Brevet FR2478810A1 — publié le 19810925

L'invention concerne les gyroscopes à laser en anneau, et plus particulièrement un gyroscope perfectionné à laser en anneau dans lequel le blocage de fréquence d'ondes lumineuses de sens opposés est empêché par un écoulement oscillant du milieu laser. Il est bien connu qu'à des vitesses de rotation suffisamment élevées, la différence de fréquence entre deux ondes lumineuses tournant en sens inverse dans un laser en anneau est directement proportionnelle à la vitesse de rotation du laser. Cette différence de fréquence ou note de battement peut donc être utilisée pour mesurer une rotation, d'o l'expression "gyroscope à laser en anneau". Cependant, un rayonnement de rétrodiffusion réalise un couplage entre les deux faisceaux lumineux de sens opposés et, à de faibles vitesses de rotation, provoque un blocage de fréquence de ces faisceaux. Autrement dit, la note de battement devient nulle, bien que la vitesse de rotation du gyroscope ne soit pas nulle. La note de battement O' en fonction de la vitesse de battement est donnée mathématiquement par la relation suivante O' = a + b sin(0 - 00), o a est essentiellement la vitesse de rotation et b est le coefficient de rétrodiffusion. Tant que a est très supérieur à b dans l'équation précédente, aucun blocage de fréquence ne se produit. Cependant, lorsque a blocage, provoquant la disparition de 0'. Un procédé pour éliminer le problème de blocage de mode consiste à moduler en fréquence le gyroscope par une technique optiquement non alternative, par exemple par tremblement mécanique de l'ensemble du système. Un tel système à tremblement mécanique est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique NI 4 115 004. Un autre procédé pour éliminer le problème de blocage de mode consiste à utiliser un dispositif qui travaille suivant le principe du tremblement optique. Autrement dit, les faisceaux lumineux de sens opposés sont 24788 0 engendrés par l'excitation du milieu laser. Si le laser est pompé avec une énergie supplémentaire, dépassant celle nécessaire pour produire les deux premiers modes des faisceaux lumineux, le laser produit deux modes supplémen- taires correspondant au mode longitudinal suivant. Ce laser dit à quatre modes est décrit dans un article intitulé "Novel Multioscillator Approach to the Problem of Locking In Two-Mode Ring-Laser Gyros" par Marlan O. Scully, Virgil E. Sanders and Murray Sargent III, Optics Letters, Vol. 3, page 43, Août 1978. Bien qu'un tremblement mécanique et, à un degré moindre, un tremblement optique d'un corps de laser ait été considérés comme des moyens pratiques, des dispositifs plus simples et plus pratiques sont actuellement considérés. Le dispositif le plus simple prévu par la présente invention est un gyroscope à laser en anneau à tremblement acoustique, dans lequel le milieu diélectrique formant le milieu laser est mis en circulation de manière oscillante. Lorsque les faisceaux lumineux de sens opposés traversent le milieu diélectrique oscillant, ce dernier provoque un glissement de fréquence de chaque faisceau, conformément à l'effet Fresnel-Fizeau. En modulant l'amplitude et le sens de l'écoulement du milieu diélectrique, les effets de tremblement mécanique ou optique peuvent être imités. En 1818, Fresnel déduit de la théorie de l'éther que la vitesse V de la lumière dans un milieu diélectrique se déplaçant dans la direction de propagation doit être V = /nVM(l- /n2 o n est l'indice de réfraction du milieu et Vm est la vitesse du milieu. L'existence de l'effet FresnelFizeau ou coefficient d'entraînement de Fresnel a été confirmée par divers expérimentateurs dont Fizeau qui le fit pour la première fois en 1851. A titre d'exemple d'ouvrage plus récent, on peut se reporter à l'article "The Ring Laser" de Warren M. Macek et Earl J. McCartney, publié dans la revue Sperry Rand Engineering Review, Vol. 8, printemps 1966. Cet article a 247881O trait à l'utilisation d'un laser en anneau pour tester l'effet de milieux diélectriques en mouvement à travers le trajet laser. Un second article traitant du coefficient d'entraînement de Fresnel est intitulé "'A Precision Measurement of Fresnel Drag In A Ring Laser", de Walter K. Stowell, Oklahoma State University, Ph.D., 1974, Engineering, electrical, publié par Xerox University Microfilms, Ann Arbor, Michigan, NI 75-8899. Dans cet article, on utilise un disque de silice fondue pour démontrer et mesurer le coefficient d'entraînement de Fresnel. Bien que les lasers en anneau aient été utilisés pour mesurer le coefficient d'entraînement de Fresnel, l'art antérieur ne décrit pas la mise en oeuvre d'un laser en anneau utilisant le coefficient d'entraînement de Fresnel comme moyen de modulation de fréquence pour empêcher le blocage de mode et produire ainsi un gyroscope à laser en anneau. D'autres procédés pour éliminer le problème du blocage de mode sont décrits dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N0 3 533 014 qui a trait à un procédé pour faire osciller les miroirs dans un gyroscope à laser en anneau, dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique NI 3 612 690 qui a trait à un procédé pour produire des tremblements de manière électrique et aléatoire, dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N' 3 721 497 qui a trait à une technique de modulation électrique du faisceau laser, et dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N0 3 743 969 qui a trait à une autre technique de tremblement par procédé électrique. L'invention concerne un gyroscope à laser en anneau à tremblement acoustique, conçu pour empêcher le blocage de fréquence aux faibles vitesses de déplacement, par suite du rayonnement de rétrodiffusion, et conçu également pour éviter d'avoir à mettre en oeuvre les techniques antérieures de tremblement par procédé mécanique ou optique. Un gyroscope à laser en anneau comprend un corps qui présente des canaux disposés en boucle fermée et remplis d'un milieu laser, par exemple un mélange d'hélium et de néon gazeux. Le milieu laser est diélectrique et est donc sujet à l'effet Fresnel-Fizeau lorsqu'il est mis en mouvement. Le mouvement du milieu provoque une accélération ou un ralentissement d'un faisceau lumineux traversant ce milieu, suivant que ce dernier se déplace dans le sens de la lumière ou en sens opposé. L'accélération ou le ralentissement du faisceau lumineux provoque un changement de sa fréquence finale de sorte que la focalisation du faisceau sur une surface, en combinaison avec un second faisceau, provoque une modification des franges d'interférence par suite de la suppression et/ou du renforcement de l'énergie électro- magnétique des faisceaux. Les franges d'interférence changeantes sont ensuite détectées par détection hétérodyne afin d'indiquer la vitesse de rotation du gyroscope à laser en anneau. Le milieu diélectrique contenu dans les canaux du laser est mis en mouvement au moyen d'un mécanisme de tremblement acoustique, par exemple un diaphragme. Ce dernier peut être monté dans une cavité séparée et distincte du canal, et il peut être mis en oscillation au moyen d'une bobine électromagnétique ou en étant constitué d'une pièce de matière piézoélectrique. Une variante de montage pouvant être utilisée pour engendrer l'écoulement du milieu laser consiste à placer un diaphragme de forme torique directement dans le canal du laser et, de même que précédemment, à commander ce diaphragme au moyen d'une bobine électromagnétique ou d'un transducteur piézoélectrique. Par ce montage, il est possible d'éviter la mise en oeuvre d'un dispositif de tremblement mécanique ou d'un dispositif optique dans lequel des troisième et quatrième modes sont générés. L'invention a donc pour objet un gyroscope perfectionné à laser en anneau, comportant un mécanisme de tremblement acoustique qui empêche le blocage des faisceaux lumineux de sens opposés. L'invention évite d'avoir à faire trembler mécaniquement ou optiquement le gyroscope à laser en anneau et elle utilise l'effet Fresnel-Fizeau pour réaliser un gyroscope à laser perfectionné, utilisant un tremblement acoustique. 24788 O L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: - la figure 1 est une vue de dessus, avec coupe partielle, d'un gyroscope typique à laser en anneau auquel l'invention peut s'appliquer; - la figure 2 est une coupe partielle suivant la ligne 2-2 de la figure 1, montrant un mécanisme de tremblement acoustique selon l'invention; - la figure 3 est une coupe partielle suivant la ligne 3-3 de la figure 1, montrant une variante de mécanisme de tremblement acoustique; - la figure 4 est une coupe partielle suivant la ligne 4-4 de la figure 3; et - la figure 5 est une coupe analogue à celle de la figure 3, montrant une variante du mécanisme de tremblement acoustique selon l'invention. La figure 1 représente un gyroscope typique 10 à laser en anneau, réalisé dans un corps 12, par exemple en quartz ou en matière à dilatation extrêmement faible, par exemple en silicate de titane. Le corps 12 du laser présente quatre canaux 14 formant un circuit rectangulaire fermé. Les canaux 14 sont hermétiques de manière à retenir un mélange gazeux constitué d'environ 90 % d'hélium et 10 % de néon, sous un vide d'environ 400 Pa, la pression atmosphérique étant d'environ 100 000 Pa. Conformément à la pratique connue dans le domaine des lasers, le corps 12 comporte deux cathodes 16 et 18 et deux anodes 20 et 22 qui sont fixées au corps d'une manière bien connue de l'homme de l'art. Une décharge de gaz est réalisée entre la cathode 16 et l'anode 20, dans le canal 14, ainsi qu'entre la cathode 18 et l'anode 22. Un getter 24 est destiné à absorber les impuretés présentes dans le gaz contenu dans le canal 14. Des miroirs 28, 30, 32 et 34 sont placés aux quatre angles du circuit optique formé dans le canal 14 du gyroscope 10 à laser en anneau, deux des miroirs, à savoir les miroirs 28 et 34 étant montés sur des dispositifs 36 et 38 de sortie à photodétection, respective- 24788" O ment. Les dispositifs de photodétection mesurent la fréquence de battement de faisceaux lumineux de sens opposés afin d'indiquer, par détection hétérodyne, de manière bien connue, la rotation du gyroscope 10 à laser en anneau. Deux mécanismes 40 de tremblement acoustique sont montés sur la surface extérieure du corps 12 du laser, l'un de ces mécanismes étant mieux représenté sur la figure 2 sur laquelle le canal 14 est tourné de 90 , par rapport à l'orientation de la figure 1, pour plus de clarté. Le mécanisme 40 de tremblement acoustique est formé dans un bottier cylindrique 42 réalisé en matière non magnétique et présentant une extrémité filetée de manière à pouvoir se visser dans un trou taraudé 44 ménagé dans le corps 12 du laser. Le trou taraudé 44 est réduit à son extrémité intérieure afin de former un épaulement 46 et une chambre 47. La surface extrême intérieure de la chambre 47 du trou se termine par une ouverture alésée qui est percée sous un certain angle afin de former un second canal 48 débouchant dans le canal 14. Une bague 50 est placée entre l'épaulement 46 et l'extrémité intérieure du bottier 42 afin d'assurer l'étanchéité de ce dernier lorsqu'il est vissé dans le corps 12 du laser. L'inclinaison du second canal 48 assure que le mouvement oscillant du milieu laser dans le canal 14 constitue un écoulement laminaire, sans engendrer des effets de cavitation ou d'autres anomalies risquant d'affecter l'effet Fresnel-Fizeau. Les deux mécanismes 40 de tremblement acoustique sont disposés de manière à produire un écoulement du milieu en va-et-vient et, par conséquent, un mouvement oscillant entre les deux canaux inclinés 48 afin que l'effet Fresnel-Fizeau ne se- produise que sur la distance relativement courte comprise entre ces canaux, comme indiqué par la flèche 49. Chaque mécanisme 40 de tremblement acoustique comprend une bobine 52 logée dans le bottier 42 et sur laquelle est enroulé un fil 54 de transformateur relié à des bornes 56. Un alésage longitudinal 58, ménagé à l'intérieur de la bobine 52, reçoit une tige 60 réalisée en acier - magnétique, résistant à la corrosion. L'extrémité inférieure de la tige 60 est reliée à un diaphragme-plongeur 62 qui est ajusté de manière à pouvoir coulisser dans la chambre 47. Un ressort 64 tend à déplacer le plongeur 62 vers le bas ou vers l'intérieur. Ainsi qu'il est bien connu, un courant alternatif appliqué aux bornes 56 provoque une attraction du plongeur 62, rappelé par ressort, vers le haut et vers l'intérieur de la bobine 52, contre la force du ressort 64, sous l'effet du champ électromagnétique produit par les fils 54 de transformateur. Lorsque le champ s'annule en raison de la forme du courant alternatif, le plongeur est repoussé vers le bas par le ressort 64. Il en résulte un écoulement oscillant du milieu laser contenu dans le canal 14, sous l'effet de pompage produit par les plongeurs-diaphragmes 62 des mécanismes 40 qui aspirent le milieu laser dans les seconds canaux 48 et le refoulent de ces canaux 48 en va-et- vient. La figure 1 représente en 70 un second mécanisme de tremblement acoustique constituant une variante du mécanisme 40 de tremblement acoustique décrit ci-dessus. Comme représenté notaminent sur les figures 3 et 4, le second mécanisme 70 de tremblement acoustique est monté dans un trou 72 percé dans la paroi latérale du corps 12 du laser. Le trou 72 traverse le canal 14 et un tronçon fileté 74 est usiné dans sa surface périphérique extérieure. Le mécanisme 70 de tremblement acoustique est disposé dans un boîtier non magnétique 76 qui présente une forme cylindrique lui permettant de s'ajuster colLine un bouchon dans le trou 72. Une chambre alésée 78 traverse le boîtier 76, perpendiculairement à son grand axe. Cet alésage 78 est disposé de manière à être concentrique au canal 14. Une bobine tubulaire 80, logée dans l'alésage 78, est réalisée en matière non magnétique et présente une surface cylindrique évidée 81 destinée à recevoir et retenir des fils 82 de transformateur. L'alésage 78 ménagé dans le boîtier cylindrique 76 réduit sensiblement la zone utile latérale dans laquelle le mécanisme de tremblement acoustique formé dans la bobine 80 peut être monté, comme représenté notamment sur la figure 4. Il n'est pas nécessaire que la bobine 80 soit retenue à l'intérieur de 24788"' l'alésage 78 du boîtier 76 au moyen d'un dispositif de blocage autre qu'une liaison, car les surfaces intérieures du trou 72 empêchent tout mouvement latéral du boîtier 76. La bobine non magnétique 80 présente un alésage longitudinal 84 qui est élargi à une extrémité afin de former un épaulement central 86. Un plongeur tubulaire 88, monté de manière à pouvoir coulisser dans l'alésage 84, est réalisé en matière magnétique et comporte un diaphragme 90 en forme de disque, fixé à une extrémité de ce plongeur et présentant un trou central 92 qui permet le passage des faisceaux lumineux de sens opposés circulant dans le canal 14. Le plongeur 88 est retenu dans l'alésage 84 par un anneau élastique 94 en forme de C, logé dans une gorge ménagée dans la surface intérieure de l'alésage 84. Un ressort 96 tend à déplacer le plongeur 88 et le diaphragme 90 contre l'anneau 94. L'application d'un courant alternatif aux bornes 98 reliées au fil 82 de transformateur engendre un champ électro- magnétique qui tire le plongeur magnétique 88 vers l'intérieur de la bobine formée par le fil 82, contre la force de rappel du ressort 96. La suppression du courant provoque un déplacement du plongeur 88 et du diaphragme 90 en sens opposé. De cette manière, le plongeur et le diaphragme provoquent un écoulement laminaire du milieu de laser, à une fréquence déterminée par le signal appliqué aux bornes 98. L'extrémité supérieure ou extérieure du boîtier 76 présente une gorge 100 dans laquelle une bague 102 est placée. Une fois que le boîtier 76 a été introduit dans le trou 72, la bague 102 obture hermétiquement le canal 14. Le boîtier 76 est retenu dans le trou 72 par un bouchon 104 qui est vissé dans le tronçon fileté 74 et qui porte les bornes 98, ce qui complète le mécanisme 70 de tremblement acoustique. Le montage à bobine électromagnétique, montré sur les figures 3 et 4, peut être remplacé par un cristal piézo- électrique, comme décrit ci-dessous. Bien qu'un seul mécanisme 70 de tremblement soit représenté, il est évident que deux de ces mécanismes peuvent être utilisés dans une combinaison en va-et-vient, comme décrit précédemment. Cependant, la configuration du mécanisme 70 permet à ce dernier d'être utilisé seul. 2478 8 0 La figure 5 représente une autre forme de réalisation du mécanisme de tremblement acoustique. Dans ce montage, un mécanisme 110 de tremblement acoustique est formé dans une cavité épaulée 112 ménagée dans une paroi latérale du corps 12 du laser. L'alésage épaulé 112 communique avec le canal 14 par un second canal 1140 Ce dernier est incliné d'un certain angle par rapport au canal 14 afin de favoriser un écoulement laminaire du milieu laser déplacé, comme décrit précédemment en regard de la figure 2. La partie supérieure de la cavité 112 est élargie pour former un épaulement 116. Un diaphragme 118, constitué d'un disque de matière piézo- électrique, est placé contre l'épaulement 116. La surface périphérique extérieure de la cavité épaulée 112 est filetée de manière à recevoir un bouchon 120 qui porte des bornes 122. Une bague 124 est placée contre la surface extérieure et supérieure du diaphragme piézoélectrique 118 et le bouchon est serré contre cette bague afin d'obturer hermétiquement la cavité 112. Des contacts flexibles 126, reliés aux bornes 122, portent contre des extrémités opposées du diaphragme piézoélectrique 118. En appliquant une tension aux bornes 122, le diaphragme piézoélectrique se déplace sous l'effet de la tension qui lui est appliquée, afin d'augmenter ou de diminuer le volume de la cavité 112 et d'établir ainsi un écoulement oscillant du milieu laser dans les canaux 114 et 14. Comme représenté sur la figure 5, il est également souhaitable d'utiliser deux mécanismes 110 de tremblement acoustique dont les seconds canaux 114 convergent vers le canal 14 afin que le premier mécanisme 110 de tremblement acoustique fasse circuler le milieu laser dans un premier sens alors que le second mécanisme 110 provoque un écoulement de sens opposé. De cette manière, les deux mécanismes 110 de tremblement sont disposés en va-et-vient pour favoriser l'écoulement oscillant du milieu laser, comme indiqué par la flèche 49. Les divers mécanismes de tremblement acoustique décrits ci-dessus et comprenant les mécanismes 40, 70 et 110 peuvent être modifiés conformément aux formes de réalisation représentées ou suivant d'autres configurations évidentes à l'homme de l'art. Le fait d'utiliser une bobine électro- magnétique ou un transducteur piézoélectrique pour provoquer un écoulement oscillant du milieu laser est une question de préférence. La caractéristique importante de l'invention est que, en provoquant un écoulement du milieu laser, le gyroscope 10 à laser en anneau peut être soumis à un tremblement acoustique. Ce tremblement acoustique évite d'avoir à utiliser des procédés de tremblement mécanique ou optique connus dans l'art antérieur. Comme décrit précédemment, le milieu en circulation provoque une variation de la vitesse des faisceaux lumineux de sens opposés au passage de l'énergie électromagnétique à travers ce milieu, du fait de l'indice de réfraction, conformément à l'effet Fresnel- Fizeau. Bien que l'art antérieur utilise des lasers en anneau pour étudier l'effet Fresnel-Fizeau ou le coefficient d'entraînement de Fresnel, il n'est pas indiqué, dans l'art antérieur, l'utilisation de cet effet pour faire trembler un gyroscope à laser en anneau et empêcher ainsi le blocage de mode dû à la tendance de faisceaux lumineux de sens opposés à se bloquer sur des fréquences voisines lorsque la vitesse de déplacement du gyroscope est faible. Les mécanismes de tremblement acoustique selon l'invention sont comparables au dispositif de tremblement mécanique par le fait que l'amplitude et la fréquence peuvent être modifiées et réglées. Il est apparu qu'un tremblement optique, dans lequel des troisième et quatrième modes sont engendrés optiquement, ne peut être maîtrisé avec le même degré, car l'amplitude et la fréquence sont fixées par les paramètres du système. Ainsi, le montage décrit ci-dessus présente les avantages de réglage existant dans un système mécanique, tout en éliminant, par l'utilisation de mécanismes acoustiques simples, les nombreux éléments coûteux et peu pratiques d'un système de tremblement mécanique. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au gyroscope décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Gyroscope à laser en anneau, caractérisé en ce qu'il comporte un corps (12) de laser présentant un canal (14), un milieu laser qui remplit ce canal, un dispositif destiné à engendrer dans ledit milieu laser deux modes d'oscillation laser, se propageant en sens opposés, et un dispositif destiné à produire un écoulement oscillant du milieu laser dans le canal afin de faire apparaître une différence de fréquence entre les deux modes pour empêcher tout blocage de fréquence de ces modes. 2. Gyroscope selon la revendication 1, caractérisé en -ce que le dispositif destiné à provoquer un écoulement oscillant du milieu laser comprend un ensemble à diaphragme 3. Gyroscope selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'ensemble à diaphragme (90) présente une forme torique entourant le canal. 4. Gyroscope selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'ensemble à diaphragme est disposé dans une chambre (47 ou 112) juxtaposée au canal et reliée à ce dernier par un second canal (48 ou 114). Gyroscope selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'ensemble à diaphragme (62) est commandé par une bobine électromagnétique (52, 54). 6. Gyroscope selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'ensemble à diaphragme (118) est commandé par un transducteur piézoélectrique. 7. Gyroscope selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'ensemble à diaphragme comprend deux diaphragmes commandés en va-et-vient. - 8. Gyroscope à laser en anneau, caractérisé en ce qu'il comporte un corps (12) de laser présentant un canal (14), un milieu laser qui remplit ce canal, des éléments (16, 18, 20, 22) d'excitation du milieu laser pour produire des ondes lumineuses parcourant ledit canal du laser en anneau, en sens opposés, et un dispositif provoquant un écoulement du milieu laser dans un premier sens, puis en sens opposé afin que l'effet Fresnel- Fizeau exercé sur les ondes lumineuses de 24788& sens opposés, dans le milieu laser s'écoulant ainsi, engendre une différence de fréquence entre les ondes lumineuses en sens opposés, cette différence de fréquence empêchant le blocage de fréquence des ondes opposées. 9. Gyroscope selon la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif provoquant un écoulement du milieu laser comprend un ensemble à diaphragme oscillant (62, 90 ou 118). 10. Gyroscope selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'ensemble à diaphragme oscillant comprend deux mécanismes (40 ou 110) de tremblement acoustique, montés dans des chambres (47 ou 112) juxtaposées au canal et reliées à ce dernier par des seconds canaux (48 ou 114) qui convergent vers le premier canal cité.