WO2007068654A1 - Gyrolaser a etat solide a modes contre-propagatifs orthogonaux - Google Patents

Gyrolaser a etat solide a modes contre-propagatifs orthogonaux Download PDF

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WO2007068654A1
WO2007068654A1 PCT/EP2006/069449 EP2006069449W WO2007068654A1 WO 2007068654 A1 WO2007068654 A1 WO 2007068654A1 EP 2006069449 W EP2006069449 W EP 2006069449W WO 2007068654 A1 WO2007068654 A1 WO 2007068654A1
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optical
laser
amplifying medium
gyro
state
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PCT/EP2006/069449
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English (en)
Inventor
Sylvain Schwartz
Gilles Feugnet
Jean-Paul Pocholle
Augustin Mignot
Bastien Steinhausser
Original Assignee
Thales
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/64—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
    • G01C19/66—Ring laser gyrometers

Definitions

  • the field of the invention is that of solid state gyrolasers used in particular in inertial units. This type of equipment is used, for example, 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 difference in frequency ⁇ v between the two optical transmission modes propagating in opposite directions, said to be counter-propagating, of a bidirectional ring laser cavity animated by a movement of rotation.
  • the frequency difference ⁇ v induced between the two optical modes by the rotational movement is equal to:
  • ⁇ v 4A ⁇ / ⁇ L
  • L and A are respectively the length and area of the cavity
  • ⁇ is the Sagnac effect laser emission wavelength
  • ⁇ is the speed of rotation of the assembly.
  • the measurement of ⁇ v obtained by spectral analysis of the beat of the two emitted beams, makes it possible to know the value of ⁇ with a very great precision.
  • a fringe counting device typical of the gyrolasers makes it possible, from the beat signal, to know the relative angular position of the system.
  • the amplifying medium is a gaseous mixture of helium and neon atoms in appropriate proportion.
  • the gaseous nature of the amplifying medium is a source of technical complications during the production of the laser gyro, in particular because of the high purity of gas required and the premature wear of the cavity during its use due, in particular, to leakage. of gases and deterioration of the high voltage electrodes used to establish the population inversion.
  • a solid state laser gyrolaser operating in the visible or the near infra-red using, for example, a medium an amplifier based on crystals doped with rare-earth ions such as neodymium, iron or ytterbium instead of the helium-neon gas mixture; the optical pumping being then provided by laser diodes operating in the near infra-red. This removes, de facto, all the problems inherent to the gaseous state of the amplifying medium.
  • the realization of gyrolasers of this type presents certain technical difficulties related in part to the fact that counterpropagating waves interfere in the amplifying medium. Indeed, if the amplifying medium is a crystalline solid of type
  • Nd-YAG Nd-YAG
  • stimulated emission-induced population inversion networks in the gain medium have the effect of destabilizing 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 .
  • a VECSEL essentially comprises a stack of active quantum well zones constituting gain zones.
  • the gain zones may have a diameter of a hundred microns, close to the dimensions of the optical beam circulating in the cavity, also allowing a propagation of the unguided wave.
  • the quantum well active zones of the vertical structure must have a pitch equal to that of the network formed by the interferences of the two counterpropagating waves present in the structure so as to optimize the gain.
  • the configurations according to the invention are particularly favorable to the operation of a crystalline solid state laser gyrolaser and make possible the operation of a vertical structure semiconductor amplifier gyrolaser type VECSEL used in transmission.
  • the subject of the invention is a gyrolaser comprising at least one ring optical cavity and a solid state amplifier medium arranged in such a way that a first and a second optical wave can propagate in opposite directions inside.
  • the cavity characterized in that the cavity comprises:
  • First optical means for imposing a first state of linear polarization common to the two counterpropagating optical waves outside the zone containing the amplifying medium;
  • Second optical means for imposing, within the zone containing the amplifying medium, a second state of linear polarization at the first optical wave and a third state of linear polarization at the second optical wave, the third state of polarization state perpendicular to the second state of polarization.
  • the second means comprise two Faraday rotators, the first disposed at the input of the zone containing the amplifying medium and the second at the output of the zone containing the amplifying medium, the first providing a rotation of a polarization state. 45 degrees in a first direction, the second rotating a polarization state of 45 degrees in the opposite direction.
  • the laser gyro comprises means for periodically reversing the signs of the rotation angles of the Faraday rotators.
  • the first optical means comprise at least one linear polarizer.
  • the first means may also include optical means for introducing a non-reciprocal optical phase shift between the two counter-propagative optical waves.
  • the cavity may comprise means for measuring the temperature and means for changing the value of the phase shift according to the measurement of said temperature.
  • the first optical means comprise a device for stabilizing intensities in the beat regime, as described, for example, in the patent applications FR 03 03645 or FR 03 14598.
  • reciprocal optical devices such as wave plates or rotators may be inserted into the cavity to minimize or eliminate the effects of unwanted phase shifts that may be induced by laser cavity mirrors such as when polarization of the laser do not coincide with the planes s and p of the mirrors.
  • the amplifying medium may be a crystalline medium, for example of the Nd type.
  • YAG or a semiconductor medium with a vertical structure of VECSEL type.
  • the invention also relates to an angular measurement or angular velocity measuring system comprising at least one laser gyro as described above.
  • the system comprises three laser gyros whose cavities are oriented so as to make measurements in three independent directions.
  • FIG. 1 represents a diagram of a laser gyro according to the invention
  • FIG. 2 represents the principle of an optical rotator with a Faraday effect
  • FIG. 3 represents the polarization states in the zone containing the amplifying medium.
  • FIG. 1 represents a diagram of a laser gyro according to the invention. It basically includes: An optical ring cavity 1 composed of mirrors 5 and a partially transparent plate 6;
  • First optical means 4 making it possible to impose a first state of linear polarization common to the two counterpropagating optical waves outside the zone containing the amplifying medium 2;
  • Second optical means 30 and 31 making it possible to impose, in the zone containing the amplifying medium and delimited by said elements 30 and 31, a second state of linear polarization at the first optical wave and a third state of linear polarization at the second optical wave; the third state of polarization being perpendicular to the second state of polarization;
  • the second means 30 and 31 are optical rotators with non-reciprocal Faraday effect.
  • 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 have this feature. These are materials that, 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 FIG. 2.
  • the polarization direction of the linearly polarized beam 101 is rotated by an angle ⁇ as it passes through the Faraday effect component 30 in the forward direction (upper diagram of FIG. 2).
  • the first rotator 30 is disposed at the input of the amplifying medium 2 and the second rotator 31 at the output of the amplifying medium, the first rotator providing a rotation of a polarization state of 45 degrees in a first meaning, the second rotating a polarization state of 45 degrees in the opposite direction.
  • the rotators are of equal lengths and that the magnetic fields passing through them are of equal modules and of opposite directions. This effect can be achieved by using, for example, permanent magnets with poles in opposite directions or using induction coils crossed by currents of opposite sign.
  • the state of linear polarization of a wave 101 passing through the first rotator 30 is rotated 45 degrees in a first direction and passes through the amplifying medium 2 with this inclination.
  • the polarization state of this wave is rectified by the second rotator 31 and returns to its initial polarization direction.
  • the linear polarization state of a wave 102 coming in the opposite direction and passing through the second rotator 31 is rotated 45 degrees in the opposite direction and passes through the amplifying medium with this inclination. Consequently, the two polarization states of the two waves are perpendicular to the interior of the amplifying medium 2.
  • the polarization state of this second wave is rectified by the first rotator 30 and returns to its initial polarization direction.
  • the two states of polarization being perpendicular, they can not interfere. This removes all the disadvantages associated with these interferences, such as the creation of population inversion networks for the crystalline solid state and the gain lock for the VECSEL.
  • the Backscattering induced by the amplifying medium is also greatly attenuated by this device, effectively reducing the size of the blind area.
  • the cavity of the gyro laser comprises first optical means 4 for imposing such a state.
  • first means may be a simple linear polarizer.
  • phase shift can also provide other functions useful for the operation of the laser gyro.
  • phase shifts leading to unwanted changes in laser polarization states can occur during reflections on the mirrors of the laser cavity. This is for example the case when the incident polarizations are not in the so-called S and P planes of the mirrors, S and P meaning “Senkrecht”. and "Parallel”. In this case, reciprocal optical devices can be used to correct the polarization states.
  • the insertion of two half wave plates of which the axis is at 22.5 ° from the direction of the state of linear polarization makes it possible to obtain, in the zone containing the gain medium, crossed polarizations lying in the planes S and P of the mirrors, and not at 45 ° of these planes as it would be the case without the use of these half wave plates.
  • the own polarization states of the laser cavity propagating in opposite directions are orthogonal at the level of the amplifying medium
  • the axes of the chosen reference correspond to the main axes of an intracavity polarizer, which facilitates the mathematical representation.
  • the amplifying medium is an Nd type crystalline solid.
  • YAG stimulated emission-induced population inversion networks in the amplifying medium can no longer be formed, eliminating one of the causes of bidirectional emission instability and the frequency shifts induced by said networks when the laser gyro turns ;
  • phase-shift angle introduced by this device can be corrected by a value depending on the temperature of the cavity by means of a device. servo coupled to a temperature sensor. It is thus possible to compensate, for example, the phase shift effects between the two modes induced by birefringence in the gain medium.

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Abstract

Le domaine de l'invention est celui des gyrolasers à état solide utilisés dans les centrales inertielles. Cependant, la réalisation de gyrolasers de ce type présente certaines difficultés techniques liées en partie au fait que les ondes contre-propagatives interfèrent dans le milieu amplificateur. Un gyrolaser selon l'invention comporte au moins un milieu amplificateur (2) à l'état solide et une cavité optique (1 ) en anneau comprenant des premiers moyens optiques (4) permettant d'imposer un premier état de polarisation linéaire commun aux deux ondes optiques contre-propagatives à l'entrée et à la sortie de la zone contenant le milieu amplificateur et des seconds moyens optiques (30, 31 ) permettant d'imposer, à l'intérieur du milieu amplificateur, un second état de polarisation linéaire à la première onde optique et un troisième état de polarisation linéaire à la seconde onde optique, ces états de polarisation étant perpendiculaires. On supprime ainsi tous les inconvénients liés aux interférences.

Description

GYROLASER A ETAT SOLIDE A MODES CONTRE-PROPAGATiFS
ORTHOGONAUX.
Le domaine de l'invention est celui des gyrolasers à état solide utilisés notamment dans les centrales inertielles. Ce type d'équipement est utilisé, par exemple, 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 Δv entre les deux modes optiques d'émission se propageant en sens opposé dits contre-propagatifs d'une cavité laser en anneau bidirectionnelle animée d'un mouvement de rotation. Classiquement, la différence de fréquence Δv induite entre les deux modes optiques par le mouvement de rotation est égale à :
Δv = 4AΩ /λL où L et A sont respectivement la longueur et l'aire de la cavité ; λ est la longueur d'onde d'émission laser hors effet Sagnac ; Ω est la vitesse de rotation de l'ensemble. La mesure de Δv, obtenue par analyse spectrale du battement des deux faisceaux émis, permet de connaître la valeur de Ω avec une très grande précision. Un dispositif de comptage de franges typique des gyrolasers permet, à partir du signal de battement, de connaître la position angulaire relative du système.
Dans les gyrolasers usuels, le milieu amplificateur est un mélange gazeux d'atomes d'Hélium et de Néon en proportion appropriée. Le caractère gazeux du milieu amplificateur est toutefois une source de complications techniques lors de la réalisation du gyrolaser, notamment en raison de la grande pureté de gaz requise et de l'usure prématurée de la cavité lors de son utilisation due, en particulier, aux fuites de gaz et aux détériorations des électrodes haute tension utilisées pour établir l'inversion de population.
Il est possible de réaliser un gyrolaser à état solide fonctionnant dans le visible ou le proche infra-rouge en utilisant, par exemple, un milieu amplificateur à base de cristaux dopés avec des ions de type terre rare comme le Néodyme, lΕrbium ou l'Ytterbium à la place du mélange gazeux Hélium-Néon ; le pompage optique étant alors assuré par des diodes lasers fonctionnant dans le proche infra-rouge. On supprime ainsi, de facto, tous les problèmes inhérents à l'état gazeux du milieu amplificateur.
Cependant, la réalisation de gyrolasers de ce type présente certaines difficultés techniques liées en partie au fait que les ondes contre- propagatives interfèrent dans le milieu amplificateur. 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.
Il est également possible d'utiliser comme milieu amplificateur un semi-conducteur à structure verticale de type VECSEL, acronyme anglo- saxon signifiant Vertical External Cavity Surface Emitting Laser. Un VECSEL comprend essentiellement un empilement de zones actives à puits quantiques constituant des zones de gain. Pour les applications en gyrométrie, l'utilisation d'une structure verticale est intéressante, dans la mesure où les zones de gain peuvent avoir un diamètre d'une centaine de microns, proche des dimensions du faisceau optique circulant dans la cavité, permettant également une propagation de l'onde non guidée. Toutefois, l'utilisation d'un tel dispositif en transmission est exclue. En effet, les zones actives à puits quantiques de la structure verticale doivent avoir un pas égal à celui du réseau formé par les interférences des deux ondes contre- propagatives présentes dans la structure de façon à optimiser le gain. Lorsque le gyrolaser est mis en rotation, le réseau optique n'est pas libre de se déplacer car ses maxima encore appelés ventres doivent rester au niveau des zones de gain. Dans ce cas, on obtient un «verrouillage en fréquence par le gain» qui rend de fait le dispositif inutilisable en tant que gyrolaser. Les configurations selon l'invention sont particulièrement favorables au fonctionnement d'un gyrolaser à état solide cristallin et rendent possible le fonctionnement d'un gyrolaser à milieu amplificateur semiconducteur à structure verticale de type VECSEL utilisé en transmission.
Plus précisément, l'invention a pour objet un gyrolaser comportant au moins une cavité optique en anneau et un milieu amplificateur à l'état solide agencés de façon qu'une première et une seconde onde optique puissent se propager en sens opposés à l'intérieur de la cavité, caractérisé en ce que la cavité comporte :
• des premiers moyens optiques permettant d'imposer un premier état de polarisation linéaire commun aux deux ondes optiques contre-propagatives à l'extérieur de la zone contenant le milieu amplificateur ; • des seconds moyens optiques permettant d'imposer, à l'intérieur de la zone contenant le milieu amplificateur, un second état de polarisation linéaire à la première onde optique et un troisième état de polarisation linéaire à la seconde onde optique, le troisième état de polarisation état perpendiculaire au second état de polarisation.
Avantageusement, les seconds moyens comportent deux rotateurs de Faraday, le premier disposé à l'entrée de la zone contenant le milieu amplificateur et le second à la sortie de la zone contenant le milieu amplificateur, le premier assurant une rotation d'un état de polarisation de 45 degrés dans un premier sens, le second assurant une rotation d'un état de polarisation de 45 degrés dans le sens opposé.
Avantageusement, le gyrolaser comporte des moyens permettant d'inverser périodiquement les signes des angles de rotation des rotateurs de Faraday. Avantageusement, les premiers moyens optiques comportent au moins un polariseur linéaire. Les premiers moyens peuvent comporter également des moyens optiques permettant d'introduire un déphasage optique non réciproque entre les deux ondes optiques contre-propagatives. La cavité peut comporter des moyens de mesure de la température et des moyens permettant de changer la valeur du déphasage en fonction de la mesure de ladite température.
Lorsque nécessaire, les premiers moyens optiques comportent un dispositif de stabilisation des intensités en régime de battement, comme décrits, par exemple, dans les demandes de brevet FR 03 03645 ou FR 03 14598.
Lorsque nécessaire, des dispositifs optiques à effet réciproque, comme des lames d'ondes ou des rotateurs peuvent être insérés dans la cavité pour minimiser ou supprimer les effets des déphasages non désirés pouvant être induits par les miroirs de la cavité laser comme, lorsque les plans de polarisation du laser ne coïncident pas avec les plans s et p des miroirs.
Le milieu amplificateur peut être un milieu cristallin, par exemple de type Nd. YAG ou un milieu semi-conducteur à structure verticale de type VECSEL.
L'invention concerne également un système de mesure angulaire ou de mesure de vitesse angulaire comportant au moins un gyrolaser comme décrit ci-dessus. Avantageusement, le système comporte trois gyrolasers dont les cavités sont orientées de façon à réaliser des mesures dans trois directions indépendantes.
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 un schéma d'un gyrolaser selon l'invention ;
• la figure 2 représente le principe d'un rotateur optique à effet Faraday ; • la figure 3 représente les états de polarisation dans la zone contenant le milieu amplificateur.
La figure 1 représente un schéma d'un gyrolaser selon l'invention. Il comprend essentiellement : • une cavité optique 1 en anneau composée de miroirs 5 et d'une lame partiellement transparente 6;
• un milieu amplificateur 2 à l'état solide, la cavité optique et le milieu amplificateur étant agencés de façon qu'une première et une seconde onde optique puissent se propager en sens contraire à l'intérieur de la cavité ;
• des premiers moyens optiques 4 permettant d'imposer un premier état de polarisation linéaire commun aux deux ondes optiques contre-propagatives à l'extérieur de la zone contenant le milieu amplificateur 2 ;
• des seconds moyens optiques 30 et 31 permettant d'imposer, dans la zone contenant le milieu amplificateur et délimitée par lesdits éléments 30 et 31 , un second état de polarisation linéaire à la première onde optique et un troisième état de polarisation linéaire à la seconde onde optique ; le troisième état de polarisation étant perpendiculaire au second état de polarisation ;
• Un ensemble de traitement et d'analyse 7 des deux ondes contre-propagatives permettant la mesure inertielle.
A titre d'exemple, les seconds moyens 30 et 31 sont des rotateurs optiques 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. Les matériaux à effet Faraday présentent cette particularité. Ce 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 2. La direction de polarisation du faisceau polarisé linéairement 101 subit une rotation d'un angle β lorsqu'elle traverse le composant 30 à effet Faraday dans le sens direct (schéma supérieur de la figure 2). 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 2).
Comme indiqué sur la figure 3, le premier rotateur 30 est disposé à l'entrée du milieu amplificateur 2 et le second 31 à la sortie du milieu amplificateur, le premier rotateur assurant une rotation d'un état de polarisation de 45 degrés dans un premier sens, le second assurant une rotation d'un état de polarisation de 45 degrés dans le sens opposé. Pour obtenir cette inversion de rotation, il suffit par exemple que les rotateurs soient de longueurs égales et que les champs magnétiques qui les traversent soient de modules égaux et de sens opposés. On peut obtenir cet effet en utilisant, par exemple, des aimants permanents dont les pôles sont disposés en sens opposés ou utiliser des bobines d'induction traversées par des courants de signe opposé.
Lorsque des bobines d'induction traversées par des courants sont utilisées, on peut avantageusement inverser périodiquement dans le temps le sens des courants, afin de moyenner à zéro certains effets non réciproques.
L'état de polarisation linéaire d'une onde 101 traversant le premier rotateur 30 subit une rotation de 45 degrés dans un premier sens et traverse le milieu amplificateur 2 avec cette inclinaison. L'état de polarisation de cette onde est redressé par le second rotateur 31 et retrouve sa direction de polarisation initiale. A l'inverse, l'état de polarisation linéaire d'une onde 102 venant dans le sens opposé et traversant le second rotateur 31 subit une rotation de 45 degrés dans le sens opposé et traverse le milieu amplificateur avec cette inclinaison. Par conséquent, les deux états de polarisation des deux ondes sont perpendiculaires à l'intérieur du milieu amplificateur 2. L'état de polarisation de cette deuxième onde est redressé par le premier rotateur 30 et retrouve sa direction de polarisation initiale.
Les deux états de polarisation étant perpendiculaires, ils ne sauraient interférer. On supprime ainsi tous les inconvénients liés à ces interférences comme la création de réseaux d'inversion de population pour l'état solide cristallin et le verrouillage par le gain pour le VECSEL. La rétrodiffusion induite par le milieu amplificateur est également grandement atténuée par ce dispositif, réduisant de fait la taille de la zone aveugle.
Bien entendu, pour que le dispositif fonctionne correctement, il est important qu'à l'entrée et à la sortie de l'ensemble constitué par les deux rotateurs et le milieu amplificateur, l'état de polarisation des deux ondes contre-propagatives soit linéaire et commun aux deux ondes. A cet effet, la cavité du gyrolaser comporte des premiers moyens optiques 4 permettant d'imposer un tel état. Ces premiers moyens peuvent être un simple polariseur linéaire.
Ces moyens peuvent également assurer d'autres fonctions utiles au fonctionnement du gyrolaser. A titre d'exemple non limitatif, on citera l'introduction d'un déphasage non réciproque permettant d'éliminer ou de réduire les effets de la zone aveugle, ce déphasage étant réalisé au moyen d'un rotateur Faraday entouré de deux polariseurs.
Selon les configurations, des déphasages conduisant à des modifications non souhaitées des états de polarisation du laser peuvent survenir lors des réflexions sur les miroirs de la cavité laser. Cela est par exemple le cas lorsque les polarisations incidentes ne se trouvent pas dans les plans dits S et P des miroirs, S et P signifiant « Senkrecht ». et « Parallel ». Des dispositifs optiques à effet réciproque peuvent dans ce cas être utilisés pour corriger les états de polarisation. A titre d'exemple non limitatif, lorsque l'état de polarisation commun aux deux sens de rotation dans la zone ne contenant pas le milieu à gain est linéaire et dans le plan S des miroirs, l'insertion de deux lames demi-onde dont l'axe est à 22,5° de la direction de l'état de polarisation linéaire permet d'obtenir, dans la zone contenant le milieu à gain, des polarisations croisées se trouvant dans les plans S et P des miroirs, et non à 45° de ces plans comme ce serait le cas sans l'utilisation de ces lames demi-onde. Cela évite des modifications de l'état de polarisation non désirées, et permet en particulier sur cet exemple de placer les deux rotateurs non réciproques sur deux bras différents de la cavité laser.
Pour vérifier que, dans la configuration de l'invention, les états de polarisation propres de la cavité laser se propageant dans des sens opposés sont orthogonaux au niveau du milieu amplificateur, on utilise le formalisme des matrices de Jones. Celui-ci consiste à représenter l'influence d'un composant sur l'état de polarisation par une matrice 2x2 référencée dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation des modes optiques. En général, les axes du repère choisi correspondent aux axes principaux d'un polariseur intra-cavité, ce qui facilite la représentation mathématique. Pour connaître l'influence résultante de l'ensemble des composants intra-cavité, il suffit alors de déterminer les états propres du produit des différentes matrices représentatives de ces composants. Ce produit n'est pas obligatoirement le même dans les deux sens de propagation. On notera CW un premier sens de propagation des modes et CCW le sens opposé de propagation.
Dans le cas présent, on choisit la base composée du vecteur propre imposé par les premiers moyens optiques et d'un vecteur qui lui est orthogonal. Dans cette base, la matrice des premiers moyens s'écrit :
1™ 0
Ecw = dans un sens de propagation et
Eccw = ( ( w dans le sens opposé de propagation.
Les matrices correspondant aux rotateurs Faraday sont indépendantes du sens de parcours et s'écrivent :
Figure imgf000010_0001
Par conséquent, la matrice de Jones Mcw de l'ensemble des éléments présents dans la cavité s'écrit dans un premier sens de propagation CW :
Figure imgf000010_0002
qui admet pour vecteur propre dans le milieu amplificateur :
D --ans - le sens opposé CCW, la matrice de Jones Mccw de l'ensemble des éléments présents dans la cavité s'écrit :
Mcnv = J]
Figure imgf000010_0003
qui admet pour vecteur propre dans le milieu amplificateur : r CCW ~
Les vecteurs Vcw et Vccw sont donc orthogonaux, ce qui est bien l'effet recherché.
Comme il a été dit, cette disposition permet de supprimer les interférences entre les ondes contre-propagatives dans le milieu amplificateur. Les avantages sont nombreux :
• Si le milieu amplificateur est un solide cristallin de type Nd. YAG, les réseaux d'inversion de population induits par émission stimulée dans le milieu amplificateur ne peuvent plus se former, supprimant une des causes de l'instabilité de l'émission bidirectionnelle et les décalages en fréquence induits par les dits réseaux lorsque le gyrolaser tourne ;
• La rétrodiffusion dans le milieu à gain est très fortement diminuée ;
• Pour certains milieux amplificateurs, la compétition entre les ondes contre-propagatives est également diminuée. Avantageusement, celle-ci peut même être réduite à zéro dans certains cas, comme par exemple avec du Nd.YAG taillé selon l'axe cristallographique (1 ,1 ,0). Bien entendu, si cette diminution s'avère insuffisante pour éliminer la compétition entre les deux ondes contre-propagatives, il est toujours possible d'introduire dans la cavité un dispositif de stabilisation destiné à garantir l'émission bidirectionnelle ;
• Lorsqu'un dispositif déphasant est présent dans la cavité pour compenser les effets de la zone aveugle, l'angle de déphasage introduit par ce dispositif peut être corrigé d'une valeur dépendant de la température de la cavité au moyen d'un dispositif d'asservissement couplé à un capteur de température. On peut ainsi compenser par exemple les effets de déphasage entre les deux modes induits par biréfringence dans le milieu à gain.
• II devient possible, grâce à l'invention, d'utiliser en tant que gyrolaser un milieu amplificateur semi-conducteur à structure verticale de type VECSEL fonctionnant en transmission.

Claims

REVENDICATIONS
1. Gyrolaser comportant au moins une cavité optique (1 ) en anneau et un milieu amplificateur (2) à l'état solide agencés de façon qu'une première et une seconde onde optique puissent se propager en sens contraire à l'intérieur de la cavité, caractérisé en ce que la cavité comporte :
• des premiers moyens optiques (4) permettant d'imposer un premier état de polarisation linéaire commun aux deux ondes optiques contre-propagatives à l'extérieur de la zone contenant le milieu amplificateur ;
• des seconds moyens optiques (30, 31 ) délimitant la zone contenant le milieu amplificateur et permettant d'imposer, à l'intérieur de cette zone, un second état de polarisation linéaire à la première onde optique et un troisième état de polarisation linéaire à la seconde onde optique, ces deux états de polarisation étant perpendiculaires.
2. Gyrolaser selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les seconds moyens sont deux rotateurs de Faraday, le premier disposé à l'entrée du milieu amplificateur et le second à la sortie du milieu amplificateur, le premier assurant une rotation d'un état de polarisation de 45 degrés dans un premier sens, le second assurant une rotation d'un état de polarisation de 45 degrés dans le sens opposé.
3. Gyrolaser selon la revendication 2, caractérisé en ce que le gyrolaser comporte des moyens permettant d'inverser périodiquement les signes des angles de rotation des rotateurs de Faraday.
4. Gyrolaser selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les premiers moyens optiques comportent au moins un polariseur linéaire.
5. Gyrolaser selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la cavité comporte des dispositifs optiques à effet réciproque.
6. Gyrolaser selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les premiers moyens comportent des moyens optiques permettant d'introduire un déphasage optique non réciproque entre les deux ondes optiques contre- propagatives.
7. Gyrolaser selon la revendication 6, caractérisé en ce que la cavité comporte des moyens de mesure de la température et des moyens permettant de changer la valeur du déphasage en fonction de la mesure de ladite température.
8. Gyrolaser selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le milieu amplificateur est un milieu cristallin de type Nd.YAG.
9. Gyrolaser selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le milieu amplificateur est un milieu semi-conducteur à structure verticale de type VECSEL.
10. Système de mesure angulaire ou de vitesse angulaire, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un gyrolaser selon l'une des revendications précédentes.
11. Système de mesure selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte trois gyrolasers dont les cavités sont orientées de façon à réaliser des mesures dans trois directions indépendantes.
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