Brevet FR2430598A1 — publié le 19800201

La présente invention concerne les gyroscopes à laser en anneau du type à quatre modes, ainsi que des procédés permettant plus particulièrement de fabriquer les miroirs de ces gyroscopes. On sait qu'on peut obtenir dans un laser en anneau deux faisceaux laser tournant en sens inverse, c'est-à-dire des faisceaux qui se propagent dans des directions opposées. On trouvera par exemple une description de cette catégorie d'appareils dans un ouvrage intitulé "Laser Applications" par Monte Ross, Academic Press, Inc., New York, N.Y. 1971, et on se réfèrera plus particulièrement au passage intitulé "The Laser Gyro", pages 134 à 200. Lorsqu'on fait tourner le laser en anneau autour d'un axe perpendiculaire à son plan, c'est-àdire un axe qui passe par le centre du laser en anneau, les fréquences des oscillations sont décalées, et la fréquence du faisceau qui se propage dans le sens de rotation présente une diminution , tandis que la fréquence du faisceau qui se propage dans le sens opposé au sens de rotation présente une augmentation. On peut alors déterminer la valeur et le sens de la rotation en détectant les fréquences de battement entre les faisceaux qui se propagent dans des directions opposées. En utilisant un groupe de trois gyroscopes à laser, on peut utiliser ce phénomène dans des systèmes de guidage par inertie, pour déterminer des données de rotation, et, à partir d'elles, l'orientation résultante d'un aéronef ou d'un engin analogue. On a réalisé des gyroscopes à laser à quatre modes, également appelés gyroscopes à laser multi-oscillateurs, dans lesquels il existe quatre faisceaux lumineux correspondant à quatre fréquences mutuellement distinctes. Ces gyroscopes fonctionnent comme s'ils constituaient deux appareils distincts, et le fonctionnement à quatre faisceaux est quelquefois appelé "fonctionnement à quatre modes". Dans les gyroscopes à laser en anneau multi-oscillateurs du type. mentionné ci-dessus, les surfaces réfléchissantes sont constituées par des substances diélectriques, et sont généralement formées par 19 à 30 couchers. Ces surfaces sont destinées à assurer de bonnes caractéristiques de réflexion pour le mode P (c'est-à-dire le mode dont le vecteur électrique est parallèle au plan du laser en anneau), comme pour les composantes en polarisation S (c'est-à-dire les composantes orthogonales au plan du laser habituel, de forme plate). Malheureusement, il est très difficile et très coûteux de fabriquer des surfaces réfléchissantes, ou miroirs,présentant une anisotropie de phase faible ou nulle pour l'angle d'incidence désiré. Plus précisément, il apparaît que les fabricants de ces miroirs diélectriques ne sont pas capables de fabriquer de façon homogène des miroirs diélectriques présentant des caractéristiques isotropes aussi bien en ce qui concerne la phase que l'atténuation, pour les deux modes, et l'angle d'incidence désiré, comme par exemple 300 pour un gyroscope à trois miroirs, et 450 pour un gyroscope à quatre miroirs. Lorsqu'on construit des gyroscopes à laser en utilisant ces miroirs qui sont imparfaits du fait de leur anisotropie, il apparaît un couplage important entre les deux modes, c'està-dire les faisceaux, qui se propagent en sens avant, et il est ainsi très difficile de réaliser un fonctionnement multi-oscillateur. Dans le développement de l'invention, on a déterminé tout d'abord que l'anisotropie des miroirs constituait une cause importante du couplage de modes dans les gyroscopes multioscilla- teurs. On a ensuite déterminé que l'anisotropie relative à la phase, qui se manifeste sous la forme d'un décalage de phase parasite, est une fonction de l'angle d'incidence, dans la mesure où cette anisotropie devient suffisamment faible pour être négligeable lorsqu'on réduit progressivement les angles d'incidence. A cet égard, on notera qu'on définit l'angle d'incidence comme l'angle entre la direction d'un faisceau lumineux qui frappe la surface d'un miroir, et une ligne tracée perpendiculairement à la surface du miroir, au point d'incidence du faisceau. A partir de ces considérations, on a déterminé qu'il était possible de réduire l'effet parasite et gênant de l'a m- sotropie, à condition de trouver une configuration de gyroscope à laser en anneau continuant à utiliser la configuration à quatre miroirs,qui est souhaitable pour diverses raisons connues, mais dans laquelle l'angle d'incidence sur chacun des miroirs soit notablement inférieur à 450. Cet angle d'incidence de 450 est l'angle d'incidence que l'on trouve dans les gyroscopes à laser en anneau à quatre modes de type classique. L'étape suivante du développement de l'invention a consisté à déterminer qu'il était possible de trouver une solution au problème de la recherche d'une configuration de laser en anneau à 4 miroirs pour gyroscopes présentant des angles d'incidence relativement faibles, en abonnant la structure plane classique, dans laquelle tous les faisceaux qui se propagent entre les miroirs se trouvent dans un seul et même plan. En d'autres termes, l'invention propose de s'écarter de la configuration plane classique et, pour la première fois, propose d'utiliser une configuration de faisceaux laser en anneau tridimensionnelle, c'est-à-dire spatiale. On a ensuite vérifié que ce principe fondamental permettait de réaliser des gyroscopes à laser en anneau à quatre modes avec quatre miroirs, dans lesquels les angles d'incidence, définis ci-dessus, sont notablement inférieurs à 450. Un aspect général de l'invention porte sur un gyroscope à laser en anneau qui comporte au moins quatre surfaces réfléchissantes, ou miroirs, et qui fonctionne avec quatre faisceaux lumineux à quatre fréquences mutuellement distinctes, avec deux faisceaux qui se propagent dans une direction et les deux autres faisceaux qui se propagent dans la direction opposée, ce gyroscope présentant une configuration non plane, en zigzag, pour la série de chemins des faisceaux lumineux, entre les surfaces réfléchissantes. On constate qu'on obtient les meilleurs résultats lorsque, pour chaque surface réfléchissante, ou miroir, l'angle formé entre une ligne normale à la surface et le chemin du faisceau lumineux est férieur à 450, et est de préférence compris entre 10 et 200. Selon des caractéristiques plus particulières de l'invention, les surfaces réfléchissantes ont pratiquement les mêmes caractéristiques d'anisotropie, si bien que l'anisotropie de phase et l'anisotropie d'atténuation pour les différentes fréquences s'annulent mutuellement par réflexion sur les surfaces réfléchissantes successives. Comme il ressortira de la description qui suit d'un exemple de réalisation, on utilise de préférence une configuration telle que, pour chaque surface réfléchissante, les chemins du faisceau incident et du faisceau réfléchi définissent un plan distinct qui est différent de tous les autres plans ainsi définis, et qui coupe tous ces plans. Ce mode de réalisation peut par exemple comporter une structure géométrique constituée par quatre surfaces réfléchissantes disposées aux sommets d'un tétraèdre. Le tétraèdre possède de préférence quatre arêtes plus longues que les deux arêtes restantes, et les quatre arêtes les plus longues coincident avec les chemins des faisceaux lumineux. On utilise en pratique un corps en forme de parallèlépipède rectangle, et deux des surfaces réfléchissantes sont disposées dans deux régions de sommet opposées respectives, d'une première face du corps parallélépipèdique, tandis que les deux autres surfaces réfléchissantes sont disposées dans deux régions de sommet opposées et respectives d'une autre face du corps parallélèpipédiquessopposée à la première. Les deux régions de sommet opposées de la première face sont décalées de 900 par rapport aux deux régions de sommet opposées de la seconde face, opposée à la première. Les régions de sommet sont chanfreinées de façon appropriée dans un bloc qui est à l'origine un parallèlépipède rectangle et des alésages percés dans le bloc relient chaque sommet chanfreiné avec les deux sommets chanfreinés de la surface opposée, ce qui forme les chemins en zigzag pour les faisceaux lumineux, chaquesanicet chanfreiné étant muni d'un miroir. Un autre aspect de l'invention porte sur un procédé de fabrication d'un gyroscope à laser en anneau, dans lequel on fabrique les miroirs en une seule opération de revêtement, de façon à obtenir des caractéristiques d'anisotropie de phase pratiquement identiques pour chaque miroir, ou surface réfléchissante; et on monte les miroirs sur une structure de support, à des emplacements de cette structure, et avec des orientations angulaires,qui sont choisis de façon à établir une confiurn- tion non plane, en zigzag, pour la série de chemins des faisceaux lumineux entre les surfaces réfléchissantes. Les explications précédentes montrent que,pour éviter les difficultés liées au couplage de modes, on utilise uneconfigu- ration de miroirs qui comprend au moins deux paires de miroirs associées selon une disposition géométrique non plane.. Les miroirs sont ainsi placés dans des plans qui se coupent mutuellement. L'avantage obtenu découle du fait que, lorsque l'angle d'incidence approche de la normale, la précision et les tolérances imposées pour la fabrication des couches diélectriques deviennent moins critiques,c'est-à-dire qu'on peut plus facilement réaliser des miroirs isotropes. L'invention apporte un autre progrès important, qui consiste dans le fait qu'avec la géométrie qui vient d'être décrite, lorsqu'on emploie des miroirs qui présentent pratiquement les mêmes caractéristiques d'anisotropie, l'atténuation et le décalage de phase pour les modes S et P s'annulent pour des réflexions sur les miroirs successifs. Ainsi, lorsqu'on emploie à la fois une géométrie non plane et des angles d'incidence voisins de la normale, le couplage entre les modes est fortement réduit, et on peut obtenir un meilleur fonctionnement pour un gyroscope à laser multioscillateur. Selon une autre caractéristique du mode de réalisation de l'invention décrit ci-après, on peut construire un gyroscope à laser à partir d'un bloc plein d'une substance appropriée, ayant la configuration générale d'un parallèlépipède rectangle. On perce dans les surfaces latérales du bloc des alésages paralvièles aux diagonales, et on chanfreine les 4 sommets non adjacents de la surface supérieure et de la surface inférieure du bloc, c'est-à-dire qu'on coupe ces sommets selon un certain angle, pour définir des surfaces de montage pour les miroirs. On ajoute en outre des Structures d'anode et de cathode appropriées, ainsi que des éléments qui engendrent les modes multiples, pour obtenir un gyroscope à laser qui fonctionne effectivement. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisatipn, et en se référant aux dessins annexés sur lesquels La figure 1 est un graphique de l'anisotropie de phase relative d'un miroir, en fonction de l'angle d'incidence du faisceau La figure 2 est une représentation schématique en perspective d'un gyroscope à laser en anneau, qui illustre les principes de l'invention ; La figure 3 est une vue de dessus du gyroscope de la figure 2 La figure 4 est une coupe selon la ligne IV-IV de la figure 3; et La figure 5 est un schéma d'un circuit de détection destiné à être utilisé avec le gyroscope à laser des figures 2 à 4. On se reportera maintenant aux dessins, sur lesquels la figure 1 est un graphique de l'anisotropie de phase relative d'un miroir, en fonction de l'angle d'incidence du faisceau, pour une série de miroirs du type à couches diélectriques, qui sont prévus pour être isotropes pour un angle de 300. On a effectué les mesures en projetant sur les miroirs une lumière en polarisation circulaire, sous des angles prédéterminés, puis en analysant la lumière qui est réfléchie à partir de la surface des miroirs. La lumière en polarisation circulaire précise qui est appliquee aux miroirs comporte deux ccmposantes égales polarisées de façon oppcsée, dont les phases sont exactement décalées de 900 l'une par rapport à l'autre. Après réflexion sur un miroir anisotrope, l'une des composantes polarisées présente une avance ou un retard de phase, et la figure 1 indique la valeur de ce décalage de phase, en degré, en fonction de l'angle d'incidence. Les différentes courbes de la figure 1 montrent qu'un seul des échantillons de miroirs diélectriques présente une anisotropie de valeur raisonnablement faible pour une incidence de 300, comme il ressort de la courbe caractéristique 12 de la figure 1. Toutes les autres courbes caractéristiques 14, 16 et 18 présentent une anisotropie de phase relativement élevée pour un angle d'incidence de 300, et ferait donc apparaître un couplage élevé entre modes qui devraient être mutuellement isolés pour un bon fonctionnement d'un gyroscope à laser multi-oscillateur. On se reportera maintenant à la figure 2 qui est une représentation schématique, en perspective, d'un mode de réalisation d'un laser en anneau qui présente une configuration non plane, c'est-à-dire tridimensionnelle, pour les chemins de propagation des faisceaux lasers. On voit sur cette figure un bloc 22, en forme de parallèlépipède rectangle, qui est constitué par une substance à faible dilatation, du type que l'on utilise normalement dans la fabrication des gyroscopes à laser. Le bloc 22 peut par exemple être en quartz, du type "U.L.E.", au silicate de titane, fabriqué par la firme Corning, ou en une substance vendue sous la marque "Cervet", par la firme Owens, Illinois. Des surfaces réfléchissantes, ou miroirs, 24, 26, 28 et 30 sont fixées sur des sommets non adjacents du bloc parallèlépipèdique 22. Ces miroirs peuvent être montés sur les surfaces chanfreinées 32, 34, 36 et 38 qui se trouvent aux différents sommets du bloc 22. Des passages 42, 44, 46 et 48 destinés aux faisceaux laser s'étendent entre les miroirs, le long de chemins qui sont pratiquement parallèles aux diagonales qui traversent les plus grandes faces du bloc parallèlépipèdique 22. La figure 2 montre également l'élément 52 que l'on utilise pour établir un fonctionnement laser multimode. Plus précisément, l'élément 52 peut être constitué par un élément unique en quartz, à aimantation longitudinale, comme il est décrit par exemple dans le brevet U.S. 3 862 803, colonne 5, lignes 31 à 38. On peut établirl' aimantation longitudinale de l'élément de quartz 52 en utilisant un aimant permanent placé à une certaine distance de l'élément de quartz, et entourant ce dernier, les pièces polaires de cet aimant venant en contact avec l'élément de quartz à ses deux extrémités. Naturellement, l'établissement d'un fonctionnement à quatre modes dans un gyroscope à laser est une chose connue, et on peut utiliser n'importe quelle technique appropriée pour réaliser cette fonction. La figure 3 est une vue de dessus du bloc 22 de la figure 2, tandis que la figure 4 est une coupe selon les lignes IV-IV de la figure 3. Les figures 3 et 4 montrent les structures de cathode et d'anode. On voit en particulier sur la figure 4 que la structure de cathode comprend un bouchon à rebord,54, qui est de préférence constitué par la même substance diélectrique que le bloc 22, et une cathode creuse en aluminium 56. Un passage 56 relie l'espace situé à l'intérieur de la cathode 56 avec la région de sommet dans laquelle se rencontrent les passages 44 et 46, à proximité du miroir 26. Deux anodes 62 et 64 sont associées respectivement aux passages 44 et 46, et établissent des zones de décharge laser dans ces deux passages. Les anodes 62 et 64 peuvent être en niobium, et peuvent se présenter sous la forme de disques qui sont soudés à l'indium sur le bloc 22. On évite les dissymétries gênantes en orientant un chemin de décharge laser cathode-anode dans chaque direction de propagation du gyroscope à laser enanneau. Naturellement, les détails de la structure de cathode et d'anode, et la nature aes circuits d'excitation laser pour un laser classique du type hélium-néon sont bien connus, et il est inutile de les répéter ici. Les éléments de support pour l'élément 52, les divers miroirs, les structures d'anode et la structure de cathode sont munis de rebords, et sont fixés de façon hermétique à la surface extérieure du bloc 22, ce qui maintient une pression de gaz correcte à l'intérieur des passages qui sont le siège d'un effet laser, et, au cours du fonctionnement, il existe des faisceaux qui tournent en sens opposés, c'est-àdire qui se propagent dans des sens opposés. Une plaque diélectrique 65 délimite un espace 67 qui constitue une source de gaz supplémentaire pour l'effet laser, et cet espace contient des substances absorbantes, ou"getters",classiques, pour faire disparattre les impuretés gazeuses. On notera qu'une structure laser un'peu similaire est décrite dans un article intitulé "Development of a Ring Laser for Polarimetric Measurements", par H. J. Raterink et col, Applied Optics, Mai 1967, volume 6, NO 5, pages 813 à 820. On notera cependant que le dispositif qui est décrit dans cet article ne concerne pas les gyroscopes à laser à 4 modes, ni les difficultés concernant le couplage des modes d'un gyroscope à laser, ni la détection de la rotation par détermination des décalages de fréquence d'un laser à 4 modes, alors que l'invention porte sur ces points. Il faut également noter que l'angle d'incidence des faisceaux lumineux sur les miroirs est de préférence inférieur à 200, l'angle réel qui est utilisé dans le mode de réalisation considéré étant d'environ 15,50. D'autre part, pour obtenir un dispositif dont la longueur soit raisonnablement faible, il est préférable que l'angle d'incidence soit supérieur à 100. Ainsi, l'angle d'incidence du faisceau lumineux sur le miroir, par rapport à une perpendiculaire au miroir est de préférence compris dans la plage allant de 10 à 200. Comme il est représenté sur la figure 5, l'un des miroirs 28 n'est que partiellement réfléchissant, et permet donc la transmission des faisceaux lasers 72 et 74 vers le détecteur 76. Les signaux détectés sont traités pnr des circuits 78, qui sont des circuits classiques de détermination de rotation pour un gyroscope à quatre modes, et on peut ainsi déterminer facilement la rotation du bloc 22 par rapport à son axe sensible 80. Le circuit 78 peut être de n'importe quel type classique, comme par exemple celui décrit dans l'ouvrage mentionné précédemment, ou dans le brevet français nO 78.15105. Il convient de souligner que la géométrie du gyroscope à laser en anneau de l'invention présente deux avantages particuliers. Tout d'abord, avec une géométrie non plane, et avec des miroirs présentant des caractéristiques d'anisotropie similaires, c'est-à-dire identiques en pratique, l'anisotropie qui est introduite par une réflexion quelconque est annulée par la réflexion suivante. L'invention permet donc de disposer d'un procédé de fabrication de gyroscopes à laser en anneau, dans lequel les quatre miroirs, qui sont utilisés à titre d'exemple dans le mode de réalisation décrit, sont prélevés parmi un lot de miroirs fabriqués par la même opération de revêtement, si bien qu'ils présentent des caractéristiques d'anisotropie identiques, ou tout au moins pratiquement identiques. Ensuite, en utilisant des angles d'incidence voisins de la normale, c'est-à-dire inférieurs à 250, et compris de préférence entre 10 et 200, les tolérances de fabrication sont moins sévères, et on peut plus facilement trouver des miroirs qui présentent des effets d'anisotropie relativement faibles. Ainsi, avec la réduction de l'arsssotropie qui est due à une incidence voisine de la normale, et avec la compensation par les réflexions successives de la faible anisotropie résiduelle, le couplage de modes est très faible, et on peut obtenir un excellent fonctionnement du gyroscope à laser. I1 va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif et au procédé décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Gyroscope à laser en anneau comportant au moins quatre surfaces réfléchissantes, ou miroirs, fonctionnant avec quatre faisceaux lumineux à quatre fréquencesmutuellement distinctes, avec deux faisceaux qui se propagent dans une direction, tandis que les deuX autres faisceaux se propagent dans la direction opposée, caractérisé en ce qu'il comporte une configuration non plane, en zigzag, pour la série de chemins des faisceaux lumineux entre les surfaces réfléchissantes. 2. Gyroscope à laser en anneau selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour chaque surface réfléchissante, l'angle formé entre une ligne normale à la surface et le chemin du faisceau lumineux est inférieur à 450. 3. Gyroscope à laser en anneau selon la revendication 2, caractérisé en ce que, pour chaque surface réfléchissante, l'angle formé entre une ligne normale à la surface et le chemin du faisceau lumineux est compris entre 10 et 200. 4. Gyroscqpe 96hn1'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les surfaces réfléchissantes ont pratiquement les mêmes caractéristiques d'anisotropie, grâce à quoi l'anisotropie de phase et l'anisotropie d'atténuation pour les différentes fréquences s'annulent par réflexion pour les surfaces réfléchissantes successives. 5.Gyroscope selon'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que,pour chaque surface réfléchissante, le chemin du faisceau incident et le chemin du faisceau réfléchi définissent un plan distinct qui est différent de tous les autres plans ainsi définis et qui coupe ces plans. 6. Gyroscope à laser en anneau selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il possède une structure géométrique comprenant quatre surfaces réfléchissantes disposées aux sommets d'un tétraèdre. 7. Gyroscope à laser en anneau selon la revendicntion 6, caractérisé en ce que les tétraèdres possèdent quatre arêtes plus longues que les deux arêtes restantes, les quatre arêtes les plus longues coincidant avec les chemins des faisceaux lumineux. 8. Gyroscope à laser en anneau selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il comporte un corps de forme parallèlépipèdique qui possède deux surfaces réfléchissantes situées respectivement dans deux régions de sommet opposées d'une première face du corps parallélépipèdique, et deux autres surfaces réfléchissantes situées dans deux régions de sommet opposées et respectives d'une seconde face du corps parallèlépipèdique, opposée à la première, les deux régions de sommet opposées de la première face étant décalées de 900 par rapport aux deux régions de sommet opposées de la seconde face,opposée à la première. 9. Gyroscope à laser en anneau selon la revendication 8, caractérisé en ce que les régions de sommet sont chanfreinées dans un bloc ayant à l'origine la forme d'un parallèlépipède rectangle, et ce bloc comporte des alésages qui relient chaque sommet chanfreiné avec les deux sommets chanfreinés de la face opposée, ce qui définit les chemins en zigzag pour les faisceaux lumineux, chaque sommet chanfreiné portant une surface réfléchissante. 10. Procédé de fabrication d'un gyroscope à laser en anneau correspondant à l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'on fabrique les surfaces réfléchissantes par une même opération de revêtement, ce qui permet d'obtenir des caractéristiques d'anisotropie de phase pratiquement identique pour les différentes surfaces réfléchissantes, et on monte les surfaces réfléchissantes sur une structure de support, en choisissant les emplacements sur la structure et les orientations angulaires des surfaces réfléchissantes de manière à établir une configuration non plane, en zigzag, pour la série de chemins des faisceaux lumineux entre les surfaces réfléchissantes.