WO2007068652A1 - Gyrolaser a etat solide active optiquement par biais alternatif - Google Patents
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Definitions
- the field of the invention is that of solid-state gyrolasers used for the measurement of rotational speeds or relative angular positions. This type of equipment is used in particular for aeronautical applications.
- the laser gyro developed about thirty years ago, is widely marketed and used today. Its operating principle is based on the Sagnac effect, which induces a frequency difference .DELTA.F between the two counter-propagating optical emission modes propagating in opposite directions, of a bidirectional ring laser cavity when it is animated by a rotation movement.
- a first difficulty is related to the quality of the beat between the two beams, which conditions the smooth operation of the laser gyro. Indeed, a good stability and a relative equality of the intensities emitted in both directions is necessary to obtain a correct beat. However, in the case of solid state lasers, this stability and equality are not ensured because of the phenomenon of competition between modes, which makes one of the two counter-propagating modes tends to monopolize the gain. available, at the expense of the other mode.
- the problem of the instability of the bidirectional emission for a solid-state ring laser can be, for example, solved by setting up a feedback loop intended to enslave around a fixed value the difference between the intensities of the two counter-propagating modes.
- This loop acts on the laser either by making its losses dependent on the direction of propagation, for example by means of an assembly comprising a reciprocating element, a non-reciprocating element and a polarizing element (Patent Application No. 03 03645 ), or by making its gain dependent on the direction of propagation, for example by means of an assembly comprising a reciprocating element, a non-reciprocating element and a polarized emission crystal (Patent Application No. 03 14598).
- the laser emits two counter-propagating beams whose intensities are stable and can be used as a laser gyro.
- a second technical difficulty is related to the field of low rotational speeds, the laser gyro not working properly beyond a certain speed of rotation.
- the Sagnac beat signal disappears due to a coupling between the two counter-propagating modes due to the backscattering of the light induced by the mirrors and the various optical elements possibly present in the cavity.
- the field of low rotational speeds for which this phenomenon occurs is commonly called a blind zone. This problem is not intrinsic to the solid state. It is also found in the field of gas gyrolasers.
- the most commonly adopted solution for the latter type of laser gyro is to mechanically activate the device by printing a forced periodic movement that places artificially as often as possible outside the blind zone.
- Another solution is to introduce a constant phase shift between the two optical paths, which results in a frequency bias between the two counter-propagating modes.
- the operating range of the gyrolaser is artificially displaced outside the blind zone.
- the latter solution has the important disadvantage that the value of the introduced bias must be perfectly stable over time.
- a third difficulty is related, in the context of solid state lasers, to the fact that counter-propagating waves interfere in the medium amplifier, creating a network of population inversion.
- the amplifying medium is a Nd-YAG type crystalline solid
- the stimulated emission-induced population inversion networks in the gain medium have the effect of destabilizing the bidirectional emission.
- these networks become mobile and Doppler induce a frequency shift between the two counter-propagating waves circulating in the laser cavity, which increases the non-linearity of the frequency response of the gyrolaser .
- the object of the invention is to propose specific optical devices for eliminating or limiting the effects of the blind zone and population inversion networks by means of a periodic variable bias which eliminates the above disadvantages .
- the subject of the invention is a gyrolaser which makes it possible to measure the angular velocity or the relative angular position along a determined axis of rotation, comprising at least:
- An amplifying medium in the solid state A device for stabilizing the intensities of the counter-propagating modes; characterized in that said cavity also comprises:
- An optical phase shift assembly for introducing a non-reciprocal optical phase shift between said counter-propagating modes; Control means making it possible to vary the amplitude of the phase shift periodically around a very substantially zero average value, the amplitude and the frequency of this variation being such that the contrast of the population inversion network existing in the amplifying medium is substantially zero.
- the frequency of oscillation of the phase shift is much greater than the inverse of the response time of the amplifying medium and the maximum amplitude of the induced phase shift is such that the corresponding maximum frequency difference is several orders of magnitude greater than the width. frequency of the blind area of the laser gyro.
- the frequency of oscillation of the phase shift is much lower than the cutoff frequency of the stabilization device and the amplitude of the phase shift is formed of a succession of time slots.
- the frequency of oscillation of the phase shift is very far from the relaxation frequencies of the laser so as not to induce a resonant coupling which would have the effect of destabilizing the bidirectional emission.
- the optical assembly comprises at least and successively a first quarter-wave plate, a first non-reciprocal optical rotator and a second quarter-wave plate whose main axes are perpendicular to those of the first quarter-wave plate. wave.
- the optical assembly may also comprise a second non-reciprocal optical rotator and a half-wave plate; the first quarter wave plate, the first rotator, the half wave plate, the second rotator and the second quarter wave plate being arranged successively and in this order, the rotators being arranged so that the phase shifts introduced by the rotators under the effect of an external magnetic field compensate while the phase shifts introduced by the rotators under the effect of the control of the device add up.
- the first or the second rotator comprises at least one Faraday effect material surrounded by an electromagnetic induction coil supplied with electric current;
- the control means comprise an ultra-stable voltage reference generator which controls a stabilized current driving the periodic switching device of the current supplying the induction coil.
- the rotator may also include a magnetic shield and a magnetic field sensor.
- the intensity stabilization device comprises at least one first linear polarizer, an optical effect rotator non-reciprocal and an optical element, said optical element being either a reciprocal optical rotator, possibly induced by the use of a non-planar cavity or a birefringent element, at least one of the angles of rotation introduced on the plane of polarization of light or birefringence being adjustable.
- the invention also relates to a system for measuring angular velocities or relative angular positions in three different axes, characterized in that it comprises three gyrolasers as described above, oriented in different directions and mounted on a common mechanical structure.
- FIG. 1 represents the general principle of operation of a laser gyro according to FIG. invention
- FIGS. 2, 3 and 4 represent possible variations in the amplitude of the phase shift introduced by the phase shift optical assembly;
- FIG. 5 represents the principle of operation of a non-reciprocal optical rotator;
- FIG. 6 represents the principle of operation of a reciprocal optical rotator
- FIG. 7 represents the operating principle of an optical assembly constituted successively by a first quarter-wave plate, a non-reciprocal optical rotator and a second quarter-wave plate;
- FIGS. 8 and 9 represent the operating principle of the Faraday rotators used in the invention
- FIG. 10 represents the operating principle of a stabilization device comprising a polarizer, a reciprocal optical rotator and a non-reciprocal optical rotator.
- a laser gyro according to the invention is represented in FIG. 1. It essentially comprises: An optical cavity 1 formed of mirrors arranged in a ring of length L in which two counter-propagating optical modes circulate;
- An amplifying medium 2 in the solid state An amplifying medium 2 in the solid state
- An optical phase-shifting unit 5 introducing between the two optical paths of the counter-propagating modes a phase shift of a variable angle d controlled by an electronic device 6.
- the propagation modes are polarized linearly and have different optical frequencies.
- AnA the speed of light in the void.
- Control means make it possible to vary the amplitude of the phase shift periodically around a very substantially zero average value.
- the phase difference then varies between -d MAX and + d MA ⁇ as indicated on the curve of FIG. 3. Therefore, the pseudo-rotation ⁇ varies between two extreme values - ⁇ M AX and + ⁇ M A X -
- the value ⁇ M AX is very much greater in absolute value than the values ⁇ MIN and ⁇ MAX • when the phase shift varies, the time during which the phase shift is low enough to place the system in the blind zone, is as small as possible.
- the frequency of oscillation of the phase shift is much greater than the inverse of the response time of the amplifying medium, so that the grating is not the time to settle in the amplifying medium.
- the response time is about 200 microseconds.
- the maximum frequency difference induced by the phase shift must be chosen several orders of magnitude greater than the frequency width of the blind zone of the laser gyro.
- the amplitude of the phase shift must be formed of a succession of time slots as indicated in FIG. 4.
- the bias must also be as symmetrical as possible. By this means, the slow drifts of the maximum amplitude of the bias compensate each other.
- the processing electronics of the output signal can be identical to those usually used, for example , in mechanically activated gyrolasers.
- An optical rotation of the polarization of a wave is said to be non-reciprocal when the effects of rotation of the polarization accumulate after a round-trip of said wave in an optical component having this effect.
- the optical component is called a non-reciprocal optical rotator.
- Faraday effect materials are materials which, when subjected to a magnetic field, rotate the plane of polarization of the beams passing through them. This effect is not reciprocal. Thus, the same beam coming in opposite direction will undergo a rotation of its plane of polarization in the same direction. This principle is illustrated in Figure 5. The directions of propagation are indicated by horizontal arrows in this figure.
- the polarization direction of the linearly polarized beam 101 is rotated by an angle ⁇ as it passes through the Faraday effect component 52 in the forward direction (upper diagram of FIG. 5). If an identical beam 102 propagating in the opposite direction and whose direction of polarization is initially turned by ⁇ is reinjected into the Faraday effect component, its polarization direction turns again by the angle ⁇ while crossing the component, the total rotation angle then making 2 ⁇ after a round trip (lower diagram of Figure 5).
- the polarization direction of the beam 101 rotates by + ⁇ in the forward direction and the polarization direction of the beam 102 rotates by - ⁇ in the opposite direction of propagation, so as to return to the initial direction as shown in the diagrams of FIG.
- phase shift optical assembly The operation of the phase shift optical assembly is shown in FIG. 7.
- a linearly polarized optical mode 101 (right arrow in FIG. 7) passes through the first quarter wave plate 51, if the main axis of this blade, represented by a double arrow, is inclined by 45 degrees on the polarization direction, then the polarization of the mode comes out with a right circular polarization (solid semicircular arrow in Figure 7).
- This circularly polarized wave undergoes a non-reciprocal phase shift d as it passes through the non-reciprocal optical rotator 52. is then again transformed into a linearly polarized wave by the second quarter wave plate 51 whose main axis is perpendicular to the main axis of the first quarter wave plate.
- a non-reciprocal phase shift has thus been introduced in the mode passing through this optical assembly while retaining the linear polarization of the wave.
- the non-reciprocal rotator may be a Faraday rotator consisting of a bar 520 of a material which may be, for example, TGG (acronym for Terbium Gadolinium Garnet) or YAG (acronym for Yttrium Aluminum Garnet).
- TGG acronym for Terbium Gadolinium Garnet
- YAG acronym for Yttrium Aluminum Garnet
- a magnetic shielding may be arranged around the phase shifter element.
- a magnetic field sensor can be integrated near the phase shifter element for measuring the parasitic magnetic field. In this case, this parasitic magnetic field is compensated by adding to the alternating current through the solenoid an intensity proportional to the signal delivered by the magnetic field sensor.
- the single rotator into two identical rotators separated by a half wave plate 525.
- the rotators are arranged so that, for a wave polarized in a circular direction in a given direction of rotation, the phase shift introduced by the first rotator under the action of the control device is added to that introduced by the second rotator. It suffices for that the intensities through the induction coils 521 and 523 surrounding the bars 520 and 522 of the two rotators are in the opposite direction.
- the half wave plate 525 separating the two rotators reverses the direction of rotation of the polarization of the incident wave so that the phase shifts induced by the induction coils of the two rotators are added.
- a parasitic magnetic field of the same magnitude and of the same direction applied on the two rotators causes two phase shifts which cancel each other out when the circularly polarized wave passes through the first rotator with a first direction of rotation. then the second rotator with an inverted sense. This considerably eliminates or reduces the influence of parasitic magnetic fields.
- the optical phase shift assembly is controlled by electronic control means 6.
- the control means may comprise an ultra-stable voltage reference generator which controls a stabilized current supplying a periodic switching device of the current Uc supplying the coil of induction.
- the intensities stabilization device 3 comprises a reciprocal optical rotator 31 and a non-reciprocal optical rotator 32.
- the operation of the stabilization device is shown in FIG. 10.
- the eigenstates of the counter-propagating modes are polarized linearly along an axis parallel to the axis of the polarizer 33.
- the first optical mode 101 first passes through the reciprocal rotator 31 and then the non-reciprocating rotator 32 and finally the polarizer 33. Therefore, its polarization direction rotates an angle ⁇ after crossing the first element, and an angle equal to ⁇ + ⁇ after crossing the second element.
- the mode is attenuated by a factor cos 2 ( ⁇ + ⁇ ).
- the second optical mode will also be attenuated by the polarizer 33 after one complete revolution.
- This second factor is easily proved to be cos 2 ( ⁇ - ⁇ ). Consequently, the attenuation of the modes is different according to their direction of propagation and depends directly on the importance of the effects suffered by the polarization of the two modes. It is thus possible to vary in a different way the losses sustained by the counter-propagating modes by varying at least one of the two values ⁇ or ⁇ .
- the value of the differential losses is slaved to the difference in intensity between the two modes so that the most intense mode suffers the highest losses, which causes the stabilization of the laser.
- Quarter wave plates are optical components with a reciprocal effect. Therefore, it is also possible to make a cavity comprising a servo device comprising at least:
- a first optical assembly consisting of a first linear polarizer 33 and an optical rotator 32 having an adjustable non-reciprocal effect, the reciprocal rotator being no longer necessary in this configuration;
- the reciprocal rotator may be an optically active element. It can also be replaced by a wave plate or a second polarizing optical element rotated relative to the first. It can also be obtained by means of a non-planar cavity by a particular arrangement of the mirrors of the cavity so that the propagation of the optical beams does not take place in a plane.
- the effect of the rotator can be either constant or variable, then controlled by the servo system.
- the servo device can operate up to a certain cutoff frequency, it is preferable that the frequency of oscillation of the phase shift is much lower than this frequency. It is also important that the frequency of oscillation of the phase shift be chosen significantly different from the eigenfrequencies of the laser so as not to induce resonant coupling.
- the measuring device which comprises:
- Opto-electronic means for determining the difference in optical frequency ⁇ vs between the first propagation mode and the second propagation mode
- Electronic means for calculating the beat frequency or counting the fringes of the beat signal Electronic means for calculating the beat frequency or counting the fringes of the beat signal.
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Abstract
Le domaine de l'invention est celui des gyrolasers à état solide utilisés pour la mesure des vitesses de rotation ou des positions angulaires relatives. Ce type d'équipement est notamment utilisé pour les applications aéronautiques. L'objet de l'invention est de compléter les dispositifs optiques nécessaires au contrôle de l'instabilité des lasers par des dispositifs optiques spécifiques permettant d'éliminer la zone aveugle et les réseaux d'inversion de population existant dans le milieu amplificateur. On obtient ainsi un laser à état solide « tout optique » sans pièces mobiles, stable et sans zone aveugle. A cet effet, le gyrolaser selon l'invention comporte notamment: un ensemble optique (5) permettant d'introduire un déphasage optique non réciproque entre les modes contre-propageants; des moyens de commande (6) permettant de faire varier l'amplitude du déphasage de façon périodique autour d'une valeur moyenne très sensiblement nulle.
Description
GYROLASER A ETAT SOLIDE ACTIVE OPTIQUEMENT PAR BIAIS
ALTERNATIF.
Le domaine de l'invention est celui des gyrolasers à état solide utilisés pour la mesure des vitesses de rotation ou des positions angulaires relatives. Ce type d'équipement est notamment utilisé pour les applications aéronautiques.
Le gyrolaser, mis au point il y a une trentaine d'années, est largement commercialisé et utilisé de nos jours. Son principe de fonctionnement est fondé sur l'effet Sagnac, qui induit une différence de fréquence ΔF entre les deux modes optiques d'émission se propageant en sens opposés, dits contre-propageants, d'une cavité laser en anneau bidirectionnelle lorsqu'elle est animée d'un mouvement de rotation. Classiquement, la différence de fréquence ΔF est égale à : ΔF = 4Aîθ/λL où L et A sont respectivement la longueur optique et l'aire de la cavité ; λ est la longueur d'onde d'émission laser hors effet Sagnac ; m est la vitesse de rotation angulaire du gyrolaser.
La mesure de ΔF obtenue par analyse spectrale du battement des deux faisceaux émis permet de connaître la valeur de ra avec une très grande précision.
Le comptage électronique des franges du battement qui défilent pendant un changement de position angulaire permet de connaître la valeur relative de la position angulaire également avec une très grande précision.
La réalisation des gyrolasers présente certaines difficultés techniques. Une première difficulté est liée à la qualité du battement entre les deux faisceaux, qui conditionne le bon fonctionnement du gyrolaser. En effet, une bonne stabilité et une relative égalité des intensités émises dans les deux directions est nécessaire pour obtenir un battement correct. Or, dans le cas des lasers à état solide, cette stabilité et cette égalité ne sont pas assurées en raison du phénomène de compétition entre modes, qui fait que l'un des deux modes contre-propageants tend à monopoliser le gain
disponible, au détriment de l'autre mode. Le problème de l'instabilité de l'émission bidirectionnelle pour un laser en anneau à état solide peut être, par exemple, résolu par la mise en place d'une boucle de contre-réaction destinée à asservir autour d'une valeur fixée la différence entre les intensités des deux modes contre-propageants. Cette boucle agit sur le laser soit en rendant ses pertes dépendantes du sens de propagation, par exemple au moyen d'un ensemble comprenant un élément à rotation réciproque, un élément à rotation non réciproque et un élément polarisant (demande de brevet N° 03 03645), soit en rendant son gain dépendant du sens de propagation, par exemple au moyen d'un ensemble comprenant un élément à rotation réciproque, un élément à rotation non réciproque et un cristal à émission polarisée (demande de brevet N° 03 14598). Une fois asservi, le laser émet deux faisceaux contre-propageants dont les intensités sont stables et peut être utilisé en tant que gyrolaser. Une seconde difficulté technique est liée au domaine des faibles vitesses de rotation, le gyrolaser ne fonctionnant correctement qu'au-delà d'une certaine vitesse de rotation. Aux basses vitesses de rotation, le signal de battement Sagnac disparaît en raison d'un couplage entre les deux modes contre-propageants dû à la rétrodiffusion de la lumière induite par les miroirs et les divers éléments optiques éventuellement présents dans la cavité. Le domaine des basses vitesses de rotation pour lequel se produit ce phénomène est communément appelé zone aveugle. Ce problème n'est pas intrinsèque à l'état solide. Il se rencontre également dans le domaine des gyrolasers à gaz. La solution la plus couramment adoptée pour ce dernier type de gyrolaser consiste à activer mécaniquement le dispositif en lui imprimant un mouvement périodique forcé qui le place artificiellement le plus souvent possible en dehors de la zone aveugle. Une autre solution consiste à introduire un déphasage constant entre les deux chemins optiques, qui se traduit par un biais en fréquence entre les deux modes contre-propageants. Ainsi, on déplace de façon artificielle le domaine de fonctionnement du gyrolaser en dehors de la zone aveugle. Cependant, cette dernière solution présente l'inconvénient important que la valeur du biais introduit doit être parfaitement stable dans le temps.
Une troisième difficulté est liée, dans le cadre des lasers à état solide, au fait que les ondes contre-propageantes interfèrent dans le milieu
amplificateur, créant un réseau d'inversion de population. En effet, si le milieu amplificateur est un solide cristallin de type Nd-YAG, on peut montrer que, dans un tel milieu, les réseaux d'inversion de population induits par émission stimulée dans le milieu à gain ont pour effet de déstabiliser l'émission bidirectionnelle. De plus, lorsque le gyrolaser est en rotation, ces réseaux deviennent mobiles et induisent par effet Doppler un décalage en fréquence entre les deux ondes contre-propagatives circulant dans la cavité du laser, ce qui augmente la non linéarité de la réponse en fréquence du gyrolaser.
L'objet de l'invention est de proposer des dispositifs optiques spécifiques permettant d'éliminer ou de limiter les effets de la zone aveugle et des réseaux d'inversion de population au moyen d'un biais variable périodique qui s'affranchisse des inconvénients précédents. On obtient ainsi un laser à état solide « tout optique » sans pièces mobiles, stable et sans effets gênants dus à la zone aveugle et aux réseaux d'inversion de population.
Plus précisément, l'invention a pour objet un gyrolaser permettant la mesure de la vitesse angulaire ou de la position angulaire relative selon un axe de rotation déterminé, comportant au moins :
• une cavité optique en anneau dans laquelle circulent deux modes optiques contre-propageants;
• un milieu amplificateur à l'état solide ; • un dispositif de stabilisation des intensités des modes contre- propageants ; caractérisé en ce que ladite cavité comporte également :
• un ensemble optique de déphasage permettant d'introduire un déphasage optique non réciproque entre lesdits modes contre-propageants ; • des moyens de commande permettant de faire varier l'amplitude du déphasage de façon périodique autour d'une valeur moyenne très sensiblement nulle, l'amplitude et la fréquence de cette variation étant telles que le contraste du réseau d'inversion de population existant dans le milieu amplificateur soit sensiblement nul.
Avantageusement, la fréquence d'oscillation du déphasage est très supérieure à l'inverse du temps de réponse du milieu amplificateur et l'amplitude maximale du déphasage induit est telle que la différence maximale de fréquences correspondante soit supérieure de plusieurs ordres de grandeur à la largeur fréquentielle de la zone aveugle du gyrolaser.
Avantageusement, la fréquence d'oscillation du déphasage est très inférieure à la fréquence de coupure du dispositif de stabilisation et l'amplitude du déphasage est formée d'une succession de créneaux temporels. Avantageusement, la fréquence d'oscillation du déphasage est très éloignée des fréquences de relaxation du laser afin de ne pas induire de couplage résonnant qui aurait pour effet de déstabiliser l'émission bidirectionnelle.
Avantageusement, l'ensemble optique comprend au moins et successivement une première lame quart d'onde, un premier rotateur optique à effet non réciproque et une seconde lame quart d'onde dont les axes principaux sont perpendiculaires à ceux de la première lame quart d'onde.
De plus, l'ensemble optique peut comprendre également un second rotateur optique à effet non réciproque et une lame demi-onde ; la première lame quart d'onde, le premier rotateur, la lame demi-onde, le second rotateur et la seconde lame quart d'onde étant disposés successivement et dans cet ordre, les rotateurs étant agencés de façon que les déphasages introduits par les rotateurs sous l'effet d'un champ magnétique extérieur se compensent alors que les déphasages introduits par les rotateurs sous l'effet de la commande du dispositif s'additionnent.
Avantageusement, le premier ou le second rotateur comprennent au moins un matériau à effet Faraday entouré d'une bobine d'induction électromagnétique alimentée en courant électrique ; les moyens de commande comportent un générateur de référence ultra-stable de tension qui commande un courant stabilisé pilotant le dispositif de commutation périodique du courant alimentant la bobine d'induction. Le rotateur peut également comporter un blindage magnétique et un capteur de champ magnétique.
Avantageusement, le dispositif de stabilisation des intensités comporte au moins un premier polariseur linéaire, un rotateur optique à effet
non réciproque et un élément optique, ledit élément optique étant soit un rotateur optique à effet réciproque, éventuellement induit par l'utilisation d'une cavité non planaire soit un élément biréfringent, au moins l'un des angles de rotation introduits sur le plan de polarisation de la lumière ou la biréfringence étant réglable.
L'invention concerne également un système de mesure de vitesses angulaires ou de positions angulaires relatives selon trois axes différents, caractérisé en ce qu'il comporte trois gyrolasers comme décrits précédemment, orientés selon des directions différentes et montés sur une structure mécanique commune.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : « la figure 1 représente le principe général de fonctionnement d'un gyrolaser selon l'invention ;
• les figures 2, 3 et 4 représentent des variations possibles de l'amplitude du déphasage introduit par l'ensemble optique de déphasage ; • la figure 5 représente le principe de fonctionnement d'un rotateur optique à effet non réciproque ;
• la figure 6 représente le principe de fonctionnement d'un rotateur optique à effet réciproque ;
• la figure 7 représente le principe de fonctionnement d'un ensemble optique constitué successivement d'une première lame quart d'onde, d'un rotateur optique à effet non réciproque et d'une seconde lame quart d'onde ;
• les figures 8 et 9 représentent le principe de fonctionnement des rotateurs de Faraday mis en œuvre dans l'invention ; • la figure 10 représente le principe de fonctionnement d'un dispositif de stabilisation comprenant un polariseur, un rotateur optique à effet réciproque et un rotateur optique à effet non réciproque.
Un gyrolaser selon l'invention est représenté en figure 1. Il comporte essentiellement :
• une cavité optique 1 formée de miroirs disposés en anneau de longueur L dans laquelle circulent deux modes optiques contre-propageants ;
• un milieu amplificateur 2 à l'état solide ;
• un dispositif de stabilisation 3 de l'intensité des modes contre- propageants ;
• un dispositif de mesure 4 ;
• un ensemble optique de déphasage 5 introduisant entre les deux chemins optiques des modes contre-propageants un déphasage d'un angle d variable et commandé par un dispositif électronique 6.
A l'extérieur de l'ensemble optique 5, les modes de propagation sont polarisés linéairement et ont des fréquences optiques différentes. Le déphasage d induit par l'ensemble optique est équivalent à une pseudorotation Ω valant : Ω = avec les mêmes notations que précédemment, c étant
AnA la vitesse de la lumière dans le vide.
Il serait bien entendu possible, en utilisant un biais constant et important, de maintenir le système en dehors de la zone aveugle, et ceci sur toute la plage d'utilisation du gyrolaser. L'inconvénient majeur de cette solution est qu'il serait alors nécessaire de parfaitement connaître la valeur de ce déphasage et de la maintenir constante. Or, comme le montre la figure 2, sous l'influence de divers paramètres comme, par exemple, la température, l'amplitude AD du déphasage risque de dériver en fonction du temps. Aussi, il est préférable d'utiliser un déphasage variable. D'autre part, un biais constant n'aurait aucune influence significative sur le contraste du réseau d'inversion de population existant dans Ie milieu amplificateur.
Des moyens de commande permettent de faire varier l'amplitude du déphasage de façon périodique autour d'une valeur moyenne très sensiblement nulle. Le déphasage varie alors entre -dMAX et +dMAχ comme indique sur la courbe de la figure 3. Par conséquent, la pseudo-rotation Ω varie entre deux valeurs extrêmes -ΩMAX et +ΩMAX-
Si la zone aveugle correspond à des rotations comprises entre ΘMIN et ΘMAX, tant que la pseudo-rotation Ω reste en dehors de cette zone, le
gyrolaser fonctionne correctement. Par conséquent, il est donc important que:
• la valeur ΩMAX soit très nettement supérieure en valeur absolue aux valeurs θ MIN et ΘMAX • lorsque le déphasage varie, la durée pendant laquelle le déphasage est suffisamment faible pour placer le système dans la zone aveugle, soit la plus réduite possible.
De plus, pour diminuer le contraste du réseau d'inversion de population existant dans le milieu amplificateur, il faut également que: • l'amplitude et la fréquence de cette variation soient telles que le contraste du réseau d'inversion de population existant dans le milieu amplificateur soit sensiblement nul ;
• la fréquence d'oscillation du déphasage soit très supérieure à l'inverse du temps de réponse du milieu amplificateur, de façon que le réseau n'est pas le temps de s'établir dans le milieu amplificateur. Par exemple, dans le cas d'un milieu amplificateur en Nd-YAG, le temps de réponse vaut environ 200 microsecondes.
Pour remplir au mieux ces conditions : • la différence maximale de fréquences induite par le déphasage doit être choisie supérieure de plusieurs ordres de grandeur à la largeur fréquentielle de la zone aveugle du gyrolaser.
• l'amplitude du déphasage doit être formée d'une succession de créneaux temporels comme indiqué sur la figure 4. Pour minimiser les erreurs de mesure et simplifier les moyens de détection, II faut également que le biais soit le plus symétrique possible. Par ce moyen, les dérives lentes de l'amplitude maximale du biais se compensent. De plus, si la valeur moyenne du biais alternatif est suffisamment proche de zéro, typiquement de l'ordre de grandeur du biais induit par la rotation terrestre, l'électronique de traitement du signal de sortie peut être identique à celles usuellement utilisées, par exemple, dans les gyrolasers activés mécaniquement.
II existe différents moyens pour réaliser l'ensemble optique de déphasage. Un des moyens les plus simples est d'utiliser des rotateurs à effet Faraday non réciproque.
Une rotation optique de la polarisation d'une onde est dite non réciproque lorsque les effets de rotation de la polarisation se cumulent après un aller-retour de ladite onde dans un composant optique présentant cet effet. Le composant optique est appelé rotateur optique à effet non réciproque. Par exemple, les matériaux à effet Faraday sont des matériaux qui, lorsqu'ils sont soumis à un champ magnétique, font tourner le plan de polarisation des faisceaux qui les traversent. Cet effet n'est pas réciproque. Ainsi, le même faisceau venant en sens inverse subira une rotation de son plan de polarisation dans le même sens. Ce principe est illustré en figure 5. Les sens de propagation sont indiqués par des flèches horizontales sur cette figure. La direction de polarisation du faisceau polarisé linéairement 101 subit une rotation d'un angle β lorsqu'elle traverse le composant 52 à effet Faraday dans le sens direct (schéma supérieur de la figure 5). Si l'on réinjecte dans le composant à effet Faraday un faisceau identique 102 se propageant dans le sens opposé et dont la direction de polarisation est initialement tournée de β, sa direction de polarisation tourne à nouveau de l'angle β en traversant le composant, l'angle de rotation total faisant alors 2β après un aller-retour (schéma inférieur de la figure 5).
Dans un rotateur classique 31 à effet réciproque, la direction de polarisation du faisceau 101 tourne de +α dans le sens direct et la direction de polarisation du faisceau 102 tourne de -α dans le sens inverse de propagation, de façon à retrouver la direction initiale de polarisation comme illustré sur les schémas de la figure 6.
Le fonctionnement de l'ensemble optique de déphasage est représenté en figure 7. Lorsqu'un mode optique polarisé linéairement 101 (flèche droite sur la figure 7) traverse la première lame quart d'onde 51 , si l'axe principal de cette lame, représenté par une flèche double, est incliné de 45 degrés sur la direction de polarisation, alors la polarisation du mode sort avec une polarisation circulaire droite (flèche semi-circulaire pleine sur la figure 7). Cette onde polarisée circulairement subit un déphasage non réciproque d lorsqu'elle traverse le rotateur optique non réciproque 52. Elle
est ensuite de nouveau transformée en onde polarisée linéairement par la seconde lame quart d'onde 51 dont l'axe principal est perpendiculaire à l'axe principal de la première lame quart d'onde. On a ainsi introduit un déphasage non réciproque sur le mode traversant cet ensemble optique tout en conservant la polarisation linéaire de l'onde.
Dans ces différentes réalisations, le rotateur non réciproque peut être un rotateur Faraday constitué d'un barreau 520 d'un matériau qui peut être par exemple de TGG (acronyme de Terbium Gadolinium Grenat) ou de YAG (acronyme de Yttrium Aluminium Grenat). Le barreau est alors placé dans le champ magnétique d'un solénoïde 521 traversé par une intensité électrique alternative lAc comme illustré en figure 8.
Pour se prémunir de l'influence des champs magnétiques extérieurs, un blindage magnétique peut être disposé autour de l'élément déphaseur. De la même façon, un capteur de champ magnétique peut être intégré à proximité de l'élément déphaseur permettant de mesurer le champ magnétique parasite. Dans ce cas, on compense ce champ magnétique parasite en ajoutant à l'intensité alternative traversant le solénoïde une intensité proportionnelle au signal délivré par le capteur de champ magnétique.
Il est également possible comme indiqué sur la figure 9 de séparer le rotateur unique en deux rotateurs identiques séparées par une lame demi- onde 525. Les rotateurs sont agencés de façon que, pour une onde polarisée circulairement dans un sens de rotation donnée, le déphasage introduit par le premier rotateur sous l'action du dispositif de commande s'ajoute à celui introduit par le second rotateur. Il suffit pour cela que les intensités traversant les bobines d'induction 521 et 523 entourant les barreaux 520 et 522 des deux rotateurs soient de sens opposé. La lame demi-onde 525 séparant les deux rotateurs renverse le sens de rotation de la polarisation de l'onde incidente de façon que les déphasages induits par les bobines d'induction des deux rotateurs s'ajoutent. Bien entendu, un champ magnétique parasite de même importance et de même sens appliqué sur les deux rotateurs provoque deux déphasages qui s'annulent lorsque l'onde polarisée circulairement traverse le premier rotateur avec un premier sens de rotation
puis le second rotateur avec un sens inversé. On élimine ou on réduit ainsi considérablement l'influence des champs magnétiques parasites.
L'ensemble optique de déphasage est pilotée par des moyens de commande électroniques 6. Les moyens de commande peuvent comporter un générateur de référence ultra-stable de tension qui commande un courant stabilisé alimentant un dispositif de commutation périodique du courant Uc alimentant la bobine d'induction.
Il existe plusieurs modes de réalisation du dispositif de stabilisation des intensités.
A titre d'exemple non limitatif, le dispositif de stabilisation des intensités 3 comprend un rotateur optique à effet réciproque 31 et un rotateur optique à effet non réciproque 32. Le fonctionnement du dispositif de stabilisation est représenté en figure 10. Dans le type de cavité selon l'invention, les états propres des modes contre-propageants sont polarisés linéairement selon un axe parallèle à l'axe du polariseur 33. Dans le sens direct, le premier mode optique 101 traverse d'abord le rotateur à effet réciproque 31 puis le rotateur à effet non réciproque 32 et enfin le polariseur 33. Par conséquent, sa direction de polarisation tourne d'un angle α après la traversée du premier élément, et d'un angle égal à α+β après la traversée du second élément. En traversant le polariseur 33, le mode est donc atténué d'un facteur cos2(α+β). Dans le sens inverse, le second mode optique sera également atténué par le polariseur 33 après avoir fait un tour complet. On démontre aisément que ce second facteur vaut cos2(α-β). Par conséquent, l'atténuation des modes est différente selon leur sens de propagation et dépend directement de l'importance des effets subis par la polarisation des deux modes. Il est ainsi possible de faire varier de façon différente les pertes subies par les modes contre-propageants en faisant varier au moins l'une des deux valeurs α ou β. La valeur des pertes différentielles est asservie sur la différence d'intensité entre les deux modes de telle sorte que le mode le plus intense subisse les pertes les plus élevées, ce qui provoque la stabilisation du laser.
Les lames quart d'onde sont des composants optiques présentant un effet réciproque. Par conséquent, il est également possible de réaliser une cavité comportant un dispositif d'asservissement comprenant au moins :
• un premier ensemble optique constitué d'un premier polariseur 33 linéaire et d'un rotateur optique 32 à effet non réciproque réglable, le rotateur réciproque n'étant plus nécessaire dans cette configuration ;
• un deuxième ensemble optique constitué successivement d'une première lame quart d'onde 51 , d'un rotateur optique 52 à effet non réciproque et d'une seconde lame quart d'onde 51 , l'axe de la première lame 51 étant incliné d'un angle φ par rapport à la direction de polarisation du polariseur linéaire avec : φ=π/4+ θ, θ étant différent de 0, l'axe de la seconde lame 51 étant incliné à environ 45 degrés par rapport à la direction de polarisation du polariseur linéaire 33 et à environ 90 degrés par rapport à l'axe de la première lame 51.
Avec cet agencement optique, on peut générer des pertes différentielles et induire un déphasage non réciproque (même effet que celui obtenu avec le premier mode de réalisation avec un composant optique en moins). Le rotateur réciproque peut être un élément optiquement actif. Il peut également être remplacé par une lame d'onde ou un deuxième élément optique polarisant tourné par rapport au premier. Il peut également être obtenu au moyen d'une cavité non planaire par un agencement particulier des miroirs de la cavité de façon que la propagation des faisceaux optiques ne s'effectue pas dans un plan. L'effet du rotateur peut être soit constant soit variable, commandé alors par le système d'asservissement.
Il est à noter que le dispositif d'asservissement pouvant fonctionner jusqu'à une certaine fréquence de coupure, il est préférable que la fréquence d'oscillation du déphasage soit largement inférieure à cette fréquence. Il est également important que la fréquence d'oscillation du déphasage soit choisie significativement différente des fréquences propres du laser de manière à ne pas induire de couplage résonnant.
Les différentes opérations permettant de déterminer la différence de fréquence Δvs existant entre les deux modes contre-propageants sont effectuées par le dispositif de mesure qui comporte :
• des moyens optiques permettant de faire interférer le premier mode de propagation avec le second mode de propagation ;
• des moyens opto-électroniques permettant de déterminer la différence de fréquence optique Δvs entre le premier mode de propagation et le second mode de propagation ;
• des moyens électroniques permettant de calculer la fréquence de battement ou de compter les franges du signal de battement.
Il est, bien entendu possible d'assembler plusieurs gyrolasers selon l'invention pour réaliser un système de mesure de vitesses angulaires ou de positions angulaires relatives selon trois axes différents, comportant, par exemple, trois gyrolasers montés sur une structure mécanique commune.
Claims
1. Gyrolaser permettant la mesure de la vitesse angulaire ou de la position angulaire relative selon un axe de rotation déterminé, comportant au moins :
• une cavité optique (1 ) en anneau dans laquelle circulent deux modes optiques contre-propageants; • un milieu amplificateur (2) à l'état solide ;
• un dispositif de stabilisation (3) de l'intensité des modes contre- propageants ; caractérisé en ce que ladite cavité (1 ) comporte également :
• un ensemble optique (5) permettant d'introduire un déphasage optique non réciproque entre lesdits modes contre-propageants ;
• des moyens de commande (6) permettant de faire varier l'amplitude du déphasage de façon périodique autour d'une valeur moyenne très sensiblement nulle, l'amplitude et la fréquence de cette variation étant telles que le contraste du réseau d'inversion de population existant dans le milieu amplificateur soit sensiblement nul.
2. Gyrolaser selon la revendication 1 , caractérisé en ce que, la fréquence d'oscillation du déphasage est très supérieure à l'inverse du temps de réponse du milieu amplificateur.
3. Gyrolaser selon la revendication 1 , caractérisé en ce que, l'amplitude maximale du déphasage correspondant à une différence maximale de fréquences entre les deux modes contre-propageants, cette différence maximale de fréquences est supérieure de plusieurs ordres de grandeur à la largeur fréquentielle de la zone aveugle du gyrolaser.
4. Gyrolaser selon la revendication 1 , caractérisé en ce que, la fréquence d'oscillation du déphasage est très inférieure à la fréquence de coupure du dispositif de stabilisation.
5. Gyrolaser selon la revendication 1 , caractérisé en ce que, la fréquence d'oscillation du déphasage est éloignée des fréquences de relaxation du laser.
6. Gyrolaser selon la revendication 1 , caractérisé en ce que, l'amplitude du déphasage est formée d'une succession de créneaux temporels.
7. Gyrolaser selon la revendication 1 , caractérisé en ce que, l'ensemble optique (5) comprend au moins et successivement une première lame quart d'onde (51 ), un premier rotateur optique à effet non réciproque
(52) et une seconde lame quart d'onde (51) dont les axes principaux sont perpendiculaires à ceux de la première lame quart d'onde.
8. Gyrolaser selon la revendication 7, caractérisé en ce que, l'ensemble optique comprend, de plus, un second rotateur optique à effet non réciproque et une lame demi-onde (525); la première lame quart d'onde (51 ), le premier rotateur (52), la lame demi-onde (525), le second rotateur (52) et la seconde lame quart d'onde (51 ) étant disposés successivement, les rotateurs étant agencés de façon que le déphasage global induit par un champ magnétique extérieur soit nul.
9. Gyrolaser selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que le premier ou le second rotateur comprenne au moins un matériau à effet Faraday (520) entouré d'une bobine d'induction (521) électromagnétique alimentée en courant électrique.
10. Gyrolaser selon la revendication 9, caractérisé en ce que le rotateur comporte un blindage magnétique.
11. Gyrolaser selon la revendication 9, caractérisé en ce que le rotateur comporte un capteur de champ magnétique.
12. Gyrolaser selon l'une des revendication 8 à 10, caractérisé en ce que les moyens de commande (6) comporte un générateur de référence ultra-stable de tension qui commande un courant stabilisé alimentant un dispositif de commutation périodique du courant alimentant la bobine d'induction.
13. Gyrolaser selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif d'asservissement comporte au moins un premier polariseur linéaire (33), un rotateur optique (32) à effet non réciproque et un élément optique, ledit élément optique étant soit un rotateur optique à effet réciproque (31 ), soit un élément biréfringent, au moins l'un des effets ou la biréfringence étant réglable.
14. Système de mesure de vitesses angulaires ou de positions angulaires relatives selon trois axes différents, caractérisé en ce qu'il comporte trois gyrolasers selon l'une des revendications précédentes, orientés selon des directions différentes et montés sur une structure mécanique commune.
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