Brevet FR2842304A1 — publié le 20040116

La présente invention concerne un interféromètre pour l'étude du référentiel de propagation des ondes electromagnétiques et notamment de la lumière, tel qu'il a été mis en évidence par Georges Sagnac dès 1911. Les expériences de Sagnac et les réalisations qui en découlent ne mesurent que les rotations, par interférométrie à partir d'une source lumineuse unique. Pour des mesures de translations, l'interférométrie à source unique ne peut donner d'indications directes en raison du fait que la somme vectorielle des projections des différents segments du trajet optique allant d'un point de la source à un point du récepteur sur la direction de déplace10 ment est un invariant. On doit donc recourir à la disposition imaginée par Michelson et Morley pour réaliser leur célèbre expérience. La très faible sensibilité de cette méthode dont l'équation de mesure est du second ordre par rapport au quotient v/C de relation entre la vitesse à mesurer v et la vitesse de la lumière C introduit des risques d'erreurs considérables: une différence de température de 1/100 de degré centigrade entre les deux branches de 1' interféromètre suffirait à expliquer la disparition de l'effet recherché, et cette vérification n'est consignée dans aucune des relations publiées. En outre cette faible sensibilité exige pour un résultat déja problématique un appareillage très coteux et ne peut mesurer en pratique qu'une vitesse aussi extra20 vagante que la vitesse orbitale de la Terre, ce qui n'élimine pas l'hypothèse que le référentiel de Sagnac soit lié au champ de gravitation terrestre, et que chaque champ de gravitation engendre de même son propre référentiel de propagation de la lumière, ce qui expliquerait notamment par le passage d' un champ de gravitation atomique au champ de gravitation terrestre l'effet Doppler observé sur les raies spectrales des Lasers, sans déplacement relatif émetteur-récepteur. La possibilité de transposer les expériences de Sagnac et leurs aplications industrielles dans le domaine de la mesure de translations réapparait si l'on peut réaliser ces mesures par interférences des faisceaux lumi30 neux provenant de deux sources distinctes. Dans l'état actuel des progrès techniques, on dispose déja industriellement de Lasers dont la fréquence peut être stabilisée avec une précision ne laissant apparaître que des battements d'environ 4 MHz dans le faisceau lumineux résultant de l'addition coaxiale ou quasi-coaxiale des faisceaux lumineux issus de chacun de deux Lasers. Dans l'appareil conforme à l'invention, la mesure est réalisée par différence entre le signal émanant d'un capteur dit interférentiel, comportant un filtre constitué de 2n fenêtres de fréquence spatiale 2F identique à celle des franges d'interférences calculées pour deux lasers ayant rigoureusement la longueur d'onde théorique, et le signal émanant d'un capteur dit de battements, comportant un filtre constitué de n fenêtres de fréquence spatiale F. La surface de passage offerte à la lumière est donc la même dans les deux capteurs, qui reçoivent chacun un des deux faisceaux résultant de la division du faisceau commun dans un séparateur optique. Les capteurs sont constitués de manière identique et connue, chacun par un élément photosensible à haute fréquence et un objectif qui forme sur cet élément l'image d'une por10 tion définie du filtre spatial correspondant à ce capteur. De manière caractéristique de l'invention, un amplificateur différentiel opère entre leur deux signaux. Le capteur dit interférentiel donne un signal résultant des phénomènes d'interférences auxquels s'ajoutent les phénomènes de battements dus à la différence minime entre les fréquences des deux sources;le capteur dit de battements ne peut être sensible aux phénomènes d'interférences proprement dits, puisque chacune des fenêtres de son filtre spatial intègre l'énergie sur une période spatiale complète de ces interférences mais il est parfaitement sensible aux battements de fréquences dont la période spatiale est de l'ordre de cent millions de fois celle des interférences. La différence sur laquelle opère l'amplificateur différentiel est donc bien le signal interférentiel net. Ce signal est amplifié et affiché par des moyens electroniques connus, et la position du filtre spatial du capteurinterférentiel par rapport au reste de l'appareillage peut être réglée avec précision. En appelant D la distance qui sépare les deux lasers dont les axes d'émission sont parallèles, on oriente la direction o se mesure cette distance perpendiculairement à la direction du déplacement à mesurer pour procéder au réglage qui consiste à amener le filtre spatial du capteur d'interférences dans la position qui produit le signal maximum ou minimum. Sans rien modifier à ce réglage, on oriente alors la direction de D parallèlement à celle du déplacement à mesurer; si ce déplacement a bien lieu par rapport au référentiel de Sagnac, le signal d'interférences varie, et pour le ramener à sa valeur initiale il faut déplacer le filtre spatial du capteur d'interférences d'une quantité directement proportionnelle au rapport v/C. A la latitude de Paris, la vitesse tangentielle de la rotation diurne de laTerre est de Vordre de -310 m/s; avec l'appareil conforme à l'invention, équipé de lasers de longueur d'onde de l'ordre de 600 nm et une distance D = C3, m, en arrondissant C à 300 BOU km/s, la mesure représente un décalage d'une demi-frange, alors qu'avec l'appareillage de Michelson et Morley, ce décalage ne serait que d'un demi-millionième de frange, probablement indétectable, même avec les raffinements électroniques qui ont été développés en faveur de l'utilisation du gyromètre de Sagnac pour la navigation ( Eric UDD: Fiber Optic Sensors, ISBN 0-47183007-0). En revanche, ces raffinements ouvrent à l'utilisation de l'appareil conforme à l'invention des perspectives d'applications très étendues. Les dessins annexés illustrent l'invention: La figure 1 représente une vue schématique en plan du système optique de l' interféromètre conforme à l'invention. La figure 2 représente deux éléments caractéristiques dont la comparaison est essentielle à une bonne compréhension de l'invention. En référence à ces dessins, l'interféromètre comporte deux lasers (1) et (2), de même longueur d'onde nominales, dont les axes d'émission sont parallèles et séparés par une certaine distance D. Les faisceaux lumineux émis par ces lasers sont réfléchis chacun par un des deux miroirs (3) et (4), de manière à parcourir en sens inverses chacun environ la moitié de la distance D, jusqu'à rencontrer les miroirs formés par les surfaces du prisme (5), qui les renvoient en direction du prisme diviseur (6). Par un réglage ap20 proprié des miroirs (3) et (4), les axes des deux faisceaux convergent sur un point qui après dédoublement dans le prisme diviseur (6) se retrouve respectivement au centre des filtres spatiaux (7) et (10), et l'angle a de cette convergence satisfait à la relation sin et = k/ p, p étant le pas du filtre spatial (7) qui équipe le capteur d'interférences. Ce capteur comporte en outre un objectif (8) qui projette sur le photorécepteur à haute fréquence (9) l'image d'une portion du filtre spatial (7), à peu près dans les proportions représentées sur la figure 2. Sur l'autre faisceau émergeant du prisme diviseur (6) on trouve de même le capteur de battements comportant le filtre spatial (10), également représenté sur la figure 2, l'objectif (11) , et le photorécepteur (12). Ces éléments ont les mêmes fonctions que leurs homologues du capteur d'interférences, mais en raison de la différence de fréquence spatiale entre les filtres (7) et (10), la modulation due aux franges d'interférences proprement dites n'est pas perçue par le photorécepteur (12) puisque chacune des fenêtres du filtre spatial (10) intègre l'énergie lumineuse sur la to35 talité d'une période de ces interférences, alors que dans le capteur d'interférences, la largeur des fenêtres du filtre (7) correspond à une demi-période spatiale de ces interférences. Dans les deux cas les fenêtres sont séparées par des montants opaques de largeur égale à celle des fenêtres qu'ils séparent, et le grand axe de ces fenêtres est orienté perpendiculairement au plan de la Figure 1. Pour obtenir des franges d'interférences appropriées à cette mesure, il convient d'utiliser des lasers stabilisés, à émission polarisée, cha5 que laser étant orienté autour de son axe optique de manière à ce que le plan de vibration de sa lumière polarisée soit parallèle au plan de la Figure 1. I. REVENDICATIONS' . . . . . : - -. '::::-'.'..:::..':..CLMF: 1) Interféromètre utilisant les interférences produites dans un faisceau lumineux commun constitué de manière connue par la convergence des faisceaux émis par deux lasers dontleÙs' axes optiques sont parallèles et écartés l'un de l'autre d'une distance qui constitue un pa'ra''tre dela me5 sure interféroé Ùtrique, ce faisceau lumineux co mun étant di visé par des moyens optiques connus en deux faisceaux secondaires et chacun e ces faisceaux étant analysé par un capteur com''p'ortant'n filtre spatial, caractérise par la différence existant entre ces deux filtres spatiaux, l'un seulement de ces filtres étant adapté par sa fréquence spatiale élevée à la lecture sé10 lective des franges d'interférences 'tandis "que le filtre spatial équipant l'autre capteur possède une fréquence spatiale moindre' telle que chaque fenêtre de ce filtre intègre la totalité de l'énergie d'une période complète de ces franges d'interférences, la mesure étant 'effetuée de'mànière cara éristique de l'invention par différence entre les signaux donnés par ces deux capteurs. -., ...