FR2465201A1

FR2465201A1 - Interferometre en anneau

Info

Publication number: FR2465201A1
Application number: FR8018502A
Authority: FR
Inventors: Gerhard Schiffner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1979-09-07
Filing date: 1980-08-26
Publication date: 1981-03-20
Also published as: JPS5644855A; JPS6312242B2; DE2936267C2; FR2465201B1; GB2058397A; DE2936267A1; GB2058397B; US4400088A

Abstract

A.INTERFEROMETRE EN ANNEAU. B.DANS CET INTERFEROMETRE COMPORTANT UNE SOURCE 5 DE LUMIERE COHERENTE ET UN GUIDE D'ONDES DE LUMIERE 1 QUI POSSEDE DEUX POINTS DE COUPLAGE, AU NIVEAU DESQUELS DES LUMIERES EXTRAITES SONT ENVOYEES, EN ETANT SUPERPOSEES, A UNE SURFACE RECEPTRICE, SUIVANT DES TRAJETS LUMINEUX 112, 111 DONT LA DIFFERENCE DE LONGUEUR EST SUPERIEURE A LA DEMI-LONGUEUR DE COHERENCE DE LA LUMIERE, ET DES TRAJETS LUMINEUX DIFFERENTS 51, 1, 111; 52, 1, 112 POUR LA LUMIERE, ALLANT DE LA SOURCE 5 PAR LES POINTS DE COUPLAGE 11, 12 ET PAR LE GUIDE D'ONDES 1 A UN POINT DE REUNION 2, AYANT UNE DIFFERENCE DE LONGUEUR TOUT AU PLUS EGALE A UNE VALEUR INFERIEURE A LA LONGUEUR DE COHERENCE DE LA LUMIERE. C.APPLICATION NOTAMMENT A LA DETECTION ET A LA MESURE DE VITESSES ANGULAIRES.

Description

I

La présente invention concerne un interfé-

romètre en anneau comportant une source de lumière cohérente et un guide d'ondes de lumière qui possède deux points de couplage séparés l'un de l'autre et au niveau desquels la lumière cohérente provenant de la source de lumière peut être injectée par couplage dans le guide d'ondes de lumière, peut être guidée à l'intérieur de ce guide d'ondes de lumière en direction de l'autre point de couplage respectif et peut y être

à nouveau extraite par découplage, des lumières ex-

traites par découplage au niveau des deux points de

couplage étant envoyées en étant superposées à une sur-

face réceptrice de lumière, suivant deux trajets lumi-

neux différents partant des points de couplage, mais

coïncidant au niveau d'un point de réunion.

Des interféromètres en anneau du type indiqué plus haut servent par exemple à déceler des rotations et à mesurer leur vitesse angulaire. Ils utilisent l'effet Sagnac relativiste qui provoque des différences

de temps de propagation non réciproques, qui sont pro-

portionnelles à la vitesse angulaire. Ceci est vala-

ble pour tous les états de polarisation de la lumière.

On mesure des différences de temps de propagation et par conséquent la vitesse angulaire par l'intermédiaire de l'intensité intégrale sur la surface réceptrice de lumière. Mais il faut encore insister sur le fait que ceci n'est qu'un exemple et que des interféromètres en anneau du type indiqué plus haut peuvent être utilisés

ou sont utilisés également dans d'autres buts.

Dans de tels interféromètres en anneau, une partie de la lumière devant être injectée par couplage au niveau d'un point de couplage est réfléchie en raison

d'un saut de l'indice de réfraction ou en raison d'hété-

rogénéités. Cette partie réfléchie de la lumière se superpose à la lumière qui sort par découplage hors du

guide d'ondes de lumière au niveau de ce point de cou-

plage. Elle se propage, avec la lumière extraite par découplage, en tant que lumière parasite en direction

de la surface réceptrice de lumière.

Une telle lumière parasite apparaît au ni-

veau des deux points de couplage et interfère dans la zone de superposition, ce qui altère ou fausse

l'intensité sur la surface réceptrice de lumière.

Dans le cas de l'utilisation à titre d'exemple d'un tel interféromètre en anneau en tant que détecteur de

rotation, les rotations sont simulées de cette manière.

La présente invention a donc pour but de

perfectionner un interféromètre en anneau du type in-

diqué plus haut de telle manière que l'influence per-

tubatrice de la lumière parasite interférente puisse

être éliminée.

Ce problème est résolu conformément à l'in-

vention grâce au fait que les différents trajets lu-

mineux possèdent des longueurs différentes, que la

différence de longueur de ces différents trajets lu-

mineux est supérieure à la moitié de la longueur de cohérence de ia lumière cohérente utilisée et que des trajets lumineux différents pour la lumière cohérente, qui conduisent depuis la source de lumière en passant par les deux points de couplage et en traversant le guide d'ondes de lumière au point de réunion, présentent une différence de longueur égale tout au plus à une valeur inférieure à la longueur de cohérence de la

lumière cohérente.

Grâce à cette disposition, la lumière para-

site ne peut plus interférer dans la zone de superpo-

sition tandis que la lumière extraite par découplage hors du guide d'ondes de lumière au niveau des points

de couplage, reste de toutes façons apte à interférer.

La lumière parasite, qui ne peut plus fournir d'inter-

férences, produit sur la surface réceptrice de lumiè-

re encore uniquement une composante de lumière cons-

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tante qui peut être aisément éliminée. Des variations d'intensité par rapport à cette composante de lumière constante sont uniquement-produites par la lumière

extraite par découplage et apte à interférer.

A titre d'exemple on a décrit ci-dessous et illustré schématiquement au dessin annexé une forme de

réalisation de l'objet de l'invention.

La figure représente de façon schématique la constitution de l'interféromètre en anneau donné

à titre d'exemple.

L'interféromètre en anneau représenté sur la

figure est constitué par une source de lumière cohé-

rente 5, par exemple une source de lumière laser, par

deux miroirs semitransparents 3 et 2, par deux polari-

seurs linéaires 61 et 62, par deux systèmes optiques 71 et 72 et par le guide d'ondes de lumière 1, qui est constitué par exemple par une fibre optique monomode enroulée suivant une bobine et dont les deux faces frontales 11 et 12 forment, à ses extrémités, les

points de couplage, ainsi que par deux surfaces ré-

ceptrices de lumière 41 et 42, qui sont par exemple

les surfaces photosensibles de détecteurs photosen-

sibles 81 et 82.

La source de lumière 5 envoie dans la direc-

tion R le faisceau de rayonnement laser 50 qui tombe tout d'abord sur le miroir semitransparent 3 incliné de par exemple 450 par rapport audit faisceau. Le miroir 3 réfléchit perpendiculairement une partie de

la lumière laser sous la forme d'un faisceau de ra-

yonnement partiel 50", qui tombe sur un absorbeur de lumière 18. Le faisceau de rayonnement laser 50'

affaibli, qui a traversé le miroir 3, tombe sur le mi-

roir semitransparent 2 également incliné par exemple d'un angle de 45 par rapport au faisceau et qui, tout comme le miroir 3, réfléchit une partie de la lumière 2t 6520 1 sous la forme d'un faisceau de rayonnement partiel 52

perpendiculairement à la direction R, tandis que l'au-

tre partie de la lumière traverse le miroir 2 et con-

tinue à se propager sous la forme d'un faisceau de rayonnement lumineux 51 suivant la direction R. Sur le trajet du faisceau de rayonnement partiel traversant 51 et du faisceau de rayonnement partiel réfléchi 52 sont disposés des polariseurs linéaires 61 et 62, les systèmes optiques 71 et 72 et les faces frontales 11

et 12 du guide d'ondes de lumière 1. Le système opti-

que 71 ou 72 focalise le faisceau de rayonnement par-

tiel considéré 51 ou 52 sur la face frontale considé-

rée 11 ou 12 du guide d'ondes de lumière 1 et sert à injecter par couplage la lumière polarisée dans le guide d'ondes 1 La lumière, qui est injectée par couplage au niveau d'une face frontale 11 ou 12 dans le guide d'ondes de lumière 1, traverse ce dernier et en ressort par découplage au niveau de l'autre face frontale 12 ou 11 et est focalisée par le système optique 72 ou 71. Le faisceau de rayonnement lumineux 112 focalisé, extrait par découplage de la face.frontale 11, parcourt en.sens inverse le trajet lumineux parcouru par le

faisceau de rayonnement partiel incident 51 et rencon-

tre le miroir semitransparent 2 sur l'une de ses sur-

faces. Le faisceau de rayonnement lumineux focalisé

111, extrait par découplage au niveau de la face fron-

tale 12, parcourt le trajet lumineux parcouru par le

faisceau de rayonnement partiel 52 et qui est diffé-

rent du trajet lumineux du.faisceau, de rayonnement partiel 51, en sens opposé et rencontre le miroir 2

sur l'autre face opposée à la première face du mi-

roir.

Une partie du faisceau de rayonnement lumi-

neux 112 extrait par découplage traverse le miroir 2 et se propage ensuite suivant la même direction que

précédemment, tandis que la partie restante est réflé-

chie par le miroir 2 dans une direction perpendiculaire à la direction R. Il en va de même pour le faisceau de rayonnement lumineux 111 extrait par découplage au niveau de la face frontale 12. Une partie de ce fais-

ceau traverse le miroir 2 et se prolonge vers ce der-

nier, suivant la même direction que précédemment, tan-

dis que la partie restante est réfléchie suivant la

direction du faisceau de rayonnement lumineux 112 ex-

trait par découplage.

Par conséquent depuis une face du miroir 2 part, dans la direction opposée à la direction R, un faisceau de rayonnement lumineux 113, dans lequel la

partie, qui a traversé le miroir 2, du faisceau de ra-

yonnement lumineux 112 extrait par découplage, et la partie réfléchie du faisceau de rayonnement lumineux 111 extrait par découplage sont superposées, ce qui signifie qu'un point de réunion pour différents trajets lumineux 112 ou 111, partant des points de couplage 11 et 12, se situe sur une face du miroir 2. A partir

de l'autre face du miroir 2 part un faisceau de rayonne-

ment lumineux 114, dans lequel la partie, qui a traver-

sé le miroir, du faisceau de rayonnement lumineux 111

extrait par découplage et la partie réfléchie du fais-

ceau de rayonnement lumineux 112 extrait par découplage sont superposées, ce qui signifie qu'un autre point de

réunion pour différents trajets lumineux 112 ou 111 par-

tant des points de couplage 12 et 11 se situe sur l'au-

tre face du miroir 2.

Dans la zone de superposition du faisceau de rayonnement lumineux 114 se trouve disposée une surface réceptrice de lumière 41. Le faisceau de rayonnement lumineux 113 et par conséquent sa zone de -superposition rencontrent le miroir semitransparent 3 qui réfléchit

une partie 113' de ce faisceau de rayonnement lumineux.

Dans la zone de superposition de ce faisceau de rayon-

nement lumineux 113' réfléchi se trouve disposée

l'autre surface réceptrice de lumière 42.

Une partie de la lumière cohérente, qui

est injectée par couplage au niveau de la face fron-

tale 11 ou 12 dans le guide d'ondes de lumière 1, est réfléchie ou diffusée par la face frontale 11 ou 12, en tant que lumière parasite, et parcourt le même trajet lumineux que la lumière extraite par découplage hors de cette face frontale et parvient par conséquent aux zones de superposition sur les

trajets de rayonnement 113 ou 114.

Dans la pratique la longueur du guide d'ondes de lumière 1 est le plus souvent nettement supérieure à la longueur de cohérence de la lumière utilisée,

de sorte que la lumière parasite réfléchie ou diffu-

sée par une face frontale 11 ou 12, ne peut pas d'in-

terférer avec la lumière sortant par l'intermédiaire de cette face frontale. Au contraire les lumières parasites réfléchies ou diffusées aux extrémités 11 et 12 interfèrent entre elles dans la zone de superposition du faisceau de rayonnement lumineux 113 ou 114 et altèrent ou faussent la mesure de la

vitesse angulaire.

Lors d'essais il s'est avéré que la lumière réfléchie conformément aux lois- de la réflexion par les extrémités 11 et 12 de la fibre est libérée et

possède en outre encore une lumière diffuse qui pos-

sède une intensité non négligeable suivant la direc-

tion de l'axe optique du guide d'ondes de lumière. La partie, réfléchie selon les lois de la réflexion,

peut être éliminée relativement aisément, par exem-

ple au moyen d'une couche anti-reflets ou bien au

moyen d'un découpage de la fibre conductrice de lu-

mière sous un angle légèrement différent de 900 par rapport à l'axe de la fibre, mais pas la composante diffusée. Afin de supprimer l'altération de la mesure due à la lumière parasite interférente, l'invention prévoit que les trajets lumineux s'étendant des points de couplage 11 et 12 pour aboutir au point de réunion sur le diviseur de faisceau 2 sont choisis avec des longueurs différentes et que la différence de longueur entre ces trajets lumineux est supérieure à la moitié

de la longueur de cohérence de la lumière cohérente.

La longueur de cohérence de la lumière doit assurément

être supérieure à la modification, provoquée par l'ef-

fet Sagnac, de la longueur optique du guide d'ondes de lumière 1 bobiné. D'une manière générale on peut dire que des trajets lumineux différents pour la lumière cohérente, qui conduisent depuis la source de lumière en passant par les deux points de couplage et par le guide d'ondes de lumière pour aboutir au point de réunion, doivent présenter une différence de longueur égale tout

au plus à une valeur inférieure à la longueur de cohé-

rence de la lumière cohérente.

Dans la pratique la variation de longueur optique du guide d'ondes de lumière 1 en raison de l'effet Sagnac atteint par exemple à peine plus de 1 Y, tandis que la différence des distances des points de couplage Il et 12 par rapport au diviseur de faisceau 2 peut être de l'ordre du centimètre. Avec une longueur de cohérence de la lumière de quelques millimètres, on peut parfaitement bien remplir les conditions imposées dans le cas de cet exemple. Une

source de lumière appropriée est constituée par exem-

ple par une diode laser à semiconducteurs à régime

continu, qui peut présenter des longueurs de cohéren-

ce dans cette plage de valeurs.

Grâce aux dispositions décrites précédemment,

la lumière parasite retraversant les points de coupla-

ge 11 et 12 ne peut plus interférer, tandis que la lumière extraite par découplage hors du guide d'ondes de lumière 1 au niveau des points de couplage 11 et 12,est encore tout à fait apte à interférer. De cette

manière on est certain que des variations de l'inten-

sité intégrale sur la surface réceptrice de lumière 41 ou 42 ne sont provoquées que par l'interférence de la lumière extraite par découplage hors du guide

d'ondes de lumière. La lumière parasite n'interfé-

rant pas peut être supprimée en tant que composante

de lumière constante.

Grâce à la solution ainsi proposée, la ca-

pacité de former des interférences, que présente la lumière, réfléchie par les points de couplage et qui forme la majeure de la lumière parasite, est annihilée de façon sûre, mais également l'aptitude à former des

interférences de la lumière envoyée par rétrodiffu-

sion dans le guide d'ondes de lumière sont dans une

large mesure annihilées. Ce n'est que dans une sec-

tion du guide d'ondes de lumière, dont la longueur correspond à la longueur de cohérence de la lumière utilisée et qui s'étend sur deux trajets lumineux de même longueur, qui passent par les deux points de couplage, depuis le point de réunion jusqu'au

miroir semitransparent 2, qu'il peut encore apparaî-

tre une lumière parasite pouvant interférer et dont

le pourcentage, mesuré par rapport à la lumière pa-

rasite apparaissant globalement, est toutefois négli-

geable et qui en dernier ressort ne provoque égale-

ment plus de perturbations.

On notera que, indépendamment.des conditions

qui sont indiquées conformément à la présente inven-

tion, la constitution particulière de l'interféro-

mètre en anneau n'a aucune importance. Ainsi on peut

par exemple utiliser, à la place du miroir semitrans-

parent 2, un autre dispositif optique réciproque à

quatre portes possédant les mêmes propriétés caracté-

ristiques. Ainsi le miroir semitransparent 2 peut être remplacé par un coupleur optique directionnel du type qui a été proposé par exemple dans une demande de brevet allemand antérieure déposée sous le numéro provisoire P 28 04 119.2 De même la capacité d'utilisation de l'inter-

féromètre en anneau ne s'en trouve pas affectée.

Ainsi on peut par exemple l'utiliser également dans des buts de mesure, pour lesquels une lumière polarisée n'est pas nécessaire. Dans le présent exemple, les

polariseurs 61 et 62 peuvent être supprimés.

Mais on notera que l'utilisation de polari-

seurs est appropriée étant donné que, de ce fait, un

pourcentage important de la lumière parasite s'éli-

mine souvent déjà de lui-même par filtrage, et ce,

lorsqu'il se produit une dépolarisation.

Claims

REVENDICATION

Interféromètre en anneau comportant une sour-

ce de lumière cohérente et un guide d'ondes de lumiè-

re qui possède deux points de couplage séparés l'un de l'autre et au niveau desquels la lumière cohéren-

te provenant de la source de lumière peut être in-

jectée par couplage dans le guide d'ondes de lumière, peut être guidée à l'intérieur de ce guide d'ondes de

lumière en direction de l'autre point de couplage res-

pectif et peut y être à nouveau extraite par découpla-

ge, des lumières extraites par découplage au niveau des deux points de couplage étant envoyées en étant superposées à une surface réceptrice de lumière, suivant deux trajets lumineux différents partant des points de couplage, mais coïncidant au niveau d'un point de réunion, caractérisé par le fait que les

trajets lumineux différents (112, 111) ont des lon-

gueurs différentes, que la différence de longueur de ces chemins lumineux différents est supérieure à la demi longueur de cohérence de la lumière cohérente utilisée et que des trajets lumineux différents (51, 1, 111; 52, 1, 112) pour la lumière cohérente, qui conduisent depuis la source de lumière (5) en passant par les deux points de couplage (11, 12) et à travers le guide d'ondes de lumière (1), au point de réunion (en 2), présentent une différence de longueur tout au plus égale à une valeur inférieure à la longueur

de cohérence de la lumière cohérente.