Brevet FR2642835A1 — publié le 19900810

La présente invention concerne les gyroscopes à laser en anneau à multi- oscillateur et notamment le réglage des intensités de champ magnétique dans des gyroscopes multi-oscillateur à effet Zeeman. Une forme courante de gyroscopes à laser en anneau comprend un bloc massif de matériau ayant des propriétés thermiques et optiques appropriées dans lequel on forme un trajet optique triangulaire compre- nant trois passages droits formés dans le bloc et ayant un miroir à chaque sommet. Les trois passages communi- quent entre eux et contiennent un milieu laser actif gazeux qui est excité pour produire une décharge dans le gaz. La décharge dans le gaz provoque l'effet laser qui se traduit par un premier faisceau de rayonnement laser circulant le long du trajet optique dans le sens des aiguilles d'une montre et un second faisceau de rayonne- ment laser de même fréquence circulant le long du trajet optique dans le sens inverse des aiguilles d'une montre (CCW). Le gyroscope à laser est sensible à des forces de rotation autour d'un axe perpendiculaire au plan du tra- jet optique par une augmentation de la fréquence d'un faisceau et une diminution de la fréquence de l'autre, le se-ns et la valeur de la différence de fréquence étant une mesure du sens et de la valeur de la force de rota- tion. Les lasers en anneau de ce type souffrent d'un problème connu sous le nom de blocage, dans lequel les deux faisceaux restent à la même fréquence en présence de faibles valeurs de la force de rotation. Pour empê- cher le blocage, on applique un mouvement mécanique de rotation oscillatoire auquel est superposée toute force de rotation. Cette technique souffre des problèmes habi- tuels liés à la mise en mouvement des systèmes méca- niques. 264283; Pour éviter d'avoir à appliquer une oscilla- tion mécanique, un type différent de gyroscope à laser en anneau a été réalisé et est connu sous le nom de laser en anneau à multi-oscillateur. Celui-ci a un tra- jet optique carré ou rectangulaire et produit deux paires de faisceaux circulant en sens opposés, les deux faisceaux circulant dans le même sens ayant des polari- sation circulaires opposées. C'est ainsi qu'une paire de faisceaux est composée de faisceaux à polarisation cir- culaire droite, l'un circulant dans le sens des aiguilles d'une montre et l'autre dans le sens inverse des aiguilles d'une montre le long du trajet optique. De même, l'autre paire de faisceaux est composée de fais- ceaux à polarisation circulaire gauche, l'un circulant dans le sens des aiguilles d'une montre et l'autre dans le sens inverse des aiguilles d'une montre le long du trajet optique. Les quatre faisceaux sont obtenus en incluant dans le trajet optique un élément dispersif réciproque et un élément dispersif non réciproque. Un élément réci- proque, qui peut être un cristal de quartz, produit des déphasages différents pour les faisceaux à polarisations circulaires droite et gauche. L'élément non réciproque produit des déphasages différents pour les faisceaux de lumière qui le parcourent en sens opposés. L'effet non réciproque peut être produit par un champ magnétique agissant sur la zone de la décharge du gaz excité du laser pour produire un dédoublement de fréquence par effet Zeeman. Bien que le champ magnétique puisse être produit soit par un aimant permanent, soit par un solé- noïde, il importe que l'intensité de ce champ magnétique puisse être réglée avec une grande précision. L'invention a pour but de fournir un gyroscope à laser en anneau à multioscillateur dans lequel le champ magnétique produisant le dédoublement de fréquence par effet Zeeman-peut être réglé avec précision. Selon l'invention, il est prévu un gyroscope à laser en anneau à multi-oscillateur qui comporte un tra- jet optique fermé défini par au moins quatre surfaces réfléchissantes, des moyens pour produire des faisceaux de rayonnement circulant en sens opposés le long dudit trajet optique fermé, et comprenant un milieu laser actif gazeux et des moyens d'excitation pour exciter ledit milieu dans toute une zone de gain pour produire une décharge dans ledit gaz, un élément dispersif réci- proque situé dans ledit trajet optique, un solénoïde formé autour d'une partie au moins de la zone de gain et adapté pour être alimenté par un courant électrique pour produire un champ magnétique dans ladite zone de gain, un miroir partiellement transparent formant l'une des- dites surfaces réfléchissantes et étant adapté pour transmettre une partie du rayonnement de chaque fais- ceau, des moyens formant détecteur sensibles au rayonne- ment traversant ledit miroir, et des moyens de commande sensibles à la composante alternative du signal élec- trique de sortie des moyens formant détecteur pour régler l'intensité du champ magnétique produit par ledit solénoïde. L'invention est décrite ciaprès en relation avec les dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'une forme de gyroscope à laser en anneau à multi-oscillateu; - la figure 2 est un diagramme illustrant le dédoublement de la fréquence du laser en ses quatre com- posantes; - la figure 3 illustre l'effet de forces de rotation extérieures sur les fréquences de la figure 2; - la figure 4 est un schéma de circuit d'une forme de montage formant détecteur; - la figure 5 est un schéma de circuit d'une autre forme de circuit formant détecteur; - la figure 6 illustre une forme de moyens de commande à utiliser avec le détecteur. Sur la figure 1, un gyroscope à laser en anneau à multi-oscillateur est représenté schématique- ment comme comprenant un trajet optique fermé 10 défini par quatre surfaces réfléchissantes 11, 12, 13, 14. En pratique, le trajet optique est compris dans une cavité fermée qui contient un milieu actif laser gazeux. Au milieu actif contenu dans une zone de gain 15 sont asso- ciés des moyens pour produire une décharge électrique dans le gaz, par exemple au moyen d'une énergie à radio- fréquence fournie par une alimentation 16 qui est cou- plée au gaz par une paire d'électrodes transversales 17 disposées sur des côtés opposés de la cavité. La cavité contient également un élément dispersif réciproque 18 qui peut être un cristal de quartz. Un signal de sortie du gyroscope à laser est obtenu en réalisant une surface réfléchissante 14 sous la forme d'un miroir partiellement transparert. Une petite fraction du rayonnement incident des f&isceaux circulant dans le sens des aiguilles d'une montre (CW) et dans le sens contraire des aiguilles d'une montre (CCW) sur le miroir traverse le miroir en direction de deux détecteurs 19 et 20. Les signaux de sortie des détecteurs sont combinés dans un circuit combinateur 21 dont le signal de sortie est appliqué à un circuit de commande 22. Un élément non réciproque dans le trajet optique est formé en créant un champ magnétique dans la zone de gain 15 du gyroscope à laser. Le champ magné- tique, qui peut être de l'ordre de 0,01 Tesla (100 Gauss), est produit par un solénoïde 23 enroulé autour de la zone de gain 15 et alimenté en courant par le circuit de commande 22. La figure 2 illustre la manière dont les quatre modes résonants sont produits dans la cavité laser. La courbe représente l'intensité laser de sortie produite par le milieu actif en fonction de la fré- quence. La fréquence de résonance de la cavité laser est représentée en F. L'effet de l'élément dispersif réci- proque 18 de la figure 1 est de produire différentes fréquences pour les modes à polarisation circulaire gauche (LCP) et à polarisation circulaire droite (RCP). Le champ magnétique créé autour de la zone de gain uti- lise l'effet Zeeman pour produire un second dédoublement de fréquence dans les modes LCP et RCP selon le sens de propagation du rayonnement le long du trajet optique, produisant ainsi deux modes à propagation dans le sens des aiguilles d'une montre (CW) et deux modes à propaga- tion dans le sens inverse des aiguilles d'une montre (CCW). On voit sur la figure que les fréquences des deux faisceaux se propageant dans un sens (CCW) sont situées entre les fréquences des deux faisceaux se propageant dans l'autre sens (CW). Comme on le voit sur la figure 2, le dédouble- ment de fréquence dF qui se produit du fait du champ magnétique est donné par la relation: dF = F2 - F1 = F4 - F3, et le dédoublement moyen de fréquence est donné par la relation: dF = [F2 - F1) + (F4 - F3)] / 2. Les fréquences F1, F2, F3 et F4 dépendent de l'intensité du champ magnétique et il est par conséquent essentiel que cette intensité puisse être maintenue à une valeur constante avec un très haut degré de préci- sion. La figure 3 représente l'effet de la rotation autour d'un axe passant par le centre du trajet optique et perpendiculaire au plan de ce chemin optique. Si le laser en anneau est mis en rotation-dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, l'effet produit est que les fréquences F1 à F4 augmentent de valeur jusqu'à Fl' et F4' tandis que les fréquences F2 et F3 diminuent de la même quantité pour tomber à F2' et F3'. L'effet contraire se produit si la rotation se fait dans le sens des aiguilles d'une montre. Si chaque composante CCW a sa fréquence dimi- nuée d'une certaine quantité f pendant que chaque compo- sante CW a sa fréquence augmentée d'une certaine quan- tité f, le dédoublement de fréquence moyen est mainte- nant donné par l'expression: [(F2' - Fl') + (F4' - F3')] / 2 = [(F2-f) (Fl+f)] + [(F4+f) - (F3-f)] / 2 = [F2-f-Fl-f+F4+f-F3+f] / 2 = [(F2 - Fl) + (F4 - F3)] / 2. Ce résultat est le même que dans le cas sans rotation, ce qui montre que le dédoublement de fréquence moyen n'est pas affecté par les forces de rotation appliquées. Si un détecteur détecte l'énergie contenue dans chaque composante du faisceau CW, alors le signal de sortie du détecteur a une composante continue du faisceau CW et une composante alternative à la fréquence différence (F4 - F1). De même, un second détecteur sen- sible aux composantes du faisceau CCW a un signal de sortie avec une composante alternative à la fréquence différence (F3 - F2). Une combinaison convenable de ces deux composantes alternatives donne un signal à une fré- quence qui est le double de la fréquence moyenne de dédoublement dF, c'est-à-dire (F4 - Fl) - (F3 - F2) = 2 dF. Un montage détecteur et combinateur analogue à celui de la figure 1 est représenté sur la figure 4. Chacune des deux diodes formant détecteurs 40 et 41 est pontée par une résistance de faible valeur 42, 43 d'environ 50,250 et le signal est amplifié par un ampli- ficateur à bande étroite 44, 45 à la fréquence de sortie escomptée (F4 - F1) ou (F3 - F2) qui peut être d'environ 400 MHz. Ces signaux passent par des filtres passe-bande 46, 47 avant d'être appliqués à un mélangeur 48 dont le signal de sortie est appliqué à un filtre passe-bas 49, ce dernier étant agencé pour laisser passer la compo- sante de fréquence au double de la fréquence de dédou- blement. Cette fréquence est normalement inférieure à 1 MHz. Un autre montage détecteur et combinateur pos- sible est représenté sur la figure 5. Dans ce montage, on n'utilise qu'une diode, ou deux diodes 51 et 52 pon- tées par des connexions à faible inductance. Le mélange des fréquences se produit par suite de l'interconnexion, et l'amplificateur 53 et le filtre passe-bande 54 fonc- tionnent à environ 1 MHz. Comme cela a déjà été exposé, le but du mon- tage décrit est de régler avec une grande précision l'intensité du champ magnétique produit dans la zone de gain du gyroscope à laser par le solénoïde. La fréquence du signal de sortie des montages formant détecteurs et combinateurs indique l'intensité du champ et, par consé- quent, le circuit de commande doit s'opposer aux varia- tions de cette fréquence. La figure 6 est un schéma d'un circuit de commande utilisable à cette fin. Le signal de sortie du filtre passe-bande de la figure 5 est mélangé par un mélangeur 60 avec une fréquence de référence produite par un oscillateur à quartz 61. Le signal d'erreur en courant continu résultant est amplifié et appliqué à un intégrateur 62. Le signal de sortie de l'intégrateur sert à régler l'intensité du courant fourni au solénoïde 64 par une source de courant commandée en tension 62. Les montages formant détecteurs décrits peu- vent aussi être utilisés pour fournir des signaux pour régler d'autres paramètres du gyroscope à laser tels que la longueur de la cavité ou l'intensité. Ils utilisent des composantes du signal de sortie du détecteur à dif- férentes fréquences qui peuvent, par conséquent, être séparées les unes des autres au moyen de filtres appro- priés. La décharge gazeuse peut être excitée par un courant fourni par une alimentation à courant continu au lieu de la source à radio fréquence décrite plus haut. REVENDICATIONS 1. Gyroscope à laser en anneau à multi-oscilla- teur, qui comporte un trajet optique fermé (10) défini par au moins quatre surfaces réfléchissantes (11, 12, 13, 14), des moyens pour produire des faisceaux de rayonnement circulant en sens opposés le long dudit tra- jet optique fermé (10), et qui comprend un milieu laser actif gazeux et des moyens d'excitation pour exciter ledit milieu dans une zone de gain (15) pour produire une décharge dans ledit gaz, un élément dispersif réci- proque (18) situé dans ledit trajet optique (10), un solénoïde (23) formé autour d'une partie au moins de la zone de gain (15) et adapté pour être alimenté par un courant électrique pour produire un champ magnétique dans ladite zone de gain, un miroir partiellement trans- parent (14) formant une desdites surfaces réfléchis- santes et étant adapté pour transmettre une partie du rayonnement de chaque faisceau, des moyens formant détecteur (19, 20) sensibles au rayonnement traversant ledit miroir, et des moyens de commande (22)sensibles à la composante alternative du signal électrique de sortie des moyens formant détecteur (19, 20) pour régler l'intensité du champ magnétique produit par ledit solé- noïde (23). 2. Gyroscope conforme à la revendication 1, dans lequel les moyens formant détecteur (19, 20) comprennent une première diode (19, 41, 51) sensible à des faisceaux de rayonnement circulant le long dudit trajet fermé (10) dans un premier sens, et une seconde diode (20, 40, 52) sensible à des faisceaux de rayonne- ment circulant le long dudit trajet fermé (10) dans le sens opposé. 3. Gyroscope conforme à la revendication 2, qui comporte un filtre passebande distinct (46, 47) auquel le signal de sortie de chaque diode est appliqué, et un mélangeur (48) adapté pour combiner les signaux issus du filtre passe-bande pour être appliqué aux moyens de commande (22). 4. Gyroscope conforme à la revendication 2, dans lequel les première et seconde diodes (51, 52) sont montées en parallèle entre elles, et en ce qu'il comporte un filtre passe-bande (54) par lequel le signal de sortie combiné des diodes passe avant d'être appliqué aux moyens de commande (22). 5. Gyroscope conforme à l'une des revendica- tions 3 et 4 dans lequel les moyens de commande (22) comportent des moyens de comparaison (60, 61) pour com- parer les signaux de sortie combinés des moyens formant détecteur (19, 20) à un signal de référence pour en tirer un signal d'erreur, et des moyens (62, 63) pour régler l'excitation du solénoïde (64) en réponse audit signal d'erreur. 6. Gyroscope conforme à la revendication 5, dans lequel les moyens de commande (22) comportent une source de courant commandée en tension (63) pour fournir un courant d'excitation audit solénoïde (64).