Brevet FR2621116A1 — publié le 19890331

L'invention est relative aux dispositifs inertiels de mesure de rotation à l'aide d'une cavité optique résonante en anneau et concerne, plus particu- lièrement, les gyromètres actif en anneau o existe un milieu amplificateur, et porte notamment sur l'utili- sation d'un milieu. amplificateur non-linéaire à con- jugaison de phase en particulier gazeux ou semi-con- ducteur et notamment sur la manière d'assurer dans ce cas le découplage des fréquences de deux ondes contra- rotatives qui ont tendance à donner lieu à des "accrochages" dans certaines conditions. Comme on le sait, les gyroscopes optiques à cavité résonante utilisent l'effet Sagnac. Cet effet, qui met en oeuvre un phénomène inertiel relativiste, fait que lorsque deux ondes circulent suivant un même trajet géométrique dans des sens opposés, les durées qu'elles mettent pour parcourir ce même trajet géométrique sont différentes et leur écart est fonction de la rotation du système qui porte ce trajet géométrique par rapport à un référentiel galliléen par suite de la destruction de la symétrie des chemins optiques "vus" respectivement par chacune des deux ondes. L'article publié sous le titre "Optical Gyroscopes" par 3.3. Roland et al dans la revue "Optics and laser technology" d'octobre 1981, pages 239 et s. expose brièvement la manière dont les gyroscopes optiques fonctionnent et les différentes variétés d'entre eux qui ont été mises au point. Tous les gyroscopes optiques fonctionnent suivant le même principe. Si l'on fait se propager dans deux sens opposés deux faisceaux de lumière cohérente suivant un même trajet géométrique fermé en anneau, une diffé- 2 6 2 1 1 1 6 rence se manifeste entre les faisceaux, lorsque les chemins optiques tournent. Une différence de durée apparaît qui est proportionnelle à la vitesse de rotation du système par rapport à un référentiel gal- liléen. Cette différence de durée de parcours se traduit en différence de chemin optique, c'est-à-dire, aussi de fréquence entre les deux ondes qui se pro- pagent dans des sens opposés. Cette différence de fréquence peut être mise en évidence en faisant inter- férer les deux faisceaux. On obtient alors des batte- ments. La formulation mathématique peut s'exprimer comme suit. L'écart t t des durées de parcours, dans des sens opposés, du même trajet géométrique fermé en an- neau par les deux ondes du fait de la dissymétrie in- duite par la rotation dans les chemins optiques qu'elles décrivent s'écrit: A t = 4 s.e/c2 o S est l'aire inscrite du trajet fermé en anneau, e est la vitesse de rotation imprimé au trajet, c est la vitesse de la lumière, d'o l'on déduit la différence de marche: AP = cat = 4 S, 8/c = 4 S O/f o A est la longueur d'onde du faisceau et f la fré- quence de résonance lorsque le système est immobile. De même, la variation relative de différence de marche: IL P/P =Aàf/f d'o le glissement de fréquencetf = 4 S.e/i P. Soit, en intégrant par rapport au temps on obtient une information digitale fonction de la ro- tation qui s'écrit N = Jt, fdt = K. I Qdt = K.@ On voit donc que le nombre de franges N observé est proportionnel à l'angle 8 dont a tourné le trajet géométrique c'est-à-dire le système qui le porte. Les gyroscopes actifs en anneau à cavité résonante ont fait leur preuve mais ils ne sont pas sans présenter d'inconvénients. Comme on le sait, lorsque la fréquence des battements des deux ondes qui interfèrent est infé- rieure à une certaine valeur, un couplage mutuel des deux ondes fait qu elles se calent l'une sur l'autre et se mettent à osciller à la même fréquence, il y a "accrochage" et la différence des fréquences qui était proportionnelle à la rotation disparait. Ceci se ma- nifeste pour de petites vitesses de rotation et un tel gyroscope ne peut donc plus dans ce cas mettre en évidence des rotations, il devient en quelque sorte aveugle", donc inutilisable. Ce couplage mutuel entre les deux ondes contrarotatives est notamment du à la rétro-diffusion introduite par les composants optiques tel les miroirs qui définissent le trajet géométrique fermé en anneau. Le coefficient mulplificateur K est, en fait, fonction de la rotation du système et au lieu que la courbe de réponse du glissement de fréquence en 2 6 2 1 1 1 6 fonction de la rotation soit rectiligne, elle est hyperbolique aux faibles vitesses de rotation puis redevient rectiligne aux grandes vitesses. On comprend donc qu entre les deux valeurs limites, une pour chaque sens de rotation, qui bornent la zone "aveugle", le gyroscope est incapable de mettre en évidence une rotation du système qui le porte. Une des solutions les plus couramment uti- lisées pour pallier cet inconvénient rédhibitoire, consiste à soumettre le gyroscope à des oscillations périodiques alternatives à une fréquence de l'ordre de quelques centaines de hertz. Grâce à ce palliatif, on peut obtenir une réponse qui est pratiquement linéaire pour une grande plage de fonctionnement. Un tel balancement oscillatoire ou "biais périodique" est le plus souvent obtenu mécaniquement par exemple à l'aide de barres de torsion que l'on fait fonctionner à leur fréquence de résonance ou de miroirs "magnétiques" utilisant l'effet magnéto-opti- que Kerr. Comme on le sait, les gyrométres à laser actif en anneau utilisent un milieu amplificateur qui est placé dans l'anneau et dont la mise en oeuvre fait appel à une décharge électrique dans un gaz. Il faut donc créer un champ électrique extérieur pour exciter le milieu amplificateur. L'utilisation comme milieu amplificateur d'un gaz, le plus souvent un mélange He - Ne, excité par une décharge électrique engendre d'autres défauts de non-réciprocité suivant le sens de parcours dus, par exemple à un alignement imparfait de la cavité résonante, à l'écoulement du gaz soumis à la décharge, à une sensibilité thermique de l'alignement et de l'écoulement. De plus l'usage d'un tel milieu fait ap- 26211 16 pel à la technique du vide toujours délicate, complexe et couteuse. Le but de l'invention est de perfectionner les gyromètres actif en anneau en faisant en sorte que l'on n'ait plus à recourir à un balancement oscillatoire du trajet géométrique parcouru par la lumière pour permettre à l'appareil d'être sensible dans la zone "aveugle" et de manière que l'on ne soit plus obligé de mettre en oeuvre des techniques du vide et un champ électrique extérieur pour exciter le milieu amplificateur. Suivant l'invention on utilise les proprié- tés de composants optiques à conjugaison de phase. Ce type de composants optiques est décrit par exemple dans un article intitulé "Phase conjuga- tion: reversing laser aberrations " de D.M. Pepper et al publié dans la revue "Photonics Spectra" d'août 1986 pages 95 et s. Comme exposé dans cet article, lorsqu une onde lumineuse d'équation E = A(x,y)exp[i(wt kz +4xyj se propageant dans la direction Z est reçue par un composant optique à conjugaison de phase ce composant optique génère une onde conjuguée de l'onde incidente qui se propage dans le sens -z Une telle onde réfléchie a donc pour équa- tion E =. A(x,y)exp[i((t - kz - (xy o r est le coefficient de réflexion par conjugaison de phase. 2 6 2 1 1 1 6 L'invention a pour objet un gyromètre actif en anneau qui n'utilise plus un gaz soumis à une décharge électrique extérieure mais un milieu opti- quement non-linéaire qui est le siège d'un processus de mélange dégénéré à quatre ondes permettant l'au- to-oscillation de deux ondes conjuguées dans une cavité résonante, à partir du pompage optique par des sources laser extérieures. Dans de nombreux milieux optiquement non- linéaires tels que des vapeurs atomiques ou des semi- conducteurs par exemple, l'interaction non-linéaire du milieu avec deux ondes de pompage se manifeste par l'absorption d'un photon de chacune des deux ondes de pompage et par l'émission de deux photons se propa- geant en sens opposé et conjugués l'un de l'autre. Quand un tel milieu optiquement non-linéaire de largeur de gain L\Q est enfermé dans une cavité ré- g sonante linéaire de largeur de pic de résonance tQ ce processus d'émission d'un couple de photons donne lieu à un phénomène d'autooscillation de la cavité à une fréquence coïncidant avec la fréquence-des ondes de pompage. Le milieu optiquement non-linéaire est utilisé lui-même comme milieu amplificateur puisqu'il permet lors du mélange à quatre ondes des gains su- périeurs à l'unité pour les deux ondes contrarotatives se propageant dans la cavité. Si l'on place dans une cavité résonante en anneau un milieu qui conjugue la phase on peut mon- trer, pour des cavités et des milieux vérifiant la condition à z g >àtc par des développements mathéma- tiques, qu'en l'absence de toute rétro-diffusion, la différence des fréquences d'oscillation des deux ondes se propageant dans des sens opposés est égale à la différence des fréquences propres d'oscillations de la cavité pour les deux sens de rotation. Cette condition L 9 ">&)c ne peut être obtenue avec des milieux op- tiquement non-linéaires à conjugaison de phase du type photoréfractif. Si les ondes E+ et E se propageant dans l'anneau ont pour fréquences respectives 6 et Q et si Q + et 0 désignent les fréquences propres de la cavité résonante pour les deux sens de rotation, cette relation s'écrit: (+ - + -- En pratique, la rétro-diffusion des miroirs mélange les deux sens de propagation et il y a "ac- crochage" des fréquences qui deviennent alors égales à la fréquence des ondes de pompages. Suivant l'invention on utilise le même milieu optiquement non-linéaire pour produire une différence de chemins optiques entre les deux ondes contrarotatives en se servant de deux ondes de pompage de fréquences égales mais d'intensités différentes o l'effet de biais périodique est obtenu par une modu- lation de la différence des intensités. Le milieu optiquement non-linéaire siège d'un mélange dégénéré à quatre ondes, lorsqu'il est constitué d'une vapeur atomique et d'un gaz tampon permet de modifier différemment les chemins optiques selon les deux sens de propagation et permet donc alors de réaliser ainsi optiquement et non plus mé- caniquement un biais pour s'affranchir de la zone "aveugle", En effet, en présence de relaxations telles que des collisions, l'indice non-linéaire du milieu" Ivt par chacune des deux ondes qui se déplacent en sens 2 6 2 1 1 1 6 opposés dépend différemment des intensités propres aux deux ondes de pompage. Si l'on désigne par né et n les indices non-linéaires du milieu "vu" respectivement par les ondes E+ et E et par I1 et I2 les intensités des ondes de pompage E1 et E2, ces relations s'écrivent i n+ =cI1 + I2 n' +i 12 + Il + dans le cas o les intensités des ondes Es et E sont relativement petites pour ne pas contribuer à l'indice non-linéaire n Cette asymétrie dans le cas d une vapeur ré- sulte d'un déphasage par effet Doppler qui fait que les réseaux créés par les ondes E et E1 d'une part et E et E2 d'autre part respectivement ont des durées de vie différentes. On voit donc que la différence de marche due à la différence des longueurs des chemins optiques se- lon les deux sens de rotation est proportionnelle à: À; (e -) (I - 12) On peut donc rendre la différence des fré- quences A f =(+ -W M =2+ - _ suffisamment grande pour sortir de la zone "aveugle". On voit donc que gràce à cette utilisation suivant l'invention d'un milieu optiquement non-li- néaire qui sert à la fois de milieu amplificateur et de milieu à conjugaison de phase, on peut réaliser un "biais" purement optique. Suivant l'invention ce "biais" est rendu al- 2 6 2 1 1 1 6 ternatif et symétrique par rapport à la zone du cou- plage des deux ondes dans la cavité en faisant varier l'intensité particulière de chacune des deux ondes de pompage à l'aide de modulateurs acousto-optiques ou de cristaux électro-optiques. Outre la suppression des problèmes liés à l'existence du "biais" périodique ou basculement oscillatoire mécanique ou magnéto-optique, l'invention permet aussi de modifier facilement la loi de la dif- férence (I1 - 12) et donc en particulier de réduire considérablement la durée de passage par la zone "aveugle". L'invention a pour objet un gyromètre actif en anneau à conjugaison de phase qui comprend une cavité résonante o est placée une cellule contenant un milieu optiquement nonlinéaire amplificateur et d'o sont engendrées des ondes contrarotatives, une source laser de pompage, un dispositif optique pour irradier par deux faisceaux le milieu optiquement non- linéaire à l'aide de la source laser de pompage, un système optique pour faire interférer les ondes contrarotatives et un détecteur de battements. Un tel gyromètre actif en anneau résonant est notamment caractérisé en ce que les deux faisceaux laser de pompage sont des faisceaux colinéaires et de sens opposés pour irradier le milieu et en ce que des modulateurs d'intensité sont placés sur les deux fais- ceaux des deux sources de pompage. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la lecture de la description et des revendications qui suivent et de l'examen du dessin annexé, donné seulement à titre d'exemple, o: - les Fig.1A, 18 et 1C illustrent les pro- blèmes liés au couplage mutuel dû à un phénomène 2 6 2 1 1 1 6 d'"accrochage" dans la cavité résonante qui fait apparaître la zone "aveugle"; - la Fig.2 est une vue schématique d'un mode de réalisation d'un gyromètre actif en anneau résonant suivant l'invention; - la Fig.3 est une vue de détail d'une autre configuration d'un gyromètre suivant l'invention; et - les Fig.4A et 48 sont des courbes illus- trant l'incidence des intensités relatives des fais- ceaux de pompages I1 et I2 sur les intensités et les fréquences des ondes contrarotatives, respectivement. La Fig.1A illustre le glissement de fréquen- ce tf entre les deux ondes circulant dans des sens opposés dans l'anneau du gyromètre, portée en ordon- née, en fonction de la vitesse angulaire e de rotation de ce dernier, portée en abscisse; la droite en trait discontinu représente la réponse théorique linéaire en l'absence d'"accrochage" et les branches hyperboliques en trait continu représentent la réponse réelle résul- tant du couplage mutuel o la zone "aveugle" est bor- née par les valeurs limites 9L. La Fig.18 illustre le balancement oscilla- toire ou "biais périodique" imprimé au gyromètre pour s'affranchir de l'existance de la zone "aveugle" o l'oscillation périodique est portée en abscisse et le temps en ordonnée, l'élongation maximale 8M étant supérieure à eL. La Fig.1C illustre en trait continu la ré- ponse réelle du gyromètre en présence d'un "biais périodique", la réponse théorique étant ici encore représentée par une droite en trait discontinu. En se reportant à la Fig.2 schématique, on voit qu'un mode de réalisation d'un gyromètre actif en anneau résonant à conjugaison de phase selon l'inven- 2 6 2 1 1 1 6 tion comprend. essentiellement, un trajet géométrique formant une cavité résonante 10/délimité par au moins trois miroirs 11,12,13 dont au moins un est par- tiellement transparent; dans ce mode de réalisation le miroir 13. Sur ce trajet 10 ou cavité résonante se trouve un milieu optiquement nonlinéaire dans une cellule 20 qui émet deux ondes contrarotatives E et + E lorsqu'il est excité. Ce milieu est choisi de manière à ce qu'il se mette à émettre en se déclen- chant sur son propre bruit de fond, des ondes E et E de fréquence W + et (_ respectivement qui auto-oscil- lent dans la cavité dont les fréquences propres sont Q+ et QP ]5 Ce milieu optiquement non-linéaire est irra- dié par deux faisceaux laser de pompage 31 et 32, co- linéaires; les ondes de pompage E1 et E2 sont d'in- tensité respectives I1 et I2. Ces faisceaux 31 et 32 sont obtenus par exemple à partir d'un laser 30 dont le rayonnement est reçu par un dispositif optique 40 constitué par exem- ple d'une lame semi-transparente 41 et de deux miroirs 42 et 43 et divisé comme illustré sur la Fig.2. Les ondes contrarotatives E et E reçues par le miroir semi-transparent 13 parviennent à un dispositif optique 50, de tout type classique con- venable, par exemple un prisme adapté, o elles interfèrent. Un détecteur 60 sensible aux battements, comme exposé, permet par intégration, dé déterminer et calculer l'angle de la rotation du gyromètre. Ceci est classique. Sur l'un au moins des faisceaux de pompage 31 et 32 est placé un modulateur d'intensité 70 qui 2 6 2 1 1 1 6 permet de modifier l'intensité I et/ou I des ondes 1 2 de pompage E1 et E2. Dans un mode de réalisation le milieu opti- quement non-linéaire irradié par les deux faisceaux laser de pompage colinéaires o se fait le mélange à quatre ondes est constitué de sodium avec un gaz tam- pon, ici de l'hélium à la pression de 0,4 kPa environ. Ce milieu est contenu dans la cellule 20 placée dans la cavité résonante 10 et maintenue à environ 160'C. Cette cellule est faite en quartz et est fermée par des fenêtres à l'incidence de Brewster. Deux faisceaux de pompage 31 et 32 d'une puissance de 300 mW et de longueur d'onde 589 nm sont obtenus par exemple à partir d'un laser 30 à colorant pompé par un laser à l'Ar:. Ces deux faisceaux coli- néaires font un petit angle, de l'ordre du centième de radian, avec l'axe de la cavité 10. La fréquence de ces faisceaux est très proche d'une fréquence de ré- sonance du milieu par exemple quelques gigahertz. Le ou les modulateurs 70 sont par exemples des densités optiques continuement variables. Dans ce qui précède le milieu optiquement non-linéaire o se fait le mélange quasi dégénéré à quatre ondes est constitué de vapeurs de Na et d'He. On peut utiliser d'autres métaux alcalins tels le Cs ( ':850 nm) et le Ru (t:780 nm) mélangés à un autre gaz rare tel le He ou bien aussi du Ne ou Kr, qui sont actifs pratiquement à la température ambiante compte tenu des faibles densités nécessaires. Ces matériaux présentent de plus l'avantage de pouvoir être pompés par des diodes laser du commerce. Au lieu d'utiliser un tel milieu gazeux on peut se servir d'un milieu semi-conducteur tel que As-Ga, In-Sb pour faire le mélange à quatre ondes. 26 2 1 1 1 6 Au lieu d utiliser un laser à colorant pour produire les faisceaux de pompage, on peut se servir de diodes laser du type AlGaAs. C'est ce qui est illustré sur la Fig.3 o les composants homologues à ceux de la Fig.2 sont repérés par les mimes numéros de références. Le dis- positif optique 40 d'irradiation du milieu optiquement non-linéaire à l'aide d'une diode laser est alors constitué de fibres optiques non référencées et les modulateurs d'intensité 70 sont, par exemple, des mo- dulateurs acousto-optiques. Pour le reste le gyromètre actif en anneau résonant suivant l'invention est classique et fait donc appel à des solutions courantes connues du spécialiste du secteur technique considéré. Par exemple, et seulement à titre illustratif, le gyromètre est monté sur un socle non référencé à grande stabilité dimensionnelle tel un matériau "Zerodur" et les miroirs 11 et 12 de l'anneau sont des miroirs associés à des céramiques piézo-électriques. De même, le système optique 50 pour faire interférer les ondes contrarotatives, par exemple un prisme comme illustré notamment sur la Fig.3 comprend une "sortie" pour prélever un signal d'asservissement de la longueur du trajet géométrique de l'anneau. La Fig.4A illustre l'action de la modulation relative des intensités I1 et I2 des ondes E1 et E2 des faisceaux de pompage 31, 32 colinéaires sur les intensités I et I des ondes E et E contrarotati- ves. La Fig.4B illustre le glissement de fréquen- ce Lf entre les fréquences)+ et &_ des ondes E+ et E contrarotatives obtenu grâce au gyromètre actif en anneau résonnant selon l'invention. 2 6 2 1 1 1 6 De ce qui précède on voit tous les avantages apportés par le gyromètre actif en anneau résonant à conjugaison de phase suivant l'invention. On a supprimé les difficultés engendrées par l'existence d'une décharge électrique. Ceci élimine les instabilités induites par l'écoulement gazeux quelqu'en soit l'origine, notamment thermique et électrique, et assure ainsi une longévité accrue des miroirs et dispense aussi de recourir à la technologie complexe du "vide" qui pose notamment des problèmes relatifs à l'étanchéité, à l'adhérence optique. On a supprimé le "biais" périodique ou ba- lancement oscillatoire mécanique. Ceci élimine des problèmes d'usinage, de montage, de réglage et d'en- tretien. Le gyromètre actif en anneau résonant à conjugaison de phase suivant l'invention ne comprend que des éléments solides et est d'une mise en route quasi instantanée sans régime transitoire; il présente une meilleure stabilité du "faux zéro" par suite de la suppression des phénomènes liés à l'écoulement gazeux, et fonctionne avec un très faible couplage et un très petit niveau de bruit de type "marche au hasard" as- socié à la traversée périodique de la zone "aveugle". Le gyromètre actif en anneau résonant à con- jugaison de phase suivant l'invention est, de plus, insensible aux accélérations. Ceci permet d'obtenir un "biais" périodique d'allure non plus "sinusoidale" mais en "créneau", avec un front raide ce qui réduit encore, voire annule, les erreurs à l'inversion du sens du balancement oscillatoire, du fait d'un changement de sens relativement brutal et non plus progressif, car le "biais" périodique obtenue opti- quement et non plus mécaniquement n'est pas soumis aux problèmes d'inertie. On peut obtenir ceci par la mo- dulation acousto-optique ou électro-optique de la différence des intensités des faisceaux de pompage colinéaires. Le gyromètre actif en anneau résonant à con- jugaison de phase suivant l'invention est d'un coût de construction et d'entretien moindre que les gyromètres classiques et est d'une fiabilité bien meilleure, le taux de panne étant infime. REVENDICATIONS 1. Gyromètre actif en anneau à conjugaison de phase qui comprend un trajet géométrique fermé par au moins trois miroirs (11,12,13) formant une cavité résonante (10) dans laquelle est placée une cellule (20) contenant un milieu optiquement non-linéaire permettant par mélange à quatre ondes l'autooscilla- tion cohérente de deux ondes contrarotatives conju- guées l'une de l'autre, deux faisceaux laser (31,32) de pompage, un dispositif optique (40) pour irradier le milieu de la cavité (20) à l'aide des deux fais- ceaux laser (31,32) de pompage, un système optique (50) pour faire interférer les deux ondes contraro- tatives et un détecteur (60) de battements, carac- térisé en ce que les deux faisceaux laser (31,32) de pompage laser sont colinéaires et de sens opposés et en ce qu'au moins un modulateur d'intensité (70) est placé sur l'un des faisceaux laser (31,32) de pompage. 2. Gyromètre selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que les faisceaux (31,32) ont une fréquence très proche d'une fréquence de résonance du milieu optiquement non-linéaire. 3. Gyromètre selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le milieu optiquement non-li- néaire est une vapeur atomique par exemple de sodium mélangée à un gaz rare par exemple de l'hélium afin de s'affranchir de la génération d'une décharge électrique extérieure. 4. Gyromètre selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le milieu optiquement non-li- néaire est un semi-conducteur. 5. Gyromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le modu- lateur d'intensité (70) est un composant acousto-opti- que ou électro-optique. 6. Gyromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5. caractérisé en ce que le dispo- sitif optique (40) pour irradier le milieu de la ca- vité (20) est une combinaison de miroirs (42,43) et de lame semi-transparentes (41). 7. Gyromètre selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 6, caractérisé en ce que le disposi- tif optique (40) pour irradier le milieu de la cavité (20) comprend des fibres optiques. 8. Gyromètre selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 7, caractérisé en ce que le système optique (50) pour faire interférer les ondes contraro- tatives est un prisme. 9. Gyromètre selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 8, caractérisé en ce que le trajet (10) est délimité par au moins trois miroirs (11,12, 13) dont l'un (13) d'eux est partiellement transpa- rent. 10. Gyromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les fais- ceaux (31,32) de pompage sont obtenus à partir d'un laser (30) à colorant, à solides, à gaz ou à semi-conducteur tel qu'une diode laser. 11. Gyromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le sys- tème optique (50) comprend une "sortie" (80) pour obtenir un signal d'asservissement de la longueur du trajet (10). 12. Gyromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la lar- geur de gain du milieu optiquement non-linéaire contenue dans la cellule (20) est très grande rela- tivement à la largeur de pic de résonance de la cavité résonante (10).