Brevet FR2554596A1 — publié le 19850510

DISPOSITIF INTERFEROMETRIQUE DE MESURE D'UNE VITESSE DE ROTATION ANGULAIRE. L'invention se rapporte à un dispositif interférométrique appliqué à la mesure d'une vitesse de rotation angulaire par l'intermédiaire de l'effet Sagnac. Un interféromètre de l'art connu comporte principalement une source d'énergie lumineuse généralement constituée par un laser; un dispositif optique constitué soit d'un certain nombre de miroirs, soit d'une fibre optique enroulée sur elle-même, ce dispositif formant guide d'onde; un dispositif de séparation et de mélange de la lumière et un dispositif de détection et de traitement du signal détecté. Dans un tel interféromètre, il existe deux ondes issues du dispositif séparateur et parcourant en sens opposés un même trajet optique. Une propriété fondamentale des interféromètres en anneau est la réciprocité qui peut s'exprimer comme suit: toute perturbation du trajet optique affecte semblablement les ondes bien que ces deux ondes ne la subissent ni exactement au même instant, ni dans le même sens. Il existe cependant deux types de perturbations qui affectent la réciprocité. Il s'agit d'une part des perturbations qui varient dans le temps, ce dans un laps de temps comparable au temps que mettent les ondes à se propager le long du chemin optique de l'interféromètre; et d'autre part, les pertuba- tions dites "non réciproques", c'est à dire les perturbations n'ayant pas le même effet sur les ondes selon qu'elles se propagent dans un sens ou dans un autre le long du chemin optique. Il s'agit d'effet physiques qui détruisent la symétrie du milieu dans lequel se propagent les ondes. Deux effets connus présentent ce dernier type de perturbations: - l'effet Faraday, ou effet magnéto-optique colinéaire, par lequel un champ magnétique crée une orientation préférentielle du spin des électrons d'un matériau optique. - et l'effet Sagnac, ou effet inertiel relativiste, dans lequel la rotation de l'interféromètre par rapport à un repère Galliléen détruit la symétrie du temps de propagation. Cet effet est mis à profit pour réaliser des gyromè- tres notamment. En l'absence de manifestation de perturbations "non réciproques", la différence de phase, que l'on appellera dans ce qui suit A, entre les deux ondes, qui se recombinent dans le dispositif de séparation et de mélange après avoir parcouru le chemin optique, est nulle. Le dispositif de détection et de traitement détecte des signaux représentant la puissance optique de l'onde composite obtenue après recombinaison. Cette puissance peut se décomposer dans les interféromètres de l'art connu en deux composantes: une composante constante et une composante n'existant qu'à l'apparition de perturbations "non-réciproques". Par rapport à ce dispositif de l'art connu, le dispositif proposé se différencie en ce qu'il utilise un cristal photoréfractif amplificateur placé à l'intérieur d'une cavité optique par exemple triangulaire et en ce que deux ondes contrarotatives de fréquences différentes se propagent dans la cavité. Ce dispositif présente donc le grand avantage d'être insensible aux faisceaux retrodiffusés par les miroirs de la cavité optique, et de plus pour chaque onde contrarotative le gain présenté par la cavité est unidirectionnel. L'invention a pour objet un dispositif interférométrique de mesure d'une vitesse de rotation angulaire, comprenant des moyens de guidage optique formant une boucle fermée dans laquelle circule deux ondes contrarotatives, des moyens de mélange de ces deux ondes contrarotatives et des moyens de détection reliés à ces moyens de mélange, caractérisé en ce qu'il comporte un milieu intéractif et des moyens pour générer un champ électrique aux bornes de ce milieu, ce milieu étant disposé sur le parcours de la boucle fermée, une source qui délivre deux ondes de pompe chacune interférant dans ledit milieu avec l'une de ces deux ondes contrarotatives, et générant ainsi des franges d'interférence de manière à obtenir deux ondes contrarotatives ayant deux fréquences différentes, ce champ étant de direction perpendiculaire à ces franges d'interférence. D'autres caractéristiques et avantages apparaitront dans la description ci-après, en référence aux figures annexées ou: - les figures 1 et 2 illustrent un dispositif de l'art connu. - la figure 3 est un figure explicative du fonctionnement du dispositif de l'invention. - la figure 4 représente une vue schématique du dispositif de l'invention. - les figures 5 à 7 illustrent différents aspects du dispositif de l'invention. - la figure 8 illustre une variante du dispositif de l'invention. - la figure 9 illustre un aspect du dispositif de l'invention. - la figure 10 illustre une réalisation du dispositif de l'invention. - la figure 11 illustre une variante du dispositif de l'invention. La figure 1 représente schématiquement un interféromètre en anneau de l'art connu. Une source laser S produit un faisceau de rayons parallèles 31 vers un dispositif séparateur constitué par une lame ou un miroir semitransparent M. Un certain nombre de miroirs (trois sur la figure 1: M1 à M3) définissent un trajet optique, formant l'anneau de l'interféromètre rebouclé sur le dispositif répartiteur M qui joue également le rôle d'un dispositif de mélange et définit ainsi une branche de sortie 33. Le faisceau émergeant est alors dirigé vers un dispositif D de détection et de traitement des signaux détectés. L'anneau est parcouru par deux ondes se propageant en sens inverse: l'une dans le sens horaire (ou sens 2), l'autre dans le sens anti-horaire (ou sens 1). Ces deux ondes se recombinent sur la lame séparatrice M. Le résultat de cette recombinaison peut être observé dans la branche de sortie 33. Dans la branche d'entrée 1 l'équation suivante est vérifiée - Pe =Ple +P2e2\ 'Cos(A) Dans la branche de sortie 33, l'équation suivante est vérifiée: Ps=P ls + P2s - 2 s 2s Cos A () dans lesquelles Pe et Ps sont les puissances optiques. Aà est la différence de phase entre les deux ondes se propageant en sens inverse dans l'anneau 32 au moment de la recombinaison. En Pl'absence de perturbation "non- réciproque", cette différence de phase A est nulle. Si on considère, à titre d'exemple non limitatif, le cas particulier d'un gyromètre mettant en oeuvre un interféromètre à anneau, une perturbation "non-réciproque" va être crée par la mise en rotation du gyromètre. Dans ce cas la différence de phase A A n'est plus nulle. La relation donnant Aà est: A 4 = a 2 o est la vitesse de rotation et a est une variable donnée par la relation: Lk. xc o: k est une constante dépendant de la géométrie du gyromètre. - L la longueur du parcours optique - X la longueur d'onde de la lumière produite par la source laser S - et c la vitesse de la lumière dans l'anneau 2. Lorsque la vitesse de rotation i augmente, la différence de phase A augmente dans les mêmes proportions. La puissance optique Ps dans sa branche de sortie 33 évolue selon une loi cosinusoldale. La sensibilité de la mesure pour une valeur AS donnée est exprimée par la dérivée de la fonction Ps: d Ps di = lsP2 sin() La variation de la puissance optique dans la branche de sortie 2 est illustrée par le diagramme de la figure 2. On peut considérer que les termes Pls et P2s sont égaux. il s'en suit que pour-une différence de phase A) = o, la puissance détectée est nulle. Elle passe par un maximum Psmax pour A$ = ir et de nouveau par zéro pour 2 w et ainsi de suite. Le dispositif de l'invention utilise une amplification cohérente par mélange à deux ondes dans un cristal photoréfractif. Une onde de pompe intense (- 10mW cmn-2) interfère avec une onde signal de faible intensité ( 99 uWcm 2) dans le volume d'un cristal photoréfractif, tel que l'oxyde de bismuth-silicium (B.S.O.) ou le titanate de Baryum (BaTiO3), un champ Eo étant appliqué perpendiculairement aux franges d'interférences. Compte tenu des effets d'autodiffraction de l'onde de pompe sur le réseau de phase enregistrée en temps réel dans le cristal, on peut induire un transfert d'énergie de l'onde de pompe vers l'onde signal (amplification paramétrique). Dans ces conditions, l'intensité transmise se met sous la forme: I=1 o exp[r -(ax x avec: r: coefficient exponentiel de gain a-: coefficient d'absorption : longueur d'interaction du matériau Le gain r est relié à la variation d'indice maximale Ans par la relation: r =r Ans À Les conditions d'obtention d'une valeur élevée du gain dans les cristaux BSO sont les suivantes: - L'enregistrement est réalisé par un système de franges d'interféren- ces se déplaçant à vitesse V telle que: KV T = I; K =- 2r; A pas des A strates; T constante de temps d'établissement du réseau. Ceci a pour effet d'introduire un décalage spatial de r/2 entre la variation d'indice et le réseau d'illumination dû aux franges d'interférences (réponse non locale). Ce réseau d'interférences à vitesse V s'obtient en translatant la fréquence de l'une des ondes pompe ou signal a une quantité 6 = 1 1 2 rT Le pas des strates est choisi autour de la valeur A - 20/um, ce qui correspond au maximum de la courbe de gain r en fonction de la fréquence spatiale du réseau A = 2--.; 2 0 étant l'angle entre les deux faisceaux interférant sur le cristal. Pour cette fréquence spatiale des valeurs de r de l'ordre de 5 à 7 cm 1 on été obtenues pour un champ appliqué de 10 KVcm-1 et e > 103 avec Iro.. . = Iso; rapportd'intensité des ondes interférant sur le cristal. Ces valeurs très élevées du gain ont permis d'amplifier par 500 un faisceau signal- incident de très faible intensité [IRo = 10 /umWcm-2 So 1 O/umWcm- 2]. La constante de temps d'établissement du phénomène (donc la transla- tion de fréquence 6) dépendent de l'intensité incidente sur l'onde de pompe. Dans le domaine spectral À 500nm, la constante de temps d'établis- sement du changement d'indice par effet photoréfractif dans le cristal BSO est donnée par la relation: T _____! (mWcm-2) S IRo par exemple: IRo = 10 mWcm-2; T = 10 ms Ro 2 IRo = 100 mWcm; T = 1 ms La translation de fréquence correspondante est: 0= 10 Ro -2 Exemple: IRo = 10 mWcm2; f = 17 Hz I -lOOmWcm'2; f5=7OHz Ro= -2 iRo = 1 mWcm; 6=1,7Hz Les conditions d'amplifications étant ainsi réalisées (1 = 5,7 cm -; a 1 cm1 par exemple) on peut obtenir l'oscillation en fermant le trajet optique par une cavité constituée de trois miroirs M1, M2, M3 dont l'un est partiellement réfléchissant comme représenté à la figure 3. La cavité étant préréglée, l'oscillation démarre sur le bruit dO à la diffusion-diffraction des composants. Mais la fréquence de l'onde générée I est translatée d'une quantité 6 telle que 6 -= 21. Ceci est vérifié expérimentalement en faisant interférer l'onde incidente (fréquence fo) et l'onde dans la cavité (fréquence fo + 6): il en résulte un système d'interfé- rence se déplaçant à la vitesse V. La translation de fréquence 6 est aussi générée par toute vibration basse fréquence de l'un des miroirs constituant la cavité. L'emploi d'un miroir piézoélectrique peut donc être envisagé pour initier le démarrage de l'oscillation. Compte tenu des propriétés de l'amplificateur, le gain n'est obtenu que pour une onde se propageant dans un seul sens comme indiqué sur la figure 3. Le gain est rigoureusement nul pour toute onde se propageant en sens inverse. Une telle onde interférant avec l'onde pompe 2, crée une structure diffractante par "réflexion" de pas A = 0,1 /um qui n'est pas enregistrée par le cristal 1. Comme représenté à la figure 4 une onde contrarotative s'obtient par l'adjonction d'une autre onde de pompe 4 d'intensité IRo égale ou différente à l'intensité IRo de la première onde de pompe 2 cette onde génère dans la cavité une oscillation à fréquence fo + 6 si IRo = IRo ou de fréquence fo + 6 ' si IRo W IRo. Le diagramme des vecteurs K correspondant aux deux réseaux indépendants photoinduits dans le cristal 1 est donné sur la figure 5. Sur cette figure Ro,So et R'o et S'o représentent les vecteurs d'onde des ondes 2 et 4. Une translation de fréquence importante de l'onde contrarotative due IRoi peut être obtenue par l'adjonction d'un modulateur de phase 5 sur le faiceau IR'o ou d'une cellule de Bragg comme indiqué sur la figure 6. Dans ce dernier cas, la fréquence de l'onde contrarotative dans la cavité vaut f + A+ ' si IRo i Ro ou fo +A si IRo = IRo. Dans tous les cas deux ondes de fréquences nettement distinctes peuvent circuler dans la cavité triangulaire. La conséquence importante pour le dispositif est la suivante: Toute onde rétrodiffusée par les composants optiques M1, 1M2, M3 n'est pas amplifiée après interférence avec l'onde de pompe puisque de fréquence différente et satisfaisant à la condition A' " 1; T = constante de temps T d'inscription du réseau. Une autre possibilité quant à la génération de l'onde contrarotative est donnée sur la figure 7. La lecture est effectuée par une onde antiparallèles à l'onde IRo obtenue à l'aide du miroir M4. La fréquence de l'onde générée vaut dans ce cas fo - d '+ A si lo = IRo et fo - 8 + A si IRo = IRo. Les deux ondes contrarotatives interfèrent dans le cristal 1 pour donner un système de franges d'interférences mobiles et parallèles à la direction du champ appliqué. Pour ces deux raisons il n'est pas enregistré dans le cristal photoréfractif 1 sous la forme d'une variation d'indice photoinduite. Compte tenu des fonctions de filtrage spatial et temporel du cristal I on enregistre dans celui-ci les deux seuls réseaux principaux. L'écart de fréquences entre les faisceaux interférant vaut respectivement {(IRO) et 6'(IRo) dont les franges sont en moyenne perpendiculaires à la direction du champ appliqué. La propagation dans la cavité définie par les miroirs M1i M2, M3 peut être remplacée par la propagation dans une spire ou N spires d'une bobine 7 de fibre optique monomode; deux lentilles 8,9 a gradient d'indice assurant le couplage entre les deux extrémités de la fibre; comme représenté à la figure 8. La détection est réalisé à l'aide d'un coupleur bidimentionnel 10 relié aux deux détecteurs 21 et 22. La détection de la rotation angulaire Q peut être obtenue en faisant interférer deux faisceaux prélevés sur les ondes contrarotatives de la cavité par l'intermédiaire du miroir M3 partiellement réfléchissant comme repré- senté à la figure 9. Le déphasage induit s'écrit: - 8 A * =-Xo xAx 1 La composante utile du photocourant recueilli après battement des deux ondes de fréquence différente se met sous la forme: iph a cos (A+ '-6)xt+AS;aveclRo IR,o iph = cos (ax t + A); avec IRo = IRo Cette dernière condition est intéressante puisque dans ce cas la fréquence du signal de battement est indépendante des fluctuations éven- tuelles de l'intensité 1 du laser de pompe. O Une mesure de la phase du signal permet d'obtenir Aq5 donc 2 par la relation: À oc Q - =,, Cx A A étant la surface de la cavité définie par Mi, M2, M3. Pour N spires de fibre monomode: Q = àvOx t. Un exemple de dispositif compact permettant de générer les ondes de pompes IRo et IRko est donné sur la figure 10. Les deux ondes constrarotati- ves se propagent dans la cavité constituée par un seul bloc de verre. Ce bloc de verre est constitué de trois parties qui sont rassemblées. - une première partie 20 comprenant le cristal 1 et dans lequel un faisceau 11 issu d'un laser 12 se subdivise en deux faisceaux 2 et 4 en se réfléchissant sur une paroi semi réfléchissante 13 et sur les deux faces 14 et 15. - Une deuxième partie 21 qui forme la cavité proprement dite dont trois faces 16, 17, 18 permettent de réaliser les trois miroirs M1, M2 et M3. - Une troisième partie 10 qui permet d'obtenir le signal iph détecté. Ainsi le dispositif de l'invention présente les avantages suivants: - Le gain présenté par la cavité est unidirectionnel. - Le dispositif est insensible aux faisceaux rétrodiffusés par les miroirs de la cavité. En effet les deux ondes contrarotatives ont des fréquences optiques différentes. La translation de fréquence est contrôlée par les intensités respectives IRo et IR,o des ondes de pompes. - Les deux réseaux inscrits dans le milieu photoréfractif sont indépen- dants. Il n'y a donc pas de couplage de modes entre les ondes contra- rotatives. Le dispositif de l'invention pourrait, tout aussi bien, être réalisé en optique intégrée avec des guides d'onde optiques. La figure 11 représente une variante du dispositif de l'invention. Le milieu 1 est disposé dans une cavité laser qui permet de générer les ondes de pompe, avec un milieu amplificateur 23 et les deux miroirs 24 et 25 qui délimitent cette cavité. REVENDICATIONS 1. Dispositif interférométrique de mesure d'une vitesse de rotation angulaire, comprenant des moyens de guidage optique formant une boucle fermée dans laquelle circulent deux ondes contrarotatives, des moyens de mélange de ces deux ondes contrarotatives et des moyens de détection reliés à ces moyens de mélange, caractérisé en ce qu'il comporte un milieu intéractif (1) et des moyens pour générer un champ électrique (Eo), aux bornes de ce milieu (1), ce milieu (1) étant disposé sur le parcours de la boucle fermée, une source (S) qui délivre deux ondes de pompe (2,4) chacune interférant dans ledit milieu avec l'une de ces deux ondes contrarotatives, et générant ainsi des franges d'interférence de manière à obtenir deux ondes contrarotatives ayant deux fréquences différentes, ce champ (Eo) étant de direction perpendiculaire à ces franges d'interférence. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de guidage comprennent au moins trois miroirs plans (M1, M2, M3) dont les surfaces réfléchissantes sont disposées vers l'intérieur de la boucle, l'un de ces miroir (M3) étant un miroir semi-transparent. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'un des miroirs est un miroir en matériau piézoélectrique. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de guidage comprennent une fibre optique (7). 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un modula- teur de phase (5) est disposé sur l'une des deux ondes signal (2,4) issue de la source (S) avant qu'elle n'atteigne le milieu (1). 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un miroir (M4) est disposé sur le trajet de l'un des faisceau issu de la source après traversée du milieu intéractif (1) de manière à réfléchir ce faisceau vers ce milieu (1). 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu intéractif (1) est disposé dans une cavité laser. 8 Dispositif selon la revendication I caractérisé en ce que le milieu intéractif est un cristal d'oxyde de bismuth-silicium. il 9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu intéractif est réalisé en Titanate de Baryum.