ForerunnersEdit
Augustin-Jean Fresnel var inte den förste som fokuserade en fyrstråle med hjälp av en lins. Den utmärkelsen tillhör tydligen Londons glasskärare Thomas Rogers, som föreslog idén till Trinity House 1788. Rogers första linser, 53 cm i diameter och 14 cm tjocka i mitten, installerades i Old Lower Lighthouse vid Portland Bill 1789. Bakom varje lampa fanns en bakbelagd sfärisk glasspegel som reflekterade den bakre strålningen tillbaka genom lampan och in i linsen. Ytterligare prover installerades vid Howth Baily, North Foreland och minst fyra andra platser fram till 1804. Men mycket av ljuset gick förlorat på grund av absorption i glaset.
Fresnel var inte heller den förste som föreslog att ersätta en konvex lins med en serie koncentriska ringprismor för att minska vikten och absorptionen. År 1748 föreslog greve Buffon att man skulle slipa sådana prismor som trappsteg i ett enda glasstycke. År 1790 (även om sekundära källor anger datumet till 1773:609 eller 1788) föreslog markis de Condorcet att det skulle vara lättare att tillverka de ringformade sektionerna separat och montera dem på en ram; men även detta var opraktiskt vid den tiden. Dessa konstruktioner var inte avsedda för fyrar utan för brännglas.609 David Brewster föreslog dock 1811 ett system som liknade Condorcets och förespråkade 1820 dess användning i brittiska fyrar.
Fresnels bidragRedigera
Den franska Commission des Phares (fyrkommissionen) inrättades av Napoleon 1811 och placerades under Fresnels arbetsgivare, Corps of Bridges and Roads. Eftersom medlemmarna i kommissionen var upptagna på annat håll, uppnådde den inte mycket under sina första år. Men den 21 juni 1819 – tre månader efter att ha vunnit vetenskapsakademiens Grand Prix i fysik för sin berömda avhandling om diffraktion – blev Fresnel ”tillfälligt” utlånad till kommissionen på rekommendation av François Arago (medlem sedan 1813), för att se över möjliga förbättringar av belysningen av fyrar.
I slutet av augusti 1819, utan att känna till Buffon-Condorcet-Brewsters förslag, gjorde Fresnel sin första presentation inför kommissionen och rekommenderade vad han kallade lentilles à échelons (linser i trappsteg) för att ersätta de reflektorer som då användes och som bara reflekterade ungefär hälften av det infallande ljuset. Till Fresnels stora förlägenhet påminde en av de församlade kommissionärerna, Jacques Charles, om Buffons förslag. Men medan Buffons version var bikonvex och i ett stycke var Fresnels planokonvex och tillverkad av flera prismor för att underlätta konstruktionen. Med en officiell budget på 500 franc kontaktade Fresnel tre tillverkare. Den tredje, François Soleil, hittade ett sätt att avlägsna defekter genom att återuppvärma och omforma glaset. Arago hjälpte Fresnel med att konstruera en modifierad Argandlampa med koncentriska vekar (ett koncept som Fresnel tillskrev greve Rumford ) och upptäckte av misstag att fisklim var värmebeständigt, vilket gjorde det lämpligt att använda i linsen. Prototypen, som var klar i mars 1820, hade en kvadratisk linspanel på 55 cm på en sida och innehöll 97 polygonala (inte ringformade) prismor – och imponerade så mycket på kommissionen att Fresnel ombads att ta fram en komplett version med åtta paneler. Denna modell, som färdigställdes ett år senare trots otillräcklig finansiering, hade paneler på 76 cm i kvadrat. Vid ett offentligt spektakel på kvällen den 13 april 1821 demonstrerades den genom en jämförelse med de senaste reflektorerna, som den plötsligt gjorde föråldrade.
Snart efter denna demonstration publicerade Fresnel idén om att ljus, även till synes opolariserat ljus, uteslutande består av tvärgående vågor, och fortsatte med att överväga konsekvenserna för dubbel brytning och partiell reflektion.
Fresnel erkände de brittiska linserna och Buffons uppfinning i en memoar som lästes upp den 29 juli 1822 och trycktes samma år. Datumet för denna memoar kan vara källan till påståendet att Fresnels förespråkande av fyrar började två år senare än Brewsters; men texten klargör att Fresnels engagemang började senast 1819.
Fresnels nästa lins var en roterande apparat med åtta ”bull’s-eye”-paneler, som tillverkades i ringformade bågar av Saint-Gobain, och som gav åtta roterande strålar, som sjöfarare skulle se som en periodisk blixt. Ovanför och bakom varje huvudpanel fanns en mindre, sluttande bull’s-eye-panel med trapezoidformad kontur och trapezoidformade element. Denna bryter ljuset till en lutande plan spegel som sedan reflekterar det horisontellt, 7 grader före huvudstrålen, vilket ökar blixtens varaktighet. Under huvudpanelerna fanns 128 små speglar som var ordnade i fyra ringar, staplade som lamellerna i en persienn eller jalusi. Varje ring, som är formad som en kotte, reflekterade ljuset mot horisonten och gav ett svagare jämnt ljus mellan blixtarna. Det officiella testet, som genomfördes på den ofullbordade Triumfbågen den 20 augusti 1822, bevittnades av kommissionen – och av Ludvig XVIII och hans följe – på 32 km avstånd. Apparaten förvarades i Bordeaux under vintern och monterades sedan ihop i fyren i Cordouan under Fresnels överinseende – delvis med Fresnels egna händer. Den 25 juli 1823 tändes världens första Fresnel-lins i en fyr. Som väntat var ljuset synligt till horisonten, mer än 20 miles ut.
Dagen före testet av Cordouan-linsen i Paris rapporterade en kommitté inom vetenskapsakademin om Fresnels memoarer och tillägg om dubbel refraktion – som, även om de är mindre kända för moderna läsare än hans tidigare arbete om diffraktion, slog ett mer avgörande slag för ljusets vågteori. Mellan testet och återföreningen i Cordouan lade Fresnel fram sina uppsatser om fotoelasticitet (16 september 1822), elliptisk och cirkulär polarisering och optisk rotation (9 december) samt partiell reflektion och total intern reflektion (7 januari 1823), varvid han i stort sett fullbordade sin rekonstruktion av den fysikaliska optiken utifrån hypotesen om tvärgående vågor. Kort efter det att Cordouan-linsen tändes började Fresnel hosta upp blod.
I maj 1824 befordrades Fresnel till sekreterare i Commission des Phares, vilket gjorde honom till den första medlemmen av detta organ som fick lön, om än i den samtidiga rollen som överingenjör. I slutet av samma år, då han blev alltmer sjuk, inskränkte han sin grundforskning och sade upp sig från sitt säsongsjobb som examinator vid École Polytechnique för att spara sin återstående tid och energi för sitt fyrarbete.
Samma år konstruerade han den första fasta linsen – för att sprida ljuset jämnt runt horisonten och samtidigt minimera slöseri ovanför eller nedanför. Helst skulle de böjda brytningsytorna vara segment av toroider kring en gemensam vertikal axel, så att den dioptriska panelen skulle se ut som en cylindrisk trumma. Om detta kompletteras med reflekterande (katoptriska) ringar ovanför och under de brytande (dioptriska) delarna skulle hela apparaten se ut som en bikupa. Den andra Fresnel-linsen som togs i bruk var faktiskt en fast lins av tredje ordningen som installerades i Dunkerque den 1 februari 1825. På grund av svårigheten att tillverka stora toroidala prismor hade dock denna apparat en 16-sidig polygonal plan.
År 1825 utökade Fresnel sin konstruktion med fasta linser genom att lägga till en roterande grupp utanför den fasta gruppen. Varje panel i den roterande matrisen skulle bryta en del av det fasta ljuset från en horisontell fläkt till en smal stråle.
Också 1825 presenterade Fresnel Carte des Phares (fyrkartan), där han föreslog ett system med 51 fyrar plus mindre hamnfyrar, i en hierarki av linsstorlekar som kallades ”ordningar” (den första var den största), med olika egenskaper för att underlätta igenkänning: ett konstant ljus (från en fast lins), en blixt per minut (från en roterande lins med åtta paneler) och två per minut (sexton paneler).
I slutet av 1825 föreslog Fresnel, för att minska ljusförlusten i de reflekterande elementen, att ersätta varje spegel med ett katadioptriskt prisma, genom vilket ljuset skulle färdas genom refraktion genom den första ytan, sedan total intern reflektion från den andra ytan, sedan refraktion genom den tredje ytan. Resultatet blev den fyrlins som vi nu känner till. År 1826 monterade han en liten modell som skulle användas på Canal Saint-Martin, men han hann inte uppleva en fullstor version: han dog den 14 juli 1827, vid 39 års ålder.
Efter FresnelRedigera
Den första etappen i utvecklingen av fyrlinser efter Augustin Fresnels död bestod i genomförandet av hans ritningar. Detta drevs delvis av hans yngre bror Léonor – som i likhet med Augustin var utbildad till civilingenjör men som till skillnad från Augustin hade en stark fallenhet för företagsledning. Léonor började arbeta för fyrkommissionen 1825 och efterträdde Augustin som sekreterare.
Den första fasta linsen som konstruerades med toroidalprismor var en apparat av första ordningen som konstruerades av den skotske ingenjören Alan Stevenson under ledning av Léonor Fresnel och tillverkades av Isaac Cookson & Co. med hjälp av franskt glas; den togs i bruk vid Isle of May, Skottland, den 22 september 1836. De första stora katadioptriska linserna tillverkades 1842 för fyrarna i Gravelines och Île Vierge i Frankrike. Det var fasta linser av tredje ordningen vars katadioptriska ringar (tillverkade i segment) var en meter i diameter. Stevensons Skerryvore-lins av första ordningen, som tändes 1844, var endast delvis katadioptrisk; den liknade Cordouan-linsen förutom att de nedre lamellerna ersattes med fransktillverkade katadioptriska prismor, medan speglar bibehölls i toppen. Den första helt katadioptriska linsen av första ordningen, som installerades vid Pointe d’Ailly 1852, gav också åtta roterande strålar plus ett fast ljus i botten, men dess övre del hade åtta katadioptriska paneler som fokuserade ljuset cirka 4 grader före huvudstrålarna, för att förlänga blixtarna. Den första helt katadioptriska linsen med rent roterande strålar – också den av första ordningen – installerades i Saint-Clément-des-Baleines 1854 och markerade slutförandet av Augustin Fresnels ursprungliga Carte des Phares.
Thomas Stevenson (yngre bror till Alan) gick ett steg längre än Fresnel med sin ”holofotala” lins, som fokuserade ljuset som lampan utstrålade i nästan alla riktningar, framåt eller bakåt, till en enda stråle. Den första versionen, som beskrevs 1849, bestod av en standard Fresnel-lins i form av ett tjuröga, en paraboloidreflektor och en bakre hemisfärisk reflektor (funktionellt likvärdig med Rogers-spegeln från 60 år tidigare, förutom att den avspeglade en hel halvklot). Ljus som strålade in i den främre halvklotet men som missade bull’s-eye-linsen avleddes av paraboloiden till en parallell stråle som omgav bull’s-eye-linsen, medan ljus som strålade in i den bakre halvklotet reflekterades tillbaka genom lampan av den sfäriska reflektorn (som i Rogers arrangemang) för att samlas in av de främre komponenterna. Den första enheten installerades i North Harbour, Peterhead, i augusti 1849. Stevenson kallade denna version för en ”katadioptrisk holofob”, även om varje element antingen var rent reflekterande eller rent refraktivt. I den andra versionen av holofobten ersattes bull’s-eye-linsen och den paraboloida reflektorn av en katadioptrisk Fresnel-lins, som Fresnel hade tänkt sig, men som utvidgades så att den täckte hela den främre halvklotet. Den tredje versionen, som Stevenson förvirrande nog kallade en ”dioptrisk holofant”, var mer innovativ: den behöll den katadioptriska Fresnel-linsen för den främre halvklotet, men ersatte den bakre halvsfäriska reflektorn med en halvsfärisk grupp av ringformade prismor, som var och en använde sig av två totala inre reflektioner för att vända ljuset som divergerar från halvklotets centrum tillbaka mot centrum. Resultatet blev en holofoton helt i glas, utan förluster från metalliska reflektioner.
James Timmins Chance modifierade Thomas Stevensons holofotonkonstruktion helt i glas genom att placera de dubbelreflekterande prismorna runt en vertikal axel. Prototypen visades på den internationella utställningen i London 1862. Senare, för att underlätta tillverkningen, delade Chance upp prismorna i segment och arrangerade dem i cylindrisk form samtidigt som han behöll egenskapen att reflektera ljus från en enda punkt tillbaka till den punkten. Reflektorer av denna form, som paradoxalt nog kallades ”dioptriska speglar”, visade sig vara särskilt användbara för att återföra ljuset från lampans landsida till sjösidan.
I takt med att fyrarna blev fler och fler blev de svårare att skilja från varandra, vilket ledde till att man använde färgade filter, som slösade bort ljuset. År 1884 eliminerade John Hopkinson behovet av filter genom att uppfinna objektivet med ”gruppblixtar”, där de dioptriska och/eller katadioptriska panelerna delades upp så att de gav flera blixtar, vilket gjorde det möjligt att identifiera fyrar inte bara genom frekvensen av blixtar, utan också genom mångfalden av blixtar. Linser med dubbla blinkningar installerades vid Tampico (Mexiko) och Little Basses (Sri Lanka) 1875, och en lins med tre blinkningar installerades vid Casquets Lighthouse (Kanalöarna) 1876. Det exempel som visas (till höger) är den dubbelblinkande linsen i Point Arena Light, som var i drift från 1908 till 1977.
Utvecklingen av hyperradiella linser drevs delvis av behovet av större ljuskällor, t.ex. gasljus med flera jetstrålar, som krävde en längre brännvidd för en given strålbredd och därmed en större lins för att samla in en given del av det alstrade ljuset. Den första hyperradiella linsen byggdes för Stevensons 1885 av F. Barbier & Cie i Frankrike och testades vid South Foreland Lighthouse med olika ljuskällor. Chance Brothers (Hopkinsons arbetsgivare) började sedan konstruera hyperradiallinser och installerade sin första vid Bishop Rock Lighthouse 1887. Samma år installerade Barbier en hyperradial vid Tory Island. Men endast ett 30-tal hyperradialer togs i bruk innan utvecklingen av mer kompakta ljusstarka lampor gjorde så stora optiker onödiga (se Hyperradiant Fresnel-lins).
Produktion av dioptriska linser i ett stycke med stegformade linser – i stort sett som Buffon hade tänkt sig – blev möjlig 1852, när John L. Gilliland från Brooklyn Flint-Glass Company patenterade en metod för att tillverka linser av pressat och gjutet glas. Företaget tillverkade små bull’s-eye-linser för användning på järnvägar, ångbåtar och kajer; sådana linser var vanliga i USA på 1870-talet. 1858 tillverkade företaget ”ett mycket litet antal pressade flintglaslinser av sjätte ordningen” för användning i fyrar – de första Fresnel-fyrlinserna som tillverkades i Amerika. På 1950-talet gjorde utbytet av plast mot glas det ekonomiskt möjligt att använda Fresnel-linser som kondensatorer i overheadprojektorer.