EP1625353A1 - Solid-state gyrolaser stabilised by acousto-optical devices - Google Patents

Solid-state gyrolaser stabilised by acousto-optical devices

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EP1625353A1
EP1625353A1 EP04741486A EP04741486A EP1625353A1 EP 1625353 A1 EP1625353 A1 EP 1625353A1 EP 04741486 A EP04741486 A EP 04741486A EP 04741486 A EP04741486 A EP 04741486A EP 1625353 A1 EP1625353 A1 EP 1625353A1
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EP
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optical
cavity
propagating
counter
gyrolaser
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Withdrawn
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EP04741486A
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German (de)
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Gilles Thales Intellectual Property FEUGNET
Didier Thales Intellectual Property ROLLY
Jean-Paul Thales Intellectual Property POCHOLLE
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Thales SA
Original Assignee
Thales SA
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/58Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/64Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
    • G01C19/66Ring laser gyrometers

Abstract

The invention relates to solid state gyrolasers. A major problem inherent with said technique is that the optical cavity of this type of laser is by nature very unstable. According to the invention, said instability may be reduced by introduction into said cavity (1) of controlled optical losses, depending on the sense of propagation, by means of acousto-optical devices. Several devices are disclosed, using different configurations of acousto-optical devices. Said devices are particularly of application to lasers with monolithic cavities and, in particular, to lasers of the neodymium-YAG type.

Description

GYROLASER A ETAT SOLIDE STABILISE PAR DES DISPOSITIFS SOLID STATE GYROLASER STABILIZED BY DEVICES
ACOUSTO-OPTIQUESACOUSTO-OPTICAL
Le domaine de l'invention est celui des gyrolasers à état solide utilisés pour la mesure des vitesses de rotation. Ce type d'équipement est notamment utilisé pour les applications aéronautiques.The field of the invention is that of solid-state gyrolasers used for the measurement of rotational speeds. This type of equipment is used in particular for aeronautical applications.
Le gyrolaser, mis au point il y a une trentaine d'années, est largement commercialisé et utilisé de nos jours. Son principe de fonctionnement est fondé sur l'effet Sagnac, qui induit une différence de fréquence Δv entre les deux modes optiques d'émission se propageant en sens opposé, dits contre-propageants, d'une cavité laser en anneau bidirectionnelle animée d'un mouvement de rotation. Classiquement, la différence de fréquence Δv est égale à :The laser gyrolaser, developed around thirty years ago, is widely marketed and used today. Its operating principle is based on the Sagnac effect, which induces a frequency difference Δv between the two optical emission modes propagating in opposite directions, called counter-propagating, of a laser cavity in bidirectional ring animated by a rotational movement. Conventionally, the difference in frequency Δv is equal to:
Δv = 4AΩ /λLΔv = 4AΩ / λL
où L et A sont respectivement la longueur et l'aire de la cavité ; λ est la longueur d'onde d'émission laser hors effet Sagnac ; Ω est la vitesse de rotation de l'ensemble. La mesure de Δv obtenue par analyse spectrale du battement des deux faisceaux émis permet de connaître la valeur de Ω avec une très grande précision.where L and A are respectively the length and the area of the cavity; λ is the laser emission wavelength excluding the Sagnac effect; Ω is the rotational speed of the assembly. The measurement of Δv obtained by spectral analysis of the beat of the two emitted beams makes it possible to know the value of Ω with very high precision.
On démontre également que le gyrolaser ne fonctionne correctement qu'au-delà d'une certaine vitesse de rotation nécessaire pour diminuer l'influence du couplage entre modes. La plage de vitesse de rotation située en deçà de cette limite est appelée classiquement zone aveugle.We also demonstrate that the laser gyro only works correctly above a certain speed required to reduce the influence of the coupling between modes. The rotational speed range located below this limit is conventionally called blind zone.
La condition d'observation du battement, et donc de fonctionnement du gyrolaser, est la stabilité et la relative égalité des intensités émises dans les deux directions. Son obtention n'est pas a priori chose aisée en raison du phénomène de compétition entre modes, qui fait que l'un des deux modes contre-propageants peut avoir tendance à monopoliser le gain disponible, au détriment de l'autre mode.The condition for observing the beat, and therefore for operating the laser gyro, is the stability and the relative equality of the intensities emitted in the two directions. Obtaining it is not a priori easy thing because of the phenomenon of competition between modes, which makes that one of the two counter-propagating modes may tend to monopolize the gain available, to the detriment of the other mode.
Ce problème est résolu dans les gyrolasers usuels par l'utilisation d'un milieu d'amplification gazeux, généralement un mélange d'Hélium -Néon, fonctionnant à température ambiante. La courbe de gain du mélange gazeux présente un élargissement Doppler dû à l'agitation thermique des atomes. Les seuls atomes susceptibles de fournir du gain à un mode de fréquence donnée sont ainsi ceux dont la vitesse induit un décalage Doppler de la fréquence de transition qui amène l'atome à résonance avec le mode en question. En forçant l'émission laser à avoir lieu ailleurs qu'au centre de la courbe de gain (par ajustement piézoélectrique de la longueur du chemin optique), on s'assure que les atomes à résonance avec la cavité ont une vitesse non nulle. Ainsi, les atomes pouvant contribuer au gain dans l'une des deux directions ont des vitesses opposées à celles des atomes pouvant contribuer au gain dans la direction opposée. Tout se passe donc comme s'il y avait deux milieux amplificateurs indépendants, un pour chaque direction. La compétition entre les modes ayant ainsi disparu, on obtient une émission bidirectionnelle stable et équilibrée (en pratique, pour pallier d'autres problèmes, on utilise un mélange de deux isotopes différents du Néon). Le caractère gazeux du milieu amplificateur est toutefois une source de complications techniques lors de la réalisation du gyrolaser (notamment en raison de la grande pureté de gaz requise) et d'usure prématurée lors de son utilisation (fuite de gaz, détérioration des électrodes, haute tension utilisées pour établir l'inversion de population...).This problem is resolved in conventional gyrolasers by the use of a gaseous amplification medium, generally a mixture of Helium -Neon, operating at room temperature. The gain curve of the gas mixture has a Doppler enlargement due to the thermal agitation of the atoms. The only atoms capable of providing gain to a given frequency mode are thus those whose speed induces a Doppler shift of the transition frequency which brings the atom to resonance with the mode in question. By forcing the laser emission to take place elsewhere than at the center of the gain curve (by piezoelectric adjustment of the length of the optical path), it is ensured that the atoms resonating with the cavity have a non-zero speed. Thus, the atoms which can contribute to the gain in one of the two directions have opposite speeds to those of the atoms which can contribute to the gain in the opposite direction. Everything therefore happens as if there were two independent amplifying media, one for each direction. The competition between the modes having thus disappeared, a stable and balanced bidirectional emission is obtained (in practice, to overcome other problems, a mixture of two different isotopes of Neon is used). The gaseous nature of the amplifying medium is however a source of technical complications during the production of the laser gyro (in particular because of the high purity of gas required) and of premature wear during its use (gas leakage, deterioration of the electrodes, high voltage used to establish population inversion ...).
Actuellement, il est possible de réaliser un gyrolaser à état solide fonctionnant dans le visible ou le proche infra-rouge en utilisant, par exemple, un milieu amplificateur à base de cristaux de YAG (Yttrium- Aluminium-Grenat) dopé au Néodyme à la place du mélange gazeux Hélium- Néon, le pompage optique étant alors assuré par des diodes laser fonctionnant dans le proche infra-rouge. On peut également utiliser comme milieu amplificateur un matériau semi -conducteur, une matrice cristalline ou un verre dopé avec des ions appartenant à la classe des terres rares (Erbium, Ytterbium...). On supprime ainsi, de facto, tous les problèmes inhérents à l'état gazeux du milieu amplificateur. Toutefois, une telle réalisation est rendue très difficile par le caractère homogène de l'élargissement de la courbe de gain des milieux solides qui induit une très forte compétition entre modes et l'existence d'un grand nombre de régimes de fonctionnement différents, parmi lesquels le régime bidirectionnel équilibré en intensité (dit "régime de battement") est un cas particulier très instable (N. Kravtsov, E. Lariotsev, Self-modulation oscillations and relaxations processes in solid-state ring lasers, Quantum Electronics 24 (10) 841 -856 (1994)). Cet obstacle physique majeur a fortement limité jusqu'à maintenant le développement des gyrolasers à état solide.Currently, it is possible to produce a solid state gyrolaser operating in the visible or near infrared using, for example, an amplifying medium based on YAG crystals (Yttrium-Aluminum-Garnet) doped with Neodymium. of the helium-neon gas mixture, the optical pumping then being ensured by laser diodes operating in the near infrared. A semiconductor material, a crystal matrix or a glass doped with ions belonging to the rare earth class (Erbium, Ytterbium ...) can also be used as the amplifying medium. This eliminates, de facto, all the problems inherent in the gaseous state of the amplifying medium. However, such realization is made very difficult by the homogeneous character of the widening of the gain curve of solid media which induces a very strong competition between modes and the existence of a large number of different operating regimes, among which the balanced bidirectional regime in intensity (called "beat regime") is a very unstable special case (N. Kravtsov, E. Lariotsev, Self-modulation oscillations and relaxations processes in solid-state ring lasers, Quantum Electronics 24 (10) 841 -856 (1994 )). This major physical obstacle has so far severely limited the development of solid state gyrolasers.
Pour pallier cet inconvénient, une solution technique consiste à atténuer les effets de la compétition entre modes contre-propageants dans un laser en anneau à état solide en introduisant dans la cavité des pertes optiques dépendantes du sens de propagation du mode optique et de son intensité. Le principe est de moduler par un dispositif d'asservissement ces pertes en fonction de la différence d'intensité entre les deux modes émis afin de favoriser le mode le plus faible au détriment de l'autre, de façon à constamment asservir l'intensité des deux modes contre-propageants à une valeur commune.To overcome this drawback, a technical solution consists in attenuating the effects of the competition between counter-propagating modes in a solid state ring laser by introducing into the cavity optical losses dependent on the direction of propagation of the optical mode and its intensity. The principle is to modulate these losses by a slaving device according to the difference in intensity between the two modes emitted in order to favor the weakest mode to the detriment of the other, so as to constantly enslave the intensity of the two counter propagating modes with a common value.
En 1984, il a été proposé de réaliser un dispositif d'asservissement dans lequel les pertes étaient obtenues au moyen d'un ensemble optique composé essentiellement d'un élément à effet Faraday variable et d'un élément polarisant (A.V. Dotsenko, E.G. Lariontsev, Use of a feedback circuit for the improvement of the characteristics of a solid-state ring laser, Soviet Journal of Quantum Electronics 14 (1) 117-118 (1984) — A.V. Dotsenko, LS. Komienko, N.V. Kravtsov, E.G. Lariontsev, O.E. Nanii, A.N. Shelaev, Use of a feedback loop for the stabilization of a beat régime in a solid-state ring laser, Soviet Journal of Quantum Electronics 16 (1 ) 58-63 (1986)).In 1984, it was proposed to produce a servo device in which the losses were obtained by means of an optical assembly essentially consisting of an element with a variable Faraday effect and a polarizing element (AV Dotsenko, EG Lariontsev, Use of a feedback circuit for the improvement of the characteristics of a solid-state ring laser, Soviet Journal of Quantum Electronics 14 (1) 117-118 (1984) - AV Dotsenko, LS. Komienko, NV Kravtsov, EG Lariontsev, OE Nanii , AN Shelaev, Use of a feedback loop for the stabilization of a beat regime in a solid-state ring laser, Soviet Journal of Quantum Electronics 16 (1) 58-63 (1986)).
Le principe de ce dispositif d'asservissement est illustré en figure 1. Il consiste à introduire dans une cavité 1 en anneau, constituée de 3 miroirs 11 , 12 et 13 et d'un milieu amplificateur 19, un ensemble optique disposé sur le trajet des modes optiques contre-propageants 5 et 6, ledit ensemble étant constitué d'un élément polarisant 71 et d'un barreau optique 72 à effet Faraday entouré d'une bobine d'induction 73. A la sortie de la cavité 1 , les deux modes optiques 5 et 6 sont envoyés sur une photodiode de mesure 3. Une partie de ces faisceaux 5 et 6 est prélevée au moyen des deux lames semi -réfléchissantes 43 et envoyée sur les deux photodétecteurs 42. Les signaux issus de ces deux photodétecteurs sont représentatifs de l'intensité lumineuse des deux modes optiques contre-propageants 5 et 6. Lesdits signaux sont envoyés à un module électronique d'asservissement 4, qui génère une intensité électrique proportionnelle à la différence d'intensité lumineuse entre les deux modes optiques. Cette intensité électrique détermine la valeur des pertes infligées à chacun des modes contre- propageants 5 et 6. Si un des faisceaux a une intensité lumineuse supérieure à l'autre, son intensité sera plus atténuée, de façon à ramener les faisceaux de sortie au même niveau d'intensité. On stabilise ainsi le régime bidirectionnel en intensité.The principle of this servo device is illustrated in Figure 1. It consists in introducing into a ring cavity 1, consisting of 3 mirrors 11, 12 and 13 and an amplifying medium 19, an optical assembly arranged on the path of the counter-propagating optical modes 5 and 6, said assembly consisting of a polarizing element 71 and an optical bar 72 with Faraday effect surrounded by an induction coil 73. On leaving the cavity 1, the two optical modes 5 and 6 are sent to a measuring photodiode 3. A portion of these beams 5 and 6 is taken by means of the two semi-reflective plates 43 and sent to the two photodetectors 42. The signals from these two photodetectors are representative of the light intensity of the two counter-propagating optical modes 5 and 6. Said signals are sent to an electronic module for servo 4, which generates an electrical intensity proportional to the difference in light intensity between the two optical modes. This electrical intensity determines the value of the losses inflicted on each of the counter propagating modes 5 and 6. If one of the beams has a light intensity greater than the other, its intensity will be more attenuated, so as to bring the output beams to the same intensity level. This stabilizes the bidirectional intensity regime.
Un gyrolaser à état solide ne peut fonctionner, selon ce principe, que si les paramètres du dispositif d'asservissement sont adaptés à la dynamique du système. Pour que le dispositif d'asservissement puisse donner des résultats corrects, trois conditions doivent être remplies : • Les pertes supplémentaires introduites dans la cavité par le dispositif d'asservissement doivent être du même ordre de grandeur que les pertes propres de la cavité.A solid state laser gyro can only function, according to this principle, if the parameters of the servo device are adapted to the dynamics of the system. In order for the servo device to give correct results, three conditions must be met: • The additional losses introduced into the cavity by the servo device must be of the same order of magnitude as the own losses of the cavity.
• La vitesse de réaction du dispositif d'asservissement doit être supérieure à la vitesse de variation des intensités des modes émis de façon que l'asservissement fonctionne de façon satisfaisante.• The reaction speed of the servo device must be greater than the speed of variation of the intensities of the modes emitted so that the servo operates satisfactorily.
• Enfin, la force de rétroaction du dispositif d'asservissement doit être suffisante pour que l'effet induit dans la cavité compense efficacement les variations d'intensité.• Finally, the feedback force of the servo device must be sufficient for the effect induced in the cavity to effectively compensate for variations in intensity.
Les équations dites de Maxwell -Bloch permettent de connaître les amplitudes complexes Eι,2 des champs des modes optiques contre- propageants, ainsi que la densité N d'inversion de population. Elles sont obtenues en utilisant un modèle semi-classique (N. Kravtsov, E. Lariotsev, Self-modulation oscillations and relaxations processes in solid-state ring lasers, Quantum Electronics 24(10) 841 -856 (1994)).The so-called Maxwell -Bloch equations make it possible to know the complex amplitudes Eι, 2 of the fields of the counter-propagating optical modes, as well as the density N of population inversion. They are obtained using a semi-classical model (N. Kravtsov, E. Lariotsev, Self-modulation oscillations and relaxations processes in solid-state ring lasers, Quantum Electronics 24 (10) 841 -856 (1994)).
Ce sont :Those are :
Equation 1 : dEι,2/dt= - (ω/20ι,2)Eι,2 + i(mι>2/2) E2,ι ± i(Δv/2) Eι,2 + (σ/2T)(E1 ι2f Ndx + E2ι1 f Ne^d )Equation 1: dEι, 2 / dt = - (ω / 20ι, 2 ) Eι, 2 + i (mι > 2/2) E 2 , ι ± i (Δv / 2) Eι, 2 + (σ / 2T) ( E 1 ι2 f Ndx + E 2ι1 f Ne ^ d)
Equation 2 : dN/d = W - (N/Ti) - (a/Tι)N | Eιe"ikx + E2eikx I 2 où les indices 1 et 2 sont représentatifs des deux modes optiques contre-propageants ; ω est la fréquence d'émission laser hors effet Sagnac ;Equation 2: dN / d = W - (N / Ti) - (a / Tι) N | Eιe "ikx + E 2 e ikx I 2 where the indices 1 and 2 are representative of the two counter-propagating optical modes; ω is the laser emission frequency excluding the Sagnac effect;
,2 sont les facteurs de qualité de la cavité dans les deux sens de propagation ; mι,2 sont les coefficients de rétrodiffusion de la cavité dans les deux sens de propagation ; σ est la section efficace d'émission laser ;, 2 are the quality factors of the cavity in the two directions of propagation; mι, 2 are the backscatter coefficients of the cavity in the two directions of propagation; σ is the cross section of laser emission;
I est la longueur de milieu à gain traversée ;I is the length of gain medium crossed;
T = L/c est le temps de parcours de chaque mode de la cavité ; k = 2p/? est la norme du vecteur d'onde ;T = L / c is the travel time for each mode of the cavity; k = 2p /? is the standard of the wave vector;
W est le taux de pompage ; Ti est la durée de vie du niveau excité ; a, paramètre de saturation, est égal à σTi /8p ? ω.W is the pumping rate; Ti is the lifetime of the excited level; a, saturation parameter, is equal to σTi / 8p? ω.
Le second membre de l'équation 1 comprend quatre termes. Le premier terme correspond à la variation du champ due aux pertes de la cavité, le second terme correspond à la variation du champ induit par la rétrodiffusion d'un mode sur l'autre mode en présence d'éléments diffusants présents à l'intérieur de la cavité, le troisième terme correspond à la variation du champ due à l'effet Sagnac et le quatrième terme correspond à la variation du champ due à la présence du milieu amplificateur. Ce quatrième terme a deux composantes, la première correspond à l'émission stimulée, la seconde à la rétrodiffusion d'un mode sur l'autre mode en présence d'un réseau d'inversion de population au sein du milieu amplificateur.The second member of Equation 1 has four terms. The first term corresponds to the variation of the field due to losses of the cavity, the second term corresponds to the variation of the field induced by the backscattering from one mode to the other mode in the presence of diffusing elements present inside the cavity, the third term corresponds to the variation of the field due to the Sagnac effect and the fourth term corresponds to the variation of the field due to the presence of the amplifying medium. This fourth term has two components, the first corresponds to the stimulated emission, the second to the backscatter from one mode to the other mode in the presence of a population inversion network within the amplifying medium.
Le second membre de l'équation 2 comprend trois termes, le premier terme correspond à la variation de la densité d'inversion de population due au pompage optique, le second terme correspond à la variation de la densité d'inversion de population due à l'émission stimulée et le troisième terme correspond à la variation de la densité d'inversion de population due à l'émission spontanée.The second member of equation 2 comprises three terms, the first term corresponds to the variation of the population inversion density due to optical pumping, the second term corresponds to the variation in population inversion density due to stimulated emission and the third term corresponds to variation in population inversion density due to spontaneous emission.
Les pertes moyennes Pc dues à la cavité après une rotation complète du mode optique valent par conséquent :The average losses Pc due to the cavity after a complete rotation of the optical mode are therefore worth:
Pc = ωT/2G?ι,2 selon le premier terme du second membre de l'équation 1 .Pc = ωT / 2G? Ι, 2 according to the first term of the second member of equation 1.
Les pertes introduites par les dispositifs d'asservissement PA doivent être du même ordre de grandeur que ces pertes moyennes Pc- Ces pertes sont généralement de l'ordre du pour cent.The losses introduced by the control devices PA must be of the same order of magnitude as these average losses Pc- These losses are generally of the order of percent.
La vitesse de réaction du dispositif d'asservissement peut être caractérisée par la bande passante γ dudit dispositif d'asservissement. On démontre, en utilisant les équations 1 et 2 (A.V. Dotsenko, E.G. Lariontsev, Use of a feedback circuit for the improvement of the characteristics of a solid- state ring laser, Soviet Journal of Quantum Electronics 14 (1 ) 1 17-1 18 (1984) — AN. Dotsenko, L.S. Komienko, Ν.V. Kravtsov, E.G. Lariontsev, O.E. Νanii, A.Ν. Shelaev, Use of a feedback loop for the stabilization of a beat régime in a solid-state ring laser, Soviet Journal of Quantum Electronics 16 (1) 58-63 (1986)), qu'une condition suffisante d'établissement du régime bidirectionnel stable au-delà de la vitesse de rotation peut s'écrire : γ » ηω/[Oι,2(ΔvTι)2] avec η = (W-WSeuii) W. η correspond au taux relatif de pompage au-dessus du seuil Wseuii-The response speed of the servo device can be characterized by the bandwidth γ of said servo device. We demonstrate, using equations 1 and 2 (AV Dotsenko, EG Lariontsev, Use of a feedback circuit for the improvement of the characteristics of a solid-state ring laser, Soviet Journal of Quantum Electronics 14 (1) 1 17-1 18 (1984) - AN. Dotsenko, LS Komienko, Ν.V. Kravtsov, EG Lariontsev, OE Νanii, A.Ν. Shelaev, Use of a feedback loop for the stabilization of a beat regime in a solid-state ring laser, Soviet Journal of Quantum Electronics 16 (1) 58-63 (1986)), that a sufficient condition for establishing a stable bidirectional regime beyond the speed of rotation can be written: γ "ηω / [Oι , 2 ( ΔvTι) 2 ] with η = (WW S euii) W. η corresponds to the relative pumping rate above the threshold Wseuii-
A titre d'exemple, pour un taux relatif de pompage η de 10%, une fréquence optique ω de 18.1014, un facteur de qualité Qι,2 de 107, une différence de fréquence Δv de 15 kHz et une durée de vie du niveau excité Ti de 0,2 ms, la bande passante γ doit être supérieure à 40 kHz. Pour que la boucle fonctionne correctement, la relation suivante doit également être vérifiée : (ΔvTi)2 »1.For example, for a relative pumping rate η of 10%, an optical frequency ω of 18.10 14 , a quality factor Qι, 2 of 10 7 , a frequency difference Δv of 15 kHz and a lifetime of the excited level Ti of 0.2 ms, the passband γ must be greater than 40 kHz. For the loop to work correctly, the following relationship must also be checked: (ΔvTi) 2 »1.
Classiquement, la force de rétroaction du dispositif d'asservissement q est définie de la façon suivante : q = [(Q, - Q>)/( Q\ + Q»)] / [( - )/(*> + Iι)] avec Ii , I2 intensités lumineuses des deux modes contre- propageants.Conventionally, the feedback force of the servo device q is defined as follows: q = [(Q, - Q>) / (Q \ + Q ")] / [(-) / (*> + Iι) ] with Ii, I 2 light intensities of the two counter propagating modes.
Dans ce type d'application, on démontre que le paramètre q doit être supérieur à 1/(ΔvTι)2 pour que le dispositif d'asservissement puisse fonctionner correctement.In this type of application, it is shown that the parameter q must be greater than 1 / (ΔvTι) 2 for the servo device to be able to function correctly.
L'objet de notre invention est de proposer un dispositif stabilisateur pour gyrolaser à état solide comprenant un système d'asservissement entraînant des pertes optiques dépendant du sens de propagation en utilisant le phénomène de diffraction d'une onde lumineuse sur une onde acoustique. Cette solution présente plusieurs avantages significatifs sur les dispositifs de l'art antérieur. Elle est simple à mettre en œuvre puisqu'un seul type de composant doit être inséré dans la cavité, des dispositions particulières permettent de commander l'atténuation de chacun des modes contre-propageants quasi-indépendamment de l'autre.The object of our invention is to provide a stabilizing device for solid state laser gyro comprising a servo system causing optical losses dependent on the direction of propagation by using the phenomenon of diffraction of a light wave on an acoustic wave. This solution has several significant advantages over the devices of the prior art. It is simple to implement since only one type of component must be inserted into the cavity, special provisions make it possible to control the attenuation of each of the counter propagating modes almost independently of the other.
Plus précisément, l'invention a pour objet un gyrolaser comportant au moins une cavité optique en anneau comprenant au moins trois miroirs, un milieu amplificateur à l'état solide et un système d'asservissement, la cavité et le milieu amplificateur étant tels que deux modes optiques dits contre-propageants peuvent se propager en sens inverse l'un de l'autre à l'intérieur de ladite cavité optique, le système d'asservissement permettant de maintenir la quasi-égalité d'intensité des deux modes contre-propageants, caractérisé en ce que le système d'asservissement comporte au moins, à l'intérieur de la cavité, un modulateur acousto -optique, ledit modulateur comportant au moins un milieu optique d'interaction placé sur le trajet des modes optiques contre-propageants et un transducteur piézoélectrique générant dans le milieu optique d'interaction une onde acoustique périodique.More specifically, the subject of the invention is a laser gyro comprising at least one ring optical cavity comprising at least three mirrors, an amplifying medium in the solid state and a servo system, the cavity and the amplifying medium being such that two so-called counter-propagating optical modes can propagate in opposite directions to each other inside said optical cavity, the servo-control system making it possible to maintain the almost equal intensity of the two counter-propagating modes, characterized in that the servo system comprises at least, inside the cavity, an acousto-optical modulator, said modulator comprising at least one optical interaction medium placed on the path of the counter-propagating optical modes and a piezoelectric transducer generating in the optical interaction medium a periodic acoustic wave.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles :The invention will be better understood and other advantages will appear on reading the description which follows given without limitation and thanks to the appended figures among which:
• La figure 1 représente le principe de fonctionnement du dispositif d'asservissement selon l'art antérieur. • La figure 2 représente le principe général de la diffraction par un modulateur acousto-optique.• Figure 1 shows the operating principle of the control device according to the prior art. • Figure 2 shows the general principle of diffraction by an acousto-optical modulator.
• Les figures 3a et 3b représentent la construction des vecteurs d'onde des ondes diffractées par un modulateur acousto - optique dans les sens de propagation direct et inverse.• Figures 3a and 3b show the construction of the wave vectors of the waves diffracted by an acousto-optical modulator in the direct and reverse propagation directions.
• Les figures 4a et 4b représentent les efficacités de diffraction en fonction de l'angle d'incidence ou de la fréquence.• Figures 4a and 4b show the diffraction efficiencies as a function of the angle of incidence or the frequency.
• La figure 5 représente les pertes par diffraction comparées des deux modes optiques contre-propageants. • La figure 6 représente un schéma général du gyrolaser selon l'invention.• Figure 5 shows the comparative diffraction losses of the two counter-propagating optical modes. • Figure 6 shows a general diagram of the laser gyro according to the invention.
• Les figures 7a et 7b représentent une première variante et une seconde variante du dispositif selon l'invention comprenant deux modulateurs acousto-optiques. • La figure 8 représente une cavité laser monolithique comportant un dispositif selon l'invention.• Figures 7a and 7b show a first variant and a second variant of the device according to the invention comprising two acousto-optical modulators. • Figure 8 shows a monolithic laser cavity comprising a device according to the invention.
• La figure 9 représente une variante du dispositif précédent.• Figure 9 shows a variant of the previous device.
Un modulateur acousto-optique 2 comprend essentiellement une cale piézoélectrique 22 disposée contre un milieu d'interaction 21 transparent au rayonnement optique comme indiqué sur la figure 2. La cale piézoélectrique génère des ultrasons qui vont modifier les propriétés mécaniques et optiques du milieu d'interaction. Plus précisément, une modulation périodique de l'indice optique se produit dans le milieu qui se comporte alors comme un réseau de diffraction optique. Lorsqu'un faisceau lumineux F traverse le modulateur acousto-optique 2, une partie de son énergie est perdue par diffraction. L'énergie du faisceau diffracté D est maximale lorsque le faisceau incident a une direction bien particulière par rapport à l'onde acoustique, l'incidence de Bragg. L'interaction entre ces deux ondes est modélisée par l'interaction élastique entre un photon et un phonon. Cette interaction implique la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement.An acousto-optical modulator 2 essentially comprises a piezoelectric shim 22 disposed against an interaction medium 21 transparent to optical radiation as shown in FIG. 2. The piezoelectric shim generates ultrasound which will modify the mechanical and optical properties of the interaction medium . More precisely, a periodic modulation of the optical index occurs in the medium which then behaves like an optical diffraction grating. When a light beam F passes through the acousto-optical modulator 2, part of its energy is lost by diffraction. The energy of the diffracted beam D is maximum when the incident beam has a very specific direction with respect to the acoustic wave, the Bragg incidence. The interaction between these two waves is modeled by the elastic interaction between a photon and a phonon. This interaction involves the conservation of energy and momentum.
Les relations habituelles permettant de retrouver les caractéristiques du faisceau diffracté sont généralement établies en négligeant le décalage en fréquence de l'onde diffractée par rapport à l'onde incidente dans l'équation traduisant la conservation de la quantité de mouvement. On ne peut pas alors mettre en évidence des pertes dépendant du sens de propagation des modes optiques car le problème devient symétrique. Si ce décalage est pris en compte (R. Roy, P.A. Schulz and A.The usual relations making it possible to find the characteristics of the diffracted beam are generally established by neglecting the frequency shift of the diffracted wave with respect to the wave incident in the equation translating the conservation of the momentum. One cannot then highlight losses depending on the direction of propagation of the optical modes because the problem becomes symmetrical. If this offset is taken into account (R. Roy, PA Schulz and A.
Walther, Opt. Lett,12, 672 (1987) et J. Neev and F.V. Kowalski, Opt. Lett, 16, 378 (1991 )), on montre que la condition de Bragg pour les deux modes contre-propageants est différente. Autrement dit, les pertes par diffraction sont différentes pour les deux modes contre-propageants. Cette différence de pertes est faible mais elle est suffisante pour établir un système d'asservissement des modes optiques contre-propageants.Walther, Opt. Lett, 12, 672 (1987) and J. Neev and F.V. Kowalski, Opt. Lett, 16, 378 (1991)), we show that the Bragg condition for the two counter-propagating modes is different. In other words, the diffraction losses are different for the two counter propagating modes. This difference in losses is small but it is sufficient to establish a system for controlling the counter-propagating optical modes.
Une onde optique est caractérisée classiquement par son vecteur d'onde k, sa pulsation ? et sa longueur d'onde ?. Soit une onde incidente se propageant dans un sens donné pris arbitrairement comme positif, caractérisée par un vecteur d'onde k+ et une longueur d'onde ?o, la dite onde a un angle d'incidence 0^ correspondant à l'incidence de Bragg sur un milieu d'interaction d'indice optique n dans lequel se propage une onde acoustique caractérisée par un vecteur d'onde ks , une vitesse de propagation de l'onde acoustique Vs , une longueur d'onde ?s et une pulsation ?s. Dans le milieu d'interaction, l'onde diffractée de vecteur d'onde k^ se construit dans la direction θ^ comme indiqué sur la figure 3a.An optical wave is classically characterized by its wave vector k, its pulsation? and its wavelength?. Let an incident wave propagating in a given direction taken arbitrarily as positive, characterized by a wave vector k + and a wavelength? O, the said wave have an angle of incidence 0 ^ corresponding to the incidence of Bragg on an interaction medium of optical index n in which propagates an acoustic wave characterized by a wave vector k s , a speed of propagation of the acoustic wave Vs, a wavelength? S and a pulsation ? s. In the interaction medium, the diffracted wave vector wave k ^ is constructed in the direction θ ^ as shown in Figure 3a.
On a alors les relations :We then have the relationships:
-* → → c e + = kj + ks et ω* = ω^ + ωs avec k+ — = ω+ , + ά — = ω^ et ksVs = ωs n n c représentant la célérité de la lumière, +, d+ et ks représentant les normes des vecteurs d'onde associés.- * → → ce + = k j + k s and ω * = ω ^ + ω s with k + - = ω + , + ά - = ω ^ and k s V s = ω s nnc representing the speed of light , + , d + and ks representing the standards of the associated wave vectors.
En projetant sur l'axe Ox perpendiculaire à la direction de ks , on obtient : k* cos(θB) = kd Cθs(θd) Equation 1By projecting on the axis Ox perpendicular to the direction of k s , we obtain: k * cos (θB) = k d Cθs (θ d ) Equation 1
L'onde diffractée étant décalée en fréquence lors de l'interaction avec l'onde acoustique, k+ est différent de k et par conséquent l'angle d'incidence ?B+ est différent de l'angle de diffraction ?d + comme indiqué sur la figure 3a où cette différence est notablement exagérée dans un souci de clarté.The diffracted wave being shifted in frequency during the interaction with the acoustic wave, k + is different from k and consequently the angle of incidence? B + is different from the diffraction angle? d + as indicated on the Figure 3a where this difference is significantly exaggerated for the sake of clarity.
En projetant sur l'axe Oy parallèlement à ks , on obtient :By projecting on the axis Oy parallel to k s , we obtain:
-^ sin(θS)= K sin(θj)-ks Equation 2- ^ sin (θS) = K sin (θj) -k s Equation 2
En élevant les équation 1 et équation 2 au carré, on obtient : kf fel≈ j fo) f sin2(θS)+ki -2kfks sin2(θà)=k sii fo)By raising equation 1 and equation 2 squared, we obtain: kf fel≈ j fo) f sin 2 (θS) + ki -2kfk s sin 2 (θà) = k sii fo)
puis en ajoutant ces deux équations, on obtient : k 2+k|-2k kssin(θ+ B) = kS2 k 2+k|-k = 2k ks sin )then adding these two equations, we obtain: k 2 + k | -2k k s sin (θ + B ) = kS 2 k 2 + k | -k = 2k k s sin)
Pour l'onde incidente se propageant en sens opposé pris arbitrairement comme négatif (figure 3b) caractérisée par son vecteur d'onde k~ et sa longueur d'onde ?o, on trouve successivement :For the incident wave propagating in the opposite direction taken arbitrarily as negative (Figure 3b) characterized by its wave vector k ~ and its wavelength? O, we successively find:
— — -> c e k" = kd -ks et û)|_ = ω^ - ωs avec k;~ — = coj", kd — = ωdet ksVs = cot n n- - -> cek " = k d -k s and û) | _ = ω ^ - ω s with k; ~ - = coj " , k d - = ω d and k s V s = cot nn
+ s + s
Avec la même méthode que précédemment, on obtient successivement :With the same method as above, we successively obtain:
k~ cos2B)=kd cos2d) k~ sin(θë)= - d sin(θd)+ks kf sin2 (θi )+ k| - 2k ks sin2 ( ) = kf sin2d )k ~ cos 2B ) = k d cos 2d ) k ~ sin (θë) = - d sin (θ d ) + k s kf sin 2 (θi) + k | - 2k k s sin 2 () = kf sin 2d )
ce qui permet d'obtenir une relation équivalente pour l'onde contre- propageante : which allows to obtain an equivalent relation for the counter-propagating wave:
On peut encore écrire ces deux relations sous la forme simplifiéeWe can still write these two relations in the simplified form
La différence entre les incidences de Bragg vaut donc : The difference between the Bragg bearings is therefore worth:
k,+ sin(θB)- k; Equation 3 k, + sin (θ B ) - k; Equation 3
Puisque les ondes diffractées ont des fréquences différentes des ondes incidentes, les deux directions pour lesquelles la diffraction est maximale ne sont pas identiques. Il y a donc un effet non réciproque qui permet d'induire des pertes différentielles.Since the diffracted waves have frequencies different from the incident waves, the two directions for which the diffraction is maximum are not identical. There is therefore a non-reciprocal effect which induces differential losses.
En présence d'effet Sagnac, les deux ondes contre- propageantes ont des fréquences proches, on peut alors écrire : k+ ≈ k" ≡ k, . Si bien que la relation précédente peut s'écrire :In the presence of Sagnac effect, the two counter-propagating waves have close frequencies, one can then write: k + ≈ k " ≡ k,. So that the preceding relation can be written:
.2 . ^2 sin(θ^)- sin(θi)≈ d 2 R k d Equation 4 I.2. ^ 2 sin (θ ^) - sin (θi) ≈ d 2 R k d Equation 4 I
Cette relation se décline différemment selon que le modulateur est isotrope ou pas.This relationship is declined differently depending on whether the modulator is isotropic or not.
Si le modulateur est isotrope d'indice n, • les angles considérés sont faibles,If the modulator is isotropic with index n, • the angles considered are small,
• la conservation de l'énergie se traduit par : c e π ω A ωd + ωs avec k+ - = ωl + , kd — = ωd et ksVs = ( soit kd = k, — Vsks n n c• energy conservation results in: this π ω A ω d + ω s with k + - = ω l + , k d - = ω d and k s V s = (i.e. k d = k, - V s k s nnc
_ _ c _ _ c _ n ω , = ωds avec k, — = ω, , kd — = ωdet ksVs = a soit kd = k, +— Vsks n n c_ _ c _ _ c _ n ω, = ω ds with k, - = ω,, k d - = ω d and k s V s = a either k d = k, + - V s k s nnc
• les fréquences sont proches si bien que l'on peut les confondre dans les termes où leur différence n'apparaît pas. On a alors: d ≈ kd ≈ k, ≈ k,• the frequencies are close so that they can be confused in terms where their difference does not appear. We then have: d ≈ k d ≈ k, ≈ k,
L'Equation 4 se réécrit ainsi : OR - ΘR ≈ (k-d - -d + kd) ., 2k, (kd- -kd)_ kd -k d+ Equation 4 is rewritten as follows: O R - Θ R ≈ (k- d - - d + k d ) ., 2k, (k d - -k d ) _ k d -kd +
2 v*ks v. 2 v * k s v.
Θ + - Θ = -Ç = 2 n-^- Θ + - Θ = -Ç = 2 n - ^ -
8 B ks c 8 B k s c
Ainsi l'écart entre les directions pour lesquelles la diffraction est maximale selon le sens de propagation dépend du rapport entre la vitesse de l'onde acoustique et la vitesse de la lumière dans le modulateur. On a aussi :Thus the difference between the directions for which the diffraction is maximum according to the direction of propagation depends on the ratio between the speed of the acoustic wave and the speed of light in the modulator. We also have :
et de mê k 1 ι \and so k 1 ι \
Ainsi, l'incidence de Bragg usuelle,θB = — ^ = — (θB + θgj,Thus, the usual Bragg incidence, θ B = - ^ = - (θ B + θgj,
I correspond à l'incidence milieu de Θ +B et ΘB.I corresponds to the middle incidence of Θ + B and Θ B.
Dans le cas d'un modulateur non isotrope, les équations 1 , 2 et 4 sont encore valables. Cependant, les angles ne sont pas nécessairement faibles et les relatons traduisant la conservation de l'énergie sont différentes.In the case of a non-isotropic modulator, equations 1, 2 and 4 are still valid. However, the angles are not necessarily small and the reports reflecting the conservation of energy are different.
A titre d'exemple, pour un cristal uniaxe d'indice optique ordinaire n0 et d'indice optique extraordinaire ne et dans le cas où l'onde acoustique et les deux ondes incidentes sont polarisées selon l'axe extraordinaire d'indice nθ et les ondes diffractées polarisées linéairement selon l'axe ordinaire d'indice n0, la conservation de l'énergie se traduit par : c c ω ï= ωd + ωs avec k^ — = ω , kd — = ωd et ks Vs = α^ ce qui conduit à : nθ noBy way of example, for a uniaxial crystal of ordinary optical index n 0 and of extraordinary optical index n e and in the case where the acoustic wave and the two incident waves are polarized along the extraordinary axis of index n θ and the diffracted waves linearly polarized along the ordinary axis of index n 0 , the conservation of energy is expressed by: cc ω ï = ω d + ω s with k ^ - = ω, k d - = ω d and k s V s = α ^ which leads to: n θ n o
_ _ _ c _ c _ ω ,"= ωd - ωs avec k, — = , kd — = ωd et ksVs = ω^ ce qui conduit à n _ _ _ c _ c _ ω, " = ω d - ω s with k, - =, k d - = ω d and k s V s = ω ^ which leads to n
-^-kd = -^ , + Vsks no ne k- = ^ _ i +^Vsks - ^ - k d = - ^, + V s k s n o n e k- = ^ _ i + ^ V s k s
ΘΘ
L'Equation 4 se réécrit alorsEquation 4 is then rewritten
2k,^(k~ - kd) sin(θ^)- sin(θi)≈ fc -kîk + k ) .. ' n = 2^-^2k, ^ (k ~ - k d ) sin (θ ^) - sin (θi) ≈ fc -kîk + k) .. 'n = 2 ^ - ^
2ksk, 2 ksk,2k s k, 2k s k,
Ainsi, lorsque le modulateur comporte un matériau uniaxe biréfringent, les incidences pour lesquelles la diffraction est maximale sont différentes et dépendent des indices ordinaire et extraordinaire. Comme dans le cas d'un matériau isotrope, cette différence est à l'origine de pertes non identiques selon le sens de propagation des ondes.Thus, when the modulator comprises a birefringent uniaxial material, the incidences for which the diffraction is maximum are different and depend on the ordinary and extraordinary indices. As in the case of an isotropic material, this difference is the source of non-identical losses depending on the direction of propagation of the waves.
Les relations établies précédemment le sont pour le premier ordre de diffraction, lorsqu'un seul phonon acoustique intervient dans le choc élastique photon-phonon. On peut aussi établir des relations équivalentes avec un choc élastique mettant en jeu plusieurs phonons.The relations established previously are it for the first order of diffraction, when a single acoustic phonon intervenes in the elastic shock photon-phonon. We can also establish equivalent relationships with an elastic shock involving several phonons.
Dans le cas particulier d'une interaction colinéaire dans un milieu non isotrope ou biréfringent, c'est-à-dire dans laquelle les différents vecteurs d'onde ont tous la même direction, il est possible de calculer les variations de fréquence des ondes contre-propageantes.In the particular case of a collinear interaction in a non-isotropic or birefringent medium, that is to say in which the different wave vectors all have the same direction, it is possible to calculate the frequency variations of the waves against -propageantes.
A titre d'exemple, dans le cas d'un modulateur non isotrope, pour une onde acoustique et deux ondes incidentes polarisées selon l'axe extraordinaire d'indice n» pris inférieur à l'indice ordinaire ιu et les ondes diffractées étant polarisées linéairement selon l'axe ordinaire d'indice n0, alors la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement se traduisent par :By way of example, in the case of a non-isotropic modulator, for an acoustic wave and two incident waves polarized along the extraordinary axis of index n "taken less than the ordinary index ιu and the diffracted waves being linearly polarized along the ordinary axis of index n 0 , then the conservation of energy and momentum translate into:
Les vecteurs étant référencés dans le repère défini sur les figures 3a et 3b. Ce qui conduit, pour l'onde se propageant dans le sens positif, à : The vectors being referenced in the coordinate system defined in FIGS. 3a and 3b. Which leads, for the wave propagating in the positive direction, to:
Le cas de l'onde se propageant en sens inverse donneThe case of the wave propagating in opposite direction gives
ce qui conduit à Which leads to
Equation 6 Equation 6
Les fréquences sont différentes dans les deux sens, il y a là encore un effet non réciproque.The frequencies are different in both directions, there is again a non-reciprocal effect.
L'expression des pertes Ld et Ld en fonction de l'incidence introduites par une onde acoustique d'intensité lA interagissant sur une longueur I avec l'onde optique se propageant dans les sens direct (sens positif) et opposé (sens négatif) dans un modulateur est donnée par :The expression of the losses L d and L d as a function of the incidence introduced by an acoustic wave of intensity l A interacting over a length I with the optical wave propagating in the direct directions (positive direction) and opposite directions (direction negative) in a modulator is given by:
L* = sin2(βl)sinc2 βuπ + β2l2 sinc: π^-(θ, - θ ) βλs l ' B l avec sinc(A) : sinus cardinal de la fonction A β : π p n6p2 λi 2 avec M figure de mérite. On a : M = (avec p :L * = sin 2 (βl) sinc 2 β uπ + β 2 l 2 sinc : π ^ - (θ, - θ) βλ s l ' B l with sinc (A): cardinal sine of function A β : π pn 6 p 2 λi 2 with M figure of merit. We have: M = (with p:
2 - - "β" - PVS coefficient photoélastique, ? : densité du matériau optique d'interaction),2 - - "β" - P V S photoelastic coefficient,? : density of the optical interaction material),
en supposant que (θ, -ΘB ) »1 et que la puissance acoustique βλs reste faible, ce qui est le cas dans l'application recherchée.assuming that (θ, -Θ B ) »1 and that the acoustic power βλ s remains low, which is the case in the application sought.
La figure 4a présente l'allure générale des pertes L±en fonction de l'angle d'incidence ?*. Les pertes sont maximales pour l'incidence de Bragg îd* La largeur à mi hauteur totale, Δθy2 , est donnée par la relation :FIG. 4a presents the general shape of the losses L ± as a function of the angle of incidence? *. The losses are maximum for the incidence of Bragg îd * The width at half total height, Δθy 2 , is given by the relation:
ΔΘ1/2 = 0.89-^-.ΔΘ 1/2 = 0.89 - ^ -.
L" a la même allure que L+ mais est décalée en incidence.L " looks the same as L + but is offset in incidence.
Le principe de fonctionnement du dispositif selon l'invention est basé sur cet effet. A une incidence donnée, les pertes sont donc différentes selon le sens de rotation des modes optiques de propagation. En faisant varier l'incidence, les pertes évoluent différemment permettant d'asservir ainsi l'intensité des modes à une valeur commune. Il est possible de créer des pertes différentes selon le sens de propagation d'autant plus importantes que les courbes sont décalées. La différence des pertes ΔL = L+ - L~ normalisée est donnée par :The operating principle of the device according to the invention is based on this effect. At a given incidence, the losses are therefore different depending on the direction of rotation of the optical propagation modes. By varying the incidence, the losses evolve differently making it possible to subject the intensity of the modes to a common value. It is possible to create different losses depending on the direction of propagation, all the more important as the curves are offset. The difference in normalized losses ΔL = L + - L ~ is given by:
L+ - U L+ - UL + - UL + - U
2 , 2 • = sιn c' π ^(θ, -θβ + ) - sin c π ~&. -θ.-) β 2/ ''Max2, 2 • = sιn c 'π ^ (θ, -θ β + ) - sin c π ~ &. -θ.-) β 2 / '' Max
Les angles ΘB et ΘB étant proches de ΘB, on a, en effectuant un développement limité au premier ordre:The angles Θ B and Θ B being close to Θ B , we have, by carrying out a development limited to the first order:
(ΘB - Θ )(ΘB - Θ)
CommeAs
alors so
Cette différence est maximale pour θ, -ΘB = ±0.415 - et vautThis difference is maximum for θ, -Θ B = ± 0.415 - and is worth
(W. A. Clarkson, A. B. Neilson and D. C. Hanna, Explanation of the mechanism for acousto -optically induced unidirectionnal opération of a ring laser, Opt. Lett, 17, 601 (1992) - W. A. Clarkson, A. B. Neilson and D. C. Hanna, Unidirectionnal opération of a ring laser via the acoustooptic effect, IEEE .Q.E 32. 31 1 (1996)).(WA Clarkson, AB Neilson and DC Hanna, Explanation of the mechanism for acousto -optically induced unidirectionnal operation of a ring laser, Opt. Lett, 17, 601 (1992) - WA Clarkson, AB Neilson and DC Hanna, Unidirectionnal operation of a ring laser via the acoustooptic effect, IEEE .QE 32. 31 1 (1996)).
la largeur totale à mi -hauteur des pertes L~ vaut :the total width at mid-height of the losses L ~ is:
Δθy2 = 0.89^ = 0.89-^-. I ' *sΔθ y2 = 0.89 ^ = 0.89 - ^ -. I *
Le système sera d'autant plus sensible que le rapport entre la différence ? ?B entre les incidences ΘB et ΘB et ??y2 est important. On a : Will the system be all the more sensitive as the ratio between the difference? ? B between the incidences Θ B and Θ B and ?? y 2 is important. We have :
Un modulateur optimisé fonctionne à la fréquence la plus élevée possible et a une longueur d'interaction aussi grande que possible. Les matériaux d'indice élevé qui permettent d'augmenter le rapport sont à considérer au cas par cas car généralement ils ont une diffusion importante.An optimized modulator operates at the highest possible frequency and has as long an interaction length as possible. The high index materials which make it possible to increase the ratio are to be considered on a case-by-case basis because generally they have a large diffusion.
Il est également possible de faire varier la longueur d'onde ?s de l'onde acoustique en faisant varier la fréquence de modulation délivrée par la cale piézoélectrique f. Une variation de la fréquence appliquée à la cale piézoélectrique du modulateur change l'angle pour lequel la diffraction est maximale d'une quantité proportionnelle à cette variation de fréquence. Ainsi, changer la fréquence appliquée à un modulateur a le même effet que de le tourner, on change alors l'efficacité de diffraction. Dans ce cas, pour une incidence donnée, les pertes varient en fonction de cette fréquence de modulation comme indiqué sur la figure 4b. On a alors :It is also possible to vary the wavelength? S of the acoustic wave by varying the modulation frequency delivered by the piezoelectric block f. A variation in the frequency applied to the piezoelectric shim of the modulator changes the angle for which the diffraction is maximum by an amount proportional to this variation in frequency. Thus, changing the frequency applied to a modulator has the same effect as turning it, we then change the diffraction efficiency. In this case, for a given incidence, the losses vary as a function of this modulation frequency as indicated in FIG. 4b. We then have:
fβ* correspond à la fréquence donnant les pertes maximales. A cette fréquence, l'incidence de l'onde sur le modulateur est l'incidence Bragg. Les variations (Δfs)B et (Δfs 2 correspondant respectivement aux plages angulaires ΔΘB et Δθy2 sont reliées par : fβ * corresponds to the frequency giving the maximum losses. At this frequency, the incidence of the wave on the modulator is the Bragg incidence. The variations (Δf s ) B and (Δf s 2 corresponding respectively to the angular ranges ΔΘB and Δθy 2 are connected by:
(Δfs)B = ΔΘB = n l fs (Δf s ) B = ΔΘ B = nlf s
(Δfs)γ2 ΔΘ1/2 0.44 c(Δf s ) γ2 ΔΘ 1/2 0.44 c
Comme démontré ci-dessus, lorsqu'un dispositif acousto-optique est placé sur le trajet de deux ondes contre-propageantes, les pertes par diffraction varient en fonction du sens de propagation. Pour établir un asservissement permettant d'introduire des pertes différentes sur chacun des deux faisceaux optiques, Il existe deux méthodes possibles de mises en œuvre du dispositif selon l'invention. Il est possible soit de faire varier l'angle d'incidence, soit de faire varier la fréquence du dispositif acousto-optique. La variation de l'angle d'incidence nécessite des dispositifs mécaniques asservis en rotation. Par contre, la variation de la fréquence est obtenue par des moyens de mise en œuvre purement électroniques. Il s'agit alors, à travers un circuit de commande sensible à la différence entre les intensités l et L des deux modes contre-propageants de contrôler la fréquence appliquée au modulateur pour privilégier l'onde la plus faible et permettre ainsi une émission bidirectionnelle stable.As demonstrated above, when an acousto-optical device is placed in the path of two counter-propagating waves, the diffraction losses vary according to the direction of propagation. To establish a control allowing the introduction of different losses on each of the two optical beams, there are two possible methods of implementing the device according to the invention. It is possible either to vary the angle of incidence, or to vary the frequency of the acousto-optical device. The variation of the angle of incidence requires mechanical devices slaved in rotation. On the other hand, the variation of the frequency is obtained by purely electronic means of implementation. It is then, through a control circuit sensitive to the difference between the intensities l and L of the two counter-propagating modes, to control the frequency applied to the modulator to favor the weakest wave and thus allow stable bidirectional emission. .
Un cas particulièrement favorable est représenté sur la figure 5.A particularly favorable case is shown in Figure 5.
En effet dans ce cas, la largeur de la figure de diffraction est comparable à l'écart entre fB et fB . Le point de fonctionnement correspondant à la fréquence appliquée valant fe est idéalement placé dans la mesure où :Indeed in this case, the width of the diffraction pattern is comparable to the difference between f B and f B. The operating point corresponding to the applied frequency equal to fe is ideally placed insofar as:
• les pertes sont minimisées ;• losses are minimized;
• la pente est, en ce point, la plus importante, ce qui optimise la sensibilité et linéarise le système. Comme il est indiqué sur la figure 5, tout changement de fréquence augmente fortement les pertes sur un mode et diminue les pertes sur le mode contre-propageant.• the slope is, at this point, the largest, which optimizes the sensitivity and linearizes the system. As indicated in FIG. 5, any change in frequency greatly increases the losses in one mode and decreases the losses in the counter propagating mode.
Lorsque les courbes ne sont pas autant décalées, l'asservissement est plus complexe à mettre en œuvre car il est nécessaire de dépasser l'extremum d'une des deux courbes pour atteindre un écart entre les pertes suffisant. Le passage par l'extremum rend le système non linéaire.When the curves are not as much offset, the control is more complex to implement because it is necessary to exceed the extremum of one of the two curves to reach a sufficient difference between losses. Passing through the extremum makes the system non-linear.
Il faut noter que la puissance du signal à appliquer au modulateur est faible et bien inférieure à la puissance nécessaire pour déclencher un laser (Q-Switch) ou pour bloquer des modes optiques en phase. Ce dispositif présente également l'avantage de pouvoir régler facilement la valeur absolue des pertes en modifiant la puissance de l'onde acoustique.It should be noted that the signal power to be applied to the modulator is low and much lower than the power necessary to trigger a laser (Q-Switch) or to block optical modes in phase. This device also has the advantage of being able to easily adjust the absolute value of the losses by modifying the power of the acoustic wave.
Avantageusement , les deux ondes contre-propageantes passent le plus près possible du bord du modulateur depuis lequel l'onde acoustique est générée afin de réduire le retard dû à la propagation de l'onde acoustique jusqu'aux modes optiques.Advantageously, the two counter-propagating waves pass as close as possible to the edge of the modulator from which the acoustic wave is generated in order to reduce the delay due to the propagation of the acoustic wave to the optical modes.
Il existe différents modes de réalisation possibles. Dans un premier mode de réalisation à asservissement de fréquence, te gyrolaser est composé d'éléments discrets comme indiqué sur la figure 6. La cavité comprend alors un ensemble de miroirs (11, 12, 13 et 14) disposés en anneau. Sur la figure 6, les miroirs sont disposés aux quatre sommets d'un rectangle. Bien entendu, cette disposition est donnée à titre d'exemple et toute autre disposition connue de l'homme du métier peut convenir. Elle comprend un milieu amplificateur 19 qui peut être un cristal de YAG dopé au Néodyme ou tout autre milieu laser. Elle comprend également le modulateur 2 commandé par le dispositif d'asservissement 4 relié aux détecteurs 42. Le modulateur 2 comprend un milieu optique d'interaction 21 et un transducteur piézoélectrique 22. Les ondes acoustiques générés par le transducteur peuvent être transverses ou longitudinales. Deux modes optiques contre-propageants 5 et 6 se propagent dans la cavité. Ils sont décalés en fréquence par effet Sagnac lorsque le gyrolaser est en rotation. Une fraction de ces deux modes est transmise par le miroir 13 et recombinée sur le détecteur photosensible 3 au moyen des lames semi -réfléchissantes 43. Le signal issu de ce photodétecteur permet de retrouver la mesure de la vitesse de rotation du dispositif. Les lames semi -réfléchissantes 43 transmettent une partie des modes 5 et 6 aux détecteurs 42 couplés au dispositif d'asservissement 4. La différence entre les deux intensités issues des deux détecteurs contrôle la boucle d'asservissement. Le modulateur acousto-optique est alimenté par un signal dont la fréquence varie de façon à diminuer les pertes par diffraction sur le mode de moindre intensité et à augmenter les pertes sur le mode de plus forte intensité.There are different possible embodiments. In a first embodiment with frequency slaving, the laser gyro is composed of discrete elements as indicated on Figure 6. The cavity then comprises a set of mirrors (11, 12, 13 and 14) arranged in a ring. In Figure 6, the mirrors are arranged at the four vertices of a rectangle. Of course, this arrangement is given by way of example and any other arrangement known to those skilled in the art may be suitable. It comprises an amplifying medium 19 which can be a YAG crystal doped with Neodymium or any other laser medium. It also includes the modulator 2 controlled by the servo device 4 connected to the detectors 42. The modulator 2 comprises an optical interaction medium 21 and a piezoelectric transducer 22. The acoustic waves generated by the transducer can be transverse or longitudinal. Two counter-propagating optical modes 5 and 6 propagate in the cavity. They are shifted in frequency by the Sagnac effect when the laser gyro is rotating. A fraction of these two modes is transmitted by the mirror 13 and recombined on the photosensitive detector 3 by means of the semi-reflective plates 43. The signal from this photodetector makes it possible to find the measurement of the speed of rotation of the device. The semi-reflective strips 43 transmit part of the modes 5 and 6 to the detectors 42 coupled to the servo device 4. The difference between the two intensities coming from the two detectors controls the servo loop. The acousto-optic modulator is supplied by a signal whose frequency varies so as to reduce the diffraction losses in the lower intensity mode and to increase the losses in the higher intensity mode.
Dans une variante de cette disposition, il est avantageux de disposer plusieurs modulateurs insérés dans la cavité pour contrôler l'intensité des deux ondes comme indiqué sur les figures 7a et 7b.In a variant of this arrangement, it is advantageous to have several modulators inserted into the cavity to control the intensity of the two waves as indicated in FIGS. 7a and 7b.
Cette disposition est intéressante lorsque le dispositif travaille à fréquence élevée. En effet, les pertes augmentent avec la fréquence. Au- delà d'une certaine valeur, la longueur I d'interaction entre les ondes optiques et l'onde acoustique diminue car les cales piézo-électriques doivent avoir des dimensions de plus en plus faibles pour générer l'onde acoustique à la bonne fréquence, la divergence de l'onde acoustique augmente également et contribue encore à diminuer la longueur d'interaction. Ainsi, en multipliant les modulateurs, on augmente la longueur d'interaction (figure 7b). Une variante intéressante est de disposer deux cales piézo électriques de chaque coté du modulateur comme indiqué sur la figure 7a. Les cales sont éventuellement décalées pour éviter que les ondes acoustiques interfèrent. L'avantage de cette géométrie réside dans le fait que chaque onde acoustique privilégie une onde différente. Dans le cas idéal où les modulateurs génèrent deux colonnes acoustiques parallèles, le contrôle de l'intensité se fera via la puissance de chaque onde acoustique. Si les colonnes acoustiques ne sont pas parallèles à cause d'un défaut de réalisation du milieu d'interaction ou de montage des cales, chaque modulateur est alors alimenté par un signal à une fréquence différente afin que les pertes différentielles soient égales (en valeur absolue) à puissance acoustique identique ou voisine. Les fréquences appliquées sont choisies de façon à générer des pertes optimales, c'est-à-dire que la première cale provoque des pertes importantes sur une onde et des pertes faibles sur l'onde se propageant dans le sens opposé, la seconde cale a l'effet inverse. On sépare ainsi les commandes des pertes sur chaque onde alors que dans un dispositif ne comportant qu'un seul modulateur acousto-optique, on agit nécessairement sur les ondes optiques simultanément.This arrangement is advantageous when the device works at high frequency. Losses increase with frequency. Beyond a certain value, the length I of interaction between the optical waves and the acoustic wave decreases because the piezoelectric shims must have smaller and smaller dimensions to generate the acoustic wave at the right frequency , the divergence of the acoustic wave also increases and further contributes to reducing the interaction length. Thus, by multiplying the modulators, the interaction length is increased (Figure 7b). An interesting variant is to have two piezoelectric shims on each side of the modulator as indicated in FIG. 7a. The shims are optionally offset to prevent the acoustic waves from interfering. The advantage of this geometry lies in the fact that each acoustic wave favors a different wave. In the ideal case where the modulators generate two parallel acoustic columns, the intensity control will be done via the power of each acoustic wave. If the acoustic columns are not parallel due to a defect in the creation of the interaction medium or the mounting of the shims, each modulator is then supplied with a signal at a different frequency so that the differential losses are equal (in absolute value ) with identical or similar sound power. The applied frequencies are chosen so as to generate optimal losses, that is to say that the first wedge causes significant losses on one wave and small losses on the wave propagating in the opposite direction, the second wedge has the opposite effect. We thus separate the loss controls on each wave whereas in a device comprising only one acousto-optical modulator, we necessarily act on the optical waves simultaneously.
Dans un second mode de réalisation illustré en figure 8, la cavité composé d'éléments discrets est remplacée par une cavité monolithique réalisé, par exemple, dans un bloc de YAG (Yttrium-Aluminium-Grenat). Une facette 13 du cristal joue le rôle de miroir de sortie tandis que les autres facettes (1 1 , 12, 14) sont parfaitement réfléchissantes, l'une pouvant être traitée pour favoriser une polarisation linéaire de la lumière. La génération de l'onde acoustique peut être réalisée directement, par exemple, par l'intermédiaire d'une cale piézo-électrique 22 ou par tout autre moyen connu de l'homme du métier sur un coté de la cavité.In a second embodiment illustrated in FIG. 8, the cavity composed of discrete elements is replaced by a monolithic cavity produced, for example, in a block of YAG (Yttrium-Aluminum-Garnet). A facet 13 of the crystal acts as an exit mirror while the other facets (1 1, 12, 14) are perfectly reflective, one of which can be treated to promote linear polarization of the light. The generation of the acoustic wave can be carried out directly, for example, by means of a piezoelectric block 22 or by any other means known to those skilled in the art on one side of the cavity.
II faut cependant éviter dans ce type de réalisation qu'au cours d'un tour complet l'onde nïnteragisse deux fois avec la colonne acoustique car cela annulerait les pertes différentielles. En effet, dans ce cas, il est facile de voir que les deux ondes rencontrant toutes deux la colonne acoustique une fois dans un sens et la seconde fois dans l'autre sens subissent les mêmes pertes et l'effet non réciproque est perdu. On bloque alors l'onde acoustique, par exemple au moyen d'une ouverture ou de plusieurs ouvertures 23 dans la cavité (figure 8) ou de tout autre dispositif absorbant l'onde acoustique.In this type of embodiment, however, it should be avoided that during a complete revolution the wave interacts twice with the acoustic column as this would cancel out the differential losses. Indeed, in this case, it is easy to see that the two waves both meeting the acoustic column once in one direction and the second time in the other direction suffer the same losses and the non-reciprocal effect is lost. We then block the wave acoustic, for example by means of an opening or several openings 23 in the cavity (Figure 8) or any other device absorbing the acoustic wave.
Il est également possible de disposer la cale piézo-électrique sur une des facettes de la cavité comme illustré en figure 9.It is also possible to arrange the piezoelectric shim on one of the facets of the cavity as illustrated in FIG. 9.
Un des avantages de cette configuration est la possibilité de réaliser un gyrolaser dit triaxe sensible aux vitesses de rotation selon trois axes perpendiculaires entre eux en adaptant, par exemple, la géométrie polyédrique développée pour les gyrolasers He-Ne. One of the advantages of this configuration is the possibility of producing a so-called triaxial gyrolaser sensitive to rotational speeds along three axes perpendicular to each other by adapting, for example, the polyhedral geometry developed for He-Ne gyrolasers.

Claims

REVENDICATIONS
1. Gyrolaser comportant au moins une cavité optique (1 ) en anneau comprenant au moins trois miroirs (11 , 12, 13), un milieu amplificateur (19) à l'état solide et un système d'asservissement (4, 42, 43), la cavité (1) et le milieu amplificateur (19) étant tels que deux modes optiques (5, 6) dits contre-propageants peuvent se propager en sens inverse l'un de l'autre à l'intérieur de ladite cavité optique, le système d'asservissement permettant de maintenir la quasi-égalité d'intensité des deux modes contre-propageants, caractérisé en ce que le système d'asservissement comporte au moins, à l'intérieur de la cavité, un modulateur acousto-optique (2), ledit modulateur comportant au moins un milieu optique d'interaction (21 ) placé sur le trajet des modes optiques contre-propageants et un transducteur piézoélectrique (22) générant dans le milieu optique d'interaction une onde acoustique périodique.1. Gyrolaser comprising at least one optical cavity (1) in a ring comprising at least three mirrors (11, 12, 13), an amplifying medium (19) in the solid state and a servo system (4, 42, 43 ), the cavity (1) and the amplifying medium (19) being such that two optical modes (5, 6) said to be counter-propagating can propagate in opposite directions from one another inside said optical cavity , the servo system making it possible to maintain the almost equal intensity of the two counter propagating modes, characterized in that the servo system comprises at least, inside the cavity, an acousto-optical modulator ( 2), said modulator comprising at least one optical interaction medium (21) placed on the path of the counter-propagating optical modes and a piezoelectric transducer (22) generating in the optical interaction medium a periodic acoustic wave.
2. Gyrolaser selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le système d'asservissement comporte des moyens électroniques permettant de générer l'onde acoustique à une fréquence variable, dépendant de l'intensité des deux modes contre-propageants.2. Gyrolaser according to claim 1, characterized in that the servo system comprises electronic means making it possible to generate the acoustic wave at a variable frequency, depending on the intensity of the two counter-propagating modes.
3. Gyrolaser selon les revendications 1ou 2, caractérisé en ce que le système d'asservissement comporte au moins un premier et un second modulateur acousto-optique.3. Gyrolaser according to claims 1 or 2, characterized in that the servo system comprises at least a first and a second acousto-optical modulator.
4. Gyrolaser selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'un premier moyen électronique permettant de générer une première onde acoustique commande le premier modulateur et un second moyen électronique permettant de générer une seconde onde acoustique commande le second modulateur acousto -optique . 4. Gyrolaser according to claim 3, characterized in that a first electronic means making it possible to generate a first acoustic wave controls the first modulator and a second electronic means making it possible to generate a second acoustic wave controls the second acousto-optical modulator.
5 . Gyrolaser selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit premier moyen électronique et ledit second moyen électronique fournissent des puissances acoustiques différentes.5. Gyrolaser according to claim 4, characterized in that said first electronic means and said second electronic means provide different acoustic powers.
6. Gyrolaser selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que l'onde acoustique est générée dans le premier modulateur acousto- optique a une première fréquence et l'onde acoustique est générée dans le second modulateur acousto-optique a une seconde fréquence différente de la première fréquence.6. Gyrolaser according to one of claims 4 or 5, characterized in that the acoustic wave is generated in the first acousto-optical modulator at a first frequency and the acoustic wave is generated in the second acousto-optical modulator has a second frequency different from the first frequency.
7. Gyrolaser selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le premier modulateur acousto-optique et le second modulateur sont montés tête-bêche de part et d'autres des modes optiques contre- propageants.7. Gyrolaser according to one of claims 3 to 6, characterized in that the first acousto-optical modulator and the second modulator are mounted head to tail on both sides of the counter-propagating optical modes.
8. Gyrolaser selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le milieu amplificateur (19) et le milieu optique d'interaction (21 ) sont un seul et même milieu.8. Gyrolaser according to one of the preceding claims, characterized in that the amplifying medium (19) and the optical interaction medium (21) are one and the same medium.
9. Gyrolaser selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité est monolithique, les modes contre- propageants dits contre-propageants se propageant, à l'intérieur de la cavité, uniquement dans un matériau solide.9. Gyrolaser according to one of the preceding claims, characterized in that the cavity is monolithic, the counter-propagating modes called counter-propagating propagating, inside the cavity, only in a solid material.
10. Gyrolaser selon la revendication 9, caractérisé en ce que le transducteur piézoélectrique est monté sur une des faces de la cavité monolithique.10. Gyrolaser according to claim 9, characterized in that the piezoelectric transducer is mounted on one of the faces of the monolithic cavity.
1 1. Gyrolaser selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite face est également utilisée comme miroir de renvoi des modes optiques contre-propageants.1 1. Gyrolaser according to claim 10, characterized in that said face is also used as a mirror for reflecting optical modes against propagation.
12. Gyrolaser selon l'une des revendications 8 à 1 1 , caractérisé en ce que la cavité monolithique comporte des moyens d'atténuation des ondes acoustiques afin qu'elles n'interagissent qu'une seule fois avec les modes optiques contre-propageants.12. Gyrolaser according to one of claims 8 to 1 1, characterized in that the monolithic cavity comprises means of attenuation of the waves acoustic so that they only interact once with the counter-propagating optical modes.
13. Gyrolaser selon la revendication 12, caractérisé en ce que lesdits moyens d'atténuation sont au moins une ouverture pratiquée dans la cavité, ladite ouverture étant située dans la direction de propagation des ondes acoustiques émises.13. Gyrolaser according to claim 12, characterized in that said attenuation means are at least one opening made in the cavity, said opening being located in the direction of propagation of the acoustic waves emitted.
14. Gyrolaser selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit gyrolaser est triaxe et est sensible aux vitesses de rotation selon trois axes perpendiculaires entre eux. 14. Gyrolaser according to one of the preceding claims characterized in that said gyrolaser is triaxial and is sensitive to rotational speeds along three axes perpendicular to each other.
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