Histoire. Augustin Fresnel apprivoisa la lumière pour guider les marins au large

Certains hommes ou femmes se passionnent, étudient et travaillent assidûment sur des phénomènes précis que personne n'a encore jamais vraiment exploré et compris. Tel fut le cas d'Augustin Fresnel qui se passionna pour la lumière au début du XIXe siècle. Il analysa et comprit la nature ondulatoire de la lumière. Grâce à son niveau intellectuel élevé, à son travail consciencieux et à sa persévérance, il réalisa une grande avancée technologique qui perdure encore aujourd'hui dans le monde entier.

Un enfant motivé par le raisonnement pratique et la création

Enfant, Augustin Fresnel (1788-1827) n'aimait pas beaucoup exercer sa mémoire pour apprendre à lire ou écrire. En revanche, il était doué dans les exercices de raisonnement pratique, dans les sciences et dans la création d'objets. Il avait le coup d'œil pour trouver les meilleures branches dans la fabrication d'arcs et de flèches. Ses camarades le surnommaient l'homme de génie.

Son père était architecte. Il l'aida beaucoup à développer des connaissances en arithmétique et en géométrie. Augustin développa aussi une grande capacité à visualiser et à dessiner dans l'espace. Grâce à ses excellents résultats en mathématiques,  il put entrer à l'école polytechnique, puis à l'école des Ponts et Chaussées. Son frère aîné y était déjà, son cadet Léonor y entra plus tard.

En 1809, il devint ingénieur dans le Corps des Ponts et Chaussées. Trois ans plus tard, sur le chantier de la route impériale qui devait relier l'Italie à l'Espagne, il commença à s'intéresser à l'optique. Il demanda alors à son frère Léonor de collecter les mémoires des physiciens français ayant trait à la polarisation de la lumière.

Premiers travaux sur la lumière grâce aux Cent-Jours de Napoléon

Augustin Fresnel était de tendance royaliste et fervent catholique. Il soutint le retour des Bourbons lors de la première Restauration. En mars 1815, il considérait le retour de Napoléon comme une menace et rejoignit l’armée royale du Midi pour s’opposer à lui. Il fut suspendu de ses fonctions en mai 1815. Il eut l'autorisation de se retirer auprès de sa mère veuve, dans le Calvados. 

Pendant les Cent-Jours de Napoléon, il se consacra à ses recherches en optique. Peut-être n'aurait-il jamais développé ses travaux sur la lumière si les Cent-Jours n'avaient pas perturbé sa carrière d'ingénieur. Durant cette période, il étudia la diffraction et les interférences de la lumière.

« Comment les ondes arrivent-elles à contourner un obstacle, donner des franges colorées ? Il faut allier théorie et expérimentation, mais il ne dispose d’aucun appareil. Le serrurier du village lui construit des supports », indique le site france-memoire.fr dans son article Fresnel dans la lumière, des professeurs Brezinski et Maitte. 

La diffraction et les interférences dans la théorie ondulatoire de la lumière

La théorie ondulatoire de la lumière de Fresnel était, à l'époque, en opposition à la théorie corpusculaire de Newton. En octobre 1815, Fresnel adressa un premier mémoire à l'Académie des sciences. Il y comparait les deux théories.  

L'Académie décida d'offrir un prix à qui expliquerait la déviation des rayons lumineux par des obstacles. Fresnel y répondit par un mémoire grandement approuvé par la communauté scientifique. Ses résultats correspondaient parfaitement à la théorie ondulatoire.

Fresnel fit de la diffraction et des interférences les pièces maîtresses d’une théorie ondulatoire cohérente de la lumière. La diffraction, ce sont les franges claires et sombres qui apparaissent lorsque la lumière contourne un obstacle ou passe par une ouverture. À partir d’expériences, Fresnel proposa de comprendre ces franges comme le résultat de la superposition des ondes lumineuses. 

Les interférences expliquent pourquoi cette superposition peut renforcer la lumière en certains endroits et l’atténuer en d’autres. Fresnel a donné une formulation mathématique précise de cette idée. L'approche d'Augustin Fresnel  a convaincu la plupart des physiciens.

Premiers prototypes de la lentille à échelons

Avec la Restauration de la monarchie, Fresnel put reprendre ses fonctions d'ingénieur. Toutefois sa santé était fragile et ce travail lui était trop pénible. Le physicien Arago le fit entrer en juin 1819, à la Commission des Phares et Balises, dont il était le président. 

Étudiant la luminosité des phares, Fresnel constata que les réflecteurs paraboliques consommaient une grande partie de la lumière et n'en réfléchissaient qu'une petite partie. Il utilisa alors des lentilles de verre pour réfracter la lumière et éviter au maximum les pertes.

« Un prototype à taille réelle de 76 cm est mis en place sur l'arc de Triomphe de Paris en août 1822, alors en cours de construction. Le succès est au rendez-vous... Le physicien français installe alors en juillet 1823 son système innovant en haut du phare de Cordouan. Le 25 juillet 1823, il sera allumé pour la première fois. » peut-on lire sur le site acuite.fr dans Portrait : Augustin Fresnel, l'inventeur de la première lentille de phare marin.

Une lentille plus légère au faisceau de lumière étroit et puissant

Fort de ses nombreuses découvertes et expérimentations sur les ondes lumineuses, Augustin se consacra entièrement à mettre au point sa lentille à échelons. Elle allait peu à peu équiper tous les phares de France.

Dans un phare, la lentille de Fresnel rassemble et dirige la lumière de la lampe pour qu’elle soit visible de loin. La lampe est placée près du foyer de l’optique. La lumière d’origine part dans toutes les directions. Le rôle de la lentille de Fresnel est de dévier les rayons par réfraction.

Sa forme reprend celle d’une lentille épaisse, mais la matière est organisée en anneaux ou en échelons, ce qui permet d’obtenir une grande optique sans le poids d’un bloc de verre massif. Les rayons qui en sortent sont presque parallèles : ils forment un faisceau étroit et puissant dirigé vers l’horizon.  

Dans un phare tournant, l’ensemble optique pivote autour de la lampe. Le faisceau balaie la mer : un observateur voit alors un éclat quand il passe dans sa direction. La rotation et les caractéristiques de l’optique contribuent au signal lumineux distinctif du phare.

Des phares beaucoup plus performants

Un phare maritime muni d'une lentille à échelons éclaire jusqu'à 40 km, contre 15 à 20 kilomètres pour les anciens systèmes de réverbération. Le phare de Cordouan, situé sur un plateau rocheux et immergé à marée haute, à l'entrée de l'estuaire de la Garonne fut le premier à être équipé d'une lentille à échelons de Fresnel. Ce phare de grande hauteur et de grande puissance allait servir de modèle dans le monde entier.

Dans les phares, la lentille à échelons mise au point par Augustin Fresnel est toujours présente aujourd'hui. En revanche, ce qui a changé, c'est la source lumineuse elle-même. Les premières lampes étaient à huile, puis se furent des lampes à gaz, ensuite vinrent l'électricité et les lampes à filament. Maintenant les lampes électriques à leds servent de source lumineuse.

Une vie trop brève, mais la solidarité et le dynamisme d'un frère pour continuer

Entre 1817 et 1822, Fresnel fut extrêmement actif. Pendant cinq ans, il travailla très assidûment en sciences fondamentales, développant ses théories ondulatoires de la lumière avec le physicien Arago. En outre, il travaillait toujours, comme ingénieur pour la Commission des phares, sur les lentilles à échelons pour les rendre plus performantes.

Augustin Fresnel ne sortait que très peu. Il ne prenait que  peu de repos. Peut-être s'épuisait-il trop à son travail. Sa vie fut brève. Il mourut de la tuberculose en 1827.

Son jeune frère, Léonor, lui aussi polytechnicien et ingénieur des Ponts et Chaussées prit la relève d'Augustin. Il le remplaça à la Commission des phares. Il allait jouer un rôle fondamental durant une vingtaine d'années. 

Léonor allait développer les idées et les appareils de son frère décédé. Il allait entreprendre de faire construire les phares pour recevoir ces appareils. Il créa le service des phares dont il laissa la direction à un autre ingénieur. Ce service dynamique allait contribuer à bâtir des phares et mettre en place la lentille de Fresnel dans le monde entier.

Léonor Fresnel, de son côté, consacra plus de deux décennies à la rédaction des œuvres complètes d'Augustin Fresnel.

De puissants rayons de lumière sur les côtes du monde entier

Selon Joël Tourbot, chef du service des phares et balises de Méditerranée, « Fresnel c'est l'éternité, cette optique-là, telle qu'elle a été conçue, il n'y a aucune raison de la remplacer (…). Cet héritage-là, il perdure. » 

Frédéric Porte, chef du centre opérationnel des phares et balises de Sète ajoute : « Pour moi, Fresnel çà représente le génie français, l'ingénierie française qui s'est développée dans le monde entier (…). C'est un peu le rayonnement de la France et qui est toujours d'actualité. »

Les Français, par leur expérience et leur technologie, restent meneurs dans ce domaine particulier de la construction d'optiques de phares maritimes. Il y a toujours un esprit d'innovation et des partenariats se créent avec des entreprises étrangères qui promeuvent ce savoir-faire français. 

Ce qui se révèle aussi dans cette entreprise de deux siècles, c'est le pouvoir de la coopération humaine. Comment un homme a pu faire fructifier sa passion, son travail et son talent, grâce au soutien de nombreux physiciens. Grâce à la solidarité et à l'enthousiasme de son frère cadet qui développa et pérennisa son œuvre après son décès. Grâce à ceux qui continuent aujourd'hui encore à innover dans cette technologie.

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