences pour son célèbre mémoire sur la diffraction – Fresnel est détaché » temporairement » auprès de la Commission, sur la recommandation de François Arago (membre depuis 1813), pour examiner les améliorations possibles de l’éclairage des phares.
A la fin du mois d’août 1819, ignorant la proposition de Buffon-Condorcet-Brewster, Fresnel fait sa première présentation à la Commission, recommandant ce qu’il appelle des lentilles à échelons pour remplacer les réflecteurs alors en usage, qui ne réfléchissent qu’environ la moitié de la lumière incidente. Au grand embarras de Fresnel, l’un des commissaires réunis, Jacques Charles, rappelle la suggestion de Buffon. Cependant, alors que la version de Buffon était biconvexe et d’une seule pièce, celle de Fresnel était plan-convexe et constituée de plusieurs prismes pour faciliter la construction. Avec un budget officiel de 500 francs, Fresnel s’adresse à trois fabricants. Le troisième, François Soleil, trouve le moyen d’éliminer les défauts en réchauffant et en remoulant le verre. Arago aide Fresnel à concevoir une lampe Argand modifiée avec des mèches concentriques (un concept que Fresnel attribue au comte Rumford) et découvre par hasard que la colle de poisson est résistante à la chaleur, ce qui permet de l’utiliser dans la lentille. Le prototype, terminé en mars 1820, avait un panneau de lentille carré de 55 cm de côté, contenant 97 prismes polygonaux (et non annulaires) – et a tellement impressionné la Commission qu’on a demandé à Fresnel une version complète à huit panneaux. Ce modèle, achevé un an plus tard malgré un financement insuffisant, avait des panneaux de 76 cm de côté. Lors d’un spectacle public le soir du 13 avril 1821, il fut démontré par comparaison avec les réflecteurs les plus récents, qu’il rendit soudainement obsolètes.
Suite à cette démonstration, Fresnel publia l’idée que la lumière, y compris la lumière apparemment non polarisée, est constituée exclusivement d’ondes transversales, et poursuivit en considérant les implications pour la double réfraction et la réflexion partielle.
Fresnel reconnut les lentilles britanniques et l’invention de Buffon dans un mémoire lu le 29 juillet 1822 et imprimé la même année. La date de ce mémoire peut être à l’origine de l’affirmation selon laquelle la défense des phares par Fresnel a commencé deux ans plus tard que celle de Brewster ; mais le texte indique clairement que la participation de Fresnel a commencé au plus tard en 1819.
La lentille suivante de Fresnel était un appareil rotatif avec huit panneaux « en œil de bœuf », fabriqués en arcs annulaires par Saint-Gobain, donnant huit faisceaux rotatifs – à voir par les marins comme un flash périodique. Au-dessus et derrière chaque panneau principal se trouvait un panneau « œil de bœuf » plus petit et incliné, de forme trapézoïdale avec des éléments trapézoïdaux. Il réfractait la lumière vers un miroir plan incliné, qui la réfléchissait ensuite horizontalement, 7 degrés en avant du faisceau principal, augmentant ainsi la durée de l’éclair. Sous les panneaux principaux se trouvaient 128 petits miroirs disposés en quatre anneaux, empilés comme les lamelles d’une persienne ou d’un store vénitien. Chaque anneau, en forme de tronc de cône, réfléchissait la lumière vers l’horizon, donnant une lumière stable plus faible entre les éclairs. L’essai officiel, effectué sur l’Arc de Triomphe inachevé le 20 août 1822, fut observé par la Commission – ainsi que par Louis XVIII et son entourage – à une distance de 20 miles (32 km). L’appareil est entreposé à Bordeaux pour l’hiver, puis remonté au phare de Cordouan sous la supervision de Fresnel – en partie de ses propres mains. Le 25 juillet 1823, la première lentille de Fresnel d’un phare au monde est allumée. Comme prévu, la lumière était visible jusqu’à l’horizon, à plus de vingt milles de distance.
La veille de l’essai de la lentille de Cordouan à Paris, un comité de l’Académie des sciences a fait un rapport sur le mémoire et les suppléments de Fresnel sur la double réfraction – qui, bien que moins connus des lecteurs modernes que ses travaux antérieurs sur la diffraction, ont porté un coup plus décisif à la théorie ondulatoire de la lumière. Entre l’essai et le remontage à Cordouan, Fresnel a soumis ses articles sur la photoélasticité (16 septembre 1822), la polarisation elliptique et circulaire et la rotation optique (9 décembre), et la réflexion partielle et la réflexion interne totale (7 janvier 1823), achevant essentiellement sa reconstruction de l’optique physique sur l’hypothèse des ondes transversales. Peu après l’allumage de la lentille de Cordouan, Fresnel se met à cracher du sang.
En mai 1824, Fresnel est promu secrétaire de la Commission des Phares, devenant ainsi le premier membre de cet organisme à percevoir un salaire, bien qu’il occupe simultanément le rôle d’ingénieur en chef. À la fin de la même année, étant de plus en plus malade, il met un frein à ses recherches fondamentales et démissionne de son emploi saisonnier d’examinateur à l’École Polytechnique, afin d’économiser le temps et l’énergie qui lui restent pour son travail sur les phares.
La même année, il conçoit la première lentille fixe – pour répandre la lumière uniformément autour de l’horizon tout en minimisant les pertes au-dessus ou au-dessous. Idéalement, les surfaces réfringentes courbes seraient des segments de tores autour d’un axe vertical commun, de sorte que le panneau dioptrique ressemblerait à un tambour cylindrique. Si l’on y ajoutait des anneaux réfléchissants (catoptriques) au-dessus et au-dessous des parties réfringentes (dioptriques), l’appareil entier ressemblerait à une ruche. La deuxième lentille de Fresnel à entrer en service fut effectivement une lentille fixe, de troisième ordre, installée à Dunkerque le 1er février 1825. Cependant, en raison de la difficulté de fabriquer de grands prismes toriques, cet appareil avait un plan polygonal à 16 côtés.
En 1825, Fresnel a étendu sa conception de lentille fixe en ajoutant un réseau rotatif à l’extérieur du réseau fixe. Chaque panneau du réseau rotatif devait réfracter une partie de la lumière fixe d’un éventail horizontal en un faisceau étroit.
En 1825 également, Fresnel dévoile la Carte des Phares, préconisant un système de 51 phares plus des feux de port plus petits, dans une hiérarchie de tailles de lentilles appelées « ordres » (le premier étant le plus grand), avec différentes caractéristiques pour faciliter la reconnaissance : une lumière constante (à partir d’une lentille fixe), un éclair par minute (à partir d’une lentille rotative à huit panneaux), et deux par minute (seize panneaux).
À la fin de 1825, pour réduire la perte de lumière dans les éléments réfléchissants, Fresnel proposa de remplacer chaque miroir par un prisme catadioptrique, à travers lequel la lumière voyagerait par réfraction à travers la première surface, puis par réflexion interne totale sur la deuxième surface, puis par réfraction à travers la troisième surface. Le résultat était la lentille de phare telle que nous la connaissons aujourd’hui. En 1826, il a assemblé un petit modèle pour l’utiliser sur le canal Saint-Martin, mais il n’a pas vécu pour voir une version grandeur nature : il est mort le 14 juillet 1827, à l’âge de 39 ans.
Après FresnelEdit
La première étape du développement des lentilles de phare après la mort d’Augustin Fresnel a consisté à mettre en œuvre ses conceptions. Cette mise en œuvre a été conduite en partie par son frère cadet Léonor – qui, comme Augustin, avait une formation d’ingénieur civil, mais qui, contrairement à Augustin, avait une forte aptitude à la gestion. Léonor entra au service de la Commission des phares en 1825, et succéda ensuite à Augustin en tant que secrétaire.
La première lentille fixe à être construite avec des prismes toriques était un appareil de premier ordre conçu par l’ingénieur écossais Alan Stevenson sous la direction de Léonor Fresnel, et fabriqué par Isaac Cookson & Co. en utilisant du verre français ; elle entra en service à l’île de May, en Écosse, le 22 septembre 1836. Les premières grandes lentilles catadioptriques ont été fabriquées en 1842 pour les phares de Gravelines et de l’Île Vierge, en France ; il s’agissait de lentilles fixes du troisième ordre dont les anneaux catadioptriques (réalisés en segments) avaient un mètre de diamètre. La lentille de premier ordre de Stevenson à Skerryvore, allumée en 1844, n’était que partiellement catadioptrique ; elle était similaire à la lentille de Cordouan, sauf que les lamelles inférieures étaient remplacées par des prismes catadioptriques de fabrication française, tandis que les miroirs étaient conservés au sommet. La première lentille de premier ordre entièrement catadioptrique, installée à la Pointe d’Ailly en 1852, donnait également huit faisceaux rotatifs plus une lumière fixe en bas ; mais sa section supérieure comportait huit panneaux catadioptriques focalisant la lumière à environ 4 degrés en avant des faisceaux principaux, afin d’allonger les éclairs. La première lentille entièrement catadioptrique à faisceaux purement tournants – également de premier ordre – a été installée à Saint-Clément-des-Baleines en 1854, et a marqué l’achèvement de la Carte des Phares originale d’Augustin Fresnel.
Thomas Stevenson (frère cadet d’Alan) a fait un pas de plus que Fresnel avec sa lentille « holophotale », qui focalisait la lumière rayonnée par la lampe dans presque toutes les directions, en avant ou en arrière, en un seul faisceau. La première version, décrite en 1849, se composait d’une lentille standard en forme d’œil de bœuf de Fresnel, d’un réflecteur paraboloïdal et d’un réflecteur hémisphérique arrière (fonctionnellement équivalent au miroir de Rogers de 60 ans plus tôt, sauf qu’il sous-tendait un hémisphère entier). La lumière rayonnée dans l’hémisphère avant mais manquant la lentille de l’œil de bœuf était déviée par le paraboloïde en un faisceau parallèle entourant la lentille de l’œil de bœuf, tandis que la lumière rayonnée dans l’hémisphère arrière était renvoyée à travers la lampe par le réflecteur sphérique (comme dans l’arrangement de Rogers), pour être collectée par les composants avant. La première unité a été installée à North Harbour, Peterhead, en août 1849. Stevenson appela cette version un « holophote catadioptrique », bien que chacun de ses éléments soit soit purement réfléchissant, soit purement réfringent. Dans la deuxième version du concept d’holophote, la lentille en forme d’œil de bœuf et le réflecteur paraboloïdal sont remplacés par une lentille catadioptrique de Fresnel – telle que conçue par Fresnel, mais élargie pour couvrir tout l’hémisphère avant. La troisième version, que Stevenson a confusément appelée « holophote dioptrique », était plus innovante : elle conservait la lentille catadioptrique de Fresnel pour l’hémisphère avant, mais remplaçait le réflecteur hémisphérique arrière par un réseau hémisphérique de prismes annulaires, chacun d’entre eux utilisant deux réflexions internes totales pour retourner la lumière divergeant du centre de l’hémisphère vers le centre. Le résultat était un holophote tout en verre, sans pertes dues aux réflexions métalliques.
James Timmins Chance a modifié la conception de l’holophote tout en verre de Thomas Stevenson en disposant les prismes à double réflexion autour d’un axe vertical. Le prototype a été présenté à l’exposition internationale de 1862 à Londres. Plus tard, pour faciliter la fabrication, Chance a divisé les prismes en segments et les a disposés sous une forme cylindrique tout en conservant la propriété de réfléchir la lumière d’un point unique vers ce point. Les réflecteurs de cette forme, paradoxalement appelés « miroirs dioptriques », se sont révélés particulièrement utiles pour renvoyer la lumière du côté terre de la lampe vers le côté mer.
A mesure que les phares proliféraient, il devenait plus difficile de les distinguer les uns des autres, ce qui conduisait à l’utilisation de filtres colorés, qui gaspillaient la lumière. En 1884, John Hopkinson élimina le besoin de filtres en inventant la lentille à « flashs groupés », dans laquelle les panneaux dioptriques et/ou catadioptriques étaient divisés de manière à donner des flashs multiples – permettant d’identifier les phares non seulement par la fréquence des flashs, mais aussi par la multiplicité des flashs. Des lentilles à double éclat ont été installées à Tampico (Mexique) et Little Basses (Sri Lanka) en 1875, et une lentille à triple éclat au phare des Casquets (îles Anglo-Normandes) en 1876. L’exemple illustré (à droite) est la lentille à double clignotement du phare de Point Arena, qui a été en service de 1908 à 1977.
Le développement des lentilles hyperradiales a été motivé en partie par le besoin de sources lumineuses plus grandes, comme les feux à gaz à jets multiples, qui nécessitaient une distance focale plus longue pour une largeur de faisceau donnée, donc une lentille plus grande pour collecter une fraction donnée de la lumière générée. La première lentille hyper-radiale a été construite pour les Stevenson en 1885 par F. Barbier & Cie de France, et testée au phare de South Foreland avec diverses sources lumineuses. Les frères Chance (les employeurs de Hopkinson) commencent alors à construire des hyperradiaux, installant leur premier au phare de Bishop Rock en 1887. La même année, Barbier installe un hyperradial à l’île Tory. Mais seulement une trentaine d’hyperradiaux ont été mis en service avant que le développement de lampes lumineuses plus compactes ne rende inutiles des optiques de cette taille (voir Lentille de Fresnel hyperradiante).
La production de lentilles dioptriques étagées d’une seule pièce – à peu près comme l’envisageait Buffon – est devenue réalisable en 1852, lorsque John L. Gilliland, de la Brooklyn Flint-Glass Company, a breveté une méthode de fabrication de lentilles à partir de verre pressé et moulé. La société a fabriqué de petites lentilles en forme d’œil de bœuf pour les chemins de fer, les bateaux à vapeur et les quais ; ces lentilles étaient courantes aux États-Unis dans les années 1870488 . En 1858, la société a produit « un très petit nombre de lentilles de sixième ordre en verre pressé » pour les phares, les premières lentilles de Fresnel fabriquées en Amérique. Dans les années 1950, le remplacement du verre par du plastique a rendu économique l’utilisation des lentilles de Fresnel comme condensateurs dans les rétroprojecteurs.