Brevet FR2516233A1 — publié le 19830513

Les performances d'un gyroscope à laser en anneau sont liées à la bande de verrouillage Cette bande est une région d'entrée de vitesse angulaire autour d'une entrée de vitesse nulle, dans laquelle les deux ondes progressives circulant en sens opposés sont verrouillées entre elles de manière synch- rone en raison d'un couplage mutuel entre elles Acune sortie n'est obtenue du gyroscope et la bande de verrouillage et le facteur d'échelle deviennent hautement non linéaires à mesure qu'on s'approche de la bande de verrouillage Dans une catégorie de gyroscopes à laser en anneau, une polarisation à variation périodique est imposée au gyroscope pour minimiser les effets de la région de verrouillage On peut se reporter au brevet américain n O 4 132 482 pour des indications plus précises Bien que la solution brevetée donne en général des résultats satisfaisants, il existe néanmoins des non linéari- tés dans le facteur d'échelle et un coefficient d'excursion dû au hasard qui sont fonction de la largeur de la bande de verrouillage. Dans l'instrumentation actuelle de gyroscopes à laser en anneau, on met en oeuvre un asservissement pour minimiser un signal détectable, appelé signal clignotant, pour réduire la bande de verrouillage Toutefois, on a constaté que, dans le cas de certains gyroscopes à laser en anneau, le verrouill- age est au minimum lorsque le signal clignotant est au maxi- mum Pour d'autres, la largeur de la bande de verrouillage minimale se trouve entre les-signaux clignotants minimal et maximal Les signaux clignotants sont constitués par une modulation à courant alternatif des intensités des faisceaux laser que l'on peut observer tant à l'intérieur qu'à l'extér- ieur de la largeur de bande de verrouillage Les ondes, circulant dans le sens des aiguilles-d'une montre et en sens inverse,d'un gyroscope à laser en anneau manifestent les signaux clignotants Ce phénomène a son origine dans la dis- persion qui provoque le couplage entre les deux faisceaux et conduit au verrouillage des deux oscillateurs. La phase relative entre les signaux clignotants peut être aisément observée en laboratoire en réalisant des figures 16233 de Lissajou à partir des deux signaux clignotants On l'a fait et, de manière générale, lorsque la différence de phase entre les deux signaux clignotants est de 1800, l'accrochage ou verrouillage entre les faisceaux est minimisé quelle que soit l'amplitude des signaux clignotants Des études con- cernant la théorie des gyroscopes à laser en anneau qui tend- ent à appuyer cet argument figurent ci-après. Dans l'instrumentation de la plupart des gyroscopes à laser en anneau, la sortie e$stla différence de phase entre les oscillations optiques des deux ondes, différence observée dans l'interférence entre les deux ondes Cela est ordinaire- ment désigné par le terme "diagramme des franges" et est à retenir Toutefois, on a proposé que le dispositif permettant la réalisation du diagramme des franges sert également à l'observation des intensités individuelles des deux faisceaux. La présente invention concerne des moyens et un procédé, qui sont nouveaux, permettant de réduire cet accrochage entre les deux ondes Pour ce faire, on mesure la phase relative des signaux clignotants des faisceaux laser et on ajuste la différence de phase pour qu'elle soit de 1800, ce qui a pour résultat un accrochage ou verouillage minimal entre les faisceaux. -L'invention a donc pour objet de contrôler la position du parcours laser dans un gyroscope à laser en anneau afin de maintenir les conditions de fonctionnement à une valeur optimale grâce à une comparaison de la différence de phase entre les signaux clignotants. Une forme d'exécution de la présente invention est décrite ci-après à titre d'exemple, en référence au dessin annexé dans lequel la figure unique représente un gyroscope à laser en anneau comprenant les moyens de réglage de phase conformes à l'invention. La figure représente un gyroscope à laser en anneau qui comprend un bloc triangulaire 2 présentant une faible dilatat- ion thermique Une cavité 3, formée dans le bloc, est délim- itée par trois miroirs d'angle réfléchissants Ml, M 2, M 3 Des électrodes (non représentées) font qu'un gaz présent dans la 162-33 cavité crée, en raison d'une décharge deplasma, des faisceaux lumineux monochromatiques sepropageant dans le sens des aiguilles d'une montre et en sens inverse, ces faisceaux étant indiqués dans leur ensemble par le chiffre de référence 4 Les miroirs Ml et M 2 sont flexibles et peuvent être dé- placés dans un sens perpendiculaire à leur surface par des transducteurs piézoélectriques classiques Tl et T 2 Les tens- ions indiquées alimentent les transducteurs piézoélectriques. Un tel transducteur est décrit dans le brevet américain N O 3 581 227, délivré le 25 mai 1971. Le miroir M 3 permet à une faible quantité de rayonne- ment de sortir de la cavité Cela est représenté par les faisceaux Bl et B 2 qui tombent sur les miroirs à réflexion partielle M 5 et M 4 repectivement Les miroirs à réflexion partielle M 4 et M 5 divisent chaque faisceau en deux composants, un dirigé vers une photodiode respective (PD 2, PD 1), l'autre vers un combinateur de faisceaux M 6. Le faisceau désigné B 2 est divisé en deux faisceaux B 3 et B 4, tandis que le faisceau Bl est divisé en deux faisceaux B 5 et B 6 Les faisceaux B 4 et B 5 sont combinés par le combin- ateur M 6 pour former un faisceau B 7 pratiquement colinéaire qui est dirigé sur le détecteur de franges FD qui constitue la sortie du gyroscope. La caractéristique principale de l'invention concerne l'utilisation des signaux détectés, sur les faisceaux B 3 et B 6, par les photodétecteurs PD 1 et PD 2 Les intensités de ces faisceaux sont constituées d'une partie à courant continu et d'une partie à courant alternatif, cette dernière comprenant les signaux clignotants Pour une vitesse de rotation const- ante du gyroscope, ces signaux à courant alternatif oscillent en mesure,à une fréquence proportionnelle à la vitesse de rotation Pour de faibles amplitudes de dispersion, les -oscillations sont sensiblement des sinusoides pures De man- ière générale, il existe une phase arbitraire entre les phases des signaux issus des photodétecteurs PD 2 et P Dl (signaux Wl et W 2) Cette phase peut être modifiée en déplaçant, de man- ière synchrone, les miroirs Ml et M 2 pour que la longueur du parcours de la cavité laser reste constante mais que la position du faisceau sur les miroirs change. La différence de phase préférée pour un verrouillage minimale est de 1800 Par conséquent, la commande des miroirs est ajustée à l'aide du détecteur de phase Le détecteur comprend de-m-anière typique des préamplificateurs 3 et 4 des signaux respectifs-Wl et W 2, les sorties des amplificateurs étant envoyées sur le comparateur de phase 7 qui compare la phase des signaux Wl et W 2 et émet en sortie un signal d'erreur Ve qui est nul lorsque la différence de phase entre Wl et W 2 est de 1800 Ces signaux d'erreur commanderont-le circuit 8 du dispositif d'entraînement des miroirs de façon que les miroirs Ml et M 2 se déplacent pour réduire le signal d'erreur vers zéro. Les moyens de combinaison de faisceaux constitués par les miroirs M 4; M 5 et M 6 et les photodétecteurs PD 1 et PD 2 sont différents de ceux utilisés précédemmment en ce qu'ils donnent accès aux deux signaux clignotants Toutefois, ce procédé n'est pas le seul permettant d'obtenir les deux signaux clignotants A la place de miroirs séparés, on pour- rait utiliser une combinaison de miroirs et de prismes On pourrait également utiliser l'optique des fibres Si les signaux optiques sont dirigés depuis le miroir M 3 vers les moyens de combinaison de faisceaux, des coupleurs optiques pourraient prélever une faible fraction des signaux de chaque faisceau et les amener vers les photodiodes séparées On peut également obtenir les signaux à travers les miroirs Ml ou M 2 à l'aide de photodétecteurs disposés de manière appropriée dans ces structures à miroirs. On va décrire maintenant la théorie de base de-l'invent- ion L'intensité des deux faisceaux dans un gyroscope à laser en anneau et leur différence de phase est décrite par un système de trois équations différentielles couplées simult- anées comme le décrivent les publications: F Aronowitz et R J Collins, J of Applied Physics 41, 130 ( 1970) et Yu. L Klominotovitch, et a I, Soviet Phys JETP 24, 1 ( 1967) Un couplage entre les deux ondes est dû à la dispersion de 16233 lumière d'un faisceau à l'autre Cette dispersion se produit le plus souvent à la surface des miroirs La dispersion totale des trois miroirs est décrite comme un seul décalage en amplitude et en phase pour chaque faisceau On peut démontrer que lesdéphasages de la dispersion affectent lé verrouillage comme le déphasage moyen E = 2 ( 1 É 2) o t 1 et ú 2 sont les décalages optiques dûs à la dispersion du premier faisceau dans le second faisceau et du second faisceau dans le premier faisceau respectivement. La bande de verrouillage pour le gyroscope Est fonction de &et d'autres variables, y compris l'amplitude dela dis- persion La théorie montre que le verrouillage diminue à mesure que t s'approche de 900. Dans des simulations récentes de gyroscopesà laser en anneau sur ordinateur, on a démontré que, à mesure que E s'approche de 900, la différence de phase entre les signaux clignotants s'approchent de 1800 Aucun autre paramètre étudié dans la simulation n'a une influence sur la différence de phase des signaux clignotants Par conséquent, la phase entre les signaux clignotants devraient donner une mesure de l et le déphasage moyen de la dispersion et la phase des signaux clignotants peuvent être utilisés pour ajuster le verrouillage à une valeur minimale. Par conséquent, par comparaison de la différence de phase entre les signaux clignotants, on peut ajuster le par- cours du laser dans un gyroscope à laser en anneau pour minimiser le verrouillage entre les faisceaux. Il est à noter que le concept de la présente invention peut être mis en oeuvre tant dans les gyroscopes mis en vibration que ceux qui ne le sont pas En outre, bien que la description vise un mode de réalisation préféré avec mise en oeuvre de trois miroirs dans un boîtier triangulaire, l'invention peut s'appliquer à un bottier de forme appropriée dans lequel sont montés plus de trois miroirs. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté sans pour autant sortir de l'invention. REVENDICATIONS 1 Gyroscope à laser en anneau comprenant au moins trois miroirs d'angle réfléchissants délimitant une cavité dans laquelle deux faisceaux laser circulent en sens opposés, caractérisé en ce qu'il comprend un système pour minimiser le verrouillage entre faisceaux comprenant: des premiers moyens de photodétection (PD 1) destinés à détecter un signal clignotant d'un premier faisceau; des seconds moyens de photodétection (PD 2) destinés à détecter un signal clignotant d'un second faisceau des moyens ( 2) reliés aux sorties des premiers et seconds moyens de photodétection (PD 1,PD 2) pour détecter la différence de phase entre elles et à émettre un signal d'erreur en fonction de la phase; des premier et second transducteurs (T 1,T 2) reliés respectivement à des premier et second miroirs (M 1,M 2) pour déplacer séparément ces miroirs, effectuant de ce fait une modification de la longueur du parcours des faisceaux laser; et des moyens d'entraînement des miroirs ( 8) recevant en entrée le signal d'erreur et reliés par ses sorties aux premier et second transducteurs (T 1,T 2) pour ajuster simultané- ment les premier et second miroirs (M 1,M 2), et par conséquent la longueur du parcours des faisceaux afin de minimiser le verrouillage entre les faisceaux. 2 Gyroscope selon la revendication 1, caractérisé en ce que le verrouillage entre faisceaux est minimisé lorsque les signaux clignotants sont déphasés de 1800. 3 Gyroscope selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de détection de phase comprennent des premiers et seconds moyens ( 3,4) d'amplification des signaux clignotants détectés; et un comparateur de phase ( 7) relié par ses entrées à la sortie des moyens d'amplification, le signal d'erreur apparaissant à la sortie du comparateur de phase. 4 Gyroscope à laser en anneau qui minimise le verrouill- age entre faisceaux, caractérisé en ce qu'il comprend: un boîtier ( 2) délimitant une cavité ( 3) dans laquelle circulent des premier et second faisceaux en sens opposés un miroir fixe (M 3) monté à un premier angle du boîtier et permettant un rayonnement partiel des faisceaux de sortir de celui -ci; des premier et-seco-nd miroirs mobiles (M 1,M 2) montés aux second et troisième angles du boîtier ( 2) pour ajuster la longueur du parcours des faisceaux à l'intérieur de la cavité ( 3); des premier et second moyens (M 4,M 5) destinés à diviser les faisceaux de sortie en premier et second composants respectifs des faisceaux (B 3,B 4; B 5,B 6); des moyens (M 6) -dest 4 ïnés-à combiner les premiers composants; des premiers moyens de photodétection (FD) destinés à recevoir les premiers composants combinés et à émettre des données en sortie du gyroscope à laser en anneau; des seconds moyens de photodétection (PD 1) recevant un second composant d'un faisceau, et détectant un signal clignotant sur celui-ci; des troisièmes moyens de photodétection (PD 2) recevant un second composant de l'autre faisceau et détectant un signal clignotant sur celui-ci; des moyens ( 2) reliés par ses entrées aux sorties des secondszet troisièmes moyens de photodétection (PD 1,PD 2) pour détecter la phase entre les signaux clignotants et émettre un signal d'erreur en conséquence; et des moyens ( 8) sensibles au signal d'erreur pour entraîner simultanément les miroirs afin-d'assurer un verrouillage minimal entre faisceaux. Gyroscope selon la revendication 4, caractérisé en ce que les premier et second miroirs mobiles (M 1,M 2) comprennent chacun un transducteur (T 1, T 2) relié à un miroir, une entrée de chaque transducteur étant reliée à la sortie des moyens d'entraînement. 6 Gyroscope selon la revendication 4, caractérisé en ce que le verrouillage entre faisceaux est minimal lorsque les signaux clignotants sont déphasés de 1800. 7 Gyroscope selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de détection de phase ( 2) comprennent des premiers et seconds moyens ( 5,6) d'amplification des signaux clignotants détectés; et un comparateur de phase ( 7) relié par ses entrées à la sortie des moyens d'amplification, le signal d'erreur apparaissant en sortie du comparateur de phase. 8 Procédé permettant de minimiser le verrouillage entre faisceaux dans un gyroscope à laser en anneau, caract- érisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: photodétection du signal clignotant sur un premier faisceau du gyroscope à laser en anneau; photodétection du signal clignotant sur un deuxième faisceau du gyroscope à laser an anneau; détection de la phase entre les signaux clignotant;et ajustement de la longueur du parcours des faisceaux jusqu'à ce que la phase détectée entre les signaux clignot- ants soit sensiblement égale à 1800.