Brevet FR2663735A1 — publié le 19911227

L'invention concerne un dispositif de régulation de longueur de parcours pour un gyrolaser, ou gyroscope à laser en anneau, et plus particulièrement un dispositif perfectionné et simplifié de régulation de longueur de parcours ou de trajet. Le gyroscope à laser en anneau, ou gyrolaser, a été développé pour remplacer logiquement le gyroscope inertiel mécanique Basé sur les principes de l'effet Sagnac, le gyrolaser comporte idéalement un minimum de pièces en mouvement, ce qui permet une détection extrêmement précise d'une rotation Tel qu'envisagé à l'origine, le gyrolaser comporte au moins deux ondes électromagnétiques (telles que de la lumière) se propageant en sens contraires, qui oscil- lent à l'intérieur d'une cavité optique en anneau Lorsque le gyrolaser idéal est immobile, aucune rotation n'est indiquée par capteur Lorsque la cavité annulaire du gyrolaser tourne autour de son axe central, les ondes se propageant en sens contraires développent une fréquence de battement Bien au- dessus d'une zone caractéristique de verrouillage ou de blocage, une relation linéaire entre la fréquence de batte- ment et la vitesse de rotation du gyroscope par rapport au système de référence inertiel peut être établie. Le gyrolaser en cours de travail a besoin de divers mécanismes d'ajustement pour approcher la relation linéaire idéale entre la fréquence de battement et la vitesse de rotation du gyroscope Bien que le gyrolaser idéal soit caractérisé par un indice de battement proportionnel à la vitesse de rotation, le gyrolaser plan à deux modes a besoin d'une polarisation de vitesse ou d'un tremblement mécanique pour empêcher un verrouillage des ondes se propageant en sens contraires à de faibles vitesses de rotation Le blocage de modes est une difficulté majeure à de faibles vitesses de rotation auxquelles le gyrolaser indique faussement que le dispositif ne tourne pas Si la vitesse de rotation d'un gyrolaser commence à une valeur supérieure à celle à laquelle un verrouillage ou blocage apparait et diminue ensuite, la différence de fréquence entre les faisceaux disparaît pour une certaine rotation d'entrée Un verrouillage ou blocage résulte du couplage de la lumière entre les faisceaux Un moyen efficace pour surmonter l'effet de verrouillage des modes lumineux se propageant en sens contraires dans un gyroscope à deux modes est de faire vibrer ou trembler mécaniquement les miroirs ou le corps du gyroscope. De plus, la longueur du parcours optique du gyroscope doit être régulée et contrôlée pour s'assurer que la cavité résonnante fonctionne au centre de la courbe de gain des spectres atomiques En raison de la multiplicité de leurs applications, les gyrolasers doivent fonctionner sur une large gamme de températures, par exemple de -550 C à + 750 C Etant donné que le faisceau de lumière laser émis par la région à gain actif du gyroscope se propage le long du laser en anneau en se réfléchissant sur les surfaces d'au moins trois miroirs, une dilatation thermique du bâti provoque une variation notable de la longueur d'onde de résonance dans la cavité Il est donc nécessaire de prévoir un mécanisme de régulation de longueur de parcours pour faire varier légèrement la longueur du parcours optique du résona- teur annulaire du gyroscope afin de préserver la résonance fondamentale de la cavité sur laquelle tous les instruments sensibles du gyroscope sont étalonnés. Même dans le cas o des matières du type du verre, à faible dilatation, sont utilisées pour la construction d'un bâti monolithique qui supporte le parcours de la cavité optique entre les miroirs, la longueur du parcours d'un gyrolaser subit encore une variation importante lors de variations de température Cette variation peut s'élever jusqu'à 5 longueurs d'ondes ou plus à la fréquence de résonance de la lumière produite par le milieu actif gazeux, tel qu'un mélange hélium-néon Dans un système actif de régulation de longueur de parcours, les variations de la longueur de parcours sous l'effet des dilatations et des contractions thermiques sont contrôlées par des circuits électroniques détecteurs et fournissent une information en réaction pour commander un ou plusieurs transducteurs piézo- électriques. Une autre fonction importante du dispositif de régulation de longueur de parcours est de maintenir la fréquence de résonance de la cavité du laser en anneau à la crête ou au centre de la ligne non homogène du milieu à gain. Il est bien connu de l'homme de l'art que les effets disper- sifs provoqués par l'écart de la fréquence de résonance par rapport à la crête de la courbe de gain amène les deux faisceaux se propageant en sens contraires à subir des indices de réfraction différents et donc à parcourir des longueurs de parcours optiques différentes, ce qui conduit à un faux signal de sortie de gyroscope, c'est-à-dire une erreur systématique En outre, l'erreur systématique, en plus de dépendre de la température, est hautement erratique car son amplitude change avec le décalage non maîtrisé entre la fréquence de résonance de la cavité et le centre de la courbe de gain. En référence aux figures l A et 1 B ayant trait à l'art antérieur, la préservation de la longueur du parcours optique implique que la ligne médiane 12 de gain du profil 10 de gain de résonance des spectres atomiques soit centrée avec la courbe en un point d'intensité maximale Pour préserver ce réglage lors de diverses températures, des ensembles à miroirs 16 et 18 à commande par transducteur piézo-électrique sont actionnés électriquement pour se déplacer axialement comme montré sur la figure l A afin de compenser des varia- tions de la longueur du parcours optique 20 du laser à anneau Les détecteurs 22 et 24 d'intensité lumineuse sont placés à chacun des miroirs fixes 26 et 28 pour capter une rotation Chacun des ensembles à miroirs 16 et 18 commandés par transducteur comprend des actionneurs piézo-électriques fixés à une surface ou un élément de commande annulaire flexible pour réaliser la déflexion axiale des surfaces réfléchissantes qu'ils portent. On a suggéré jusqu'à présent divers principes pour des dispositifs de régulation de longueur de parcours tels que les dispositifs 16 et 18 de la figure l A Les conceptions portant sur des dispositifs de régulation de longueur de parcours comprennent celles que l'on trouve dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique N O 4 824 253, 4 861 161 et 4 691 323, et dans la demande de brevet britannique no 2 037 455. Le brevet N O 4 861 161 précité indique une technique particu- lière dans la conception d'un dispositif de régulation de longueur de parcours, pour minimiser l'inclinaison du miroir. L'attention est attirée en particulier sur la figure 2 qui montre un exemple de la structure complexe d'un dispositif de régulation de longueur de parcours de l'art antérieur Un ensemble 30 à miroir de dispositif de régula- tion de longueur de parcours est représenté et comprend d'une façon générale un bâti 38 de miroir du type à membrane qui supporte le miroir 44, lequel est placé de façon à faire face vers l'intérieur du bâti 40 du gyroscope pour réfléchir sur sa surface la lumière dans le parcours optique Le corps 38 comporte un cylindre extérieur 34 et une colonnette centrale 36 de miroir La surface annulaire 48 de la colonnette 36 de miroir et la surface annulaire extérieure 52 du corps 38 sont appliquées contre la plaque circulaire 32 d'appui La plaque circulaire 32 d'appui est placée en sandwich entre le corps 38 de miroir et le corps de commande 50 Le corps de commande comprend une colonnette 54 de commande qui, durant l'activa- tion du dispositif de régulation de longueur de la cavité, amène la surface 56 de la colonnette de commande à se déplacer axialement dans la direction indiquée en 42 Ce mouvement axial de la colonnette 54 de commande provoque un mouvement axial de la colonnette 36 de miroir contre la membrane de miroir flexible 46, permettant ainsi un mouvement axial du miroir 44 entre une position de repos et une position de flexion 44 ' (représentée en trait mixte) Le corps de commande 50 présente une surface extérieure 58 qui est appliquée contre la face arrière de la plaque d'appui 32. Deux éléments piézo-électriques 60 et 62 sont disposés de chaque côté de l'extrémité arrière du corps de commande 50 Ces éléments sont souvent bimétalliques ou bimorphes afin que, lorsqu'ils sont polarisés alternativement par l'application d'une tension par l'intermédiaire de bornes électriques 64 et 66, le corps de commande 50 et la colon- nette de commande 54 se déplacent axialement le long de l'axe central du corps de commande 50, exécutant un mouvement alternatif comme demandé dans la direction axiale 42 Ce mouvement a pour résultat de placer la plaque d'appui dans une nouvelle position 68 et d'amener la membrane 46 de diaphragme du corps 38 de miroir dans une nouvelle position 72, ce qui a pour résultat le mouvement axial souhaité 42 de la surface 44 du miroir vers l'extérieur jusqu'en 44 ' On notera que dans l'art antérieur de la figure 2, on avait besoin d'une structure relativement complexe, comprenant un corps de commande séparé 50, pour réaliser un dispositif approprié et équilibré de régulation de longueur de parcours. Cette complexité de structure était imposée par la nécessité de commander le miroir 44 dans un sens axial 42, tandis que l'élément 50 de commande n'agissait pas de façon à déstabili- ser la symétrie dynamique du dispositif 30 Il est certain que plus le dispositif de régulation de longueur de parcours est complexe, plus la conception et la fabrication du gyroscope deviennent couteuses. On a besoin d'une approche simplifiée pour réaliser des dispositifs de régulation de longueur de parcours, comprenant moins de pièces que demandé dans les dispositifs de régulation de longueur de parcours de l'art antérieur, sans cependant sacrifier les performances Il est décrit ici un tel dispositif de régulation de longueur de parcours pour gyrolasers, qui comprend un miroir monté sur (ou faisant partie intégrante de) un corps ou bâti de miroir, ce dernier comportant une membrane pouvant être déformée axialement Le corps ou bâti de miroir comporte aussi une colonnette de miroir reliée à sa membrane déformable ou flexible Le corps de miroir est appliqué contre une plaque d'appui Au moins un transducteur est fixé à la plaque d'appui, sur laquelle il est monté et par laquelle il est supporté, de façon à dévier axialement la plaque d'appui en réponse à un signal électronique d'entrée De cette manière, la plaque d'appui agit de façon à supporter les éléments du transducteur piézo-électriques et le corps du miroir, en même temps que la plaque d'appui agit aussi de façon à commander la membrane et le miroir réfléchissant par l'intermédiaire de la colonnette du miroir Ainsi, la plaque d'appui assume les fonctions doubles consistant à supporter les transducteurs et à commander axialement la colonnette du miroir du fait de l'effet bimorphe des éléments piézo-électriques. Les éléments transducteurs comprennent générale- ment deux transducteurs, un premier transducteur qui est un disque bimorphe plat supporté sur un premier côté de la plaque d'appui, et un second transducteur qui est un anneau bimorphe plat définissant une ouverture centrale De cette manière, l'ouverture centrale du second transducteur permet à la colonnette du corps du miroir d'être insérée contre une face de la plaque d'appui, tandis que l'autre face de la plaque d'appui supporte le premier transducteur La concen- tricité des premier et second transducteurs par rapport à la colonnette du miroir minimise l'inclinaison du dispositif de régulation de longueur de parcours. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: la figure l A est une vue schématique d'un instru- ment à gyrolaser de l'art antérieur, illustrant le fonction- nement d'un dispositif de régulation de longueur de la cavité; la figure 1 B est un graphique illustrant la courbe du milieu de gain atomique du gyroscope de l'art antérieur, fonctionnant à la fréquence de résonance d'un gyrolaser; la figure 2 est une coupe axiale d'un dispositif de régulation de longueur de parcours de l'art antérieur; la figure 3 est une vue en perspective isométrique d'une forme préférée de réalisation du dispositif de régula- tion de longueur de parcours pour gyrolasers selon l'inven- tion; la figure 4 est une vue en coupe axiale, suivant la ligne 4-4 de la figure 3, du dispositif de régulation de longueur de parcours selon l'invention; et la figure 5 est une vue isométrique éclatée, avec arrachement partiel, du dispositif de la figure 3. En référence à la figure 3, un dispositif de régulation de longueur de parcours est représenté placé à l'un des trois ou quatre angles d'un gyrolaser ou gyroscope à laser en anneau Une surface 84 de miroir est représentée réfléchissant de la lumière suivant un trajet ou parcours optique 87 La surface réfléchissante est montée sur une membrane 82 de miroir, laquelle membrane forme la surface avant d'un corps ou bâti 74 de miroir La plaque de soutien et l'élément 76 de commande à fonctions doubles sont repré- sentés placés à l'extrémité arrière du bâti 74 de miroir. Les figures 4 et 5 représentent plus en détail les éléments constituants le dispositif de régulation de longueur de parcours de l'invention On peut voir que les éléments fondamentaux du dispositif 70 de régulation de longueur de parcours comprennent un corps ou bâti 74 de miroir et une plaque d'appui ou de soutien 76 qui sert dans la fonction double en tant qu'élément de commande et qui est prise en sandwich entre les éléments piézo-électriques 78 et 80. L'élément piézo-électrique 78 forme un anneau présentant une ouverture intérieure 77 permettant la mise en place de la colonnette 75 du corps 74 du miroir Les éléments piézo- électriques 78 et 80 sont fixés et liés aux surfaces avant et arrière, respectivement, de la plaque d'appui et de commande 76 au moyen d'une colle époxy. Le corps 74 de miroir présente une surface avant qui supporte la surface 84 de miroir et agit à la manière d'une surface 82 de membrane La surface de membrane 82 agit aussi à la manière d'un substrat de miroir pour la surface 84 du miroir Le corps 74 du miroir comporte un cylindre extérieur 86 qui assure la symétrie et l'équilibre du dispositif 70 de réglage de longueur de parcours. De préférence, sauf pour les éléments piézo- électriques 78 et 80, tous les éléments qui constituent le dispositif 70 (de même que le corps 74 du miroir et la plaque d'appui et de commande 76) doivent être réalisés dans la même matière afin d'atténuer les effets d'une dilatation thermique différentielle Des matières ayant des coefficients de dilatation thermique relativement bas, telles que les matières des types "Cervit", "Zerodur", du verre 'IULE" (dilatation extrêmement basse), sont parmi les plus souhaita- bles à utiliser dans la fabrication du dispositif 70 de régulation de longueur de parcours De cette manière, le dispositif 70 est capable de fonctionner sur une large gamme de température, de -550 C à au moins + 750 C. En fonctionnement, un stimulus électrique est appliqué comme montré à l'aide du câblage électrique 88 A et 88 B On notera que les éléments piézo-électriques 78 et 80 sont chargés de manière que les deux surfaces intérieures les plus proches de la plaque d'appui acquièrent des charges identiques (par exemple négatives) et que, en même temps, les surfaces extérieures des éléments 78 et 80 acquièrent des charges identiques du signe opposé (c'est-à-dire positives). Par conséquent, lorsqu'ils sont activés par une tension, les éléments piézo-électriques 78 et 80 tendent à se bomber dans la direction axiale suivant l'axe central du dispositif 70 de réglage de longueur de parcours (ligne 4-4 de la figure 3). Les éléments piézo-électriques amènent donc la plaque d'appui à se bomber et déplacer la colonnette 75 de miroir dans une direction axiale Un trou d'évent 90 est prévu pour permettre une égalisation de la pression à l'intérieur du dispositif 70 de régulation de longueur de parcours et pour permettre aussi un passage du câblage 88 A et 88 B depuis les éléments piézo- électriques 78 et 80, de l'intérieur du corps 74 jusqu'à la surface extérieure pour une connexion électrique à l'exté- rieur du dispositif 70 Il convient de noter qu'un seul trou d'évent à travers le corps 74 du miroir est nécessaire pour assurer l'égalisation de pression demandée (lorsque la membrane 82 du miroir se déplace vers l'intérieur et vers l'extérieur le long de la direction axiale du dispositif 70), tandis que dans la conception de l'art antérieur, telle qu'illustrée sur la figure 2, il faut au moins deux trous d'évent d'égalisation de pression de chaque côté du corps de commande 50. Un mouvement de la colonnette 75 du corps 74 de miroir provoque un déplacement alternatif de la surface réfléchissante 84 du miroir le long de l'axe central du dispositif 70 à miroir permettant ainsi de réguler la longueur de parcours optique ou de cavité active Il convient de noter que, jusqu'à présent, un corps de commande supplé- mentaire 50 (voir l'art antérieur sur la figure 2) était nécessaire pour réaliser la translation axiale souhaitée que la présente invention effectue en utilisant la plaque de soutien 76 dans sa double fonction d'élément de commande et de plaque de support d'élément piézo-électrique Cette conception permet des économies considérables par suite de l'élimination du composant constitué du corps 50 de commande. Une source d'erreurs particulièrement nuisible aux performances de tous dispositifs de régulation de longueur de parcours est l'inclinaison du miroir, c'est-à-dire le mouvement du miroir dans des directions autres que son axe perpendiculaire Comme cela a été décrit précédemment dans la technique (à savoir le brevet né 4 861 161 précité), cette inclinaison du miroir peut provoquer des décalages systémati- ques dans le signal de sortie du gyrolaser lors de variations de la température. Une technique efficace pour tester le dispositif à miroir de régulation de longueur de parcours, en ce qui concerne l'inclinaison du miroir, est d'effectuer un "ba- layage de mode" Un balayage de mode consiste à appliquer une pleine tension électrique aux éléments piézo-électriques 78 et 80 de régulation de longueur de parcours, tout en relevant simultanément les signaux de sortie des détecteurs d'inten- sité lumineuse, tels que les détecteurs 22 et 24 de la figure l A Dans ce test, les miroirs de régulation de longueur de parcours se déplacent de façon à passer par leur nombre maximal de modes nominaux, et une trace des signaux de sortie des photodétecteurs montre une courbe telle que celle illustrée sur la figure 1 B (le profil du gain) Toutes variations des maxima des profils de gain successifs dans un balayage de mode sont représentatives d'une inclinaison de miroir Le dispositif et le miroir de régulation de longueur de parcours selon l'invention ont été soumis à un test portant sur des erreurs d'inclinaison de miroir conformément à la méthode de balayage de mode telle que décrite précédem- ment A la différence des indications de l'art antérieur (y compris le brevet N O 4 861 161 précité), le dispositif de régulation de longueur de parcours selon l'invention est, de par sa nature, simple en comparaison avec les conceptions précédentes Cette simplicité de conception (comprenant l'absence de tous points de contact entre ses composants) a permis à la présente invention de réussir tout à fait aux tests concernant l'inclinaison des miroirs On a construit et testé un certain nombre de dispositifs de régulation de longueur de parcours selon l'invention Deux de ces disposi- il tifs ont été intégrés dans un gyrolaser qui a été soumis à divers essais de performance de gyroscope, comprenant l'essai de balayage de mode portant sur l'inclinaison des miroirs du dispositif de régulation de longueur de parcours Les résultats d'essais des dispositifs de l'invention ont montré que sur un balayage de sept modes (qui entre dans l'objectif nominal), aucune variation mesurable des maxima des profils de gain tracés durant le balayage de mode n'est apparue. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention Par exemple, toutes formes symétriques pour le corps ou bâti 74 de miroir peut convenir pour réaliser une régulation de longueur de cavité pourvu que la répartition des forces sur la face de la plaque 76 d'appui soit équilibrée. REVENDICATIONS 1 Dispositif de régulation de longueur de parcours dans un gyrolaser, caractérisé en ce qu'il comporte un miroir ( 84) monté sur un bâti ( 74) de miroir qui comprend une membrane ( 82) pouvant être déformée axialement, une colonnette ( 75) de miroir reliée à ladite membrane déforma- ble, une plaque d'appui ( 76), au moins un transducteur ( 78 ou ), lié à la plaque d'appui et destiné à déformer axialement la plaque d'appui en réponse à un signal électronique d'entrée, la plaque d'appui commandant la colonnette de miroir, la membrane et le miroir afin que la plaque d'appui assume les fonctions doubles de support du ou des transduc- teurs et de commande axiale de la colonnette de miroir. 2 Dispositif de régulation de longueur de parcours selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ou les transducteurs comprennent deux transducteurs ( 78, 80) dont un premier est un disque bimorphe plat ( 80) lié à une première face de la plaque d'appui et dont le second est un anneau bimorphe plat ( 78) présentant une ouverture centrale ( 77) dans laquelle est insérée la colonnette de miroir, le second transducteur étant lié à l'autre face de la plaque d'appui. 3 Dispositif de régulation de longueur de parcours selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ou les transducteurs comprennent deux transducteurs ( 78, 80) dont un premier est un anneau bimorphe plat définissant une ouverture centrale et lié à une face de la plaque d'appui et dont le second est un anneau bimorphe plat définissant une ouverture centrale de dimension identique à celle de l'ouver- ture du premier transducteur, dans laquelle la colonnette de miroir est insérée, le second transducteur étant lié à l'autre face de la plaque d'appui. 4 Dispositif de régulation de longueur de parcours selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bâti de miroir présente un seul trou d'évent ( 90) par lequel une égalisation de la pression du dispositif peut être réalisée. Dispositif de régulation de longueur de parcours selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bâti du miroir et la plaque d'appui sont réalisés en une matière à faible dilatation thermique, choisie dans le groupe comprenant des matières des types "Cervit", "Zerodur" et verre "ULE', de manière que le dispositif de régulation de longueur de parcours puisse fonctionner sur une large gamme de températures. 6 Gyrolaser, caractérisé en ce qu'il comporte une cavité optique résonnante formée dans une configuration en anneau qui définit un parcours optique fermé, la cavité optique résonnante comportant un dispositif ( 70) de régula- tion de longueur de parcours destiné à ajuster la longueur du parcours optique en réponse à des variations de cette longueur, le dispositif de régulation de longueur de parcours comportant en outre un miroir ( 84) monté sur un bâti ( 74) de miroir qui comprend une membrane ( 82) pouvant être déformée axialement, une colonnette ( 75) de miroir reliée à la membrane déformable, une plaque d'appui ( 76), au moins un élément piézoélectrique ( 78 ou 80) lié à ladite plaque d'appui et destiné à déformer axialement la plaque d'appui en réponse à un signal électronique d'entrée, la plaque d'appui commandant la colonnette de miroir, la membrane et le miroir afin que la plaque d'appui assume les fonctions doubles consistant à supporter le ou les éléments piézo-électriques et à commander axialement la colonnette de miroir. 7 Gyrolaser selon la revendication 6, caractérisé en ce que, en outre, dans le dispositif de régulation de longueur de parcours, le ou les éléments piézo-électriques comprennent deux éléments ( 78, 80), dont un premier est un disque bimorphe plat ( 80) lié à une face de la plaque d'appui et le second est un anneau bimorphe plat ( 78) définissant une ouverture centrale ( 77) dans laquelle est insérée la colon- nette de miroir, le second élément étant lié à l'autre face de la plaque d'appui. 8 Dispositif de régulation de longueur de parcours dans un gyrolaser, caractérisé en ce qu'il comporte un miroir ( 84), un moyen ( 74) de montage du miroir sur une membrane ( 82) pouvant être déformée axialement, une colon- nette de miroir ( 75) reliée à la membrane déformable, au moins un moyen transducteur ( 78 ou 80), un moyen ( 76) destiné à supporter le ou les moyens transducteurs et à commander axialement la colonnette de miroir, le ou les moyens trans- ducteurs étant liés sur le moyen de support et de commande afin de déformer axialement ce moyen de support et de commande en réponse à un signal électronique d'entrée, le moyen de support et de commande déplaçant axialement la colonnette de miroir, la membrane et le miroir afin que ledit moyen de support et de commande assume les fonctions doubles consistant à supporter le ou les transducteurs et à commander axialement la colonnette de miroir et le miroir sans incli- naison excessive du miroir. 9 Dispositif de régulation de longueur de parcours selon la revendication 8, caractérisé en ce que le moyen destiné à supporter le ou les moyens transducteurs et à commander axialement la colonnette de miroir comprend une seule plaque d'appui ( 76), et en ce que le moyen de montage du miroir sur une membrane déformable axialement comprend un bâti ( 74) de miroir. Dispositif de régulation de longueur de parcours selon la revendication 8, caractérisé en ce que le ou les moyens transducteurs comprennent deux transducteurs dont un premier est un disque bimorphe plat ( 80) lié à une face du moyen de support et de commande et dont le second est un anneau bimorphe plat ( 78) définissant une ouverture centrale ( 77) dans laquelle est insérée la colonnette de miroir, le second transducteur étant lié à l'autre face du moyen de support et de commande.