EP1960738A1 - Solid-state laser gyro optically active through alternative bias - Google Patents

Solid-state laser gyro optically active through alternative bias

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EP1960738A1
EP1960738A1 EP06819925A EP06819925A EP1960738A1 EP 1960738 A1 EP1960738 A1 EP 1960738A1 EP 06819925 A EP06819925 A EP 06819925A EP 06819925 A EP06819925 A EP 06819925A EP 1960738 A1 EP1960738 A1 EP 1960738A1
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EP
European Patent Office
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optical
phase shift
rotator
laser
frequency
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Withdrawn
Application number
EP06819925A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Sylvain Schwartz
Gilles Feugnet
Jean-Paul Pocholle
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Thales SA
Original Assignee
Thales SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/64—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
    • G01C19/66—Ring laser gyrometers
    • G01C19/68—Lock-in prevention

Definitions

  • the laser gyro developed about thirty years ago, is widely marketed and used today. Its operating principle is based on the Sagnac effect, which induces a frequency difference .DELTA.F between the two counter-propagating optical emission modes propagating in opposite directions, of a bidirectional ring laser cavity when it is animated by a rotation movement.
  • An amplifying medium in the solid state A device for stabilizing the intensities of the counter-propagating modes; characterized in that said cavity also comprises:
  • the first or the second rotator comprises at least one Faraday effect material surrounded by an electromagnetic induction coil supplied with electric current;
  • the control means comprise an ultra-stable voltage reference generator which controls a stabilized current driving the periodic switching device of the current supplying the induction coil.
  • the rotator may also include a magnetic shield and a magnetic field sensor.
  • the intensity stabilization device comprises at least one first linear polarizer, an optical effect rotator non-reciprocal and an optical element, said optical element being either a reciprocal optical rotator, possibly induced by the use of a non-planar cavity or a birefringent element, at least one of the angles of rotation introduced on the plane of polarization of light or birefringence being adjustable.
  • the polarization direction of the beam 101 rotates by + ⁇ in the forward direction and the polarization direction of the beam 102 rotates by - ⁇ in the opposite direction of propagation, so as to return to the initial direction as shown in the diagrams of FIG.

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Abstract

The invention concerns solid-state laser gyros used for measuring relative rotational speeds or angular positions. This type of equipment is used in particular for aeronautical applications. The invention aims at complement the optical devices required for controlling the instability of lasers through specific optical devices enabling the blind zone and the population inversion gratings present in the amplifying medium to be eliminated. Thus an all-optical solid-state laser without moving parts, stable and free of blind zone is obtained. For this purpose, the inventive laser gyro comprises in particular: an optical assembly (5) enabling an optical phase shift non-reciprocal between the counter-propagating modes to be introduced; control means (6) enabling the amplitude of the phase shift to be periodically varied around a very substantially zero average value.

Description

GYROLASER A ETAT SOLIDE ACTIVE OPTIQUEMENT PAR BIAIS OPTICALLY ACTIVE SOLID STATE GYROLASER THROUGH BIAIS
ALTERNATIF.ALTERNATIVE.
Le domaine de l'invention est celui des gyrolasers à état solide utilisés pour la mesure des vitesses de rotation ou des positions angulaires relatives. 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 or relative angular positions. 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 ΔF entre les deux modes optiques d'émission se propageant en sens opposés, dits contre-propageants, d'une cavité laser en anneau bidirectionnelle lorsqu'elle est animée d'un mouvement de rotation. Classiquement, la différence de fréquence ΔF est égale à : ΔF = 4Aîθ/λL où L et A sont respectivement la longueur optique et l'aire de la cavité ; λ est la longueur d'onde d'émission laser hors effet Sagnac ; m est la vitesse de rotation angulaire du gyrolaser.The laser gyro, developed about thirty years ago, is widely marketed and used today. Its operating principle is based on the Sagnac effect, which induces a frequency difference .DELTA.F between the two counter-propagating optical emission modes propagating in opposite directions, of a bidirectional ring laser cavity when it is animated by a rotation movement. Conventionally, the frequency difference ΔF is equal to: ΔF = 4Aîθ / λL where L and A are respectively the optical length and the area of the cavity; λ is the Sagnac effect laser emission wavelength; m is the angular rotation speed of the laser gyro.
La mesure de ΔF obtenue par analyse spectrale du battement des deux faisceaux émis permet de connaître la valeur de ra avec une très grande précision.The measurement of ΔF obtained by spectral analysis of the beat of the two emitted beams makes it possible to know the value of ra with a very high precision.
Le comptage électronique des franges du battement qui défilent pendant un changement de position angulaire permet de connaître la valeur relative de la position angulaire également avec une très grande précision.The electronic counting of the fringes of the beat which scroll during a change of angular position makes it possible to know the relative value of the angular position also with a very great precision.
La réalisation des gyrolasers présente certaines difficultés techniques. Une première difficulté est liée à la qualité du battement entre les deux faisceaux, qui conditionne le bon fonctionnement du gyrolaser. En effet, une bonne stabilité et une relative égalité des intensités émises dans les deux directions est nécessaire pour obtenir un battement correct. Or, dans le cas des lasers à état solide, cette stabilité et cette égalité ne sont pas assurées en raison du phénomène de compétition entre modes, qui fait que l'un des deux modes contre-propageants tend à monopoliser le gain disponible, au détriment de l'autre mode. Le problème de l'instabilité de l'émission bidirectionnelle pour un laser en anneau à état solide peut être, par exemple, résolu par la mise en place d'une boucle de contre-réaction destinée à asservir autour d'une valeur fixée la différence entre les intensités des deux modes contre-propageants. Cette boucle agit sur le laser soit en rendant ses pertes dépendantes du sens de propagation, par exemple au moyen d'un ensemble comprenant un élément à rotation réciproque, un élément à rotation non réciproque et un élément polarisant (demande de brevet N° 03 03645), soit en rendant son gain dépendant du sens de propagation, par exemple au moyen d'un ensemble comprenant un élément à rotation réciproque, un élément à rotation non réciproque et un cristal à émission polarisée (demande de brevet N° 03 14598). Une fois asservi, le laser émet deux faisceaux contre-propageants dont les intensités sont stables et peut être utilisé en tant que gyrolaser. Une seconde difficulté technique est liée au domaine des faibles vitesses de rotation, le gyrolaser ne fonctionnant correctement qu'au-delà d'une certaine vitesse de rotation. Aux basses vitesses de rotation, le signal de battement Sagnac disparaît en raison d'un couplage entre les deux modes contre-propageants dû à la rétrodiffusion de la lumière induite par les miroirs et les divers éléments optiques éventuellement présents dans la cavité. Le domaine des basses vitesses de rotation pour lequel se produit ce phénomène est communément appelé zone aveugle. Ce problème n'est pas intrinsèque à l'état solide. Il se rencontre également dans le domaine des gyrolasers à gaz. La solution la plus couramment adoptée pour ce dernier type de gyrolaser consiste à activer mécaniquement le dispositif en lui imprimant un mouvement périodique forcé qui le place artificiellement le plus souvent possible en dehors de la zone aveugle. Une autre solution consiste à introduire un déphasage constant entre les deux chemins optiques, qui se traduit par un biais en fréquence entre les deux modes contre-propageants. Ainsi, on déplace de façon artificielle le domaine de fonctionnement du gyrolaser en dehors de la zone aveugle. Cependant, cette dernière solution présente l'inconvénient important que la valeur du biais introduit doit être parfaitement stable dans le temps.The realization of laser gyros presents some technical difficulties. A first difficulty is related to the quality of the beat between the two beams, which conditions the smooth operation of the laser gyro. Indeed, a good stability and a relative equality of the intensities emitted in both directions is necessary to obtain a correct beat. However, in the case of solid state lasers, this stability and equality are not ensured because of the phenomenon of competition between modes, which makes one of the two counter-propagating modes tends to monopolize the gain. available, at the expense of the other mode. The problem of the instability of the bidirectional emission for a solid-state ring laser can be, for example, solved by setting up a feedback loop intended to enslave around a fixed value the difference between the intensities of the two counter-propagating modes. This loop acts on the laser either by making its losses dependent on the direction of propagation, for example by means of an assembly comprising a reciprocating element, a non-reciprocating element and a polarizing element (Patent Application No. 03 03645 ), or by making its gain dependent on the direction of propagation, for example by means of an assembly comprising a reciprocating element, a non-reciprocating element and a polarized emission crystal (Patent Application No. 03 14598). Once enslaved, the laser emits two counter-propagating beams whose intensities are stable and can be used as a laser gyro. A second technical difficulty is related to the field of low rotational speeds, the laser gyro not working properly beyond a certain speed of rotation. At low rotational speeds, the Sagnac beat signal disappears due to a coupling between the two counter-propagating modes due to the backscattering of the light induced by the mirrors and the various optical elements possibly present in the cavity. The field of low rotational speeds for which this phenomenon occurs is commonly called a blind zone. This problem is not intrinsic to the solid state. It is also found in the field of gas gyrolasers. The most commonly adopted solution for the latter type of laser gyro is to mechanically activate the device by printing a forced periodic movement that places artificially as often as possible outside the blind zone. Another solution is to introduce a constant phase shift between the two optical paths, which results in a frequency bias between the two counter-propagating modes. Thus, the operating range of the gyrolaser is artificially displaced outside the blind zone. However, the latter solution has the important disadvantage that the value of the introduced bias must be perfectly stable over time.
Une troisième difficulté est liée, dans le cadre des lasers à état solide, au fait que les ondes contre-propageantes interfèrent dans le milieu amplificateur, créant un réseau d'inversion de population. En effet, si le milieu amplificateur est un solide cristallin de type Nd-YAG, on peut montrer que, dans un tel milieu, les réseaux d'inversion de population induits par émission stimulée dans le milieu à gain ont pour effet de déstabiliser l'émission bidirectionnelle. De plus, lorsque le gyrolaser est en rotation, ces réseaux deviennent mobiles et induisent par effet Doppler un décalage en fréquence entre les deux ondes contre-propagatives circulant dans la cavité du laser, ce qui augmente la non linéarité de la réponse en fréquence du gyrolaser.A third difficulty is related, in the context of solid state lasers, to the fact that counter-propagating waves interfere in the medium amplifier, creating a network of population inversion. Indeed, if the amplifying medium is a Nd-YAG type crystalline solid, it can be shown that, in such a medium, the stimulated emission-induced population inversion networks in the gain medium have the effect of destabilizing the bidirectional emission. In addition, when the laser gyro is rotating, these networks become mobile and Doppler induce a frequency shift between the two counter-propagating waves circulating in the laser cavity, which increases the non-linearity of the frequency response of the gyrolaser .
L'objet de l'invention est de proposer des dispositifs optiques spécifiques permettant d'éliminer ou de limiter les effets de la zone aveugle et des réseaux d'inversion de population au moyen d'un biais variable périodique qui s'affranchisse des inconvénients précédents. On obtient ainsi un laser à état solide « tout optique » sans pièces mobiles, stable et sans effets gênants dus à la zone aveugle et aux réseaux d'inversion de population.The object of the invention is to propose specific optical devices for eliminating or limiting the effects of the blind zone and population inversion networks by means of a periodic variable bias which eliminates the above disadvantages . This results in an "all optical" solid state laser without moving parts, which is stable and without annoying effects due to the blind zone and the population inversion networks.
Plus précisément, l'invention a pour objet un gyrolaser permettant la mesure de la vitesse angulaire ou de la position angulaire relative selon un axe de rotation déterminé, comportant au moins :More precisely, the subject of the invention is a gyrolaser which makes it possible to measure the angular velocity or the relative angular position along a determined axis of rotation, comprising at least:
• une cavité optique en anneau dans laquelle circulent deux modes optiques contre-propageants;A ring optical cavity in which two counter-propagating optical modes circulate;
• un milieu amplificateur à l'état solide ; • un dispositif de stabilisation des intensités des modes contre- propageants ; caractérisé en ce que ladite cavité comporte également :An amplifying medium in the solid state; A device for stabilizing the intensities of the counter-propagating modes; characterized in that said cavity also comprises:
• un ensemble optique de déphasage permettant d'introduire un déphasage optique non réciproque entre lesdits modes contre-propageants ; • des moyens de commande permettant de faire varier l'amplitude du déphasage de façon périodique autour d'une valeur moyenne très sensiblement nulle, l'amplitude et la fréquence de cette variation étant telles que le contraste du réseau d'inversion de population existant dans le milieu amplificateur soit sensiblement nul. Avantageusement, la fréquence d'oscillation du déphasage est très supérieure à l'inverse du temps de réponse du milieu amplificateur et l'amplitude maximale du déphasage induit est telle que la différence maximale de fréquences correspondante soit supérieure de plusieurs ordres de grandeur à la largeur fréquentielle de la zone aveugle du gyrolaser.An optical phase shift assembly for introducing a non-reciprocal optical phase shift between said counter-propagating modes; Control means making it possible to vary the amplitude of the phase shift periodically around a very substantially zero average value, the amplitude and the frequency of this variation being such that the contrast of the population inversion network existing in the amplifying medium is substantially zero. Advantageously, the frequency of oscillation of the phase shift is much greater than the inverse of the response time of the amplifying medium and the maximum amplitude of the induced phase shift is such that the corresponding maximum frequency difference is several orders of magnitude greater than the width. frequency of the blind area of the laser gyro.
Avantageusement, la fréquence d'oscillation du déphasage est très inférieure à la fréquence de coupure du dispositif de stabilisation et l'amplitude du déphasage est formée d'une succession de créneaux temporels. Avantageusement, la fréquence d'oscillation du déphasage est très éloignée des fréquences de relaxation du laser afin de ne pas induire de couplage résonnant qui aurait pour effet de déstabiliser l'émission bidirectionnelle.Advantageously, the frequency of oscillation of the phase shift is much lower than the cutoff frequency of the stabilization device and the amplitude of the phase shift is formed of a succession of time slots. Advantageously, the frequency of oscillation of the phase shift is very far from the relaxation frequencies of the laser so as not to induce a resonant coupling which would have the effect of destabilizing the bidirectional emission.
Avantageusement, l'ensemble optique comprend au moins et successivement une première lame quart d'onde, un premier rotateur optique à effet non réciproque et une seconde lame quart d'onde dont les axes principaux sont perpendiculaires à ceux de la première lame quart d'onde.Advantageously, the optical assembly comprises at least and successively a first quarter-wave plate, a first non-reciprocal optical rotator and a second quarter-wave plate whose main axes are perpendicular to those of the first quarter-wave plate. wave.
De plus, l'ensemble optique peut comprendre également un second rotateur optique à effet non réciproque et une lame demi-onde ; la première lame quart d'onde, le premier rotateur, la lame demi-onde, le second rotateur et la seconde lame quart d'onde étant disposés successivement et dans cet ordre, les rotateurs étant agencés de façon que les déphasages introduits par les rotateurs sous l'effet d'un champ magnétique extérieur se compensent alors que les déphasages introduits par les rotateurs sous l'effet de la commande du dispositif s'additionnent.In addition, the optical assembly may also comprise a second non-reciprocal optical rotator and a half-wave plate; the first quarter wave plate, the first rotator, the half wave plate, the second rotator and the second quarter wave plate being arranged successively and in this order, the rotators being arranged so that the phase shifts introduced by the rotators under the effect of an external magnetic field compensate while the phase shifts introduced by the rotators under the effect of the control of the device add up.
Avantageusement, le premier ou le second rotateur comprennent au moins un matériau à effet Faraday entouré d'une bobine d'induction électromagnétique alimentée en courant électrique ; les moyens de commande comportent un générateur de référence ultra-stable de tension qui commande un courant stabilisé pilotant le dispositif de commutation périodique du courant alimentant la bobine d'induction. Le rotateur peut également comporter un blindage magnétique et un capteur de champ magnétique.Advantageously, the first or the second rotator comprises at least one Faraday effect material surrounded by an electromagnetic induction coil supplied with electric current; the control means comprise an ultra-stable voltage reference generator which controls a stabilized current driving the periodic switching device of the current supplying the induction coil. The rotator may also include a magnetic shield and a magnetic field sensor.
Avantageusement, le dispositif de stabilisation des intensités comporte au moins un premier polariseur linéaire, un rotateur optique à effet non réciproque et un élément optique, ledit élément optique étant soit un rotateur optique à effet réciproque, éventuellement induit par l'utilisation d'une cavité non planaire soit un élément biréfringent, au moins l'un des angles de rotation introduits sur le plan de polarisation de la lumière ou la biréfringence étant réglable.Advantageously, the intensity stabilization device comprises at least one first linear polarizer, an optical effect rotator non-reciprocal and an optical element, said optical element being either a reciprocal optical rotator, possibly induced by the use of a non-planar cavity or a birefringent element, at least one of the angles of rotation introduced on the plane of polarization of light or birefringence being adjustable.
L'invention concerne également un système de mesure de vitesses angulaires ou de positions angulaires relatives selon trois axes différents, caractérisé en ce qu'il comporte trois gyrolasers comme décrits précédemment, orientés selon des directions différentes et montés sur une structure mécanique commune.The invention also relates to a system for measuring angular velocities or relative angular positions in three different axes, characterized in that it comprises three gyrolasers as described above, oriented in different directions and mounted on a common mechanical structure.
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 : « la figure 1 représente le principe général de fonctionnement d'un gyrolaser selon l'invention ;The invention will be better understood and other advantages will become apparent on reading the following description given by way of non-limiting example and with reference to the appended figures, in which: FIG. 1 represents the general principle of operation of a laser gyro according to FIG. invention;
• les figures 2, 3 et 4 représentent des variations possibles de l'amplitude du déphasage introduit par l'ensemble optique de déphasage ; • la figure 5 représente le principe de fonctionnement d'un rotateur optique à effet non réciproque ;FIGS. 2, 3 and 4 represent possible variations in the amplitude of the phase shift introduced by the phase shift optical assembly; FIG. 5 represents the principle of operation of a non-reciprocal optical rotator;
• la figure 6 représente le principe de fonctionnement d'un rotateur optique à effet réciproque ;FIG. 6 represents the principle of operation of a reciprocal optical rotator;
• la figure 7 représente le principe de fonctionnement d'un ensemble optique constitué successivement d'une première lame quart d'onde, d'un rotateur optique à effet non réciproque et d'une seconde lame quart d'onde ;FIG. 7 represents the operating principle of an optical assembly constituted successively by a first quarter-wave plate, a non-reciprocal optical rotator and a second quarter-wave plate;
• les figures 8 et 9 représentent le principe de fonctionnement des rotateurs de Faraday mis en œuvre dans l'invention ; • la figure 10 représente le principe de fonctionnement d'un dispositif de stabilisation comprenant un polariseur, un rotateur optique à effet réciproque et un rotateur optique à effet non réciproque.FIGS. 8 and 9 represent the operating principle of the Faraday rotators used in the invention; FIG. 10 represents the operating principle of a stabilization device comprising a polarizer, a reciprocal optical rotator and a non-reciprocal optical rotator.
Un gyrolaser selon l'invention est représenté en figure 1. Il comporte essentiellement : • une cavité optique 1 formée de miroirs disposés en anneau de longueur L dans laquelle circulent deux modes optiques contre-propageants ;A laser gyro according to the invention is represented in FIG. 1. It essentially comprises: An optical cavity 1 formed of mirrors arranged in a ring of length L in which two counter-propagating optical modes circulate;
• un milieu amplificateur 2 à l'état solide ;An amplifying medium 2 in the solid state;
• un dispositif de stabilisation 3 de l'intensité des modes contre- propageants ;A device 3 for stabilizing the intensity of the counter-propagating modes;
• un dispositif de mesure 4 ;• a measuring device 4;
• un ensemble optique de déphasage 5 introduisant entre les deux chemins optiques des modes contre-propageants un déphasage d'un angle d variable et commandé par un dispositif électronique 6.An optical phase-shifting unit 5 introducing between the two optical paths of the counter-propagating modes a phase shift of a variable angle d controlled by an electronic device 6.
A l'extérieur de l'ensemble optique 5, les modes de propagation sont polarisés linéairement et ont des fréquences optiques différentes. Le déphasage d induit par l'ensemble optique est équivalent à une pseudorotation Ω valant : Ω = avec les mêmes notations que précédemment, c étantOutside the optical assembly 5, the propagation modes are polarized linearly and have different optical frequencies. The phase shift induced by the optical assembly is equivalent to a pseudorotation Ω equal to: Ω = with the same notation as before, c being
AnA la vitesse de la lumière dans le vide.AnA the speed of light in the void.
Il serait bien entendu possible, en utilisant un biais constant et important, de maintenir le système en dehors de la zone aveugle, et ceci sur toute la plage d'utilisation du gyrolaser. L'inconvénient majeur de cette solution est qu'il serait alors nécessaire de parfaitement connaître la valeur de ce déphasage et de la maintenir constante. Or, comme le montre la figure 2, sous l'influence de divers paramètres comme, par exemple, la température, l'amplitude AD du déphasage risque de dériver en fonction du temps. Aussi, il est préférable d'utiliser un déphasage variable. D'autre part, un biais constant n'aurait aucune influence significative sur le contraste du réseau d'inversion de population existant dans Ie milieu amplificateur.It would of course be possible, using a constant and important bias, to maintain the system outside the blind zone, and this over the entire range of use of the laser gyro. The major disadvantage of this solution is that it would then be necessary to fully know the value of this phase shift and keep it constant. However, as shown in Figure 2, under the influence of various parameters such as, for example, the temperature, the amplitude A D of the phase shift may drift as a function of time. Also, it is better to use a variable phase shift. On the other hand, a constant bias would have no significant influence on the contrast of the existing population inversion network in the amplifying medium.
Des moyens de commande permettent de faire varier l'amplitude du déphasage de façon périodique autour d'une valeur moyenne très sensiblement nulle. Le déphasage varie alors entre -dMAX et +dMAχ comme indique sur la courbe de la figure 3. Par conséquent, la pseudo-rotation Ω varie entre deux valeurs extrêmes -ΩMAX et +ΩMAX-Control means make it possible to vary the amplitude of the phase shift periodically around a very substantially zero average value. The phase difference then varies between -d MAX and + d MA χ as indicated on the curve of FIG. 3. Therefore, the pseudo-rotation Ω varies between two extreme values -Ω M AX and + Ω M A X -
Si la zone aveugle correspond à des rotations comprises entre ΘMIN et ΘMAX, tant que la pseudo-rotation Ω reste en dehors de cette zone, le gyrolaser fonctionne correctement. Par conséquent, il est donc important que:If the blind zone corresponds to rotations between Θ MIN and Θ MAX , as long as the pseudo-rotation Ω remains outside this zone, the laser guns work properly. Therefore, it is important that:
• la valeur ΩMAX soit très nettement supérieure en valeur absolue aux valeurs θ MIN et ΘMAX • lorsque le déphasage varie, la durée pendant laquelle le déphasage est suffisamment faible pour placer le système dans la zone aveugle, soit la plus réduite possible.• the value Ω M AX is very much greater in absolute value than the values θ MIN and ΘMAX • when the phase shift varies, the time during which the phase shift is low enough to place the system in the blind zone, is as small as possible.
De plus, pour diminuer le contraste du réseau d'inversion de population existant dans le milieu amplificateur, il faut également que: • l'amplitude et la fréquence de cette variation soient telles que le contraste du réseau d'inversion de population existant dans le milieu amplificateur soit sensiblement nul ;In addition, in order to reduce the contrast of the existing population inversion network in the amplifying medium, it is also necessary that: • the amplitude and the frequency of this variation are such that the contrast of the existing population inversion network in the amplifier medium is substantially zero;
• la fréquence d'oscillation du déphasage soit très supérieure à l'inverse du temps de réponse du milieu amplificateur, de façon que le réseau n'est pas le temps de s'établir dans le milieu amplificateur. Par exemple, dans le cas d'un milieu amplificateur en Nd-YAG, le temps de réponse vaut environ 200 microsecondes.The frequency of oscillation of the phase shift is much greater than the inverse of the response time of the amplifying medium, so that the grating is not the time to settle in the amplifying medium. For example, in the case of an Nd-YAG amplifying medium, the response time is about 200 microseconds.
Pour remplir au mieux ces conditions : • la différence maximale de fréquences induite par le déphasage doit être choisie supérieure de plusieurs ordres de grandeur à la largeur fréquentielle de la zone aveugle du gyrolaser.To best fulfill these conditions: • the maximum frequency difference induced by the phase shift must be chosen several orders of magnitude greater than the frequency width of the blind zone of the laser gyro.
• l'amplitude du déphasage doit être formée d'une succession de créneaux temporels comme indiqué sur la figure 4. Pour minimiser les erreurs de mesure et simplifier les moyens de détection, II faut également que le biais soit le plus symétrique possible. Par ce moyen, les dérives lentes de l'amplitude maximale du biais se compensent. De plus, si la valeur moyenne du biais alternatif est suffisamment proche de zéro, typiquement de l'ordre de grandeur du biais induit par la rotation terrestre, l'électronique de traitement du signal de sortie peut être identique à celles usuellement utilisées, par exemple, dans les gyrolasers activés mécaniquement. II existe différents moyens pour réaliser l'ensemble optique de déphasage. Un des moyens les plus simples est d'utiliser des rotateurs à effet Faraday non réciproque.The amplitude of the phase shift must be formed of a succession of time slots as indicated in FIG. 4. In order to minimize the measurement errors and to simplify the detection means, the bias must also be as symmetrical as possible. By this means, the slow drifts of the maximum amplitude of the bias compensate each other. Moreover, if the average value of the alternative bias is sufficiently close to zero, typically of the order of magnitude of the bias induced by the earth's rotation, the processing electronics of the output signal can be identical to those usually used, for example , in mechanically activated gyrolasers. There are various means for producing the optical phase shift assembly. One of the simplest ways is to use non-reciprocal Faraday rotators.
Une rotation optique de la polarisation d'une onde est dite non réciproque lorsque les effets de rotation de la polarisation se cumulent après un aller-retour de ladite onde dans un composant optique présentant cet effet. Le composant optique est appelé rotateur optique à effet non réciproque. Par exemple, les matériaux à effet Faraday sont des matériaux qui, lorsqu'ils sont soumis à un champ magnétique, font tourner le plan de polarisation des faisceaux qui les traversent. Cet effet n'est pas réciproque. Ainsi, le même faisceau venant en sens inverse subira une rotation de son plan de polarisation dans le même sens. Ce principe est illustré en figure 5. Les sens de propagation sont indiqués par des flèches horizontales sur cette figure. La direction de polarisation du faisceau polarisé linéairement 101 subit une rotation d'un angle β lorsqu'elle traverse le composant 52 à effet Faraday dans le sens direct (schéma supérieur de la figure 5). Si l'on réinjecte dans le composant à effet Faraday un faisceau identique 102 se propageant dans le sens opposé et dont la direction de polarisation est initialement tournée de β, sa direction de polarisation tourne à nouveau de l'angle β en traversant le composant, l'angle de rotation total faisant alors 2β après un aller-retour (schéma inférieur de la figure 5).An optical rotation of the polarization of a wave is said to be non-reciprocal when the effects of rotation of the polarization accumulate after a round-trip of said wave in an optical component having this effect. The optical component is called a non-reciprocal optical rotator. For example, Faraday effect materials are materials which, when subjected to a magnetic field, rotate the plane of polarization of the beams passing through them. This effect is not reciprocal. Thus, the same beam coming in opposite direction will undergo a rotation of its plane of polarization in the same direction. This principle is illustrated in Figure 5. The directions of propagation are indicated by horizontal arrows in this figure. The polarization direction of the linearly polarized beam 101 is rotated by an angle β as it passes through the Faraday effect component 52 in the forward direction (upper diagram of FIG. 5). If an identical beam 102 propagating in the opposite direction and whose direction of polarization is initially turned by β is reinjected into the Faraday effect component, its polarization direction turns again by the angle β while crossing the component, the total rotation angle then making 2β after a round trip (lower diagram of Figure 5).
Dans un rotateur classique 31 à effet réciproque, la direction de polarisation du faisceau 101 tourne de +α dans le sens direct et la direction de polarisation du faisceau 102 tourne de -α dans le sens inverse de propagation, de façon à retrouver la direction initiale de polarisation comme illustré sur les schémas de la figure 6.In a conventional rotator 31 having a reciprocal effect, the polarization direction of the beam 101 rotates by + α in the forward direction and the polarization direction of the beam 102 rotates by -α in the opposite direction of propagation, so as to return to the initial direction as shown in the diagrams of FIG.
Le fonctionnement de l'ensemble optique de déphasage est représenté en figure 7. Lorsqu'un mode optique polarisé linéairement 101 (flèche droite sur la figure 7) traverse la première lame quart d'onde 51 , si l'axe principal de cette lame, représenté par une flèche double, est incliné de 45 degrés sur la direction de polarisation, alors la polarisation du mode sort avec une polarisation circulaire droite (flèche semi-circulaire pleine sur la figure 7). Cette onde polarisée circulairement subit un déphasage non réciproque d lorsqu'elle traverse le rotateur optique non réciproque 52. Elle est ensuite de nouveau transformée en onde polarisée linéairement par la seconde lame quart d'onde 51 dont l'axe principal est perpendiculaire à l'axe principal de la première lame quart d'onde. On a ainsi introduit un déphasage non réciproque sur le mode traversant cet ensemble optique tout en conservant la polarisation linéaire de l'onde.The operation of the phase shift optical assembly is shown in FIG. 7. When a linearly polarized optical mode 101 (right arrow in FIG. 7) passes through the first quarter wave plate 51, if the main axis of this blade, represented by a double arrow, is inclined by 45 degrees on the polarization direction, then the polarization of the mode comes out with a right circular polarization (solid semicircular arrow in Figure 7). This circularly polarized wave undergoes a non-reciprocal phase shift d as it passes through the non-reciprocal optical rotator 52. is then again transformed into a linearly polarized wave by the second quarter wave plate 51 whose main axis is perpendicular to the main axis of the first quarter wave plate. A non-reciprocal phase shift has thus been introduced in the mode passing through this optical assembly while retaining the linear polarization of the wave.
Dans ces différentes réalisations, le rotateur non réciproque peut être un rotateur Faraday constitué d'un barreau 520 d'un matériau qui peut être par exemple de TGG (acronyme de Terbium Gadolinium Grenat) ou de YAG (acronyme de Yttrium Aluminium Grenat). Le barreau est alors placé dans le champ magnétique d'un solénoïde 521 traversé par une intensité électrique alternative lAc comme illustré en figure 8.In these different embodiments, the non-reciprocal rotator may be a Faraday rotator consisting of a bar 520 of a material which may be, for example, TGG (acronym for Terbium Gadolinium Garnet) or YAG (acronym for Yttrium Aluminum Garnet). The bar is then placed in the magnetic field of a solenoid 521 traversed by an alternating electrical current I A c as illustrated in FIG.
Pour se prémunir de l'influence des champs magnétiques extérieurs, un blindage magnétique peut être disposé autour de l'élément déphaseur. De la même façon, un capteur de champ magnétique peut être intégré à proximité de l'élément déphaseur permettant de mesurer le champ magnétique parasite. Dans ce cas, on compense ce champ magnétique parasite en ajoutant à l'intensité alternative traversant le solénoïde une intensité proportionnelle au signal délivré par le capteur de champ magnétique.To guard against the influence of external magnetic fields, a magnetic shielding may be arranged around the phase shifter element. Similarly, a magnetic field sensor can be integrated near the phase shifter element for measuring the parasitic magnetic field. In this case, this parasitic magnetic field is compensated by adding to the alternating current through the solenoid an intensity proportional to the signal delivered by the magnetic field sensor.
Il est également possible comme indiqué sur la figure 9 de séparer le rotateur unique en deux rotateurs identiques séparées par une lame demi- onde 525. Les rotateurs sont agencés de façon que, pour une onde polarisée circulairement dans un sens de rotation donnée, le déphasage introduit par le premier rotateur sous l'action du dispositif de commande s'ajoute à celui introduit par le second rotateur. Il suffit pour cela que les intensités traversant les bobines d'induction 521 et 523 entourant les barreaux 520 et 522 des deux rotateurs soient de sens opposé. La lame demi-onde 525 séparant les deux rotateurs renverse le sens de rotation de la polarisation de l'onde incidente de façon que les déphasages induits par les bobines d'induction des deux rotateurs s'ajoutent. Bien entendu, un champ magnétique parasite de même importance et de même sens appliqué sur les deux rotateurs provoque deux déphasages qui s'annulent lorsque l'onde polarisée circulairement traverse le premier rotateur avec un premier sens de rotation puis le second rotateur avec un sens inversé. On élimine ou on réduit ainsi considérablement l'influence des champs magnétiques parasites.It is also possible, as shown in FIG. 9, to separate the single rotator into two identical rotators separated by a half wave plate 525. The rotators are arranged so that, for a wave polarized in a circular direction in a given direction of rotation, the phase shift introduced by the first rotator under the action of the control device is added to that introduced by the second rotator. It suffices for that the intensities through the induction coils 521 and 523 surrounding the bars 520 and 522 of the two rotators are in the opposite direction. The half wave plate 525 separating the two rotators reverses the direction of rotation of the polarization of the incident wave so that the phase shifts induced by the induction coils of the two rotators are added. Of course, a parasitic magnetic field of the same magnitude and of the same direction applied on the two rotators causes two phase shifts which cancel each other out when the circularly polarized wave passes through the first rotator with a first direction of rotation. then the second rotator with an inverted sense. This considerably eliminates or reduces the influence of parasitic magnetic fields.
L'ensemble optique de déphasage est pilotée par des moyens de commande électroniques 6. Les moyens de commande peuvent comporter un générateur de référence ultra-stable de tension qui commande un courant stabilisé alimentant un dispositif de commutation périodique du courant Uc alimentant la bobine d'induction.The optical phase shift assembly is controlled by electronic control means 6. The control means may comprise an ultra-stable voltage reference generator which controls a stabilized current supplying a periodic switching device of the current Uc supplying the coil of induction.
Il existe plusieurs modes de réalisation du dispositif de stabilisation des intensités.There are several embodiments of the intensity stabilization device.
A titre d'exemple non limitatif, le dispositif de stabilisation des intensités 3 comprend un rotateur optique à effet réciproque 31 et un rotateur optique à effet non réciproque 32. Le fonctionnement du dispositif de stabilisation est représenté en figure 10. Dans le type de cavité selon l'invention, les états propres des modes contre-propageants sont polarisés linéairement selon un axe parallèle à l'axe du polariseur 33. Dans le sens direct, le premier mode optique 101 traverse d'abord le rotateur à effet réciproque 31 puis le rotateur à effet non réciproque 32 et enfin le polariseur 33. Par conséquent, sa direction de polarisation tourne d'un angle α après la traversée du premier élément, et d'un angle égal à α+β après la traversée du second élément. En traversant le polariseur 33, le mode est donc atténué d'un facteur cos2(α+β). Dans le sens inverse, le second mode optique sera également atténué par le polariseur 33 après avoir fait un tour complet. On démontre aisément que ce second facteur vaut cos2(α-β). Par conséquent, l'atténuation des modes est différente selon leur sens de propagation et dépend directement de l'importance des effets subis par la polarisation des deux modes. Il est ainsi possible de faire varier de façon différente les pertes subies par les modes contre-propageants en faisant varier au moins l'une des deux valeurs α ou β. La valeur des pertes différentielles est asservie sur la différence d'intensité entre les deux modes de telle sorte que le mode le plus intense subisse les pertes les plus élevées, ce qui provoque la stabilisation du laser. Les lames quart d'onde sont des composants optiques présentant un effet réciproque. Par conséquent, il est également possible de réaliser une cavité comportant un dispositif d'asservissement comprenant au moins :By way of nonlimiting example, the intensities stabilization device 3 comprises a reciprocal optical rotator 31 and a non-reciprocal optical rotator 32. The operation of the stabilization device is shown in FIG. 10. In the cavity type according to the invention, the eigenstates of the counter-propagating modes are polarized linearly along an axis parallel to the axis of the polarizer 33. In the forward direction, the first optical mode 101 first passes through the reciprocal rotator 31 and then the non-reciprocating rotator 32 and finally the polarizer 33. Therefore, its polarization direction rotates an angle α after crossing the first element, and an angle equal to α + β after crossing the second element. Crossing the polarizer 33, the mode is attenuated by a factor cos 2 (α + β). In the opposite direction, the second optical mode will also be attenuated by the polarizer 33 after one complete revolution. This second factor is easily proved to be cos 2 (α-β). Consequently, the attenuation of the modes is different according to their direction of propagation and depends directly on the importance of the effects suffered by the polarization of the two modes. It is thus possible to vary in a different way the losses sustained by the counter-propagating modes by varying at least one of the two values α or β. The value of the differential losses is slaved to the difference in intensity between the two modes so that the most intense mode suffers the highest losses, which causes the stabilization of the laser. Quarter wave plates are optical components with a reciprocal effect. Therefore, it is also possible to make a cavity comprising a servo device comprising at least:
• un premier ensemble optique constitué d'un premier polariseur 33 linéaire et d'un rotateur optique 32 à effet non réciproque réglable, le rotateur réciproque n'étant plus nécessaire dans cette configuration ;A first optical assembly consisting of a first linear polarizer 33 and an optical rotator 32 having an adjustable non-reciprocal effect, the reciprocal rotator being no longer necessary in this configuration;
• un deuxième ensemble optique constitué successivement d'une première lame quart d'onde 51 , d'un rotateur optique 52 à effet non réciproque et d'une seconde lame quart d'onde 51 , l'axe de la première lame 51 étant incliné d'un angle φ par rapport à la direction de polarisation du polariseur linéaire avec : φ=π/4+ θ, θ étant différent de 0, l'axe de la seconde lame 51 étant incliné à environ 45 degrés par rapport à la direction de polarisation du polariseur linéaire 33 et à environ 90 degrés par rapport à l'axe de la première lame 51.A second optical assembly consisting successively of a first quarter-wave plate 51, of an optical rotator 52 having a non-reciprocal effect and of a second quarter-wave plate 51, the axis of the first blade 51 being inclined an angle φ with respect to the polarization direction of the linear polarizer with: φ = π / 4 + θ, θ being different from 0, the axis of the second blade 51 being inclined at about 45 degrees to the direction polarization of the linear polarizer 33 and at about 90 degrees to the axis of the first blade 51.
Avec cet agencement optique, on peut générer des pertes différentielles et induire un déphasage non réciproque (même effet que celui obtenu avec le premier mode de réalisation avec un composant optique en moins). Le rotateur réciproque peut être un élément optiquement actif. Il peut également être remplacé par une lame d'onde ou un deuxième élément optique polarisant tourné par rapport au premier. Il peut également être obtenu au moyen d'une cavité non planaire par un agencement particulier des miroirs de la cavité de façon que la propagation des faisceaux optiques ne s'effectue pas dans un plan. L'effet du rotateur peut être soit constant soit variable, commandé alors par le système d'asservissement.With this optical arrangement, it is possible to generate differential losses and induce a non-reciprocal phase shift (same effect as that obtained with the first embodiment with one optical component less). The reciprocal rotator may be an optically active element. It can also be replaced by a wave plate or a second polarizing optical element rotated relative to the first. It can also be obtained by means of a non-planar cavity by a particular arrangement of the mirrors of the cavity so that the propagation of the optical beams does not take place in a plane. The effect of the rotator can be either constant or variable, then controlled by the servo system.
Il est à noter que le dispositif d'asservissement pouvant fonctionner jusqu'à une certaine fréquence de coupure, il est préférable que la fréquence d'oscillation du déphasage soit largement inférieure à cette fréquence. Il est également important que la fréquence d'oscillation du déphasage soit choisie significativement différente des fréquences propres du laser de manière à ne pas induire de couplage résonnant. Les différentes opérations permettant de déterminer la différence de fréquence Δvs existant entre les deux modes contre-propageants sont effectuées par le dispositif de mesure qui comporte :It should be noted that the servo device can operate up to a certain cutoff frequency, it is preferable that the frequency of oscillation of the phase shift is much lower than this frequency. It is also important that the frequency of oscillation of the phase shift be chosen significantly different from the eigenfrequencies of the laser so as not to induce resonant coupling. The various operations making it possible to determine the difference in frequency Δvs existing between the two counter-propagating modes are carried out by the measuring device which comprises:
• des moyens optiques permettant de faire interférer le premier mode de propagation avec le second mode de propagation ;Optical means for interfering with the first mode of propagation with the second mode of propagation;
• des moyens opto-électroniques permettant de déterminer la différence de fréquence optique Δvs entre le premier mode de propagation et le second mode de propagation ;Opto-electronic means for determining the difference in optical frequency Δvs between the first propagation mode and the second propagation mode;
• des moyens électroniques permettant de calculer la fréquence de battement ou de compter les franges du signal de battement.Electronic means for calculating the beat frequency or counting the fringes of the beat signal.
Il est, bien entendu possible d'assembler plusieurs gyrolasers selon l'invention pour réaliser un système de mesure de vitesses angulaires ou de positions angulaires relatives selon trois axes différents, comportant, par exemple, trois gyrolasers montés sur une structure mécanique commune. It is of course possible to assemble several gyrolasers according to the invention to produce a system for measuring angular velocities or relative angular positions along three different axes, comprising, for example, three gyrolasers mounted on a common mechanical structure.

Claims

REVENDICATIONS
1. Gyrolaser permettant la mesure de la vitesse angulaire ou de la position angulaire relative selon un axe de rotation déterminé, comportant au moins :1. Gyrolaser for measuring the angular velocity or the relative angular position along a determined axis of rotation, comprising at least:
• une cavité optique (1 ) en anneau dans laquelle circulent deux modes optiques contre-propageants; • un milieu amplificateur (2) à l'état solide ;An annular optical cavity (1) in which two counter-propagating optical modes circulate; An amplifying medium (2) in the solid state;
• un dispositif de stabilisation (3) de l'intensité des modes contre- propageants ; caractérisé en ce que ladite cavité (1 ) comporte également :• a device for stabilizing (3) the intensity of the counter-propagating modes; characterized in that said cavity (1) also comprises:
• un ensemble optique (5) permettant d'introduire un déphasage optique non réciproque entre lesdits modes contre-propageants ;An optical assembly (5) for introducing a non-reciprocal optical phase shift between said counter-propagating modes;
• des moyens de commande (6) permettant de faire varier l'amplitude du déphasage de façon périodique autour d'une valeur moyenne très sensiblement nulle, l'amplitude et la fréquence de cette variation étant telles que le contraste du réseau d'inversion de population existant dans le milieu amplificateur soit sensiblement nul.Control means (6) making it possible to vary the amplitude of the phase shift periodically around a very substantially zero average value, the amplitude and the frequency of this variation being such that the contrast of the reversal network of existing population in the amplifying medium is substantially zero.
2. Gyrolaser selon la revendication 1 , caractérisé en ce que, la fréquence d'oscillation du déphasage est très supérieure à l'inverse du temps de réponse du milieu amplificateur.2. Gyro laser according to claim 1, characterized in that the frequency of oscillation of the phase shift is much greater than the inverse of the response time of the amplifying medium.
3. Gyrolaser selon la revendication 1 , caractérisé en ce que, l'amplitude maximale du déphasage correspondant à une différence maximale de fréquences entre les deux modes contre-propageants, cette différence maximale de fréquences est supérieure de plusieurs ordres de grandeur à la largeur fréquentielle de la zone aveugle du gyrolaser.3. Gyro laser according to claim 1, characterized in that, the maximum amplitude of the phase difference corresponding to a maximum difference in frequency between the two counter-propagating modes, this maximum frequency difference is several orders of magnitude greater than the frequency width. of the blind area of the laser gyro.
4. Gyrolaser selon la revendication 1 , caractérisé en ce que, la fréquence d'oscillation du déphasage est très inférieure à la fréquence de coupure du dispositif de stabilisation. 4. Laser gyro according to claim 1, characterized in that the oscillation frequency of the phase shift is much lower than the cutoff frequency of the stabilization device.
5. Gyrolaser selon la revendication 1 , caractérisé en ce que, la fréquence d'oscillation du déphasage est éloignée des fréquences de relaxation du laser.5. Laser gyro according to claim 1, characterized in that the oscillation frequency of the phase shift is away from the relaxation frequencies of the laser.
6. Gyrolaser selon la revendication 1 , caractérisé en ce que, l'amplitude du déphasage est formée d'une succession de créneaux temporels.6. Gyrolaser according to claim 1, characterized in that the amplitude of the phase shift is formed of a succession of time slots.
7. Gyrolaser selon la revendication 1 , caractérisé en ce que, l'ensemble optique (5) comprend au moins et successivement une première lame quart d'onde (51 ), un premier rotateur optique à effet non réciproque7. Gyro laser according to claim 1, characterized in that the optical assembly (5) comprises at least and successively a first quarter wave plate (51), a first optical rotator with non-reciprocal effect
(52) et une seconde lame quart d'onde (51) dont les axes principaux sont perpendiculaires à ceux de la première lame quart d'onde.(52) and a second quarter wave plate (51) whose main axes are perpendicular to those of the first quarter wave plate.
8. Gyrolaser selon la revendication 7, caractérisé en ce que, l'ensemble optique comprend, de plus, un second rotateur optique à effet non réciproque et une lame demi-onde (525); la première lame quart d'onde (51 ), le premier rotateur (52), la lame demi-onde (525), le second rotateur (52) et la seconde lame quart d'onde (51 ) étant disposés successivement, les rotateurs étant agencés de façon que le déphasage global induit par un champ magnétique extérieur soit nul.8. Laser gyro according to claim 7, characterized in that the optical assembly further comprises a second non-reciprocal optical rotator and a half wave plate (525); the first quarter wave plate (51), the first rotator (52), the half wave plate (525), the second rotator (52) and the second quarter wave plate (51) being arranged successively, the rotators being arranged so that the overall phase shift induced by an external magnetic field is zero.
9. Gyrolaser selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que le premier ou le second rotateur comprenne au moins un matériau à effet Faraday (520) entouré d'une bobine d'induction (521) électromagnétique alimentée en courant électrique.9. Gyro laser according to one of claims 7 or 8, characterized in that the first or second rotator comprises at least one Faraday effect material (520) surrounded by an electromagnetic induction coil (521) electrically powered. .
10. Gyrolaser selon la revendication 9, caractérisé en ce que le rotateur comporte un blindage magnétique.10. Laser gyro according to claim 9, characterized in that the rotator comprises a magnetic shielding.
11. Gyrolaser selon la revendication 9, caractérisé en ce que le rotateur comporte un capteur de champ magnétique.11. Laser gyro according to claim 9, characterized in that the rotator comprises a magnetic field sensor.
12. Gyrolaser selon l'une des revendication 8 à 10, caractérisé en ce que les moyens de commande (6) comporte un générateur de référence ultra-stable de tension qui commande un courant stabilisé alimentant un dispositif de commutation périodique du courant alimentant la bobine d'induction.12. Laser gyro according to one of claims 8 to 10, characterized in that the control means (6) comprises a reference generator ultra-stable voltage which controls a stabilized current supplying a periodic switching device of the current supplying the induction coil.
13. Gyrolaser selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif d'asservissement comporte au moins un premier polariseur linéaire (33), un rotateur optique (32) à effet non réciproque et un élément optique, ledit élément optique étant soit un rotateur optique à effet réciproque (31 ), soit un élément biréfringent, au moins l'un des effets ou la biréfringence étant réglable.13. Gyrolaser according to one of the preceding claims, characterized in that the servo device comprises at least a first linear polarizer (33), an optical rotator (32) non-reciprocal effect and an optical element, said optical element being either a reciprocal optical rotator (31) or a birefringent element, at least one of the effects or the birefringence being adjustable.
14. Système de mesure de vitesses angulaires ou de positions angulaires relatives selon trois axes différents, caractérisé en ce qu'il comporte trois gyrolasers selon l'une des revendications précédentes, orientés selon des directions différentes et montés sur une structure mécanique commune. 14. A system for measuring angular velocities or relative angular positions along three different axes, characterized in that it comprises three laser gyros according to one of the preceding claims, oriented in different directions and mounted on a common mechanical structure.
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