Brevet FR2730561A1 — publié le 19960814

PROCEDE POUR L'ACCROISSEMENT DE LA PRECISION ET LA DIMINUTION DU TEMPS DE MISE EN ROUTE D'UN GYROMETRE LASER ET GYROMETRE LASER METTANT EN OEWRE LEDIT PROCEDE. La présente invention concerne un procédé permettant d'accroître la précision d'un gyromètre laser et d'écourter la période transitoire qui suit la mise sous tension de ce gyromètre. Elle concerne également un gyromètre laser à optique monobloc utilisant ledit procédé. On sait qu'un gyromètre laser de ce type comprend un bloc optique, par exemple en quartz ou en zerodur, dans lequel est formée au moins une cavité résonnante, qui délimite un parcours optique de forme polygonale, par exemple carré ou rectangulaire. Cette cavité renferme un gaz sous faible pression et est munie d'électrodes (au moins une cathode et deux anodes) convenablement placées, de manière à provoquer une excitation des électrons des atomes du gaz et à produire, à l'intérieur de la cavité, deux faisceaux de rayonnement laser contrapropagatifs qui se propagent en sens inverse le long du parcours optique. Compte tenu de la forme du parcours, cette propagation en boucle fermée n'est rendue possible que grâce à l'emploi de miroirs disposés dans chaque région angulaire du parcours. Habituellement, à l'arrière de l'un de ces miroirs est placé un prisme mélangeur qui permet d'engendrer un phénomène d'interférences permettant de détecter les mouvements du gyromètre et donc du véhicule porteur qui les supporte. Un autre miroir est monté sur un support transducteur de manière à pouvoir asservir la longueur de la cavité en vue d'obtenir une puissance de sortie maximum. Dans un gyromètre de ce genre, le milieu actif dans chacun des capillaires à gain de la cavité présente, en son centre, un écoulement gazeux dans une direction, et à sa périphérie, un écoulement gazeux en sens inverse. Ces écoulements sont induits par la décharge électrique entre cathode et anodes et produisent un écart de fréquence entre les deux ondes contrapropagatives. Pour compenser ces effets, on engendre deux décharges symétriques dans la cavité, étant entendu que si les deux effets de flux de gaz produits ne sont pas égaux, on constate une instabilité de fonctionnement du gyromètre. Ceci implique l'emploi d'une cathode, dont le logement cathodique est en communication, grâce à deux capillaires, avec les deux régions opposées de la cavité où l'on souhaite obtenir les deux décharges. Or, il s'avère qu'au moment de la mise sous tension, la stabilité du gyromètre est compromise en raison des gradients thermiques qui se produisent durant la mise sous tension et qui perturbent les écoulements des susdits flux gazeux. En fait, ces gradients thermiques sont en grande partie dus à la dissymétrie engendrée par la présence de la cathode qui constitue une source de chaleur concentrée d'un même côté du bloc optique et au fait qu'il existe une différence de pression entre les deux extrémités de la décharge et, en particulier, entre l'anode et la réserve de gaz que constitue la cathode. En pratique, on constate que l'homogénéisation de la température du bloc optique du gyromètre n'est obtenue qu'au bout d'une heure environ, période au cours de laquelle la précision est dégradée. Pour tenter de supprimer ces inconvénients, on a proposé d'effectuer une modélisation du comportement du gyromètre laser pendant cette phase de mise en route, de manière à pouvoir effectuer les corrections nécessaires. Toutefois, cette modélisation, relativement complexe, ne convient que dans la partie terminale de la phase d'homogénéisation de la température. Dans ce cas, elle permet d'affiner le résultat obtenu. Par contre, elle se montre incapable de traiter les dysfonctionnements dus à des gradients thermiques importants qui existent au début de la phase d'homogénéisation. L'invention a donc plus particulièrement pour but de résoudre ces problèmes et également d'accroître la précision des gyromètres. A cet effet, elle propose un procédé qui consiste à compenser la dissymétrie engendrée dans le bloc optique par la chambre cathodique grâce à une chambre d'équilibrage en communication avec la cavité du gyromètre et ménagée dans le bloc optique à l'opposé de la chambre cathodique. De préférence, cette chambre d'équilibrage sera disposée symétriquement vis-à-vis de la chambre cathodique par rapport à un plan, un axe ou un centre de symétrie du bloc. Ainsi, dans le cas d'un gyromètre monoaxe, cette chambre d'équilibrage pourra être connectée à la cavité grâce à deux capillaires débouchant en deux emplacements de ladite cavité, l'ensemble formé par la chambre d'équilibrage et ses deux capillaires étant disposé symétriquement vis-à-vis de l'ensemble formé par la chambre cathodique et ses deux capillaires. Avantageusement, la chambre d'équilibrage pourra être équipée de moyens de chauffage, par exemple par induction électromagnétique. Ainsi, grâce à cette symétrisation aussi bien structurale que thermique et thermodynamique (écoulement gazeux à l'intérieur des capillaires) le temps de mise en route se trouve considérablement raccourci, tandis que la précision est améliorée. Avantageusement, la chambre d'équilibrage pourra inclure un corps qui, une fois porté à la température désirée, engendre un effet Getter permettant de supprimer les composants gazeux indésirables éventuellement présents à l'intérieur des cavités du laser. Il s'avère que le procédé précédemment décrit permet d'obtenir des résultats surprenants sur des gyromètres laser triaxiaux monoblocs comprenant trois cavités optiques résonnantes (une par axe de détection) intercommunicantes, par exemple du type de celui qui se trouve décrit dans le brevet FR 2 512 198 au nom de la Société Française d'Equipements pour la Navigation Aérienne (S.F.E.N.A.). L'ensemble de ces trois cavités forme alors un octaèdre régulier présentant huit faces triangulaires. Dans ce gyromètre laser, les cavités présentent une forme carrée et s'étendent dans trois plans orthogonaux (respectivement perpendiculaires aux trois axes sensibles). Ces cavités sont agencées de manière à ce que chacun des angles d'une cavité coïncide et communique avec l'angle d'une autre cavité. Un miroir associé à chaque couple d'angles en coïncidence est orienté de manière à être utilisé par les deux cavités formant ledit couple. Dans ce cas, il est possible d'utiliser une cathode commune reliée par trois capillaires aux trois couples d'angles en coïncidence définissant une face de l'octaèdre, appelée ci-après "face cathodique". Six anodes sont alors disposées de manière à obtenir dans chaque cavité deux zones de décharges symétriques. La chambre cathodique peut être alors avantageusement constituée par un perçage cylindrique dont l'axe est perpendiculaire à la susdite "face cathodique" et passe par son centre. Il est clair que dans une telle structure, les problèmes relatifs aux gradients thermiques et aux écoulements gazeux dans les diverses cavités sont relativement complexes. Pour résoudre ces problèmes, l'invention prévoit une chambre d'équilibrage pouvant consister en un perçage cylindrique, symétrique à la chambre cathodique par rapport à un plan de symétrie parallèle à la "face cathodique" et qui communique, par l'intermédiaire de trois capillaires, avec les trois couples d'angles en coïncidence, qui définissent la face de l'octaèdre opposée à la "face cathodique". On constate que cette solution permet de ramener le temps d'homogénéisation en température (initialement de 1 heure) à 10 mn environ, et d'augmenter la précision d'un facteur de 10. Il s'agit là d'un résultat véritablement surprenant allant très au-delà des prévisions du concepteur. Un mode d'exécution de l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels La figure 1 est une représentation schématique d'un bloc optique d'un gyromètre laser monoaxe équipé d'un dispositif selon l'invention ; La figure 2 est une représentation schématique, en perspective, d'un gyromètre laser monobloc à six miroirs. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, le gyromètre laser comprend un bloc optique 1 pouvant, par exemple, consister en un parallélépipède en zerodur, à l'intérieur duquel est réalisée une cavité rectangulaire 2. A chacun des angles de cette cavité est disposé un miroir Ml à M4 permettant aux deux ondes laser contrapropagatives de circuler en boucle fermée le long de la cavité 2. L'un de ces miroirs est monté sur un support piézoélectrique pour pouvoir asservir la longueur de la cavité par exemple à un paramètre représentatif de la puissance maximum du laser, et un miroir équipé d'un prisme mélangeur prévu pour effectuer un mélange des deux ondes et pour engendrer un spectre interférentiel qui constitue la réponse du gyromètre (ce spectre est engendré par les écarts de fréquence entre les deux ondes contrapropagatives). L'apport énergétique nécessaire pour engendrer les deux faisceaux de rayonnement laser est ici obtenu à l'aide de trois électrodes reliées à une source d'alimentation à haute tension à savoir : une cathode K1 et deux anodes A1, A2. La cathode K1 est disposée dans une chambre cathodique 4 située dans le plan médiateur P1 du capillaire 5 de la cavité 2, à l'extérieur de cette dernière. (Dans cet exemple, elle est axée sur une médiatrice du capillaire 5). Cette chambre cathodique 4 communique avec la cavité 2 par l'intermédiaire de deux capillaires 6, 7 débouchant au niveau des deux miroirs M1, M4 situés aux extrémités du capillaire 5. Les deux anodes A1, A2 sont, quant à elles, placées dans des chambres qui débouchent respectivement dans les deux capillaires 8, 9 de la cavité 2. Grâce à ces dispositions, les décharges engendrées entre la cathode K1 et les deux anodes A1, A2 s'effectuent en des zones Z1, Z2 de la cavité 2 rigoureusement symétriques par rapport au plan longitudinal de symétrie P1 du bloc optique. Pour atténuer les problèmes thermiques et thermodynamiques qui résultent de la dissymétrie de la structure dans le plan P1, l'invention propose de réaliser une chambre d'équilibrage 11 de dimensions similaires à celles de la chambre cathodique 4 et qui communique avec la cavité 2 grâce à deux capillaires 12, 13 (en traits interrompus) qui débouchent respectivement au niveau des deux miroirs M2, M3 situés aux extrémités du capillaire 14 opposé au capillaire 5. L'ensemble chambre d'équilibrage 11/capillaires 12, 13 est alors symétrique de l'ensemble chambre cathodique 4/capillaires 6, 7 par rapport au plan transversal de symétrie P2 du bloc 1. (La chambre d'équilibrage est donc axée sur une médiatrice du capillaire 14). Dans la chambre d'équilibrage est disposée une pièce 15 susceptible de s'échauffer sous l'effet d'une induction électromagnétique engendrée par une source 16 extérieure au bloc 1. Cette pièce 15 est réalisée en un ou plusieurs matériaux aptes à engendrer un effet Getter lorsqu'elle atteint une température par exemple de l'ordre de 900"C. Cet effet Getter permet de s'affranchir des gaz indésirables qui pourraient éventuellement subsister dans la cavité 2 et ne conserver à l'intérieur de celle-ci que les gaz rares qui constituent le milieu actif du gyromètre. Grâce à la symétrisation du bloc optique 1 et à l'effet de la chambre d'équilibrage 11, on obtient un équilibrage permanent des écoulements perturbés par les gradients thermiques. On parvient donc au résultat souhaité sans avoir à effectuer de modélisations du comportement thermique du bloc optique 1. Comme précédemment mentionné, les résultats obtenus grâce au procédé selon l'invention sont remarquables et peuvent même être qualifiés de surprenants, dans un gyromètre monobloc tri axe tel que celui qui est représenté schématiquement, en perspective, sur la figure 2. Ce gyromètre comprend un bloc optique, par exemple de forme cubique, à l'intérieur duquel sont réalisées, dans trois plans orthogonaux, trois cavités B, C, D, comprenant les capillaires B1 à B4 - C1 à C4 - D1 à D4 et délimitant chacune un parcours optique de forme carrée. Ces cavités B, C, D, sont agencées de manière à ce que chacun des angles d'une cavité coïncide et communique avec un angle d'une autre cavité. Elles définissent donc, dans l'espace intérieur du bloc, un octaèdre régulier présentant huit faces triangulaires et six sommets au niveau desquels sont placés six miroirs respectifs M'1, M'2, M'3, M'4, M'5, M'6 qui s'étendent respectivement dans les plans des faces d'un cube dans lequel l'octaèdre se trouve inscrit. Pour engendrer les couples de faisceaux contrapropagatifs à l'intérieur des trois cavités, le gyromètre comprend une cathode et six anodes. La cathode est logée dans une chambre cathodique 18 dont l'axe A est perpendiculaire à la face F1 et passe par le centre de cette face F1. Cette chambre 18, qui est extérieure au volume octaédrique, communique avec les trois cavités B, C, D au niveau des trois miroirs M1, M4, M5 définissant la face F1 par l'intermédiaire de trois capillaires respectifs 20, 21, 22. Les six anodes A'1 à A'6 sont disposées de manière à obtenir dans chaque cavité un couple de zones de décharge "zones actives" disposées de la même façon que dans le gyromètre représenté sur la figure 1. L'équilibrage thermique et thermodynamique est ici obtenu au moyen d'une chambre d'équilibrage 23, de forme cylindrique sensiblement identique à celle de la chambre cathodique 18 et disposée coaxialement relativement à cette dernière, à l'extérieur du volume octaédrique, en regard de la face F2 opposée à la face F1. Cette chambre d'équilibrage 23 communique avec les trois cavités B, C, D au niveau des trois miroirs M2, M3, M6 qui définissent la face F2, grâce à trois capillaires 24, 25, 26. L'ensemble formé par la chambre cathodique 18 et par les capillaires 20, 21, 22 est strictement symétrique de l'ensemble formé par la chambre d'équilibrage 23 et les trois capillaires 24, 25, 26 par rapport à un plan de symétrie parallèle aux faces F1 et F2. Grâce à ces dispositions, la chambre d'équilibrage 23 réalise un équilibre des pressions, côté anode de chacune des six zones actives. L'ensemble comprenant la chambre cathodique 18 et les trois capillaires 20, 21, 22 qui lui sont associés assure, quant à lui, l'égalisation des pressions des six zones actives, côté cathode. En conséquence, les six zones actives sont soumises à la même différence de pression et donnent lieu aux mêmes écoulements. On obtient donc une parfaite compensation des écoulements, même dans le cas où ces écoulements sont perturbés par des gradients thermiques (lesquels sont minimisés par les raisons précédemment décrites). Dans cet exemple également, il est possible d'équiper la chambre d'équilibrage de moyens permettant d'obtenir un effet Getter. Revendications 1. Procédé permettant d'accroître la précision et de réduire le temps de mise en route d'un gyromètre laser du type comprenant un bloc optique (1) dans lequel est formée au moins une cavité résonnante (2) qui délimite un parcours optique de forme polygonale et qui renferme un gaz actif sous pression, au moins une cathode (K1) logée dans une chambre cathodique (4) en communication avec la cavité (2) et deux anodes (Al, A2) disposées de manière à engendrer dans la cavité (2) deux zones de décharge (Z1, Z2) qui produisent deux faisceaux de rayonnement laser contrapropagatifs qui se propagent en boucle fermée dans la cavité (2) grâce à l'emploi de miroirs placés dans chaque région angulaire du parcours, caractérisé en ce qu'il consiste à compenser la dissymétrie engendrée dans le bloc optique (1) par la chambre cathodique (4) grâce à une chambre d'équilibrage (11) en communication avec la cavité (2) du gyromètre et ménagée dans le bloc optique (1), à l'opposé de la chambre cathodique (4). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la susdite chambre d'équilibrage (11) est disposée symétriquement vis-à-vis de la chambre cathodique (4), par rapport à un plan, un axe ou un centre de symétrie du bloc (1). 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend le chauffage de la chambre d'équilibrage (11). 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le susdit chauffage est utilisé pour produire un effet Getter dans la chambre d'équilibrage (11). 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes s'appliquant à un gyromètre multiaxe comprenant plusieurs cavités (B, C, D) présentant des régions angulaires en coïncidence et communiquant entre elles au niveau de ces régions, ce gyromètre comprenant une cathode commune logée dans une chambre cathodique (18) en communication avec deux régions angulaires de chacune des cavités, caractérisé en ce que la chambre d'équilibrage (23) communique avec des régions angulaires coïncidantes des susdites cavités, disposées symétriquement par rapport aux régions angulaires en communication avec la susdite chambre cathodique (18). 6. Gyromètre laser mettant en oeuvre le procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une cavité (2) définissant un parcours optique de forme polygonale, en ce que la chambre cathodique (4) est axée sur la médiatrice d'un premier côté (5) du parcours et communique par l'intermédiaire de deux capillaires (6, 7) avec les régions angulaires délimitant ledit côté (5), et en ce que la chambre d'équilibrage (11) est axée sur la médiatrice d'un second côté (14) du parcours, opposé au premier, et communique par l'intermédiaire de deux capillaires (12, 13) avec les régions angulaires délimitant ce deuxième côté (14). 7. Gyromètre selon la revendication 6, caractérisé en ce que la chambre d'équilibrage (11) contient une pièce (15) réalisée en un ou plusieurs matériaux aptes à engendrer un effet Getter, et en ce que cette pièce est chauffée par induction électromagnétique engendrée par une source (16) située à l'extérieur du bloc optique. 8. Gyromètre selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce qu'il comprend trois cavités (B, C, D) de forme carrée qui s'étendent dans trois plans orthogonaux et agencées de manière à ce que chacun des angles d'une cavité coïncide et communique avec un angle d'une autre cavité, l'ensemble des trois cavités (B, C, D) définissant ainsi un octaèdre régulier, ce gyromètre comprenant une cathode commune dont la chambre cathodique (18) est reliée par trois capillaires (20, 21, 22) à trois couples d'angles en coïncidence définissant une face (F1) de l'octaèdre, dite face cathodique, et six anodes (A1 à A6) disposées de manière à obtenir dans chaque cavité (B, C, D) deux zones de décharge symétriques, et en ce que la chambre d'équilibrage (23) est symétrique de la chambre cathodique (18) par rapport à un plan de symétrie parallèle à la face cathodique (F1) et qui communique, par l'intermédiaire de trois capillaires (24, 25, 26), avec les trois couples d'angles en coïncidence, qui définissent la face (F2) de l'octaèdre opposée à la face cathodique (F1). 9. Gyromètre selon la revendication 8, caractérisé en ce que la chambre cathodique (18) et la chambre d'équilibrage (23) sont cylindriques et sont disposées coaxialement l'une par rapport à l'autre.