Brevet FR2562340A1 — publié le 19851004

L'invention concerne un laser en anneau, en parti- culier pour gyroscope à laser en anneau, du genre compre- nant un bloc support formant cavité de résonance optique avec trois miroirs d'angle parmi lesquels l'un est un miroir concave laser o le triangle formé dans le plan des dits miroirs n'a pas d'angle supérieur à 90 et, o le rayon de courbure du miroir concave est supérieur à A V (A = longueur du côté du triangle) et, o il est prévu en outre un élément d'amplification pour fréquences optiques. Dans la fabrication de lasers en anneau, on part d'une position prédéfinie des canaux de décharge dans un gaz et de l'élément d'amplification pour fréquences op- tiques. A titre d'exemple, il est habituel de forer d' abotd dans un bloc support un système de canaux de forme triangulaire dont les axes forment un triangle. Pour la position ainsi prédéfinie des canaux de décharge dans un gaz, on façonne dans le bloc support, des surfaces de mi- roir. Les surfaces réfléchissantes doivent y être façon- nées autour de l'axe de bascule horizontal avec une pré- cision de moins de 1 sec. et autour de l'axe de bascule vertical avec une précision de quelques secondes d'arc. Le bloc support doit donc être fabriqué avec la plus grande précision et devrait représenter un élément essen- tiel du prix dans la fabrication du laser en anneau. Le but de l'invention est un mode de construction de laser en anneau, qui se suffise d'un alignement bien moins précis des surfaces d'arrêt de miroirs, et dont la fabrication se trouve ainsi simplifiée. Le problème est résolu, selon l'invention, en ce que l'élément d'amplifi- cation ajustable et fixable dans/sur le bloc support est disposé de façon qu'il puisse s'adapter mécaniquement à la trajectoire de rayonnement déterminé par le système de miroirs. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés o: La Fig. 1 montre schématiquement la structure d'un laser en anneau La Fig. 2 montre schématiquement un laser en anneau avec décharge gazeuse intégrée La Fig. 3 montre l'alignement du triangle de rayonnement sur l'horizontale La Fig. . 4 montre une première forme de réalisation d'un laser en anneau selon l'invention en vue par dessus La Fig. 5 montre une coupe selon la ligne VV de la Fig.4 La Fig. 6 montre une vue par dessus d'une autre forme de réalisation Les Fig 7a et 7b montrent en vue latérale et en élévation un disque de réglage comme il en est utilisé dans la forme de réalisation selon la Fig. 6. Comme schématiquement représenté dans la Fig. 1, le laser en anneau présente trois miroirs d'angle 1, 2 et 3, parmi lesquels le miroir d'angle 2 est réalisé en forme de miroir concave. Le laser en anneau présente aussi un élé- ment d'amplification 4 pour fréquences optiques. Comme élément d'amplification de ce type, on utilise habituel- lement un tube à décharge gazeuse He-Ne. Au moyen du mi- roir d'angle 1, des parties de rayonnement 5 et 6 sont découplées, desquelles on dérive un signal pour la vitesse de rotation, dans la gyroscope à laser. La Fig. 2 montre schématiquement un laser en anneau avec décharge gazeuse intégrée, dont l'emploi est fréquent pour les gyroscopes à laser. Ici, dans un bloc support central 10 il est foré un système de tubes de forme tri- angulaire comprenant les tubes 11, 12 et 13, système rem- pli d'un mélange gazeux He-Ne. Pour l'amorçage de la dé- charge sont prévues des anodes 7 et 8 ainsi qu'une cathode 9. Comme mentionné au début, pour une position prédéfinie des canaux de décharge 11, 12 et 13, les surfaces d'appui 14, 15 et 16 sur le bloc support 10 destinées à recevoir les miroirs 1, 2 et 3, doivent être ajustées autour de l'axe de bascule horizontal avec une précision de et autour de l'axe de bascule vertical avec une précision de quelques secondes d'arc. Les possibilités d'équiper les miroirs de déviation d'organes de réglage, par exemple des vis d'ajustage ou équivalent, sont rendues très difficiles car ces composants d'ajustage eux-mêmes présentent des instabilités mécanique et thermique, qui rendent le laser en anneau sensible aux variations de températures. Un ajustage des miroirs de déviation est rendu ainsi très difficilement praticable. L'invention suppose, comme le montre la Fig. 3, que le triangle 17 (Fig. 3) qui est formé dans le plan des miroirs d'angle, ne comprend pas d'angle supérieur à 90 . De plus, le rayon de courbure du miroir concave 2 doit être aussi grand que possible, mais en aucun cas inférieur à A. f-, o A correspond à la longueur de côté du tri- angle de rayonnement, ici, approximativement équilatéral. A part cela, les critères de stabilité connus pour les résonateurs optiques s'appliquent bien évidemment au rayon de courbure. Lorsque les conditions précédentes sont remplies, il y a toujours, indépendamment du positionnement des mi- roirs, une trajectoire fermée capable de résonance entre les trois miroirs. Le triangle de rayonnement peut se déplacer verti- calement, c'est à dire perpendiculairement au triangle des miroirs, lorsqu'un miroir, au montage, est basculé autour de l'axe horizontal. Lorsque les trois miroirs sont bascu- lés dans le même sens, on a un angle'de basculement maxi- mal admissible pour un diamètre de miroir maximal utile D et un rayon de courbure du miroir concave R, selon la re- lation:.- arc tang (Q). Ceci signifie, qu'avec D = 10 mm et R = 1000 mm sous un basculement de chacun des trois gyroscopes en laser de 10 mn autour de l'axe horizontal un trajet de rayonnement capable de résonance existe encore entre les miroirs. Avec un rayon de courbure R = 5000 mm, l'angle de basculement admissible maximal s'élève encore à 2,3 min. En récapitulant, on peut donc constater pour le respect des conditions dans lesquelles existe encore un trajet de rayonnement capable de résonance entre les mi- roirs, les miroirs d'angle peuvent être basculés autour de l'axe perpendiculaire dans des limites relativement étendues, tandis que des ajustages erronés autour de 1' axe horizontal peuvent être admis avec une tolérance de quelques minutes d'arc en fonction du rayon de courbure du miroir concave, sans affecter fondamentalement la ca- pacité de résonance du système à miroirs. Sous les conditions préalables ci-dessus, confor- mément à l'invention, le milieu d'amplification est adapté dans -sa position, à la position du trajet lumineux entre les miroirs, trajet déterminé par la construction et ca- pable de résonance. L'idée de base de l'invention consiste donc en ce que, lors de la construction d'un laser en an- neau, on ne prédétermine pas le canal de décharge gazeuse ou la position du milieu d'amplification avec la très haute précision requise de manière connue pour la position S15 des miroirs, mais inversement, d'adapter le milieu laser au résonateur optique usiné avec une précision bien moin- dre. De cette façon, la précision de positionnement est abaissée de deux ordres de grandeur, et, en conséquence, la tolérance de fabrication s'en trouve accrue d'autant. Ceci conduit à une simplification considérable de l'usi- nage. Ainsi, un autre avantage est que les exigences de précision de position et de stabilité de l'élément d'am- plification pour des fréquences optiques sont bien moin- dres que celles qu'il faut prédéfinir pour les miroirs. Il s'établit ainsi une erreur cumulative, causée par un basculement des miroirs autour de l'axe horizontal de 0,04 sec. à l'intérieur du laser en anneau, un dépla- cement du rayonnement de 3,4 pm pour un rayon de courbure du miroir concave de 6 m et une longueur de cavité de résonance de 45 cm. Si les miroirs étaient équipés de vis de réglage, celles-ci devraient être stabilisées avec une stabilité angulaire de 0,04 sec. et maintenues constantes dans leur longueur sur 0,005 pm pour un bras de levier efficace de 25 mm; ceci correspond à environ 50 rayons atomiques. Une stabilisation du canal de décharge gazeuse sur 3,4 Fm ne présente comparativement aucun problème. Ainsi, le canal de décharge se déplace d'environ 3 pm, dans'le cas d'un tube de décharge conventionnel en verre quand le tube est fixé d'un côté et que la température s'élève à 1000 C pour un diamètre de tube de 2 cm et un coefficient de dilatation du verre de 3 X 10 6/ C. Dans la Fig. 4 est illustrée une forme de réalisa- tion d'un mode de montage ajustable et fixable de l'élé- ment d'amplification dans/sur le bloc support, avec le- quel l'élément d'amplification peut être adapté mécani- quement à la trajectoire de rayonnement donnée par la disposition prédéterminée des miroirs lors de la fabri- cation. Dans le bloc support 20, qui se compose habituel- lement d'un matériau en céramique avec des coefficients de dilatation thermique extrêmement faibles (par exemple X 10-8/OC dans le matériau "Zerodur" de la Société Schott), une découpe 22 est pratiquée dans un bord du bloc. Le reste de la construction du bloc avec les miroirs d'angle et les canaux est connu et n'a pas besoin d'être ici débattu plus avant. Dans le dégagement 22 est disposé un tube à décharge gazeuse 24, formé de façon connue avec un tube en verre usuel présentant le coefficient de dila- tation ci-dessus évoqué de 3 X 10 6/OC. Dans le tube de verre se trouve un tube capillaire 25 dans lequel la décharge gazeuse a lieu, et selon l'axe duquel le rayon- nement doit se propager. Sur le bloc support 20, en deux emplacements x et y situés à l'écart l'un de l'autre, sont disposées des des paires de coins de réglage 26, 30, formant prismes d'appui. Les coins de réglage 26, 30 sont formés à pentes contraires et peuvent être déplacés chaque fois indépen- damment l'un de l'autre perpendiculairement au plan de rayonnement, et arrêtés ensemble. En déplaçant les coins, le tube de décharge 24, avec son capillaire de décharge , peut se déplacer horizontalement aussi bien que ver- ticalement comme l'indiquent les quatre flèches dans la Fig. 5. Par un déplacement différencié des coins aux deux emplacements x et y, on peut exécuter un déplacement an- gulaire du tube à décharge 24. Le tube 24 peut être main- tenu en position contre les deux prismes d'appui par des colliers de serrage 32, 33. Les colliers de serrage sont fixés sur le bloc support 20 au moyen des vis 32 et 34. Lorsque les deux coins 26, 30 du prisme d'appui sont fabriqués en un matériau thermiquement stable, par exemple dans le même matériau que le bloc support, on a alors une stabilité de position du tube de décharge et donc du canal de décharge qui est meilleure que la sta- bilité de la trajectoire de rayonnement, qui est influ- encée par la position des miroirs de la cavité, et cela, même après la prise en compte de la déformation du bloc support sous l'influence de la température. Un bloc en un matériau ayant un coefficient de dilatation thermique de 5 X 10- 8/oC, de longueur 10 cm et d'épaisseur 2,5 cm, se gauchit pour un écart de température de 2 C, de sorte que les surfaces frontales portant les miroirs basculent de 0,04 sec. Ceci conduit à un déplacement du rayonnement de 3,4 tm. La Fig. 6 montre une forme de réalisation de l'in- vention dans un laser en anneau avec décharge gazeuse intégrée, comme illustré schématiquement dans la Fig. 2. Les conduits percés dans le bloc support 36, dans lequel le rayonnement se propage,sont ici remplis d'un gaz He-Ne. Deux anodes 38, 40 sont prévues, qui sont disposées dans la zone terminale de l'un des alésages. Entre celles-ci, au milieu, est disposée la cathode 27. Dans le canal 42 est disposé ici, un capillaire de décharge qui est doté d'un perçage latéral 46 au milieu dans la zone de la ca- thode 27. Le capillaire 44 est monté au moyen de deux dis- ques 48 qui s'appliquent contre les appuis 50 ménagés dans le bloc support. Un disque de ce type est illustré aux figures 7a et 7b. Par déplacement en rotation des disques 48 qui comportent un percement excentré 48, on ajuste 1' axe du capillaire 44 à la géométrie du rayonnement résul- tant des tolérances de fabrication. Les percements excen- triques sont chanfreinés d'une façon appropriée au moins d'un côté, de sorte que le capillaire 44 soit logé sur une tranche annulaire 52 à l'intérieur du disque. Pour l'ob- tention d'un réglage fin, l'alésage pratiqué à l'intérieur du capillaire peut être disposé excentriquement par rap- port à sa périphérie extérieure. Ainsi, un déplacement quelconque du conduit capillaire est rendu possible à 2-562340 lJintérieur d'une surface circulaire, qui se définit par un cercle avec les excentricités additionnées du perce- ment des disques 48 et de l'axe de l'alésage capillaire dans le capillaire autour du centre géométrique du disque 48. Le même effet peut être atteint au moyen d'un deuxième disque excentrique, qui est logé dans le percement excen- tré du premier disque excentrique. On peut envisager encore d'autres modes de montage et de réglage de la position de l'axe du rayonnement de l'élément d'amplification. REVENDICATIONS 1. Laser en anneau, en particulier pour gyroscope à laser en anneau, comprenant un bloc support (10) avec une cavité de résonance optique à trois miroirs d'angle (1,2,3) disposés au sommet d'un triangle de rayonnement, l'un de ces miroirs étant un miroir concave (2), o le triangle (17) formé dans le plan des miroirs n'a pas d'angle supérieur à 90 et o le rayon de courbure du miroir concave (2) est supérieur à A \1 (A = longueur du côté du triangle de rayonnement), ce laser comportant un élément d'amplification (4) pour fréquen- ces optiques et étant caractérisé en ce que l'élément d'ampli- fication est adapté à être ajusté et aligné par rapport audit bloc de sorte qu'il puisse s'adapter mécaniquement au trajet de rayonnement déterminé par la disposition des miroirs. 2. Laser en anneau selon la revendication 1 o l'élément d'amplification est un tube à décharge gazeuse distinct du bloc caractérisé en ce que les moyens d'ajustage et d'aligne- ment dudit tube comportent deux paires réglables de coins de support (26, 29) montées sur le bloc, au moyen duquel le tube est ajustable dans le plan du triangle de rayonnement et perpendiculairement à ce plan,ainsi qu'au moyen de maintien mécanique (33,35) pour ledit tube maintenant celui-ci au contact des paires de coins de support. 3. Laser en anneau selon la revendication 1 o l'élément anmplificateur est intégré dans le bloc et comporte un tube capillaire de décharge, caractérisé en ce que le tube capil- laire de décharge est ajustable radialement entre deux des miroirs en deux points espacés à une certaine distance selon la longueur dudit tube capillaire de décharge (44). 4. Laser en anneau selon la revendication 3, caractérisé en ce que le tube capillaire de décharge (44) est un capil- laire qui est positionné dans la cavité du bloc au moyen de deux disques (48) présentant des percements excentriques, le capillaire étant ainsi ajustable par rapport au parcours de rayonnement.