ForerunnersEdit
Augustin-Jean Fresnel nu a fost prima persoană care a focalizat un fascicul de far folosind o lentilă. Această distincție se pare că îi aparține sticlarului londonez Thomas Rogers, care a propus ideea la Trinity House în 1788. Primele lentile Rogers, cu un diametru de 53 cm și o grosime de 14 cm în centru, au fost instalate la farul Old Lower Lighthouse din Portland Bill în 1789. În spatele fiecărei lămpi se afla o oglindă de sticlă sferică acoperită pe spate, care reflecta radiația posterioară înapoi prin lampă și în lentilă. Alte mostre au fost instalate la Howth Baily, North Foreland și în cel puțin alte patru locații până în 1804. Dar o mare parte din lumină era irosită prin absorbția în sticlă.
Nici Fresnel nu a fost primul care a sugerat înlocuirea unei lentile convexe cu o serie de prisme inelare concentrice, pentru a reduce greutatea și absorbția. În 1748, contele Buffon a propus șlefuirea unor astfel de prisme sub formă de trepte într-o singură bucată de sticlă. În 1790 (deși sursele secundare dau data de 1773:609 sau 1788), marchizul de Condorcet a sugerat că ar fi mai ușor să se confecționeze separat secțiunile inelare și să se asambleze pe o ramă; dar chiar și acest lucru era nepractic la acea vreme. Aceste proiecte nu erau destinate farurilor, ci ochelarilor de ardere:609 David Brewster, totuși, a propus un sistem similar cu cel al lui Condorcet în 1811, iar în 1820 susținea utilizarea acestuia la farurile britanice.
Contribuțiile lui FresnelEdit
Comisia franceză a farurilor (Commission des Phares) a fost înființată de Napoleon în 1811 și plasată sub autoritatea angajatorului lui Fresnel, Corpul Podurilor și Drumurilor. Deoarece membrii Comisiei erau ocupați în alte domenii, aceasta a realizat puține lucruri în primii ani. Dar la 21 iunie 1819 – la trei luni după ce a câștigat Marele Premiu de fizică al Academiei de Științe pentru celebrul său memoriu despre difracție – Fresnel a fost detașat „temporar” în cadrul Comisiei, la recomandarea lui François Arago (membru din 1813), pentru a examina posibilele îmbunătățiri ale iluminării farurilor.
Până la sfârșitul lunii august 1819, fără a fi la curent cu propunerea Buffon-Condorcet-Brewster, Fresnel a făcut prima sa prezentare în fața Comisiei, recomandând ceea ce el a numit lentilles à échelons (lentile cu trepte) pentru a înlocui reflectoarele folosite atunci, care reflectau doar aproximativ jumătate din lumina incidentă. Spre marea jena lui Fresnel, unul dintre comisarii reuniți, Jacques Charles, și-a amintit de sugestia lui Buffon. Cu toate acestea, în timp ce versiunea lui Buffon era biconvexă și dintr-o singură bucată, cea a lui Fresnel era plano-convexă și formată din mai multe prisme pentru o construcție mai ușoară. Cu un buget oficial de 500 de franci, Fresnel a contactat trei producători. Cel de-al treilea, François Soleil, a găsit o modalitate de a elimina defectele prin reîncălzirea și retușarea sticlei. Arago l-a ajutat pe Fresnel la proiectarea unei lămpi Argand modificate cu fitiluri concentrice (un concept pe care Fresnel l-a atribuit contelui Rumford ) și a descoperit din greșeală că lipiciul de pește era rezistent la căldură, ceea ce îl făcea potrivit pentru a fi utilizat în lentilă. Prototipul, finalizat în martie 1820, avea un panou pătrat al lentilei de 55 cm pe o latură, conținând 97 de prisme poligonale (nu inelare) – și a impresionat atât de mult Comisia, încât lui Fresnel i s-a cerut o versiune completă cu opt panouri. Acest model, finalizat un an mai târziu, în ciuda finanțării insuficiente, avea panouri de 76 cm pătrați. În cadrul unui spectacol public din seara zilei de 13 aprilie 1821, acesta a fost demonstrat prin comparație cu cele mai recente reflectoare, pe care le-a făcut brusc depășite.
La scurt timp după această demonstrație, Fresnel a publicat ideea că lumina, inclusiv lumina aparent nepolarizată, este formată exclusiv din unde transversale și a continuat să ia în considerare implicațiile pentru dubla refracție și reflexia parțială.
Fresnel a recunoscut lentilele britanice și invenția lui Buffon într-un memoriu citit la 29 iulie 1822 și tipărit în același an. Data acelui memoriu poate fi sursa afirmației că pledoaria lui Fresnel pentru faruri a început cu doi ani mai târziu decât cea a lui Brewster; dar textul arată clar că implicarea lui Fresnel a început nu mai târziu de 1819.
Următoarea lentilă a lui Fresnel a fost un aparat rotativ cu opt panouri „ochi de taur”, realizate în arcuri inelare de către Saint-Gobain, care dădeau opt raze rotative – pentru a fi văzute de către marinari ca un flash periodic. Deasupra și în spatele fiecărui panou principal se afla un panou mai mic, înclinat în formă de ochi de taur, cu contur trapezoidal și elemente trapezoidale. Acesta refracta lumina către o oglindă plană înclinată, care o reflecta apoi pe orizontală, cu 7 grade înaintea fasciculului principal, mărind astfel durata flash-ului. Sub panourile principale se aflau 128 de oglinzi mici dispuse în patru inele, suprapuse ca lamelele unei jaluzele sau ale unui jaluzele venețiene. Fiecare inel, în formă de trunchi de con, reflecta lumina spre orizont, oferind o lumină constantă mai slabă între sclipiri. Testul oficial, efectuat pe Arcul de Triumf neterminat la 20 august 1822, a fost asistat de Comisie – și de Ludovic al XVIII-lea și anturajul său – de la o distanță de 32 km (20 mile). Aparatul a fost depozitat la Bordeaux pe timpul iernii, iar apoi a fost reasamblat la Farul Cordouan sub supravegherea lui Fresnel – în parte chiar de mâinile lui Fresnel. La 25 iulie 1823, a fost aprinsă prima lentilă Fresnel de far din lume. Așa cum era de așteptat, lumina a fost vizibilă până la orizont, la o distanță de peste 30 de kilometri.
Cu o zi înainte de testarea lentilei Cordouan la Paris, un comitet al Academiei de Științe a prezentat un raport despre memoriile și suplimentele lui Fresnel privind dubla refracție – care, deși mai puțin cunoscute cititorilor moderni decât lucrările sale anterioare privind difracția, au dat o lovitură mai decisivă pentru teoria ondulatorie a luminii. Între testul și reasamblarea de la Cordouan, Fresnel a prezentat lucrările sale privind fotoelasticitatea (16 septembrie 1822), polarizarea eliptică și circulară și rotația optică (9 decembrie), precum și reflexia parțială și reflexia internă totală (7 ianuarie 1823), finalizând în esență reconstrucția opticii fizice pe ipoteza undelor transversale. La scurt timp după ce lentila Cordouan a fost aprinsă, Fresnel a început să tușească sânge.
În mai 1824, Fresnel a fost promovat în funcția de secretar al Commission des Phares, devenind primul membru al acestui organism care a primit un salariu, deși în rolul concomitent de inginer-șef. La sfârșitul aceluiași an, fiind din ce în ce mai bolnav, și-a restrâns cercetările fundamentale și a renunțat la slujba sa sezonieră de examinator la École Polytechnique, pentru a-și economisi timpul și energia rămase pentru munca sa în domeniul farurilor.
În același an a proiectat prima lentilă fixă – pentru răspândirea uniformă a luminii în jurul orizontului, minimizând risipa deasupra sau dedesubt. În mod ideal, suprafețele refractare curbate ar fi segmente de toroizi în jurul unei axe verticale comune, astfel încât panoul dioptric să arate ca un tambur cilindric. Dacă acest lucru ar fi completat de inele reflectante (catoptrice) deasupra și dedesubtul părților refractare (dioptrice), întregul aparat ar arăta ca un stup de albine. A doua lentilă Fresnel care a intrat în serviciu a fost într-adevăr o lentilă fixă, de ordinul al treilea, instalată la Dunkerque la 1 februarie 1825. Cu toate acestea, din cauza dificultății de a fabrica prisme toroidale mari, acest aparat avea un plan poligonal cu 16 laturi.
În 1825, Fresnel și-a extins proiectul de lentilă fixă prin adăugarea unei matrice rotative în afara celei fixe. Fiecare panou al matricei rotative urma să refracteze o parte din lumina fixă dintr-un evantai orizontal într-un fascicul îngust.
De asemenea, în 1825, Fresnel a prezentat Carte des Phares (Harta farurilor), care prevedea un sistem de 51 de faruri, plus faruri portuare mai mici, într-o ierarhie de mărimi de lentile numite „ordine” (primul fiind cel mai mare), cu caracteristici diferite pentru a facilita recunoașterea: o lumină constantă (de la o lentilă fixă), un flash pe minut (de la o lentilă rotativă cu opt panouri) și două pe minut (șaisprezece panouri).
La sfârșitul anului 1825, pentru a reduce pierderile de lumină în elementele reflectorizante, Fresnel a propus înlocuirea fiecărei oglinzi cu o prismă catadioptrică, prin care lumina s-ar deplasa prin refracție prin prima suprafață, apoi prin reflexie internă totală pe a doua suprafață, apoi prin refracție prin a treia suprafață. Rezultatul a fost lentila farului, așa cum o cunoaștem acum. În 1826 a asamblat un mic model pentru a fi folosit pe canalul Saint-Martin, dar nu a trăit pentru a vedea o versiune în mărime naturală: a murit la 14 iulie 1827, la vârsta de 39 de ani.
După FresnelEdit
Prima etapă a dezvoltării lentilelor de far după moartea lui Augustin Fresnel a constat în punerea în aplicare a proiectelor sale. Acest lucru a fost condus în parte de fratele său mai mic, Léonor – care, ca și Augustin, a fost format ca inginer civil, dar, spre deosebire de Augustin, avea o aptitudine puternică pentru management. Léonor a intrat în serviciul Comisiei pentru faruri în 1825 și i-a succedat lui Augustin în funcția de secretar.
Prima lentilă fixă construită cu prisme toroidale a fost un aparat de ordinul întâi proiectat de inginerul scoțian Alan Stevenson, sub îndrumarea lui Léonor Fresnel, și fabricat de Isaac Cookson & Co. folosind sticlă franceză; a intrat în serviciu la Isle of May, Scoția, la 22 septembrie 1836. Primele lentile catadioptrice mari au fost fabricate în 1842 pentru farurile de la Gravelines și Île Vierge, Franța; acestea erau lentile fixe de ordinul trei ale căror inele catadioptrice (realizate în segmente) aveau un metru în diametru. Obiectivul Skerryvore de ordinul întâi al lui Stevenson, aprins în 1844, era doar parțial catadioptric; era similar cu obiectivul Cordouan, cu excepția faptului că lamelele inferioare au fost înlocuite cu prisme catadioptrice de fabricație franceză, în timp ce oglinzile au fost păstrate în partea superioară. Prima lentilă complet catadioptrică de ordinul întâi, instalată la Pointe d’Ailly în 1852, oferea, de asemenea, opt fascicule rotative plus o lumină fixă în partea de jos; dar secțiunea sa superioară avea opt panouri catadioptrice care focalizau lumina cu aproximativ 4 grade înaintea fasciculelor principale, pentru a prelungi sclipirile. Prima lentilă complet catadioptrică cu fascicule pur rotative – de asemenea de ordinul întâi – a fost instalată la Saint-Clément-des-Baleines în 1854 și a marcat finalizarea originalei Carte des Phares a lui Augustin Fresnel.
Thomas Stevenson (fratele mai mic al lui Alan) a făcut un pas mai departe de Fresnel cu lentila sa „olofotală”, care focaliza lumina radiată de lampă în aproape toate direcțiile, înainte sau înapoi, într-un singur fascicul. Prima versiune, descrisă în 1849, era compusă dintr-o lentilă Fresnel standard cu ochi de taur, un reflector paraboloidal și un reflector emisferic posterior (echivalent funcțional cu oglinda Rogers de 60 de ani mai devreme, cu excepția faptului că aceasta subînțelegea o întreagă emisferă). Lumina radiată în emisfera din față, dar care nu ajungea la lentila cu ochi de taur, era deviată de paraboloid într-un fascicul paralel care înconjura lentila cu ochi de taur, în timp ce lumina radiată în emisfera din spate era reflectată înapoi prin lampă de către reflectorul sferic (la fel ca în aranjamentul lui Rogers), pentru a fi colectată de componentele din față. Prima unitate a fost instalată la North Harbour, Peterhead, în august 1849. Stevenson a numit această versiune „olofote catadioptric”, deși fiecare dintre elementele sale era fie pur reflector, fie pur refractiv. În cea de-a doua versiune a conceptului de olofotă, lentila de tip „ochi de taur” și reflectorul paraboloidal au fost înlocuite cu o lentilă Fresnel catadioptrică – așa cum a fost concepută de Fresnel, dar extinsă pentru a acoperi întreaga emisferă față. Cea de-a treia versiune, pe care Stevenson a numit-o în mod confuz „olofotă dioptrică”, a fost mai inovatoare: a păstrat lentila Fresnel catadioptrică pentru emisfera din față, dar a înlocuit reflectorul emisferic din spate cu o matrice emisferică de prisme inelare, fiecare dintre acestea folosind două reflexii interne totale pentru a întoarce lumina care diverge din centrul emisferei spre centru. Rezultatul a fost un olofote complet din sticlă, fără pierderi din cauza reflexiilor metalice.
James Timmins Chance a modificat proiectul olofotetului complet din sticlă al lui Thomas Stevenson prin dispunerea prismelor cu reflexie dublă în jurul unei axe verticale. Prototipul a fost prezentat la Expoziția Internațională din 1862 de la Londra. Ulterior, pentru a ușura fabricarea, Chance a împărțit prismele în segmente și le-a aranjat într-o formă cilindrică, păstrând în același timp proprietatea de a reflecta lumina dintr-un singur punct înapoi în acel punct. Reflectoarele de această formă, numite în mod paradoxal „oglinzi dioptrice”, s-au dovedit deosebit de utile pentru întoarcerea luminii dinspre partea de uscat a lămpii spre partea dinspre mare.
Pe măsură ce farurile au proliferat, acestea au devenit mai greu de distins unul de altul, ceea ce a dus la utilizarea de filtre colorate, care iroseau lumina. În 1884, John Hopkinson a eliminat necesitatea filtrelor prin inventarea obiectivului „group-flashing”, în care panourile dioptrice și/sau catadioptrice au fost împărțite astfel încât să dea mai multe flash-uri – permițând farurilor să fie identificate nu numai după frecvența flash-urilor, ci și după multiplicitatea acestora. Lentilele cu flash dublu au fost instalate la Tampico (Mexic) și Little Basses (Sri Lanka) în 1875, iar o lentilă cu flash triplu a fost instalată la Farul Casquets (Insulele Channel) în 1876. Exemplul prezentat (în dreapta) este lentila cu dublă intermitență a farului Point Arena Light, care a fost în funcțiune din 1908 până în 1977.
Dezvoltarea lentilelor hiper-radiale a fost determinată în parte de necesitatea unor surse de lumină mai mari, cum ar fi lămpile cu gaz cu jeturi multiple, care necesitau o distanță focală mai mare pentru o anumită lățime a fasciculului, deci o lentilă mai mare pentru a colecta o anumită fracțiune din lumina generată. Prima lentilă hiper-radială a fost construită pentru Stevensons în 1885 de către F. Barbier & Cie din Franța și a fost testată la South Foreland Lighthouse cu diverse surse de lumină. Chance Brothers (angajatorii lui Hopkinson) au început apoi să construiască lentile hiper-radiale, instalând prima lor la farul Bishop Rock în 1887. În același an, Barbier a instalat un hiper-radial la Tory Island. Dar numai aproximativ 30 de hiper-radiale au intrat în funcțiune înainte ca dezvoltarea unor lămpi luminoase mai compacte să facă inutile astfel de optici mari (vezi Lentile Fresnel hiperradiante).
Producția de lentile dioptrice în trepte dintr-o singură bucată – aproximativ așa cum a fost preconizată de Buffon – a devenit fezabilă în 1852, când John L. Gilliland de la Brooklyn Flint-Glass Company a brevetat o metodă de fabricare a lentilelor din sticlă presată și turnată. Compania a fabricat lentile mici de tip „ochi de taur” pentru utilizarea pe căile ferate, vapoare și docuri; astfel de lentile erau obișnuite în Statele Unite în anii 1870:488. În 1858, compania a produs „un număr foarte mic de lentile din sticlă de silex presată de ordinul șase” pentru utilizarea în faruri – primele lentile de far Fresnel fabricate în America. Până în anii 1950, înlocuirea sticlei cu plastic a făcut ca utilizarea lentilelor Fresnel ca și condensatori în retroproiectoare să devină economică.