Brevet FR2670622A1 — publié le 19920619

La présente invention concerne un dispositif de montage de miroir dans un laser, et elle concerne plus précisément un tel dispositif qui assure un réglage passif de la longueur de la trajectoire permettant la compensation de la dilatation thermique du corps du laser. On connaît et on utilise des lasers depuis le début des années soixante Une première catégorie de laser utilise deux miroirs et un seul trajet rectiligne pour la création d'un faisceau qui peut être utilisé dans divers buts Dans une autre catégorie de laser, le trajet est établi par trois ou quatre miroirs ou plus disposés en anneau Deux faisceaux laser au moins se propagent alors en sens opposés dans l'anneau pour l'établissement d'une fréquence de battement Lorsque l'anneau laser se déplace, la fréquence de battement change puisque le faisceau lumineux se déplaçant dans le sens de déplacement a une distance légèrement plus grande à parcourir dans l'anneau alors que la lumière se déplaçant dans l'autre sens néces- site un temps légèrement plus court pour parcourir l'an- neau Ceci constitue la base du gyroscope à laser annulaire qui est utilisé comme dispositif pour la navigation. Des gyroscopes à laser annulaire peut utiliser habituellement deux, quatre ou six fréquences ou plus. Comme indiqué, ils peuvent utiliser trois ou quatre miroirs ou plus pour la formation de l'anneau voulu. Des gyroscopes à laser annulaire peuvent être réalisés sous forme d'un anneau plat ou d'un anneau replié. Un laser à anneau plat ayant quatre miroirs est par exemple représenté dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 317 089 Un gyroscope à laser annulaire formé par quatre miroirs disposés aux coins d'un bloc qui forme les sommets d'un tétraèdre est représenté dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No 4 813 774 Un laser analogue formé sur un bloc ayant quatre miroirs qui constitue un anneau dans deux plans orthogonaux, deux des quatre miroirs seulement se trouvant aux sommets du bloc, est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 818 087 Un gyroscope à laser annulaire à six fréquences, de faible coût, ayant un trajet fermé irrégulier non plan entre les miroirs est représenté dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 687 331. Presque tous les gyroscopes à laser annulaire actuels utilisent un ou plusieurs miroirs déformables commandés activement pour la conservation d'une longueur constante de trajectoire Le réglage des miroirs défor- mables est réalisé en général à l'aide d'un mince dia- phragme qui est déformé par un cristal piézo-électrique On a constaté que cette flexion des miroirs du gyroscope à laser annulaire mettant en oeuvre des cristaux piézo- électriques provoquait aussi un basculement des miroirs des diaphragmes lors de leur flexion La flexion peut aussi se produire avec des variations de température du miroir de réglage de la longueur de la trajectoire Le pivotement du miroir dû à la flexion ou à la variation de température provoque un déplacement sur le miroir du point de réflexion qui établit la longueur de la trajectoire du laser Ce déplacement du faisceau provoque des modifications impor- tantes dans la longueur de la trajectoire du laser qui peuvent provoquer une variation du faisceau de sortie du gyroscope de plusieurs degrés par heure La dérive du laser provoquée par ces variations est une erreur que tous les fabricants cherchent à réduire. L'invention a donc pour objet la réalisation d'un dispositif perfectionné de montage d'un miroir de laser d'un gyroscope à laser annulaire. Elle concerne ainsi un dispositif de montage de miroir de laser qui élimine le pivotement et le phénomène d'hystérésis normalement rencontrés par utilisation des miroirs piézo-électriques connus, afin que le réglage de la longueur de la trajectoire soit meilleur. Un autre objet de l'invention est la réduction du coût, et une augmentation de la robustesse du laser, à la fois afin que la résistance aux accélérations élevées et aux rayonnements soit accrue, et afin que la sensibilité aux vibrations soit réduite. Plus précisément, l'invention concerne un dispositif de montage de miroir de laser ayant une base de montage qui est supportée par le corps d'un laser Une tige est fixée à la base de montage et dépasse de celle-ci vers le laser Un miroir du laser est alors monté sur la tige La tige est choisie en un matériau dont le coefficient de dilatation thermique est tel qu'il maintient le miroir monté sur lui au même point fixe sur la trajectoire du laser, lorsque le corps du laser et la base de montage du dispositif de montage du miroir de laser et sa tige subissent une dilata- tion thermique due au chauffage Cette caractéristique est obtenue par réalisation de la tige afin qu'elle se dilate dans un sens sous l'action du chauffage alors que le corps du laser se dilate dans l'autre sens Cette disposition est appelée 'réglage passif de la longueur de la trajectoire". D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence au dessin annexé sur lequel: la figure 1 est une vue schématique en plan d'un gyroscope à laser annulaire ayant les dispositifs perfec- tionnés de montage de miroir selon l'invention; la figure 2 est une vue détaillée en plan du dispo- sitif de montage de miroir de laser de la figure 1, et elle représente une variante; la figure 3 est une vue détaillée analogue à la figure 2 représentant une autre variante du dispositif de montage de miroir de laser; et la figure 4 est une vue détaillée d'une autre variante du dispositif de montage de miroir du laser. On se réfère maintenant aux dessins sur lesquels la figure 1 représente un exemple de gyroscope à laser annu- laire 10 construit dans un corps 12 de laser qui peut avoir la forme d'un bloc d'un matériau à faible coefficient de dilatation, par exemple un matériau vitrocéramique usinable disponible dans le commerce sous la désignation "Zerodur", fabriqué par Schott Optical Company, du quartz, de la silice fondue, du "Pyrex" ou du "Rayceram", une matière céramique comprimée fabriquée par la Demanderesse Un passage 14 peut être formé dans le corps 12 du laser par perçage d'ouvertures à partir de coins opposés du corps 12. Le passage 14 forme un anneau autour duquel un ou plusieurs faisceaux, ayant une longueur de trajectoire schématique- ment indiquée par la référence 16, peuvent se propager à l'aide des miroirs 18, 20, 22 et 24 du laser Dans le mode de réalisation représenté, le gyroscope à laser annulaire créé dans le corps 12 est établi dans un seul plan, les miroirs 20, 22 et 24 étant totalement réfléchissants alors que le miroir 18 est partiellement réfléchissant Bien que le corps du laser représenté sur la figure 1 soit repré- senté sous forme d'un carré plat, d'autres configurations sont aussi possibles, dans le cadre de l'invention En outre, il faut noter que la longueur de la trajectoire établie par le faisceau 16 peut être repliée, soit sous forme d'un losange plié, soit sous forme d'un tétraèdre replié De même, le trajet 16 du laser peut être un simple trajet linéaire formé entre deux miroirs ou un trajet rectangulaire formé entre trois miroirs ou un trajet tétraédrique formé entre quatre miroirs. Les miroirs 20 et 24 comportent une base 26 de montage ayant une surface interne qui est montée contre le corps 12 du laser Une tige 28 de miroir sur laquelle est monté un miroir 30 de laser, mieux représentée sur la figure 2, dépasse de cette surface interne de la base 26 de montage, vers le corps 12. Comme l'indique la figure 2, une variante des miroirs 20 et 24 comporte la tige 28 formée en une seule pièce avec la base 26 de montage Cette base 26 a une face interne supérieure 29 qui s'ajuste contre le corps 12 du laser lorsque le miroir est monté sur ce corps Une surface 32 de montage de mirois est disposée suivant un angle O à la surface supérieure 29 de la base 26 de montage La disposition de la surface 32 avec un angle permet une légère inclinaison du miroir 30 monté sur elle lors de son montage sur le corps 12 Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, l'un au moins des miroirs 20 ou 24 peut avoir une tige en forme de coin En outre, le miroir 30 peut être directement monté à la surface 32 ou il peut être placé sur un substrat désigné schématiquement par la référence 30, puis monté avec le substrat sur la surface 32. On note sur les figures 1 et 2 qu'un mouvement de rotation de la base 26 ajuste l'angle d'incidence du faisceau laser 16 lorsqu'il frappe le miroir 30 De même, un mouvement de translation de la base 20, bien qu'il ne règle pas l'angle d'incidence du faisceau laser, ajuste la longueur de la trajectoire On note donc que la tige 28 et son miroir 30 peuvent être utilisés pour l'accord fin de l'ajustement de la longueur 16 de la trajectoire du laser Une approche analogue est décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 4 317 089. Une caractéristique plus importante de la tige 28 est qu'elle peut être réalisée avec un coefficient de dilatation thermique qui permet une dilatation de la tige 28 en sens opposé au sens de la dilatation thermique du corps 12 Par exemple, si le corps 12 est chauffé d'une température relativement basse à une température relative- ment élevée, le corps 12 se dilate vers l'extérieur en entraînant avec lui le miroir 20 et la base 26 de montage. Simultanément, le chauffage provoque une dilatation de la tige 28 et un déplacement de sa surface qui porte le miroir 30 vers l'intérieur Lorsque la dimension et le matériau sont convenablement choisis, les dilatations thermiques du bloc 12 et de la tige 28 de montage de miroirs peuvent être choisis de manière que le miroir 30 reste au même point sur le trajet 16 du laser. L'expression du changement de longueur de trajec- toire optique AL, comme indiqué par le faisceau laser 16, dû à la variation uniforme de température T d'un anneau arbitraire ayant un rotateur de Faraday à une seule cavité interne et plusieurs miroirs 20 et 24 à réglage passif de la longueur de la trajectoire, par exemple, est exprimée de la manière suivante, en degrés centigrades: AL = (a 9 L + l(n R-l)a R + dn R/d Tld R 2 aîticosei}AT ai étant le coefficient de dilatation thermique de la tige du miroir i de réglage passif, ti étant l'épaisseur de cette tige i, ei étant l'angle d'incidence sur le miroir i, d R étant l'épaisseur du rotateur de Faraday, a R étant le coefficient de dilatation du rotateur de Faraday, n R étant l'indice de réfraction du rotateur de Faraday, ap étant le coefficient de dilatation du bloc, L étant la longueur de la trajectoire optique de l'anneau, et T étant la tempéra- ture absolue. Le premier terme placé à droite est la contribution de la dilatation du bloc, le second terme (entre crochets) celle du rotateur de Faraday, et le terme de sommation celui des miroirs de réglage passif Le facteur 2 dans le terme de sommation est destiné à prendre en compte le fait qu'un déplacement déterminé d'un miroir provoque des variations égales de longueur de trajectoire pour deux branches adjacentes La contribution de la décharge du gaz dans le passage 14 qui provoque l'activité laser est négligeable en pratique L'expression est strictement valable uniquement pour des valeurs AT suffisamment petites pour que les coefficients de dilatation thermique a soient pratiquement indépendants de la température L'expression peut être généralisée de manière évidente afin qu'elle tienne compte du fait que les matériaux réels à faible coefficient de dilatation thermique ont une variation importante de leur coefficient de dilatation thermique pour des plages de variation de température AT supérieures à quelques dizaines de degrés Celsius. Dans le cas d'un anneau en losange replié à trajet direct ayant des miroirs de réglage passif de longueur de la trajectoire qui sont montés tels que i = 1,2, avec a 1 =a 2 'a, e 1 =e 2 = e et t 1 = t 2 = t, la condition de longueur constante de trajectoire devient simplement t = a L/( 4 acose). Le tableau qui suit indique l'épaisseur t de la tige du miroir de réglage passif (en mm) nécessaire dans le cas d'un anneau tétraédrique de 25 cm (angle d'incidence de ) Les matériaux de bloc qui peuvent être utilisés pour la famille de gyroscopes à laser annulaire indiquée précé- demment sont identifiés dans la première colonne Les matières de miroir qui peuvent être utilisées pour les miroirs de réglage passif sont indiquées à la ligne supé- rieure Le coefficient (constant) de dilatation thermique (CDT) supposé pour chaque matériau est indiqué (en ppm par OC) "Pyrex" désigne un verre borosilicate de Corning de code 7740 Le quartz ULE est du silicate de titane de code 7971 de Corning et les valeurs de la silice fondue corres- pondent au code Corning 7940 "Rayceram" est une céramique formée par pressage isostatique de Raytheon Aucune valeur n'est indiquée lorsque le coefficient de dilatation du bloc est supérieur ou égal au coefficient de dilatation du miroir. Le Tableau comporte un rotateur de Faraday à cavité interne ayant une épaisseur de 0,5 mm Les caractéristiques du matériau supposé pour le rotateur de Faraday sont les suivantes: indice de réfraction: 1,69 dérive de l'indice avec la température: 7,5 ppm/0 C coefficient de dilatation thermique: 4,7 ppm/OC. Les coefficients de dilatation thermique (CDT en ppm) et les épaisseurs correspondantes de tiges de miroir (en mm) du tableau sont valables pour la plage comprise entre 20 et 40 C. Matériau du bloc Bloc idéal Matériau du miroir CDT ( 0,00) TABLEAU Silice "Pyrex" fondue ( 0,50) ( 3,2) 3,1 0,48 Verre Aluminium ( 10) ( 20) 0,15 0,08 "ULE" Quartz ( 0,01) 4,5 0,71 0,23 0,11 "Zerodur" ( 0,05) 10,3 1,6 0,52 0,26 Silice fondue ( 0,05) 11,8 3,8 1,9 "Rayceram" ( 0,69) 16,0 5,1 2,6 "Pyrex" ( 3,2) 23,2 11,6 On a constaté que le rotateur de Faraday n'introdui- sait qu'une petite perturbation sur la longueur de la tige nécessaire pour la compensation de la dilatation thermique du bloc. On se réfère maintenant à la figure 3 qui représente une variante du dispositif de montage du miroir laser Dans ce mode de réalisation, la tige 28 et la base 26 de montage du miroir peuvent être formées de deux morceaux pour la simplification de la fabrication Dans une autre disposi- tion, la tige 28 peut être formée avec une dimension fixe ou normale, avec addition d'une rondelle 34 à la surface interne de la base 26 de montage, à sa périphérie externe. La rondelle 34 peut avoir diverses épaisseurs Ces épais- seurs variables permettent le montage d'un laser sur le corps 12 par utilisation de tiges 28 de dimensions norma- lisées Différentes rondelles 34 sont alors ajoutées pour la compensation des variations des tolérances autour du corps 12. La figure 4 représente une autre variante de dispo- sitif de montage de miroirs de laser Comme sur la figure 3, une rondelle 34 peut être ajoutée à la base 26 de montage de miroir Il faut être souhaitable de monter le miroir 30 de façon générale au niveau de la surface qui est découpée pour le logement de la base 26 de montage comme représenté au coin supérieur droit de la figure 1 Dans ce cas, la rondelle 34 peut être formée avec la même épaisseur que la tige 28 Il est possible de réaliser la tige 28 et la rondelle 34 avec les mêmes dimensions afin que les variations des tolérances entre les blocs des lasers soient compensées Ensuite, des entretoises supplémentaires pour la tige et des entretoises supplémentaires pour la rondelle 36 et 38 respectivement peuvent être utilisées. Dans un gyroscope à laser annulaire à six fréquences de faible coût tel que décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique NI 4 687 331, le réglage de la longueur de la trajectoire n'est pas nécessaire Cependant, certaines sources d'erreur, telles que le couplage par rétrodiffu- sion, dépendent de la longueur du trajet de manière géné- rale et des distances relatives des miroirs en particulier. Le réglage passif de la longueur de la trajectoire par mise en oeuvre de la dilatation thermique de la tige 28 est un moyen efficace pour réduire au minimum les erreurs telles que le couplage par rétrodiffusion, dans toute une gamme importante de températures. Dans les gyroscopes à laser annulaire dans lesquels on veut une grande précision, le réglage passif de la longueur de la trajectoire selon l'invention peut être combiné au réglage actif de la longueur de la trajectoire pour la réduction de la plage de travail de ce réglage actif Dans ces conditions, l'utilisation du réglage actif de la longueur de la trajectoire assuré par un miroir piézo-électrique par exemple peut être utilisée en combi- naison avec le réglage passif assuré par la tige 28 Un miroir piézoélectrique ou un autre élément piézo- électrique provoque par exemple des variations de la longueur de la trajectoire du laser de deux à quatre longueurs d'onde à la fréquence du faisceau laser Ainsi, un accord fin peut être réalisé par formation du substrat du miroir 30 ou, comme représenté sur la figure 4, de la base 26 de montage du laser en un cristal piézo-électrique. L'application d'une tension provenant d'une alimentation 40 au cristal piézo-électrique représenté sur la figure 4 en 26 ' provoque une compression ou une dilatation du cristal suivant la tension appliquée La réduction d'amplitude de compression de dilatation due à la présence de la tige 28 qui se dilate ou se contracte thermiquement permet une réduction de la plage de travail du cristal piézo-élec- trique 26 ' et réduit ainsi les erreurs de l'ensemble Cette compression ou cette dilatation, couplée à la dilatation thermique de la tige 28, permet la formation d'une combi- naison de réglages actif et passif de la longueur de la trajectoire qui améliore notablement la précision du gyroscope à laser annulaire dans lequel est monté le miroir 20 à réglage passif En outre, la réduction importante de la flexion nécessaire sous l'action du cristal piézo- électrique permet une réduction importante de l'amplitude du pivotement dû antérieurement à l'utilisation des miroirs à cristal piézo-électrique. Le montage du miroir 30 avec une inclinaison f sur la tige 28 permet l'ajustement de la longueur de la trajec- toire du gyroscope à laser annulaire 10 indépendamment de la déviation du miroir ou du cristal piézo-électrique Ceci permet le réglage du gyroscope 10 à une température ambiante prédéterminée permettant une optimisation supplé- mentaire des performances. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs de montage qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. il REVENDICATIONS 1 Dispositif de montage de miroir de laser destiné à être utilisé dans un laser, le laser étant formé dans un corps ( 12) ayant plusieurs miroirs montés sur le corps afin que la longueur de la trajectoire du faisceau laser soit établie dans le corps, caractérisé en ce qu'il comprend: une base ( 26) de montage disposée sur le corps, une tige ( 28) fixée à la base de montage et dépas- sant de celle-ci vers le corps, la tige ( 28) portant un miroir ( 30) du laser sur le trajet du faisceau laser, et la tige ( 28) ayant un coefficient de dilatation thermique choisi de manière qu'elle maintienne le miroir ( 30) qui est monté sur elle en un point fixe sur la trajec- toire du faisceau laser lorsque le corps ( 12) du laser se dilate dans un premier sens parce qu'il est chauffé et la tige se dilate dans un second sens parce qu'elle est chauffée. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tige ( 28) est fixée à la base de montage ( 26) suivant un premier angle et porte le miroir ( 30) du laser suivant un second angle afin qu'un angle de coin soit formé entre la base et le miroir, si bien que le déplacement de la base sur le corps du laser ajuste l'emplacement, sur le miroir, qui est frappé par le faisceau laser afin que la longueur de la trajectoire du faisceau laser soit ajustée à son tour. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le déplacement de la base ( 26) sur le corps ( 12) est un déplacement en translation. 4 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le déplacement de la base ( 26) sur le corps ( 12) est un déplacement en rotation. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la base ( 26) de montage et la tige ( 28) sont formées en une seule pièce d'un matériau. 6 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la base ( 26) de montage et la tige ( 28) sont formées par deux pièces séparées. 7 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tige ( 28) a une surface ( 32) de montage d'un miroir, et le miroir ( 30) est formé et monté directement sur la surface de montage de miroir. 8 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tige ( 28) a une surface ( 32) de montage de miroir, et le miroir ( 30) est formé sur un substrat qui est lui-même monté sur la surface de montage de miroir. 9 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la base ( 26) de montage a une surface interne très proche du corps ( 12) du laser et une périphérie externe placée à la surface interne entourant la région interne, une rondelle ( 34) est montée à la périphérie externe de la surface interne de la base de montage, et la tige ( 28) est montée sur la région interne de la surface interne de la base de montage. 10 Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la rondelle ( 34) et la tige ( 28) ont pratiquement la même épaisseur. 11 Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la rondelle ( 34), la tige ( 28) et la base de montage ( 26) sont des pièces séparées. 12 Dispositif selon la revendication 11, caracté- risé en ce que la tige est formée d'une première et d'une seconde pièce ( 28, 36), la première pièce portant le miroir ( 30) et ayant une épaisseur fixe, et la seconde pièce ayant une épaisseur variable afin qu'elle permette l'ajustement des variations des tolérances dans le corps du laser. 13 Dispositif selon la revendication 11, caracté- risé en ce que la rondelle est formée d'une première et d'une seconde pièce ( 34, 38), la première pièce ayant une épaisseur fixe et la seconde pièce ayant une épaisseur variable permettant l'ajustement des variations des tolé- rances dans le corps du laser. 14 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le laser est choisi dans le groupe qui comprend un laser à une seule fréquence, un laser à deux fréquences, un laser à quatre fréquences et un laser à six fréquences. 15 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le laser est choisi dans le groupe qui comprend un laser ayant une trajectoire rectiligne et deux miroirs, un laser ayant une trajectoire plate et trois miroirs, un laser ayant une trajectoire plate et quatre miroirs, et un laser ayant une trajectoire repliée et au moins quatre miroirs. 16 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'un au moins des miroirs du laser est formé sur une base de montage qui comporte un cristal piézo-électrique déformable destiné à assurer un accord fin de la longueur de la trajectoire du laser, et au moins un miroir ( 30) du laser est formé sur la tige ( 28) qui est fixée à la base de montage ( 26) afin qu'elle assure un accord grossier de la longueur de la trajectoire du laser. 17 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la base de montage comporte un cristal piézo- électrique déformable destiné à assurer l'accord fin de la longueur de la trajectoire du laser alors que la tige ( 28) montée sur lui assure un accord grossier. 18 Dispositif de montage d'un miroir de laser destiné à être utilisé sur un corps de laser, caractérisé en ce qu'il comprend une tige ( 28) destinée au montage d'un miroir ( 30) dans un corps ( 12) de laser, la tige et le corps ayant chacun une dilatation thermique, et une base ( 26) de montage de la tige ( 28) sur le corps ( 12), la dilatation thermique de la tige compensant la dilatation thermique du corps du laser. 19 Dispositif de montage d'un miroir destiné à être utilisé sur un corps de laser, caractérisé en ce qu'il comprend une tige ( 28) destinée au montage d'un miroir ( 30) dans un corps ( 12) de laser, la tige ( 28) et le corps ( 12) ayant chacun une dilatation thermique, une base ( 26) de montage de la tige ( 28) sur le corps du laser, la dilatation thermique de la tige compen- sant la dilatation thermique du corps du laser, et un cristal piézoélectrique dont la dilatation compense aussi la dilatation thermique du corps du laser. Dispositif selon la revendication 19, caracté- risé en ce que la base de montage est formée du cristal piézo-électrique. 21 Dispositif selon la revendication 19, caracté- risé en ce que le miroir ( 30) est monté sur un substrat, et le substrat est formé du cristal piézo-électrique.