Brevet FR2645262A1 — publié le 19901005

DISPOSITIF DE MESURE DE POSITION DES FAISCEAUX LUMINEUX POUR GYROMETRE A LASER. La présente invention concerne un dispositif précis de mesure de la position des faisceaux lumineux émis par un laser et plus spécialement par un gyromètre & laser. Un tel dispositif peut être utilisé pour asservir la position desdits falsceaux à l'intérieur de la cavité dans laquelle ils sont générés et améliorer ainsi les performances du gyrolaser sur lequel il est utilisé. Elle s'applique à tous les gyrométres à laser, triangulaires ou carrés, monoaxes ou multiaxes. Elle peut également s'appliquer à tous lasers. Les gyromètres à laser, appelés dans ce qui va sulvre gyrolasers, comportent généralement: - un bloc optique, en matériau isolant et à faible coefficient de dilatation, dans lequel est aménage un parcours optique, le plus souvent triangulaire ou carré, délimité par trois ou quatre miroirs, l'ensemble constituant une cavité optique résonnante, - un milieu amplificateur générant, dans la cavité optique, deux ondes lumineuses tournant en sens inverses l'une de l'autre, les interférences entre ces deux ondes permettant la mesure de la rotation du gyromètre autour d'un axe perpendiculaire au plan du parcours optique, un dispositif de mélange des ondes lumineuses, pour créer des franges d'interférences sur un ensemble de cellules photoélectriques, le défilement desdites franges représentant la rotation angulaire du gyrolaser, et étant transformé par lesdites cellules photoélectriques en signaux électriques utilisables, -2- - éventuellement des moyens d'activation mécanique permettant de faire osciller le bloc optique par rapport à son support pour éviter les effets bien connus de blocage entre les deux ondes lumineuses, - des moyens d'asservissement de la longueur de cavité agencés de telle sorte que la fréquence de résonnance de la cavité optique corresponde à celle pour laquelle le gain du milieu amplificateur de lumière est maximum. Pour qu'un tel gyrolaser fonctionne correctement, il importe que la position et l'orientation des faces sur lesquelles sont fixées les miroirs soient aussi précises 1s que possible par rapport à la position des conduits dans lesquels sont générés les faisceaux laser. Cette précision étant difficile à obtenir de façon parfaite, les performances des gyrolasers ne sont pas toujours optimum et les coûts de réalisation restent cependant élevés. Il a semblé intéressant de positionner par asservissement les faisceaux laser à l'intérieur des conduits du bloc optique, et ceci en utilisant des miroirs inclinables selon un ou plusieurs axes. Un tel asservissement ne peut cependant valablement se faire que si la position des faisceaux laser est mesurée avec une grande précision par rapport au bloc optique. La précision recherchée est de l'ordre de quelques Diverses solutions ont été proposées pour faire ces mesures de position. Elles utilisent généralement des cellules photoélectriques doubles ou quadruples, placées & l'extérieur du gyrolaser, devant un ou plusieurs miroirs et sur lesquelles arrive une petite partie de la lumière des faisceaux laser. La mesure différentielle des intensités lumineuses reçues par lesdites cellules donne une information sur la position des faisceaux par rapport au bloc. L'inconvénient majeur de ces solutions réside dans la fixation des cellules photoélectriques qui utilisent des -3- pièces intermédiaires généralement collées. Lors des variations de température, les cellules ne restent pas parfaitement fixes par rapport au bloc optique et la précision des mesures est médiocre. L'intérêt de la présente invention réside dans le fait que la précision de la mesure est améliorée par la présence d'un cache, muni de fenêtres, déposé directement sur le substrat du miroir et à l'extérieur, etinterposé entre les faisceaux laser et les cellules photoélectriques de mesure de la position desdits faisceaux. Les fenêtres de ce cache placées chacune sur le trajet d'une cellule deflnissent avec précision l'énergie lumineuse qui tombe sur chaque cellule. La forme et la surface des fenêtres est choisie de sorte que la lumière qui les traverse forme une tache tout entière contenue à l'intérieur de la surface de la cellule correspondante. La position de la cellule peut alors varier léegerement sans que la tension qu'elle fournit ne change. La precision du système dépend alors de la stabilité du cache qui peut être très grande. L'invention concerne donc un dispositif de mesure de position de faisceaux lumineux pour laser et pour gyrolaser du type susdit, caractérisé en ce qu' il comporte, solidaire d'au moins un miroir dudit laser ou gyrolaser, au moins un cache percé d'au moins un orifice, et préférentiellement de quatre, ledit cache étant situé sur le trajet de l'un des faisceaux laser, les orifices étant répartis de préférence symétriquement par rapport à l'axe dudit faisceau et laissant passer l'énergie lumineuse provenant de parties décentrées de ce faisceau. Des modes de réalisation de l'invention seront décrits ci- après, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexes dans lesquels: La figure 1 est une vue de dessus d'un gyrolaser selon l'art antérieur, p1 -4-- La figure 2 est une vue de dessus d'un gyrolaser équipé de miroirs ajustables angulairement et de moyens demesure de la position des faisceaux dans la cavité, La figure 3 est une vue de côté et en coupe axiale d'un miroir de gyrolaser équipé d'un dispositif de mesure de la position des faisceaux laser dans la cavité selon l'invention, La figure 4 est une vue de dessus et en coupe axiale du miroir et du dispositif de la figure 3, La figure 5 est une vue du cache du dispositif de mesure de la position des faisceaux laser selon l'invention, La figure 6 est une vue de coté et en coupe axiale d'un miroir de gyrolaser, mobile et- a]ustable angulairement, équipé d'un dispositif de mesure de la position des faisceaux laser dans la cavité selon l'invention, La figure 7 est une vue de dessus et en coupe axiale du miroir et du.dispositif de la figure 6, La figure B est un schéma représentant l'interaction entre un faisceau laser et le cache de la figure 5, La figure 9 montre l'énergie d'un faisceau tombant sur les cellules photoélectriques après traversée du cache de la figure 5, Les figures 10 et 11 montrent des variantes de réalisation du cache de la figure 5, La figure 12 montre, en vue de dessus et en coupe axiale, une variante du dispositif de mesure de la position des faisceaux selon l'invention o le cache est réalisé directement sur le miroir du gyrolaser. La figure 13 est un schéma représentant l'interaction entre un faisceau laser et le cache de la figure 5, La figure 14 est une vue en coupe d'un miroir de gyrolaser dans lequel un cache selon l'invention est incorporé, La figure 15 est une variante du cache dont les fentes sont décalées de 45 *, et La figure 16 est un mode de réalisation d'un miroir de gyrolaser o les fentes sont remplacées par des évidements. Comme précédemment mentionné, et ainsi que le montre la figure 1, un gyrolaser comprend notamment: - un bloc optique 1, réalisé dans un matériau isolant et étanche à l'hélium, généralement une céramique vitrifiée du genre "zérodur", dans lequel sont percés des conduits 2, fermes par des miroirs 3 dont un au moins est mobile et qui forment avec lesdits conduits 2 un parcours optique, triangulaire dans le cas de la figure 1, mais qui peut prendre toute autre forme, un même bloc optique pouvant comporter plusieurs parcours optiques. Un tel parcours optique forme une cavité optique résonnante. - des miroirs 3 dont l'un au moins est mobile dans une direction perpendiculaire à son plan. Ces miroirs sont généralement composés d'un substrat poli sur lequel est déposé un empilement de couches multidiélectriques pour constituer la partie réfléchissante du miroir -6 lui-même. - un système de sortie des informations placé sur l'un des miroirs 3 et comportant au moins un prisme de mélange 6 et un ensemble de cellules photoélectriques 7, ledit miroir étant légèrement transmettant, c'est- a-dire pouvant laisser passer une partie de la lumière qu'il doit réfléchir. - une ou deux cathodes 4 fixées sur le bloc optique 1. - une ou deux anodes 5 également fixées sur le bloc optique 1. Ces cathodes et anodes constituent les électrodes du gyrolaser et sont reliées aux conduits 2 par des conduits de raccordements 7. Le bloc optique 1 est rempli d'un mélange gazeux généralement à base d'hélium et de néon. Un courant électrique passant entre les électrodes excite ce mélange gazeux et crée un plasma dans les conduits de raccordement 7 et dans les conduits 2, plasma qui, en amplifiant la lumière, génère par effet laser, deux ondes lumineuses tournant en sens inverse dans la cavité optique. Ce bloc optique 1 est monté oscillant autour d'un axe 8 grace à une roue d'activation. Celle-ci est composée, par exemple, d'une couronne extérieure 9, d'un moyeu central 10 et de lames élastiques 11 sur lesquelles sont collées des céramiques piézoélectriques 12. La figure 2 montre, à titre indicatif un bloc optique de gyrolaser muni de trois miroirs 13 qui peuvent étre déplacés linéairement, en direction de l'axe 8, et angulairement autour de deux axes situes dans leur plan de réflexion. Pour cela, les miroirs sont déposés sur des substrats 18 qui comportent une membrane mince 19, selon -7- une technique bien connue. Les mouvements sont provoqués par des bilames 14 réalisés à l'aide de céramiques piézoélectrlques. Ces bllames sont percés chacun de deux trous 15 et les miroirs ont un coefficient de transmission de l'ordre de 0.0001 à 0.0003. Le milieu amplificateur existant dans les conduits 2 génèrent des faisceaux laser -16. Une partie de l'énergie de ces faisceaux traverse les miroirs et tombe sur des cellules photoélectriques 22 fixées dans des supports 17, eux-mêmes fixés sur les substrats 18 ou directement sur le bloc optique 1. Dans la pratique, on n'utilisera qu'une cellule à quatre quadrants sur chaque miroir o l'on veut mesurer la position des faisceaux. A noter que la mesure de la position des faisceaux dans la cavité équivaut à mesurer leur position sur le miroir 3 ou encore sur la cellule à quatre quadrants si celle-cl est sufflsament fixe. Les figures 3 et 4 montrent le dispositif selon l'invention applique à un mirolr de gyrolaser fixe. On y volt successivement: -le bloc optique 1, un substrat 20, de forme sensiblement cylindrique et plate qui porte, sur sa face située du côté du bloc optique, un miroir 3, - un cache 21, solidaire de la face extérieure du substrat 20, et situé de façon à intercepter au moins l'un des faisceaux lumineux du gyrolaser, - une cellule photoélectrique 22, de préférence à quatre quadrants. Le cache 21 est percé d'au moins un et de préférence de quatre orifices 50, qui peuvent avoir toutes sortes de formes, mais qui auront préférentiellement une forme qui assurera la meilleure efficacité au dispositif ainsi qu'il sera décrit ci-dessous. Cette cellule est supportée par une piéce 24 fixée sur un couvercle 23, lui-même collé sur le substrat 20. Ce couvercle 23 est percé d'un orifice 25, de préférence incliné, et situé de sorte que le faisceaux 16, après avoir traversé le cache, puisse traverser ledit orifice 25 et tomber sur la cellule 22. Le couvercle 23 peut prendre toutes sortes de formes et peut être collé directement sur le bloc optique 1. Ce couvercle peut également être supprimé et, dans ce cas, la pièce 24, ou encore la cellule 22, est collée directement sur le substrat 20. Le cache 21 peut être réalisé de différentes manières, dans des matériaux de préférence absorbants. Il sera avantageusement réalisé par dépôt, par exemple sous vide, ou encore par sérigraphie, directement sur la face extérieure du substrat 20. La figure Sa montre la face extérieure du substrat 20 sur laquelle est fixé ou déposé le cache 21. Le contour extérieur du cache représenté elliptique peut prendre n'importe quelle forme pourvu que ses dimensions soient supérieures à celles du faisceau laser dont il faut mesurer la position. La figure 5b montre, de façon agrandie, une réalisation préférée des orifices du cache 21. Ces orifices, au nombre de quatre, 26, 27, 28 et 29, lorsque l'on utilise une cellule à quatre quadrants, ont la forme générale d'une fente étroite et elliptique Le rapport entre le grand diamètre et le petit diamètre de cette ellipse est égal à 1/cosó30')- dans le cas de gyrolasers équilatéraux triangulaires et 1/cos(45*) dans le cas de gyrolasers carrés. 9- La fente elliptique est interrompue par quatre zones pleines 30, 31, 32 et 33 dont la longueur est égale à environ la moitié de celle d'une des fentes. Les longueurs de chaque fentes sont telles que leurs projections sur une surface inclinée à 30 degrés par rapport au plan du cache, soient sensiblement égales. La largeur de la fente peut également être modulée en fonction du même critère de projection sur un plan incliné à 30 degrés. Les positions des quatre zones pleines sont telles que, si elles étalent projetées sur un plan à 30 degrés, elles se trouveraient centrées sur des droites inclinées à 45 degrés par rapport au plan défini par la cavité du gyrolaser. Le figure 8 permet de mieux comprendre le fonctionnement et l'intérêt du dispositif de mesure. Sur la figure 8, la courbe, de forme gaussienne, représente la repartition de l'énergie du faisceau laser le long de son diamètre. Lorsque ce faisceau rencontre le cache 21, s'il est centré par rapport à ce cache, le niveau d'énergie qui traverse les fentes correspond sensiblement à la moitié de la puissance crête du faisceau. Les énergies qui traversent chaque fente sont identiques. Si le faisceau est décentré, les énergies sont différentes et l'écart d'énergie, A sur la figure, est représentatif du décentrement. La figure 9 représente les taches lumineuses 43 que crée le faisceau laser sur une cellule 26 ayant quatre quadrants 37, séparés par un intervalle 44 en forme de croix, après la traversée du cache 21. On conçoit aisément que, même si la cellule est imparfaitement centrée par rapport au faisceau, l'énergie totale reçue par chaque quadrant ne dépendra que de la façon dont le faisceau traverse le cache 21. Si la sensibilité de chaque quadrant est uniforme sur toute sa surface, les signaux issus desdits quadrants seront constants, même si l'ensemble de la cellule photoélectrique se déplace du fait de la température ou des fluctuations des collages. Ainsi donc, la précision de la - 10 - mesure de position du faisceau dans les capillaires ne dépendra que de la stabilité de position du cache, stabilité qui est très grande du fait de la façon dont il est fixe sur le substrat et donc dont il est lié au bloc. Les figures 6 et 7 montrent l'application du dispositif à un miroir mobile en translation et ajustable en rotation angulaire. Dans cette application, le substrat plein 20 de la figure 3 est remplacé par un substrat 34 qui comporte une membrane mince 35, réalisée à l'aide de deux évidements sensiblement symétriques ou non, 39 et 40, et qui permet à une partie centrale 36, de forme sensiblement cylindrique, de se :5 déplacer et de tourner en fonction des forces que lui applique un bilame de céramiques piézoélectrique 38, selon une technique bien connue. Dans le cas présent, l'évidement 39 situé le plus à l'extérieur, en forme de couronne cylindrlque, a un diamètre extérieur plus large que celui de l'évidement 38 situé du côté du bloc optique 1. Le substrat 34 comporte donc, du côte extérieur au gyrolaser, une partie en forme de couronne 51 relativement étroite. La partie extérieure du bilame piézoélectrique 38 peut etre collée sur ladite couronne 40 ou fixée par tout autre moyen au substrat 35 ou au bloc optique 1. La partie centrale 36 porte sur ses faces planes, du côté intérieur au gyrolaser, le miroir 3 et, du côté extérieur, un cache 21 tel que décrit ci-dessus. Ce bilame est percé d'au moins un conduit 41, de préférence incliné, situé de façon à permettre le passage de la lumière du faisceau laser qui a traversé le cache 21. Il est de préférence collé en son centre sur la face plane extérieure de la partie centrale 36, et en partie sur le cache 21 sans toutefois que la colle ne vienne obstruer les quatre fentes dudit cache 21. - 11 - Un couvercle 23 portant une cellule 22 est, là encore, collé à l'extérieur du substrat, mais il pourra avantageusement être fixe directement sur le bloc optique. La figure 10 présente un mode simplifié de réalisation du cache 21 o les fentes elliptiques sont remplacées par quatre orifices rectangulaires 41, de préférence allongés, et disposés de sorte que leurs grandes dimensions forment un rectangle dont les dimensions seront dans le rapport 1/cos(30') pour un gyrolaser triangulaire équilatéral. La figure 11 présente un deuxième mode simplifié de réalisation du cache 21 o les fentes elliptiques sont remplacées par quatre orifices sensiblement circulaires 42, disposés de sorte que leurs centres soient sur un losange dont les dimensions diagonales seront dans le rapport 1/cos(30') pour un gyrolaser triangulaire équilatéral. La figure 12 présente une varlante du dispositif o le cache n'est plus placé à l'extérieur du substrat, 20 ou 34, mals est incorporé au miroir 13 et donc dans le plan dudit miroir 13. La figure 14 montre un tel miroir en vue en coupe. La technique généralement utilisée pour la réalisation des miroirs de gyrolaser consiste à réaliser un empilement de couches dites multdiéelectrîques. La réalisation du cache incorporé au miroir se fait, ainsi que le montre la figure 14, en supprimant localement une ou plusieurs couches, soit au niveau des premières couches déposées, soit de préférence, dans les dernières, pour former des creux 27 et 29. Cette supression a pour effet d'augmenter localement la transmission du miroir et donc l'énergie transmise. - 12 - La solution la plus intéressante consiste à augmenter les dimensions de l'ellipse dans laquelle s'inscrivent les creux, 26, 27, 28 et 29, du cache pour qu'elle se trouve le plus possible à la périphérie du faisceau lumineux, ainsi que le montre la figure 13 et à supprimer localement toutes ou presque toutes les couches. A ce moment, les quatre fentes elliptiques se comportent vis-à-vis du faisceau laser comme un diaphragme de limitation de mode. Il n'est plus alors nécessaire d'en usiner un dans la cavité. Du fait que l'ellipse ainsi réalisée au centre du miroir 13 comporte des zones demeurant réfléchissantes, 30 à 33, l'effet diaphragme risque d'être incomplet et il peut apparaître une oscillation laser d'un mode élevé. Pour is pallier cet inconvénient il suffit de faire que l'un des miroirs alt un- cache décalé de 45 * par rapport à l'autre ou aux autres, comme le montre la figure 15 o le miroir possède des suppressions de couche en forme d'ellipse situées à la même place que les zones 30 à 33 de la figure 13. La cellule photoélectrique située derrière ce miroir est également décalée de 45 degrés et les signaux issus des quatre quadrants sont recombinés pour reconstituer les écarts de position selon les axes principaux du gyrolaser, selon une technique bien connue. La figure 16 enfln montre une forme extérieure de miroir à couches multidiélectriques de forme généralement elliptique et posédant 4 extensions 57 à 60. Les creux 61 à 64, situés entre lesdites extensions rempliront le même rôle que les fenêtres 26 à 29 de la figure 13 du fait que la puisance lumineuse diminue très rapidement lorsque l'on s'éloigne de l'axe du faisceau 16. aInTTe.P (6Z 'la 8Z 'z 'g) savroize sàzua; ap auio; ua (OS) saGT;r.o ' a; aodMoo ITZ a'uD GT anb ao ua esTa;eaeo z uoToeopuaD aal el uoTas aaseT ? a auooaXB anod xnauTunT xneaDsTe; ap uoTZTsod ap ainsam ap;TwTsodsta ' SC sanbedo sauoz sap ied saajedes -a anbTldTTTa amio; ap auzmu-Tnl anouom un ans SaTreda 'anbnrdTTTra ainTTe.P saToaz, saua; ap auuo; snos ssTTeia %uos (OS) saZToTao saT Zuop (Iz) azqze un a40oduo0 T,nb aZ ua esTaIoeleZ oZ UOTeZTpUaAal eT uoT-s GaseT e aiuoa6 anod xnauTmnT xnaisTe; aop uoTTrsod 3p aInsGU ap;TrTsodsTa Z :neGosT2 as ap SaelZUGuasp SaTILed ao %UeUaAOld asnaurunT aT35aue.T lassed ZuessT-T Za ne>asTe; z.pnp axe,T SZ Z zloddea tsd '.uaUlanbTIxpws aJuala;,aad ap sTZIeda2 ZU2Z saZ;Tro saT 'IaseT xneaosTe; sap un,T ap aCeIa aT ans annTs que'a aqzez ZTpaT 'aizenb ap ZuamaTTaT'.uaGe;zald Za (OS) acT;Tao un suToux ne,p >aiad atZeo un suTro ne 'rTOrTU un SUTOux ne.p, arePrTos ' az0odmoz:T,nb ao ua ZST2-Zsee Oz %-T.Aez ap inan3uo: 9T ap Z aussTAGasseP suaioI sap - zasnaUTuin: s3puo sap GEuI:eU ap;TTsoasrT un - anbTlaT-aozaTd ana-jou e aGTqOqI ITOlTU un SUTou ne - SaToaTr sap un., sUTou ne.p saaAea ne 'laseI xneaisTe; ap lnaTlxa.T saaA UOTSSTUlaI T naTrI.ueuuop sapuo sapTsay o: sasaaaur aseT sapuo xnap '2nazgeT;TTduIe nraTtu un V aoeS 'saapua8ua.uos aTTan2eT aP inaTiezuT,T F %a 'S/TOITUI STOI4 SUTOi ne ied a.uja; 'anbTido qTAeO aun suTom ne Zueliodmoo (T) anbTdo DoTq un - : %ueuuaduoo adk. np aaseI aa;auiozX5 inod xnauTmnT xneaosTe; ap uoTZTsod ap alnsau aD TTsodsTa 'T SNOIYOICNKA2H - 14 - elliptique, répartis sur une ellipse et séparés par 4 zones (30, 31, 32 et 33) dont la longueur est sensiblement égale & la moltié de celle desdites fentes (26, 27, 28 et 29). 4. Dispositif de mesure de position de faisceaux lumineux pour gyromètre à laser selon la revendication i, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une cellule photoélectrique (22) comprenant au moins une surface sensible, et de preférence autant de surfaces sensibles que le cache (21) a d'orifices (50) et en ce aue lesdites surfaces sensibles sont situees de sorte que la lumière du faisceau laser qui a traversé un orifice (50) du cache (21), tombe toute entèlere sur l'une des surface sensibles de ladite cellule photoélectrique (22). 5. Dispositif de mesure de position de faisceaux lumineux pour gyromètre à laser selon ''une des revendications 2 ou 3, caracterisé en ce qu'il comporte au moins une cellule photoélectrique (22) comprenant au moins une surface sensible, et de préférence autant de surfaces sensibles que le cache (21) a d'orifices (50) et en ce que lesdites surfaces sensibles sont situées de sorte que la lumière du faisceau laser aui a traversé un orifice (50) du cache (21), tombe toute entière sur l'une des surface sensibles de ladite cellule photoélectrique (22). 6. Dlsposltlf de mesure de position de faisceaux lumineux pour gyrométre à jaser selon l'une des revendications 2, 3 ou 5, caractérisé en ce que la cellule photoelectrique (22) comporte quatre quadrants (37) separes par un intervalle 44 en forme de croix, ayant des bras dont la largeur est inférieure à la longueur des parties opaques (30 à 33) séparant les orifices en forme de fentes elliptiques (26 à 29) du cache (21). - 15 - 7. Dlsposltif de mesure de posltion de faisceaux lumineux pour gyrometre à laser selon l'une des revendications 1 ou 4, caractérisé en ce que le cache (21) comporte des orlfices (41) de forme senslblement rectangulaire. 8. Disposltlf de mesure de posltion de faisceaux lumineux pour gyromètre à laser selon l'une des revendlcations 1 ou 4,. caractérlsé en ce que le cache (21) comporte des oriflces (42) de forme senslblement clrculaire. 9. Disposltif de mesure de positlon de faisceaux lumineux pour gyrometre à laser selon l'une des revendicatlons précédentes, caractérlse en ce qu'il est placé sur un mlroir mobile peiézoélectrique, entre un bilame péezoelectrlque (38) et une partie centrale (36) d'un substrat (34) formant le support dudct mlroir. ladite parme centrale (36) étant rendue mobile par une membrane (35). realisee par deux évidements en couronnes clrculalres (39 et 40), dont i'un (39), situe le plus à l'extérleur du gyrolaser, est preférenteiellement d'un dlamètre extérieur superieure à celul de l'autre. I0. Dlspostlf de mesure de position de falsceaux lumineux pour gyromètre à laser selon "'une des revendlcations précedentes. caractérise en ce que les orifices (50) du cache (21) sont reallsés directement sur le mlrolr (3), sous forme de fentes elllptiques (26 à 29), le long d'une ellipse de dimension préférentiellement voisine de celle du diamètre exterieure du faisceau laser, l'effet de fente étant créé par la suppression locale d'au molns une des couches multidielectriques constituant le miroir, la partie extérleure des fentes étant preférentiellement supprimée.