Augustin Fresnel (1788-1827), génie de la lumière
Augustin Jean Fresnel (1788-1827)
Grace à ses travaux, l'éclairage des côtes passe de l'ère de la réflexion à celle de la réfraction et de la concentration. Sa formation : ingénieur des ponts et chaussées, polytechnicien et physicien français dont les recherches ont validé de manière définitive les modélisations mathématiques et physiques de la lumière.
Dans son mémoire sur la diffraction de la lumière (article présenté à l'académie des sciences en 1818), Fresnel donne la première explication rationnelle du phénomène de la diffraction.
Il est engagé le 21 juin 1819 à la Commission des Phares et apporte en quatre ans avec l'aide de l'opticien M. Soleil, des améliorations considérables à la luminosité des phares, en créant les lentilles à échelons, ou lentilles de Fresnel. Le 20 août 1822, un premier test concluant de cette technologie révolutionnaire est réalisé à Paris en installant sur l'Arc de Triomphe le premier appareil optique constitué de lentilles à échelons. Cet appareil est ensuite testé pour la 1ère fois in situ au phare de Cordouan, dans l'estuaire de la Gironde, le 25 juillet 1823. Dès lors les côtes du monde vont progressivement s'éclairer.
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Grace à ses travaux, l'éclairage des côtes passe de l'ère de la réflexion à celle de la réfraction et de la concentration. Sa formation : ingénieur des ponts et chaussées, polytechnicien et physicien français dont les recherches ont validé de manière définitive les modélisations mathématiques et physiques de la lumière.
Dans son mémoire sur la diffraction de la lumière (article présenté à l'académie des sciences en 1818), Fresnel donne la première explication rationnelle du phénomène de la diffraction.
Il est engagé le 21 juin 1819 à la Commission des Phares et apporte en quatre ans avec l'aide de l'opticien M. Soleil, des améliorations considérables à la luminosité des phares, en créant les lentilles à échelons, ou lentilles de Fresnel. Le 20 août 1822, un premier test concluant de cette technologie révolutionnaire est réalisé à Paris en installant sur l'Arc de Triomphe le premier appareil optique constitué de lentilles à échelons. Cet appareil est ensuite testé pour la 1ère fois in situ au phare de Cordouan, dans l'estuaire de la Gironde, le 25 juillet 1823. Dès lors les côtes du monde vont progressivement s'éclairer.
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Transcript
00:00 [Musique]
00:29 Nous arrivons ici maintenant dans la lanterne du phare de Corduan.
00:36 Vous avez ici devant vous la lentille de Fresnel qui se caractérise par ces
00:41 échelons. Ces échelons sont des zones géométriques qui permettent de rediriger
00:47 le faisceau lumineux extrait de la lampe vers l'horizon. En 1823 Augustin Fresnel
00:54 installe sa première nouvelle lentille à échelon sur le phare de Corduan. Cette lentille a eu la
01:01 chance d'être préservée et maintenant elle est présentée dans le musée des phares qui se trouve
01:06 sur l'île d'Houessan en Finistère. Pour bien comprendre l'importance de l'innovation de Fresnel,
01:13 on sait d'après les archives que un phare qui brûle du charbon était vu à peu près à une
01:17 distance de 17 à 20 km. Un feu muni de réverbères, enfin quand lui n'éclairait plus que de
01:24 15 à 17 km. Un phare muni d'une lentille à échelon éclaire lui jusqu'à pratiquement 40 km.
01:30 C'est le double de la distance habituelle. Voilà l'extraordinaire réussite de l'invention de
01:38 Fresnel et c'est le début de la révolution des phares. Pour la première fois au monde,
01:43 un phare moderne est allumé. Il allie à la fois la taille, la hauteur et la puissance d'un phare.
01:51 Et ce modèle là va être utilisé dans le monde entier.
01:55 On produit l'énergie lumineuse par une lampe. Ici on a une lampe à led qui est rouge et on
02:24 va essayer de la concentrer dans une direction pour porter le plus loin possible. Ce qui marche
02:31 pour concentrer la lumière c'est d'utiliser des lentilles. Lentilles c'est comme une loupe,
02:35 c'est très bombé, c'est très lourd. Fresnel, il y a 200 ans, a eu cette idée là, c'est de réduire
02:42 cette épaisseur de lentille pour la rendre la plus fine possible et qu'elle soit plus facile
02:47 à utiliser, à transporter, à installer. Nous ici on a par exemple une lentille en verre moulé,
02:53 elle a été moulée d'un seul bloc. On l'utilise avec une source lumineuse. Donc ici elle va venir
03:01 concentrer toute son énergie lumineuse qu'on a vu tout à l'heure sur tout l'espace dans une seule
03:06 direction. Et donc si j'augmente légèrement la puissance lumineuse, on peut voir que par exemple
03:12 elle va venir se projeter sur le mur ici, comme un faisceau. Et cette projection là on voit qu'elle
03:18 est très très bien concentrée. Donc en faisant cela, on permet aux faisceaux lumineux de porter
03:24 très loin. Finalement ce qui n'a pas bougé dans le domaine des pharybalistes, c'est de conserver
03:30 la technique de Fresnel avec ses lentilles à échelon pour concentrer le signal lumineux. Ce
03:36 qui a bougé, c'est la façon de produire la lumière au centre. La première lampe qui était
03:43 utilisée, c'était des lampes qui fonctionnaient avec des huiles. Puis ensuite ça a été des lampes
03:49 au gaz et vient l'électricité avec les lampes à filaments. Et maintenant on est au LED.
03:54 Au 18e siècle, il n'existe que très peu de phares en France. Il y en a une quinzaine qui ont été
04:03 construits ou gérés soit par la marine pour la signalisation de ses grands ports comme Brest,
04:09 avec le Stiff ou Saint-Mathieu, ou Rochefort avec les phares de Chassiron ou des Baleines.
04:16 D'autres phares sont gérés par des chambres de commerce comme la chambre de commerce de Normandie
04:24 qui a construit le phare de La Hève ou le phare de Gatville. Il n'y a pas grand chose en fin de
04:29 compte par rapport à l'Angleterre qui elle possède déjà plus de 35 phares. Il va se passer quelque
04:37 chose de très important à la fin des guerres napoléoniennes. Napoléon va décider de confier
04:43 l'intégralité de la gestion des phares au ministère de l'Intérieur et aux ingénieurs des ponts et
04:48 chaussées. Parce qu'à ce moment là tout est à refaire. Les guerres napoléoniennes ont grévé les
04:53 budgets de la France. Les ports ne sont plus suffisamment entretenus. Il n'y a quasiment plus
04:58 de flotte militaire. Il faut tout reprendre à zéro alors que l'Angleterre elle est extrêmement
05:03 puissante et possède déjà une signalisation maritime extrêmement élaborée. A partir de 1814
05:09 va être créée une commission des phares qui est composée à la fois de marins, d'ingénieurs,
05:15 d'administrateurs et de scientifiques. C'est un groupe en fin de compte pluridisciplinaire qui
05:19 va être chargé de réfléchir à tous les problèmes de signalisation, de voir la problématique d'une
05:24 manière globale. Comment éclairer un phare ? Comment construire un phare ? Où passer à un
05:30 phare ? Et entrevoir un véritable programme de signalisation maritime française.
05:35 Nous sommes au musée des arts et métiers à Paris et dans la vitrine derrière moi il y a une lentille
05:51 de Fresnel qui a été offerte à l'académie des sciences et sur laquelle on peut lire le nom de
05:56 Fresnel. Fresnel c'est un polytechnicien, il rentre à l'école polytechnique à 16 ans et demi pendant
06:02 l'empire. Il a son aîné qui est aussi polytechnicien et son cadet Léonor, trois frères polytechniciens.
06:10 Donc il rentre à l'école polytechnique, il poursuit après en école d'application aux ponts et chaussées,
06:15 il rentre au corps des ponts et là il commence une carrière d'ingénieur des ponts en province,
06:20 au détriment de ses travaux scientifiques puisqu'en province il n'a accès ni aux bibliothèques ni aux
06:28 instruments qui lui permettraient de poursuivre ses travaux sur les théories de la lumière.
06:32 Fresnel est connu pour avoir avec quelques autres, en particulier Jung, être celui qui a développé la
06:40 théorie ondulatoire de la lumière qui complète la théorie corpusculaire qui était celle de Newton,
06:46 enfin la théorie classique. Donc il fait des expériences pour montrer que la lumière c'est
06:51 une onde, c'est une onde polarisée et donc en la faisant passer par des ouvertures extrêmement
06:56 étroites, elle va prendre des directions qui ne correspondent pas à ce que prévoit la théorie de
07:01 Newton. En 1815, Fresnel envoie un de ses premiers mémoires à l'académie des sciences. Il est repéré
07:09 évidemment par Arago, par tous les savants de l'académie et il demande à pouvoir poursuivre
07:14 ses travaux à Paris parce qu'à ce moment là Fresnel il est en Bretagne comme ingénieur des ponts,
07:20 donc là aussi très loin de la capitale scientifique de la France qui est Paris. Alors Arago qui,
07:28 depuis quelques années, est le président de la commission des phares, demande à ce que Fresnel
07:34 soit affecté comme secrétaire de la commission des phares et chargé de mener des expériences sur
07:40 les appareils qui produisent de la lumière à cette époque. Donc il y a trois ou quatre techniques à
07:44 tester et c'est là que Fresnel va dire "moi j'ai peut-être une autre idée". La mention des lentilles
07:50 à échelon par Augustin Fresnel possède une genèse. Il a pu compulser les travaux du comte de Buffon
07:59 qui, une cinquantaine d'années au préalable, avait déjà décrit le même principe. Le comte de Buffon,
08:06 le premier, a commencé à travailler sur la focalisation de la lumière et à utiliser des
08:12 grandes lentilles, des loupes, pour focaliser les rayons de soleil et obtenir ainsi des hautes
08:17 températures. Il pouvait à ce moment là fondre de l'or, de l'argent, du plomb dans des creusets avec
08:24 l'aide du soleil et tout le monde était émerveillé par la chose. Buffon avait donc proposé dans ses
08:30 mémoires et dans des écrits des différents types de lentilles et des lentilles à échelon.
08:34 Donc Fresnel fait réaliser des panneaux de lentilles expérimentaux avec un opticien qui
08:41 s'appelle Soleil. Soleil c'est quelqu'un qui travaille déjà avec les membres de l'Académie des
08:45 Sciences. Donc Fresnel a accès à des artisans qui peuvent mettre en oeuvre ces principes,
08:51 c'est-à-dire l'utilisation des lentilles. Entre 1817 et 1822, c'est une période extrêmement active
09:01 pour Fresnel dans la diffusion de ses idées sur la théorie ondulatoire de la lumière. Un de ses
09:07 plus importants mémoires concernant la lumière est présenté à l'Académie des Sciences en 1822.
09:12 Mais c'est également cette année 1822 où il présente son mémoire sur un nouveau système
09:18 d'éclairage des phares, c'est-à-dire ses appareils lenticulaires. Donc pendant ces cinq années,
09:22 Fresnel fait à la fois des sciences on va dire fondamentales, développe ses théories,
09:27 la théorie ondulatoire de la lumière, fait des expériences scientifiques et travaille
09:33 comme ingénieur pour la commission des phares. Il ne sort très peu, il n'a pratiquement aucune
09:38 activité sinon que de travailler soit avec un ragoût sur la lumière ou soit sur les lentilles.
09:45 Et tout ce travail use aussi sa vie et c'est peut-être aussi pour ça que sa vie sera si
09:51 brève puisqu'il va s'éteindre de la tuberculose en 1827. Donc Fresnel avait un jeune frère,
09:58 Léonor, lui aussi polytechnicien, lui aussi ingénieur des pompes. Fresnel étant malade,
10:06 il monte à Paris et il va reprendre la suite, c'est-à-dire que tout de suite après la mort
10:13 d'Augustin Fresnel, Léonor devient le secrétaire de la commission des phares et il joue un rôle
10:17 fondamental. Donc pendant une vingtaine d'années, Léonor va non seulement mettre en oeuvre les
10:25 idées de son frère, développer les appareils de son frère, mais faire construire les phares pour
10:30 les porter, créer littéralement le service des phares jusqu'à ce qu'il laisse la direction à
10:37 un architecte, un ingénieur qui s'appelle Léonce Reynaud qui lui aussi va continuer à bâtir. Et
10:42 Léonor Fresnel va lui consacrer plus d'une vingtaine d'années à la rédaction des oeuvres
10:47 complètes de son frère. Donc de même qu'il n'y a pas de Vincent Van Gogh sans Théo,
10:54 je pense qu'il n'y aurait pas d'Augustin Fresnel s'il n'y avait pas eu son frère Léonor.
10:58 Pour nous, Fresnel c'est l'éternité. Cette optique là, telle qu'elle a été conçue,
11:17 il n'y a aucune raison de la remplacer et on la remplacera à mon sens jamais. Donc deux apports,
11:26 un d'un point de vue technique et un d'un point de vue organisationnel. C'est à dire qu'à partir
11:30 du moment où la commission des phares a décidé qu'on allait mailler le littoral, tout a été
11:35 construit sur ce modèle là ensuite parce qu'on a placé des équipes qui sont disséminées sur le
11:40 littoral et qui sont là prêtes pour intervenir, pour remettre en route, entretenir, pour surveiller
11:45 que le feu fonctionne bien. Donc cet héritage là, il perdure aujourd'hui, la maison phare et balise
11:51 elle continue à exister. Dans les phares, on a notre buste d'Augustin Fresnel. Pour moi, Fresnel,
12:00 ça représente l'histoire, ça représente le génie français, l'ingénierie française qui s'est
12:06 développée dans le monde entier puisque l'antique de Fresnel, c'est dans les phares du monde entier.
12:09 Donc j'ai envie de dire, c'est un peu le rayonnement de la France et qui est toujours d'actualité. Les
12:14 français resteront toujours leaders sur ce domaine tout à fait particulier, constructeurs d'optiques
12:20 de phares. Il y aura trois entreprises qui vont rayonner dans le monde entier qui s'appelait
12:24 Henri Lepaute, Parbié Benarré-Turaine et Louis Sauter. Ces trois entreprises vont être tellement
12:29 importantes qu'elles vont produire pratiquement 80% des lentilles installées dans les phares
12:35 jusque dans les années 1930. Le CEREMA a une habitude ancienne d'innovation dans le domaine
12:44 des phares et balises. Les optiques de Fresnel, c'était peut-être la première innovation des
12:48 services techniques des phares et balises. Quelque part le CEREMA est l'héritier de Fresnel. Et la
12:54 dernière innovation qui est également une rupture technologique, ce sont donc d'utiliser les LEDs.
13:00 La France a une expérience maintenant depuis plus de dix ans dans ce domaine où on remplace les
13:06 anciennes sources à filaments par des sources lumineuses à LED. Elles ont on va dire un double
13:11 intérêt. Donc la durée de vie d'abord, quand on avait des sources à filaments, la durée de vie
13:15 était de six mois. Maintenant avec les LEDs, on passe à une durée de vie de dix ans. Un autre
13:20 avantage, elles consomment trois fois moins que l'énergie qui devait être utilisée dans les
13:25 sources à filaments. Ici vous êtes dans un labo avec des établis, des paillasses, des voltmètres
13:32 qui nous permettent de faire ces petits montages là. On va ensuite venir les mesurer en chambre
13:37 noire et donc en tirer des enseignements pour pouvoir derrière écrire nos cahiers des charges.
13:43 Et demain justement, nous avons la visite d'une entreprise espagnole qui a remporté un marché
13:50 pour industrialiser des sources lumineuses à LED. Notre entreprise MSM est fabricante d'équipements
13:57 d'aide à la navigation et à la suite d'un appel d'offres, on a commencé à collaborer avec le
14:06 CRMA pour développer des nouvelles sources à LED. L'intérêt qu'on a de contractualiser avec eux
14:14 pour qu'ils développent pour nous ces sources lumineuses là, c'est qu'après ils pourront le
14:19 mettre à leur catalogue et ensuite organiser la pérennité du produit. Les services n'auront plus
14:26 qu'à commander sur étagère comme on dit et également donc permettre, parce qu'on est fier
14:34 de ce qu'on fait, de permettre que la technologie française soit déployée dans le monde entier.
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