FR2593650A1

FR2593650A1 - RING LASER.

Info

Publication number: FR2593650A1
Application number: FR8700428A
Authority: FR
Inventors: William Gillies Mcnaught; Iain Edward Ross
Original assignee: Ferranti PLC
Current assignee: Ferranti International PLC
Priority date: 1986-01-24
Filing date: 1987-01-16
Publication date: 1987-07-31
Anticipated expiration: 2007-01-16
Also published as: DE3700844A1; FR2593650B1; GB2185846A; JPS62217683A; GB2185846B; CA1309155C

Abstract

Le laser en anneau comprend un bloc 10 de matériau diélectrique dans lequel on a formé au moins un passage 11 définissant un chemin polygonal fermé situé dans un plan intérieur au bloc, et un milieu gazeux actif contenu dans ce passage. Deux électrodes sont disposées à l'extérieur du passage 11, parallèles à une partie au moins de ce passage et situées sur ses côtés opposés. Ces électrodes sont, en fonctionnement, couplées capacitivement au milieu gazeux actif pour y produire une décharge électrique transverse à la direction de passage, par l'application d'une tension alternative à haute fréquence entre les deux électrodes. Utilisation notamment dans les capteurs de vitesse angulaire. (CF DESSIN DANS BOPI)The ring laser comprises a block 10 of dielectric material in which at least one passage 11 defining a closed polygonal path located in a plane inside the block has been formed, and an active gaseous medium contained in this passage. Two electrodes are arranged outside the passage 11, parallel to at least part of this passage and located on its opposite sides. These electrodes are, in operation, capacitively coupled to the active gaseous medium in order to produce therein an electric discharge transverse to the direction of passage, by the application of a high-frequency alternating voltage between the two electrodes. Use in particular in angular speed sensors. (CF DRAWING IN BOPI)

Description

259365O259365O

Les lasers en anneau sont utilisés fondamentalement, mais non exclusivement, comme capteurs de vitesse angulaire dans les applications à la navigation par inertie. Fondamentalement un laser en anneau comprend deux faisceaux laser qui se propagent en directions opposées le long du même chemin en circuit fermé. Le chemin a généralement une forme triangulaire. Les vitesses de rotation autour d'un axe perpendiculaire au plan de la cavité résonante du laser en anneau sont mesurées en détectant la fréquence du battement qui se produit à cause d'une différence de Ring lasers are used primarily, but not exclusively, as angular velocity sensors in inertial navigation applications. Basically a ring laser comprises two laser beams that propagate in opposite directions along the same closed circuit path. The path generally has a triangular shape. The rotational speeds about an axis perpendicular to the plane of the resonant cavity of the ring laser are measured by detecting the frequency of the beat that occurs due to a difference in

fréquences entre les faisceaux contrarotatifs produits par la rotation. frequencies between the counter-rotating beams produced by the rotation.

Une forme communément utilisée de laser en anneau conçue pour cette utilisation est décrite dans le brevet US No 3.390.606 et son équivalent britannique No 1.142.962. Le laser en anneau qui y est illustré comprend un bloc solide de matériau diélectrique dans lequel trois passages ont été formés pour créer un passage triangulaire à travers le bloc. Les points d'intersection des paires de passages sont munis de miroirs, et l'un des miroirs fait aussi partie des moyens de détection. Les passages sont remplis d'un gaz ou d'un mélange de gaz adéquats et on provoque une décharge électrique dans le gaz entre des électrodes, anode et cathode, qui plongent dans le gaz du laser,* Un tel dispositif pour produire une décharge électrique dans le gaz entraîne un certain nombre de désavantages. L'un d'entre eux est la nécessité d'avoir une alimentation d'excitation produisant une tension continue de fonctionnement comprise entre 500 et 1000 volts, avec une tension d'amorçage pouvant atteindre 3000 volts. Une telle alimentation est nécessairement de grandes dimensions. De plus la présence des électrodes, anode et cathode, provoque des effets de crachement et de turbulence dans A commonly used form of ring laser designed for this use is described in US Patent No. 3,390,606 and its British equivalent No. 1,142,962. The ring laser shown therein comprises a solid block of dielectric material in which three passages have been formed to create a triangular passageway through the block. The intersection points of the pairs of passages are provided with mirrors, and one of the mirrors is also part of the detection means. The passages are filled with a suitable gas or gas mixture and an electrical discharge is generated in the gas between electrodes, anode and cathode, which plunge into the laser gas, * Such a device to produce an electric discharge in the gas causes a number of disadvantages. One of them is the need to have an excitation power supply producing a continuous operating voltage between 500 and 1000 volts, with a starting voltage of up to 3000 volts. Such a diet is necessarily large. Moreover the presence of the electrodes, anode and cathode, causes spitting and turbulence effects in

le gaz. D'autres problèmes se posent encore. the gas. Other problems still arise.

L'un des buts de la présente invention est de fournir un laser en One of the aims of the present invention is to provide a laser in

anneau dans lequel cns problèmes sont évités. ring in which cns problems are avoided.

Selon la présente invention on fournit un laser en anneau comprenant un bloc de matériau diélectrique dans lequel on a formé au moins un passage définissant un chemin polygonal fermé situé dans un plan intérieur au bloc, un milieu gazeux actif contenu dans ce passage, et deux électrodes disposées à l'extérieur du passage, parallèles à une partie au moins de ce passage et situées sur ses côtés opposés, ces électrodes étant, en fonctionnement, couplées capacitivement au milieu gazeux actif par le matériau diélectrique, provoquant l'effet laser dans le milieu gazeux actif en y produisant une décharge électrique transverse à la direction du passage par l'application According to the present invention there is provided a ring laser comprising a block of dielectric material in which at least one passage defining a closed polygonal path located in an inner plane to the block has been formed, an active gaseous medium contained in this passage, and two electrodes. arranged outside the passage, parallel to at least a portion of this passage and located on opposite sides thereof, these electrodes being in operation capacitively coupled to the active gaseous medium by the dielectric material, causing the laser effect in the medium active gas by producing an electrical discharge transverse to the direction of the passage through the application

d'une tension alternative à haute fréquence entre les deux électrodes. a high frequency alternating voltage between the two electrodes.

On va maintenant décrire l'invention en faisant référence aux dessins Joints, dans lesquels: la figure 1 montre une vue en plan simplifiée d'un laser en anneau selon un premier mode de réalisation de l'invention; la figure 2 montre une vue latérale, avec coupe partielle, du laser en anneau de la figure 1; la figure 3 est un schéma des circuits d'une alimentation convenant au laser en anneau de la figure 1; et la figure 4 montre une vue en plan selon un second mode de réalisation The invention will now be described with reference to the enclosed drawings, in which: FIG. 1 shows a simplified plan view of a ring laser according to a first embodiment of the invention; Fig. 2 shows a side view, partly in section, of the ring laser of Fig. 1; Figure 3 is a circuit diagram of a power supply suitable for the ring laser of Figure 1; and FIG. 4 shows a plan view according to a second embodiment

de l'invention.of the invention.

En se référant maintenant aux figures 1 et 2, le laser en anneau est Referring now to FIGS. 1 and 2, the ring laser is

formé d'un bloc 10 de matériau diélectrique tel qu'un matériau en verre- formed of a block 10 of dielectric material such as a glass material

céramique ayant une grande stabilité thermique. Il est commode que le bloc ait la forme d'un triangle tronqué comme indiqué figure 1. Trois passages 11 sont forés dans le bloc 10 parallèlement aux trois côtés du ceramic having a high thermal stability. It is convenient for the block to have the shape of a truncated triangle as shown in FIG. 1. Three passages 11 are drilled in block 10 parallel to the three sides of the block.

triangle. Les trois passages émergent dans les coins tronqués du bloc. triangle. The three passages emerge in the truncated corners of the block.

Chacun de ces coins porte un miroir 12 monté de sorte que le rayonnement laser sortant de l'un des passages soit réfléchi le long du passage suivant, afin que le rayonnement suive un chemin fermé à travers les passages. Deux des miroirs peuvent être pleinement réfléchissants, tandis que le troisième est partiellement transmetteur et est associé à un détecteur 13 qui produit Each of these corners carries a mirror 12 mounted so that the laser radiation emerging from one of the passages is reflected along the next passage, so that the radiation follows a closed path through the passages. Two of the mirrors can be fully reflective, while the third is partially transmitting and is associated with a detector 13 that produces

un signal électrique de sortie sur un câble 14. an electrical signal output on a cable 14.

Comme indiqué sur les figures i et 2, deux rainures 15 sont usinées As shown in FIGS. 1 and 2, two grooves 15 are machined

dans le bloc, respectivement au-dessus et au-dessous des passages 11. Au- in the block, respectively above and below

dessous de chacune des rainures 15 se trouve une électrode métallique 16 à laquelle on peut appliquer une tension d'excitation alternative à haute below each of the grooves 15 is a metal electrode 16 to which an alternating to high excitation voltage can be applied.

fréquence venant d'une alimentation adéquate. frequency from a proper power supply.

Au centre du bloc 10 peut être disposé un mécanisme vibreur, représenté sous la référence 17, qui peut faire osciller le bloc d'un petit angle autour d'un axe 18, cet axe étant celui autour duquel le laser en anneau peut capter les mouvements angulaires. De tels mécanismes vibreurs sont bien In the center of the block 10 can be arranged a vibrator mechanism, represented under the reference 17, which can oscillate the block of a small angle about an axis 18, this axis being the one around which the ring laser can capture the movements angular. Such vibrating mechanisms are well

connus et n'ont pas besoin d'être décrits ici. known and do not need to be described here.

En fonctionnement, l'application d'une tension alternative à haute fréquence entre les deux électrodes 16 provoque l'excitation du milieu gazeux actif du laser, habituellement un mélange Hélium-Néon, contenu dans le passage 11 situé entre les électrodes. Cette excitation est transverse à la direction du passage 11 et produit une décharge électrique dans le gaz, entraînant l'effet laser. Ceci produit des faisceaux laser se propageant dans les deux directions dans le circuit fermé défini par les passages 11 In operation, the application of a high-frequency alternating voltage between the two electrodes 16 causes the excitation of the active gaseous medium of the laser, usually a Helium-Neon mixture, contained in the passage 11 located between the electrodes. This excitation is transverse to the direction of the passage 11 and produces an electric discharge in the gas, causing the laser effect. This produces laser beams propagating in both directions in the closed circuit defined by the passages 11

et les miroirs 12.and mirrors 12.

L'utilisation d'une tension alternative à haute fréquence transverse pour exciter le laser a un certain nombre d'avantages. Il n'est pas nécessaire d'insérer des électrodes dans les passages 11, et donc les The use of a transverse high frequency AC voltage to excite the laser has a number of advantages. It is not necessary to insert electrodes in the passages 11, and therefore the

problèmes causés par ces électrodes sont évités. Problems caused by these electrodes are avoided.

Le couplage capacitif transverse de la puissance alternative à haute fréquence dans la décharge à travers les parois en verre-céramique entre les électrodes permet l'utilisation d'une tension de commande très réduite The transverse capacitive coupling of the high frequency AC power in the discharge through the glass-ceramic walls between the electrodes allows the use of a very small control voltage

par rapport à celle des lasers en anneau connus excités longitudinalement. compared to that of known ring lasers excited longitudinally.

Typiquement, pour un laser en anneau ayant un trou de 3 mm, la tension de commande peut être de l'ordre de 5 à 10 volts à une fréquence comprise entre 10 XHz et 5 GHz. Il existe un ballastage capacitif, de sorte qu'il n'y a pas besoin de résistances ballasts, et ainsi la consommation de puissance est très inférieure. La gamme de fréquence indiquée se trouve dans la bande principale des télécommunications, et par conséquent des composants sont facilement disponibles pour permettre la production de petites alimentations à bas prix. Une alimentation convenant à cet usage est Typically, for a ring laser having a 3 mm hole, the control voltage can be of the order of 5 to 10 volts at a frequency between 10 XHz and 5 GHz. There is capacitive ballasting, so there is no need for ballast resistors, and so the power consumption is much lower. The indicated frequency range is in the main telecommunication band, and therefore components are readily available to enable the production of small, low cost power supplies. A suitable diet for this purpose is

représentée figure 3.represented in FIG.

Comme indiqué figure 3 le circuit d'alimentation est très simple; il comprend un oscillateur à radio-fréquence 30 pouvant produire un signal alternatif à la fréquence requise. Ce signal est amplifié par l'amplificateur 31 pour fournir le niveau de tension nécessaire et est couplé au laser en anneau représenté schématiquement en 32 à l'aide d'un circuit d'adaptation As shown in Figure 3 the power circuit is very simple; it comprises a radio frequency oscillator 30 capable of producing an alternating signal at the required frequency. This signal is amplified by the amplifier 31 to provide the necessary voltage level and is coupled to the ring laser shown schematically at 32 by means of an adaptation circuit

d'impédance 33.Impedance 33.

Le laser illustré sur la figure 1 possède des électrodes associées à l'un des trois passages 11 formés dans le bloc. On peut exciter l'un ou l'autre des autres passages, ou les deux, si nécessaire, en fonction du trou du passage et du gain nécessaire pour un fonctionnement satisfaisant. La figure 4 représente une vue en plan d'un laser en anneau ayant deux paires d'électrodes. The laser illustrated in FIG. 1 has electrodes associated with one of the three passages 11 formed in the block. One or other of the other passages, or both, may be energized as necessary depending on the passage hole and the gain required for satisfactory operation. Figure 4 shows a plan view of a ring laser having two pairs of electrodes.

Le laser en anneau n'est pas utilisé comme un laser à guide d'ondes. The ring laser is not used as a waveguide laser.

Les électrodes n'ont pas besoin d'être situées nécessairement dans des rainures du matériau diélectrique, bien que ceci soit une façon de réduire l'épaisseur du matériau entre les électrodes et le passage. Si un matériau de résistance suffisante était disponible, le bloc pourrait être fait assez mince pour que les électrodes soient disposées à sa surface. On pourrait aussi The electrodes need not necessarily be located in grooves of the dielectric material, although this is a way of reducing the thickness of the material between the electrodes and the passage. If a material of sufficient strength was available, the block could be made thin enough for the electrodes to be disposed on its surface. We could also

réduire l'épaisseur du matériau en utilisant d'autres configurations. reduce the thickness of the material using other configurations.

Un certain nombre d'autres avantages résultent de l'emploi d'une excitation transverse alternative à haute fréquence du laser. La décharge dans le gaz se produit sensiblement entre les deux électrodes, à la A number of other advantages result from the use of a high frequency alternating transverse excitation of the laser. The discharge in the gas occurs substantially between the two electrodes, at the

différence du laser en anneau excité longitudinalement en courant continu. difference of the ring laser excited longitudinally in direct current.

Ceci signifie que la décharge se produit bien au-delà des miroirs, évitant le risque d'endommager les miroirs par le rayonnement ultra- violet ou le bombardement ionique. La construction est plus simple que pour le laser en This means that the discharge occurs well beyond the mirrors, avoiding the risk of damaging the mirrors by ultraviolet radiation or ion bombardment. The construction is simpler than for the laser in

anneau excité en courant continu, et conduit à un coût de fabrication plus bas. ring excited DC, and leads to a lower manufacturing cost.

Les seuls scellements requis résistant au vide sont ceux des trois orifices The only required vacuum-resistant seals are those of the three orifices

de miroirs et d'un orifice de remplissage de gaz. Les matériaux en verre- mirrors and a gas filling port. Glass materials-

céramique sont particulièrement adéquats, parce qu'ils restent stables, ayant des coefficients de dilatation thermique nuls ou très faibles sur une gamme de températures très large, de -50 C à 400' C. Divers exemples de tels matériaux sont connus sous les noms are particularly suitable because they remain stable, having zero or very low thermal expansion coefficients over a very wide temperature range, from -50 ° C to 400 ° C. Various examples of such materials are known by the names

commerciaux de Zerodur, Cervit et ULE. Zerodur, Cervit and ULE.

REVEIND I CAT IOXSREVEIND I CAT IOXS

1. Un laser en anneau comprenant un bloc (10) de matériau diélectrique dans lequel on a formé au moins un passage (11) définissant un chemin polygonal fermé situé dans un plan intérieur au bloc, et un milieu gazeux actif contenu dans ce passage, caractérisé par deux électrodes (16) disposées à l'extérieur du passage (11), parallèles à une partie au moins de ce passage et situées sur ses côtés opposés, ces électrodes étant, en fonctionnement, couplées capacitivement au milieu gazeux actif pour y produire une décharge électrique transverse à la direction de passage, par l'application d'une 1. A ring laser comprising a block (10) of dielectric material in which at least one passage (11) has been formed defining a closed polygonal path located in an inner plane to the block, and an active gaseous medium contained in this passage, characterized by two electrodes (16) disposed outside the passage (11), parallel to at least a portion of that passage and located on opposite sides thereof, which electrodes are, in use, capacitively coupled to the active gaseous medium to produce therein an electrical discharge transverse to the direction of passage, by the application of a

tension alternative à haute fréquence entre les deux électrodes (16). high frequency alternating voltage between the two electrodes (16).

2. Un laser en anneau tel que revendiqué dans la revendication 1, caractérisé en ce qtp le bloc (10) de matériau diélectrique contient trois 2. A ring laser as claimed in claim 1, characterized in that the block (10) of dielectric material contains three

passages (11) définissant un chemin fermé sensiblement triangulaire. passages (11) defining a substantially triangular closed path.

3. Un laser en anneau tel que revendiqué dans la revendication 1, caractérisé en ce que les deux électrodes (16) sont associées avec l'un A ring laser as claimed in claim 1, characterized in that the two electrodes (16) are associated with one

des passages (11).passages (11).

4. Un laser en anneau tel- que revendiqué dans l'une quelconque des 4. A ring laser as claimed in any one of

revendications i à 3, caractérisé en ce que l'une au moins des deux élec- Claims 1 to 3, characterized in that at least one of the two elec-

trodes (16) est située dans une rainure (15) s'étendant à partir de la trodes (16) is located in a groove (15) extending from the

surface du bloc (10) de matériau diélectrique vers ledit passage (11). surface of the block (10) of dielectric material to said passage (11).

5. Un laser en anneau tel que revendiqué dans l'une quelconque des 5. A ring laser as claimed in any one of

revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le bloc (10) porte trois mi- Claims 2 to 4, characterized in that the block (10) bears three

roirs (12).roirs (12).

placés chacun à l'intersection de deux des passages(li), de façon à réfléchir le placed at the intersection of two of the passages (li) so as to reflect the

rayonnement laser sortant de l'un des passages vers le passage adjacent. Laser radiation exiting from one of the passages to the adjacent passage.

6. Un laser en anneau tel que revendiqué dans l'une quelconque des 6. A ring laser as claimed in any one of

revendications précédentes, caractérisé en ce que le bloc (10) de matériau preceding claims, characterized in that the block (10) of material

diélectrique est en verre-céramique. dielectric is glass-ceramic.

7. Un laser en anneau tel que revendiqué dans l'une quelconque des 7. A ring laser as claimed in any one of

revendications i à 6, caractérisé en ce que le milieu gazeux actif est un Claims 1 to 6, characterized in that the active gaseous medium is a

mélange d'Hélium et de Néon.mixture of helium and neon.

8. Un laser en anneau tel que revendiqué dans l'une quelconque des 8. A ring laser as claimed in any one of

revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la fréquence de la tension Claims 1 to 7, characterized in that the frequency of the voltage

alternative à haute fréquence est dans la gamme de 10 MHz à 5 GHZ. High frequency alternative is in the range of 10 MHz to 5 GHZ.