FR2504271A1

FR2504271A1 - Capteur de vitesse angulaire realise sur la base d'un laser en anneau

Info

Publication number: FR2504271A1
Application number: FR8206658A
Authority: FR
Inventors: Rolf Gauert; Rudiger Rodloff; Gerald Siol
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1981-04-21
Filing date: 1982-04-19
Publication date: 1982-10-22
Also published as: GB2097175B; GB2097175A; DE3115889A1; FR2504271B1; DE3115889C2

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN CAPTEUR DE VITESSE ANGULAIRE REALISE SUR LA BASE D'UN LASER EN ANNEAU. DANS CE CAPTEUR COMPORTANT UN TRAJET EXTERIEUR DU RAYONNEMENT MUNI D'UN ELEMENT 53 CREANT UNE POLARISATION ET DE MIROIRS D'ANGLE 48, 49, 50 DEFINISSANT UNE CAVITE RESONNANTE ACTIVE, LEDIT TRAJET EST CONSTITUE SOUS LA FORME D'UNE CAVITE RESONNANTE PASSIVE A MIROIRS FIXES 50, 52, 54 DONT L'UN 50 A UNE TRANSPARENCE EGALE AU MAXIMUM A 5, LA CAVITE RESONNANTE ACTIVE COMPORTANT AU MOINS UN MIROIR 48 REGLABLE, ET IL EST PREVU UN DISPOSITIF 58 FORMANT LA DIFFERENCE ENTRE DES COMPOSANTES DE TRAINS D'ONDES DECOUPLEES, EN FONCTION DE LAQUELLE LA CAVITE RESONNANTE ACTIVE EST ACCORDEE AU MOYEN DU MIROIR 48. APPLICATION NOTAMMENT AUX LASERS GYROSCOPIQUES.

Description

i 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 élément produisant une polarisation et constitué par une substance ayant un effet magnétooptique et comportant au moins trois miroirs

d'angle, dont l'un est un miroir d'angle de la cavité réson-

nante active, qui est transparent pour les trains d'ondescir-

culant dans cette cavité, ainsi que des moyens permettant d'extraire par découplage des parties des trains d'ondesen

circulation.

Dans un capteur connu de vitesse angulaife du type indiqué (brevet britannique No 11 41 727), le miroir d'angle,

par l'intermédiaire duquel le rayonnement passe sur le tra-

jet extérieur de rayonnement, est réalisé semi-transparent

et le trajet extérieur du rayonnement fait partie de la cavi-

té résonnante active Comme corps excité magnétiquement on

utilise un bloc de Si O 2, auquel on applique un champ magnéti-

que parallèlement à la direction de propagation des ondes.

Des cellules de Faraday à base de Si O 2 permettent assurément

des vitesses angulaires importantes élevées, mais un incon-

vénient important réside dans le fait qu'elles sont sensi-

bles à des champs de dispersion extérieurs.

Des composés formés de grenats ferromagnétiques ex-

cités sont insensibles vis-à-vis de champs de dispersion extérieurs Mais ils présentent une absorption intense de sorte que, dans le cas de leur utilisation dans la cavité résonnante active, aucun amorçage d'oscillations du laser en anneau n'est possible C'est pourquoi jusqu'alors les composés formés de grenats ferromagnétiques excités n'étaient utilisés que pour des miroirs à aimants Leur utilisation en tant que cellule de Faraday a été considérée jusqu'à présent comme peu prometteuse de succès (rapport

Naecon 1978, pages 544 à 548).

La présente invention a pour but de créer un cap-

teur de vitesse angulaire réalisé sur la-base d'un laser en

anneau, qui soit insensible à des champs de dispersion exté-

rieurs et soit à même de fournir des valeurs de polarisation

suffisamment élevées et puisse être accordé de façon simple.

Ce problème est résolu conformément à l'invention

grâce au fait que le trajet extérieur du rayonnement est réa-

lisé sous la forme d'une cavité résonnante passive du type Fabry-Perot comportant des miroirs fixes de renvoi, parmi

lesquels le miroir d'angle, qui est commun à la cavité réson-

nante active et à la cavité résonnante passive, possède une transparence égale au maximum à 5 %, que la cavité résonnante active est munie d'au moins un miroir d'angle déplaçable parallèlement à lui-même,qui n'est pas le miroir d'angle commun, qu'il est prévu un dispositif formateur de différence

auquel sont envoyées les composantes continues des composan-

tes d'ondes extraites par découplage et que la cavité réson-

nante active peut être accordée en fonction de la différence des composantes continues, par l'intermédiaires de son ou

ses miroirs d'angle réglables.

D'autres formes de réalisation avantageuses ressorti-

ront de la description donnée ci-après.

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 gy-

roscopique 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'interrogation envoyée par le calculateur de navigation 11, cet état de comptage est transféré dans le

calculateur La régulation de la longueur de la cavité ré-

sonnante s'effectue au moyen du traitement des signaux obte-

nus sur le miroir 3 à l'aide des diodes 12 et 13 Un circuit

de régulation 14 conçu de façon appropriée permet de comman-

der un amplificateur de haute tension 15 qui déplace parallé-

lement à lui-même le miroir 1 par l'intermédiaire d'un dispo-

sitif 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).

( 1) L = m Condition de la cavité résonnante

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 trajet de propagation des trains d'ondes circulant en des sens opposés subit une variation + LL, qui conduit, compte tenu de la relation ( 1), à des variations de la longueur d'onde Des

trains d'onde possédant des fréquences différentes se super-

posent par conséquent dans le dispositif optique de superpo-

sition 5 Ceci conduit à la formation d'un diagramme de fran-

ges d'interférence sur les diodes 6, avec la fréquence de

battement Av.

F = surface circulante

( 2) Av = 4 X L = vitesse angulaire.

La relation formelle ( 2) montre la proportionnalité

directe entre Av et .

Par suite de la rétrodiffusion au niveau du miroir du laser 1, 2, 3, on obtient un couplage des deux trains d'onde circulant 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", a 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'onde sont découplés et qu'une fréquence de batte-

ment 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 synchro-

ne W fournissant l'occasion d'introduire une polarisation constante ou à variation alternée périodique, qui correspond

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

clenchement synchrone w L' A l'aide d'éléments magnéto-optiques il est possible d'introduire une polarisation Les éléments magnéto-optiques provoquent une variation optique non réciproque + A 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 $ 1, 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 entre les trains d'ondescirculant à contre-sens, est fourni par la relation ( 3) r Dans le cas d'un déphasage A de 1 1 |', on obtient

une fréquence différentielle, telle que fournie par la for-

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

( 4) Av= c A en radians 2 w.L Ceci correspond à une vitesse angulaire apparente w B de 7,30/s dans le cas d'une longueur d'onde de 633 nm Ce déphasage de 1 |'| pourrait être aisément réalisé à l'aide de cellules usuelles de Faraday à base de Si O 2, à l'intérieur de la cavité résonnante -Toutefois un inconvénient important est ici la sensibilité vis-à-vis des champs de dispersion extérieurs.

Des composés formés de grenats ferromagnétiques exci-

tés sont insensibles vis-à-vis des champs de dispersion exté-

rieurs Ces composés possèdent, pour une intensité de champ de saturation d'environ 8000 A/m, des rotations de Faraday a? atteignant jusqu'à 10 0000/cm (pour X = 0,633 im) La rotation de Faraday 8 ? est liée au déphasage A conformément à la relation suivante ( 5) t= 2 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 Pm) sesitue 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 Pm, 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 Fara-

day, constituée avec des composés formes de grenats ferro-

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

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

tive à l'intérieur Le miroir 22 est particulièrement trans-

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

sonnante extérieure Au trajet optique passant par les mi-

roirs 22, 23, 24 ou 22, 24, 23 correspond la position de

phase * par rapport au rayon initial Par suite de la réac-

tion du rayonnement au niveau du miroir 22 sur la partie réfléchie normalement, il est possible d'introduire dans la

cavité résonnante active intérieure un déphasage 6 qui dé-

* 20 pend des paramètres *, 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*.

A, AA-

(+, À) (+, _ -)

( 6) 6 = arctg A 2 arctg 2 A a(+, a -, -4) ( 6 a) R* = (,)2 + (,) avec avec a = a( 4, A) =/_ T /QR (VQR cos(<+ A) hi 1 + QR 2 /QR cos( + A)

= 4,A)

T /Q sin( + A) 1 + QR 2 /QR cos(i + 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 4 La figure 5 montre clairement cet état, On a effectué le calcul avec les paramètres 2 = 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 = O , 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 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 = 0.

( 7) AR = a(+, A)2 A 2 + B A 2 à (A 2 car ici AR = O Cependant la régulation n'est judicieuse que pour e = O étant donné qu'ici le déphasage 6 injecté par

couplage est maximum.

On a représenté une forme de réalisation d'un cap-

teur de vitesse angulaire réalisé sur la base d'un laser en

anneau conformément à la figure 4,sur la figure 7, qui illus-

tre le mode de stabilisation de la cavité résonnante active intérieure au moyen d'une cavité résonnante extérieure non stabilisée.

Les miroirs 48, 49, 50 forment avec le tube à déchar-

ge dans un gaz 51 la cavité résonnante active intérieure,

tandis que les miroirs 50, 52, et 54 forment, avec la cellu-

le de Faraday 53, la cavité résonnante passive extérieure.

Les miroirs de renvoi de la cavité résonnante passi-

ve extérieure sont réalisés fixes La longueur du bord de ces miroirs est de l'ordre de 50 mm De façon appropriée, la cavité résonnante passive est réalisée par une vitrocéramique

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possédant un faible coefficient de dilatation thermique, par exemple une vitrocéramique du type commercialisé sous la marque "Zerodur" de la Société Schott & Gen sise à

Mayence Cette vitrocéramique possède un coefficient de di-

latation thermique égal à 16/ 6 K Dans les dimensions indi- quées, on peut fabriquer la cavité résonnante passive avec une grande précision, en particulier également sous la forme d'un prisme,sur les surfaces duquel peuvent être déposés par vaporisation les miroirs et qui comporte une encoche destinée à loger la cellule de Faraday Selon une forme de réalisation appropriée, la cavité résonnante passive équipée des miroirs 50, 52 et 54 est fabriquée séparément de la cavité résonnante active Il est nécessaire que le miroir semi-transparent 50 possède une transparence inférieure ou égale à 5 % par exemple dans le cas d'une longueur d'onde de 1,1 pm et une transparence inférieure ou égale à 1 % dans

le cas d'une longueur d'onde de 0,633 pm.

Dans le cas o la cavité résonnante passive est

fabriquée séparément, la cavité résonnante active est cons-

tituée par les deux miroirs 48 et 49, par le tube à décharge dans un gaz 51 ainsi que par les trajets du rayonnement

s'étendant suivant les côtés d'un triangle.

Le miroir 49 est semi-transparent et le rayonnement

traversant tombe sur les photodétecteurs 55 et 56 Le rayon-

nement incident produit des signaux Il et I 2 proportionnels à l'intensité du rayonnement et à partir desquels se trouve formée la différence LI dans un dispositif formateur de

différence Les signaux I 1 et I 2 sont retransmis à un dispo-

sitif formateur de différence 58 par l'intermédiaire d'un

ensemble combiné 57 formé des filtres passe-bas 57 a et 57 b.

Le signal de différence est utilisé comme grandeur de comman-

de d'un amplificateur de haute tension, qui actionne un dis-

positif de réglage piézoélectrique 60, au moyen duquel la

cavité résonnante active est accordée.

Le signal de différence AI formé dans le dispositif

formateur de différence 61 est modulé par la fréquence diffé-

rentielle Lv proportionnelle à la vitesse angulaire w Un

dispositif de conformation d'impulsions 62 produit des si-

gnaux rectangulaires qui sont envoyés au dispositif 63 d'identification du sens de rotation L'identification du sens de rotation peut se produire par exemple de la façon

décrite dans une demande de brevet allemand antérieure dépo-

sée sous le numéro provisoire P 30 09 796 2 Un compteur 64 effectue la somme des impulsions et retransmet l'état respec- tif du compteur à la mémoire 65, d'o cet état de comptage

est interrogé par exemple par un calculateur 66, en particu-

lier un calculateur de navigation, au moyen d'une impulsion

de déclenchement.

Une sélection du laser gyroscopique peut être égale-

ment réalisée par l'intermédiaire du miroir d'angle 49 au niveau des extrémités du tube à décharge dans un gaz 51, avec pour avantage qu'il ne se produit pratiquement aucune

sortie d'énergie par découplage hors du laser en anneau.

En principe il est également possible d'accroître l'action de la cavité résonnante passive extérieure au moyen d'un organe réalisant une amplification supplémentaire et

placé dans cette cavité, de manière que la grandeur du para-

mètre Q puisse être modifiée dans des limites étendues Ce-

pendant il faut tenir compte du fait que les formules ( 6, 6 a)

ne sont valables que pour Q R< 1.

Claims

REVENDICATIONS

1 Capteur de vitesse angulaire réalisé sur la base d'un laser en anneau comportant un trajet extérieur de

rayonnement muni d'un élément ( 25; 53) produisant une pola-

risation et constitué par une substance possédant une action magnétooptique, et trois miroirs d'angle ( 20, 21, 22; 48, 49, 50), dont l'un ( 22; 50) est un miroir d'angle de la cavité résonnante active, qui est transparent pour les trains d'ondesy circulant, ainsi que des moyens permettant d'extraire par découplage des composantes des trains d'ondes en circulation, caractérisé en ce que le trajet extérieur du

rayonnement est réalisé sous la forme d'une cavité résonnan-

te passive du type Fabry-Perot comportant des miroirs de renvoi fixes ( 22, 23, 24; 50, 52, 54), parmi lesquels le

miroir d'angle ( 22; 50), qui est commun à la cavité réson-

nante active et à la cavité résonnante passive, possède une

transparence égale au maximum à 5 %, que la cavité résonnan-

te active ( 20, 21, 22; 48, 49, 50) est munie d'au moins un miroir d'angle ( 48) déplaçable parallèlement à lui-même et qui n'est pas le miroir d'angle commun, qu'il est prévu un dispositif formateur de différence ( 58), auquel sont envoyées les composantes continues des composantes d'ondesextraites

par découplage, et qu'en fonction de la différence des composan-

tes continues, la cavité résonnante active peut être accor-

dée par l'intermédiaire de son ou ses miroirs d'angle réglables.

2 Capteur de vitesse angulaire selon la revendica-

tion 1, caractérisé en ce que la cavité résonnante passive ( 22, 23, 24; 50, 52, 54) est réalisée sous la forme d'un composant séparé comportant trois miroirs d'angle et pouvant être assemblé à la cavité résonnante active ( 20, 21, 22;

48, 49, 50).

3 Capteur de vitesse angulaire selon la revendica-

tion 1, caractérisé en ce que la cavité résonnante passive

est munie d'une cellule de Faraday ( 25; 53).

4 Capteur de vitesse angulaire selon la revendica-

tion 3, caractérisé en ce que la cellule de Faraday ( 25; 53) est réalisée sous la forme d'un composé formé d'un grenat ferromagnétique. Capteur de vitesse angulaire selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce qu'au moins un miroir d'angle de la cavité résonnante passive ( 22, 23, 24; 50, 52, 54) est recouvert d'un composé formé d'un grenat créant une rotation de phase.

6 Capteur de vitesse angulaire selon l'une quelcon-

que des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la cavi-

té résonnante passive ( 22, 23, 24; 50, 52, 54) est réalisée à partir d'un prisme constitué par une vitrocéramique, sur les surfaces duquel les miroirs d'angle sont déposés par vaporisation, et qui est muni d'une encoche permettant de

loger la cellule de Faraday ( 25; 53).