FR2504270A1 - Capteur de vitesse angulaire realise sur la base d'un laser en anneau - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN CAPTEUR DE VITESSE ANGULAIRE REALISE SUR LA BASE D'UN LASER EN ANNEAU. DANS CE CAPTEUR REALISE SOUS LA FORME D'UN LASER EN ANNEAU POSSEDANT UN TRAJET EXTERNE MUNI D'UN MIROIR D'ANGLE 29 TRANSPARENT POUR LE RAYONNEMENT SITUE DANS LA CAVITE RESONNANTE ACTIVE 27-30 A TRAVERS LAQUELLE LE RAYONNEMENT TOMBE SUR LE MIROIR D'ANGLE SITUE A L'EXTERIEUR 31, 32 ENTRE LESQUELS EST DISPOSE UN CORPS 33 EXCITABLE MAGNETIQUEMENT ET CREANT UN DEPHASAGE D, LE MIROIR D'ANGLE 29 POSSEDE UNE TRANSPARENCE EGALE AU MAXIMUM A 5, LE TRAJET EXTERNE DU RAYONNEMENT EST REALISE SOUS LA FORME D'UN RESONATEUR PASSIF 29, 31, 32 ET LE CORPS EXCITABLE MAGNETIQUEMENT 33 EST FORME D'UNE SUBSTANCE POUVANT ETRE AIMANTEE A LA SATURATION. APPLICATION NOTAMMENT AUX LASERS GYROSCOPIQUES.

Description

L'invention concerne un capteur de vitesse angulaire

réalisé sur la base d'un laser en anneau, comportant un tra-

jet extérieur du rayonnement muni d'un m 2 roir d'angle trans-

parent pour le rayonnement présent dans la cavité résonnante active et par l'intermiédiaire duquel le ra';cnnement parvient sur deux miroirs d'angle disposé-s à 'L'extérieur et entre

lesquels est disposé un corps pouvant et-re excité magnétique-

ment et constitué par une substance uossédant une action ma-

gnéto-optique et servant d'élément de Do'Larisati-Jon pour pro-

duire un déphasage.

Dans un capteur connu de ie nulde diu type

indiqué (brevet b 2 zdtanmine n I 41 72 Y} -i e l oi _ d ' an-

gle, palr passre:' îe sur le trajet extézieu nt et le trajet e Xtéri G-r a a ment on un t I II See u rhaimp magnétiuer ocau C'rles ondes 'e assurémene at 7 éleve ra un:nc-;rit, a-J-nt u Iellee sont sensibles âd V U'-S cités _ 9 ci sorte 1-i-, tÉ anneau u' J ic sés de 7 " crue mcur ' enant (que cellule d 2 a"-aa e * -r'nire peu pror,',e"ti but é rér 7 ur 548 teu de liejb-necun CA anneau, qui s

qui soit mêume de S é'c rai uffi-

saamieni élev-ées.

Ce problème est résolu conformément à l'invention

grâce au fait que dans le cas d'un capteur de vitesse angu-

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laire du type indiqué, le miroir d'angle de la cavité réson-

nante active qui aboutit au trajet extérieur du rayonnement,

possède une transparence égale au maximum à 5 %, que le tra-

jet extérieur de rayonnement est réalisé sous la forme d'un résonateur passif et que le corps pouvant être excité magné-

tiquement est constitué par une substance qui peut être aiman-

tée à la saturation De préférence le corps est une cellule

de Faraday, qui est constituée par une substance ferromagné-

tique, notamment un composé formé d'un grenat La cavité ré-

sonnanteest réalisée sous la forme d'un résonateur de Fabry-

Perot. A titre d'exemple on a décrit ci-dessous et illustré

schématiquement aux dessins annexés plusieurs formes de réa-

lisation de l'objet de l'invention.

La figure 1 représente schématiquement le principe d'un capteur de vitesse angulaire, notamment d'un laser

gyroscopique ou gyroscope à laser, de type connu.

La figure 2 représente la variation de la fréquence différentielle Av en fonction de la vitesse angulaire dans

des lasers gyroscopiques.

La figure 3 illustre le principe d'une cellule de

Faraday (élément de Faraday).

La figure 4 représente schématiquement un laser en anneau réalisé conformément à l'invention et comportant une

cavité résonnante extérieure munie d'un élément de Faraday.

La figure 5 représente la variation du facteur de réflexion R* et du déphasage 6 en fonction de l'angle de

phase f.

La figure 6 représente la variation du facteur de réflexion différentiel AR en fonction de l'angle de phase

La figure 7 représente un capteur de vitesse angulai-

re réalisé sur la base d'un laser en anneau constitué confor-

mément à l'invention.

Un gyroscope à laser ou laser gyroscopique, du type représenté schématiquement sur la figure 1, est constitué par

un dispositif à trois miroirs 1, 2, 3, qui forme le résona-

teur en anneau, par le tube à décharge dans un gaz 4, par le dispositif optique de superposition 5 et par les diodes 6,

qui exploitent le modèle ou diagramme de franges d'interfé-

rence Les signaux produits par les diodes 6 sont transfor-

més par le dispositif 7 de conformation d'impulsions en im-

pulsions rectangulaires Le dispositif 8 d'identification du sens de rotation décide si les impulsions doivent être ajou- tées au contenu du compteur 9 ou en être déduites L'état du compteur est retransmis à une mémoire 10; sous l'effet d'une impulsion d'interogation envoyée par le calculateur de navigation 11, cet état de comptage est transféré dans le

calculateur La régulation de la longueur de la cavité réson-

nante s'effectue au moyen du traitement des signaux obtenus sur le miroir 3 à l'aide des diodes 12 et 13 Un circuit de régulation 14 conçu de façon appropriée permet de commander

un amplificateur de haute tension 15 qui déplace parallèle-

ment à lui-même le miroir 1 par l'intermédiaire d'un disposi-

tif de réglage piézoélectrique 16 de sorte que la longueur du trajet optique L (longueur de la cavité résonnante) reste constante, ainsi que par conséquent la longueur d'onde X

(condition de la cavité résonnante).

Condition de la cavité résonnante

( 1) L = m A m = nombre entier ( 105-106).

Lorsque le système est au repos, le modèle de fran-

ges d'interférence est également au repos Dans le cas

d'une rotation du système autour de l'axe vertical, le tra-

jet de propagation des trains d'ondes circulant en des sens opposés subit une variation + AL, qui conduit, compte tenu

de la relation ( 1), à des variations de la longueur d'onde.

Des trains d'ondespossédant des fréquences différentes se

superposent par conséquent dans le dispositif optique de su-

perposition 5 Ceci conduit à la formation d'un diagramme de franges d'interférence sur les diodes 6, avec la fréquence

de battement Av.

F = surface circulante

( 2) A = 4 F

X.L = vitesse angulaire.

La relation formelle ( 2) montre la proportionalité

directe entre Av et a.

Par suite de la rétrodiffusion au niveaudes miroirs du laser 1, 2, 3, on obtient un couplage des deux trains d' ondes circulants et par conséquent une synchronisation sur une longueur d'onde ou une fréquence fixe (c'est ce qu'on appelle l'effet dit "Lock-in", à savoir l'enclenchement syn-

chrone) Ce n'est qu'à partir d'une vitesse angulaire mini-

mum WL (seuil d'enclenchement synchrone), que les deux trains d'ondessont découplés et qu'une fréquence de battement Av est mesurable sur les diodes 6 La figure 2 reproduit la courbe de variation correspondant à cette relation Les non linéarités dans la plage du seuil d'enclenchement synchrone

WL fournissent l'occasion d'introduire une polarisation cons-

tante ou à variation alternée périodique, qui correspond à

une vitesse angulaire w B' qui est supérieure au seuil d'en-

clenchement synchrone WL.

A l'aide d'éléments magnéto-optiques il est possible d'introduire une polarisation Les éléments magnéto-optiques provoquent une variation optique non réciproque + à de la longueur du trajet de propagation pour les rayons circulant en des sens opposés, de sorte que, conformément à la relation

( 1), on obtient différentes fréquences pour les trains d'on-

des,comme dans le cas d'une rotation du système Un élément magnétooptique est par exemple la cellule de Faraday, dont

la constitution de principe est représentée sur la figure 3.

Le rayonnement polarisé linéairement (lp) est converti par

une plaquette quart-d'onde en un rayonnement polarisé circu-

lairement à gauche (lcp), qui subit dans l'échantillon 17, qui présente un effet de biréfringence circulaire en raison de l'action du champ magnétique B, un déphasage ^,I^ qui est à nouveau transformé dans une autre plaquette quart-d'onde 19 en un déphasage suivant la direction de propagation du rayonnement lp polarisé linéairement, rétabli L'onde, qui

circule à l'encontre de la direction du champ, subit un dé-

phasage circulaire -+ r Le déphasage global a, qui existe en-

tre les trains d'ondescirculant à contre-sens, est fourni par la relation: ( 3) a = + t fr Dans le cas d'un déphasage L de 1 1 '1, on obtient

une fréquence différentielle, telle que fournie par la formu-

le ( 4), égale à 23 148 Hz (L = 0,6 m).

( 4) Av 2 = c L A en radians. Ceci correspond à une vitesse angulaire apparente

w B de 7,3 0/s dans le cas d'une longueur d'onde de 633 nm.

Ce déphasage de 1 | ' | pourrait être aisément réalisé à l'ai-

de de cellules usuelles de Faraday à base de Si O 2, à l'inté-

rieur de la cavité résonnante Toutefois un inconvénient im-

portant est ici la sensibilité vis-à-vis de champs de disper-

sion extérieurs.

Des composés formés de grenats ferromagnétiques ex-

cités sont insensibles vis-à-vis de champs de dispersion extérieurs Ces composés possèdent, pour une intensité de champ de saturation d'environ 8000 A/m, des rotations de Faraday e F atteignant jusqu'à 10 000 0/cm (pour X = 0,633

pm) La rotation de Faraday 8 F est liée au déphasage A con-

formément à la relation suivante ( 5) à = f fr = 2 e F. Dans le cas d'un échantillon d'une épaisseur de 1 pm, on pourrait s'attendre à par conséquent des déphasages de

2 conformément à une vitesse de rotation apparente de 8730/s.

Mais les composés formés de grenats ferromagnétiques présen-

tent une forte absorption qui, dans le cas d'échantillons testés en laboratoire (épaisseur d = 0,5 pm et d = 5 4 m) se situe à des valeurs égales à environ 4 % et 33,5 % de la puissance du rayonnement et par conséquent est si élevée que,

pour une longueur d'onde de 0,633 Dm, aucun amorçage d'oscil-

lations du laser en anneau n'est possible.

Conformément à l'invention, on peut également utili-

ser les avantages mentionnés ci-dessus des composés formés

de grenats ferromagnétiques en disposant une cellule de Para-

day, constituée avec des composés formés de grenats ferro-

magnétiques, dans une cavitérésonnante passive extérieure (voir figure 4) Les miroirs 20, 21, 22 forment alors avec

le tube à décharge dans un gaz 26, la cavité résonnanteacti-

ve à l'intérieur Le miroir 22 est partiellement transparent

et possède le facteur nominal de transmission T et le fac-

teur nominal de réflexion R Le miroir 22 et les miroirs 23, 24 forment un résonateur passif du type Fabry-Perot, dans lequel est intégrée la cellule de Faraday 25, qui réalise le déphasage et possède en outre le "facteur de qualité" Q Ce

facteur Q inclut les pertes d'absorption dans la cavité ré-

sonnanteextérieure Au trajet optique passant par les miroirs 22, 23, 24 ou 22, 24, 23 correspond la position de phase par rapport au rayon initial Par suite de la réaction du rayonnement au niveau du miroir 22 sur la partie réfléchie

normalementil est possible d'introduire dans la cavité réson-

nante active intérieure un déphasage 6 qui dépend des para-

mètres *, Q A et T (voir les formules 6, 6 a) Le facteur de réflexion R du miroir de découplage 22 varie également en fonction de *, Q, A et T (voir la formule 6 a) et est désigné

par R*.

e( 4,3) e(, A)

( 6) 6 = arctg arctg -

A A>

A(+, 2 "A(dû 2 ( 6 a) R* = a(<, A) + e(,) avec a = a( 4, A) =_R T -R (/QR cos(% + A)) /i V 1 + QR 2 /QR cos( + A)

= (, L)

T /Q sin( 4 + A) i + QR 2 /QR cos(% + A) Le facteur de réflexion R* doit être supérieur à une valeur égale de façon typique à 99 %, afin que le laser gyroscopique reste absolument en fonctionnement A cet effet il est nécessaire de connaître 6 et R* en fonction de la

position de phase f La figure 5 montre clairement cet état.

On a effectué le calcul avec les paramètres à = 22,50, T =

0,005, R = 0,995, Q = 0,1 Il s'avère que le maximum du dé-

phasage introduit 6 se situe pour f = 0, tandis que le fac-

teur de réflexion R* se situe ici à un minimum Le calcul montre qu'il faut choisir un facteur de qualité Q = 0,1 afin

* que, dans le cas d'un miroir de découplage possédant un fac-

teur de transmission T = 0,5 %, on obtienne le facteur de

réflexion R* nécessaire égal à 99 % Afin qu'en outre le fac-

teur effectif de réflexion R* soit identique, pour les deux

trains d'onde 9 circulant en des sens opposés, la cavité réson-

nante externe doit être stable Le facteur de réflexion dif-

férentiel (pour un rayon circulant à gauche et à droite) AR (voir figure 6 et la relation ( 7)), présente une symétrie

uniquement pour + = 1800 et O = 00.

( 7) a R = a<+, _ 2 _ v A)2 + Ai à)2 A 2

Car ici AR = O Cependant la régulation n'est judi-

cieuse que pour $ = O O étant donné qu'ici le déphasage 6 in-

jecté par couplage est maximum.

On peut réaliser une stabilisation et une lecture du laser gyroscopique conformément à la relation ( 7) Les miroirs 27, 28, 29 forment avec le tube à décharge dans un gaz 30 la cavité résonnanteactive intérieure, tandis que les miroirs 29, 31, 32 forment avec la cellule de Faraday 33 la

cavité résonnantepassive extérieure Le miroir 32 est par-

tiellement transparent et le rayonnement traversant tombe sur les photodétecteurs 34 et 35 Le rayonnement incident produit des signaux Il et I 2 proportionnels à l'intensité du rayonnement et dont la somme E et dont la différence AI sont formées dans un dispositif électronique 39 Le signal somme E est envoyé à un régulateur 40 qui commande un amplificateur de haute tension 41 La haute tension produite dans 41 sert à la régulation d'un dispositif de réglage piézoélectrique 42, qui stabilise la cavité résonnanteactive intérieure, en déplaçant le miroir 28 parallèlement à lui-même Le signal de différence AI est modulé avec la fréquence différentielle Av proportionnelle à la vitesse angulaire w Un dispositif de

conformation d'impulsions 43 produit des signaux rectangulai-

res qui parviennent alors dans le dispositif 44 d'identifica-

tion du sens de rotation L'identification du sens de rota-

tion peut être réalisée par exemple de la manière décrite dans une demande de brevet allemand antérieure déposée sous le numéro provisoire P 30 09 796 2 Un compteur 45 effectue la somme des impulsions et retransmet l'état respectif de

comptage à la mémoire 46, d'o cet état de comptage est in-

terrogé par le calculateur de navigation 47, au moyen d'une

impulsion de déclenchement.

Une lecture du laser gyroscopique peut être égale-

ment réalisée par l'intermédiaire du miroir d'angle 27 de la cavité résonnanteactive interne En outre une lecture est possible aux extrémités du tube de décharge dans un gaz 30

par l'intermédiaire d'un photodétecteur 34 ' et 35 ' (représenr-

té par des traits formés de tirets), avec pour avantage qu'il

ne se produit pratiquement aucune sortie d'énergie par dé-

couplage hors du laser en anneau.

Dans le cas de l'exemple de réalisation représenté,

une régulation de la cavitérésonnante extérieure est réali-

sée par formation de la différence des signaux des diodes 34 et 35 en aval des filtres passe-bas 36 a, dans un circuit formateur de différence 36 Le signal différentiel A Ig est utilisé comme grandeur de commande pour un amplificateur de haute tension 37, qui actionne un dispositif de réglage piézoélectrique 38 monté sur le miroir 31, de telle manière que la longueur de la cavitérésonnante extérieure reste constante Avec une cavité résonnante extérieure, on a obtenu des valeurs de polarisation d'environ 6 '/s ( = environ 20 k Hz) avec une cellule de Faraday comportant une couche de grenat possédant une épaisseur de 5 pm (Q = 0, 665, A = 10 ,

T = 0,5 %).

En principe il est également possible d'accroître également l'action de la cavité résonnante extérieure au moyen d'un organe réalisant une amplification supplémentaire et placée dans cette cavité, de manière que la grandeur du

paramètre Q puisse être modifiée dans des limites étendues.

Cependant il faut tenir compte du fait que les formules

( 6, 6 a) ne sont valables que pour Q R< 1.

Dans le cas o la cavité résonnanteextérieure est constituée de telle manière que les variations thermiques ou d'autres influences perturbatrices ne modifient pas ou modifient seulement faiblement la position de phase 4 -par conséquent la longueur du trajet optique et que ces varia- tions se déroulent lentement dans le temps, il est également possible de se passer complètement d'une stabilisation de la cavitérésonnante extérieure, et d'utiliser les signaux obtenus au niveau du miroir de découplage pour réaliser la

stabilisation de la cavitérésonnante active intérieure.

Claims (3)

REVENDICATIONS

1 Capteur de vitesse angulaire réalisé sur la base

d'un laser en anneau, comportant un trajet extérieur de rayon-

nement muni d'un miroir d'angle ( 22; 29), transparent pour le rayonnement présent dans la cavité résonnarimactive ( 20,

21, 22, 26; 27, 28, 29, 30) et à travers lequel le rayonne-

ment parvient sur deux miroirs d'angle ( 23, 24; 31, 32) situés à l'extérieur et entre lesquels est disposé un corps ( 25; 33) pouvant être excité magnétiquement et constitué par une substan e possédant un effet magnéto-optique et servant d'élément de polarisation pour produire un déphasage ( 6),

caractérisé en ce que le miroir d'angle ( 22; 29), transpa-

rent pour le rayonnement, de la cavité résonnanteactive pos-

sède une transparence égale au maximum à 5 %, le trajet ex-

térieur de rayonnement est réalisé sous la forme d'un résona-

teur passif ( 22, 23, 24, 29, 31, 32) et que le corps ( 25; 33) pouvant être excité magnétiquement est constitué par une

substance qui peut être aimantée à la saturation.

2 Capteur réalisé sur la base d'un laser en anneau selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps ( 25; 33) est une cellule de Faraday, qui est constituée

avec un composé formé d'un grenat ferromagnétique.

3 Capteur réalisé sur la base d'un laser en anneau selon la revendication 2, caractérisé en ce que la cavité résonnantepassive ( 22, 23, 24; 29, 31, 32) est réalisée

sous la forme d'un résonateur de Fabry-Perot.