Brevet FR2905005A1 — publié le 20080222

GYROLASER A ETAT SOLIDE AVEC MILIEU A GAIN ACTIVE MECANIQUEMENT Le domaine de l'invention est celui des lasers en anneau, encore appelés gyrolasers, à état solide. La quasi-totalité des gyrolasers utilise un milieu amplificateur gazeux qui est habituellement un mélange d'hélium et de néon. Cependant, il est possible d'utiliser un gyrolaser à milieu amplificateur à état solide, dans lequel le milieu amplificateur gazeux est remplacé par un élément solide, par exemple une matrice de YAG (Yttrium-Aluminium-Grenat) dopée Néodyme. Le principe de fonctionnement d'un gyrolaser est fondé sur l'effet Sagnac d'une cavité laser en anneau bidirectionnelle animée d'un mouvement de rotation. L'effet Sagnac induit une différence de fréquence S2 entre deux modes optiques d'émission dits contra-propagatifs se propageant en sens opposés à l'intérieur de la cavité. Dans les milieux solides habituellement utilisés, dont le Nd:YAG, les modes se propageant dans des sens opposés se partagent les mêmes atomes amplificateurs. On parle alors de gain homogène. Lorsque les deux modes contra-propagatifs ont des fréquences égales ou très proches, le signal d'interférence qui en résulte est une onde stationnaire, éventuellement mobile. Les atomes du milieu à gain participent d'autant plus au processus d'émission stimulée qu'ils sont proches d'un ventre de l'onde stationnaire et d'autant moins qu'ils sont proches d'un noeud. Il se crée alors dans le milieu à gain un réseau d'inversion de population, inscrit par l'onde stationnaire. Ce réseau subsiste tant que les fréquences des deux modes contra-propagatifs sont suffisamment proches. Son contraste est d'autant plus faible que la différence de fréquence est grande devant l'inverse du temps de vie du niveau excité. Il est établi que ce réseau d'inversion de population a des effets néfastes pour la gyrométrie pour deux raisons principales : • il exacerbe la compétition entre les modes contra-propagatifs, empêchant dans la plupart des cas le régime de battement, qui est le régime de fonctionnement en tant que gyromètre de s'établir ; 2905005 2 • il induit une non linéarité de la réponse en fréquence lorsque le laser est en rotation, ce qui détériore les performances inertielles. 5 Le premier de ces points peut être traité par' diverses techniques basées, par exemple, sur des dispositifs de contre-réaction électronique. Un dispositif optique disposé dans la cavité agit différemment sur l'intensité des modes selon leur sens de propagation. Ces dispositifs sont généralement basés sur des effets optiques non réciproques comme l'effet Faraday. 10 Toutefois, les dispositifs utilisés pour traiter le problème de la compétition entre modes fonctionnent moins bien aux faibles vitesses de rotation et ne s'affranchissent pas, en général, du problème de la non linéarité de la réponse en fréquence du gyrolaser. Ce problème peut, par exemple, être résolu par l'introduction d'un fort biais en fréquence entre les 15 deux modes contra-propagatifs. II faut alors maîtriser la stabilité du biais utilisé, sous peine de limiter les performances inertielles. Il est également possible de supprimer l'onde stationnaire dans le milieu à gain et le réseau d'inversion de population généré par cette onde en faisant en sorte que les états de polarisation soient orthogonaux lorsqu'ils interagissent avec le 20 cristal. Cette dernière technique nécessite un contrôle de la biréfringence dans la cavité, ce qui rend difficile son utilisation lorsque des hautes performances inertielles sont requises. Le principe du dispositif selon l'invention est de moduler la position 25 longitudinale du cristal actif autour d'une position moyenne, afin que les atomes du cristal soient en mouvement par rapport aux noeuds et aux ventres de la figure d'interférence formée par les deux modes contrapropagatifs, quelle que soit la différence de fréquence entre ces deux modes. Le dispositif selon l'invention permet de diminuer le contraste du réseau de 30 gain, et donc ses effets néfastes pour les mesures de gyrométrie tout en ne modifiant pas la longueur de la cavité. Le dispositif permet également d'atténuer les effets de la rétrodiffusion induite par le milieu amplificateur. Enfin, le dispositif selon l'invention constitue potentiellement un dispositif de traitement de la zone aveugle pouvant, selon les cas, se substituer ou être complémentaire du dispositif habituel d'activation mécanique. 2905005 3 Plus précisément, l'invention a pour objet un gyrolaser comportant au moins une cavité optique en anneau et un milieu amplificateur à l'état solide agencés de façon que deux modes optiques dits contra-propagatifs 5 peuvent se propager en sens inverse l'un de l'autre à l'intérieur de ladite cavité optique et traverser le milieu amplificateur, caractérisé en ce que ledit milieu amplificateur est accouplé à un dispositif électromécanique assurant audit milieu amplificateur un mouvement de translation périodique selon un axe sensiblement parallèle à la direction de propagation desdits modes 10 optiques. Avantageusement, l'amplitude du mouvement suit une loi sinusoïdale, fonction du temps, le produit de l'amplitude maximale du mouvement de translation périodique par le vecteur d'onde moyen des modes optiques correspond à la moitié d'un des zéros de la fonction de 15 Bessel Jo et la fréquence du mouvement de translation périodique est du même ordre de grandeur que ou supérieure à l'inverse de la durée de vie de l'inversion de population dans le milieu amplificateur. Avantageusement, la fréquence du mouvement est choisie de façon à éviter les résonances paramétriques qui déstabilisent le laser. En 20 particulier, ladite fréquence pourra être avantageusement éloignée de la ou des fréquences de relaxation du laser. Avantageusement, le dispositif électromécanique est du type piézo-électrique. Avantageusement, le gyrolaser comprend un dispositif de 25 stabilisation de l'intensité des modes contre-propageants, ledit dispositif peut comporter un système optique disposé dans la cavité, ledit système comprenant au moins un élément polarisant, un rotateur optique à effet non réciproque et un élément optique, ledit élément optique étant soit un rotateur optique à effet réciproque, soit un élément biréfringent, au moins l'un des 30 angles de rotation ou la biréfringence étant réglable. L'invention concerne également un système de mesure de vitesses angulaires ou de positions angulaires relatives selon trois axes différents, caractérisé en ce qu'il comporte trois gyrolasers ayant au moins l'une des caractéristiques précédentes, orientés selon des directions 35 différentes et montés sur une structure mécanique commune. 2905005 4 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 aux figures annexées parmi lesquelles : 5 • La figure 1 représente une vue générale d'un gyrolaser selon l'invention ; • Les figures 2, 3 et 4 représentent 3 dispositions géométriques différentes des faisceaux optiques par rapport au milieu amplificateur et au sens du mouvement de translation ; 10 • La figure 5 représente un exemple de réalisation d'un gyrolaser selon l'invention. La figure 1 représente une vue générale d'un gyrolaser 1 selon l'invention. Il comprend classiquement : 1:5 • Une cavité 2 en anneau composée de miroirs 7 dans laquelle circulent deux modes optiques 4 et 5 dits contra-propagatifs en sens inverse l'un de l'autre ; • Un milieu amplificateur 3 à état solide traversé par lesdits modes ; 20 • Des moyens de mesure 9 comprenant au moins des moyens optiques permettant de faire interférer les deux modes optiques, des moyens de calcul permettant de déterminer le déplacement angulaire ou la vitesse angulaire de la cavité à partir de la mesure des interférences obtenues ; 25 • Eventuellement, d'autres systèmes optiques comme, par exemple, des dispositifs de stabilisation 8 de l'intensité des modes contra-propagatifs. De plus, le milieu amplificateur est accouplé à un dispositif 30 électromécanique 6 assurant audit milieu amplificateur un mouvement de translation périodique dépendant du temps noté xc(t) selon un axe Ox sensiblement parallèle à la direction de propagation desdits modes optiques et correspondant à l'axe longitudinal de la cavité. 2905005 5 Dans ces conditions, on peut utiliser, pour décrire la dynamique du laser en anneau à état solide avec milieu amplificateur vibrant, les équations suivantes issues de la théorie semi-classique de Maxwell-Bloch. On obtient : J dF (i) 1.1-1je, 2+4 } at -t~ T~ 2T~ ~f_e. ak`ta mea) + E._c ('+r REVENDICATIONS 1. Gyrolaser (1) comportant au moins une cavité optique (2) en anneau et un milieu amplificateur (3) à l'état solide agencés de façon que deux modes optiques (4, 5) dits contra-propagatifs peuvent se propager en sens inverse l'un de l'autre à l'intérieur de ladite cavité optique (2) et traverser le milieu amplificateur (3), caractérisé en ce que ledit milieu amplificateur (3) est accouplé à un dispositif électromécanique (6) assurant audit milieu amplificateur un mouvement de translation périodique selon un axe sensiblement parallèle à la direction de propagation desdits modes optiques. 2. Gyrolaser selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'amplitude du mouvement suit une loi sinusoïdale, fonction du temps. 3. Gyrolaser selon la revendication 1, caractérisé en ce que le produit de l'amplitude maximale du mouvement de translation périodique par le vecteur d'onde moyen des modes optiques correspond à la moitié d'un des zéros de la fonction de Bessel d'ordre 0, 4. Gyrolaser selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence du mouvement de translation périodique est du même ordre de grandeur ou supérieure à l'inverse de la durée de vie de l'inversion de population dans le milieu amplificateur. 5. Gyrolaser selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence du mouvement de translation périodique est différente des résonances paramétriques, lesdites résonances comprenant les fréquences de relaxation du laser. 6. Gyrolaser selon la revendication 1, caractérisé en ce que le 30 dispositif électromécanique (6) est du type piézo-électrique. 2905005 13 7. Gyrolaser selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de stabilisation (8) de l'intensité des modes contre-propageants. 5 8. Gyrolaser selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif de stabilisation comporte un système optique disposé dans la cavité, ledit système comprenant au moins un élément polarisant (7), un rotateur optique à effet non réciproque et un élément optique, ledit élément 10 optique étant soit un rotateur optique à effet réciproque, soit un élément biréfringent, au moins l'un des angles de rotation ou la biréfringence étant réglable. 9. Système de mesure de vitesses angulaires ou de positions 15 angulaires relatives selon trois axes différents, caractérisé en ce qu'il comporte trois gyrolasers selon l'une des revendications précédentes, orientés selon des directions différentes et montés sur une structure mécanique commune.