ForerunnersEdit
Augustin-Jean Fresnel nem először fókuszált lencsével világítótoronynyalábot. Ez a kitüntetés nyilvánvalóan a londoni üvegcsiszoló Thomas Rogersé, aki 1788-ban javasolta az ötletet a Trinity House-nak. Az első, 53 cm átmérőjű és középen 14 cm vastag Rogers-lencséket 1789-ben szerelték fel a Portland Bill-i Old Lower világítótoronyra. Minden lámpa mögött egy hátulról bevont gömb alakú üvegtükör volt, amely a hátsó sugárzást a lámpán keresztül visszatükrözte a lencsébe. További mintákat telepítettek a Howth Baily, North Foreland és legalább négy másik helyszínen 1804-ig. A fény nagy részét azonban az üvegben való elnyelés miatt elvesztegették.
Nem Fresnel volt az első, aki azt javasolta, hogy a domború lencsét koncentrikus gyűrűs prizmák sorozatával helyettesítsék a súly és az elnyelés csökkentése érdekében. 1748-ban Buffon gróf azt javasolta, hogy az ilyen prizmákat lépcsőzetesen csiszolják egyetlen üvegdarabba. 1790-ben (bár a másodlagos források 1773:609 vagy 1788-as dátumot adnak meg) Condorcet márki azt javasolta, hogy egyszerűbb lenne a gyűrűs részeket külön-külön elkészíteni és keretre szerelni; de akkoriban még ez is megvalósíthatatlan volt. Ezeket a terveket nem világítótornyokhoz, hanem égőüvegekhez szánták.:609 David Brewster azonban 1811-ben Condorcet-éhez hasonló rendszert javasolt, és 1820-ban már a brit világítótornyokban való használatát szorgalmazta.
Fresnel hozzájárulásaSzerkesztés
A francia Commission des Phares-t (Világítótorony Bizottság) Napóleon 1811-ben hozta létre, és Fresnel munkaadójának, a Híd- és Útügyi Testületnek a fennhatósága alá helyezte. Mivel a Bizottság tagjai mással voltak elfoglalva, az első években keveset ért el. De 1819. június 21-én – három hónappal azután, hogy a Tudományos Akadémia fizikai nagydíját elnyerte a diffrakcióról szóló híres memoárjáért – Fresnelt François Arago (1813 óta tagja) javaslatára “ideiglenesen” a Bizottságba helyezték, hogy vizsgálja meg a világítótornyok megvilágításának lehetséges fejlesztéseit.
1819 augusztusának végén, a Buffon-Condorcet-Brewster javaslatról mit sem tudva, Fresnel megtartotta első előadását a Bizottság előtt, amelyben az akkor használatos reflektorok helyettesítésére, amelyek a beeső fénynek csak körülbelül a felét verik vissza, az úgynevezett lentilles à échelons (lépcsőzetes lencséket) javasolta. Fresnel legnagyobb zavarára az egyik összegyűlt bizottsági tag, Jacques Charles felidézte Buffon javaslatát. Míg azonban Buffon változata bikonvex és egy darabból állt, addig Fresnelé plano-konvex volt, és több prizmából készült a könnyebb építés érdekében. Az 500 frankos hivatalos költségvetéssel Fresnel három gyártót keresett meg. A harmadik, François Soleil megtalálta a módját annak, hogy az üveg újramelegítésével és újraformázásával eltávolítsa a hibákat. Arago segített Fresnelnek egy koncentrikus kanóccal ellátott, módosított Argand-lámpa tervezésében (ezt a koncepciót Fresnel Rumford grófnak tulajdonította ), és véletlenül felfedezte, hogy a halragasztó hőálló, így alkalmas a lencsében való felhasználásra. Az 1820 márciusában elkészült prototípus 55 cm-es négyzetes lencsetáblával rendelkezett, amely 97 poligonális (nem gyűrűs) prizmát tartalmazott – és annyira lenyűgözte a Bizottságot, hogy Fresneltől egy teljes, nyolctáblás változat elkészítését kérték. Ez a modell, amely egy évvel később készült el az elégtelen finanszírozás ellenére, 76 cm-es négyzet alakú panelekkel rendelkezett. Az 1821. április 13-án este tartott nyilvános bemutatón a legfrissebb reflektorokkal összehasonlítva mutatták be, amelyeket hirtelen elavulttá tett.
Nem sokkal e bemutató után Fresnel közzétette azt a gondolatot, hogy a fény, beleértve a látszólag nem polarizált fényt is, kizárólag keresztirányú hullámokból áll, és továbbgondolta a kettős fénytörés és a részleges visszaverődés következményeit.
Fresnel 1822. július 29-én felolvasott és még ugyanabban az évben kinyomtatott emlékiratában elismerte az angol lencséket és Buffon találmányát. Ennek az emlékiratnak a dátumából eredhet az az állítás, hogy Fresnel világítótorony-pártolása két évvel később kezdődött, mint Brewsteré; a szöveg azonban egyértelművé teszi, hogy Fresnel részvétele legkésőbb 1819-ben kezdődött.
Fresnel következő lencséje egy forgó készülék volt nyolc “bikaszem” panellel, amelyet a Saint-Gobain készített gyűrűs ívben, nyolc forgó sugarat adva – amit a tengerészek periodikus villanásként láthattak. Minden fő panel fölött és mögött egy kisebb, lejtős, trapéz alakú körvonalú, trapéz alakú elemekkel ellátott bull’s-eye panel volt. Ez megtörte a fényt egy ferde sík tükörre, amely aztán vízszintesen, a fősugár előtt 7 fokkal visszaverte azt, megnövelve a villanás időtartamát. A főpanelek alatt 128 kis tükör volt négy gyűrűbe rendezve, amelyek úgy voltak egymásra helyezve, mint a lamellák egy redőnyben vagy a velencei redőnyben. A kúp alakú gyűrűk mindegyike a horizont felé verte vissza a fényt, halványabb egyenletes fényt adva a villanások között. A hivatalos tesztet, amelyet 1822. augusztus 20-án a befejezetlen Diadalíven végeztek el, a Bizottság – és XVIII. Lajos és kísérete – 20 mérföld (32 km) távolságból szemtanúja volt. A készüléket télire Bordeaux-ban tárolták, majd Fresnel felügyelete alatt – részben Fresnel saját kezűleg – a Cordouan világítótoronyban szerelték össze. 1823. július 25-én meggyújtották a világ első Fresnel-féle világítótorony lencséjét. A várakozásoknak megfelelően a fény a horizontig, több mint 20 mérföldre volt látható.
A cordouani lencse kipróbálása előtti napon Párizsban a Tudományos Akadémia bizottsága beszámolt Fresnel kettős fénytörésről szóló emlékiratáról és kiegészítéséről – amely, bár a modern olvasók számára kevésbé ismert, mint a diffrakcióról szóló korábbi munkája, döntőbb csapást mért a fény hullámelméletére. A próba és a Cordouanban történő újbóli összegyűjtés között Fresnel benyújtotta a fotoelaszticitásról (1822. szeptember 16.), az elliptikus és körkörös polarizációról és az optikai forgásról (december 9.), valamint a részleges reflexióról és a teljes belső reflexióról (1823. január 7.) szóló tanulmányait, lényegében befejezve a fizikai optikának a transzverzális hullámhipotézisre épülő rekonstrukcióját. Röviddel a Cordouan-lencse meggyújtása után Fresnel vért kezdett köhögni.
1824 májusában Fresnelt a Commission des Phares titkárává léptették elő, és ő lett a testület első olyan tagja, aki fizetést kapott, bár egyidejűleg a főmérnöki szerepkörben. Ugyanezen év végén, mivel egyre betegebb volt, visszafogta az alapkutatásait, és lemondott az École Polytechnique-nél betöltött szezonális vizsgáztatói állásáról, hogy maradék idejét és energiáját a világítótornyokkal kapcsolatos munkájára fordíthassa.
Ugyanebben az évben megtervezte az első fix lencsét – a fény egyenletes eloszlatására a horizont körül, miközben minimalizálja a veszteséget felül vagy alul. Ideális esetben az ívelt fénytörő felületek egy közös függőleges tengely körül toroidok szegmensei lennének, így a dioptriatábla egy hengeres dobhoz hasonlítana. Ha ezt a fénytörő (dioptriás) részek felett és alatt fényvisszaverő (katoptriás) gyűrűkkel egészítenék ki, az egész készülék méhkasra hasonlítana. A második Fresnel-lencse, amely szolgálatba állt, valóban egy harmadik rendű fix lencse volt, amelyet 1825. február 1-jén Dunkerque-ben helyeztek üzembe. A nagyméretű toroidális prizmák gyártásának nehézségei miatt azonban ez a készülék 16 oldalú sokszög alaprajzú volt.
1825-ben Fresnel kibővítette fixlencsés konstrukcióját azzal, hogy a fixlencsén kívül egy forgatható tömböt épített be. A forgó tömb minden egyes lapjának az volt a feladata, hogy a vízszintes legyezőből érkező fix fény egy részét keskeny sugárzásra törje meg.
Szintén 1825-ben Fresnel bemutatta a Carte des Phares (világítótorony-térkép) című tervezetét, amelyben 51 világítótorony és kisebb kikötői lámpák rendszerét írta elő, a “rendeknek” nevezett lencseméretek hierarchiájában (az első a legnagyobb), különböző jellemzőkkel a felismerhetőség megkönnyítése érdekében: állandó fény (fix lencséből), percenként egy villanás (nyolc paneles forgó lencséből) és percenként kettő (tizenhat panel).
1825 végén, hogy csökkentse a fényveszteséget a fényvisszaverő elemekben, Fresnel azt javasolta, hogy minden tükröt helyettesítsen egy katadioptrikus prizmával, amelyen keresztül a fény az első felületen való fénytöréssel, majd a második felületről való teljes belső visszaverődéssel, majd a harmadik felületen való fénytöréssel haladna. Az eredmény a ma ismert világítótorony-lencse lett. 1826-ban összeállított egy kis modellt a Saint-Martin csatornán való használatra, de a teljes méretű változatot már nem érte meg: 1827. július 14-én, 39 éves korában meghalt.
Fresnel utánSzerkesztés
A világítótorony-lencsék fejlesztésének első szakasza Augustin Fresnel halála után az ő terveinek megvalósításából állt. Ezt részben öccse, Léonor irányította, aki Augustinhoz hasonlóan építőmérnöknek készült, de Augustinnal ellentétben erős hajlammal rendelkezett a menedzsmenthez. Léonor 1825-ben lépett a Világítótorony Bizottság szolgálatába, és később Augustint követte titkárként.
Az első toroidális prizmákkal épített fix lencse egy elsőrendű készülék volt, amelyet Alan Stevenson skót mérnök tervezett Léonor Fresnel irányításával, és az Isaac Cookson & Co. gyártott francia üveg felhasználásával; 1836. szeptember 22-én állt szolgálatba a skóciai Isle of May szigeténél. Az első nagy katadioptriás lencséket 1842-ben készítették a franciaországi Gravelines és Île Vierge világítótornyai számára; ezek fix harmadrendű lencsék voltak, amelyek (szegmensekben készült) katadioptriás gyűrűinek átmérője egy méter volt. Stevenson 1844-ben meggyújtott elsőrendű skerryvore-i lencséje csak részben volt katadioptrikus; hasonló volt a cordouani lencséhez, azzal a különbséggel, hogy az alsó lamellákat francia gyártmányú katadioptrikus prizmákra cserélték, míg a tetején megtartották a tükröket. Az első teljesen katadioptrikus elsőrendű lencse, amelyet 1852-ben Pointe d’Ailly-ban helyeztek üzembe, szintén nyolc forgó fénysugarat és egy fix fényt adott alul; de a felső részén nyolc katadioptrikus panel volt, amelyek a fényt körülbelül 4 fokkal a fő fénysugarak elé fókuszálták, hogy meghosszabbítsák a villanásokat. Az első teljesen katadioptriás lencsét tisztán forgó sugarakkal – szintén első rendű – Saint-Clément-des-Baleines-ben állították fel 1854-ben, és ez jelentette Augustin Fresnel eredeti Carte des Phares-ének befejezését.
Thomas Stevenson (Alan öccse) egy lépéssel Fresnel fölé ment “holofotal” lencséjével, amely a lámpa által szinte minden irányba, előre vagy hátrafelé sugárzott fényt egyetlen sugárba fókuszálta. Az első, 1849-ben leírt változat egy szabványos Fresnel-féle bikaszemlencséből, egy paraboloid tükörből és egy hátsó félgömbreflektorból állt (funkcionálisan megegyezett a 60 évvel korábbi Rogers-tükörrel, azzal a különbséggel, hogy ez egy egész félgömböt vett körül). Az elülső félgömbbe besugárzott, de a bikaszemlencsét elkerülő fényt a paraboloid a bikaszemlencsét körülvevő párhuzamos fénysugárrá térítette el, míg a hátsó félgömbbe besugárzott fényt a gömbreflektor a lámpán keresztül visszaverte (mint Rogers elrendezésében), hogy az elülső komponensek összegyűjtsék. Az első egységet 1849 augusztusában állították üzembe a Peterhead-i North Harbourban. Stevenson ezt a változatot “katadioptrikus holofotónak” nevezte, bár minden egyes eleme vagy tisztán tükröző, vagy tisztán fénytörő volt. A holofotó koncepciójának második változatában a bikaszem-lencsét és a paraboloid tükröt egy Fresnel-féle katadioptrikus Fresnel-lencse váltotta fel – ahogyan Fresnel elképzelte, de kiterjesztve az egész elülső félgömbre. A harmadik változat, amelyet Stevenson félreérthetően “dioptriás holofotónak” nevezett, innovatívabb volt: megtartotta az elülső félgömb katadioptriás Fresnel-lencséjét, de a hátsó félgömbreflektort gyűrűs prizmák félgömb alakú elrendezésével helyettesítette, amelyek mindegyike két teljes belső visszaverődést használt a félgömb középpontjából széttartó fénynek a középpont felé való visszafordítására. Az eredmény egy teljesen üveg holofotó lett, amelyben nem keletkeztek veszteségek a fémtükröződések miatt.
James Timmins Chance úgy módosította Thomas Stevenson teljesen üveg holofotó-konstrukcióját, hogy a kettős fényvisszaverő prizmákat egy függőleges tengely körül rendezte el. A prototípust az 1862-es londoni nemzetközi kiállításon mutatták be. Később, a gyártás megkönnyítése érdekében Chance a prizmákat szegmensekre osztotta, és hengeres alakban rendezte el őket, miközben megtartotta azt a tulajdonságát, hogy a fényt egyetlen pontból visszatükrözi arra a pontra. Az ilyen formájú tükrök, amelyeket paradox módon “dioptriás tükröknek” neveztek, különösen hasznosnak bizonyultak a lámpa szárazföld felőli oldaláról a tenger felőli oldalra történő fényvisszavezetésre.
Amint a világítótornyok egyre szaporodtak, egyre nehezebb lett megkülönböztetni őket egymástól, ami a színes szűrők használatához vezetett, amelyek pazarolták a fényt. 1884-ben John Hopkinson megszüntette a szűrők szükségességét a “csoportos villanás” lencse feltalálásával, amelyben a dioptriás és/vagy katadioptriás paneleket úgy osztották fel, hogy többszörös villanást adjanak – így a világítótornyokat nemcsak a villanások gyakorisága, hanem a villanások sokasága alapján is azonosítani lehetett. Kétszeresen villogó lencséket telepítettek Tampicóba (Mexikó) és Little Bassesbe (Srí Lanka) 1875-ben, és egy háromszorosan villogó lencsét a Casquets világítótoronyra (Csatorna-szigetek) 1876-ban. A képen látható példa (jobbra) a Point Arena világítótorony kétszeresen villogó lencséje, amely 1908-tól 1977-ig volt használatban.
A hipersugárzó lencsék kifejlesztését részben a nagyobb fényforrások, például a többsugarú gázlámpák iránti igény hajtotta, amelyek adott sugárszélességhez nagyobb fókusztávolságot igényeltek, így nagyobb lencsét a létrehozott fény adott töredékének összegyűjtéséhez. Az első hiper-radiális lencsét 1885-ben a francia F. Barbier & Cie építette Stevensonék számára, és a South Foreland világítótoronyban tesztelték különböző fényforrásokkal. A Chance Brothers (Hopkinson munkaadói) ezután kezdték meg a hiper-radialis lencsék építését, az elsőt 1887-ben a Bishop Rock világítótoronyra telepítették. Ugyanebben az évben Barbier is telepített egy hiperradiált a Tory-szigeten. De csak körülbelül 30 hiperradiál állt szolgálatba, mielőtt a kompaktabb fényű lámpák kifejlesztése szükségtelenné tette az ilyen nagy optikákat (lásd hiperradiáns Fresnel-lencse).
Az egy darabból álló, lépcsős dioptriás lencsék gyártása – nagyjából a Buffon által elképzelt módon – 1852-ben vált megvalósíthatóvá, amikor John L. Gilliland, a Brooklyn Flint-Glass Company munkatársa szabadalmaztatta a lencsék préselt és öntött üvegből történő előállításának módszerét. A vállalat kisméretű bull’s-eye lencséket készített vasútvonalakon, gőzhajókon és dokkokban való használatra; az ilyen lencsék az 1870-es évekre elterjedtek az Egyesült Államokban.488 1858-ban a vállalat “nagyon kis számú préselt tűzkőüvegből készült hatodik rendű lencsét” gyártott világítótornyokban való használatra – az első Amerikában gyártott Fresnel-féle világítótorony-lencséket. Az 1950-es évekre az üveg műanyaggal való helyettesítése gazdaságossá tette a Fresnel-lencsék kondenzátorként való használatát a felülnézeti kivetítőkben.