Brevet FR2876449A1 — publié le 20060414

GYROLASER A ETAT SOLIDE A FACTEUR D'ECHELLE STABILISE Le domaine de l'invention est celui des gyrolasers à état solide, utilisés pour la mesure des vitesses de rotation ou des positions angulaires. Ce type d'équipement est notamment employé pour les applications aéronautiques. Le gyrolaser, mis au point il y a une trentaine d'années, est largement commercialisé et utilisé de nos jours. Son principe de fonctionnement est fondé sur l'effet Sagnac, qui induit une différence de fréquence S2 entre les deux modes optiques d'émission se propageant en sens opposés, dits contre-propageants, d'une cavité laser en anneau bidirectionnelle animée d'un mouvement de rotation. Classiquement, la différence de fréquence S2 vérifie: S2 = S.zu avec S = 4A/2\,.L où S est appelé le facteur d'échelle du gyrolaser. L et A sont respectivement la longueur optique et l'aire de la cavité ; a, est la longueur d'onde moyenne d'émission laser hors effet Sagnac et m est la vitesse de rotation angulaire du gyrolaser. La mesure de S2 obtenue par analyse spectrale du battement des 25 deux faisceaux émis permet de connaître la valeur de tu avec une très grande précision. Par le comptage électronique des franges du battement qui défilent pendant un changement de position angulaire, on détermine aussi la valeur relative de la position angulaire du dispositif. Un des facteurs déterminant les performances d'un gyrolaser est la stabilité en température de son facteur d'échelle S. Dans les lasers à gaz de type Hélium/Néon comportant une cavité laser et un milieu amplificateur constitué par un mélange gazeux d'hélium et de néon, la stabilité du facteur d'échelle en température est due à la stabilité conjointe de la longueur d'onde, de la longueur optique et de l'aire de la cavité. La stabilité de l'aire de la cavité est obtenue en utilisant des supports de cavité taillés dans des matériaux à très faible coefficient de dilatation comme le zérodur. La stabilité de la longueur d'onde du laser est entraînée par la stabilité de la longueur d'onde d'émission atomique. La longueur optique de la cavité dépend des variations de la longueur et de l'indice optique de la cavité avec la température. Sa stabilité est assurée par un asservissement de la longueur de la cavité sur la raie atomique utilisée. L'asservissement est réalisé au moyen d'une cale piézo-électrique, le signal d'erreur étant fourni par l'intensité de la lumière émise par le laser. Le caractère gazeux du milieu amplificateur est toutefois une source de complications techniques lors de la réalisation du gyrolaser, notamment en raison de la grande pureté de gaz requise. D'autre part, il entraîne une usure prématurée du laser, usure due en particulier aux fuites de gaz, aux détériorations des électrodes, aux hautes tensions utilisées pour établir l'inversion de population. Actuellement, il est possible de réaliser un gyrolaser à état solide fonctionnant dans le visible ou le proche infra-rouge en utilisant, par exemple, un milieu amplificateur à base de cristaux de YAG (YttriumAluminium-Grenat) dopé au Néodyme à la place du mélange gazeux HéliumNéon, le pompage optique étant alors assuré par des diodes laser fonctionnant dans le proche infra-rouge. On peut également utiliser comme milieu amplificateur un matériau semi-conducteur, une matrice cristalline ou un verre dopé avec des ions appartenant à la classe des terres rares (Erbium, Ytterbium...). On supprime ainsi, de facto, tous les problèmes inhérents à l'état gazeux du milieu amplificateur. Cependant, dans les lasers dont le milieu amplificateur n'est plus 30 un gaz mais un solide, la stabilité du facteur d'échelle ne peut être assurée par les méthodes utilisées pour les lasers à gaz. En effet, la fréquence du maximum de la courbe de gain du milieu amplificateur est soumise à d'importantes variations lorsque la température varie. Par exemple, pour un laser de type Néodyme/YAG, la variation de la fréquence vaut -1.3 GigaHertz/degré à la longueur d'onde de 1.06 micron dans une gamme de température comprise entre -50 degrés et +100 degrés Celsius. On sait que l'intervalle spectral libre d'une cavité laser correspond à l'intervalle spectral séparant deux fréquences susceptibles d'osciller dans la cavité. II vaut c/L, c étant la vitesse de la lumière dans le vide. Or, pour des cavités de dimension classique, c'est-à-dire pour des longueurs optiques L valant quelques dizaines de centimètres, et pour les lasers à état solide, la largeur spectrale de la courbe de gain est grande devant l'intervalle spectral libre. Typiquement, la largeur spectrale de la courbe de gain représente plusieurs dizaines d'intervalles spectraux libres. Dans ces conditions, il n'est plus possible de construire un asservissement de la longueur de la cavité ayant pour signal d'erreur les variations de la courbe de gain lorsque la longueur L varie, celles-ci n'étant plus significatives. De plus, les variations en température de la longueur optique sont beaucoup plus importantes dans les solides que dans les gaz. En effet, aux variations de longueur géométrique dues à la température, s'ajoutent les variations de l'indice optique qui sont bien plus importantes dans un milieu dense. Par conséquent, il est plus difficile des les compenser à l'aide d'une cale piézo-électrique standard. Afin d'éviter d'avoir à effectuer la compensation thermique du facteur d'échelle, on pourrait utiliser des capteurs thermiques disposés sur la cavité laser pour déterminer la température, puis, grâce à un modèle mathématique, en déduire la variation du facteur d'échelle correspondant à la température mesurée. On pourrait alors introduire cette variation dans le calcul de la vitesse de rotation angulaire. Cependant, l'expérience prouve que les modèles ne sont pas actuellement suffisamment précis pour obtenir la précision souhaitée. Dans le domaine des lasers à état solide, le brevet américain US 6614818 propose une architecture optique permettant de conserver le mode d'émission sans saut de mode au moyen d'une compensation globale des dérives thermiques. Cette architecture est fondée sur la conservation du numéro de mode émis n, donné par: v.L n--l avec v: fréquence du maximum de la courbe de gain du c milieu amplificateur utilisé dans le laser et L: longueur optique de la cavité. Pour conserver ce numéro de mode, il suffit que sa variation en fonction de la température soit nulle, ce qui se traduit par la relation mathématique suivante: 1 dv 1 dL ±-=0 v dT L dT Cette relation ne saurait s'appliquer en l'état pour compenser les variations du facteur d'échelle, qui est un problème différent de la conservation de la fréquence du mode d'émission. En particulier, il est possible d'avoir des sauts de modes d'émission tout en conservant le facteur d'échelle. La présente invention propose une architecture optique basée sur la conservation globale du facteur d'échelle, chaque paramètre pouvant varier avec la température. Plus précisément, l'invention a pour objet un gyrolaser comprenant au moins une cavité en anneau de longueur optique L et d'aire A, un milieu amplificateur à l'état solide agencés de façon que deux ondes optiques de longueur d'onde moyenne X puissent se propager en sens contraire à l'intérieur de la cavité, le facteur d'échelle S du gyrolaser étant égal à 4A, caractérisé en ce que les variations de la longueur d'onde X.L moyenne X, de la surface de l'aire A et de la longueur optique L de la cavité en fonction de la température T soient telles que le facteur d'échelle S reste sensiblement constant lorsque la température T varie. Avantageusement, la cavité ayant un périmètre géométrique Lo, ladite cavité comportant au moins un élément optique i, i étant un indice entier variant entre 1 et le nombre total d'éléments optiques, l'élément optique i étant de longueur L; ,d'indice optique n;, x; étant égal au rapport, dn étant le coefficient de variation en fonction de la température T de dT l'indice optique n; de l'élément optique i, a; étant le coefficient de dilatation linéaire de l'élément optique i, ao étant le coefficient de dilatation linéaire du matériau servant de support à la cavité, v étant la fréquence centrale d'émission du milieu amplificateur et dv étant le coefficient de variation en fonction de la température T de ladite fréquence, lesdits éléments optiques et le milieu amplificateur sont agencés de sorte que la relation suivante soit sensiblement vérifiée: /2.a + 1. d v \ [i+(ni -1)xi - a - E (ni -1)x; .a; E dn x; = 0 v dT, dT Avantageusement, afin d'éviter que des sauts de modes optiques se produisent, les éléments optiques et le milieu amplificateur sont agencés de sorte que les relations suivantes soient sensiblement et simultanément vérifiées: 1 dv a = v dT et dn. E T-(n;-l).(a -ai) x; =0 Enfin, la cavité peut comporter au moins un matériau dont le coefficient de variation de l'indice optique en fonction de la température T est négatif. Egalement, la cavité peut comporter un ou plusieurs capteurs thermiques et le gyrolaser peut comporter une unité de traitement électronique reliée aux dits capteurs thermiques permettant de calculer les variations résiduelles en fonction de la température du facteur d'échelle. L'invention concerne aussi un système de mesure angulaire ou de vitesse angulaire, comportant au moins un gyrolaser tel que décrit précédemment. Le système peut alors comporter trois gyrolasers dont les cavités sont orientées de façon à réaliser des mesures dans trois directions indépendantes. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce à la figure 1 annexée qui représente un schéma de principe d'un gyrolaser selon l'invention. La figure 1 représente le schéma de principe d'un gyrolaser selon l'invention. II comprend: É une cavité 1 réalisé dans un premier matériau et comprenant plusieurs miroirs de renvoi 2, 3 et 4 et un miroir partiellement réfléchissant 5; É un milieu amplificateur 6; É au moins un élément optique 7 de longueur L7; É l'ensemble étant agencé de sorte que deux ondes optiques puissent se propager dans deux directions opposées à l'intérieur de la cavité. Ces deux ondes sont représentées par un trait double sur la figure 1. Ces ondes traversent les différents éléments optiques disposés dans la cavité ; É et un dispositif de mesure opto-électronique 8 représenté en pointillés permettant de calculer le paramètre angulaire mesuré à partir de la figure d'interférence des deux ondes contre-propageantes issues du miroir partiellement réfléchissant 5. Comme il a été dit, le facteur d'échelle du gyrolaser S vérifie avec les mêmes notations que précédemment: S = 4A/X.L Il est possible de remplacer la longueur d'onde par la fréquence v associée. On obtient alors la nouvelle expression du facteur d'échelle S qui vaut alors: S= 4A.v c.L On appelle facteur de forme le coefficient H qui vaut: A H = L avec Lo périmètre géométrique de la cavité H est un paramètre sans dimension sensiblement indépendant de la température. Ceci est vérifié notamment si les contraintes extérieures subies par la cavité respectent les symétries de celle-ci. On remplace alors A par HL02 dans l'expression de S. On obtient: S = 4H.Lzo.v c.L La cavité comporte n éléments optiques indicés i, i étant un indice entier variant entre 1 et le nombre total n d'éléments optiques, chaque 10 15 élément optique i étant de longueur L; et d'indice optique n;. Par conséquent, on a la relation: L = Lo + (ni -1).L; On écrit alors la nouvelle expression du facteur d'échelle S: S= 4H.LLO.v c. Lo +1(n; -1)L; La condition de stabilité du facteur d'échelle en fonction de la température s'écrit: dS = 0, soit encore dT d L d v d L dL. dn. 2L v+L L +E(n. -1)L. LL.v. +E(n. -1) + .L. dT dT dT ' dT; dT 10 ce qui donne, après division par v.Lo3 2 dLo 1 d y L. 1 dL n. -1 dLi dn. L. Lo dT + v dT + n; - l Lo Lo dT - Lo dT dT L t t o En posant x, = L. on obtient: 2 dL 1 d v 1 dLo (ni - 1)x, dL; - dn, L dT +vdT +n-lx' L dT L. dT dTx; =O Les coefficients de dilatation des différents éléments optiques valent: 1 dL; a = En les introduisant dans l'expression précédente, on obtient: L. dT i Idv 2a + v dT 1 + (n' - l)x. - a - (nt - l)xia, - dTx; = 0 Ce qui est bien l'expression telle que revendiquée et que l'on appelle relation 1. Dans le cas simple où la cavité ne comporte qu'un seul élément optique, qui sert de milieu amplificateur, ledit élément ayant un indice optique n, une longueur totale L et un coefficient de dilatation a, alors la relation précédente s'écrit: 8 2a0+vdT)L1+(n-l)x-ao-(n-lax- Tx=O Dans ce cas, x vaut donc: 1 dv ao ± v dT A titre d'exemple, si le milieu amplificateur est du néodyme-YAG 5 travaillant à la longueur d'onde de 1.06 micron, alors É l'indice optique n est égal à 1.82; É le coefficient de dilatation linéaire a est égal à 7.6 ppm par degré, ppm signifiant partie par million; É le coefficient de variation de l'indice optique en fonction de la 10 température est égal à 7.3 ppm par degré ; É le coefficient de variation de la fréquence v dT est égal à -4.6 ppm par degré, É et x représente le pourcentage de milieu amplificateur présent dans la cavité. Dans ce cas, x est égal à : ao - 4.6 x= 17.3 -1.64ao x doit être compris entre 0 et 1. Par conséquent, il suffit que le coefficient de dilatation du matériau ao vérifie: 4.6 ppm.K"' La relation 1 précédente permet de conserver un facteur d'échelle constant. Pour certaines applications, il peut se révéler intéressant d'éviter de perturber le fonctionnement du gyrolaser par des sauts de mode et de conserver un numéro de mode émis indépendant de la température, ce qui se traduit par la relation mathématique suivante: 1 dv1 dL ±. -0 v dT L dT x = , d _. dn dT v dT En utilisant les mêmes notations que précédemment, cette relation s'écrit encore: 1 dv dL dn dL. L + (n, -1)L' v dT dT dTL; dT qui devient, après division par Lo 1+(n; -1)x. 1 dv +a +1 dn;x; +E(n; -1) a; =0 v dT r dT On appelle relation 2 cette dernière relation. Les conditions pour que les relations 1 et 2 soient vérifiées simultanément sont: 1 dv v dT dn. ( dT - (n; -1)(a -ai) xi = 0 On appelle ces conditions relations 3 et 4. Si la cavité ne comporte qu'un seul élément optique, les relations 3 et 4 précédentes ne sont pas nécessairement possibles à satisfaire. Si la cavité comporte au moins deux éléments optiques, il devient plus aisé de satisfaire simultanément ces deux relations. En effet, avec deux éléments optiques, les relations 3 et 4 s'écrivent: 1 dv a = v dT l [ dT - ("' -1Xa a, l]x, + [ dT - (n2 a2)]x2 = 0 A titre d'exemple, si le matériau 1 est du Nd:YAG servant de milieu amplificateur, les conditions 3 et 4 deviennent: = 4.6ppm.K-' 9.76.x, + dT - (n2 -1)(ao - a2)Jx2 = 0 II est possible de trouver un matériau vérifiant la condition 3. En effet, ce coefficient de dilatation est typique des verres standards de type borosilicate. xi et x2 étant nécessairement positifs, la relation 4 implique que: dn2 -(n2-1(4.6-a2) Avec ce verre de référence PK51A, la relation 4 s'écrit alors: 9.76.x1 3.x2 =0 soit encore x1/x2 =0.3 Par exemple, si le barreau de YAG assurant l'amplification a une longueur de 5 centimètres, alors un barreau de PK51A de 16 centimètres permet d'assurer la compensation thermique, la cavité étant elle-même réalisée dans un matériau dont le coefficient de dilatation vaut 4.6 ppm.K"' qui est typiquement représentatif d'un verre. Ainsi, un choix judicieux de matériaux permet de compenser en 20 grande partie les dérives thermiques agissant sur le facteur d'échelle et également sur les modes optiques. Bien entendu, dans le cas où les coefficients de dilatation ou les coefficients de variation de l'indice optique en fonction de la température ne sont pas parfaitement linéaires, dans le cas également où la température n'est pas uniformément répartie dans l'enceinte de la cavité, il est possible d'affiner la mesure du facteur d'échelle du gyrolaser au moyen d'un modèle mathématique déterminant les petites variations du facteur d'échelle en fonction des variations thermiques. Dans ce cas, des capteurs de température sont disposés dans l'enceinte de la cavité. Le gyrolaser selon l'invention peut s'appliquer à tout système de mesure angulaire ou de vitesse angulaire. Le système peut comporter, en particulier, trois gyrolasers dont les cavités sont orientées de façon à réaliser des mesures dans trois directions différentes, permettant ainsi de connaître les trois composantes angulaires d'une position ou d'une vitesse. REVENDICATIONS 1. Gyrolaser comprenant au moins une cavité en anneau de longueur optique L et d'aire A, un milieu amplificateur à l'état solide agencés de façon que deux ondes optiques de longueur d'onde moyenne a, puissent se propager en sens contraire à l'intérieur de la cavité, le facteur d'échelle S du gyrolaser étant égal à 4.A, caractérisé en ce que les variations de la..L longueur d'onde moyenne X, de la surface de l'aire A et de la longueur optique L de la cavité en fonction de la température T soient telles que le facteur d'échelle S reste sensiblement constant lorsque la température T varie. 2. Gyrolaser selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cavité ayant un périmètre géométrique Lo, ladite cavité comportant au moins un élément optique traversé par les ondes optiques, i étant un indice entier variant entre 1 et le nombre total d'éléments optiques, l'élément optique i L. dni étant de longueur L; ,d'indice optique n;, x; étant égal au rapport L' ' dT étant le coefficient de variation en fonction de la température T de l'indice optique n; de l'élément optique i, a; étant le coefficient de dilatation linéaire de l'élément optique i, ao étant le coefficient de dilatation linéaire du matériau composant la cavité, v étant la fréquence centrale d'émission du milieu amplificateur et dT étant le coefficient de variation en fonction de la température T de ladite fréquence, lesdits éléments optiques et le milieu amplificateur sont agencés de sorte que la relation suivante soit sensiblement vérifiée: 11 C2.ao + v.dTJ 1+E(ni -1) x; ao E (n; -1k.ai E dT x =0; 3. Gyrolaser selon la revendication 2, caractérisé en ce que les éléments optiques et le milieu amplificateur sont agencés de sorte que les relations suivantes soient sensiblement et simultanément vérifiées: 1 dv a = vdT et dn. E dT - - 1).(a -a;) x; = 0 4. Gyrolaser selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité comporte au moins un matériau dont le coefficient de variation de l'indice optique en fonction de la température T est négatif. 5. Gyrolaser selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité comporte au moins un capteur thermique et le gyrolaser comporte une unité de traitement électronique associée reliée audit capteur thermique permettant de calculer les variations résiduelles en fonction de la température du facteur d'échelle. 6. Système de mesure angulaire ou de vitesse angulaire, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un gyrolaser selon l'une des revendications précédentes. 7. Système de mesure selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte trois gyrolasers dont les cavités sont orientées de façon à réaliser des mesures dans trois directions différentes.