VERRES D’OPTIQUE

C’est à Pierre-Louis Guinand, né aux Brenets, en Suisse, que l’on doit les procédés qui permettent d’obtenir, méthodiquement, et à coup sur le verre d’optique.

Pendant très longtemps on se procurait le verre nécessaire aux opticiens, en choissant parmi les morceaux de verre ordinaire ceux qui remplissaient le mieux les conditions requises.

Les anglais ont fait de vains efforts pour réussir dans la fabrication de ce verre particulier qui doit être tel que les images ne présentent pas de coloration sur les bords.

Après la mort de Guinand son fils aîné qui était en possession de la méthode de son père, continua la fabrication des verres optiques.

La verre pesant de Guinand a pour densité 3,616; sa composition est la suivante :

Quartz . 100 parties.

Rouge de plomb (minium) . . 100 —

Carbonate de potasse .... 35 —

Salpêtre . . . . 2 à 4 —

Le second fils de Guinand forma une association avec M. Bontemps, l’un des directeurs de la verrerie de Clioisy-le-Roi; mais les expériences qu’ils firent, de concert, dans cet établissemènt, ne furent pas couronnées de succès et l’association fut rompue. MM. Bontemps et Thibeaudeau continuèrent leurs expériences d’après le principe de

Guinand, et, en 1828, ils réussirent enfin à produire de bon verre optique en disques de 12 à 14 pouces et une plus grande quantité de verres de petites dimensions. A partir de ce moment la fabrication est certaine, régulière .

En 1848, M. Bontemps fut amené, par les conséquences de la situation politique du pays, à quitter la direction de l’usine de Choisy-le-Roi et à accepter l’invitation de MM. Chance frères et Cie, qui lui offraient de se joindre à eux pour perfectionner cette branche importante de leur fabrication.

On peut juger du succès qu’ont obtenu ces messieurs par ce fait qu’ils ont produit des disques de cristal de 29 pouces de diamètre pesant 2 quintaux, et des disques de verre blanc de 20 pouces.

Ces disques sont très peu colorés, homogènes comme pâte, exempts de tous les défauts qui amènent la polarisation de la lumière.

Les proportions de Bontemps pour le verre optique sont les suivantes :

Pour cristal (Jlint-glass).

Sable . 43,5

Rouge de plomb . 43,5

Carbonate de potasse . 10,0

Nitrate de potasse ....... 3,0

Pour verre blanc (crown-glass).

Sable . . 100

Carbonate de potasse . 42,66

Chaux . 21,66

Arsenic . 0,25

Salpêtre . 2,00

On observera que le verre optique en cristal se distingue principalement parla grande proportion de plomb qui entre dans sa composition. Néanmoins, le point essentiel dans la fabrication consiste à remuer, à agiter constamment le verre pendant la fonte et la fusion. La supériorité de l’idée de Guinand n’est pas dans la nouveauté et les proportions des matières employées, mais dans l’agitation soignée du verre liquide à son plus haut point de fusion, ensuite dans le refroidissement du con-

3mc PARTIE : LES VERRES D’OPTIQUE

tenu entier du creuset en une seule masse, et lorsqu'il est recuit et refroidi, dans la séparation des parties striées.

Il est digne de remarque que, quelque temps avant la mort de Guinand, une commission de la Société astronomique de Londres, composée de Herschel, Faraday, Dollond et Roget, fut chargée de faire une enquête sur la fabrication du cristal pour l’optique, et arriva à cette conclusion que le perfectionnement nécessaire serait principalement mécanique et non chimique, et que l’absence des stries ne pourrait être obtenue que par la constante agitation du mélange.

Faraday, qui s’occupa spécialement du plomb, à la fois dans son laboratoire et dans la verrerie de MM. Pellatt, changea néanmoins la composition et produisit un borate de plomb d’une pureté remarquable. Cette substance, connue sous le nom de verre lourd de Faraday, qui est devenue si importante dans les expériences relatives à la polarisation de la lumière par l’action magnétique, est formée des composés

suivants :

Protoxyde de plomb . 104

Silicate de plomb . 24

Acide borique sec ...... 25

Ce verre fond à une très basse température, mais il est trop altérable à l'air et pour cette raison a été abandonné.

Henry Guinand, après s’être séparé de M. Bontemps, fonda une petite usine à Paris et il y obtint des produits remarquables, Àrago, Dumas, Thénard, qui suivaient cette fabrication avec intérêt, l’aidèrent à obtenir des récompenses bien méritées (1838-39).

M. Feil succéda à H. Guinand, son grand-père, en 1848, et non seulement soutint dignement la réputation de ses ancêtres, mais M. Feil est reconnu aujourd’hui par tous les astronomes comme ayant été le premier fabricant de verres d’optique.

Le flint de la grande lunette de 29 pouces de l’Observatoire de Paris est de M. Feil ; il en est de même pour l’objectif de 70 centimètres destiné à l’Observatoire de Vienne et travaillé en Angleterre par M. Grubb, de Dublin ; de même pour les objectifs de GO et de 80 cm travaillés par l’Américain Clarck. M. Mantois — successeur de M. Feil — a fabriqué un disque de 0D,96. La plupart des grands opticiens d’Allemagne, d’Angleterre même et d’Amérique, demandent à M. Mantois les verres qui leur sont nécessaires,

Voici quelques compositions de crown et de flint, qui nous ont été données par M. Feil :

Crown.

Pour objectifs de longue vue

Sable . 100

Carbonate de potasse . 35

— de soude . 10

— de chaux . 15

Indice de réfraction, raie D = 1,514

Pour photographie D = 2,54

Sable . 100

Carbonate de potasse . 31

— de soude . 10

— de chaux . 15

Minium . 5

Indice de réfraction, raie D = 1,5347

Flint .

Pour objectifs de longue vue

Sable . 100

Minium . 105

Carbonate de potasse . 14

Nitrate de potasse . 6

Oxyde de manganèse (MnO2) . . 0,100

Indice de réfraction, raie D = 1,6280

Flint léger pour objectifs photographiques D = 3,20

Sable . 100

Minium . 70

Carbonate de potasse . 18

Nitrate de potasse . 5

Acide borique . 6

Oxyde de manganèse (MnO2) . .. 0,120

Indice de réfraction, raie D = 1,5863

3"'e PARTIE : LES VERRES D’OPTIQUE

Fabrication. — La fabrication du verre d’optique ne diffère, en réalité, de la fabrication des autres verres que par les procédés employés pour débarrasser le verre des stries qui tendent à s’y produire.

Ce verre est fabriqué dans des petits fours circulaires ne contenant qu’un seul creuset de la forme employée généralement dans les cristalleries — chaque pot ou creuset ne sert naturellement que pour une fonte, puisque le verre reste dans le creuset jusqu’au refroidissement absolu, — d’où il est retiré en une seule masse de 400 kg. environ.

Le verre étant fondu et parfaitement affiné, est brassé, par intervalles, pendant une période variant de douze à vingt-quatre heures suivant la nature du verre, à l’aide d’un cylindre en terre réfractaire de la hauteur du verre dans le creuset, et de 80 à 100 mm de diamètre. Ce cylindre est creux de manière à flotter naturellement à la surface du

verre. L’ouverture pratiquée à la partie supérieure de ce cylindre est carrée, de manière à recevoir l’extrémité d’un crochet en fer supporté à mi-longueur par une servante et que manie un ouvrier placé à l’autre extrémité, à l’aide d’une traverse en bois passée dans l’œil du crochet.

Ce brassage est répété toutes les deux ou trois heures, jusqu’à disparition complète des stries du verre; cette disparition est la conséquence de l’homogénéité parfaite de la masse.

Il va de soi que le brassage du crown-glass est plus rapidement exécuté que celui du flint-glass, et quel que soit le verre à obtenir, la durée de ce brassage augmente avec le poids spécifique du verre qui présente d’autant plus de couches de densités différentes, qu’il est plus dense.

Une fois la masse parfaitement affinée, épurée et brassée, le dernier brassage ayant été conduit jusqu’à ce que la masse de verre ait pris une

LA VERRQRIE AU XXe SIÈCLE

assez grande consistance, le creuset plein de verre est retiré du four et mis à recuire dans une arche spéciale. Lorsque la masse est absolument refroidie, le bloc de verre est isolé et à l’aide de faces rendues

parallèles et polies, on examine l’état de pureté de la brasse. Sfi l’ensemble est satisfaisant et ne présente que quelques petits défauts se trouvant sur les bords, ces défauts sont enlevés à l’aide des sciages partiels.

Une fois qu’on a obtenu un bloc de verre absolument pur, ayant

le volume et le poids voulu, il ne reste plus qu’à le mouler, dans une arche spéciale, pour l’amener à la forme du disque demandé.

Pour les grands disques, cette opération demande de grands soins et un temps assez long pour réchauffement graduel de la masse que le moindre coup de feu trop précipité ferait voler en éclats.

Quand on a acquis une température assez élevée pour que, à l’aide de certains outils, on puisse manipuler ce morceau de verre ( mais sans amener ce verre à une température à laquelle il pourrait s’altérer), on lui fait prendre la forme et l’épaisseur voulues èt on clôt hermétiquement l’arche pour que la recuisson soit parfaite. On juge de

3"‘e PARTIE : LES VERRES D’OPTIQUE

lu réussite de cette dernière partie de l’opération par l’examen d’un rayon de lumière réfléchi au travers de la masse et d’un prisme de Nichols.

La fabrication des verres d’optique présente des difficultés considérables dont le lecteur pourra se faire une idée par la lecture de la description ci-après qui en est faite par M. Mantois l’habile verrier opticien.

« Les fours de verrerie d’optique ne contiennent qu’un seul creuset; ce sont des fours à réverbère chauffés par une ou deux grilles.

« Le four étant complètement froid et ouvert, on y introduit un creuset en terre réfractaire, parfaitement sec, ayant la forme d’un énorme cylindre, d’un mètre de haut environ, terminé par un dôme et portant sur l’avant une ouverture, en forme de petite porte, appelée la gueule.

« On mure ensuite le four, de manière à ne laisser passer que l’extrémité de la gueule du creuset ; c’est par là qu’on introduira les matières vitrifiables et que l’on procédera à l’opération du brassage.

«La contenance des creusets varie de 600 à 1 000 kg., suivant la densité du verre. A grandeur égale, un creuset peut contenir environ 700 kg. de crovvn ou 1 000 kg. de flint. Ce sont là les deux grandes divisions généralement adoptées pour les verres d’optiques. Malgré des compositions très diverses, on peut dire que les crowns sont des silicates de potasse, de soude ou de chaux et que les flints sont des silicates de potasse et de plomb.

« Le creuset, une fois placé et muré dans le four, est chauffé lentement et en observant les plus grandes précautions pour éviter sa rupture, d’abord à feu doux, puis, de plus en plus fort, pour arriver au rouge blanc au bout de trente heures environ.

« On commence alors à enfourner par la gueule les matières vitrifiables, par quantités successives, en prenant pour base le degré de moussage de la composition. En effet, quand on a introduit dans le creuset un mélange de sable, de potasse, de soude, d’acide borique, de chaux, de minium, etc., il se produit un bouillonnement et un gonflement des matières tels, que si l’on remplissait trop le creuset, la plus grande partie de la composition s’échapperait en coulant dans le four et les foyers. J1 faut donc attendre, après un premier enfournement, que les bouillons soient tombés avant d’en faire un second. Il faut de quinze à dix-huit heures d’enfournements successifs pour que le creuset arrive à être complètement rempli.

« Huit à rlix heures après le dernier enfournement, le creuset étant complètement plein, la période de l’affinage commence. Jusque là, la matière s’est bien vitrifiée, mais elle est remplie de bulles et ressemble en quelque sorte à de la mousse de savon. On chauffe alors le verre à un degré aussi élevé que possible, suivant sa nature; je puis môme dire, quelquefois, à outrance, pendant un certain nombre d’heures. Je dis à outrance , car pour certains crowns très durs, on arrive à des températures qui s’élèvent jusqu’au voisinage de 1 600 à 1 800 degrés ; heureux quand les creusets ne se déchirent pas sous l’influence du feu, car, à ces températures, les briques les plus réfractaires arrivent à fondre elles-mêmes, et fours et creusets sont, en bien peu de temps, hors de service.

« Cette période de chauffe varie de vingt à trente heures , au bout de ce temps, on prélève dans la masse des échantillons de verre, au moyen de petites cuillères ; ces échantillons, refroidis rapidement, ont alors la forme de demi-sphères que l’on examine à la loupe, dans des conditions d’éclairage variées ; c’est ainsi qu’on doit juger du degré d’affinage auquel le verre est parvenu.

« Ce n’est qu’aprôs avoir trouvé sans bulles plusieurs échantillons ainsi pris, qu’on arrête, ou du moins qu’on suspend la période de grand feu.

« Le creuset est alors débouché : on enlève une certaine partie de la surface du verre, faisant ainsi ce qu’on appelle l’écrémage. Cette opération a pour but de bien débarrasser le creuset de toutes les impuretés qui auraient pu monter à la surface du verre.

« Il nous faut maintenant procéder à la plus importante de toutes les opérations, c’est-à-dire au brassage. Il est nécessaire, en effet, de mélanger toutes les parties vitrifiées d une façon intime: or, les verres ont une constitution analogue à celle des alliages ; ils sont formés de silicates de composition définie, maintenus en dissolution dans des silicates basiques qui jouent le rôle de fondants et s’opposent à la cristallisation des premiers ; aussi rien n’est moins aisé que d’éviter la séparation de ces éléments hétérogènes et de s’opposer à la liquation qui engendre les fils. Pour obtenir l’homogénéité complète, il faut arriver progressivement, par le moyen du brassage, à mélanger le verre de telle sorte, qu’au bout d’un certain nombre d’heures, quand il sera solidifié, il ait la même composition chimique et la même densité dans toutes les parties de sa masse.

« Dans ce but, on introduit dans le creuset un cylindre en terre réfractaire, en forme de crochet, préalablement chauffé à blanc, dans un four spécial.

3me PARTIE : LES VERRES D’OPTIQUE

« Ce crochet est emmanché au bout d’une longue barre de fer, suspendue elle-même par une chaîne à un point élevé au-dessus du four ; un manche en bois, en forme de traverse, est placé à l’extrémité de la barre; on peut donc, au moyen de cette traverse et de la suspension •> imprimer au cylindre ou agitateur un mouvement de va-et-vient et de rotation et agiter ainsi, dans le creuset, la masse de verre a ce moment aussi fluide que de l’eau.

« Pour ce travail excessivement pénible, comme on peut le penser, quatre hommes, formant équipe, se relaient de cinq en cinq minutes, manœuvant à tour de rôle l’agitateur, suivant les indications qui leur sont données. C’est, en effet, l’expérience seule et de nombreux essais, qui permettent de juger de quelle façon on doit brasser telle ou telle espèce de verre.

« Les hommes ne peuvent pas supporter ce travail plus de cinq minutes sans interruption, surtout pendant les premières heures de brassage, pendant lesquelles le rayonnement de la chaleur est tel qu’ils sont obligés de porter des gants et des manches en toiles d’amiante ; de plus, la sueur du front leur coule dans les yeux et les aveugle momentanément.

« Si au bout d’un certain temps de brassage, une heure ou deux par exemple, il se reproduit des bulles dans la masse de verre, on arrête le brassage, on retire l’agitateur, on bouche de nouveau le creuset que l’on recommençe à chauffer à nouveau, jusqu’à ce que les prises d’échantillons indiquent que les gaz ont disparu.

« Suppossons qu’il 11e s’en soit pas reformé, 011 continue le brassage et ce, pendant dix à quinze heures, en ayant soin, pendant ce temps, d’abaisser progressivement la température en diminuant le feu méthodiquement.

« Après les premières heures de brassage, le verre, de très fluide qu’il était, s’épaissit et devient de plus en plus pâteux, jusqu’à acquérir une consistance telle, qu’il devient très difficile de remuer l’agitateur.

« Lorsqu’il n’y a plus à craindre que la température remonte et qu’il se produise une nouvelle séparation des éléments du verre, on retire avec précaution l’agitateur et on jette bas les feux.

« Pendant cinq ou six heures, la totalité du verre est abandonnée à un refroidissement rapide, jusqu’à ce que sa surface, frappée par un instrument de fer, rende un son franchement cristallin. Le four est alors bon à boucher.

« Après avoir, pendant cinq ou six heures, cherché par le refroidis-

sement rapide, une solidification complète, il faut maintenant recuire la masse pour éviter ce que l’on nomme la trempe.

« Un bloc de verre refroidi trop rapidement se trouve, à la sortie du four, dans un tel état de tension moléculaire, qu’il suffit souvent d’un léger choc pour le faire éclater en mille morceaux comme une simple larve batavique. Le recuit a donc pour but d’éviter, autant que possible, cette tension moléculaire.

« Pour arriver au refroidissement lent, on mure complètement le four et ses foyers, on l’isole de telle façon qu’aucun courant d’air ne puisse le frapper brusquement. Pour les fontes de verres ordinaires, le refroidissement dure de dix à quinze jours et quand dans les fontes spéciales on cherche à obtenir de gros blocs, on maintient la durée du refroidissement jusqu’à un mois et même six semaines.

« Au bout de ce temps, la masse du four ôtant complètement froide, on l’ouvre et on isole le creuset dans lequel le verre s’est brisé en morceaux plus ou moins gros.

« C’est encore là une des grandes différences qui existent entre la fabrication du verre ordinaire et celle du verre d’optique. Ainsi, au lieu de pouvoir se servir d’un creuset pendant plusieurs semaines en y faisant des fontes successives, comme dans la verrerie ordinaire, le verrier d’optique se trouve dans la nécessité de perdre le creuset à chaque opération.

« Après avoir sorti tous les morceaux de verre contenus dans le creuset, des ouvriers spéciaux étudient à la loupe chaque morceau séparément.

« On est bien parvenu par le brassage, à mélanger le verre d’une façon absolument intime, mais malheureusement, pendant la solidification progressive, on a formé des couches de ces fils. Il est en effet facile de comprendre que les parois et la surface du creuset se sont refroidies plus vite que le centre et le fond, et que pendant les dernières heures du brassage, le tour et la surface se solidifiant progressivement ont cessé d’avoir un mouvement proportionnel à celui des parties les plus chaudes; il s’est alors produit un glissement circulaire des molécules du verre, qui donne, sur une épaisseur de 10 cm environ, un véritable enroulement de fils excessivement fins.

« En outre, en retirant l’agitateur que l’on a ramené le plus près possible de la paroi du creuset, on a produit dans la masse une espèce d’arrachement qui ne peut mieux se comparer qu’à celui d'une cuillère dans un pot de mélasse.

3"ie PARTIE : LES VERRES D’OPTIQUE

« Tout compte fait, on doit donc s’attendre, malgré tous les soins, à trouver dans ces blocs de verre des parties souillées de fils qui représenteront souvent 50 0/0 de la masse totale.

« Les morceaux sont donc étudiés séparément à la loupe en utilisant un éclairage spécial qui permet de découvrir aisément les parties qui renferment des fils et qui sont enlevées soit au marteau, soit avec des meules de fonte sur lesquelles tombe du silex en poudre ou de l’émeri.

« Une fois reconnus bons, ces morceaux sont placés, suivant leur grosseur, dans des moules en terre réfractaire et portés dans les fours de moulage.

« Ces fours de moulage, contrairement aux fours de fusion, ne sont chauffés qu’à des températures relativement basses, c’est-à-dire ne dépassant pas 800 à 900 degrés. Dans ces fours, les blocs de verre s’échauffent lentement jusqu’à se ramollir et à s'étaler dans les moules dont ils prennent la forme.

« Cette opération demande une grande surveillance de la part de celui qui la conduit; en effet, il faut bien ramollir le verre, mais il faut bien se garder de le laisser rentrer en fusion, car le travail chimique recommencerait, et, par cela même, le bouillonnement : tout serait perdu.

« Après le moulage du verre, on le recuit avec des précautions analogues à celles qu’on a prises pour les creusets entiers, et une fois les fours refroidis, les plateaux sont retirés de leurs moules et polis sur les tranches, examinés de nouveau et enfin livrés à l’opticien.

« Il nous suffira de dire que ces plateaux peuvent être coupés en morceaux et moulés de nouveau suivant les courbes que nous aura indiquées l’opticien. En prenant les mêmes précautions que pour le premier moulage, on peut faire varier la forme des verres suivant les moules que l’on emploie.

« Nous allons suivre le travail qu’il nous a fallu effectuer pour arriver à produire la grande lentille de crown de lm,05 de diamètre de l’objectif du grand équatorial de M. Yerkes, à Chicago.

« Au mois de décembre 1887, j’avais la satisfaction de trouver, dans un de mes creusets, un énorme bloc de crown qui, après un premier examen, me sembla assez pur pour fournir la matière du grand disque. Ce bloc fut extrait du four et amené sur un chariot (fig 62) ayant encore adhérents les morceaux du creuset, ainsi que vous pouvez le voir en examinant sa base.

« Après lin premier travail d’épluchage (fig. 63), un examen plus minutieux par les cassures ayant confirmé mon opinion première, je fis

Fig. C2. — Bloc de crown à sa sortie du four.

scier sur deux côtés parallèles des tranches de verre (fig. 64) pour me permettre de faire des facettes polies facilitant un examen approfondi.

« Le bloc pesait alors 240 kg. et présentait l’aspect delà fig. 65 après qu’on eût poli ses deux faces.

Fig. 63. — Bloc de crown après un premier Fig. 61. — Bloc de crown après lo sciage

épluchage. de tranches parallèles.

« En faisant passer à travers du verre des rayons lumineux et en l’examinant au collimateur, je découvris un certain nombre de stries, affectant particulièrement son pourtour, et qu’il me fut possible d’enlever au moyen de nouveaux sciages, ainsi que par l’emploi de la meule, comme je l’ai expliqué plus haut.

« Le verre présen ait encore après ce travail un certain nombre de défauts, mais trop profondément situés pour pouvoir être atteints. Je me décidai donc à procéder à un premier moulage pour changer la forme du verre et tenter de rapprocher de la surface les défauts profonds.

VERRERIES PARRA-MANTOIS et Cle

:iage à l’archet (vers 1880) d’un bloc de verre pour Astronomie.