Brevet FR2060413A1 — publié le 19710618

La présente invention est relative aux lasers en anneau j et plus particulièrement à un laser en anneau qui est prémuni ] contre tout blocage de mode de fonctionnement. Les lasers en anneau sont utilisés dans de nombreux 5 domaines techniques, l'un d'entre eux étant de servir de gyroscopes du fait qu'ils n'ont pas de partie mobile et qu'ils ne sont sensibles ni à l'accélération, ni à l'orientation. Ils sont encore utilisés comme appareils de mesure sensibles et précis de l'écoulement d'un fluide ainsi que dans des dispositifs permettant 10 d'étudier les variations de l'indice de refraction d'une substance. Les lasers en anneau actuellement en service sont sujets au blocage du mode de fonctionnement lorsque la différence entre les fréquences des deux faisceaux est inférieure à une certaine fréquence de blocage. Lorsque la différence entre les fré-15 quences des deux faisceaux est inférieure à un niveau de blocage on constate que les fréquences des deux faisceaux entrent spontanément en coïncidence. Ceci est provoqué par l'attraction de mode ou le couplage à l'intérieur du milieu laser ainsi que par 1'échange d'énergie entre la lumière dans un faisceau et la dispersion 20 arrière de lumière à partir de l'autre faisceau. Ces inconvénients interdisent l'utilisation de lasers en anneau pour des différences de fréquences inférieures à la fréquence de blocage. L'échange d'énergie est généralement considéré comme étant provoqué par la lumière dispersée vers l'arrière à partir 25 d'un faisceau et qui vient renforcer l'autre faisceau quand les fréquences des deux faisceaux sont voisines. Les limitations > pratiques paraissent s'opposer à une élimination totale de la dispersion arrière ; c'est pourquoi, jusqu'à maintenant, on a utilisé une polarisation en fréquence pour séparer les fréquences 30 des deux faisceaux et empêcher le blocage de mode. ? L'utilisation d'une polarisation en fréquence réduit aussi les effets du couplage de mode à l'intérieur du milieu laser. Différentes techniques de polarisation ont été utilisées, mais toutes ont pour résultat d'introduire des erreurs et 35 ne fournissent pas une solution au problème de base. Ce ne sont que des pis-aller. ±Une technique consistait à faire tourner réellement l'ensemble du laser en anneau pour introduire une vitesse de rotation et une différence de fréquence correspondante. Une telle technique est encombrante, coûteuse, de réalisation dif-40 ficile, sujette aux erreurs provenant de l'accélération et de la COPY 70 31512 2 2060413 gravitation, précisément les mêmes erreurs que l'on rencontre dans les gyroscopes classiques. Une seconde technique consistait à séparer les fréquences de faisceaux en introduisant un élément optique dans le 5 chemin des faisceaux pour modifier la longueur optique des faisceaux en fonction de leur direction de propagation au travers de l'élément optique. Cet élément est actif, par conséquent sujet à des variations et il en résulte des erreurs. Un tel dispositif utilise un champ magnétique dans une cellule de Faraday et les 10 erreurs proviennent des variations du champ magnétique. Une troisième technique fournit une polarisation de fréquence par utilisation de l'effet de division du niveau de l'énergie Zeeman. Cette technique nécessite aussi un champ magnétique et en subit les variations. 15 La présente invention évite ces inconvénients. Le laser en anneau suivant l'invention comporte une cavité laser comprenant un chemin de propagation en anneau fermé et qui fournit deux faisceaux lasers se propageant en sens inverse le long du chemin de propagation est caractérisé en ce qu'il 20 comporte: un tube de gain engendrant ces deux faisceaux lumineux se propageant en sens inverse le long du chemin de propagation ; un polariseur"circulaire situé sur le chemin de propagation fermé en anneau et un photo-détecteur fournissant un signal de sortie correspondant à la différence entre les fréquences des faisceaux. 25 Suivant .un mode de réalisation, le polariseur circu laire est un prisme de Fresnel qui laisse passer la lumière polarisée circulairement d'un sens et rejette la lumière polarisée circu-lairement en sens inverse. Suivant un autre mode de réalisation, le polariseur 30 circulaire comporte une ja ire de plaques, quart d'onde, disposées perpendiculairement à un des chemins de propagation avec leurs axes rapides disposés soit perpendiculairement, soit parallèlement l'un à l'autre suivant que le nombre de trajets rectilignes le long du chemin de propagation en anneau fermé est pair ou impair, et un 35 dispositif de polarisation linéaire entre les plaques quart d'onde. D'autres caractéristiques ressortiront de la description qui va suivre et qui n'est donnée qu'à titre d'exemple. A cet effet on se reportera aux dessins joints dans lequels : - la figure 1 représente un laser en anneau suivant 40 11 orésente invention ayant un nombre pair de trajets rectilignes 70 31512 3 2060413 intermédiaires, et - la figure 2 représente un laser en anneau suivant la présente invention, ayant un nombre impair de trajets rectilignes intermédiaires. 5 Suivant le mode de réalisation de la Figure 1, un laser en anneau 1 comporte une cavité laser formée de quatre trajets rectilignes intermédiaires 2, 3» 5 et 7- Ces trajets forment un parallélogramme qui, de préférence, est un carré sans que-ce soit indispensable. Ce laser en anneau peut être utilisé 10 comme gyroscope pour détecter sa rotation autour d'un axe perpendiculaire au plan des quatre faisceaux et fournir un signal E correspondant à la vitesse de rotation. Un tube à gain laser 9 contenant un milieu gazeux approprié et ayant deux plaques terminales parallèles 11 et 13 15 recouvertes d'un produit anti-réflexion pour favoriser une transmission élevée, est disposé sur le trajet rectiligne 2 pour fournir deux faisceaux cylindriques de lumière non polarisée se propageant dans des directions opposées sur le trajet rectiligne 2. le tube de gain 9 a des extrémités 15 et 17 pour recevoir une tension 20 d'excitation Y. L'invention n'est pas limitée à un générateur en milieu gazeux. Quatre miroirs 19, 21, 23 et 25 sont disposés aux sor^mets du parallélogramme pour transmettre les .faisceaux de lumière tout au long de la cavité. Un faisceau émis à partir de 25 la plaque terminale 11, se propage dans le sens des aiguilles d'une montre dans la cavité, tandis qu'un faisceau émis à partir de la plaque terminale 13 se propage en sens inverse. Les miroirs sont revêtus d'un tlialectrique multicouch.es capable de sélectionner les polarisations. Les miroirs doivent être disposés de façon à 30 ne pas favoriser un plan de polarisation et à être sûr que les faisceaux polarisés circulairement restent polarisés circulairement lorsqu'ils progressent tout au long de la cavité et ne dégénèrent pas en polarisation elliptique. En conséquence, les miroirs 19 et 23 sont revêtus 35 dans le iLode TE et les miroirs 21 et 25 sont revêtus dans le mode IM, si bien que les plans zéro et 90° sont également favorisés lorsque les faisceaux parcourent la cavité. Un prisme à polarisation circulaire 27, tel qu'un prisme de Eresnel, est disposé sur le faisceau 3 pour laisser 40 passer la lumière polarisée circulairement à droite dans les deux 70 31512 4 2060413 directions et pour réfracter la lumière polarisée circulairement à gauche en dehors de la cavité. Du fait du renversement de sens provoqué par les miroirs, les trajets 3 et 7 comprennent de la lumière polarisée circulairement à droite, se propageant dans 5 les deux sens et les trajets 2 et 5 comprennent de la lumière polarisée circulairement à gauche en propagation. le prisme de Fresnel 27 comprend deux prismes faits de quartz respectivement destrogyre et lévogyre ou de toute autre substance optiquement active, le prisme reçoit un faisceau de 10 lumière polarisée ou non polarisée, qu'il sépare en deux faisceaux cylindriques divergents de lumière polarisée circulairement dans des sens inverses. L'angle entre les faisceaux divergents a seulement besoin d'être assez grand pour amener la lumière polarisée circulairement à gauche à être réfractée à l'extérieur de la 15 cavité lorsqu'elle traverse cette dernière. Il n'est pas nécessaire d'expliquer plus avant le fonctionnement du prisme de Fresnel qui est bien connu. Le prisme de Fresnel n'est d'ailleurs pas limité à deux prismes, car il y a de nombreuses combinaisons qui peuvent être utilisées ; la combinaison la meilleure dépendant des para-20 mètres de la cavité. Lorsque la lumière polarisée circulairement à partir d'un faisceau est réfléchie ou dispersée en arrière, elle maintient la même orientation de son moment angulaire, mais du fait de sa propagation dans la direction opposée, elle éprouve un renverse-25 ment de sens. Le renversement de sens est opposé à celui de l'autre faisceau , ce qui amène la lumière dispersée en arrière à être réfractée en dehors de la cavité par le prisme de Fresnel, ce qui évite les oscillations et toute interaction avec l'autre faisceau. Par conséquent, la raison majeure du blocage de mode est éliminée. 30 Un atome dans un milieu laser ne peut émettre de l'énergie dans un faisceau de lumière que dans la mesure où il a un niveau d'énergie, un moment angulaire et une orientation du moment angulaire appropriés. Par conséquent, un atome individuel dans un milieu laser peut seulement émettre de l'énergie dans un 35 faisceau lumineux dans lequel l'orientation du moment angulaire des photons correspond au moment angulaire de l'atome. Puisque les photons dans chaque faisceau ont des moments angulaires orientés en sens opposés, un atome ne peut pas émettre d'énergie simultanément dans les deux faisceaux et le couplage des faisceaux s'en 40 trouve diminué. Même si les fréquences des deux faisceaux sont les copr à 70 31512 7 2060413 si bien que les faisceaux sont du même sens sur les trajectoires 45 et 49. le polariseur fonctionne d'une manière analogue sur la lumière du faisceau se propageant en sens inverse des aiguilles d'une montre en recevant la lumière polarisée circulairement à 5 droite et en fournissant de la lumière polarisée circulairement à gauche. le dispositif de la figure 2 fonctionne d'une manière analogue à celui de la figure 1 . La lumière polarisée circulairement et réfléchie renverse son sens et n'est donc pas passée 10 par le polariseur 53, ce qui évite l'oscillation de la lumière réfléchie et réduit l'interaction entre les faisceaux, le couplage des faisceaux à l'intérieur du milieu laser est évité grâce à l'utilisation de la polarisation circulaire comme dans le cas de la figure 1. Des miroirs partiellement réfléchissants 63 et 65 15 sont disposés sur la trajectoire 49 pour diriger une partie des faisceaux de lumière vers des miroirs 67 et 69 respectivement. Le miroir 67 combine les faisceaux et les dirige vers un photodétecteur 71, qui, en réponse à ces faisceaux» fournit un signal ayant une fréquence correspondant à la vitesse de rotation du 20 laser en anneau 37. Un polariseur de construction semblable au polariseur 53 peut être utilisé à la place du prisme de i'resnel dans la figure 1 à la condition que 1'axe rapide de la plaque quart d'onde 55 soit aligné avec l'axe lent de la plaque quart d'onde 57. 25 Dans cette configuration, il n'y a pas de renversement de sens lorsque la lumière polarisée traverse le polariseur. La présente invention tire avantage des propriétés na.turelles de la lumière polarisée circulairement. Lorsque de la lumière polarisée linéairement est dispersée vers l'arrière, cette 30 lumière reste dans le même plan de polarisation et ne peut facilement être ni détectée ni éliminée. La lumière polarisée circulairement au contraire éprouve un renversement de sens lorsqu'elle est dispersée vers l'arrière ; ce renversement de sens peut être détecté et la lumière dispersée vers l'arrière peut être aisément élimi-35 née de la cavité. Simultanément, le couplage des faisceaux ne se produit pas à l'intérieur du milieu laser, car un atome individuel ne peut émettre de l'énergie qu'à l'intérieur de l'un des faisceaux ■ polarisés circulairement à un moment donné. 40 Un anneau laser construit suivant les principes de la 70 31512 8 2060413 présente invention n'est pas affecté par la dispersion arrière ou le couplage de mode à l'intérieur du milieu laser, l'élimination de l'interaction de faisceau et du couplage de mode permet au dispositif suivant l'invention de mesurer les vitesses de rotation au voisinage du zéro sans qu'il soit nécessaire d'introduire une polarisation de fréquence qui dégrade la précision de l'appareil. 70 31512 9 2060413 REVENDICATIONS 1) Laser en anneau comportant une cavité laser ayant un chemin en anneau fermé et fournissant deux faisceaux laser se propageant dans des directions opposées sur le chemin en anneau, caractérisé en ce qu'il comprend: un tube de gain engendrant ces deux faisceaux laser se propageant dans des directions opposées sur le chemin en anneau ; un polariseur circulaire disposé dans la cavité sur le chemin en anneau fermé et un photodétecteur fournissant un signal de sortie correspondant à la différence entre les fréquences des faisceaux. 2) Laser en anneau suivant la revendication-1, caractérisé en ce que le tube de gain comprend un milieu gazeux laser et des plaques terminales parallèles, revêtues d'une substance permettant un coefficient de transmission élevé. 3) Laser en anneau suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le chemin fermé en anneau comprend un nombre pair de trajets intermédiaires en ligne droite et en ce que le polariseur circulaire est un prisme de Fresnel. 4) Laser en anneau suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le chemin fermé en anneau comporte un nombre pair de trajets intermédiaires en ligne droite et en ce que le polariseur circulaire comprend : une paire de plaques quart d'onde disposées perpendiculairement à l'une des trajectoires de l'anneau et ayant leurs axes rapides disposés perpendiculairement l'un à l'autre, et un dispositif de polarisation linéaire entre les deux plaques quart d'onde. 5) Laser en anneau, suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le chemin fermé en anneau comporte un nombre impair de trajets intermédiaires rectilignes et en ce que le polariseur circulaire comprend: une paire de plaques quart d'onde disposées perpendiculairement à l'une des trajectoires de l'anneau et ayant leurs axes rapides alignés, et un dispositif de polarisation linéaire entre les deux plaques quart d'onde. 6) Laser en anneau, suivant la revendication 4 ou 5j caractérisé en ce que le dispositif de polarisation linéaire comporte une paire de fenêtres de Brewster disposées entre les plaques quart d'onde.