Brevet FR2278181A1 — publié le 19760206

y présente invention concerne les lasers du type dénommé annulaire Un laser annulaire comprend un milieu laser actif dont l'emplacement est déterminé par rapport à des éléments formant une cavité optique et présentant un certain pouvoir de réflexion ou un certain pouvoir de réfraction, ces éléments étant conçus de manière à diriger des ondes lumineuses émises par le milieu actif dans des directions opposées autour d'un trajet plan se présentant sous la forme d'une boucle fermée. Des modes d'oscillations apparaissent pour celles des fréquences auxquelles la longueur du trajet en boucle fermée est un nombre entier de longueurs d'ondes de la lumière.Par conséquent, les ondes lumineuses progressant dans des sens contraires oscillent à la meme fréquence lorsque les longueurs de leurs trajets respectifs sont égales et à des fréquences différentes lorsque les longueurs de leurs trajets sont inégales, comme cela se produit par exemple lorsque la cavité est entralnée en rotation autour d'un axe perpendiculaire au plan de propagation des ondes lumineuses. La vitesse de rotation peut être mesurée en extrayant de la cavité une petite partie de l'énergie de chaque onde lumineuse à l'aide d'une transmission partielle s'effectuant à travers l'un des éléments formant la cavité ou à l'aide d'une réflexion partielle obtenue à partir de l'un de ces éléments. Un dispbsitif de combinaison placé à l'extérieur de la cavité dirige les ondes lumineuses selon une relation de colinéarité sur un détecteur ou capteur photosensible qui fournit un signal électrique dont la fréquence de battement correspond à la différence existant entre les fréquences lumineuses. La fréquence différentielle est liée linéairement à la vitesse de rotation pour des rotations comparativement élevées mais, au fur et à mesure que la vitesse diminue, la relation devient non linéaire du fait du couplage existant entre chaque onde lumineuse et une composante rétrodiffusée de l'onde se propageant dans le sens opposé.Au fur et à mesure que la vitesse de rotation continue à diminuer, mais lorsque cette dernière présente encore une certaine valeur finie, le couplage devient suffisamment important pour synchroniser les ondes progressant dans des sens contrairesvet il en résulte une interruption brutale du signal à fréquence de battement. Ce phé nctiene de sy3 hronisation des fréquences est dénommé un calage de mode et ia t, euence de battement ou la vitesse de rotation cor- respondante Four laquelle apparaît ce phénomène est dénommée le seuil de calage de mode. Pour éviter le calage de mode et l'incapacité qui en résulte pour le laser annulaire à détecter des vitesses de rotation, un déphasage non réciproque doit être communiqué aux ondes, soit en faisant tourner le dispositif annulaire de la manière indiquée précédemment, soit en introduisant dans le trajet de propagation un certain dispositif tel qu'un élément biréfringent agissant conjointement avec des éléments rotatoires ou des convertisseurs de polarisation pour effecter d'une façon différentielle les longueurs des trajets des ondes respectives. Un milieu biréfringent présente des constantes de propagation séparées ou différentes vis-à-vis d'ondes polarisées d'une façon orthogonale qui se propagent à travers ce dernier.Par conséquent, si les ondes progressant dans des sens contraires sont polarisées d'une façon orthogonale tandis qu'elles traversent le matériau biréfringent, les longueurs de leurs trajets en boucle fermée seront inégales. I1 en résulte que les ondes oscillent à des fréquences différentes et, si la fréquence différentielle est suffisamment importante, aucun calage de mode n'apparaît. Dans ces conditions, la rotation du laser annulaire détermine une augmentation ou une diminution de la fréquence de battement, ce qui permet d'obtenir des indications à la fois sur la vitesse et sur le sens de rotation. Bien que des cellules ou des éléments de polarisation de fréquence comprenant des dispositifs biréfringents employés conjointement avec des éléments de rotation ou de conversion de polarisation aient été utilisés avec beaucoup de succès pour éviter le calage de mode, ils ont également créé d'autres pro blèmes qui nuisent dans de grandes proportions à leur utilité. Plus précisément, l'utilisation de ces éléments de polarisation de fréquence augmente le coût du détecteur ou capteur de rotation et rend son alignement beaucoup plus délicat. De plus, l'élément de polarisation accroît la rétrodiffusion, cette dernière déterminant à son tour un couplage entre les ondes progressant dans des sens contraires, ce qui provoque une augmentation du seuil de calage de mode.Cette particularité réduit la plage de détection dynamique des vitesses de rotation qui est déterminée par la différence existant entre la fréquence de battement nominale et la fréquence de calage De plus, du fait que le milieu biréfringent doit être placé dans un champ électrique ou dans un champ magnétique d'intensité élevée, suivant la nature de ce milieu, il est nécessaire de déterminer une régulation précise de la source d'excitation du champ de manière à éviter toute dérive de la polarisation de fréquence nominale. L'invention a essentiellement pour but de remédier aux inconvénients précités et d'apporter une solution aux problèmes précédemment indiqués. Elle est matérialisée dans un laser annulaire comportant des organes formant une cavité optique pour ce laser annulaire, cette cavité comprenant un miroir comportant un élément magnétiquement saturable, et un milieu laser actif dont l'emplacement dans la cavité optique est déterminé de telle sorte que des ondes lumineuses émises par le milieu laser sont dirigées par les organes formant la cavité de manière à se propager dans des directions opposées autour d'un trajet èn boucle fermée, ces ondes lumineuses dirigées dans des sens opposés étant des ondes à polarisation plane qui sont parallèles au plan de la cavité du laser annulaire. De préférence, le miroir comprend un élément magnétiquement saturable qui est aimanté dans une direction perpendiculaire au plan du trajet optique. Ce miroir peut comprendre également un élément réfléchissant, présentant un pouvoir de réflexion sensiblement plus élevé que celui de l'élément magnétiquement saturable, et un organe de support, l'élément réfléchissant et l'élément magnétiquement saturable étant réalisés de manière à se présenter sous la forme de pellicules minces déposées sur l'organe de support. Par conséquent, l'invention permet de réaliser un dispositif destiné à déterminer un déphasage différentiel pour les ondes se propageant dans des sens contraires dans un laser annulaire afin de déterminer une polarisation de fréquence sans qu'il soit nécessaire de faire tourner le dispositif annulaire ou d'introduire deséléments additionnels dans le trajet de propagation. La mise en oeuvre du dispositif selon l'invention est basée sur l'effet magnéto-optique de Kerr classique, selon lequel un faisceau lumineux subit un déphasage lors de sa réflexion sur une surface aimantée.Le déphasage ainsi produit a d'abord été détecté en observant qu'une onde lumineuse à polarisation plane, qui est parallèle ou perpendiculaire au plan d'incidence d'un élément réfléchissant aimanté dans une direction parallèle au plan d'incidence et perpendiculaire à la surface réfléchissante, devient polarisée d'une façon elliptique lorsqu'elle est réfléchie par ce dernier. De plus, il a eté observé qu'une inversion de la direction de l'aimantation de l'élément réfléchissant détermine également une inversion de la direction du déphasage communiqué à la lumière réfléchie. L'invention est basée sur la découverte que le même effet, à savoir une inversion de la direction du déphasage, est obtenu lorsque la direction de l'aimantation est maintenue constante tandis que les trajets de propagation des ondes incidente et réfléchie sont interchangés. L'invention est également basée sur le fait que cette condition n'est satisfaite que pour un laser annulaire dans lequel les trajets incident et réfléchi des ondes progressant dans des sens contraires sont interchangés au niveau d'un miroir d'angle de la cavité du laser. Par conséquent, l'effet magnéto-optique de Kerr peut être utilisé pour déterminer la polarisation de fréquence d'un laser annulaire en prévoyant une aimantation convenable pour un miroir d'angle faisant partie de la cavité.Ce résultat est obtenu en réalisant un miroir d'angle comprenant un élément magnétiquement saturable, dans lequel un champ magnétique est établi de préférence dans une direction perpendiculaire au plan de la cavité du laser annulaire. I1 est préférable de faire subir aux ondes lumineuses une polarisation parallèle au plan de la cavité du laser du fait que des ondes lumineuses po larisées de cette manière sont déphasées d'une façon différentielle sans qu'il existe aucune distorsion ou déformation de la polarisation. Un laser annulaire réalisé selon l'invention va maintenant être décrit plus en détail, à titre d'exemple uniquement, en se référant au dessin annexé donné à titre non limitatif et dans lequel: La fig. 1 est une représentation schématique en plan d'une cavité optique de-laser annulaire selon l'invention. La fig. 2 est une représentation en perspective d'un élément conscltutif préféré du laser annulaire visible sur la fig. 1. Si l'on se réfère maintenant à la fig. 1, celle-ci montre une cavité de laser annulaire 30 qui comprend un milieu laser actif 31, tel que le mélange gazeux hélium-néon standard, excité par un dispositif à fréquence radioélectrique classique (non représenté) et contenu à l'intérieur d'un tube en verre 10 de manière à émettre des ondes lumineuses dans les deux directions le long de son axe longitudinal et à travers des lames optiques à faces parallèles 11 et 12 qui ferment les extrémités du tube d'une façon étanche. Des miroirs d'angle 13, 14, 15 et 16, qui forment la cavité optique, réfléchissent successivement les ondes lumineuses progressant dans des sens contraires autour d'un trajet en boucle fermée 17.Les lames optiques à faces parallèles 11 et 12 sont inclinées selon l'angle de Brewster par rapport à l'axe longitudinal du tube 10 de manière à fournir des ondes lumineuses à polarisation plane qui sont parallèles au plan de la cavité optique, la lumière ainsi polarisée étant dénommée ci-après "polarisée horizontalement". Bien que d'autres orientations de polarisation puissent être utilisées, les ondes lumineuses sont de préférence polarisées horizontalement dans la mise en pratique du dispositif selon l'invention de manière à réduire à une valeur minimale les distorsions ou déformations, c' est-à-dire à empêcher que la lumière ne devienne polarisée elliptiquement lorsqu'ellè est réfléchie par les miroirs 13, 14, 15 et 16 formant la cavité optique, comme cela sera expliqué plus en détail ci-après. - Une mesure de la différence qui existe entre les fréquences des ondes progressant dans des sens contraires et qui résulte des effets non réciproques ayant lieu dans la cavité optique, est obtenue en déterminant la transmission d'une partie de l'é- nergie de chaque onde ou de chaque faisceau à travers le miroir d'angle 15 jusqu'à ce que cette énergie atteigne un mécanisme de combinaison comprenant des miroirs 18 et 19, un dispositif semi-réfléchissant ou diviseur de faisceau 20 et un détecteur ou capteur photosensible 21.La composante de l'onde lumineuse progressant dans le sens horaire (cw) qui est transmise à travers le miroir d'angle 15 est d'abord réfléchie par le miroir 19 et est ensuite partiellement réfléchie par l'élément semi-réflé chisat 20 pour atteindre le détecteur ou capteur photosensi bse 21.De la menue manière, la partie de l'onde progressant dans le sens antihoraire (ccw) qui est extraite de la cavité 30 est réfléchie par le miroir 18 et est partiellement transmise à travers l'élément semi-réfléchissant ou diviseur de faisceau 21 et selon une relation de colinéarité avec l'onde de sens horaire, pour atteindre le détecteur ou capteur photosensible 21, au niveau duquel les ondes lumineuses se mélangent de manière à produire un signal dont la fréquence de battement est égale à la différence existant entre leurs fréquences. Pour éviter le calage de mode qui apparaît pour des vitesses de rotation faibles, un effet de déphasage non réciproque est introduit dans la cavité optique 30 grâce à l'utilisation d'un champ magnétique établi dans le miroir d'angle 16. L'aimantation réalisée dans,ce miroir d'angle 16 détermine une interaction avec les ondes incidentes progressant dans des sens contraires, d'une manière telle qu'un déphasage différentiel est communiqué aux ondes tandis qu'elles sont réfléchies par ce miroir. Il en résulte que ces ondes progressant dans des sens contraires oscillent à des fréquences différentes, de telle sorte que le calage de mode n'apparaît pas, même lorsque la cavité optique est stationnaire.L'aimantation du miroir d'angle 16 est,de préfé rence,orientée de manière à être perpendiculaire au plan de la cavité optique 30 lorsque les ondes lumineuses sont polarisées horizontalement, comme cela a été indiqué précédemment. Ces conditions de polarisation et d'aimantation permettent d'obtenir le déphasage différentiel désiré tout en préservant simultanément la polarisation des ondes lumineuses. Par ailleurs, si l'aimantation est orientée parallèlement au plan de la cavité 30 et qu'elle soit parallèle ou perpendiculaire à une surface principale du miroir 16, il est également possible d'obtenir un déphasage différentiel, mais ce déphasage a lieu dans une composante d'onde lumineuse qui est polarisée orthogonalement par rapport à la lumière incidente et polarisée horizontalement et il en résulte que la lumière réfléchie présente une polarisation elliptique.Par conséquent, pour obtenir une onde déphasée qui soit orientée d'une façon appropriée pour se propager à travers les fenêtres ou lames à faces parallèles de pola risation et à angle de-Brewster 11 et 12 qui sont prévues au niveau des extrémités du tube laser 10, il est nécessaire de placer une lame d'onde dans le trajet du faisceau réfléchi. I1 y a également lieu de noter que certaines combinaisons de l'aimanta tion et de la polarisation de la lumière ne produisent aucun déphasage différentiel. Cette situation existe par exemple lorsque l'aimantation est perpendiculaire au plan de la cavité 30 et que la lumière présente une polarisation plane dans une direction orthogonale à la polarisation horizontale. Si l'on se réfère maintenant à la fig. 2, celle-ci montre que le miroir 16 destiné à déterminer un déphasage non réciproque comprend plusieurs pellicules ou couches minces 25 d'un matériau présentant un pouvoir de réflexion élevé, et une couche magnétiquement saturable 26, qui sont déposées sur un substrat ou-support 27 selon un processus d'évaporation sous vide. La couche magnétiquement saturable 26 est constituée par un matériau ferromagnétique, tel que du fer, du nickel ou du cobalt, ayant une densité élevée de spins d'électron qui peuvent être alignés uniformément sous l'influence d'un champ magnétique appliqué. Le diélectrique à couches multiples 25 peut être constitué par exemple par du sulfure de zinc et par de la cryolite ou par d'autres matériaux présentant des indices de réfraction suffisamment différents de celui de la couche magnétiquement saturable 26. Pour réaliser le substrat ou support 27, il est possible d'utiliser du quartz. On a réalisé un dispositif fonctionnant avec plein succès en utilisant une couche diélectrique 25 présentant une épaisseur approximative de 15.000 angstroems et déposée sur une couche de fer ayant une épaisseur de l'ordre de plusieurs centaines d'angstroems, l'épaisseur du support 27 n'ayant aucune importance.Le déphasage est produit par l'aimantation de la couche métallique et ferromagnétique 26, le diélectrique à couches multiples 25 étant ajouté essentiellement pour empêcher toute perte par absorption excessive pouvant avoir lieu dans le fer qui présente un pouvoir de réflexion d'environ 70%, c'est-à-dire une valeur considérablement inférieure à celle du diélectrique à couches multiples. Ce diélectrique à couches multiples 25 permet également,grâce-à l'ajustement de l'épaisseur ds couches et, de préférence, de l'épaisseui de la première couche diélectrique, d'obtenir une valeur maximale pour le déphasage différentiel tout en réduisant simultanément à une valeur minimale les possibilités provenant du pouvoir de réflexion différentiel.La couche aimantable 26 doit avoir un pouvoir de réflexion relativement élevé mais qui ne soit pas si élevé qu'il empêche les ondes lumineuses de pénétrer suffisamment dans cette couche pour déterminer une interaction avec le champ magnétique. L'aimantation parallèle à la surface principale 28 du diélectrique à couches multiples 25 est obtenue à l'aide d'un électroaimant ou d'un aimant permanent 29. Si la couche aimantée 26 présente une caractéristique d'hystérésis correspondant à une courbe suffisamment rectangulaire, l'aimant 29 peut être éliminé lorsque le miroir 16 est mis en place pour former la cavité optique 30. Mais si la couche aimantée 26 ne retient pas suffisamment de magnétisme pour rester à un état saturé, il est généralement nécessaire de monter l'aimant 29 à proximité du miroir 16 lorsque ce dernier est installé dans la cavité du laser 30.Le fait de maintenir la couche ferromagnétique à l'état saturé améliore l'amplitude du déphasage et réduit la probabilité de dérive ou de glissement pouvant appa raître dans la polarisation de fréquence nominale. Cette der nière particularité est extrêmement importante du fait qu'une variation de la polarisation de fréquence peut être confondue avec une vitesse de rotation détectée par le laser. Un miroir 16 réalisé comme cela est représenté sur la fig. 2 permet d'obtenir une polarisation de fréquence de 18 kilohertz dans un laser annulaire présentant un trajet optique d'environ 122 cm et fonctionnant à 1,15 micron, les couches aimantable et diélectriques 26 et 25 ayant un pouvoir de réflexion combiné de 94%. I1 apparait donc à l'évidence que le problème de la dérive ou du glissement afférent aux dispositifs à polarisation de fréquence des lasers annulaires relevant de la technique an té- rieure est éliminé. De plus, la possibilité de polariser le dispositif annulaire sans qu'il soit nécessaire d'introduire aucun élément supplémentaire dans la cavité optique permet d'éliminer une source de rétrodiffusion et de réduire les coûts de l'équipement.Par ailleurs, du fait que la couche magnétique 26 estrde préférence,aimantée parallèlement à une surface prin ipi- 98 du diêlectr1ue 25, c'est-à--dire dans ia direction de l'aimantation facile, le champ magnétique qui est requis pré- sente Ùne aleur sensiblement inférieure a celle qui était nécessaire pour les matériaux biréfringents utilisés dans la technique antérieure. Un autre mode de réalisation du miroir 16, qui est destiné à introduire un déphasage non réciproque et qui a également permis d'obtenir un fonctionnement satisfaisant, comprend de minces pellicules d'un diélectrique à couches multiples ou d'un métal tel que de l'or et une couche ferromagnétique saturable, qui sont déposées successivement sur un support en quartz. Dans ce cas, la couche magnétiquement saturable 26 ne présente qu'une épaisseur d'environ 25 angstroems tandis que le diélectrique ou l'or présente une épaisseur de l'ordre de 1.000 angstroems. Un autre mode de réalisation peut être obtenu en utilisant des couches alternées correspondant à un quart de longueur d'onde et constituées par un diélectrique et par un matériau ferromagnétique tel qu'un grenat d'yttrium et d'aluminium. D'autres modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits, dans le domaine des équivalences techniques, sans s'écarter de l'invention. REVEMDICE NS s- arizula1re comprenant des organes formant une cavité optique po..r ce laser annulaire et un milieu laser actif (31) place dans cette cavité optique d'une façon telle que des ondes lumineuses émises par le milieu laser sont dirigées par les organes formant la cavité de manière à se propager dans des directions opposées autour d'un trajet en boucle fermée, ce laser annulaire étant caractérisé en ce que les ondes lumineuses dirigées dans des sens opposés sont des ondes à polarisation plane qui sont parallèles au plan de la cavité (30) du laser annulaire et en ce que l'un des organes formant la cavité est constitué par un miroir (16) comportant un élément magnétiquement saturable (26). 2.- Laser annulaire suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément magnétiquement saturable (26) est aimanté dans une direction perpendiculaire au plan du trajet optique (17). 3.- Laser annulaire suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu un dispositif (29) destiné à aimanter l'élément magnétiquement saturable (26) dans une direction normale au plan de la cavité optique (17). 4.- Laser annulaire suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est prévu un dispositif (15) destiné à extraire de la cavité optique (17) une partie de l'énergie existant dans chacune des ondes progressant dans des sens contraires. 5.- Laser annulaire suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'il est prévu un dispositif (18, 19, 20, 21) destiné à combiner les énergies extraites de manière à produire un signal électrique ayant une fréquence égale à la différence existant entre les fréquences des énergies extraites. 6.- Laser annulaire suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément magnétiquement saturable (26) est à l'état magnétiquement saturé. 7.- Laser annulaire suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le miroir (16) comprend également un élément réfléchissant (25), présentant un pouvoir de réflexion sensiblement plus élevé que celui de l'élément magnétiquement saturable (26), et un élément de support (27), l'élément réfléchissant (25) et l'élément magnétiquement saturable (26) étant conçus de manière à se présenter sous la forme de pellicules minces déposées sur l'élément de support (27). 8.- Laser annulaire suivant la revendication 7, caractérisé en ce que l'élément magnétiquement saturable (26) est placé entre l'élément de support (27) et l'élément réfléchissant (25). 9.- Laser annulaire suivant la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que l'élément réfléchissant est constitué par un diélectrique à couches multiples (25), l'élément magnétiquement saturable (26) étant constitué par un matériau ferromagnétique. 10.- Laser annulaire suivant la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que l'élément réfléchissant (25) est constitué par de l'or, l'élément magnétiquement saturable (26) étant constitué par un matériau ferromagnétique. 11.- Laser annulaire suivant la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que l'élément de support (27) est constitué par du quartz. 12.- Laser annulaire suivant la revendication 7, caractérisé -en ce que le miroir (16) comprend des couches alternées correspondant à un quart de longueur d'onde et constituées par un matériau diélectrique et par un matériau ferromagnétique. 13.- Laser annulaire suivant la revendication 12, caractérisé en ce que le matériau ferromagnétique est constitué par un grenat d'yttrium et d'aluminium.