FR2842304A1

FR2842304A1 - Two laser translation tachometer interferometer compares analysis with two spatial filters of half and full fringe periods

Info

Publication number: FR2842304A1
Application number: FR0208891A
Authority: FR
Inventors: Paul Frederic Marie Gambs
Original assignee: GAMBS PAUL FREDERIC M
Current assignee: GAMBS PAUL FREDERIC M
Priority date: 2002-07-15
Filing date: 2002-07-15
Publication date: 2004-01-16

Abstract

A two laser translation tachometer interferometer combines the light from each laser from the measurement path and then splits it to two spatial filters with different half and full fringe spatial frequencies for selective integration of energy at different periods and compares the detector outputs using a differential amplifier to obtain the distance moved.

Description

La présente invention concerne un interféromètre pour l'étude duThe present invention relates to an interferometer for studying the

référentiel de propagation des ondes electromagnétiques et notamment de repository of propagation of electromagnetic waves and in particular of

la lumière, tel qu'il a été mis en évidence par Georges Sagnac dès 1911. light, as it was highlighted by Georges Sagnac in 1911.

Les expériences de Sagnac et les réalisations qui en découlent ne mesurent que les rotations, par interférométrie à partir d'une source lumineuse unique. Pour des mesures de translations, l'interférométrie à source unique ne peut donner d'indications directes en raison du fait que la somme vectorielle des projections des différents segments du trajet optique allant d'un point de la source à un point du récepteur sur la direction de déplace10 ment est un invariant. On doit donc recourir à la disposition imaginée par Michelson et Morley pour réaliser leur célèbre expérience. La très faible sensibilité de cette méthode dont l'équation de mesure est du second ordre par rapport au quotient v/C de relation entre la vitesse à mesurer v et la vitesse de la lumière C introduit des risques d'erreurs considérables: une différence de température de 1/100 de degré centigrade entre les deux branches de 1' interféromètre suffirait à expliquer la disparition de l'effet recherché, et cette vérification n'est consignée dans aucune des relations publiées. En outre cette faible sensibilité exige pour un résultat déja problématique un appareillage très coteux et ne peut mesurer en pratique qu'une vitesse aussi extra20 vagante que la vitesse orbitale de la Terre, ce qui n'élimine pas l'hypothèse que le référentiel de Sagnac soit lié au champ de gravitation terrestre, et que chaque champ de gravitation engendre de même son propre référentiel de propagation de la lumière, ce qui expliquerait notamment par le passage d' un champ de gravitation atomique au champ de gravitation terrestre l'effet Sagnac's experiments and the resulting achievements only measure rotations, by interferometry from a single light source. For translation measurements, single source interferometry cannot give direct indications due to the fact that the vector sum of the projections of the different segments of the optical path going from a point of the source to a point of the receiver on the direction of movement is an invariant. We must therefore use the arrangement imagined by Michelson and Morley to carry out their famous experiment. The very low sensitivity of this method, the measurement equation of which is second order with respect to the quotient v / C of relation between the speed to be measured v and the speed of light C introduces considerable risks of errors: a difference of a temperature of 1/100 of a centigrade degree between the two branches of the interferometer would suffice to explain the disappearance of the desired effect, and this verification is not recorded in any of the published relationships. In addition, this low sensitivity requires very costly equipment for an already problematic result and can only measure in practice a speed as extravagant as the orbital speed of the Earth, which does not eliminate the hypothesis that the Sagnac reference system is linked to the terrestrial gravitational field, and that each gravitational field similarly generates its own light propagation reference frame, which would explain in particular by the transition from an atomic gravitational field to the terrestrial gravitational field

Doppler observé sur les raies spectrales des Lasers, sans déplacement relatif émetteur-récepteur. Doppler observed on the spectral lines of the Lasers, without relative emitter-receiver displacement.

La possibilité de transposer les expériences de Sagnac et leurs aplications industrielles dans le domaine de la mesure de translations réapparait si l'on peut réaliser ces mesures par interférences des faisceaux lumi30 neux provenant de deux sources distinctes. Dans l'état actuel des progrès techniques, on dispose déja industriellement de Lasers dont la fréquence peut être stabilisée avec une précision ne laissant apparaître que des battements d'environ 4 MHz dans le faisceau lumineux résultant de l'addition coaxiale ou quasi-coaxiale des faisceaux lumineux issus de chacun de deux The possibility of transposing Sagnac's experiments and their industrial applications in the field of translation measurement reappears if these measurements can be carried out by interference from the light beams coming from two distinct sources. In the current state of technical progress, Lasers are already available industrially, the frequency of which can be stabilized with a precision that only reveals beats of about 4 MHz in the light beam resulting from the coaxial or quasi-coaxial addition of light beams from each of two

Lasers.Lasers.

Dans l'appareil conforme à l'invention, la mesure est réalisée par différence entre le signal émanant d'un capteur dit interférentiel, comportant un filtre constitué de 2n fenêtres de fréquence spatiale 2F identique à celle des franges d'interférences calculées pour deux lasers ayant rigoureusement la longueur d'onde théorique, et le signal émanant d'un capteur dit de battements, comportant un filtre constitué de n fenêtres de fréquence spatiale F. La surface de passage offerte à la lumière est donc la même dans les deux capteurs, qui reçoivent chacun un des deux faisceaux résultant de la division du faisceau commun dans un séparateur optique. Les capteurs sont constitués de manière identique et connue, chacun par un élément photosensible à In the device according to the invention, the measurement is carried out by difference between the signal emanating from a so-called interference sensor, comprising a filter consisting of 2n windows of spatial frequency 2F identical to that of the interference fringes calculated for two lasers having rigorously the theoretical wavelength, and the signal emanating from a sensor known as of beats, comprising a filter made up of n windows of spatial frequency F. The passage surface offered to the light is therefore the same in the two sensors, which each receive one of the two beams resulting from the division of the common beam in an optical splitter. The sensors are constituted in an identical and known manner, each by a photosensitive element to

haute fréquence et un objectif qui forme sur cet élément l'image d'une por10 tion définie du filtre spatial correspondant à ce capteur. De manière caractéristique de l'invention, un amplificateur différentiel opère entre leur deux signaux. high frequency and a lens which forms on this element the image of a defined por10 tion of the spatial filter corresponding to this sensor. Characteristically of the invention, a differential amplifier operates between their two signals.

Le capteur dit interférentiel donne un signal résultant des phénomènes d'interférences auxquels s'ajoutent les phénomènes de battements dus à la différence minime entre les fréquences des deux sources;le capteur dit de battements ne peut être sensible aux phénomènes d'interférences proprement dits, puisque chacune des fenêtres de son filtre spatial intègre l'énergie sur une période spatiale complète de ces interférences mais il est parfaitement sensible aux battements de fréquences dont la période spatiale The so-called interference sensor gives a signal resulting from interference phenomena to which are added beat phenomena due to the minimal difference between the frequencies of the two sources; the so-called beat sensor cannot be sensitive to interference phenomena proper, since each of the windows of its spatial filter integrates energy over a complete spatial period of this interference but it is perfectly sensitive to frequency beats including the spatial period

est de l'ordre de cent millions de fois celle des interférences. is about a hundred million times that of interference.

La différence sur laquelle opère l'amplificateur différentiel est donc The difference on which the differential amplifier operates is therefore

bien le signal interférentiel net. Ce signal est amplifié et affiché par des moyens electroniques connus, et la position du filtre spatial du capteurinterférentiel par rapport au reste de l'appareillage peut être réglée avec précision. well the net interference signal. This signal is amplified and displayed by known electronic means, and the position of the spatial filter of the interference sensor relative to the rest of the apparatus can be precisely adjusted.

En appelant D la distance qui sépare les deux lasers dont les axes d'émission sont parallèles, on oriente la direction o se mesure cette distance perpendiculairement à la direction du déplacement à mesurer pour procéder au réglage qui consiste à amener le filtre spatial du capteur d'interférences dans la position qui produit le signal maximum ou minimum. Sans rien modifier à ce réglage, on oriente alors la direction de D parallèlement à celle du déplacement à mesurer; si ce déplacement a bien lieu par rapport au référentiel de Sagnac, le signal d'interférences varie, et pour le ramener à sa valeur initiale il faut déplacer le filtre spatial du capteur d'interférences d'une quantité directement proportionnelle au rapport v/C. A la latitude de Paris, la vitesse tangentielle de la rotation diurne de laTerre est de Vordre de -310 m/s; avec l'appareil conforme à l'invention, équipé de lasers de longueur d'onde de l'ordre de 600 nm et une distance D = C3, m, en arrondissant C à 300 BOU km/s, la mesure représente un décalage d'une demi-frange, alors qu'avec l'appareillage de Michelson et Morley, ce décalage ne serait que d'un demi-millionième de frange, probablement indétectable, même avec les raffinements électroniques qui ont été développés en faveur de l'utilisation du gyromètre de Sagnac pour la navigation ( Eric UDD: Fiber Optic Sensors, ISBN 0-47183007-0). En revanche, ces raffinements ouvrent à l'utilisation de l'appareil By calling D the distance separating the two lasers whose emission axes are parallel, we orient the direction o is measured this distance perpendicular to the direction of the displacement to be measured to carry out the adjustment which consists in bringing the spatial filter of the sensor d interference in the position that produces the maximum or minimum signal. Without modifying anything at this setting, the direction of D is then oriented parallel to that of the displacement to be measured; if this displacement takes place with respect to the Sagnac reference frame, the interference signal varies, and to bring it back to its initial value, the spatial filter of the interference sensor must be moved by an amount directly proportional to the v / C ratio . At the latitude of Paris, the tangential speed of the Earth's diurnal rotation is around -310 m / s; with the apparatus according to the invention, equipped with lasers of wavelength of the order of 600 nm and a distance D = C3, m, by rounding C to 300 BOU km / s, the measurement represents an offset d half a fringe, whereas with the Michelson and Morley apparatus, this shift would only be half a millionth of a fringe, probably undetectable, even with the electronic refinements that have been developed in favor of the use of the Sagnac gyrometer for navigation (Eric UDD: Fiber Optic Sensors, ISBN 0-47183007-0). However, these refinements open to the use of the device

conforme à l'invention des perspectives d'applications très étendues. in accordance with the invention, prospects for very wide applications.

Les dessins annexés illustrent l'invention: La figure 1 représente une vue schématique en plan du système optique de l' The accompanying drawings illustrate the invention: Figure 1 shows a schematic plan view of the optical system of the

interféromètre conforme à l'invention. interferometer according to the invention.

La figure 2 représente deux éléments caractéristiques dont la comparaison FIG. 2 represents two characteristic elements whose comparison

est essentielle à une bonne compréhension de l'invention. is essential for a good understanding of the invention.

En référence à ces dessins, l'interféromètre comporte deux lasers (1) et (2), de même longueur d'onde nominales, dont les axes d'émission sont parallèles et séparés par une certaine distance D. Les faisceaux lumineux émis par ces lasers sont réfléchis chacun par un des deux miroirs (3) et (4), de manière à parcourir en sens inverses chacun environ la moitié de la distance D, jusqu'à rencontrer les miroirs formés par les surfaces du prisme (5), qui les renvoient en direction du prisme diviseur (6). Par un réglage ap20 proprié des miroirs (3) et (4), les axes des deux faisceaux convergent sur un point qui après dédoublement dans le prisme diviseur (6) se retrouve respectivement au centre des filtres spatiaux (7) et (10), et l'angle a de cette convergence satisfait à la relation sin et = k/ p, p étant le pas du filtre spatial (7) qui équipe le capteur d'interférences. Ce capteur comporte en outre un objectif (8) qui projette sur le photorécepteur à haute fréquence (9) l'image d'une portion du filtre spatial (7), à peu près dans les proportions représentées sur la figure 2. Sur l'autre faisceau émergeant du prisme diviseur (6) on trouve de même le capteur de battements comportant le filtre spatial (10), également représenté sur la figure 2, l'objectif (11) , et le photorécepteur (12). Ces éléments ont les mêmes fonctions que leurs homologues du capteur d'interférences, mais en raison de la différence de fréquence spatiale entre les filtres (7) et (10), la modulation due aux franges d'interférences proprement dites n'est pas perçue par le photorécepteur (12) puisque chacune des fenêtres du filtre spatial (10) intègre l'énergie lumineuse sur la to35 talité d'une période de ces interférences, alors que dans le capteur d'interférences, la largeur des fenêtres du filtre (7) correspond à une demi-période spatiale de ces interférences. Dans les deux cas les fenêtres sont séparées par des montants opaques de largeur égale à celle des fenêtres qu'ils séparent, et le grand axe de ces fenêtres est orienté perpendiculairement au plan de la Figure 1. Pour obtenir des franges d'interférences appropriées à cette mesure, il convient d'utiliser des lasers stabilisés, à émission polarisée, cha5 que laser étant orienté autour de son axe optique de manière à ce que le With reference to these drawings, the interferometer comprises two lasers (1) and (2), of the same nominal wavelength, whose emission axes are parallel and separated by a certain distance D. The light beams emitted by these lasers are each reflected by one of the two mirrors (3) and (4), so as to travel in opposite directions each about half the distance D, until meeting the mirrors formed by the surfaces of the prism (5), which return them towards the dividing prism (6). By an ap20 adjustment of the mirrors (3) and (4), the axes of the two beams converge on a point which after splitting in the divider prism (6) is found respectively in the center of the spatial filters (7) and (10), and the angle a of this convergence satisfies the relation sin and = k / p, p being the pitch of the spatial filter (7) which equips the interference sensor. This sensor further comprises an objective (8) which projects onto the high frequency photoreceptor (9) the image of a portion of the spatial filter (7), roughly in the proportions shown in FIG. 2. Another beam emerging from the divider prism (6) is also found the beat sensor comprising the spatial filter (10), also shown in Figure 2, the objective (11), and the photoreceptor (12). These elements have the same functions as their counterparts in the interference sensor, but due to the difference in spatial frequency between the filters (7) and (10), the modulation due to the interference fringes proper is not perceived. by the photoreceptor (12) since each of the windows of the spatial filter (10) integrates the light energy over the totality of a period of these interferences, while in the interference sensor, the width of the windows of the filter (7 ) corresponds to a spatial half-period of these interferences. In both cases the windows are separated by opaque uprights of width equal to that of the windows they separate, and the major axis of these windows is oriented perpendicular to the plane of Figure 1. To obtain interference fringes suitable for this measurement, it is necessary to use stabilized lasers, with polarized emission, each laser being oriented around its optical axis so that the

plan de vibration de sa lumière polarisée soit parallèle au plan de la Figure 1. vibration plane of its polarized light is parallel to the plane of Figure 1.

I.I.

Claims

CLAIMS '. . . . . : - -. ':::: -' '.. ::: ..'. .. CLMF:

1) Interferometer using the interference produced in a common light beam constituted in a known manner by the convergence of the beams emitted by two lasers whose optical axes are parallel and spaced from each other by a distance which constitutes a pa'ra '' tre dela me5 sure interferoé Ùtrique, this common beam of light being di aimed by known optical means into two secondary beams and each e these beams being analyzed by a sensor com''p'ortant'n spatial filter, characterized by difference existing between these two spatial filters, only one of these filters being adapted by its high spatial frequency to the selective reading of the interference fringes 'while "the spatial filter equipping the other sensor has a lower spatial frequency' such that each window of this filter integrates all of the energy of a complete period of these interference fringes, the measurement being 'effected from' nary cara eristic of

the invention by difference between the signals given by these two sensors.

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