PrecursoriEdit
Augustin-Jean Fresnel non fu la prima persona a focalizzare un fascio di luce utilizzando una lente. Questa distinzione appartiene apparentemente al tagliatore di vetro londinese Thomas Rogers, che propose l’idea a Trinity House nel 1788. Le prime lenti Rogers, 53 cm di diametro e 14 cm di spessore al centro, furono installate al Vecchio Faro Inferiore di Portland Bill nel 1789. Dietro ogni lampada c’era uno specchio di vetro sferico retro-rivestito, che rifletteva la radiazione posteriore attraverso la lampada e nella lente. Altri esemplari furono installati a Howth Baily, North Foreland, e almeno altre quattro località entro il 1804. Ma gran parte della luce veniva sprecata dall’assorbimento nel vetro.
Non fu Fresnel il primo a suggerire di sostituire una lente convessa con una serie di prismi concentrici anulari, per ridurre il peso e l’assorbimento. Nel 1748, il conte Buffon propose di macinare tali prismi come gradini in un unico pezzo di vetro. Nel 1790 (anche se le fonti secondarie danno la data come 1773:609 o 1788), il marchese de Condorcet suggerì che sarebbe stato più facile fare le sezioni anulari separatamente e assemblarle su un telaio; ma anche questo era poco pratico all’epoca. Questi progetti non erano destinati ai fari, ma ai vetri ardenti:609 David Brewster, tuttavia, propose un sistema simile a quello di Condorcet nel 1811, e dal 1820 ne sostenne l’uso nei fari inglesi.
I contributi di FresnelModifica
La Commissione francese dei fari fu istituita da Napoleone nel 1811, e posta sotto l’autorità del datore di lavoro di Fresnel, il Corpo dei ponti e delle strade. Siccome i membri della Commissione erano occupati in altro modo, essa ottenne poco nei suoi primi anni. Ma il 21 giugno 1819 – tre mesi dopo aver vinto il Gran Premio di Fisica dell’Accademia delle Scienze per la sua celebre memoria sulla diffrazione – Fresnel fu “temporaneamente” distaccato alla Commissione su raccomandazione di François Arago (membro dal 1813), per esaminare possibili miglioramenti nell’illuminazione dei fari.
Alla fine di agosto del 1819, ignaro della proposta di Buffon-Condorcet-Brewster, Fresnel fece la sua prima presentazione alla Commissione, raccomandando quelle che lui chiamava lentilles à échelons (lenti a gradini) per sostituire i riflettori allora in uso, che riflettevano solo circa la metà della luce incidente. Con grande imbarazzo di Fresnel, uno dei commissari riuniti, Jacques Charles, ricordò il suggerimento di Buffon. Tuttavia, mentre la versione di Buffon era biconvessa e in un unico pezzo, quella di Fresnel era plano-convessa e fatta di prismi multipli per una più facile costruzione. Con un budget ufficiale di 500 franchi, Fresnel si rivolse a tre produttori. Il terzo, François Soleil, trovò un modo per eliminare i difetti riscaldando e rimodellando il vetro. Arago assistette Fresnel nella progettazione di una lampada Argand modificata con stoppini concentrici (un concetto che Fresnel attribuì al conte Rumford), e scoprì casualmente che la colla di pesce era resistente al calore, rendendola adatta all’uso nella lente. Il prototipo, finito nel marzo 1820, aveva un pannello di lente quadrato di 55 cm di lato, contenente 97 prismi poligonali (non anulari) – e fece così impressione sulla Commissione che a Fresnel fu richiesta una versione completa a otto pannelli. Questo modello, completato un anno dopo nonostante i finanziamenti insufficienti, aveva pannelli quadrati di 76 cm. In uno spettacolo pubblico la sera del 13 aprile 1821, fu dimostrato in confronto con i riflettori più recenti, che rese improvvisamente obsoleti.
Poco dopo questa dimostrazione, Fresnel pubblicò l’idea che la luce, anche quella apparentemente non polarizzata, consiste esclusivamente di onde trasversali, e continuò a considerare le implicazioni della doppia rifrazione e della riflessione parziale.
Fresnel riconobbe le lenti inglesi e l’invenzione di Buffon in una memoria letta il 29 luglio 1822 e stampata nello stesso anno. La data di quella memoria può essere la fonte dell’affermazione che la difesa dei fari di Fresnel iniziò due anni dopo quella di Brewster; ma il testo chiarisce che il coinvolgimento di Fresnel iniziò non più tardi del 1819.
La lente successiva di Fresnel era un apparato rotante con otto pannelli “a occhio di bue”, fatti in archi anulari da Saint-Gobain, che davano otto fasci rotanti – per essere visti dai marinai come un flash periodico. Sopra e dietro ogni pannello principale c’era un pannello più piccolo, a forma di occhio di bue inclinato, con elementi trapezoidali. Questo rifrangeva la luce ad uno specchio piano inclinato, che poi la rifletteva orizzontalmente, 7 gradi avanti al fascio principale, aumentando la durata del flash. Sotto i pannelli principali c’erano 128 piccoli specchi disposti in quattro anelli, impilati come le lamelle di una persiana. Ogni anello, a forma di tronco di cono, rifletteva la luce verso l’orizzonte, dando una luce costante più tenue tra i lampi. Il test ufficiale, condotto sull’incompiuto Arco di Trionfo il 20 agosto 1822, fu testimoniato dalla Commissione – e da Luigi XVIII e il suo seguito – da 32 km di distanza. L’apparecchio fu immagazzinato a Bordeaux per l’inverno, e poi riassemblato al faro di Cordouan sotto la supervisione di Fresnel, in parte con le sue stesse mani. Il 25 luglio 1823, la prima lente di Fresnel del mondo fu accesa. Come previsto, la luce era visibile fino all’orizzonte, a più di 20 miglia di distanza.
Il giorno prima del test della lente di Cordouan a Parigi, un comitato dell’Accademia delle Scienze riportò la memoria di Fresnel e i suoi supplementi sulla doppia rifrazione, che, anche se meno nota ai lettori moderni rispetto al suo precedente lavoro sulla diffrazione, colpì un colpo più decisivo per la teoria delle onde della luce. Tra il test e la ricomposizione a Cordouan, Fresnel presentò i suoi articoli sulla fotoelasticità (16 settembre 1822), la polarizzazione ellittica e circolare e la rotazione ottica (9 dicembre), e la riflessione parziale e la riflessione interna totale (7 gennaio 1823), completando essenzialmente la sua ricostruzione dell’ottica fisica sull’ipotesi delle onde trasversali. Poco dopo l’accensione della lente di Cordouan, Fresnel cominciò a tossire sangue.
Nel maggio 1824, Fresnel fu promosso a segretario della Commission des Phares, diventando il primo membro di quell’organismo a percepire uno stipendio, anche se nel ruolo concomitante di ingegnere capo. Verso la fine di quell’anno, essendo sempre più malato, ridusse la sua ricerca fondamentale e si dimise dal suo lavoro stagionale come esaminatore all’École Polytechnique, al fine di risparmiare il tempo e l’energia rimanenti per il suo lavoro sui fari.
Nello stesso anno progettò la prima lente fissa per diffondere la luce in modo uniforme intorno all’orizzonte, minimizzando lo spreco sopra o sotto. Idealmente le superfici rifrangenti curve sarebbero segmenti di toroidi intorno ad un asse verticale comune, in modo che il pannello diottrico assomigliasse ad un tamburo cilindrico. Se questo fosse completato da anelli riflettenti (catottrici) sopra e sotto le parti rifrangenti (diottriche), l’intero apparato assomiglierebbe ad un alveare. La seconda lente di Fresnel ad entrare in servizio fu effettivamente una lente fissa, di terzo ordine, installata a Dunkerque il 1° febbraio 1825. Tuttavia, a causa della difficoltà di fabbricare grandi prismi toroidali, questo apparato aveva una pianta poligonale a 16 lati.
Nel 1825 Fresnel estese il suo progetto di lente fissa aggiungendo una matrice rotante fuori dalla matrice fissa. Ogni pannello della matrice rotante doveva rifrangere parte della luce fissa da un ventilatore orizzontale in un fascio stretto.
Anche nel 1825, Fresnel presentò la Carte des Phares (Carta dei Fari), che prevedeva un sistema di 51 fari più i fari minori del porto, in una gerarchia di dimensioni di lenti chiamate “ordini” (il primo è il più grande), con caratteristiche diverse per facilitare il riconoscimento: una luce costante (da una lente fissa), un flash al minuto (da una lente rotante con otto pannelli), e due al minuto (sedici pannelli).
Alla fine del 1825, per ridurre la perdita di luce negli elementi riflettenti, Fresnel propose di sostituire ogni specchio con un prisma catadiottrico, attraverso il quale la luce avrebbe viaggiato per rifrazione attraverso la prima superficie, poi riflessione interna totale sulla seconda superficie, poi rifrazione attraverso la terza superficie. Il risultato fu la lente del faro come la conosciamo oggi. Nel 1826 assemblò un piccolo modello da usare sul Canale Saint-Martin, ma non visse per vedere una versione a grandezza naturale: morì il 14 luglio 1827, all’età di 39 anni.
Dopo FresnelModifica
La prima fase dello sviluppo delle lenti per fari dopo la morte di Augustin Fresnel consistette nella realizzazione dei suoi progetti. Questo fu guidato in parte da suo fratello minore Léonor, che, come Augustin, era stato formato come ingegnere civile, ma, a differenza di Augustin, aveva una forte attitudine per la gestione. Léonor entrò al servizio della Lighthouse Commission nel 1825, e continuò a succedere ad Augustin come segretario.
La prima lente fissa ad essere costruita con prismi toroidali fu un apparecchio di primo ordine progettato dall’ingegnere scozzese Alan Stevenson sotto la guida di Léonor Fresnel, e fabbricato da Isaac Cookson & Co. usando vetro francese; entrò in servizio all’Isola di Maggio, Scozia, il 22 settembre 1836. Le prime grandi lenti catadiottriche furono realizzate nel 1842 per i fari di Gravelines e Île Vierge, in Francia; erano lenti fisse del terzo ordine i cui anelli catadiottrici (realizzati in segmenti) avevano un metro di diametro. La lente di primo ordine di Stevenson a Skerryvore, accesa nel 1844, era solo parzialmente catadiottrica; era simile alla lente di Cordouan tranne che le lamelle inferiori furono sostituite da prismi catadiottrici di fabbricazione francese, mentre gli specchi furono mantenuti nella parte superiore. La prima lente di primo ordine completamente catadiottrica, installata a Pointe d’Ailly nel 1852, dava anche otto fasci rotanti più una luce fissa in basso; ma la sua sezione superiore aveva otto pannelli catadiottrici che focalizzavano la luce circa 4 gradi avanti ai fasci principali, per allungare i flash. La prima lente completamente catadiottrica con fasci puramente rotanti – anch’essa di primo ordine – fu installata a Saint-Clément-des-Baleines nel 1854, e segnò il completamento dell’originale Carte des Phares di Augustin Fresnel.
Thomas Stevenson (fratello minore di Alan) fece un passo avanti a Fresnel con la sua lente “olofotale”, che focalizzava la luce irradiata dalla lampada in quasi tutte le direzioni, avanti o indietro, in un unico fascio. La prima versione, descritta nel 1849, consisteva in una lente standard a occhio di bue di Fresnel, un riflettore paraboloide e un riflettore emisferico posteriore (funzionalmente equivalente allo specchio Rogers di 60 anni prima, eccetto che sottendeva un intero emisfero). La luce irradiata nell’emisfero anteriore ma mancante della lente a occhio di bue veniva deviata dal paraboloide in un fascio parallelo che circondava la lente a occhio di bue, mentre la luce irradiata nell’emisfero posteriore veniva riflessa indietro attraverso la lampada dal riflettore sferico (come nella disposizione di Rogers), per essere raccolta dai componenti anteriori. La prima unità fu installata a North Harbour, Peterhead, nell’agosto 1849. Stevenson chiamò questa versione un “olofoto catadiottrico”, anche se ognuno dei suoi elementi era puramente riflettente o puramente rifrangente. Nella seconda versione del concetto di olofoto, la lente a occhio di bue e il riflettore paraboloidale furono sostituiti da una lente catadiottrica Fresnel – come concepita da Fresnel, ma ampliata per coprire l’intero emisfero anteriore. La terza versione, che Stevenson chiamò confusamente “olofoto diottrico”, era più innovativa: mantenne la lente catadiottrica Fresnel per l’emisfero anteriore, ma sostituì il riflettore emisferico posteriore con una serie emisferica di prismi anulari, ognuno dei quali usava due riflessioni interne totali per far tornare la luce divergente dal centro dell’emisfero verso il centro. Il risultato era un olofoto interamente in vetro, senza perdite dovute a riflessioni metalliche.
James Timmins Chance modificò il progetto dell’olofoto di Thomas Stevenson disponendo i prismi a doppia riflessione su un asse verticale. Il prototipo fu mostrato all’Esposizione Internazionale di Londra del 1862. Più tardi, per facilitare la fabbricazione, Chance divise i prismi in segmenti, e li dispose in forma cilindrica mantenendo la proprietà di riflettere la luce da un singolo punto a quel punto. I riflettori di questa forma, paradossalmente chiamati “specchi diottrici”, si dimostrarono particolarmente utili per riportare la luce dal lato terrestre della lampada a quello marino.
Con il proliferare dei fari, divenne più difficile distinguerli l’uno dall’altro, portando all’uso di filtri colorati, che sprecavano luce. Nel 1884, John Hopkinson eliminò la necessità di filtri inventando la lente “group-flashing”, in cui i pannelli diottrici e/o catadiottrici erano divisi in modo da dare lampi multipli, permettendo ai fari di essere identificati non solo dalla frequenza dei lampi, ma anche dalla molteplicità dei lampi. Lenti a doppio lampo furono installate a Tampico (Messico) e Little Basses (Sri Lanka) nel 1875, e una lente a triplo lampo al faro di Casquets (Isole del Canale) nel 1876. L’esempio mostrato (a destra) è la lente a doppio lampo del faro di Point Arena, che è stato in servizio dal 1908 al 1977.
Lo sviluppo delle lenti iper-radiali è stato guidato in parte dalla necessità di fonti di luce più grandi, come le luci a gas con getti multipli, che richiedevano una lunghezza focale maggiore per una data larghezza del fascio, quindi una lente più grande per raccogliere una data frazione della luce generata. La prima lente iper-radiale fu costruita per gli Stevenson nel 1885 da F. Barbier & Cie di Francia, e testata al South Foreland Lighthouse con varie fonti di luce. Chance Brothers (i datori di lavoro di Hopkinson) iniziarono poi a costruire lenti iper-radiali, installando la loro prima al faro di Bishop Rock nel 1887. Nello stesso anno, Barbier installò un iper-radiale a Tory Island. Ma solo circa 30 iper-radiali entrarono in servizio prima che lo sviluppo di lampade luminose più compatte rendesse inutile un’ottica così grande (vedi lente di Fresnel iperradiante).
La produzione di lenti diottriche a gradini in un unico pezzo – più o meno come previsto da Buffon – divenne fattibile nel 1852, quando John L. Gilliland della Brooklyn Flint-Glass Company brevettò un metodo per fare lenti da vetro pressato e modellato. L’azienda produsse piccole lenti a occhio di bue per l’uso su ferrovie, navi a vapore e banchine; queste lenti erano comuni negli Stati Uniti negli anni 1870:488. Nel 1858 l’azienda produsse “un numero molto piccolo di lenti di sesto ordine in vetro flint pressato” per l’uso nei fari – le prime lenti Fresnel per fari prodotte in America. Negli anni ’50, la sostituzione del vetro con la plastica ha reso economico l’uso delle lenti di Fresnel come condensatori nei proiettori aerei.