Маяки и линза Френеля

Оптический аппарат маяка в грузинском портовом городе Поти

Перед вами оптический аппарат маяка в грузинском портовом городе Поти, работающего уже без малого 160 лет. Такую систему линз разработал в начале XIX века французский физик и инженер Огюстен Жан Френель. Впервые сборная ступенчатая линза Френеля была установлена на Кордуанском маяке во Франции ровно 200 лет назад, 25 июля 1823 года. Но прежде чем разобраться в устройстве этой линзы, давайте ненадолго погрузимся в историю осветительной системы маяков.

Ранние маяки вплоть до конца XVIII века представляли собой башню, на открытой вершине которой горел самый обычный костер, разжигаемый дровами или углем. Со временем добавилось застекление, но сам источник света оставался нестабильным и ничем не усиливался. Такая система освещения была не только малоэффективна, но и весьма затратна. Например, первый маяк на шотландском острове Мей (см. Isle of May Lighthouses), работавший с 1636-го, потреблял около 400 тонн угля в год, пуская в небо большие клубы черного дыма, пока в 1816 году его не сменил второй, более совершенный маяк, построенный шотландским инденером Робертом Стивенсоном (Robert Stevenson).

Старый маяк острова Мей. Показаны жаровня и лифт для подъема угля. Рисунок из книги J. Dickson, 1899. Emeralds Chased in Gold

По мере развития мореплавания и трансконтинентальных переходов потребность в маяках возростала. Морские державы строили новые маяки и обновляли уже существующие. Однако осветительная система на них была всё такой же слабой. Из-за этого огни маяков были плохо видны издалека, а также не отличались по характеристикам друг от друга. Морякам было сложно определить местоположение опасных участков, что приводило к частым кораблекрушениям. Нужно было как-то усовершенствовать маяки. На маяке Эдистон в юго-западной Англиии в 1709 году установили подсвечник с 24 свечами. Британский моряк и приватир XVIII века Уильям Хатчинсон (William Hutchinson) первым стал использовать параболические отражатели на маяках, а также экспериментировал с масляными лампами вместо открытого огня, установив в 1763 году такую систему из отражателя и лампы на пару британских маяков — маяк Лисоу (Leasowe Lighthouse) и маяк в Хойлейке (см. Hoylake Lighthouses). Металлические зеркальные отражатели использовались и на балтийских маяках, но яркого стабильного луча они также не давали.

Кордуанский маяк. Фото © Chris Couderc с сайта flickr.com, 22 августа 2022 года

Вслед за британцами на отражатели обратили внимание и французы. Основной площадкой для экспериментов стал знаменитый Кордуанский маяк, старейший во Франции. Он стоит на берегу Бискайского залива в стратегически важном месте у прохода к французскому порту Бордо, опасном из-за слияния потоков рек Гаронна и Дордонь и приливного течения. На Кордуанском маяке открытый огонь заменили на 80 масляных ламп с отражателями. Однако лампы так коптили, что отражатели быстро мутнели, и эффективность была ниже, чем от простого сжигания угля.

По-настоящему успешное решение задачи предложил Огюстен Френель. Он работал инженером на своей родине в Нормандии и увлекался оптикой, самостоятельно изучая ее и проводя эксперименты, в 1815 году он опубликовал статью по дифракции, внеся важный вклад в изучение волновой теории света. В 1819 году выдающийся физик и общественный деятель Доминик Жан Франсуа Араго пригласил Френеля в Париж для совместной работы над усовершенствованием оптической системы маяков. Френель предложил заменить систему с параболическими отражателями на рефракционные стеклянные линзы. Исследователь руководствовался принципом геометрической оптики — законом Снеллиуса, описывающим преломление света на границе двух прозрачных тел. С помощью правильно подобранной линзы можно преломить и таким образом перенаправить лучи, исходящие от источника во всех направлениях, в один пучок в нужном направлении.

Однако в условиях того времени создание линзы необходимого для нужд маяка размера было практически невозможным, помимо этого при необходимой толщине и величине стекло могло деформироваться, и линза получилась бы некачественной, к тому же еще и невероятно тяжелой для транспортировки и подъема на башню маяка. Попытки установки линз на маяк уже совершались: например, в 1792 году на маяк Северного Форленда (North Foreland) в графстве Кент установили линзу, которая оказалась слишком толстой и работала со световым лучом неэффективно. Френель же решил убрать из толщины линзы нефункциональные части, подготовив дизайн сборной рефракционной линзы. Помимо упрощения производства таких линз в отличие от цельных, стало возможным скорректировать сферическую аберрацию (несовпадение фокусов для лучей света, проходящих на разном расстоянии от оптической оси), определив средний радиус кривизны центрального диска и каждого последующего кольца линзы по мере удаления от оси. Таким образом оптическая система получалась настраиваемой. Каждый фрагмент оптической системы изготавливался и шлифовался индивидуально. Френель, по его же собственным словам, «выводил лучшую форму поверхности для каждого отдельного кольца, руководствуясь законом рефракции».

Слева — перенаправление световых лучей с помощью линзы Френеля. Рисунок из статьи J. Elton, 2009. A Light to Lighten our Darkness: Lighthouse Optics and the Later Development of Fresnel's Revolutionary Refracting Lens 1780–1900. Справа — поперечное сечение линзы Френеля (1) и обычной линзы (2). Рисунок с сайта ru.wikipedia.org

Сама идея создания ступенчатых линз к этому времени уже высказывалась. В 1748 году французский натуралист, естествоиспытатель и писатель граф де Бюффон предлагал создание такой системы, а в 1780 году — французский физик, астроном, аббат Алексис-Мари де Рошон. Когда Френель разрабатывал свою систему, он еще не был знаком с их работами, придя к этой идее самостоятельно и став первым, кто придумал применить ее на маяках.

Для создания прототипа придуманной им оптической системы Френель обратился за помощью к оптику Франсуа Солею (François Soleil), который также работал вместе с Франсуа Араго. Солей занимался производством оптики для научного оборудования, в частности, микроскопов. Однако сложность состояла в том, что линз крупнее 10 см в диаметре тогда не производили. Френель же задумал кольца линз общим диаметром 90 см. К тому же Солей занимался нарезкой и обработкой стекла вручную, а работа с таким заказом требовала задействовать паровые машины. За период с 1819 по 1823 год Френель и Солей внесли существенные изменения в оптическую мануфактуру, введя в оборот шлифовальные станки и отливку стекла в чугунных формах (до этого существовало лишь ручное стеклодувное производство). Это дало возможность для создания маячной оптики и сделало фирму Солея первой в истории мануфактурой по ее производству. До появления британской фирмы братьев Чанс (Chance Brothers) в 1850 году у фирмы Солея не было конкурентов.

Оптическая система, установленная в 1823 году на Кордуанском маяке, представляла собой восьмигранный барабан, каждая сторона которого была выполнена из панели площадью 76 кв. см с восемью кольцами линз. Размер линз позволял уловить лучи света, расходящиеся до 45°, если смотреть на аппарат в вертикальном разрезе, остальные лучи уходили над и под аппаратом. Чтобы поймать лучи, расходящиеся под аппаратом, Френель установил в основании линзового барабана кольцо металлических посеребренных зеркал, а для улавливания уходящих над основной линзой лучей, закрепил над барабаном восемь небольших линз, перенаправляющих выходящие сверху лучи на зеркала, от которых они отражались горизонтально.

Оптический аппарат Френеля на Кордуанском маяке и схема его строения. Пунктиром обозначено направление световых лучей, исходящих от источника света и преломляющихся. L — линза Френеля; L’ — дополнительные линзовые панели; M — зеркала. Фото с сайта cordouan.culture.gouv.fr, рисунок из статьи J. Elton, 2009. A Light to Lighten our Darkness: Lighthouse Optics and the Later Development of Fresnel's Revolutionary Refracting Lens 1780–1900

Каждая вертикальная панель барабана при попадании на нее света обеспечивала яркую вспышку, хорошо заметную морякам. Вращение аппарата осуществлялось за счет часового механизма с использованием груза. Оптическая система кордуанского маяка, состоящая из восьми панелей, давала вспышки света раз в минуту. В дальнейшем Френель изготовил для других маяков систему из 16 панелей, дававшую вспышку раз в полминуты. Быстрее поворачиваться система не могла из-за трения и веса линз, однако первое препятствие было устранено в уже конце XIX века, когда придумали использовать резервуар со ртутью, что сделало работу смотрителей еще более опасной.

Оптическая система Френеля существенно повысила яркость маяков. При использовании отражателей потеря света была более 80%, френелевская же система помогала уловить и направить более 80% света от источника. Френель усовершенствовал не только оптическую систему, но и источник света. Для своего проекта на Кордуанском маяке он снабдил Аргандову лампу, (масляная лампа с полым трубчатым фитилем внутри стеклянной трубы), каковую только начинали применять на маяках, пятью цилиндрическими фитилями вместо одного и поместил их один в другой.

После смерти Огюстена Френеля от туберкулеза в возрасте всего 39 лет дело продолжил его брат Леонор совместно с шотландскими мастерами Аланом и Томасом Стивенсоном. В это время системами линз Френеля стали активно оснащать маяки Франции, попутно возводя новые по всей береговой линии. В 1835 году Томас Стивенсон установил вращающуюся систему линз Френеля у себя на родине в Шотландии на маяке острова Инчкит в бухте близ Эдинбурга. А после 1836 года оптические системы Френеля были помещены еще на 15 маяков Великобритании.

Вместе Леонор Френель и Стивенсоны работали над усовершенствованием оптического аппарата, желая сделать его полностью стеклянным, удалив дополнительные металлические зеркала, которые поглощали слишком много света. Это было сделано с помощью внешних колец из призм с внутренним отражением. Такие элементы, совмещающие в себе линзу и отражающую поверхность, называются катадиоптрическими. Данную идею разрабатывал и сам Огюстен Френель незадолго до смерти, правда, для уличных фонарей.

Схема полностью стеклянного вращающегося оптического аппарата, разработанного Томасом Стивенсоном. Напротив источника света располагалась диоптрическая часть (L), а кольцевые линзы вокруг были представлены катодиоптрическими призмами (p), которые позволяли улавливать лучи, расходящиеся под углами до 180°. Рисунок из статьи J. Elton, 2009. A Light to Lighten our Darkness: Lighthouse Optics and the Later Development of Fresnel's Revolutionary Refracting Lens 1780–1900

Но маяк должен был быть не только заметным, но и узнаваемым. Нередко свет маяка был плохо отличим от других огней на берегу. Ситуацию спасало вращение оптического аппарата, однако Френелевская система со вспышкой один раз в минуту или в полминуты была не всегда эффективна. Поэтому появлялись другие методы идентификации маяков. Например, двигающиеся заслонки, открывающие и закрывающие линзу. Уже в начале XIX века на некоторых маяках использовали цветные стекла, окрашивающие световой луч, для идентификации конкретного маяка. Сейчас цветовые сектора используют в том числе для разграничения опасной и безопасной зон. Например, как можно видеть на главном фото, на потийском маяке есть красный сектор. Оптимальное решение нашел сотрудник фирмы Братьев Чанс Джон Хопкинсон. В 1874 году он придумал, как разбить единый луч на две, три и даже четыре вспышки до того, как тот сменится затемнением. Это достигалось благодаря размещению осей линзовых панелей на неравных интервалах. Первые маяки были оборудованы светом с групповыми вспышками в 1875 году.

Оптическая система для групповых вспышек на маяке с островов Каскетс (слева, изображение из статьи J. Elton, 2009. A Light to Lighten our Darkness: Lighthouse Optics and the Later Development of Fresnel's Revolutionary Refracting Lens 1780–1900) и маяке Пойнт Арена (Point Arena Light) в Калифорнии (справа, фото с сайта commons.wikimedia.org)

С усовершенствованием масляных ламп и появлением газовых открылись новые возможности. Появилась оптика «гипер-радиуса» (см. Hyperradiant Fresnel lens), созданная Дэвидом и Чарльзом Стивенсоном — племянниками Алана и Томаса. Такая линза имеет фокусное расстояние в 1330 мм и более, в противовес обычной френелевской линзе первого порядка с фокусным расстоянием в 920 мм (порядок — это параметр, который показывает фокусное расстояние линзы и дальность светового луча, через нее проходящего). Такая оптическая система могла весить до 7 тонн! На данный момент гипер-радиусные линзы Френеля имеются на 31 маяке.

Примеры оптических аппаратов «гипер-радиуса». Слева — оптика маяка Манора в Пакистане. Рисунок с сайта en.wikipedia.org. Справа — маяк Макапуу, Гавайи. Фото с сайта en.wikipedia.org

Активное усовершенствование осветительной системы маяков в XIX веке способствовало различным открытиям в оптике, теории света и даже физиологии восприятия света человеческим глазом. В XX же веке интерес переместился с усовершенствования линз на усовершенствование самого источника света, и маяки постепенно стали переходить на электрическое освещение.

Примеры линз Френеля разного порядка: от первого, самой крупной и дающей наибольшую дальность света, до шестого, с наименьшей. Фокусное расстояние и дальность луча линз первого порядка — 920 мм и 20–30 морских миль, шестого — 150 мм и 7 морских миль. Изображение с сайта kewauneepierheadlighthouse.org

Линзы Френеля установлены на многих российских маяках. Например, на Стороженском маяке на Ладоге, являющимся седьмым по высоте классическим маяком в мире (высота его башни составляет 71 м), стояла она и на ставшем визитной карточкой Сахалина маяке Анива, сейчас выведенном из эксплуатации. И хотя на российские маяки, в отличие от маяков многих стран, без специального разрешения не попасть, посмотреть на маячные оптические аппараты вблизи возможно в Музее маяков и маячной службы в Кронштадте.

Маяк Анива. Фото Полины Сутягиной, 2017 год

А вот на потийский маяк можно подняться в светлое время суток совершенно свободно. На первом этаже расположен небольшой музей, где представлены старые фотографии маяка, навигационные приборы и несколько малых линз Френеля, а поднявшись по винтовой лесенке из 160 ступеней, вы увидите функционирующую катадиоптрическую линзу Френеля. Любопытно, что маяк полностью металлический и изготовлен был в 1862 году в Лондоне, а в Поти транспортирован в разобранном виде морем. В 1864 году под руководством британских инженеров он был собран и введен в эксплуатацию и по сей день исправно несет службу.

Слева — Потийский маяк. Фото Полины Сутягиной, ноябрь 2022 года. Справа — Стороженский маяк. Фото Полины Сутягиной, август 2021 года

Выдающееся изобретение Френеля, усовершенствованное его последователями, спасло от гибели множество моряков и до сих пор находит применение и за пределами маяков. Такие линзы можно увидеть, например, в прожекторах, фарах и даже космических аппаратах