FR2937739A1 - Gyrolaser a milieu amplificateur a etat solide et a cavite optique en anneau - Google Patents

Gyrolaser a milieu amplificateur a etat solide et a cavite optique en anneau Download PDF

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Abstract

Le gyrolaser à milieu amplificateur à état solide (MAES) et à cavité optique en anneau (COA), comprend un ensemble (EE) englobant la cavité optique (COA) et apte à subir un mouvement de rotation oscillant, ainsi qu'au moins un dispositif optique externe d'injection longitudinale d'énergie (DEOILE) dans le milieu amplificateur à état solide (MAES). Le gyrolaser comprend également un ensemble de fixation (EF) adapté pour rendre solidaire en translation et en rotation ledit ensemble (EE) englobant la cavité optique et ledit dispositif optique externe d'injection longitudinale d'énergie (DEOILE).

Description

Gyrolaser à milieu amplificateur à état solide et à cavité optique en anneau.
L'invention porte sur un gyrolaser comprenant un élément à état 5 solide amplificateur. Un gyromètre est un capteur de mouvement qui permet de mesurer la vitesse de rotation du référentiel du capteur par rapport à un référentiel galiléen, suivant un ou plusieurs axes. Un gyromètre laser, ou gyrolaser, est un laser en anneau 10 bidirectionnel qui permet de mesurer une vitesse angulaire (ou une position angulaire relative par intégration dans le temps). Il est constitué d'une cavité optique composée de plusieurs miroirs rassemblés sur un bloc dans lequel des chemins sont percés pour fournir une cavité optique. Un milieu amplificateur est inséré dans le chemin optique de la cavité et un système 15 d'excitation doit lui fournir de l'énergie permettant de générer le gain laser. Les éléments qui composent la cavité laser sont choisis de manière à permettre un fonctionnement bidirectionnel: la cavité laser doit pouvoir soutenir simultanément deux ondes qui se propagent en sens opposés (ondes dites contrarotatives). 20 Les gyrolasers sont généralement utilisés pour la mesure des vitesses de rotation ou des positions angulaires. Ce type d'équipement est notamment employé pour les applications aéronautiques. Le principe de fonctionnement d'un gyrolaser est fondé sur l'effet Sagnac dans une cavité laser en anneau animée d'un mouvement de 25 rotation. Lorsque la cavité est immobile, les deux ondes contrarotatives présentent la même fréquence optique. En présence d'un mouvement de rotation dans le plan de la cavité optique, l'effet Sagnac induit une différence de fréquence S2 entre les deux ondes optiques contrarotatives. Une fraction de l'énergie de chaque onde est extraite de la cavité. Un dispositif de 30 recombinaison fait interférer les deux faisceaux extraits pour former des franges d'interférences qui sont observées à l'aide d'un ou plusieurs photo-détecteurs. Dans un gyromètre laser idéal, la fréquence des franges devant le photo-détecteur est proportionnelle à la vitesse de rotation imprimée à la cavité et leur sens de défilement dépend du sens de rotation.
Les gyromètres laser, ou gyrolasers, utilisent, dans leur majorité, un milieu amplificateur gazeux qui est habituellement un mélange d'hélium et de néon. L'excitation du milieu amplificateur gazeux est alors généralement effectuée en créant un plasma dans le gaz, par exemple en générant une décharge entre deux électrodes qui sont mécaniquement solidarisées de la cavité. Cependant, le caractère gazeux du milieu amplificateur reste source de complications techniques lors de la réalisation du gyrolaser, notamment en raison de la grande pureté de gaz requise. En outre, il induit des sources de vieillissement du laser, avec une sensibilité à l'étanchéité de la cavité, une dégradation de certaines électrodes avec le fonctionnement. Il est possible de réaliser un gyrolaser à milieu amplificateur à état solide, dans lequel le milieu amplificateur gazeux est remplacé par un élément solide, par exemple, en employant des ions Néodyme dans une matrice de YAG (Yttrium-Aluminium-Grenat), communément noté Nd:YAG, il est possible de réaliser un gyrolaser à état solide fonctionnant dans le proche infra-rouge. On peut utiliser comme milieu amplificateur une matrice cristalline ou un verre dopé avec des ions appartenant à la classe des terres rares (Erbium, Ytterbium...) mais également un matériau semi-conducteur. On supprime ainsi tous les problèmes inhérents à l'état gazeux du milieu amplificateur. Les matrices cristallines ou de verre communément employées étant de très mauvais conducteurs électriques, seul un pompage optique peut exciter le milieu amplificateur. Il faut injecter dans le volume utile du milieu amplificateur solide un faisceau optique de longueur d'onde adéquate pour induire l'inversion de population de la transition atomique souhaitée qui permet d'induire le gain optique. Ce pompage peut actuellement être réalisé efficacement à l'aide de diode laser ou de diodes lasers fibrées. Les gyrolasers à état solide sont généralement utilisés pour mesurer des vitesses de rotation ou des positions angulaires. Ce type d'équipement est notamment employé pour les applications aéronautiques.
Pour optimiser le pompage optique, il est possible d'effectuer un pompage longitudinal, ou, en d'autres termes, d'injecter de l'énergie dans l'axe du faisceau résonant, à travers un miroir de la cavité laser. Des dispositifs internes additionnels peuvent éventuellement être employés pour stabiliser un fonctionnement à ondes contrarotatives. Une mesure de la vitesse de rotation de la cavité peut alors être effectuée en observant les interférences entre les deux ondes résonantes contrarotatives. La configuration longitudinale du pompage optique requiert de superposer le faisceau injecté au faisceau optiquement stable dans la cavité avec une précision inférieure à vingt micromètres. Une telle précision est habituellement obtenue en solidarisant les composant optiques de l'injection sur un support indépendant muni d'éléments de réglage de position et d'inclinaison. Ce support n'est pas lié en mouvement avec la cavité optique. Afin de compenser les limites inhérentes au gyrolasers à milieu amplificateur à état gazeux, pour de faibles vitesses de rotation, typiquement des vitesses de rotation inférieures à quelques dixièmes voire quelques centièmes de degrés par seconde, il est généralement choisi de soumettre en permanence la cavité à un mouvement de rotation oscillant, par activation mécanique, à une fréquence de l'ordre de 100 Hz à 1 kHz. Ce mode de réalisation permet, pour les gyrolasers à milieu amplificateur à état gazeux de pouvoir fonctionner correctement dans une zone dite zone aveugle due à la rétrodiffusion sur les miroirs. Le dispositif d'excitation, généralement constitué de deux électrodes entre lesquelles une forte différence de tension électrique provoque une ionisation un gaz, se trouve solidarisé du bloc et il demeure entraîné dans l'activation de la cavité. Un gyromètre laser à milieu amplificateur à état solide, par exemple une matrice de YAG dopée Néodyme, présente la même limite de zone aveugle, qui peut être accrue du fait d'un couplage additionnel des ondes contrarotatives dans le milieu amplificateur état-solide dont le gain est généralement à élargissement dit homogène. Transposer un tel mode de réalisation, i.e. une activation mécanique de la cavité, à un gyrolaser à état solide pose un problème, car en l'espèce, l'optique d'injection est externe à la cavité, qui subit un mouvement de rotation oscillant et modifie au cours du temps la position du milieu amplificateur par rapport au faisceau de pompage, ce qui provoque des modulations de l'intensité émise par la cavité pouvant entraîner un dysfonctionnement sévère du gyrolaser. Un but de l'invention est de pallier aux divers problèmes précédemment cités. Il est proposé, selon un aspect de l'invention, un gyrolaser à milieu 35 amplificateur à état solide et à cavité optique en anneau, comprenant un ensemble englobant la cavité optique et apte à subir un mouvement de rotation oscillant, ainsi qu'au moins un dispositif optique externe d'injection longitudinale d'énergie dans le milieu amplificateur à état solide. Le gyrolaser à milieu amplificateur à état solide comprend un ensemble de fixation adapté pour rendre solidaire en translation et en rotation ledit ensemble englobant la cavité optique et ledit dispositif optique externe d'injection longitudinale d'énergie. On peut ainsi avoir un gyrolaser à milieu amplificateur à état solide et à cavité optique en anneau, capable d'effectuer des mesures d'une précision améliorée, même pour de faibles vitesses de rotation du gyromètre. Dans un mode de réalisation : - ladite cavité optique comprend plusieurs miroirs de renvoi et au moins un miroir partiellement réfléchissant ; et ledit ensemble de fixation est conçu de manière à ce que la partie délivrant de l'énergie d'un dispositif optique externe d'injection longitudinale d'énergie soit située à une distance minimale du miroir partiellement réfléchissant correspondant dépendant des contraintes optiques et mécaniques du gyrolaser et que le dispositif optique externe d'injection longitudinale d'énergie ne se dérègle pas durant ledit mouvement de rotation oscillant. L'invention permet, pour des gyrolasers à élément amplificateur à état solide, de pouvoir fonctionner correctement dans une zone dite zone aveugle due à la rétrodiffusion sur les miroirs. Par exemple, au moins un dispositif optique externe d'injection longitudinale d'énergie comprend une source d'énergie, un miroir sphérique lié en translation avec ledit ensemble de fixation, et une lentille biconvexe convergente disposée entre ladite source d'énergie et ledit miroir sphérique. Un tel mode de réalisation permet de minimiser le nombre d'éléments du dispositif d'injection optique.
Par exemple, au moins un dispositif optique externe d'injection longitudinale d'énergie comprend une source d'énergie, un miroir sphérique lié en translation avec ledit ensemble de fixation, une première lentille plan concave ou plan convexe disposée entre ladite source d'énergie et ledit miroir sphérique, et une deuxième lentille plan concave ou plan convexe disposée entre ledit miroir sphérique et le miroir partiellement réfléchissant correspondant. L'emploi de lentilles présentant une surface plane pouvant être employée comme surface d'appui dans le montage du dispositif permet de réduire la dispersion des jeux d'assemblage, et permet de réduire l'amplitude du réglage requis ultérieurement sur la position du point de focalisation. L'emploi de plusieurs lentilles peut également permettre de réduire les aberrations géométriques au point de focalisation. Dans un mode de réalisation, la portion de l'ensemble de fixation servant de support audit miroir sphérique est inclinée de sensiblement 45° par rapport au faisceau d'énergie incident et est incliné de sensiblement 45° par rapport au faisceau réfléchi d'injection d'énergie. Ainsi, il est possible d'utiliser une géométrie du dispositif d'injection permettant de réduire son inertie et faciliter son activation avec la 15 cavité Selon un mode de réalisation, le rayon de courbure dudit miroir sphérique est compris entre environ 0,5 m et 4 m. Ainsi, en translatant le miroir sphérique sur son plan d'appui, le dispositif d'injection peut être ajusté avec la précision requise. 20 Dans un mode de réalisation, l'ensemble de fixation comprend des moyens de fixation du miroir sphérique pour maintenir la position du miroir sphérique sur l'ensemble de fixation après réglage de l'injection d'énergie. Par exemple, lesdits moyens de fixation comprennent un support arrière ou de la colle. 25 Ainsi l'injection d'énergie n'est pas modifiée lors du mouvement de rotation oscillant. Dans un mode de réalisation, le gyrolaser comprend deux dispositifs optiques externes d'injection longitudinale d'énergie disposés sensiblement symétriquement par rapport au milieu amplificateur à état 30 solide. Un tel mode de réalisation permet d'homogénéiser le gain dans le milieu amplificateur et réduire les sources de faux-zéros pouvant provenir d'une non-symétrie du volume actif dans le milieu amplificateur.
L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est un schéma synoptique d'un gyrolaser selon un aspect de l'invention ; - la figure 2 est un schéma synoptique d'un gyrolaser, selon un autre aspect de l'invention ; la figure 3 est un schéma synoptique d'un dispositif optique externe d'injection longitudinale d'énergie d'un gyrolaser selon la figure 1 ou 2 ,et la figure 4 est un schéma synoptique d'un autre dispositif optique externe d'injection longitudinale d'énergie d'un gyrolaser selon la figure 1 ou 2.
Sur les différentes figures, les éléments ayant des références identiques sont identiques. Tel qu'illustré sur la figure 1, un gyrolaser GL à milieu amplificateur à état solide MAES et à cavité optique en anneau COA comprend un ensemble EE englobant la cavité optique COA et apte à subir un mouvement de rotation oscillant. Le dispositif de mise en mouvement de rotation oscillant de l'ensemble EE n'est pas représenté. De manière classique, ce dispositif de mise en mouvement de rotation oscillant de l'ensemble EE réalise, par activation mécanique, une oscillation d'une fréquence de 100 Hz à I kHz, pour une vitesse angulaire maximale pouvant atteindre une, voire plusieurs centaines de degrés par seconde. Le gyrolaser GL comprend, en outre, au moins un dispositif optique externe d'injection longitudinale d'énergie DEOILE dans le milieu amplificateur à état solide MAES. Le gyrolaser GL comprend également un ensemble de fixation EF adapté pour rendre solidaire en translation et en rotation l'ensemble EE englobant la cavité optique COA et le dispositif optique externe d'injection longitudinale d'énergie. La cavité optique en anneau COA comprend plusieurs miroirs de renvoi MR, en l'espèce trois, et un miroir partiellement réfléchissant MPR ou miroir dichroïque permettant à la fois de réfléchir les ondes laser générées dans la cavité optique et de laisser passer, au moins en partie, l'injection longitudinale d'énergie externe, d'une autre longueur d'onde, à destination du milieu amplificateur à état solide MAES. L'ensemble de fixation EF est conçu de manière à ce que la partie délivrant de l'énergie d'un dispositif optique externe d'injection longitudinale d'énergie DEOILE soit située à une distance minimale du miroir partiellement réfléchissant MPR dépendant des contraintes optiques et mécaniques du gyrolaser, et que le dispositif optique externe d'injection longitudinale d'énergie DEOILE ne se dérègle pas durant ledit mouvement de rotation oscillant.
Sur la figure 2, en variante, un gyrolaser similaire à celui de la figure 1 comprend deux dispositifs optiques externes d'injection longitudinale d'énergie DEOILE disposés sensiblement symétriquement par rapport au milieu amplificateur à état solide MAES. Chaque dispositif optique externe d'injection longitudinale d'énergie DEOILE est relié directement, par un ensemble de fixation EF respectif adapté pour rendre solidaire en translation et en rotation l'ensemble EE englobant la cavité optique COA et le dispositif optique externe d'injection longitudinale d'énergie DEOILE correspondant. Les figures 3 et 4 illustrent schématiquement deux modes de réalisation d'un dispositif optique externe d'injection longitudinale d'énergie DEOILE selon la figure 1 ou 2. La figure 3 représente un premier mode de réalisation d'un dispositif optique externe d'injection longitudinale d'énergie DEOILE, qui comprend une source d'énergie S, un miroir sphérique MS lié en translation avec l'ensemble de fixation EF, et une lentille biconvexe convergente L disposée entre la source d'énergie S et le miroir sphérique MS. La figure 4 représente un deuxième mode de réalisation d'un dispositif optique externe d'injection longitudinale d'énergie DEOILE, qui comprend une source d'énergie S, un miroir sphérique MS lié en translation avec l'ensemble de fixation EF, une première lentille L1 disposée entre ladite source d'énergie S et le miroir sphérique MS, et une deuxième lentille L2 disposée entre le miroir sphérique MS et le miroir partiellement réfléchissant MPR correspondant. Les première et deuxième lentilles L1 et L2 peuvent être plan concave ou plan convexe, une surface plane pouvant être employée comme surface d'appui dans le montage du dispositif pour réduire la dispersion des jeux d'assemblage et réduire l'amplitude du réglage requis ultérieurement sur la position du point de focalisation. La portion de l'ensemble de fixation EF servant de support au miroir sphérique MS est inclinée de sensiblement 45° par rapport au faisceau d'énergie incident et est incliné de sensiblement 45° par rapport au faisceau réfléchi d'injection d'énergie, afin de réduire l'inertie du dispositif d'injection par rapport à l'axe d'activation de la cavité en conservant des dimensions permettant une bonne focalisation tout en compensant les aberrations géométriques introduites par le dispositif optique. Le rayon de courbure du miroir sphérique MS est compris entre environ 0,5 m et 4 m. L'ensemble de fixation EF comprend des moyens de fixation du miroir sphérique MS pour maintenir sa position sur l'ensemble de fixation EF après réglage de l'injection d'énergie. Par exemple, ces moyens de fixation peuvent être un support arrière, permettant de modifier un réglage ou de la colle avec laquelle un réglage devient définitif. La présente invention permet, à coûts réduits, de réaliser un gyrolaser à milieu amplificateur à état solide et à cavité optique en anneau, qui permet d'effectuer des mesures précises même pour de faibles vitesses de rotation du gyrolaser.20

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS1. Gyrolaser à milieu amplificateur à état solide (MAES) et à cavité optique en anneau (COA), comprenant un ensemble (EE) englobant la cavité optique (COA) et apte à subir un mouvement de rotation oscillant, ainsi qu'au moins un dispositif optique externe d'injection longitudinale d'énergie (DEOILE) dans le milieu amplificateur à état solide (MAES), caractérisé en qu'il comprend un ensemble de fixation (EF) adapté pour rendre solidaire en translation et en rotation ledit ensemble (EE) englobant la cavité optique et ledit dispositif optique externe d'injection longitudinale d'énergie (DEOILE).
  2. 2. Gyrolaser selon la revendication 1, dans lequel : ladite cavité optique (COA) comprend plusieurs miroirs de renvoi (MR) et au moins un miroir partiellement réfléchissant (MPR) ; et ledit ensemble de fixation (EF) est conçu de manière à ce que la partie délivrant de l'énergie d'un dispositif optique externe d'injection longitudinale d'énergie (DEOILE) soit située à une distance minimale du miroir partiellement réfléchissant (MPR) correspondant dépendant des contraintes optiques et mécaniques du gyrolaser et que le dispositif optique externe d'injection longitudinale d'énergie (DEOILE) ne se dérègle pas durant ledit mouvement de rotation oscillant.
  3. 3. Gyrolaser selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle au moins un dispositif optique externe d'injection longitudinale d'énergie (DEOILE) comprend une source d'énergie (S), un miroir sphérique (MS) lié en translation avec ledit ensemble de fixation (EF), et une lentille biconvexe convergente (L) disposée entre ladite source d'énergie (S) et ledit miroir sphérique (MS).
  4. 4. Gyrolaser selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle au moins un dispositif optique externe d'injection longitudinale d'énergie (DEOILE) comprend une source d'énergie (S), un miroir sphérique (MS) lié en translation avec ledit ensemble de fixation (EF), une première lentille planconcave ou plan convexe (L1) disposée entre ladite source d'énergie (S) et ledit miroir sphérique (MS), et une deuxième lentille plan concave ou plan convexe (L2) disposée entre ledit miroir sphérique (MS) et le miroir partiellement réfléchissant (MPR) correspondant.
  5. 5. Gyrolaser selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la portion de l'ensemble de fixation (EF) servant de support audit miroir sphérique (MS) est inclinée de sensiblement 45° par rapport au faisceau d'énergie incident et est incliné de sensiblement 45° par rapport au faisceau réfléchi d'injection d'énergie.
  6. 6. Gyrolaser selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le rayon de courbure dudit miroir sphérique (MS) est compris entre environ 0,5 m et 4 m.
  7. 7. Gyrolaser selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'ensemble de fixation (EF) comprend des moyens de fixation du miroir sphérique (MS) pour maintenir la position dudit miroir sphérique (MS) sur l'ensemble de fixation (EF) après réglage de l'injection d'énergie. 20
  8. 8. Gyrolaser selon la revendication 7, dans lequel lesdits moyens de fixation comprennent un support arrière ou de la colle.
  9. 9. Gyrolaser selon l'une des revendications précédentes, 25 comprenant deux dispositifs optiques externes d'injection longitudinale d'énergie (DEOILE) disposés sensiblement symétriquement par rapport au milieu amplificateur à état solide (MAES). 30
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