FR2492522A1

FR2492522A1 - RING LASER GYROSCOPE WITH DISPERSION EQUALIZATION

Info

Publication number: FR2492522A1
Application number: FR8118232A
Authority: FR
Inventors: Irl W Smith
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1980-10-17
Filing date: 1981-09-28
Publication date: 1982-04-23
Also published as: GB2138585B; JPH02870B2; GB2138585A; DE3141175A1; GB2087638A; FR2492522B1; GB2087638B; IT8149504A0; CA1189600A; DE3141175C2; IT1142901B; GB8333405D0; NL8104726A; JPS5796581A

Abstract

UN GYROSCOPE A LASER EN ANNEAU UTILISE UN CHEMIN DE PROPAGATION NON PLAN 108, 110, 112, 114 ET UN ROTATEUR DE FARADAY NON DEPOLARISANT POUR REALISER UN FONCTIONNEMENT DIFFERENTIEL A QUATRE FREQUENCES. DES BOBINES 202, 212, 222, 232 ENTOURANT LA PARTIE ACTIVE DU MILIEU AMPLIFICATEUR CREENT DANS CE MILIEU UN CHAMP MAGNETIQUE QU'ON REGLE DE FACON A EGALISER LA DISPERSION DE CHACUNE DES DEUX ONDES SE PROPAGEANT EN SENS CONTRAIRE DE CHAQUE PAIRE D'ONDES. CECI PERMET D'ELIMINER LES FAIBLES DERIVES DUES AUX DIFFERENCES ENTRE LES DEPHASAGES INDUITS DANS LES ONDES PAR LE MILIEU AMPLIFICATEUR. APPLICATION AUX SYSTEMES DE NAVIGATION.A RING LASER GYROSCOPE USES A NON-PLANE PROPAGATION PATH 108, 110, 112, 114 AND A NON-DEPOLARIZING FARADAY ROTATOR TO PERFORM A FOUR-FREQUENCY DIFFERENTIAL OPERATION. COILS 202, 212, 222, 232 SURROUNDING THE ACTIVE PART OF THE AMPLIFIER MEDIUM CREATE IN THIS MEDIUM A MAGNETIC FIELD THAT IS SET TO EQUALIZE THE DISPERSION OF EACH OF THE TWO WAVES PROPAGATING IN AN OPPOSITE SENSE OF EACH PAIR OF WAVES. THIS ALLOWS THE ELIMINATION OF SMALL DERIVATIVES DUE TO DIFFERENCES BETWEEN THE PHASES INDUCED IN THE WAVES BY THE AMPLIFIER MEDIUM. APPLICATION TO NAVIGATION SYSTEMS.

Description

La présente invention concerne les gyroscopesThe present invention relates to gyroscopes

à laser.to laser.

Pour 8tre utile, un gyroscope à laser doit s'affranchir du problème de verrouillage qui se manifeste aux faibles vitesses de rotation.Le verrouillage résulte d'une dispersion inévitable d'une partie de la lumière d'un mode de-résonateur vers l'autre, sous l'effet des To be useful, a laser gyroscope must overcome the problem of locking which manifests itself at low rotational speeds. The locking results from an unavoidable dispersion of a part of the light from a de-resonator mode to the other, as a result of

imperfections des éléments optiques qui forment la cavité. imperfections of the optical elements that form the cavity.

Si les fréquences des modes ne sont pas trop différentes, If the frequencies of the modes are not too different,

Do il y a une tendance au verrouillage de phase des modes. There is a tendency to phase lock modes.

Pour qu'un gyroscope ait un intérêt pratique, il doit faire disparattre ce problème de verrouillage. Dans un dispositif gyroscopique à deux fréquences, on peut éviter le verrouillage en polarisant le gyroscope de façon qu'il fonctionne avec une fréquence de sortie élevée pour une vitesse de rotation d'entrée nulle. Pour éviter des problèmes dans la précision de la polarisation, on peut faire osciller la polarisation de façon à permettre d'éliminer par moyenne temporelle les instabilités de polarisation présentes dans le signal de sortie. Cependant, la technique d'oscillation fait passer le gyroscope par le verrouillage deux fois par cycle d'oscillation. Ceci fait perdre partiellement au gyroscope sa cohérence de phase et une erreur d'une fraction d'incrément de For a gyroscope to have a practical interest, it must make this locking problem disappear. In a two-frequency gyroscopic device, locking can be avoided by biasing the gyroscope so that it operates at a high output frequency for zero input rotation speed. To avoid problems in the polarization accuracy, it is possible to oscillate the polarization so as to eliminate the polarization instabilities present in the output signal by time average. However, the oscillation technique causes the gyroscope to pass through the lock twice per oscillation cycle. This causes the gyroscope to partially lose its phase coherence and an error of a fraction of increment of

comptage est ainsi faite à chaque cycle d'oscillation. counting is thus done at each oscillation cycle.

Ces erreurs s'ajoutent de façon aléatoire en donnant une erreur angulaire de sortie cumulative qui augmente au cours du temps. Un dispositif gyroscopique à laser de type différentiel à quatre fréquences résout ce problème en faisant fonctionner essentiellement deux gyroscopes indépendants dans un seul résonateur stable, avec un chemin optique commun, mais polarisé de façon statique dans des sens opposés par les mêmes éléments de polarisation passifs. Dans le signal de sortie différentiel de ces deux gyroscopes, la polarisation s'annule tandis que tous les signaux générés par une rotation s'aditionnent, ce qui donne une sensibilité double de celle du gyroscope unique à deux fréquences et évite les problèmes dûs aux dérives de la polarisation. On génère normalement les quatre fréquences différentes en utilisant deux effets optiques différents. On utilise tout d'abord un rotateur de polarisation à cristal pour produire une polarisation indépendante de la direction faisant en sorte que les ondes de résonance soient presque en polarisation circulaire à droite et en polarisation circulaire à gauche. La rotation de polarisation résulte du fait que l'indice de réfraction du milieu rotateur est légèrement différent pour les ondes en polarisation circulaire à droite et en polarisation circulaire à gauche. On utilise ensuite un rotateur de Faraday pour produire une rotation de polarisation non réciproque, grâce à un indice de réfraction légèrement différent pour les ondes qui se propagent dans le sens dextrorsum et pour celles qui se propagent dans le sens inverse. Ceci fait osciller à des fréquences légèrement différentes les ondes en polarisation circulaire à droite qui se propagent dans les sens dextrorsum et sinistrorsum tandis que les ondes en polarisation circulaire These errors are added randomly by giving a cumulative output angle error that increases over time. A four frequency differential type laser gyroscopic device solves this problem by essentially operating two independent gyroscopes in a single stable resonator, with a common optical path, but statically biased in opposite directions by the same passive bias elements. In the differential output signal of these two gyroscopes, the polarization vanishes while all the signals generated by a rotation add up, giving a sensitivity twice that of the single two-frequency gyroscope and avoids the problems due to drifts. polarization. The four different frequencies are normally generated using two different optical effects. A crystal polarization rotator is first used to produce a direction-independent polarization causing the resonance waves to be near circular right and left circular polarized. The polarization rotation results from the fact that the refractive index of the rotator medium is slightly different for the right circular polarization and left circular polarization waves. A Faraday rotator is then used to produce a non-reciprocal polarization rotation, with a slightly different refractive index for waves propagating in the backward direction and those propagating in the opposite direction. This oscillates at slightly different frequencies right circular polarization waves which propagate in the direction of dextrorsum and sinistrorsum while the waves in circular polarization

à gauche se propageant les sens dextrorsum et sinis- on the left, the sense of dextrorsum and sinis-

trorsum présentent un décalage similaire mais opposé. trorsum have a similar but opposite shift.

Ce rotateur de Faraday peut être un élément optique séparé consistant en un-morceau d'une matière optiquement isotrope soumise à un champ magnétique longitudinal, ou bien il peut etre réalisé par application d'un tel champ magnétique au cristal rotateur. Il existe ainsi un gyroscope à laser fonctionnant avec une polarisation circulaire à droite et polarisé dans un sens de rotation, et un autre gyroscope fonctionnant avec une polarisation circulaire à gauche et polarisé dans le sens opposé, les polarisations étant annulées par soustraction des deux signaux de sortie. Le brevet US 3 741 657 décrit le fonctionnement d'un gyroscope à laser à quatre fréquences This Faraday rotator may be a separate optical element consisting of a piece of an optically isotropic material subjected to a longitudinal magnetic field, or it may be made by applying such a magnetic field to the rotator crystal. There is thus a laser gyroscope operating with a circular polarization on the right and polarized in one direction of rotation, and another gyroscope operating with a circular polarization on the left and polarized in the opposite direction, the polarizations being canceled by subtraction of the two signals of exit. US Patent 3,741,657 describes the operation of a four-frequency laser gyroscope

de type fondamental.fundamental type.

L'invention décrit un dispositif gyroscopique à laser qui tient compte des problèmes qui limitent la The invention describes a laser gyroscopic device which takes into account problems which limit the

stabilité des dispositifs gyroscopiques à laser actuels. stability of current laser gyro devices.

De façon idéale, toute fluctuation résultante dans le signal de sortie différentiel d'un gyroscope à quatre fréquences devrait être annulée du fait que les quatre fréquences devraient être affectées de façon égale par des sources externes, comme la dilatation thermique. En pratique, on a constaté que les quatre fréquences ne sont pas affectées également par les sources externes, ce qui entraîne des variations différentes des fréquences. Ainsi, bien que les gyroscopes à quatre fréquences présentent d'excellents niveaux de performances dans des conditions d'équilibre thermique, l'utilisation pratique de ces instruments a jusqu'à présent été limitée par la présence de sensibilités thermiques se manifestant par des dérives de polarisation Ideally, any resulting fluctuation in the differential output signal of a four-frequency gyroscope should be canceled because the four frequencies should be equally affected by external sources, such as thermal expansion. In practice, it has been found that the four frequencies are not equally affected by the external sources, resulting in different frequency variations. Thus, although the four-frequency gyroscopes have excellent levels of performance under thermal equilibrium conditions, the practical use of these instruments has so far been limited by the presence of thermal sensitivities manifested by drifts. polarization

à long terme inacceptables.long term unacceptable.

L'invention décrit un dispositif gyroscopique à laser qui réduit notablement les sources de dérive et réduit donc de plusieurs ordres de grandeur la dérive de sortie globale du gyroscope, par rapport à d'autres dispositifs gyroscopiques à laser. L'une des principales sources de dérive réside dans l'entraînement de fréquence qui résulte de L'interaction mutuelle de deux modes résonnants, à cause du couplage produit par toutes les sources de diffusion existantes, ces dernières dépendant de façon générale de l'environnement. Une autre source importante de dérive réside dans la dérive induite par diffusion qui est due au mouvement relatif de centres de diffusion dans la cavité. Il existe en outre une dérive induite par dispersion qui est due à la variation du milieu amplificateur au cours du temps, ce qui produit des variations différentielles.de la dispersion ou du déphasage vu par chaque fréquence résonnante. Il existe une source A laser gyro device significantly reduces drift sources and thus reduces the overall gyroscope output drift by several orders of magnitude compared to other gyroscopic laser devices. One of the main sources of drift is the frequency drive that results from the mutual interaction of two resonant modes, due to the coupling produced by all existing broadcast sources, the latter depending in general on the environment. . Another important source of drift is diffusion-induced drift due to the relative movement of scattering centers in the cavity. There is furthermore a dispersion-induced drift which is due to the variation of the amplifying medium over time, which produces differential variations in the dispersion or phase shift seen by each resonant frequency. There is a source

supplémentaire de dérive, qu'on appellera effet Fresnel- additional drift, which will be called Fresnel effect

Fizeau, et qui est due à la dépendance de l'indice de réfraction de la'décharge gazeuse vis-à-vis de la distribution de vitesse de la décharge échantillonnée par les modes laser, du fait qu' il peut varier lorsque les modes se déplacent sous l'effet de fluctuationsde la cavité en anneau. Ces sources de dérive sont présente;S dans tous les gyroscopes à laser et elles sont généralement produites par des changements dans la longueur du chemin optique sous l'effet de changements induits par l'environnement dans la cavité ou dans les éléments optiques de la cavité. Le gyroscope à laser de l'invention réduit notablement ces dérives en minimisant les mouvements physiques de la cavité, par l'utilisation de matières à dilatation extrêmement faible, en minimisant les changements de la longueur effective du chemin optique par la réduction du nombre et la limitation du type des éléments internes à la cavité, par la réduction de la diffusion de tous les éléments et par l'utilisation de modes de cavité en polarisation Fizeau, and which is due to the dependence of the refractive index of the gas discharge vis-à-vis the velocity distribution of the discharge sampled by the laser modes, because it can vary when the modes are move under the effect of fluctuations of the ring cavity. These drift sources are present in all laser gyroscopes and are generally produced by changes in optical path length under the effect of environmental induced changes in the cavity or in the optical elements of the cavity. . The laser gyro of the invention substantially reduces these drifts by minimizing the physical movements of the cavity, by the use of extremely low expansion materials, minimizing changes in the effective length of the optical path by reducing the number and limitation of the type of internal elements to the cavity, by the reduction of the diffusion of all the elements and by the use of cavity modes in polarization

circulaire pure.pure circular.

On utilise un chemin non plan au lieu du rotateur à cristal habituel, pour produire le dédoublement de fréquence entre les ondes en polarisation circulaire à A non-planar path is used instead of the usual crystal rotator, to produce the frequency split between circular polarization waves at

gauche et les ondes en polarisation circulaire à droite. left and the waves in circular polarization on the right.

On utilise une lame de verre mince paramagnétique à effet Faraday à la place du rotateur de Faraday épais habituel pour produire le dédoublement non réciproque entre les ondes se propageant en sens d'horloge et celles se propageant en sens inverse d'horloge. L'utilisation d'un chemin non plan a pour effet non seulement d'éliminer une source importante de diffusion (le rotateur à cristal) qui produit un couplage entre les différentes ondes, mais également de produire une bonne palarisation circulaire. L'utilisation d'un rotateur de Faraday en verre évite la biréfringence A Faraday-effect paramagnetic thin glass plate is used in place of the usual thick Faraday rotator to produce non-reciprocal splitting between the clock propagating and clockwise propagating waves. The use of a non-planar path has the effect not only of eliminating an important source of diffusion (the crystal rotator) which produces a coupling between the different waves, but also of producing a good circular palarization. The use of a glass Faraday rotator avoids birefringence

elliptique et maintient ainsi la polarisation circulaire. elliptical and thus maintains the circular polarization.

Ceci élimine encore davantage le couplage entre les différentes ondes du fait que lorsqu'une onde en polarisation circulaire à gauche parfaite se réfléchit, elle devient une onde en polarisation circulaire à droite et ne manifeste donc pas de couplage avec l'onde qui tourne en sens inverse. L'utilisation de l'épaisseur minimale de lame de rotateur qui donne une rotation prédéterminée assure une dépendance minimale vis-à-vis de la température pour tous les centres de diffusion qui sont éventuellement introduits par la lame. Cette manière intégrée-de créer et de maintenir la polarisation circulaire élimine les sources de dérives de forte valeur résultant du couplage entre les ondes et This further eliminates the coupling between the different waves because when a perfect left circular polarization wave is reflected, it becomes a right circularly polarized wave and thus does not show coupling with the spinning wave. reverse. The use of the minimum rotator blade thickness which gives a predetermined rotation ensures a minimum temperature dependency for all diffusion centers which are optionally introduced by the blade. This integrated way of creating and maintaining circular polarization eliminates high value drift sources resulting from coupling between waves and

donne un gyroscope à laser plus précis.. gives a more accurate laser gyroscope ..

La limitation suivante des performances est alors introduite par de faibles valeurs de dérive résultant d'effets d'ordre supérieure Le dispositif de l'invention peut maintenant utiliser avantageusement le dédoublement Zeeman du mélange du laser à gaz pour égaliser la dispersion vue par chaque onde de la paire d'ondes se propageant en sens inverse. Ceci permet d'obtenir un signal de sortie de différence stable lorsque les ondes à quatre fréquences subissent de petites variations de fréquence qui les placent sur différentes parties de la courbe de The following limitation of the performances is then introduced by low drift values resulting from higher order effects. The device of the invention can now advantageously use the Zeeman doubling of the gas laser mixture to equalize the dispersion seen by each wave. the pair of waves propagating in the opposite direction. This makes it possible to obtain a stable difference output signal when the four-frequency waves undergo small frequency variations that place them on different parts of the frequency curve.

dispersion non linéaire.nonlinear dispersion.

L'invention décrit un dispositif gyroscopique à laser qui emploie des moyens couplés à un chemin résonnant bouclé pour apporter aux ondes électromagnétiques une compensation tenant compte des changements induits par le milieu amplificateur dans le déphasage de ces ondes; et des moyens à peu près exempts de centres de diffusion destinés à produire des ondes de différentes fréquences se propageant en sens inverse et polarisées de façon circulaire, ces ondes étant groupées par pairescorrespondant à des premier et second sens de polarisation. Plus précisément, les moyens de polarisation circulaire comprennent des moyens non dépolarisants destinés à produire dans les ondes un déphasage dépendant de la polarisation, ce qui entraîne un dédoublement de fréquence entre les ondes ayant des polarisations circulaires opposées, et des moyens non dépolarisants destinés à produire dans les ondes un déphasage dépendant de la direction, ce qui entraîne un dédoublement de fréquence entre les ondes se propageant en sens inverse dans chacune des paires. Les moyens dépendant de la polarisation peuvent comprendre un résonateur non plan et les moyens dépendant de la direction peuvent comprendre des moyens ayant un indice de réfraction dont la composante indépendante de la direction est isotrope. Les moyens dépendant de la direction ont de préférence une caractéristique de diffusion à peu près indépendante de la température sur la gamme de température de fonctionnement. Dans le mode de réalisation préféré, les moyens dépendant de la direction comprennent une lame de matière isotrope capable de produire une rotation, dépendant de la direction, du champ électromagnétique des ondes, en présence d'un champ magnétique, cette lame ayant une épaisseur telle que la variation de cette épaisseur soit à peu près inférieure à une longueur d'onde The invention discloses a laser gyro device which employs means coupled to a looped resonant path to compensate the electromagnetic waves for the changes induced by the amplifying medium in the phase shift of these waves; and means substantially free of scattering centers for producing circularly polarized, circularly propagating waves of different frequencies, which waves are grouped in pairs corresponding to first and second directions of polarization. More specifically, the circular polarization means comprise non-depolarizing means for producing a polarization-dependent phase shift in the waves, resulting in frequency doubling between waves having opposite circular polarizations, and non-depolarizing means for producing in the waves a phase shift depending on the direction, resulting in a doubling of frequency between the waves propagating in opposite directions in each of the pairs. The bias-dependent means may comprise a non-plane resonator and the direction-dependent means may include means having a refractive index whose direction-independent component is isotropic. The direction-dependent means preferably have a temperature-independent diffusion characteristic over the operating temperature range. In the preferred embodiment, the direction-dependent means comprises a blade of isotropic material capable of producing a direction-dependent rotation of the electromagnetic field of the waves in the presence of a magnetic field, which blade has a thickness such as that the variation of this thickness is approximately less than one wavelength

des ondes sur la gamme de température de fonctionnement. waves over the operating temperature range.

Le champ magnétique destiné à produire la rotation dépendant de la. direction est de préférence localisé dans la région immédiatement adjacente à cette lame. En outre, les moyens de compensation du déphasage dû au milieu amplificateur comprennent des moyens destinés à produire un champ magnétique longitudinal par rapport à l'axe du milieu amplificateur et ayant une amplitude et une polarité produisant pratiquement la même valeur de déphasage induit par le milieu amplificateur dans les ondes se propageant The magnetic field for producing the rotation depends on the. direction is preferably located in the region immediately adjacent to this blade. In addition, the means for compensating the phase shift due to the amplifying medium comprise means for producing a longitudinal magnetic field with respect to the axis of the amplifying medium and having an amplitude and a polarity producing substantially the same phase shift value induced by the medium. amplifier in the propagating waves

en sens inverse de chaque paire.in the opposite direction of each pair.

L'invention port-e en outre sur un dispositif gyroscopique comprenant des moyens destinés à établir un chemin non plan et fermé pour la propagation d'ondes électromagnétiques polarisées circulairement et destinés également à établir un dédoublement de fréquence dans les ondes ayant des sens de polarisation opposés; un milieu amplificateur disposé dans le chemin; des moyens non dépolarisants destinés à communiquer un déphasage dépendant de la direction aux ondes polarisées circulairement, ce qui entraîne un dédoublement de fréquence entre les ondes se propageant en sens inverse de chaque sens de polarisation; et des moyens destinés à compenser une dispersion inégale du milieu amplificateur pour les ondes se propageant en sens inverse. L'invention utilise également des moyens d'enlèvement des particules diffusantes qui comprennent un déflecteur dans la région des électrodes. De plus, les moyens non dépolarisants dépendant de la direction comprennent une lame d'une matière isotrope ayant une constante de Verdet non nulle et des moyens destinés à produire un champ magnétique dans la lame. On utilise de préférence des moyens absorbants pour recueillir les ondes réfléchies éventuelles. Les moyens de compensation de dispersion comprennent des moyens destinés à produire une composante de champ magnétique dans le milieu amplificateur, en alignement avec son axe longitudinal, avec des composantes de champ d'amplitude suffisante pour produire un dédoublement de fréquence des caractéristiques d'amplification et de dispersion pratiquement égal au dédoublement de fréquence entre les ondes se propageant en sens inverse qui est dû auxmoyens non dépolarisants. La composante de champ magnétique a également une polarité qui donne des valeurs pratiquement égales de la dispersion du milieu amplificateur pour les ondes se propageant en sens inverse. Plus précisément, les moyens qui produisent le champ magnétique font varier ce dernier en fonction de la valeur moyenne du dédoublement de fréquence des ondes se propageant en sens inverse qui est produit par les moyens non dépolarisants dépendant de la direction. Dans un mode de réalisation préféré, les moyens qui produisent le champ magnétique comprennent au moins une bobine placée autour d'une partie du chemin contenant le milieu amplificateur, des moyens destinés à mesurer les valeurs de dédoublement de fréquence que les moyens non dépolarisants et dépendant de la direction génèrent dans les ondes se propageant en sens inverse, et des moyens destinés à produire dans la bobine un courant proportionnel à la valeur moyenne du dédoublement de fréquence. L'invention porte en outre sur un rotateur de Faraday comprenant un boîtier de support, des moyens destinés à produire une rotation de Faraday qui sont disposés à l'intérieur du bottier et des moyens destinés à absorber les ondes électromagnétiques qui sont disposés d'un c8té au moins des moyens de rotation de Faraday, pour qu'une partie importante des ondes puisse traverser les moyens de rotation de Faraday, ces derniers étant en outre positionnés de façon à diriger vers les moyens absorbants toute partie The invention also relates to a gyroscopic device comprising means for establishing a non-plane and closed path for the propagation of circularly polarized electromagnetic waves and also intended to establish a frequency doubling in the waves having polarization directions. opposite; an amplifying medium disposed in the path; non-depolarizing means for communicating a direction-dependent phase shift to the circularly polarized waves, resulting in frequency doubling between the waves propagating in the opposite direction of each direction of polarization; and means for compensating uneven dispersion of the amplifying medium for the waves propagating in the opposite direction. The invention also utilizes diffusing particle removal means that includes a deflector in the region of the electrodes. In addition, the non-depolarizing means dependent on the direction comprises a blade of an isotropic material having a non-zero Verdet constant and means for producing a magnetic field in the blade. Absorbent means are preferably used to collect any reflected waves. The dispersion compensating means comprises means for producing a magnetic field component in the amplifying medium, in alignment with its longitudinal axis, with field components of sufficient magnitude to produce a frequency doubling of the amplification characteristics and of dispersion practically equal to the doubling of frequency between the waves propagating in the opposite direction which is due to non-depolarizing means. The magnetic field component also has a polarity which gives substantially equal values of the dispersion of the amplifying medium for the waves propagating in the opposite direction. More precisely, the means that produce the magnetic field vary the magnetic field as a function of the average value of the frequency doubling of the waves propagating in the opposite direction which is produced by the non-depolarizing means depending on the direction. In a preferred embodiment, the means that produces the magnetic field comprise at least one coil placed around a portion of the path containing the amplifying medium, means for measuring the frequency-doubling values that the non-depolarizing and dependent means of the direction generate in the propagating waves in the opposite direction, and means intended to produce in the coil a current proportional to the average value of the doubling of frequency. The invention furthermore relates to a Faraday rotator comprising a support case, means for producing a Faraday rotation which are arranged inside the casing and means for absorbing the electromagnetic waves which are arranged in a casing. at least one of the Faraday rotation means, so that a large portion of the waves can pass through the Faraday rotation means, the latter being furthermore positioned so as to direct the absorbent means to any portion

réfléchie des ondes.reflected waves.

L'invention sera mieux comprise à la lecture The invention will be better understood when reading

de la description qui va suivre d'un mode de réalisation of the following description of an embodiment

et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure t montre une représentation isométrique supérieure, en vue à partir d'un premier coin, d'un dispositif gyroscopique à laser correspondant à l'invention; La figure 2 est une représentation isométrique inférieure, en vue à partir d'un second coin,du dispositif représenté sur la figure 1; Lesfigures 3 et 4 sont des représentations isométriques du bloc gyroscopique, en vue à partir d'un troisième coin du dispositif représenté sur la figure 1, montrant la structure interne et les passages qui se trouvent à l'intérieur du dispositif; La figure 5 est une coupe montrant la structure interne du dispositif représenté sur la figure 1, dans la région de l'une des chambres terminales et du substrat de miroir; La figure 6 est une coupe latérale montrant les détails de la structure du dispositif rotateur de Faraday du dispositif gyroscopique à laser qui est représenté sur la figure 1; La figure 6A est une représentation en vue de dessus d'une partie du dispositif gyroscopique à laser de la figure t, dans la région du rotateur de Faraday de la figure 6, et montrant le rotateur de Faraday en vue de dessus; La figure 7 est un graphique montrant le facteur de réduction de puissance en fonction de l'angle d'incidence des faisceaux sur une structure de miroir de sortie; La figure 8A est un graphique montrant le gain en fonction de la fréquence pour le milieu laser gazeux qui est employé dans le dispositif gyroscopique à laser de la figure 1, ce graphique montrant également les positions relatives des fréquences des quatre faisceaux à l'intérieur du dispositif; La figure 8B est un graphique montrant le déphasage (dispersion) en fonction de la fréquence pour le milieu amplificateur de la figure 8A La figure 8C est un graphique montrant le déphasage (dispersion) en fonction de la fréquence pour un milieu laser, en présence d'un champ magnétique, et ce graphique indique les positions relatives des fréquences des quatre faisceaux dans le dispositif; La figure 9 est un diagramme de niveaux d'énergie montrant le dédoublement des niveaux d'énergie en présence and with reference to the accompanying drawings in which: FIG. 1 shows an upper isometric representation, viewed from a first corner, of a laser gyro device corresponding to the invention; Figure 2 is a lower isometric representation, seen from a second corner, of the device shown in Figure 1; Figures 3 and 4 are isometric representations of the gyroscopic block, seen from a third corner of the device shown in Figure 1, showing the internal structure and the passages which are inside the device; Fig. 5 is a sectional view showing the internal structure of the device shown in Fig. 1, in the region of one of the end chambers and the mirror substrate; Fig. 6 is a side section showing details of the structure of the Faraday rotator device of the laser gyro device shown in Fig. 1; Figure 6A is a top view of a portion of the laser gyro device of Figure t in the Faraday rotator region of Figure 6 and showing the Faraday rotator in plan view; Fig. 7 is a graph showing power reduction factor versus angle of incidence of beams on an output mirror structure; FIG. 8A is a graph showing the gain versus frequency for the gaseous laser medium that is employed in the laser gyro device of FIG. 1, this graph also showing the relative positions of the frequencies of the four beams within the device; Fig. 8B is a graph showing the phase shift (scatter) vs. frequency for the amplifying medium of Fig. 8A Fig. 8C is a graph showing the phase shift (dispersion) versus frequency for a laser medium, in the presence of a magnetic field, and this graph indicates the relative positions of the frequencies of the four beams in the device; Figure 9 is an energy level diagram showing the doubling of energy levels in the presence

d'un champ magnétique.of a magnetic field.

On va maintenant décrire la structure et le fonctionnement d'un dispositif gyroscopique à laser conforme à l'invention, en se référant simultanément aux représentations des figures 1 à 5. Le bloc gyroscopique 102 forme la structure mécanique sur laquelle le dispositif est construit. Le bloc gyroscopique 102 est de préférence réalisé en une matière ayant un faible coefficient de The structure and operation of a laser gyroscopic device according to the invention will now be described with reference simultaneously to the representations of FIGS. 1 to 5. The gyroscopic block 102 forms the mechanical structure on which the device is constructed. The gyro block 102 is preferably made of a material having a low coefficient of

dilatation thermique, comme une matière du type vitro- thermal expansion, as a material of the type

céramique, afin de minimiser les effets des variations de température sur le dispositif gyroscopique à laser. Une matière préférée, disponible dans le commerce, est vendue sous la marque Cer-Vit, référence C-101 par la firme Owens-Illinois Campany. On peut également utiliser la ceramic, in order to minimize the effects of temperature variations on the gyroscopic laser device. A preferred material, commercially available, is sold under the trademark Cer-Vit, reference C-101 by the firm Owens-Illinois Campany. We can also use the

matière de la marque Zerodur de la firme Schott. brand Zerodur from Schott.

Le bloc gyroscopique 102 comporte neuf faces pratiquement planes, comme le montrent les différentes représentations des figures t à 4. Comme le montrent le plus clairement les représentations des figures 3 et 4, sur lesquelles le bloc gyroscopique 102 est représenté sans les autres composants du dispositif, des passages 108, 110, 112 et 114 sont formés entre quatre des faces du bloc gyroscopique 102. Les passages définissent un chemin de propagation fermé et non plan à l'intérieur du The gyroscopic block 102 has nine substantially planar faces, as shown by the different representations of Figures t to 4. As most clearly shown in the representations of Figures 3 and 4, on which the gyroscopic block 102 is shown without the other components of the device , passages 108, 110, 112 and 114 are formed between four of the faces of the gyro block 102. The passages define a closed and non-planar propagation path within the

bloc gyroscopique à laser 102.laser gyro block 102.

Des miroirs sont placés sur les faces 122, 124, Mirrors are placed on the faces 122, 124,

126 et 128, aux intersections des passages avec les faces. 126 and 128, at the intersections of the passages with the faces.

Des substrats 140 et 142 ayant des surfaces réfléchissantes appropriées forment les miroirs qui sont placés respectivement sur les faces 124 et 126. Une surface traitée de façon à constituer un miroir est égalemellt formée de façons directement adjacente à la face 128, devant un transducteur de commande de longueur de chemin 160. L'un de ces miroirs pourrait être légèrement concave pour faire en sorte que les faisceaux soient Substrates 140 and 142 having suitable reflective surfaces form the mirrors which are respectively placed on the faces 124 and 126. A mirrored treated surface is also formed in a manner directly adjacent to the face 128, in front of a control transducer. 160. One of these mirrors could be slightly concave to make the beams

stables et limités essentiellement au centre des passages. stable and limited mainly in the center of the passages.

De plus, un substrat 138 constituant un miroir transparent qui comporte des co uches diéléctriques miroirs 139, à transmission partielle, est placé sur la face 122 pour qu'une partie de chaque faisceau se propageant le long d'un chemin fermé à l'intérieur du bloc gyroscopique 102 puisse 8tre couplée vers l'optique de sortie 144. La structure de l'optique de sortie 144 est décrite dans In addition, a substrate 138 constituting a transparent mirror which has partially transmissive mirror dielectric pins 139 is placed on the face 122 so that part of each beam propagating along a closed path inside The gyro block 102 may be coupled to the output optic 144. The structure of the output optic 144 is described in FIG.

le brevet US 4 141 651.U.S. Patent 4,141,651.

Da fait que les passages 108, 110, 112 et 114 définissent un chemin de propagation non plan pour les divers faisceaux à l'intérieur du dispositif, chaque faisceau subit une rotation de polarisation lorsqu'il circule dans le chemin úereéo De façon idéale, seuls des faisceaux ayant une polarisation pratiquement Because passages 108, 110, 112, and 114 define a non-planar propagation path for the various beams within the device, each beam undergoes a polarization rotation as it travels in the ereo path. beams having a polarization substantially

circulaire existent dans la cavité non plane de l'irvention. circular exist in the non-planar cavity of the invention.

Avec des faisceaux polarisés circulairement, la dérive due à la diffusion des faisceaux ou au couplage d'un faisceau vers un autre est minimisée. Cette réduction vientdu fait que lorsque la lumière d'un état de polarisation circulaire est diffusée, elle n'a pas la polarisation correcte pour 9tre couplée vers les autres faisceaux et pour affecter ces dernierso Ce n'est pas le cas pour d'autres types de polarisation de la lumière, du fait qu'il existe toujours une certaine composante du faisceau With circularly polarized beams, drift due to beam scattering or coupling from one beam to another is minimized. This reduction comes from the fact that when the light of a state of circular polarization is scattered, it does not have the correct polarization to be coupled to the other beams and to affect the latter. This is not the case for other types polarization of light, because there is always some component of the beam

diffusé qui est couplée vers d'autres faisceaux. broadcast that is coupled to other beams.

Dans le mode de réalisation préféré, les passages et les miroirs réfléchissants sont disposés de façon à établir pratiquement une rotation de polarisation de 900 pour les divers faisceaux Du fait que des faisceaux en polarisation circulaire à droite et à gauche sont soumis à une rotation de cette même vraleur, avec des sens opposés, indépendamment de leur direction de propagation, un t dédoublement de fréquence entre les faisceaux en polarisation circulaire à droite et à gauche doit se produire pour que In the preferred embodiment, the reflective passages and mirrors are arranged to provide a substantially 900 polarization rotation for the various beams. Circular polarization beams on the right and on the left are rotated by this beam. the same, with opposite meanings, irrespective of their direction of propagation, a t doubling of the frequency between the left and right circular polarization beams must occur for

les faisceaux résonnent à l'intérieur de la cavité optique. the beams resonate inside the optical cavity.

Ceci est représenté sur la figure 8A par le dédoublement de fréquence entre les faisceaux en polarisation circulaire à gauche et à droite. Dans le mode de réalisation préféré, on emploie une rotation de 900 correspondant à un déphasage relatif de 1800, bien que d'autres déphasages puissent tout aussi bien être utilisés, en fonction de la séparation de fréquence désirée. La rotation de polarisation se produit aussi longtemps que le chemin de propagation fermé n'est pas plan. La configuration précise des chemins This is represented in FIG. 8A by the frequency doubling between the circular polarization beams on the left and on the right. In the preferred embodiment, a rotation of 900 corresponding to a relative phase shift of 1800 is employed, although other phase shifts may be used as well, depending on the desired frequency separation. Polarization rotation occurs as long as the closed propagation path is not plane. Precise configuration of paths

détermine la valeur de la rotation. determines the value of the rotation.

Dans les dispositifs connus de l'art antérieur, comme celui décrit dans le brevet US 3 741 657 précité, le dédoublement de fréquence entre les faisceaux en polarisation circulaire à droite et à gauche est obtenu par l'utilisation d'un bloc de matière solide d'épaisseur optique importante qui est disposé dans le chemin de propagation. La présence de toute matière solide placée directement dans le chemin de propagation des faisceaux crée des centres de diffusion à partir desquels la lumière peut être couplée de façon nuisible d'un faisceau vers un autre, entraînant ainsi une erreur dans le signal de sortie du gyroscope. La valeur du couplage, et donc l'erreur, est très sensible à la température. Par conséquent, la fréquence de sortie de tels dispositifs présente une dérive dépendant de la température qu'il n'est pas possible de compenser avec une polarisation de sortie fixe. De plus, un rotateur à cristal introduit un niveau de biréfringence lié aux contraintes qui tend à dépolariser les ondes polarisées circulairement, ce qui contribue, encore davantage à un couplage parasite des ondes. Ceci conduit à un dispositif gyroscopique qui présente une variation de la fréquence de sortie au cours du temps qui est au mieux de l'ordre de quelques dizaines de hertz et qui In the devices known from the prior art, such as that described in the aforementioned US Pat. No. 3,741,657, the frequency split between the left and right circular polarization beams is obtained by using a block of solid material. of significant optical thickness which is arranged in the propagation path. The presence of any solid material placed directly in the beam propagation path creates scattering centers from which light can be adversely coupled from one beam to another, thereby causing an error in the output signal of the gyroscope . The value of the coupling, and therefore the error, is very sensitive to the temperature. Therefore, the output frequency of such devices has a temperature dependent drift that can not be compensated with a fixed output bias. In addition, a crystal rotator introduces a stress-related birefringence level that tends to depolarize circularly polarized waves, further contributing to parasitic wave coupling. This leads to a gyroscopic device which has a variation of the output frequency over time which is at best of the order of a few tens of hertz and which

atteint dans de nombreux cas plusieurs centaines de hertz. in many cases reaches several hundred hertz.

Avec l'invention, la matière solide qui était utilisée pour le rotateur à cristal est complètement éliminée du chemin de propagation des faisceaux, ce qui élimine les sources d'erreur et de dérive associées à cette matière. Pour aider à comprendre la-façon dont le déphasage se produit, il est intéressant d'imaginer un faisceau With the invention, the solid material that was used for the crystal rotator is completely eliminated from the beam propagation path, eliminating the sources of error and drift associated with this material. To help understand how the phase shift occurs, it is interesting to imagine a beam

en polarisation linéaire qui se propage dans le chemin. in linear polarization that propagates in the path.

Dans cette description, on ne tient pas compte du déphasage In this description, the phase shift is not taken into account

de 1800 que manifeste une onde électromagnétique au moment d'une réflexion. Du fait qu'on emploie un nombre pair (quatre) de ces réflexions, aucune erreur n'est introduite de ce fait. On supposera par exemple que le faisceau qui se propage dans le passage 110 entre la face 122 et la face 124 est polarisé de façon linéaire, avec le vecteur électrique dirigé vers le haut. Lorsque le faisceau est réfléchi sur le miroir qui est placé sur la face 124, le vecteur électrique demeure approximativement dirigé vers le haut, mais- avec une légère inclinaison vers l'avant, du fait que le passage 1J2 descend entre la face 124 et la face 128. Lorsque le faisceau est réfléchi par le miroir qui se trouve sur la face 128, il est dirigé approximativement vers la gauche, avec une légère inclinaison vers le bas, sur les représentations des figures 3 et 4. Lorsque le faisceau est réfléchi sur la face 126, le vecteur électrique du faisceau dans le passage 108 est dirigé vers la gauche avec une légère inclinaison vers le haut, à nouveau sur les représentations des figures 3 et 4. Après réflexion sur la face 122, le vecteur électrique du faisceau dans le passage 110 est toujours dirigé vers la gauche et vers le plan du dessin. On peut-ainsi voir que lorsque le faisceau retourne dans le passage 110, il a subi une rotation de polarisation d'environ 900. Naturellement, un tel faisceau en polarisation linéaire soumis à une rotation ne peut pas se renforcer et résonner le long du chemin fermé. Seuls des faisceaux polarisés circulairement ayant une fréquence décalée par rapport à la fréquence à laquelle ces faisceaux résonneraient pour un chemin fermé plan from 1800 that shows an electromagnetic wave at the moment of a reflection. Because an even number (four) of these reflections is used, no error is introduced as a result. For example, it will be assumed that the beam propagating in the passage 110 between the face 122 and the face 124 is linearly polarized with the electric vector directed upwards. When the beam is reflected on the mirror which is placed on the face 124, the electric vector remains approximately directed upwards, but with a slight inclination forwards, because the passage 1J2 descends between the face 124 and the When the beam is reflected by the mirror on the face 128, it is directed approximately to the left, with a slight downward inclination, on the representations of FIGS. 3 and 4. When the beam is reflected on the face 126, the electric vector of the beam in the passageway 108 is directed to the left with a slight upward inclination, again on the representations of FIGS. 3 and 4. After reflection on the face 122, the electrical vector of the beam in FIG. passage 110 is always directed to the left and to the plane of the drawing. It can thus be seen that when the beam returns to the passage 110, it has undergone a polarization rotation of about 900. Naturally, such a linear polarization beam subjected to rotation can not strengthen and resonate along the path closed. Only circularly polarized beams having a frequency offset from the frequency at which these beams would resonate for a closed plane plane

de même longueur manifesteront une résonance. of the same length will manifest a resonance.

On peut construire un gyroscope à laser à deux fréquences en utilisant un chemin de propagation non plan pour produire le seul dédoublement de fréquence. Aucun rotateur de Faraday ou autre élément de ce type n'est nécessaire dans un tel mode de réalisation. Pour détecter la vitesse de rotation, on produit un signal de sortie en faisant battre ensemble les fractions extraites des deux faisceaux, pour former un signal de sortie ayant une fréquence égale à la différence de fréquence entre les deux faisceaux. Au repos, le signal de sortie demeure à une certaine valeur f. Pour une rotation dans une direction, A two-frequency laser gyroscope can be constructed using a non-planar propagation path to produce the only frequency split. No Faraday rotator or other such element is necessary in such an embodiment. To detect the rotational speed, an output signal is produced by causing the fractions extracted from the two beams to beat together to form an output signal having a frequency equal to the frequency difference between the two beams. At rest, the output signal remains at a certain value f. For a rotation in one direction,

le signal de sortie augmente jusqu'à une valeur f +4f,. the output signal increases to a value f + 4f ,.

le terme A f étant proportionnel à la vitesse de rotation, et ce signal diminue jusqu'à une valeur f0- 4f pour une rotation dans l'autre direction.. L'invention réduit notablement le couplage mutuel dû à la rétrodiffusion, ce qui diminue la plage dé verrouillage et permet d'utiliser un tel gyroscope à laser dans de nombreuses applications the term A f being proportional to the speed of rotation, and this signal decreases to a value f0- 4f for a rotation in the other direction. The invention significantly reduces the mutual coupling due to backscattering, which decreases the locking range and allows to use such a laser gyroscope in many applications

sans élimination complète du verrouillage. without complete elimination of the lock.

Le rotateur de Faraday 156 est positionné à l'intérieur d'une partie de plus grand diamètre 113 du passage 112, en position adjacente à la face 124, comme The Faraday rotator 156 is positioned within a larger diameter portion 113 of the passageway 112, adjacent to the face 124, as

le montrent les représentations des figures 2, 4 et 6A. show the representations of Figures 2, 4 and 6A.

Les détails de la structure du rotateur de Faraday 156 The details of the rotator structure of Faraday 156

apparaissent sur les représentations des figures 6 et 6A. appear on the representations of FIGS. 6 and 6A.

La monture de rotateur de Faraday 154, qui est formée de préférence par la même matière que le bloc gyroscopique a laser 102, forme l'embase sur laquelle la structure est construite. La monture de rotateur 154 a une forme cylindrique et elle comporte plusieurs ouvertures cylindriques de diamètre variable, formées sous un certain angle par rapport à l'axe longitudinal de la monture 154, pour supporter à des positions prédéterminées tous les éléments du rotateur de Faraday 156 et pour établir un chemin dégagé le long de l'axe central longitudinal de la monture 154. La lame de rotateur de Faraday 165 est positionnée sur la portée 166 qui est form: par la partie centrale de la monture 154. La bague 169 empoche e492522 un mouvement latéral de la lame 165, La lame de rotateur de Faraday 165 peut être formée de préférence par un verre dopé avec une terre rare ou par une matière ayant de façon similaire une constante de Verdet élevée. Il est préférable que la constante de Verdet ait une valeur supérieure à 3 X 10-3 mn.cm l.A a à la longueur d'onde de fonctionnement afin de réduire l'épaisseur de la lame nécessaire pour produire la valeur de dédoublement de fréquence désirée. Les rotateurs deFaraday habituels utilisent une lame épaisse de matière, souvent en quartz fondu. Toute matière solide placée dans le chemin des faisceaux tournant en sens inverse introduit des points de diffusion qui présentent une sensibilité aux flux thermiques. Cette sensibilité peut Atre due à la dilatation thermique de la matière ou à un changement de la longueur du chemin optique dû à la dépendance de l'indice de réfraction de la matièrevis-à-vis de la température. On a trouvé que la dépendance effective de la longueur du chemin optique vis-à-vis de la température, et donc la dérive induite par effet thermique, sont des fonctions fortement positives de l'épaisseur de la matière solide dans le chemin des faisceaux. Il est donc souhaitable d'utiliser une lame aussi mince que possible et une épaisseur de 0,5 mm ou moins est préférable pour réduire la dérive à un niveau acceptable, donnant une variation de l'épaisseur sous lteffet de la température ou d'autres causes notablement inférieure à une longueur d'onde des ondes du laser, sur la plage de fonctionnement. La matière portant la référence FR-5 de la firme Hoya Optios, Inc. est une matière disponible dans le commerce qui consiste en un verre dopé avec une matière paramagnétique de façon à produire la rotation de Faraday et elle donne un rotateur ayant un indice de réfraction isotrope. On a trouvé que ceci est important du fait qu'un problème d'un rotateur de Faraday classique consiste en ce qu'une matière cristalline telle que du quartz a un indice de réfraction The Faraday rotator mount 154, which is preferably formed of the same material as the laser gyro block 102, forms the base on which the structure is constructed. The rotator mount 154 has a cylindrical shape and has a plurality of cylindrical openings of variable diameter, formed at an angle to the longitudinal axis of the mount 154, for supporting at all predetermined positions all the elements of the Faraday rotator 156 and to establish a clear path along the longitudinal central axis of the mount 154. The Faraday rotator blade 165 is positioned on the bearing surface 166 which is formed by the central portion of the mount 154. The ring 169 pockets e492522 Lateral movement of the blade 165. The Faraday rotator blade 165 may be preferably formed by a rare earth doped glass or material similarly having a high Verdet constant. It is preferable that the Verdet constant has a value greater than 3 X 10-3 nm · cm at the operating wavelength in order to reduce the thickness of the blade required to produce the desired frequency resolution value. . The usualFaraday rotators use a thick blade of material, often made of fused quartz. Any solid material placed in the path of the beams rotating in the opposite direction introduces diffusion points which have a sensitivity to thermal flows. This sensitivity may be due to the thermal expansion of the material or to a change in the length of the optical path due to the dependence of the refractive index of the material on the temperature. It has been found that the effective dependence of the length of the optical path on temperature, and thus the thermal induced drift, are strongly positive functions of the thickness of the solid in the path of the beams. It is therefore desirable to use a blade as thin as possible and a thickness of 0.5 mm or less is preferable to reduce drift to an acceptable level, giving a variation in thickness under the effect of temperature or other causes significantly lower than one wavelength of laser waves, over the operating range. FR-5 material of Hoya Optios, Inc. is a commercially available material which consists of a glass doped with a paramagnetic material to produce Faraday rotation and gives a rotator having a isotropic refraction. This has been found to be important because a problem with a conventional Faraday rotator is that a crystalline material such as quartz has a refractive index.

anisotrope qui introduit une biréfringence elliptique. anisotropic which introduces an elliptical birefringence.

Ceci dépolarise les ondes qui sont théoriquement polarisées circulairement et conduit à un couplage accru entre les ondes tournant en sens inverse. Il est donc important d'utiliser une matière isotrope pour le rotateur de Faraday afin d'éliminer la dépolarisation des modes résonnants. Le fait de fonctionner aussi près que possible de la polarisation circulaire réduit le couplage mutuel et réduit donc les dérives induites par effet thermique This depolarizes the waves which are theoretically circularly polarized and leads to an increased coupling between the waves rotating in opposite directions. It is therefore important to use an isotropic material for the Faraday rotator in order to eliminate the depolarization of the resonant modes. Operating as close as possible to circular polarization reduces mutual coupling and thus reduces thermal induced drift.

qui sont duesaux centres de diffusion restants éventuels. which are due to any remaining broadcast centers.

Ceci permet à un dispositif gyroscopique d'atteindre des niveaux de stabilité correspondant à une variation de quelques hertz ou moins de la fréquence de sortie au cours This allows a gyroscopic device to achieve stability levels corresponding to a variation of a few hertz or less of the output frequency during

du temps.time.

La lame de rotateur de Faraday 165 est maintenue contre la portée 166 par une structure à aimants 188. Deux aimants permanents cylindriques creux 186 et 187 sont placés bout à bout avec les pales de même nom l'un contre l'autre à la jonction entre les deux aimants. Les deux aimants peuvent être fixés ensemble par n'importe quel moyen connu, comme par soudage avec ou sans alliage fusible. La lame de rotateur de Faraday 165 est donc adjacente à une extrémité de la paire d'aimants0 Un champ magnétique longitudinal est produit dans la lame, mais ce champ s'attenue rapidement lorsqu'on s'éloigne d'une courte distance de la lame ou des aimants. Ce mode de réalisation a l'avantage qu'il ne produit pratiquement aucun champ magnétique de fuite susceptible de s'étendre dans la région de décharge gazeuse et de produire des modes parasites ou un décalage de fréquence, par l'effet Zeeman. Selon une variante, on peut employer un seul aimant pour produire le champ magnétique nécessaire dans la lame. On pourrait également remplacer la structure à aimants permanents par quelques spires de fil pour qu'un courant électrique puisse établir un champ magnétique dans la laine de rotateur de Faraday 165. Un ressort 175 appuie sur la structure à aimants 188. L'autre c8té du ressort 175 repose contre la périphérie d'une entretoise cylindrique creuse 197 qui repose elle-même partiellement sur un côté d'un absorbeur cylindrique creux 191. L'absorbeur 191 est constitué par î6 une matière telle que du verre noir muni d'un revêtement antiréfléchissant et on l'utilise pour absorber toute onde The Faraday rotator blade 165 is held against the bearing surface 166 by a magnet structure 188. Two hollow cylindrical permanent magnets 186 and 187 are placed end to end with the blades of the same name against each other at the join between the two magnets. The two magnets can be fastened together by any known means, such as by welding with or without fusible alloy. The Faraday rotator blade 165 is therefore adjacent to one end of the pair of magnets. A longitudinal magnetic field is produced in the blade, but this field is rapidly arrested when one moves a short distance from the blade. or magnets. This embodiment has the advantage that it produces virtually no leakage magnetic field likely to extend in the gas discharge region and produce parasitic modes or a frequency shift, by the Zeeman effect. Alternatively, a single magnet can be used to produce the necessary magnetic field in the blade. The permanent magnet structure could also be replaced by a few turns of wire so that an electric current could establish a magnetic field in the Faraday rotator wool 165. A spring 175 presses on the magnet structure 188. The other side of spring 175 rests against the periphery of a hollow cylindrical spacer 197 which itself rests partially on one side of a hollow cylindrical absorber 191. The absorber 191 is constituted by a material such as black glass with a coating antireflective and is used to absorb any wave

électromagnétique, comme les réflexions spéculaires - electromagnetic, like specular reflections -

provenant de la lame de rotateur de Faraday, qui atteint ses surfaces, L'absorbeur 191 est maintenu en place par une bague élastique 193 qui demeure en position du fait de la friction sur la périphérie de l'ouverture 181. On peut ainsi voir que les éléments quron vient de décrire forment une structure qui est positionne par la bague élastique 193 contre le c8té droit de la portée 166, le ressort 175 produisant une force longitudinale suffisante pour maintenir tous les éléments fermement en place, Du côté opposé de la portée 166 se trouve une configuration similaire d'éléments, à l'exception de-la lame de Faraday 165 et de la structure à aimants 188. Une bague élastique 192 constitue le support fixe contre lequel repose un second absorbeur 190. Un ressort 174, dont une extrémité repose sur le côté gauche de la portée 166, pousse l'entretoise 196 contre l'absorbeur 190 et maintient ainsi tous les éléments du côté gauche de la portée 166 dans from the Faraday rotator blade, which reaches its surfaces, the absorber 191 is held in place by an elastic ring 193 which remains in position due to friction on the periphery of the opening 181. It can thus be seen that the elements just described form a structure which is positioned by the elastic ring 193 against the right side of the seat 166, the spring 175 producing a longitudinal force sufficient to hold all the elements firmly in place, the opposite side of the seat 166 there is a similar configuration of elements, except for the Faraday blade 165 and the magnet structure 188. An elastic ring 192 constitutes the fixed support against which a second absorber 190 rests. A spring 174, one of which end rests on the left side of the scope 166, pushes the spacer 196 against the absorber 190 and thus maintains all the elements on the left side of the scope 166 in

leur position prédéterminée.their predetermined position.

La monture de rotateur 154 est maintenue en place par le ressort hélicoïdal 199 contre la portée qui est formée par le changement de diamètre des passages 112 -25 et 113. Une partie de la première spire, de plus petit diamètre, du ressort 199 repose sur le corps de la monture de rotateur 154, tandis que l'autre extrémité, de diamètre supérieur, se dilate de façon circonférencielle et vient en contact à friction avec la paroi du passage 113. La disposition des éléments du rotateur 156 assure la stabilité thermique, du fait que les éléments optiques sont maintenus de façon élastique contre une matière stable utilisée pour The rotator mount 154 is held in place by the coil spring 199 against the span which is formed by the change in diameter of the passages 112 -25 and 113. Part of the first, smaller diameter turn of the spring 199 rests on the body of the rotator mount 154, while the other end, of greater diameter, expands circumferentially and comes into frictional contact with the wall of the passage 113. The arrangement of the rotator elements 156 provides the thermal stability, because the optical elements are elastically held against a stable material used for

le bloc gyroscopique.the gyroscopic block.

Comme il a été indiqué, les axes des ouvertures formées dans la monture de rotateur 154 sont inclinés par rapport à l'axe longitudinal de la monture 154 et le plan de la lame de rotateur de Faraday 165 est également As indicated, the axes of the openings formed in the rotator mount 154 are inclined relative to the longitudinal axis of the mount 154 and the plane of the Faraday rotator blade 165 is also

incliné par rapport à l'axe longitudinal de la monture 154. inclined relative to the longitudinal axis of the frame 154.

Ceci contribue à l'élimination du couplage entre les ondes se propageant en sens inverse, du fait que toutes les ondes réfléchies par les deux surfaces de la lame de Faraday 165 sont maintenant interceptées et absorbées par les deux absorbeurs en verre noir. Pour les ondes circulant de la gauche vers la droite dans le rotateur de la figure 6, une réflexion sur la lame 165 sera interceptée et absorbée par la partie inférieure de l'absorbeur 190, tandis que pour les ondes circulant dans le sens opposé, les réflexions sur la lame 165 seront absorbées par la partie supérieure de l'absorbeur 191. Les deux absorbeursl90 et 191, et la lame de rotateur 165 sont également revêtus d'un revêtement antiréfléchissant pour réduire encore davantage le niveau This contributes to the elimination of the coupling between the waves propagating in the opposite direction, since all the waves reflected by the two surfaces of the Faraday blade 165 are now intercepted and absorbed by the two black glass absorbers. For the waves traveling from left to right in the rotator of FIG. 6, a reflection on the blade 165 will be intercepted and absorbed by the lower part of the absorber 190, while for the waves traveling in the opposite direction, the The reflections on the blade 165 will be absorbed by the upper part of the absorber 191. The two absorbers 190 and 191, and the rotator blade 165 are also coated with an antireflective coating to further reduce the level.

des réflexions.reflections.

Le rotateur de Faraday 156 accomplit une seconde fonction, outre celle qui consiste à établir le dédoublement The Faraday rotator 156 performs a second function, in addition to establishing the duplication

de fréquence entre les faisceaux circulant dans le sens dex- frequency between the beams circulating in the direction of

trorsum et dans leasens inVerse.- Du fait de l'ajustement serré qui est établi dans la région de la portée 166, le rotateur de Faraday 156 bloque l'écoulement longitudinal du gaz dans le passage 112. Du fait qu'il ne peut pas y avoir de circulation résultante du gaz dans le chemin fermé, la possibilité de circulation de particules diffusantes entraînée par le gaz est considérablement réduite, de même que les In view of the tight fit that is established in the range region 166, the Faraday rotator 156 blocks the longitudinal flow of gas in the passageway 112. Because it can not there is a resultant circulation of the gas in the closed path, the possibility of circulation of diffusing particles entrained by the gas is considerably reduced, as well as the

dérives dues à l'effet Fresnel-Fizeau. drifts due to the Fresnel-Fizeau effect.

En se reportant à nouveau aux représentations des figures 1, 3 et 4, on peut voir qu'un angle d'incidence faible est établi pour les faisceaux qui rencontrent le miroir à transmission partielle qui est placé sur la face 122. Les faisceaux se propageant dans chaque passage 108, , 112 et 114 sont polarisés circulairement. Plus l'un de ces faisceaux a une incidence proche de la normale lorsqu'il tombe sur une surface ou un miroir réfléchissant, plus la polarisation du faisceau transmis à travers la surface du miroir sera circulaire. Lorsque l'angle d'incidence s'écarte de la normale, les faisceaux partiellement transmis commencent à prendre une polarisation elliptique, Comme l'explique le brevet US 4 141 651 précité, si les faisceaux présents dans l'optique de sortie et la structure de détecteur sont entièrement polarisés de fa-on circulaire, il n'y aura pratiquement aucun couplage parasite ni aucune perturbation mutuelle entre les faisceaux des deux fréquences supérieures et les faisceaux des deux Referring again to the representations of FIGS. 1, 3 and 4, it can be seen that a low angle of incidence is established for the beams that meet the partial-transmitting mirror which is placed on the face 122. The beams propagating in each passage 108, 112 and 114 are circularly polarized. The closer one of these beams is to a normal incidence when falling on a reflective surface or mirror, the more the polarization of the beam transmitted through the surface of the mirror will be circular. When the angle of incidence deviates from the normal, the partially transmitted beams start to take an elliptical polarization, as explained in the aforementioned US Pat. No. 4,141,651, if the beams present in the optical output and the structure are polarized in a circular manner, there will be practically no parasitic coupling or mutual disturbance between the beams of the two higher frequencies and the beams of the two.

fréquences inférieures, dans la structure de détecteur. lower frequencies, in the detector structure.

Lorsque le niveau de polarisation elliptique augmente, le couplage mutuel commence à devenir visible et il apparait sous la forme d'une modulation dtamplitude sur les signaux As the level of elliptical polarization increases, the mutual coupling begins to become visible and it appears as a modulation of amplitude on the signals

de sortie provenant des diodes de détecteur 145 et 146. output from detector diodes 145 and 146.

Comme il a été indiqué précédemment, on a découvert que la valeur du couplage mutuel parasite est une fonction non linéaire et croissant d'une façon monotone du niveau de polarisation elliptique. On a trouvé que le couplage mutuel est relativement faible pour les angles d'incidence inférieurs à environ 150 Cependant, la valeur du couplage mutuel As previously indicated, it has been discovered that the value of the parasitic mutual coupling is a monotonically increasing and nonlinear function of the elliptical polarization level. It has been found that the mutual coupling is relatively small for angles of incidence less than about 150. However, the value of the mutual coupling

augmente très rapidement au-dessus de cet angle d'indicence. increases very rapidly above this angle of indication.

On peut éliminer le couplage mutuel à l'intérieur de la structure optique de sortie au moyen d'un filtre de polarisation approprié, mais la puissance filtrée disponible diminue lorsque le couplage mutuel avant filtrage augmente. Lorsque l'angle d'incidence de chaque faisceau sur le miroir de sortie augmente, la puissance disponible au niveau des diodes de détecteur pour chaque faisceau diminue. La figure 7 montre une courbe calculée du facteur de réduction de puissance, c'est-à-dire le rapport de la puissance disponible au niveau des détecteurs pour un angle d'incidence donné, à la puissance disponible pour le même faisceau normal à la surface du miroir, pour la structure de sortie qui est décrite dans le brevet US 4 141 651 précité, Comme on le voit aisément, le facteur de réduction de puissance tombe rapidement pour les angles d'incidence supérieurs à environ 150. Par conséquent, conformément à un aspect de l'invention, on donne une valeur de 150 ou moins à l'angle d'incidence des faisceaux dans les passages 108 et 110, vers le miroir à transmission partielle qui est placé sur la face 122. Autrement dit, l'angle entre les passages 108 Mutual coupling within the optical output structure can be eliminated by means of a suitable bias filter, but the available filtered power decreases as the mutual coupling before filtering increases. As the angle of incidence of each beam on the output mirror increases, the available power at the detector diodes for each beam decreases. Figure 7 shows a calculated curve of the power reduction factor, i.e., the ratio of the power available at the detectors for a given incidence angle, to the power available for the same beam normal to the mirror surface, for the output structure which is described in the aforementioned US Pat. No. 4,141,651. As can easily be seen, the power reduction factor falls rapidly for angles of incidence greater than about 150. Therefore, according to in one aspect of the invention, the angle of incidence of the beams in the passages 108 and 110 is given a value of 150 or less to the partial transmission mirror which is placed on the face 122. In other words, angle between passages 108

et 110 est de 300 ou moins.and 110 is 300 or less.

19. Dans le fonctionnement d'ensemble, il est souhaitable que les ondes des quatre fréquences soient centrées symétriquement autour du maximum de la courbe de gain. Dans ce but, on emploie unl transducteur piézoélectrique 160 pour positionner mécaniquement-le miroir sur la face 128 afin de régler la longueur de chemin totale dans la cavité gyroscopique à laser 102, pour centrer correctement les quatre fréquences. Un circuit de commande de longueur de chemin 320 élabore à partir des diodes de détecteur 145 et 146 un signal destiné à actionner le transducteur piézoélectrique 160. Ces signaux ont une amplitude proportionnelle aux amplitudes totales des signaux Lo1 et a f2 correspondants. Le circuit de commande 320 génère 19. In overall operation, it is desirable that the waves of the four frequencies be centered symmetrically around the maximum of the gain curve. For this purpose, a piezoelectric transducer 160 is used to mechanically position the mirror on the face 128 to adjust the total path length in the laser gyro 102, to properly center the four frequencies. A path length control circuit 320 generates from the detector diodes 145 and 146 a signal for driving the piezoelectric transducer 160. These signals have an amplitude proportional to the total amplitudes of the corresponding signals Lo1 and a2. The control circuit 320 generates

la différence entre ces deux signaux-liés aux amplitudes. the difference between these two signals-related amplitudes.

Le signal de différence de sortie a naturellement une amplitude égale à zéro lorsque les ondes des quatre fréquences sont correctement centrées sur la courbe de gain. Le signal de différence de sortie est d'une polarité lorsque les quatre ondes sont décalées par rapport au centre dans une direction et de la polarité opposée lorsque les ondes sont décalées par rapport au centre dans l'autre direction. On peut former les signaux d'amplitude moyenne par des circuits connus dont le signal de sortie est appliqué aux conducteurs The output difference signal naturally has an amplitude equal to zero when the waves of the four frequencies are correctly centered on the gain curve. The output difference signal is one polarity when the four waves are offset from the center in one direction and the opposite polarity when the waves are offset from the center in the other direction. Average amplitude signals can be formed by known circuits whose output signal is applied to the drivers

d'entrée du transducteur piézoélectrique 160. input of the piezoelectric transducer 160.

En considérant toujours les représentations des figures 1, 3 et 4, on voit que des électrodes destinées à exciter le milieu amplificateur gazeux sont disposées à l'intérieur du passage 108. Une électrode de cathode centrale 22 est de préférence connectée à la borne négative d'une alimentation régulée externe 310, tandis que des électrodes Still considering the representations of Figures 1, 3 and 4, it is seen that electrodes for exciting the gaseous amplifying medium are disposed within the passage 108. A central cathode electrode 22 is preferably connected to the negative terminal. external regulated power supply 310, while electrodes

d'anodes 32 et 42 sont connectées aux bornes positives. anodes 32 and 42 are connected to the positive terminals.

L'électrode de cathode se présente sous la forme d'un court cylindre creux chapeauté par une demi-sphère métallique creuse à l'extrémité la plus éloignée du bloc gyroscopique à laser 102. Elle est fixée par des moyens classiques à la surface du bloc gyroscopique 102 en position adjacente à un passage 20. Les électrodes positives 32 et 42 se présentent sous la forme de tiges de métal s'étendant dans des passages d'électrodes 30 et 40. Avec cette configuration, le courant d'électrons circule vers l'extérieur en direction des électrodes 32 et 42, dans deux directions opposées. De cette manière, du fait qu'un faisceau traversant les passages dans lesquels se trouvent les électrodes traverse des longueurs égales de courants de sens opposé, les effets de trainée sur le faisceau résultant de courants inégaux dans le milieu amplificateur gazeux sont pratiquement éliminés. Cependant, à cause des tolérances de fabrication sur les positions des diverses électrodes, les distances entre l'électrode négative et les deux électrodes positives dans les deux passages peuvent ne pas être précisément égales. Pour compenser l'inégalité, les électrodes 32 et 42 sont connectées à deux bornes positives indépendantes de l'alimentation 310, de façon que les courants qui circulent entre les électrodes positives et l'électrode négative qui leur est adjacente puissent être rendus égaux, The cathode electrode is in the form of a short hollow cylinder which is guided by a hollow metal half-sphere at the end farthest from the laser gyro block 102. It is fixed by conventional means to the surface of the block. The positive electrodes 32 and 42 are in the form of metal rods extending in electrode passages 30 and 40. With this configuration, the electron current flows to the electrodes. in the direction of the electrodes 32 and 42 in two opposite directions. In this way, since a beam passing through the passages in which the electrodes are passing through equal lengths of currents of opposite direction, the drag effects on the resulting beam of unequal currents in the gaseous amplifying medium are substantially eliminated. However, because of the manufacturing tolerances on the positions of the various electrodes, the distances between the negative electrode and the two positive electrodes in the two passages may not be exactly equal. To compensate for the inequality, the electrodes 32 and 42 are connected to two positive terminals independent of the power supply 310, so that the currents flowing between the positive electrodes and the negative electrode which is adjacent to them can be made equal,

ce qui compense les effets de trainée différents. which offsets the different drag effects.

Le milieu amplificateur gazeux qui emplit les passages 108, 110, 112 et 114 est introduit par un passage de remplissage de gaz 106 à partir d'une source de gaz The gaseous amplifying medium which fills the passages 108, 110, 112 and 114 is introduced through a gas filling passage 106 from a gas source

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externe. Il est préférable d'utiliser un mélange He,. Ne, et Ne dans les rapports 8:0,53:0,47. Une fois que tous les passages ont été emplis, on applique un bouchon 107 au passage 106 pour enfermerle gaz en vue d'un fonctionnement external. It is best to use a mixture He ,. Ne, and Ne in the ratios 8: 0.53: 0.47. Once all the passages have been filled, a plug 107 is applied to the passageway 106 to enclose the gas for operation.

dans des conditions hermétiques.in hermetic conditions.

La coupe de la figure 5 montre les détails de la structure du dispositif gyroscopique à laser dans la région de l'une des électrodes positives. L'électrode en métal 32, maintenue en place par le joint d'étanchéité d'électrode 33, est positionnée à l'intérieur du passage d'électrode 30. L'électrode 32 s'étend un peu au-delà de la moitié de la distance entre la surface du bloc gyroscopique 102 et le passage 108. Le passage d'électrode 30 rencontre de préférence à angle droit le passage 108. Une chambre terminale 118 est formée dans la surface du bloc gyroscopique 102 sur laquelle est positionnée la structure optique de sortie 144. La chambre terminale 118 a une forme cylindrique avec un diamètre au moins égal au double de celui du passage 108. La chambre terminale 118 et le passage 108 sont mutuellement coaxiaux. Du fait que le passage 108 s'étend légèrement au-delà du passage d'électrode 30 avant de rencontrer la chambre terminale 118, un déflecteur est formé entre le passage d'électrode 30 et la chambre terminale 118. Le passage 40, le joint d'étanchéité 43 et la chambre terminale 119 établissent une configuration The section of FIG. 5 shows the details of the structure of the laser gyro device in the region of one of the positive electrodes. The metal electrode 32, held in place by the electrode seal 33, is positioned within the electrode passage 30. The electrode 32 extends a little beyond half of the distance between the surface of the gyroscopic block 102 and the passage 108. The electrode passage 30 preferably meets the passage 108 at a right angle. An end chamber 118 is formed in the surface of the gyroscopic block 102 on which the optical structure is positioned. The end chamber 118 has a cylindrical shape with a diameter at least twice that of the passage 108. The end chamber 118 and the passage 108 are mutually coaxial. Because the passageway 108 extends slightly beyond the electrode passageway 30 before meeting the end chamber 118, a deflector is formed between the electrode passage 30 and the end chamber 118. The passage 40, the seal 43 and the end chamber 119 establish a configuration

similaire pour l'électrode 42.similar for the electrode 42.

Dans un dispositif de l'art antérieur, il n'existait pas de déflecteur. La chambre terminale s'étendait directement depuis les passages d'électrode jusqu'à la surface du bloc gyroscopique à laser. Lorsque les électrodes étaient excitées, de la poussière ou d'autres particules parasites susceptibles d'être produites, par exemple par pulvérisation et bombardement ionique du bloc gyroscopique à laser, s'accumulaient autour de l'intersection du passage d'électrode et des passages de faisceau. Les particules en suspension faisaient fonction de centres de diffusion, augmentant ainsi les pertes optiques de la structure. Au contraire, on a constaté qu'avec l'invention il n'existe pas de poussière ou d'autres particules parasites en suspension dans la région de l'intersection des passages d'électrode, comme le passage 30, et du passage 108. On In a device of the prior art, there was no deflector. The end chamber extended directly from the electrode passages to the surface of the laser gyro block. When the electrodes were excited, dust or other parasitic particles that could be produced, for example by sputtering and ion bombardment of the laser gyro block, accumulated around the intersection of the electrode passage and the passages. beam. The suspended particles functioned as diffusion centers, thus increasing the optical losses of the structure. On the contrary, it has been found that with the invention there is no dust or other parasitic particles suspended in the region of the intersection of the electrode passages, such as the passage 30, and the passage 108. We

élimine ainsi une source potentielle de dérive. eliminates a potential source of drift.

Comme on l'a indiqué précédemment, en maintenant une bonne polarisation circulaire le gyroscope élimine toutes les sources connues contribuant à des valeurs importantes de dérive. Il existe cependant une source supplémentaire qui produit une dérive de faible valeur qui doit être compensée si on doit utiliser le gyroscope à laser dans un système à hautesperformances. Cette dérive restante est due à la dispersion, c'està-dire à un indice de réfraction fonction de la fréquence qui est associé au gain du milieu utilisé. Pour un milieu amplificateur He-Ne, la courbe de gain a une forme approximativement gaussienne, du fait de l'élargissement Doppler; la courbe de dispersion peut être caractérisée comme étant une courbe en S. La courbe de dispersion exprime la valeur du déphasage optique auquel est sotumis une onde d'une fréquence particulière du fait de la présence-d'un milieu amplificateur. Comme on peut le voir sur la figure 8B, les fréquences inférieures à la fréquence centrale f présentent un déphasage opposé à c celui des fréquences supérieures à la fréquence centrale f, ce qui a pour effet de décaler tous les modes vers As indicated previously, by maintaining a good circular polarization the gyroscope eliminates all known sources contributing to important values of drift. There is, however, an additional source that produces a low value drift that must be compensated for if the laser gyro is to be used in a high performance system. This remaining drift is due to the dispersion, that is to say a refractive index depending on the frequency that is associated with the gain of the medium used. For an He-Ne amplifying medium, the gain curve has an approximately Gaussian shape, due to Doppler broadening; the dispersion curve can be characterized as being an S curve. The dispersion curve expresses the value of the optical phase shift at which a wave of a particular frequency is sotumis due to the presence of an amplifying medium. As can be seen in FIG. 8B, the frequencies lower than the center frequency f have a phase shift opposite to that of frequencies higher than the center frequency f, which has the effect of shifting all the modes towards

le centre. Ceci constitue l'effet d'entraînement de mode. the center. This is the fashion coaching effect.

Du fait que la courbe de dispersion est non linéaire, les quatre modes d'un gyroscope différentiel fonctionneront sur des points ayant des valeurs de dispersion différentes et par conséquents comme le montre la figure 8B, auront des valeurs de déphasage différentes. 1 est le déphasage correspondant à f, i2 correspond à f2A M3 correspond f3 et 4 correspond à f4' Si la différence(i2 - a une valeur différente de la difference (4 N), il y aura au repos un signal de sortie différentiel différent de zéro dépendant de la forme de la courbe de dispersion, qui est elle même fonction de nombrelux éléments tels que la température, le gain et la pressions Lorsque l'un quelconque de ces éléments change, ce changement se manifeste par un déphasage des quatre modes sur la courbe de dispersion ce qui, du fait de sa nature non linéaire, entralne une variation du signal de sortie différentiel. Ainsi, la fréquence de sortie du gyroscope présentera une dérive Because the dispersion curve is nonlinear, the four modes of a differential gyroscope will operate on points having different dispersion values and consequently as shown in Fig. 8B, will have different phase shift values. 1 is the phase shift corresponding to f, i2 corresponds to f2A M3 corresponds to f3 and 4 corresponds to f4 'If the difference (i2 - has a value different from the difference (4 N), there will be at rest a different differential output signal of zero depending on the shape of the dispersion curve, which is itself a function of many elements such as temperature, gain and pressure. When any of these elements change, this change is manifested by a phase shift of the four modes. on the dispersion curve which, because of its non-linear nature, causes a variation of the differential output signal, so that the output frequency of the gyroscope will be drifting

variant en fonction de divers facteurs. varying according to various factors.

Le dispositif gyroscopique de l'invention utilise l'effet Zeeman pour éliminer la dérive due à la dispersion du milieu amplificateur0 L'effet Zeeman consiste dans le dédoublement en deux composantes, ou davantage, des raies spectrales du gaz donnant lieu à l'effet laser. Ce dédoublement de fréquence entraine un dédoublement de la courbe de gain et de la courbe de dispersion qui lui correspond. Le mécanisme physique est constitué par le phénomène de mécanique quantique selon lequel un champ magnétique dédouble les niveaux d'énergie atomique en plusieurs états qui ont différentes énergies et qui domnnent lieu à interaction avec des ondes ayant des états de polarisation circulaire prédéterminés. Ceci est représenté sur la figure 9 sur laquelle on voit du côté gauche du diagramme d'énergie des niveaux d'énergie caractéristiques en l'absence de champ magnétique. Dans ce cas, la fréquence de rayonnement est f0 = (E2 E1)/h, en désignant par E2 et Et les deux niveaux d'énergie et par h la constante de Planck. Le côté droit du diagramme montre comment les niveaux d'énergie sont dédoublés en présence d'un champ magnétique. Les lignes 242 montrent les transitions entre niveaux d'énergie correspondant àin m = +1 qui donnent naissance à un ensemble de fréquences de rayonnement, comme la fréquence centrale pour la courbe de dispersion dédoublée 260, f+ = f0 gBH/h. Les lignes 244 montrent les transitions entre niveaux d'énergie correspondant à 8 m = -t qui donnent naissance à l'autre ensemble de fréquences de rayonnement, comme la fréquence centrale pour la courbe de dispersion dédoublée 250, f = fo + gBH/h, avec g = rapport gyromagnétique, B = magnéton de Bohr et h = constante de Planck. Les quatre modes en circulation ont des valeurs différentes pour le A m du nombre quantique magnétique m de l'atome de néon, et The gyroscopic device of the invention uses the Zeeman effect to eliminate the drift due to the dispersion of the amplifying medium. The Zeeman effect consists in the splitting into two or more components of the spectral lines of the gas giving rise to the laser effect. . This doubling of frequency causes a doubling of the gain curve and the corresponding dispersion curve. The physical mechanism is constituted by the phenomenon of quantum mechanics according to which a magnetic field splits the atomic energy levels into several states which have different energies and which dominate interaction with waves having predetermined circular polarization states. This is shown in FIG. 9, in which the characteristic power levels in the absence of a magnetic field are seen on the left side of the energy diagram. In this case, the radiation frequency is f0 = (E2 E1) / h, denoting by E2 and Et the two energy levels and by h the Planck constant. The right side of the diagram shows how energy levels are split in the presence of a magnetic field. Lines 242 show the transitions between energy levels corresponding toin m = +1 which give rise to a set of radiation frequencies, such as the center frequency for the split dispersion curve 260, f + = f0 gBH / h. Lines 244 show the transitions between energy levels corresponding to 8 m = -t which give rise to the other set of radiation frequencies, such as the center frequency for the split dispersion curve 250, f = fo + gBH / h with g = gyromagnetic ratio, B = Bohr magneton and h = Planck constant. The four modes in circulation have different values for the A m of the magnetic quantum number m of the neon atom, and

ces valeurs sont les suivantes.these values are as follows.

n de mode Direction Polarisation t m 1 Sens de.xtrorsum Circulaire à gauche +1 2 sens inverse circulaire à gauche -1 sinistrorsum 3 sens inverse circulaire à droite +1 sinistrorsum 4 sens dextrorsum circulaire à droite -1 L'effet Zeeman dépend à la fois de la polarisation et de la direction. La raison en est que le sens de rotation du vecteur de champ électrique de l'onde lumineuse, mesuré par rapport au champ magnétiquedonne lieu à interaction avec le spin des électrons dont les niveaux d'énergie sont dédoublés par le champ. Ainsi, l'une des courbes de dispersion résultantes manifeste une interaction avec une onde en polarisation circulaire à droite qui se propage dans une direction parallèle à la direction du champ magnétique et une onde en polarisation circulaire à gauche qui se propage dans une direction antiparallèle, c'est-à-dire opposée à la direction du champ magnétique, tandis que l'autre courbe de dispersion manifeste une interaction avec une onde en polarisation circulaire à droite qui se propage dans un sens antiparallèle par rapport au vecteur du champ magnétique et une onde en polarisation circulaire à gauche qui se propage dans une direction identique à n Mode Direction Polarization tm 1 Direction of the left side Circular left +1 2 direction left circular -1 sinistrorsum 3 direction circular right +1 directional 4 direction right circular -1 The Zeeman effect depends at the same time polarization and direction. The reason for this is that the direction of rotation of the electric field vector of the light wave, measured with respect to the magnetic field, is an interaction with the spin of the electrons whose energy levels are split by the field. Thus, one of the resulting dispersion curves shows an interaction with a right circular polarization wave propagating in a direction parallel to the direction of the magnetic field and a left circular polarizing wave propagating in an antiparallel direction. that is, opposite to the direction of the magnetic field, while the other dispersion curve shows an interaction with a right circular polarization wave propagating in an antiparallel direction with respect to the magnetic field vector and a wave in left circular polarization that propagates in a direction identical to

celle du champ magnétique.that of the magnetic field.

Du fait que les valeurs de tm correspondent à différentes transitions atomiques, ces transitions sont dédoublées d'une quantité égale à 2gBH/h par l'effet Zeeman. On va maintenant considérer la figure 8C sur laquelle on voit un graphique des courbes de dispersion dédoublées et des déphasages correspondants des quatre modes du gyroscope. Si le champ magnétique H est tel que la courbe a m = +1 soit inférieure en fréquence à la courbe a -m = -1 d'une quantité 280 égale à (f2 - f1), la ligne 270 et la ligne 272 auront des hauteurs égales, c'est-à-dire que les valeurs de déphasage appliquées à f et f2 seront égales. De façon similaire, la ligne 274 et la ligne 276 auront la même hauteur, ce qui fait que les fréquences f et f auront une valeur similaire de déphasage. On peut Since the values of tm correspond to different atomic transitions, these transitions are split by an amount equal to 2 g / hr by the Zeeman effect. We will now consider Figure 8C on which we see a graph of the split dispersion curves and corresponding phase shifts of the four modes of the gyroscope. If the magnetic field H is such that the curve am = +1 is lower in frequency with the curve a -m = -1 of a quantity 280 equal to (f2-f1), the line 270 and the line 272 will have heights equal, that is to say that the phase shift values applied to f and f2 will be equal. Similarly, the line 274 and the line 276 will have the same height, so that the frequencies f and f will have a similar value of phase shift. We can

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ainsi voir que lorsque les quatre fréquences dérivent sur la courbe de dispersion ou lorsque la courbe de dispersion change, par exemple sous l'effet de la température, la dispersion du mode 1 sera toujours égale à celle du mode 2, et celle du mode 3 sera de façon similaire égale à celle du mode 4. Ainsi, lorsque des conditions externes créent de petites variations dans les fréquences de fonctionnement, la différente résultante dans un signal de sortie différentiel demeure la même. Pour faire disparaître la dérive due à la dispersion, le champ magnétique pour l'effet Zeeman doit satisfaire la relation thus to see that when the four frequencies drift on the dispersion curve or when the dispersion curve changes, for example under the effect of the temperature, the dispersion of mode 1 will always be equal to that of mode 2, and that of mode 3 will be similar to Mode 4. Thus, when external conditions create small variations in the operating frequencies, the different resultant in a differential output signal remains the same. To remove drift due to dispersion, the magnetic field for the Zeeman effect must satisfy the relationship

suivante: polarisation de Faraday = 2gBH/h=(3,64 MlHz/G)H. following: Faraday polarization = 2gBH / h = (3.64 MlHz / G) H.

Ceci donne un dispositif gyroscopique capable de parvenir à une stabilité de la fréquence de sortie très inférieure This gives a gyroscopic device capable of achieving a much lower output frequency stability

a un hertz.has a hertz.

En considérant maintenant les figures 1 à 4, on peut voir que dans le mode de réalisation préféré, le champ magnétique nécessaire pour le dédoublement des courbes de dispersion par effet Zeeman est obtenu au moyen de bobines disposées autour du passage qui contient le milieu laser. On perce des trous dans le-bloc gyroscopique 102 pour définir des passages 200, 210, 220 et 230 pour les bobines. Des bobines 202 et 212 sont placées d'un côté de la cathode 22 tandis que des bobines 222 et 232 sont placées de l'autre côté de la cathode 22 afin de produire un dédoublemert Zeeman sur toute la partie du chemin gyroscopique qui donne lieu à l'effet laser. On utilise quatre jeux de bobines pour appliquer un champ magnétique plus uniforme au gaz donnant lieu à l'effet laser, mais on peut cependant employer n'importe quelle autre configuration qui applique une composante de champ magnétique au gaz donnant lieu à l'effet laser. Les bobines Referring now to FIGS. 1 to 4, it can be seen that in the preferred embodiment, the magnetic field necessary for splitting the Zeeman dispersion curves is obtained by means of coils arranged around the passage which contains the laser medium. Holes are drilled in the gyro block 102 to define passages 200, 210, 220 and 230 for the coils. Coils 202 and 212 are placed on one side of the cathode 22 while coils 222 and 232 are placed on the other side of the cathode 22 to produce a Zeeman split over the entire portion of the gyro path that gives rise to the laser effect. Four sets of coils are used to apply a more uniform magnetic field to the laser-giving gas, but any other configuration that applies a magnetic field component to the laser-giving gas can be employed. . The reels

202, 212, 222 et 232 sont disposées autour du passage 108. 202, 212, 222 and 232 are arranged around the passage 108.

Les quatre bobines sont de préférence commandées par une seule source de façon à leur appliquer un courant de valeur et de polarité telles qu'il génère dans les passages un champ magnétique produisant un dédcublement des courbes de dispersion de valeur égale au dédoublement de fréquence de la polarisation de Faraday que produit le rotateur de Faraday 156, et avec la direction qui fait The four coils are preferably controlled by a single source so as to apply to them a current of value and polarity such that it generates in the passages a magnetic field producing a dedcublishing of the dispersion curves of equal value to the frequency doubling of the Faraday polarization produced by the Faraday rotator 156, and with the direction that makes

disparaître la sensibilité des ondes au milieu amplificateur. disappear the sensitivity of the waves to the amplifying medium.

Il est préférable de commander la valeur du champ magnétique qui est généré pour le dédoublement Zeeman en liaison avec la valeur de polarisation de Faraday qui It is better to control the value of the magnetic field that is generated for the Zeeman split in conjunction with the Faraday polarization value which

est produite par le rotateur de Faraday. is produced by the Faraday rotator.

On va maintenant considérer la figure 1 sur laquelle on voit la structure optique de sortie 144 qui supporte des diodes 145 et 146. La structure optique de sortie 144 sépare la paire de fréquencestournant en sens contraire, en polarisation circulaire à gauche, par rapport à la paire de fréquencestournant en sens contraire, en polarisation circulaire à droite, chaque paire étant 2492c22 détectée par une diode séparéeo Par exemple, on utilise la diode 145 pour produire uni signal correspondant a f c'està-dire la différence de fréquence (f2 - f) de la première paire de fréquence, tandis qu'on utilise la diode 146 pour produire un signal eorrespondant à b, c'est-àdire la difference de fréquence (f4 - f3) de la seconde paire de fréquences. Les signaux de sortie des diodes 145 et 146 We will now consider Figure 1 on which we see the optical output structure 144 which supports diodes 145 and 146. The optical output structure 144 separates the pair of frequencournant in opposite directions, left circular polarization, relative to the frequency pair turning in opposite directions, in circular polarization on the right, each pair being 2492c22 detected by a separate diode For example, the diode 145 is used to produce a corresponding signal af ie the frequency difference (f2 - f) of the first frequency pair, while the diode 146 is used to produce a signal corresponding to b, i.e. the frequency difference (f4 - f3) of the second frequency pair. The output signals of the diodes 145 and 146

sont appliqués au dispositif de commande de dispersion 300. are applied to the dispersion control device 300.

Au repos, fa = fb et chaque différence correspond à la polarisation de Faraday. En présence d'ume rotation, l'une des deux fréquences de différence augmente et l'autre diminue, la valeur et le sens du changement dépendsant de la direction et de la vitesse de rotation. Le dispositif de commande de dispersion 300 comporte des circuits électroniques classiques permettant de former un signal qui représente la moyenne des deux différences de fréquences et il mesure donc la polarisation de Faraday, même en présence d'une rotation. D'autres circuits du dispositif de commande de dispersion 300 appliquent un courant aux bobines 202, 212, 222 et 232 en fonction de ce signal de polarisation de Faraday, pour créer dans le passage 108 un champ magnétique destiné à dédoubler la courbe de dispersion d'une valeur Agale au dédoublement de fréquence qui est obtenu par la polarisation de Faraday. Le champ magnétique nécessaire pour l'égalisation de la dispersion est donné par la relation suivante: H = (polarisation de Faraday)/2gBh = polarisation de Farada_ en Hz t A 3,64 x 10b 4 IX 10-3 et le courant utilisé pour le produire est proportionnel At rest, fa = fb and each difference corresponds to the Faraday polarization. In the presence of ume rotation, one of the two difference frequencies increases and the other decreases, the value and the direction of change depending on the direction and speed of rotation. The dispersion control device 300 includes conventional electronic circuitry for forming a signal that represents the average of the two frequency differences and therefore measures the Faraday polarization, even in the presence of a rotation. Other circuits of the dispersion control device 300 apply a current to the coils 202, 212, 222 and 232 as a function of this Faraday bias signal, to create in the passageway 108 a magnetic field for splitting the dispersion curve. an Agale value at the frequency doubling which is obtained by the Faraday polarization. The magnetic field necessary for the equalization of the dispersion is given by the following relation: H = (Faraday polarization) / 2gBh = Farada_ polarization in Hz t At 3.64 x 10b 4 IX 10-3 and the current used to to produce it is proportional

au nombre de spires des bobines, comme il est bien connu. the number of turns of the coils, as is well known.

On constate que le rotateur de Faraday du mode de réalisation considéré produit une polarisation de Faraday ayant une caractéristique qui est inversement proportionnelle à la température. Par l'intermédiaire du dispositif de commande 300, on génère le champ magnétique pour le dédoublement Zeeman en fonction de la polarisation de Faraday mesurée et l'égalisation de la dispersion est ainsi rendue indépendante de la variabilité de la polarisation de Faraday er. fonction de la température. Le dispositif de commande 300 génère un courant dont l'amplitude est commandée en fonction d'ur signal correspondant à la polarisation de Faraday mesurée, en faisant intervenir certaines constantes de proportionnalité tenant compte à la fois de la relation entre le champ magnétique, dont la polarité dépend du sens des enroulements des bobines, et la polarisation de Faraday et du nombre de spires dans les enroulements des bobines. Il n'est pas nécessaire de décrire de façon plus détaillée les circuits électroniques du dispositif de commande de polarisation 300,du fait que la conception de tels circuits de commande It is found that the Faraday rotator of the present embodiment produces a Faraday bias having a characteristic which is inversely proportional to temperature. Through the control device 300, the magnetic field for the Zeeman doubling is generated as a function of the measured Faraday polarization and the equalization of the dispersion is thus made independent of the variability of the Faraday polarization. temperature function. The control device 300 generates a current whose amplitude is controlled according to a signal corresponding to the measured Faraday polarization, by involving certain proportionality constants taking into account both the relationship between the magnetic field, whose polarity depends on the direction of the windings of the coils, and the Faraday polarization and the number of turns in the windings of the coils. It is not necessary to describe in more detail the electronic circuits of the polarization controller 300, since the design of such control circuits

est bien connue.is well known.

Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représentés It goes without saying that many modifications can be made to the device described and represented

sans sortir du cadre de l'invention. without departing from the scope of the invention.

Claims

A laser gyroscope characterized in that it comprises in combination, means (300, 202, 212, 222, 232) which are coupled to a closed resonant path (108, 110, 112, 114) so as to apply to electromagnetic waves compensation with respect to the phase shift of these waves which is induced by an amplifying medium; and means for producing waves of different frequencies, circularly polarized and propagating in opposite directions, these waves being grouped in pairs corresponding to first and second directions of polarization, these biasing means being substantially free of diffusion centers. 2. Gyroscope according to claim 1, characterized in that the means producing a circular polarization comprise: non-depolarizing means (108, 110, 112, 114) for communicating the waves with a phase shift dependent on the polarization, which creates a frequency separation between the waves having opposite circular polarizations and non-depolarizing means (156) for transmitting a direction-dependent phase shift to the waves, thereby creating a frequency separation between the waves and

propagating in the opposite direction in each of the pairs.

A gyroscope according to claim 2, characterized in that the polarization-dependent means comprises a non-plane resonator (102, 108, 110, 112, 114); and the direction-dependent means (1 56) comprises an element having a refractive index the component of which

independent of the direction is isotropic.

A gyroscope according to claim 3, characterized in that the direction-dependent means (156) has a substantially temperature-independent diffusion characteristic over the operating temperature range. 5. Gyroscope according to claim 4, characterized in that the means depending on the direction (156) comprise a blade (165) of isotropic material capable of communicating to the electromagnetic field waves rotation

dependent on the direction, in the presence of a magnetic field.

6. Gyroscope according to claim 5, characterized in that the blade (165) has a thickness substantially

less than the diameter of the beam formed by the waves.

7. Gyroscope according to claim 5, characterized in that the blade (165) has a thickness such that the variation of this thickness is significantly less than a wavelength of the waves during normal operation. 8. Gyroscope according to claim 5, characterized in that the magnetic field intended to produce the rotation depending on the direction is located in the region

immediately adjacent to the blade.

A gyroscope according to claim 8, characterized in that the non-planar resonator (102, 108, 110, 112, 114) further includes means (130) for removing contaminating particles in the electrode region (32, 42), these electrodes being used to electrically excite the amplifying medium to generate the waves

electromagnetic.

10. A gyroscope according to claim 2, characterized in that the phase shift compensation means comprise means (300, 202, 212, 222, 232) for producing a longitudinal magnetic field with respect to the axis of the amplifying medium, said field magnetic field having a value and a polarity giving practically the same phase shift value induced by the amplifying medium for the waves propagating in the opposite direction of each pair 11. Gyroscope characterized in that it comprises, in combination, means (102) intended establishing a non-planar closed path (108, 110, 112, 114) for propagation of circularly polarized electromagnetic waves, which means further producing a frequency separation between the waves having opposing polarization directions, an amplifying medium placed therein path and having gain and dispersion characteristics that vary non-linearly with frequency; non-depolarizing means (156) for applying to the polarized waves a direction-dependent phase shift, thereby producing a frequency separation between the waves of each direction of polarization propagating in the opposite direction; and means (500, 202, 212, 222, 232) for compensating for the uneven dispersion that the amplifying medium impairs the waves.

taking the opposite direction.

12. Gyroscope according to claim 11, characterized in that the means establishing the non-planar path further act to limit the angle.

of incidence between adjacent path segments.

13. Gyroscope according to claim 12, characterized in that it comprises means (130) for eliminating the scattering particles present in the

path.

14. Gyroscope according to claim 13, characterized in that the diffusing particles removal means comprise a deflector (130) in the region of electrodes (32, 42), these electrodes being used to electrically excite the amplifying medium so as to

to generate electromagnetic waves.

A gyroscope according to claim 11, characterized in that the non-depolarizing and direction-dependent means (156) comprise a blade (165) of isotropic material having a non-zero Verdet constant and means (188) for establishing a field

magnetic in this blade.

16o gyroscope according to claim 15, characterized in that the non-depolarizing and direction-dependent means (156) further comprise means (190, 191) for absorbing the electromagnetic waves and disposed on either side of the blade (165), the latter being positioned so as to direct all the reflected waves towards the means

absorbents.

17. Gyroscope according to claim 16, characterized in that the blade (165) and the absorbing means (190, 191) are held in place by elastic means (174, 175, 192, 193) against a support structure (154). )

low expansion.

18. A gyroscope according to claim 15, characterized in that the means (188) for producing a magnetic field in the blade (165) comprise two magnets (186, 187) with poles of the same name applied against each other. and placed adjacent to the isotropic plate. 19. Gyroscope according to claim 11, characterized in that the dispersion compensation means comprise means (202, 212, 222, 232) intended to produce in the amplifying medium a magnetic field component directed along the longitudinal axis of this region. middle; this magnetic field component has a value which gives for the gain and dispersion characteristics a frequency separation approximately equal to the frequency separation that the non-depolarizing and direction-dependent means produce between the waves propagating in the opposite direction ; and this magnetic field component has a polarity which communicates to the waves propagating in opposite directions approximately equal values of dispersion induced by the amplifying medium. 20. Gyroscope according to claim 18, characterized in that the means which produce the magnetic field (202, 212, 222, 232) vary the magnetic field as a function of the average value of the frequency separation between the waves propagating in contrary meaning which is due to non-depolarizing means and dependent on

the direction (156).

21. Gyroscope according to claim 20, characterized in that the means producing a magnetic field comprise at least one coil (202, 212, 222, 232) placed around a portion of the path containing the amplifying medium, means (145, 146) for measuring the values of frequency separation generated in the counter-propagating waves by non-depolarizing and direction-dependent means (156), and means (300) for circulating a current in said coil proportional to the average value of the

frequency separation.

22. Gyroscope according to claim 21, characterized in that the means producing a magnetic field comprise a plurality of coils (202, 212, 222, 232) placed throughout the part of the path which contains

the active part of the amplifying medium.

23. A gyroscope characterized in that it comprises: a support housing (154); means (165) for producing a Faraday rotation, disposed within said housing; and means (190, 191) for absorbing the electromagnetic waves and at least one Faraday rotation means disposed on one side so that a substantial portion of the waves can pass through the rotation means, the rotation means being furthermore positioned so as to direct any reflected part towards the absorbent means

waves.

A gyroscope according to claim 23, characterized in that the support casing consists of a low expansion material (154) which has a plurality of stops (166); and in that the rotation cores corem the absorbing means are held in place against these

abutments by elastic means (174, 175, 192, 193).