Brevet FR2925153A1 — publié le 20090619

Gyrolaser multioscillateur à état solide utilisant un milieu à gain cristallin coupé à Le domaine de l'invention est celui des gyrolasers, qui sont des capteurs de rotation utilisés pour la navigation inertielle. Si la majorité des gyrolasers actuellement disponibles sur le marché utilisent comme milieu à gain un mélange gazeux d'hélium et de néon, il a été démontré récemment la possibilité de substituer à ce dernier un milieu solide, par exemple un cristal de Nd-YAG (Néodyme-Yttrium-Aluminium-Grenat) pompé par diode laser. Un tel dispositif est appelé gyrolaser à état solide. L'un des points déterminants pour la qualité des performances inertielles d'un gyrolaser est la façon dont est contourné le problème dit de la � zone aveugle �, c'est-à-dire le problème de la synchronisation des modes aux faibles vitesses de rotation, qui rend impossible la mesure sur toute une plage de vitesse, appelée zone aveugle. Dans la version usuelle du gyrolaser à hélium-néon, ce problème est résolu par l'activation mécanique de la cavité, c'est-à-dire en imprimant à cette dernière un mouvement de va-et-vient autour de son axe, ce qui permet de la maintenir le plus souvent possible en-dehors de la zone aveugle. Une transposition de cette technique au cas du gyrolaser à état solide, tenant compte des problèmes spécifiques liés au caractère homogène du milieu à gain, peut être réalisée en accouplant le milieu amplificateur à un dispositif électromécanique assurant audit milieu amplificateur un mouvement de translation périodique selon un axe sensiblement parallèle à la direction de propagation des modes optiques se propageant dans la cavité. Il existe une autre possibilité pour contourner le problème de la zone aveugle, sans utiliser de mouvement mécanique. Il s'agit d'introduire un biais en fréquence magnéto-optique, afin de simuler une rotation permettant de placer le gyrolaser dans une zone de fonctionnement linéaire. La qualité des performances inertielles des dispositifs réalisés selon ce principe dépend directement de la façon dont le biais en fréquence initialement introduit est retranché du signal de mesure. Comme cela a déjà été remarqué par le passé dans le cadre de travaux portant sur le gyrolaser à gaz, une simple soustraction de la valeur moyenne de ce biais ne peut conduire qu'a un gyrolaser de basse ou de moyenne performance, en raison des fluctuations et des dérives du biais qui se reportent directement sur le signal. Il existe un procédé pour conserver le bénéfice d'un biais magnéto-optique tout en s'affranchissant de ses fluctuations et de ses dérives. Le principe mis en oeuvre, connue sous le nom de � gyrolaser multioscillateur � ou �gyrolaser à 4 modes �, consiste à faire coexister dans la cavité deux paires de modes contrarotatifs oscillant sur des états de polarisation orthogonaux, et de faire en sorte que les deux paires soient sensibles au même biais magnéto- optique mais avec des signes opposés. Le signal de mesure, constitué par la différence entre les fréquences des battements issus des deux paires de modes contrarotatifs, est alors indépendant de la valeur du biais, donc en particulier insensible aux fluctuations et aux dérives de celui-ci. Ce type de dispositif a été largement décrit et étudié dans sa version à hélium-néon. On citera, par exemple, le brevet US 3 741 657 (1973) de K. Andringa, � Laser gyroscope � ou la publication de W. Chow, J. Hambenne, T. Hutchings, V. Sanders, M. Sargent III and M. Scully, intitulée � Multioscillator Laser Gyros �, IEEE Journal of Quantum Electronics 16 (9), 918 (1980). La société Northrop Grumman (anciennement Litton) commercialise actuellement un gyrolaser à hautes performances fondé sur ce principe dit � Zero-Lock �. La transposition des technologies � Zero-Lock � de Litton au cas du gyrolaser à état solide est possible et permet de résoudre le problème de la � zone aveugle �. Cependant, les lasers à état solide ont d'autres problèmes. La condition d'observation du battement, et donc de fonctionnement du gyrolaser, est la stabilité et la relative égalité des intensités émises dans les deux directions. Son obtention n'est pas a priori chose aisée en raison du phénomène de compétition entre modes, qui fait que l'un des deux modes centre-propageants peut avoir tendance à monopoliser le gain disponible, au détriment de l'autre mode. Le problème de l'instabilité de l'émission bidirectionnelle pour un laser en anneau à état solide peut être résolu par la mise en place d'une boucle de contre-réaction destinée à asservir autour d'une valeur fixée la différence entre les intensités des deux modes contre-propageants. Cette boucle agit :sur le laser soit en rendant ses pertes dépendantes du sens de propagation, par exemple au moyen d'un élément à rotation réciproque, d'un élément à rotation non réciproque et d'un élément polarisant (brevet FR N° 03 03645), soit en rendant son gain dépendant du sens de propagation, par exemple au moyen d'un élément à rotation réciproque, d'un élément à rotation non réciproque et d'un cristal à émission polarisée (brevet FR N° 03 14598). Une fois asservi, le laser émet deux faisceaux contre-propageants dont les intensités sont stables et peut être utilisé en tant que gyrolaser. Cependant les techniques mentionnées ci-avant ne résolvent pas le problème de compétition entre les modes orthogonaux. Expérimentalement, cette insuffisance limite en pratique la stabilité du battement obtenu à quelques dizaines de secondes sur le gyrolaser � multioscillateur à état solide �, comme décrit dans la thèse de doctorat de S.Schwartz intitulée � Gyrolaser à état solide. Application des lasers à atomes à la gyrométrie � et publiée en 2006. Le gyrolaser selon l'invention comporte un milieu à gain particulier permettant de réduire la compétition entre modes orthogonaux. Plus précisément, l'invention a pour objet un gyrolaser � multioscillateur � permettant la mesure de la vitesse angulaire ou de la position angulaire relative selon un axe de rotation déterminé, comportant au moins une cavité optique en anneau et un milieu amplificateur à l'état solide, et un dispositif de mesure, agencés de telle sorte qu'un premier mode de propagation polarisé linéairement et qu'un second mode de propagation polarisé linéairement perpendiculairement au premier mode puissent se propager dans un premier sens dans la cavité et qu'un troisième mode de propagation polarisé linéairement parallèlement au premier mode et qu'un quatrième mode de propagation polarisé linéairement parallèlement au second mode puissent se propager en sens inverse dans la cavité, caractérisé en ce que le milieu amplificateur est un cristal à symétrie cubique comportant une face d'entrée et une face de sortie, le cristal étant taillé de façon que lesdites faces soient sensiblement perpendiculaires à la direction cristallographique , les incidences des différents modes sur lesdites faces étant sensiblement perpendiculaires aux dites faces. Dans un premier mode possible de réalisation, le gyrolaser comporte, au moins, une diode laser réalisant l'inversion de population du milieu amplificateur, ladite diode émettant un faisceau de lumière traversant le cristal, le faisceau étant polarisé linéairement selon une direction déterminée par la bissectrice de l'angle formé par les directions des états de polarisation des modes propres de la cavité optique. Dans un second mode possible de réalisation, le gyrolaser comporte, au moins, deux diodes laser, réalisant l'inversion de population du milieu amplificateur, émettant chacune un faisceau de lumière, chaque faisceau étant polarisé linéairement selon l'un des axes propres de la cavité laser, la direction de polarisation du premier faisceau étant perpendiculaire à la direction de polarisation du second faisceau. Avantageusement, le gyrolaser comporte un dispositif d'asservissement de l'intensité des modes contre-propagatifs, comprenant 15 au moins : • un premier ensemble optique constitué d'un premier rotateur optique à effet non réciproque et d'un élément optique, ledit élément optique étant soit un rotateur optique à effet réciproque, soit un élément biréfringent, au moins l'un des effets ou la biréfringence étant réglable ; 20 • un second ensemble optique constitué d'un premier dispositif de filtrage spatial et d'un premier élément optique de séparation de polarisation ; • un troisième ensemble optique constitué d'un second dispositif de filtrage spatial et d'un second élément optique de séparation de 25 polarisation, le second ensemble optique et le troisième ensemble optique étant disposés de part et d'autre du premier ensemble optique, le troisième ensemble optique étant disposé symétriquement au second ensemble optique ; et le gyrolaser comporte également un dispositif de suppression de la zone 30 aveugle comprenant : • un quatrième ensemble optique constitué successivement d'une première lame quart d'onde, d'un second rotateur optique à effet non réciproque et d'une seconde lame quart d'onde dont les axes principaux sont perpendiculaires à ceux de la première lame quart d'onde, les axes 35 principaux de la première lame quart d'onde et de la seconde lame quart d'onde étant inclinés d'environ 45 degrés par rapport aux directions de polarisation linéaires des quatre modes de propagation, les fréquences optiques des quatre modes étant toutes différentes. Enfin, l'invention concerne également un système de mesure de 5 vitesses angulaires ou des positions angulaires relatives selon trois axes différents, comportant trois gyrolasers � multioscillateur ayant l'une des caractéristiques précédentes, les trois gyrolasers étant orientés selon des directions différentes et montés sur une structure mécanique commune. 10 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 : La figure 1 représente différentes coupes d'un cristal cubique ; La figure 2 représente un synoptique général d'un gyrolaser 15 � mulltioscillateur � selon l'invention ; La figure 3 représente un premier mode de pompage optique d'un amplificateur selon l'invention ; . La figure 4 représente un second mode de pompage optique d'un amplificateur selon l'invention ; 20 La figure 5 représente un synoptique général d'un gyrolaser � multioscillateur � selon l'invention comportant un dispositif d'asservissement de l'intensité des modes contre-propagatifs et un second dispositif de suppression de la zone aveugle. 25 Le principe fondamental du gyrolaser selon l'invention est la corrélation qui existe, dans un milieu cristallin dopé, entre les orientations des axes du cristal d'une part et les dipôles des ions dopants d'autre part. Cette corrélation a déjà été mise en évidence, pour des applications différentes, dans le cas de milieux absorbants saturables. On citera, par 30 exemple, les publications de H. Eilers, K. Hoffman, W. Dennis, S. Jacobsen and W. Yen, Appl. Phys. Lett. 61 (25), 2958 (1992) et de M. Brunel, O. Emile, M. Vallet, F. Bretenaker, A. Le Floch, L. Fulbert, J. Marty, B. Ferrand and E. Molva, Phys. Rev. A 60 (5), 4052 (1999) sur ce sujet. En orientant convenablement les axes du cristal servant de milieu à gain par rapport aux états propres de polarisation du laser, il est ainsi possible de faire en sorte que chaque état de polarisation interagisse préférentiellement avec certains dipôles, ce qui a pour effet de diminuer le 5 couplage entre les états propres orthogonaux, et donc le phénomène de compétition entre modes. En particulier, lorsque le milieu à gain utilisé est cubique et taillé de telle sorte que ses faces soient perpendiculaires à la direction , 10 direction repérée par rapport aux axes du cristal, selon la notation des indices de Miller (on se reportera sur ce sujet à H. Miller, A Treatise on Crystallography, Oxford University (1839)), le couplage entre les modes est significativement diminué par rapport à une coupe ordinaire, effectuée perpendiculairement à la direction . Ainsi, si l'on mesure dans une 15 cavité laser utilisant comme milieu à gain un cristal de YAG dopé aux ions Néodyme, la force du couplage entre modes orthogonaux d'une part avec un cristal coupé selon l'axe et d'autre part avec un cristal coupé selon l'axe , il est possible d'obtenir un couplage quinze fois inférieur dans le second cas que dans le premier,,ce qui se traduit, dans une configuration de 20 type � gyrolaser à état solide multioscillateur �, par une stabilité accrue des signaux de battements. La figure 1 représente deux coupes d'un cristal cubique, le dessin de gauche représente une coupe selon l'axe el le dessin de droite représente une coupe selon l'axe . Sur ces coupes, le cube représente la maille cristalline du cristal, les plans de coupe sont 25 représentés par des surfaces en pointillés, la direction de propagation des faisceaux laser est indiquée par une flèche double. Par conséquent, le gyrolaser selon l'invention comprend un milieu à gain cristallin cubique taillé selon pour accroître la stabilité des signaux de mesure. Il convient de noter que la très grande majorité des 30 milieux amplificateurs cristallins disponibles commercialement sont coupés à . Seul un petit nombre d'industriels spécialisés, comme la société allemande FEE, est capable de fournir des cristaux coupés à . L'effet d'un cristal coupé à par rapport à un cristal coupé à 35 sur le couplage entre les modes propres orthogonaux d'un laser peut être illustré par le modèle simplifié suivant, qui offre l'avantage de présenter une vision intuitive du phénomène physique mis en jeu. On suppose pour cela que les axes des dipôles des ions dopants soient orientés selon les axes cristallographiques du milieu à gain, supposé cubique et défini par les vecteurs unitaires et deux à deux orthogonaux ey, ey et a,. Les ions dopants peuvent donc être répartis selon trois familles de dipôles, notés dey, dey et de,. On considère tout d'abord le cas où le cristal est taillé selon l'axe . Le vecteur d'onde k d'un faisceau incident perpendiculairement aux faces du cristal s'écrit alors k = k (ex +e, �e)/'J. On note Eä et Eä les deux états propres de polarisation linéaires du laser, qui vérifient naturellement les relations suivantes : Eu. Eä=0 ; Eu. k=0 et k=0. On suppose alors (par'l'absurde) que les familles de dipôles soient découplées, c'est-à-dire que si un mode interagit avec une famille, alors l'autre mode n'interagit pas avec celle-ci. Avec nos notations, cela se traduit par le fait que si une composante selon ey, ey ou eZ de Eu n'est pas nulle, alors la composante correspondante de Eä doit être nulle. Le vecteur Eu n'étant pas nul, au moins l'une de ses composantes n'est pas nulle. On suppose, sans perte de généralité, que ce soit la composante correspondant à l'axe des x, à savoir (Eu. ex). Cela implique, d'après l'hypothèse de découplage des familles de dipôles, que la composante (E,ä. ey) est nulle. On déduit alors facilement de l'égalité k = 0 la relation suivante : E,, . ey = - E,, . e, ≠ 0 car E,≠ 0. Celle-ci permet à son tour, en utilisant l'égalité Eu . Eä = 0, d'établir la relation : Eu. ey = Eu . eZ = 0 d'après l'hypothèse de découplage des dipôles. On en déduit alors, en considérant le fait que Eu . k = 0, l'égalité Eu. ey = 0, ce qui est en contradiction avec l'hypothèse de départ. La 35 conclusion de ce raisonnement par l'absurde est qu'il n'est pas possible de30 découpler totalement les deux modes orthogonaux lorsque le cristal est taillé selon l'axe . On considère maintenant le cas opposé dans lequel le cristal est taillé selon l'axe . Le vecteur d'onde de l'onde incidente s'écrit alors k = k eX , et les polarisations des modes propres orthogonaux 5 prennent la forme : Eä=Eäo(eycosa+e,sina) et Eä=Eäo(-eysina+e,cosa) où l'angle a dépend de l'orientation des axes ey et ez par rapport aux l0 polarisations des axes propres de la cavité. En particulier, lorsque le cristal est orienté de telle sorte que a = 0, le système se trouve dans une situation où le mode E, n'interagit qu'avec la famille de dipôle dey, tandis que le mode E,n'interagit qu'avec la famille de dipôle de,. On a alors un découplage total des deux modes, ce qui n'est pas possible avec un cristal taillé selon l'axe 15 . En conclusion, ce modèle simple illustre l'intérêt d'une coupe selon l'axe pour découpler les modes de polarisation orthogonaux dans le milieu à gain. La figure 2 représente un synoptique général d'un gyrolaser 20 � multioscillateur � selon l'invention. II comprend essentiellement : • une cavité optique 1 en anneau ; • un milieu amplificateur 2 à l'état solide, • un dispositif de mesure 6 ; • un dispositif d'asservissement 3 de l'intensité des modes 25 contre-propagatifs • un dispositif de suppression de la zone aveugle 4. L'ensemble est agencé de telle sorte qu'un premier mode de propagation polarisé linéairement et qu'un second mode de propagation polarisé linéairement perpendiculairement au premier mode puissent se 30 propager dans un premier sens dans la cavité et qu'un troisième mode de propagation polarisé linéairement parallèlement au premier mode et qu'un quatrième mode de propagation polarisé linéairement parallèlement au second mode puissent se propager en sens inverse dans la cavité. Les directions de polarisation de ces modes sont représentées par des flèches 35 en traits gras sur la figure 2. Le milieu amplificateur peut être un cristal de YAG dopé Néodyme taillé de telle sorte que les faces d'entrée et de sortie de la lumière soient perpendiculaires à la direction cristallographique ou, de façon équivalente, ou . Le cristal est orienté de façon à minimiser le couplage entre les modes orthogonaux. Le pompage optique peut être assuré par exemple par une ou deux diodes laser 5 émettant dans le proche infra-rouge (typiquement à 808 nm). Dans un premier mode de réalisation illustré en figure 3, on peut utiliser une diode 5 de pompage unique, polarisée linéairement selon une direction déterminée par la bissectrice de l'angle formé par les directions des états de polarisation des modes propres de la cavité laser. Dans un second mode de réalisation illustré en figure 4, on peut utiliser deux diodes laser 5 émettant dans des directions opposées, chacune étant polarisée linéairement selon l'un des axes propres de la cavité laser. Sur ces figures, les directions de polarisation des faisceaux émis par les diodes sont représentées en traits gras. La figure 5 représente un synoptique général d'un gyrolaser � multioscillateur � selon l'invention comportant un dispositif d'asservissement de l'intensité des modes contre-propagatifs et un second dispositif de suppression de la zone aveugle utilisant un déphaseur. Le système déphaseùr 4 peut par exemple être constitué d'un milieu Faraday 41 (par exemple un cristal de � TGG � placé dans le champ magnétique d'un aimant), entouré de deux lames demi-onde 42 à la longueur d'oncle d'émission laser. En tout état de cause, il doit avoir des états propres linéaires, entre lesquels il induit un déphasage non réciproque. Le système de stabilisation des intensités 3 sert à s'affranchir du problème de la compétition entre modes contrarotatifs. en garantissant l'existence et la stabilité du régime de battement sur toute la plage de fonctionnement du gyrolaser multioscillateur. Il peut par exemple être constitué de deux cristaux séparateurs de polarisation 31 (cristaux biréfringents uniaxes taillés à 45° de leur axe optique, comme du rutile ou de l'YVO4), qui entourent un rotateur Faraday 32 (par exemple un cristal de TGG ou de YAG placé dans un solénoïde) et un rotateur réciproque 33 (par exemple un cristal rotateur optique naturel, comme le quartz). La stabilisation des intensités est alors assurée par une boucle d'asservissement 35, qui mesure les intensités des modes contrarotatifs à l'aide de deux photodiodes, et qui injecte dans le solénoïde entourant le rotateur Faraday un courant proportionnel à la différence des intensités mesurées, comme décrit dans le brevet français de S.Schwartz, G. Feugnet et J.P. Pocholle de N° 04 02706. L'utilisation de diaphragmes 36 (comme représentés sur la figure 5) peut s'avérer nécessaire au bon fonctionnement de ce type de dispositif, même s'ils ne sont en toute rigueur pas indispensables. Le système de détection 6 peut être un système de détection équivalent à ceux qui existent sur les gyrolasers multioscillateurs habituels. On trouvera dans le brevet US 3 741 657 (1973) de K. Andringa, Laser gyroscope ainsi que dans la publication de W. Chow, J. Hambenne, T. Hutchings, V. Sanders, M. Sargent III and M. Scully, Multioscillator Laser Gyros, IEEE Journal of Quantum Electronics 16 (9), 918 (1980) des inforrnations complémentaires sur ce sujet. Généralement, le système de détection comporte : • des moyens optiques permettant de faire interférer d'une part le premier mode propagation avec le troisième mode de propagation et d'autre part le second mode de propagation avec le quatrième mode de propagation ; • des moyens opto-électroniques permettant de déterminer d'une part une première différence de fréquence optique entre le premier mode de propagation et le troisième mode de propagation et d'autre part une seconde différence de fréquence entre le second mode de propagation et le quatrième mode de propagation ; • des moyens électroniques permettant de réaliser la différence entre ladite première différence de fréquence et ladite seconde différence de fréquence. REVENDICATIONS 1. Gyrolaser � multioscillateur � permettant la mesure de la vitesse angulaire ou de la position angulaire relative selon un axe de rotation déterminé, comportant au moins une cavité optique (1) en anneau el: un milieu amplificateur (2) à l'état solide, et un dispositif de mesure (6), agencés de telle sorte qu'un premier mode de propagation polarisé linéairement et qu'un second mode de propagation polarisé linéairement perpendiculairement au premier mode puissent se propager dans un premier sens dans la cavité et qu'un troisième mode de propagation polarisé linéairement parallèlement au premier mode et qu'un quatrième mode de propagation polarisé linéairement parallèlement au second mode puissent se propager en sens inverse dans la cavité, caractérisé en ce que le milieu amplificateur est un cristal à symétrie cubique comportant une face d'enivrée et une face de sortie, le cristal étant taillé de façon que lesdites faces soient sensiiblement perpendiculaires à la direction cristallographique , les incidences des différents modes sur lesdites faces étant sensiblement perpendiculaires aux dites faces. 2. Gyrolaser � multioscillateur � selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gyrolaser comporte, au moins, une diode laser (5) réalisant l'inversion de population du milieu amplificateur, ladite diode émettant un faisceau de lumière traversant le cristal, le faisceau étant polarisé linéairement selon une direction déterminée par la bissectrice de l'angle formé par les directions des états de polarisation des modes propres de la cavité optique. 3. Gyrolaser � multioscillateur � selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gyrolaser comporte, au moins, deux diodes laser (5), réalisant l'inversion de population du milieu amplificateur, émettant chacune un faisceau de lumière, le premier faisceau traversant le milieu amplificateur dans un sens opposé au second faisceau, chaque faisceau étant polarisé linéairement selon l'un des axes propres de la cavité laser, la direction de polarisation du premier faisceau étant perpendiculaire à la direction de polarisation du second faisceau. 4. Gyrolaser � multioscillateur � selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gyrolaser comporte un dispositif d'asservissement (3) de l'intensité des modes contre-propagatifs, comprenant au moins : • un premier ensemble optique constitué d'un premier rotateur optique (32) à effet non réciproque et d'un élément optique (33), ledit élément optique étant soit un rotateur optique à effet réciproque, soit un élément biréfringent, au moins l'un des effets ou la biréfringence étant réglable ; • un second ensemble optique constitué d'un premier dispositif de filtrage spatial (36) et d'un premier élément optique (31) de séparation de polarisation ; • un troisième ensemble optique constitué d'un second dispositif de filtrage spatial (36) et d'un second élément optique de séparation de polarisation (31), le second ensemble optique et le troisième ensemble optique étant disposés de part et d'autre du premier ensemble optique, le troisième ensemble optique étant disposé symétriquement au second ensemble optique ; et que le gyrolaser comporte également un dispositif (4) de suppression de la 20 zone aveugle comprenant : • un quatrième ensemble optique constitué successivement d'une première lame quart d'onde(42), d'un second rotateur optique à effet non réciproque (41) et d'une seconde lame quart d'onde (42) dont les axes principaux sont perpendiculaires à ceux de la première lame quart d'onde, 25 les axes principaux de la première lame quart d'onde et de la seconde lame quart d'onde étant inclinés d'environ 45 degrés par rapport aux directions de polarisation linéaires des quatre modes de propagation, les fréquences optiques des quatre modes étant.toutes différentes. 30 5. Système de mesure de vitesses angulaires ou des positions angulaires relatives selon trois axes différents, caractérisé en ce qu'il comporte trois gyrolasers � multioscillateur � selon l'une des revendications précédentes, orientés selon des directions différentes et montés sur une structure mécanique commune.