FR2492522A1

FR2492522A1 - Gyroscope a laser en anneau comportant une egalisation de dispersion

Info

Publication number: FR2492522A1
Application number: FR8118232A
Authority: FR
Inventors: Irl W Smith
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1980-10-17
Filing date: 1981-09-28
Publication date: 1982-04-23
Also published as: JPS5796581A; GB2138585B; IT1142901B; GB2138585A; IT8149504A0; DE3141175A1; CA1189600A; NL8104726A; GB2087638A; GB2087638B; DE3141175C2; GB8333405D0; FR2492522B1; JPH02870B2

Abstract

UN GYROSCOPE A LASER EN ANNEAU UTILISE UN CHEMIN DE PROPAGATION NON PLAN 108, 110, 112, 114 ET UN ROTATEUR DE FARADAY NON DEPOLARISANT POUR REALISER UN FONCTIONNEMENT DIFFERENTIEL A QUATRE FREQUENCES. DES BOBINES 202, 212, 222, 232 ENTOURANT LA PARTIE ACTIVE DU MILIEU AMPLIFICATEUR CREENT DANS CE MILIEU UN CHAMP MAGNETIQUE QU'ON REGLE DE FACON A EGALISER LA DISPERSION DE CHACUNE DES DEUX ONDES SE PROPAGEANT EN SENS CONTRAIRE DE CHAQUE PAIRE D'ONDES. CECI PERMET D'ELIMINER LES FAIBLES DERIVES DUES AUX DIFFERENCES ENTRE LES DEPHASAGES INDUITS DANS LES ONDES PAR LE MILIEU AMPLIFICATEUR. APPLICATION AUX SYSTEMES DE NAVIGATION.

Description

La présente invention concerne les gyroscopes

à laser.

Pour 8tre utile, un gyroscope à laser doit s'affranchir du problème de verrouillage qui se manifeste aux faibles vitesses de rotation.Le verrouillage résulte d'une dispersion inévitable d'une partie de la lumière d'un mode de-résonateur vers l'autre, sous l'effet des

imperfections des éléments optiques qui forment la cavité.

Si les fréquences des modes ne sont pas trop différentes,

Do il y a une tendance au verrouillage de phase des modes.

Pour qu'un gyroscope ait un intérêt pratique, il doit faire disparattre ce problème de verrouillage. Dans un dispositif gyroscopique à deux fréquences, on peut éviter le verrouillage en polarisant le gyroscope de façon qu'il fonctionne avec une fréquence de sortie élevée pour une vitesse de rotation d'entrée nulle. Pour éviter des problèmes dans la précision de la polarisation, on peut faire osciller la polarisation de façon à permettre d'éliminer par moyenne temporelle les instabilités de polarisation présentes dans le signal de sortie. Cependant, la technique d'oscillation fait passer le gyroscope par le verrouillage deux fois par cycle d'oscillation. Ceci fait perdre partiellement au gyroscope sa cohérence de phase et une erreur d'une fraction d'incrément de

comptage est ainsi faite à chaque cycle d'oscillation.

Ces erreurs s'ajoutent de façon aléatoire en donnant une erreur angulaire de sortie cumulative qui augmente au cours du temps. Un dispositif gyroscopique à laser de type différentiel à quatre fréquences résout ce problème en faisant fonctionner essentiellement deux gyroscopes indépendants dans un seul résonateur stable, avec un chemin optique commun, mais polarisé de façon statique dans des sens opposés par les mêmes éléments de polarisation passifs. Dans le signal de sortie différentiel de ces deux gyroscopes, la polarisation s'annule tandis que tous les signaux générés par une rotation s'aditionnent, ce qui donne une sensibilité double de celle du gyroscope unique à deux fréquences et évite les problèmes dûs aux dérives de la polarisation. On génère normalement les quatre fréquences différentes en utilisant deux effets optiques différents. On utilise tout d'abord un rotateur de polarisation à cristal pour produire une polarisation indépendante de la direction faisant en sorte que les ondes de résonance soient presque en polarisation circulaire à droite et en polarisation circulaire à gauche. La rotation de polarisation résulte du fait que l'indice de réfraction du milieu rotateur est légèrement différent pour les ondes en polarisation circulaire à droite et en polarisation circulaire à gauche. On utilise ensuite un rotateur de Faraday pour produire une rotation de polarisation non réciproque, grâce à un indice de réfraction légèrement différent pour les ondes qui se propagent dans le sens dextrorsum et pour celles qui se propagent dans le sens inverse. Ceci fait osciller à des fréquences légèrement différentes les ondes en polarisation circulaire à droite qui se propagent dans les sens dextrorsum et sinistrorsum tandis que les ondes en polarisation circulaire

à gauche se propageant les sens dextrorsum et sinis-

trorsum présentent un décalage similaire mais opposé.

Ce rotateur de Faraday peut être un élément optique séparé consistant en un-morceau d'une matière optiquement isotrope soumise à un champ magnétique longitudinal, ou bien il peut etre réalisé par application d'un tel champ magnétique au cristal rotateur. Il existe ainsi un gyroscope à laser fonctionnant avec une polarisation circulaire à droite et polarisé dans un sens de rotation, et un autre gyroscope fonctionnant avec une polarisation circulaire à gauche et polarisé dans le sens opposé, les polarisations étant annulées par soustraction des deux signaux de sortie. Le brevet US 3 741 657 décrit le fonctionnement d'un gyroscope à laser à quatre fréquences

de type fondamental.

L'invention décrit un dispositif gyroscopique à laser qui tient compte des problèmes qui limitent la

stabilité des dispositifs gyroscopiques à laser actuels.

De façon idéale, toute fluctuation résultante dans le signal de sortie différentiel d'un gyroscope à quatre fréquences devrait être annulée du fait que les quatre fréquences devraient être affectées de façon égale par des sources externes, comme la dilatation thermique. En pratique, on a constaté que les quatre fréquences ne sont pas affectées également par les sources externes, ce qui entraîne des variations différentes des fréquences. Ainsi, bien que les gyroscopes à quatre fréquences présentent d'excellents niveaux de performances dans des conditions d'équilibre thermique, l'utilisation pratique de ces instruments a jusqu'à présent été limitée par la présence de sensibilités thermiques se manifestant par des dérives de polarisation

à long terme inacceptables.

L'invention décrit un dispositif gyroscopique à laser qui réduit notablement les sources de dérive et réduit donc de plusieurs ordres de grandeur la dérive de sortie globale du gyroscope, par rapport à d'autres dispositifs gyroscopiques à laser. L'une des principales sources de dérive réside dans l'entraînement de fréquence qui résulte de L'interaction mutuelle de deux modes résonnants, à cause du couplage produit par toutes les sources de diffusion existantes, ces dernières dépendant de façon générale de l'environnement. Une autre source importante de dérive réside dans la dérive induite par diffusion qui est due au mouvement relatif de centres de diffusion dans la cavité. Il existe en outre une dérive induite par dispersion qui est due à la variation du milieu amplificateur au cours du temps, ce qui produit des variations différentielles.de la dispersion ou du déphasage vu par chaque fréquence résonnante. Il existe une source

supplémentaire de dérive, qu'on appellera effet Fresnel-

Fizeau, et qui est due à la dépendance de l'indice de réfraction de la'décharge gazeuse vis-à-vis de la distribution de vitesse de la décharge échantillonnée par les modes laser, du fait qu' il peut varier lorsque les modes se déplacent sous l'effet de fluctuationsde la cavité en anneau. Ces sources de dérive sont présente;S dans tous les gyroscopes à laser et elles sont généralement produites par des changements dans la longueur du chemin optique sous l'effet de changements induits par l'environnement dans la cavité ou dans les éléments optiques de la cavité. Le gyroscope à laser de l'invention réduit notablement ces dérives en minimisant les mouvements physiques de la cavité, par l'utilisation de matières à dilatation extrêmement faible, en minimisant les changements de la longueur effective du chemin optique par la réduction du nombre et la limitation du type des éléments internes à la cavité, par la réduction de la diffusion de tous les éléments et par l'utilisation de modes de cavité en polarisation

circulaire pure.

On utilise un chemin non plan au lieu du rotateur à cristal habituel, pour produire le dédoublement de fréquence entre les ondes en polarisation circulaire à

gauche et les ondes en polarisation circulaire à droite.

On utilise une lame de verre mince paramagnétique à effet Faraday à la place du rotateur de Faraday épais habituel pour produire le dédoublement non réciproque entre les ondes se propageant en sens d'horloge et celles se propageant en sens inverse d'horloge. L'utilisation d'un chemin non plan a pour effet non seulement d'éliminer une source importante de diffusion (le rotateur à cristal) qui produit un couplage entre les différentes ondes, mais également de produire une bonne palarisation circulaire. L'utilisation d'un rotateur de Faraday en verre évite la biréfringence

elliptique et maintient ainsi la polarisation circulaire.

Ceci élimine encore davantage le couplage entre les différentes ondes du fait que lorsqu'une onde en polarisation circulaire à gauche parfaite se réfléchit, elle devient une onde en polarisation circulaire à droite et ne manifeste donc pas de couplage avec l'onde qui tourne en sens inverse. L'utilisation de l'épaisseur minimale de lame de rotateur qui donne une rotation prédéterminée assure une dépendance minimale vis-à-vis de la température pour tous les centres de diffusion qui sont éventuellement introduits par la lame. Cette manière intégrée-de créer et de maintenir la polarisation circulaire élimine les sources de dérives de forte valeur résultant du couplage entre les ondes et

donne un gyroscope à laser plus précis..

La limitation suivante des performances est alors introduite par de faibles valeurs de dérive résultant d'effets d'ordre supérieure Le dispositif de l'invention peut maintenant utiliser avantageusement le dédoublement Zeeman du mélange du laser à gaz pour égaliser la dispersion vue par chaque onde de la paire d'ondes se propageant en sens inverse. Ceci permet d'obtenir un signal de sortie de différence stable lorsque les ondes à quatre fréquences subissent de petites variations de fréquence qui les placent sur différentes parties de la courbe de

dispersion non linéaire.

L'invention décrit un dispositif gyroscopique à laser qui emploie des moyens couplés à un chemin résonnant bouclé pour apporter aux ondes électromagnétiques une compensation tenant compte des changements induits par le milieu amplificateur dans le déphasage de ces ondes; et des moyens à peu près exempts de centres de diffusion destinés à produire des ondes de différentes fréquences se propageant en sens inverse et polarisées de façon circulaire, ces ondes étant groupées par pairescorrespondant à des premier et second sens de polarisation. Plus précisément, les moyens de polarisation circulaire comprennent des moyens non dépolarisants destinés à produire dans les ondes un déphasage dépendant de la polarisation, ce qui entraîne un dédoublement de fréquence entre les ondes ayant des polarisations circulaires opposées, et des moyens non dépolarisants destinés à produire dans les ondes un déphasage dépendant de la direction, ce qui entraîne un dédoublement de fréquence entre les ondes se propageant en sens inverse dans chacune des paires. Les moyens dépendant de la polarisation peuvent comprendre un résonateur non plan et les moyens dépendant de la direction peuvent comprendre des moyens ayant un indice de réfraction dont la composante indépendante de la direction est isotrope. Les moyens dépendant de la direction ont de préférence une caractéristique de diffusion à peu près indépendante de la température sur la gamme de température de fonctionnement. Dans le mode de réalisation préféré, les moyens dépendant de la direction comprennent une lame de matière isotrope capable de produire une rotation, dépendant de la direction, du champ électromagnétique des ondes, en présence d'un champ magnétique, cette lame ayant une épaisseur telle que la variation de cette épaisseur soit à peu près inférieure à une longueur d'onde

des ondes sur la gamme de température de fonctionnement.

Le champ magnétique destiné à produire la rotation dépendant de la. direction est de préférence localisé dans la région immédiatement adjacente à cette lame. En outre, les moyens de compensation du déphasage dû au milieu amplificateur comprennent des moyens destinés à produire un champ magnétique longitudinal par rapport à l'axe du milieu amplificateur et ayant une amplitude et une polarité produisant pratiquement la même valeur de déphasage induit par le milieu amplificateur dans les ondes se propageant

en sens inverse de chaque paire.

L'invention port-e en outre sur un dispositif gyroscopique comprenant des moyens destinés à établir un chemin non plan et fermé pour la propagation d'ondes électromagnétiques polarisées circulairement et destinés également à établir un dédoublement de fréquence dans les ondes ayant des sens de polarisation opposés; un milieu amplificateur disposé dans le chemin; des moyens non dépolarisants destinés à communiquer un déphasage dépendant de la direction aux ondes polarisées circulairement, ce qui entraîne un dédoublement de fréquence entre les ondes se propageant en sens inverse de chaque sens de polarisation; et des moyens destinés à compenser une dispersion inégale du milieu amplificateur pour les ondes se propageant en sens inverse. L'invention utilise également des moyens d'enlèvement des particules diffusantes qui comprennent un déflecteur dans la région des électrodes. De plus, les moyens non dépolarisants dépendant de la direction comprennent une lame d'une matière isotrope ayant une constante de Verdet non nulle et des moyens destinés à produire un champ magnétique dans la lame. On utilise de préférence des moyens absorbants pour recueillir les ondes réfléchies éventuelles. Les moyens de compensation de dispersion comprennent des moyens destinés à produire une composante de champ magnétique dans le milieu amplificateur, en alignement avec son axe longitudinal, avec des composantes de champ d'amplitude suffisante pour produire un dédoublement de fréquence des caractéristiques d'amplification et de dispersion pratiquement égal au dédoublement de fréquence entre les ondes se propageant en sens inverse qui est dû auxmoyens non dépolarisants. La composante de champ magnétique a également une polarité qui donne des valeurs pratiquement égales de la dispersion du milieu amplificateur pour les ondes se propageant en sens inverse. Plus précisément, les moyens qui produisent le champ magnétique font varier ce dernier en fonction de la valeur moyenne du dédoublement de fréquence des ondes se propageant en sens inverse qui est produit par les moyens non dépolarisants dépendant de la direction. Dans un mode de réalisation préféré, les moyens qui produisent le champ magnétique comprennent au moins une bobine placée autour d'une partie du chemin contenant le milieu amplificateur, des moyens destinés à mesurer les valeurs de dédoublement de fréquence que les moyens non dépolarisants et dépendant de la direction génèrent dans les ondes se propageant en sens inverse, et des moyens destinés à produire dans la bobine un courant proportionnel à la valeur moyenne du dédoublement de fréquence. L'invention porte en outre sur un rotateur de Faraday comprenant un boîtier de support, des moyens destinés à produire une rotation de Faraday qui sont disposés à l'intérieur du bottier et des moyens destinés à absorber les ondes électromagnétiques qui sont disposés d'un c8té au moins des moyens de rotation de Faraday, pour qu'une partie importante des ondes puisse traverser les moyens de rotation de Faraday, ces derniers étant en outre positionnés de façon à diriger vers les moyens absorbants toute partie

réfléchie des ondes.

L'invention sera mieux comprise à la lecture

de la description qui va suivre d'un mode de réalisation

et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure t montre une représentation isométrique supérieure, en vue à partir d'un premier coin, d'un dispositif gyroscopique à laser correspondant à l'invention; La figure 2 est une représentation isométrique inférieure, en vue à partir d'un second coin,du dispositif représenté sur la figure 1; Lesfigures 3 et 4 sont des représentations isométriques du bloc gyroscopique, en vue à partir d'un troisième coin du dispositif représenté sur la figure 1, montrant la structure interne et les passages qui se trouvent à l'intérieur du dispositif; La figure 5 est une coupe montrant la structure interne du dispositif représenté sur la figure 1, dans la région de l'une des chambres terminales et du substrat de miroir; La figure 6 est une coupe latérale montrant les détails de la structure du dispositif rotateur de Faraday du dispositif gyroscopique à laser qui est représenté sur la figure 1; La figure 6A est une représentation en vue de dessus d'une partie du dispositif gyroscopique à laser de la figure t, dans la région du rotateur de Faraday de la figure 6, et montrant le rotateur de Faraday en vue de dessus; La figure 7 est un graphique montrant le facteur de réduction de puissance en fonction de l'angle d'incidence des faisceaux sur une structure de miroir de sortie; La figure 8A est un graphique montrant le gain en fonction de la fréquence pour le milieu laser gazeux qui est employé dans le dispositif gyroscopique à laser de la figure 1, ce graphique montrant également les positions relatives des fréquences des quatre faisceaux à l'intérieur du dispositif; La figure 8B est un graphique montrant le déphasage (dispersion) en fonction de la fréquence pour le milieu amplificateur de la figure 8A La figure 8C est un graphique montrant le déphasage (dispersion) en fonction de la fréquence pour un milieu laser, en présence d'un champ magnétique, et ce graphique indique les positions relatives des fréquences des quatre faisceaux dans le dispositif; La figure 9 est un diagramme de niveaux d'énergie montrant le dédoublement des niveaux d'énergie en présence

d'un champ magnétique.

On va maintenant décrire la structure et le fonctionnement d'un dispositif gyroscopique à laser conforme à l'invention, en se référant simultanément aux représentations des figures 1 à 5. Le bloc gyroscopique 102 forme la structure mécanique sur laquelle le dispositif est construit. Le bloc gyroscopique 102 est de préférence réalisé en une matière ayant un faible coefficient de

dilatation thermique, comme une matière du type vitro-

céramique, afin de minimiser les effets des variations de température sur le dispositif gyroscopique à laser. Une matière préférée, disponible dans le commerce, est vendue sous la marque Cer-Vit, référence C-101 par la firme Owens-Illinois Campany. On peut également utiliser la

matière de la marque Zerodur de la firme Schott.

Le bloc gyroscopique 102 comporte neuf faces pratiquement planes, comme le montrent les différentes représentations des figures t à 4. Comme le montrent le plus clairement les représentations des figures 3 et 4, sur lesquelles le bloc gyroscopique 102 est représenté sans les autres composants du dispositif, des passages 108, 110, 112 et 114 sont formés entre quatre des faces du bloc gyroscopique 102. Les passages définissent un chemin de propagation fermé et non plan à l'intérieur du

bloc gyroscopique à laser 102.

Des miroirs sont placés sur les faces 122, 124,

126 et 128, aux intersections des passages avec les faces.

Des substrats 140 et 142 ayant des surfaces réfléchissantes appropriées forment les miroirs qui sont placés respectivement sur les faces 124 et 126. Une surface traitée de façon à constituer un miroir est égalemellt formée de façons directement adjacente à la face 128, devant un transducteur de commande de longueur de chemin 160. L'un de ces miroirs pourrait être légèrement concave pour faire en sorte que les faisceaux soient

stables et limités essentiellement au centre des passages.

De plus, un substrat 138 constituant un miroir transparent qui comporte des co uches diéléctriques miroirs 139, à transmission partielle, est placé sur la face 122 pour qu'une partie de chaque faisceau se propageant le long d'un chemin fermé à l'intérieur du bloc gyroscopique 102 puisse 8tre couplée vers l'optique de sortie 144. La structure de l'optique de sortie 144 est décrite dans

le brevet US 4 141 651.

Da fait que les passages 108, 110, 112 et 114 définissent un chemin de propagation non plan pour les divers faisceaux à l'intérieur du dispositif, chaque faisceau subit une rotation de polarisation lorsqu'il circule dans le chemin úereéo De façon idéale, seuls des faisceaux ayant une polarisation pratiquement

circulaire existent dans la cavité non plane de l'irvention.

Avec des faisceaux polarisés circulairement, la dérive due à la diffusion des faisceaux ou au couplage d'un faisceau vers un autre est minimisée. Cette réduction vientdu fait que lorsque la lumière d'un état de polarisation circulaire est diffusée, elle n'a pas la polarisation correcte pour 9tre couplée vers les autres faisceaux et pour affecter ces dernierso Ce n'est pas le cas pour d'autres types de polarisation de la lumière, du fait qu'il existe toujours une certaine composante du faisceau

diffusé qui est couplée vers d'autres faisceaux.

Dans le mode de réalisation préféré, les passages et les miroirs réfléchissants sont disposés de façon à établir pratiquement une rotation de polarisation de 900 pour les divers faisceaux Du fait que des faisceaux en polarisation circulaire à droite et à gauche sont soumis à une rotation de cette même vraleur, avec des sens opposés, indépendamment de leur direction de propagation, un t dédoublement de fréquence entre les faisceaux en polarisation circulaire à droite et à gauche doit se produire pour que

les faisceaux résonnent à l'intérieur de la cavité optique.

Ceci est représenté sur la figure 8A par le dédoublement de fréquence entre les faisceaux en polarisation circulaire à gauche et à droite. Dans le mode de réalisation préféré, on emploie une rotation de 900 correspondant à un déphasage relatif de 1800, bien que d'autres déphasages puissent tout aussi bien être utilisés, en fonction de la séparation de fréquence désirée. La rotation de polarisation se produit aussi longtemps que le chemin de propagation fermé n'est pas plan. La configuration précise des chemins

détermine la valeur de la rotation.

Dans les dispositifs connus de l'art antérieur, comme celui décrit dans le brevet US 3 741 657 précité, le dédoublement de fréquence entre les faisceaux en polarisation circulaire à droite et à gauche est obtenu par l'utilisation d'un bloc de matière solide d'épaisseur optique importante qui est disposé dans le chemin de propagation. La présence de toute matière solide placée directement dans le chemin de propagation des faisceaux crée des centres de diffusion à partir desquels la lumière peut être couplée de façon nuisible d'un faisceau vers un autre, entraînant ainsi une erreur dans le signal de sortie du gyroscope. La valeur du couplage, et donc l'erreur, est très sensible à la température. Par conséquent, la fréquence de sortie de tels dispositifs présente une dérive dépendant de la température qu'il n'est pas possible de compenser avec une polarisation de sortie fixe. De plus, un rotateur à cristal introduit un niveau de biréfringence lié aux contraintes qui tend à dépolariser les ondes polarisées circulairement, ce qui contribue, encore davantage à un couplage parasite des ondes. Ceci conduit à un dispositif gyroscopique qui présente une variation de la fréquence de sortie au cours du temps qui est au mieux de l'ordre de quelques dizaines de hertz et qui

atteint dans de nombreux cas plusieurs centaines de hertz.

Avec l'invention, la matière solide qui était utilisée pour le rotateur à cristal est complètement éliminée du chemin de propagation des faisceaux, ce qui élimine les sources d'erreur et de dérive associées à cette matière. Pour aider à comprendre la-façon dont le déphasage se produit, il est intéressant d'imaginer un faisceau

en polarisation linéaire qui se propage dans le chemin.

Dans cette description, on ne tient pas compte du déphasage

de 1800 que manifeste une onde électromagnétique au moment d'une réflexion. Du fait qu'on emploie un nombre pair (quatre) de ces réflexions, aucune erreur n'est introduite de ce fait. On supposera par exemple que le faisceau qui se propage dans le passage 110 entre la face 122 et la face 124 est polarisé de façon linéaire, avec le vecteur électrique dirigé vers le haut. Lorsque le faisceau est réfléchi sur le miroir qui est placé sur la face 124, le vecteur électrique demeure approximativement dirigé vers le haut, mais- avec une légère inclinaison vers l'avant, du fait que le passage 1J2 descend entre la face 124 et la face 128. Lorsque le faisceau est réfléchi par le miroir qui se trouve sur la face 128, il est dirigé approximativement vers la gauche, avec une légère inclinaison vers le bas, sur les représentations des figures 3 et 4. Lorsque le faisceau est réfléchi sur la face 126, le vecteur électrique du faisceau dans le passage 108 est dirigé vers la gauche avec une légère inclinaison vers le haut, à nouveau sur les représentations des figures 3 et 4. Après réflexion sur la face 122, le vecteur électrique du faisceau dans le passage 110 est toujours dirigé vers la gauche et vers le plan du dessin. On peut-ainsi voir que lorsque le faisceau retourne dans le passage 110, il a subi une rotation de polarisation d'environ 900. Naturellement, un tel faisceau en polarisation linéaire soumis à une rotation ne peut pas se renforcer et résonner le long du chemin fermé. Seuls des faisceaux polarisés circulairement ayant une fréquence décalée par rapport à la fréquence à laquelle ces faisceaux résonneraient pour un chemin fermé plan

de même longueur manifesteront une résonance.

On peut construire un gyroscope à laser à deux fréquences en utilisant un chemin de propagation non plan pour produire le seul dédoublement de fréquence. Aucun rotateur de Faraday ou autre élément de ce type n'est nécessaire dans un tel mode de réalisation. Pour détecter la vitesse de rotation, on produit un signal de sortie en faisant battre ensemble les fractions extraites des deux faisceaux, pour former un signal de sortie ayant une fréquence égale à la différence de fréquence entre les deux faisceaux. Au repos, le signal de sortie demeure à une certaine valeur f. Pour une rotation dans une direction,

le signal de sortie augmente jusqu'à une valeur f +4f,.

le terme A f étant proportionnel à la vitesse de rotation, et ce signal diminue jusqu'à une valeur f0- 4f pour une rotation dans l'autre direction.. L'invention réduit notablement le couplage mutuel dû à la rétrodiffusion, ce qui diminue la plage dé verrouillage et permet d'utiliser un tel gyroscope à laser dans de nombreuses applications

sans élimination complète du verrouillage.

Le rotateur de Faraday 156 est positionné à l'intérieur d'une partie de plus grand diamètre 113 du passage 112, en position adjacente à la face 124, comme

le montrent les représentations des figures 2, 4 et 6A.

Les détails de la structure du rotateur de Faraday 156

apparaissent sur les représentations des figures 6 et 6A.

La monture de rotateur de Faraday 154, qui est formée de préférence par la même matière que le bloc gyroscopique a laser 102, forme l'embase sur laquelle la structure est construite. La monture de rotateur 154 a une forme cylindrique et elle comporte plusieurs ouvertures cylindriques de diamètre variable, formées sous un certain angle par rapport à l'axe longitudinal de la monture 154, pour supporter à des positions prédéterminées tous les éléments du rotateur de Faraday 156 et pour établir un chemin dégagé le long de l'axe central longitudinal de la monture 154. La lame de rotateur de Faraday 165 est positionnée sur la portée 166 qui est form: par la partie centrale de la monture 154. La bague 169 empoche e492522 un mouvement latéral de la lame 165, La lame de rotateur de Faraday 165 peut être formée de préférence par un verre dopé avec une terre rare ou par une matière ayant de façon similaire une constante de Verdet élevée. Il est préférable que la constante de Verdet ait une valeur supérieure à 3 X 10-3 mn.cm l.A a à la longueur d'onde de fonctionnement afin de réduire l'épaisseur de la lame nécessaire pour produire la valeur de dédoublement de fréquence désirée. Les rotateurs deFaraday habituels utilisent une lame épaisse de matière, souvent en quartz fondu. Toute matière solide placée dans le chemin des faisceaux tournant en sens inverse introduit des points de diffusion qui présentent une sensibilité aux flux thermiques. Cette sensibilité peut Atre due à la dilatation thermique de la matière ou à un changement de la longueur du chemin optique dû à la dépendance de l'indice de réfraction de la matièrevis-à-vis de la température. On a trouvé que la dépendance effective de la longueur du chemin optique vis-à-vis de la température, et donc la dérive induite par effet thermique, sont des fonctions fortement positives de l'épaisseur de la matière solide dans le chemin des faisceaux. Il est donc souhaitable d'utiliser une lame aussi mince que possible et une épaisseur de 0,5 mm ou moins est préférable pour réduire la dérive à un niveau acceptable, donnant une variation de l'épaisseur sous lteffet de la température ou d'autres causes notablement inférieure à une longueur d'onde des ondes du laser, sur la plage de fonctionnement. La matière portant la référence FR-5 de la firme Hoya Optios, Inc. est une matière disponible dans le commerce qui consiste en un verre dopé avec une matière paramagnétique de façon à produire la rotation de Faraday et elle donne un rotateur ayant un indice de réfraction isotrope. On a trouvé que ceci est important du fait qu'un problème d'un rotateur de Faraday classique consiste en ce qu'une matière cristalline telle que du quartz a un indice de réfraction

anisotrope qui introduit une biréfringence elliptique.

Ceci dépolarise les ondes qui sont théoriquement polarisées circulairement et conduit à un couplage accru entre les ondes tournant en sens inverse. Il est donc important d'utiliser une matière isotrope pour le rotateur de Faraday afin d'éliminer la dépolarisation des modes résonnants. Le fait de fonctionner aussi près que possible de la polarisation circulaire réduit le couplage mutuel et réduit donc les dérives induites par effet thermique

qui sont duesaux centres de diffusion restants éventuels.

Ceci permet à un dispositif gyroscopique d'atteindre des niveaux de stabilité correspondant à une variation de quelques hertz ou moins de la fréquence de sortie au cours

du temps.

La lame de rotateur de Faraday 165 est maintenue contre la portée 166 par une structure à aimants 188. Deux aimants permanents cylindriques creux 186 et 187 sont placés bout à bout avec les pales de même nom l'un contre l'autre à la jonction entre les deux aimants. Les deux aimants peuvent être fixés ensemble par n'importe quel moyen connu, comme par soudage avec ou sans alliage fusible. La lame de rotateur de Faraday 165 est donc adjacente à une extrémité de la paire d'aimants0 Un champ magnétique longitudinal est produit dans la lame, mais ce champ s'attenue rapidement lorsqu'on s'éloigne d'une courte distance de la lame ou des aimants. Ce mode de réalisation a l'avantage qu'il ne produit pratiquement aucun champ magnétique de fuite susceptible de s'étendre dans la région de décharge gazeuse et de produire des modes parasites ou un décalage de fréquence, par l'effet Zeeman. Selon une variante, on peut employer un seul aimant pour produire le champ magnétique nécessaire dans la lame. On pourrait également remplacer la structure à aimants permanents par quelques spires de fil pour qu'un courant électrique puisse établir un champ magnétique dans la laine de rotateur de Faraday 165. Un ressort 175 appuie sur la structure à aimants 188. L'autre c8té du ressort 175 repose contre la périphérie d'une entretoise cylindrique creuse 197 qui repose elle-même partiellement sur un côté d'un absorbeur cylindrique creux 191. L'absorbeur 191 est constitué par î6 une matière telle que du verre noir muni d'un revêtement antiréfléchissant et on l'utilise pour absorber toute onde

électromagnétique, comme les réflexions spéculaires -

provenant de la lame de rotateur de Faraday, qui atteint ses surfaces, L'absorbeur 191 est maintenu en place par une bague élastique 193 qui demeure en position du fait de la friction sur la périphérie de l'ouverture 181. On peut ainsi voir que les éléments quron vient de décrire forment une structure qui est positionne par la bague élastique 193 contre le c8té droit de la portée 166, le ressort 175 produisant une force longitudinale suffisante pour maintenir tous les éléments fermement en place, Du côté opposé de la portée 166 se trouve une configuration similaire d'éléments, à l'exception de-la lame de Faraday 165 et de la structure à aimants 188. Une bague élastique 192 constitue le support fixe contre lequel repose un second absorbeur 190. Un ressort 174, dont une extrémité repose sur le côté gauche de la portée 166, pousse l'entretoise 196 contre l'absorbeur 190 et maintient ainsi tous les éléments du côté gauche de la portée 166 dans

leur position prédéterminée.

La monture de rotateur 154 est maintenue en place par le ressort hélicoïdal 199 contre la portée qui est formée par le changement de diamètre des passages 112 -25 et 113. Une partie de la première spire, de plus petit diamètre, du ressort 199 repose sur le corps de la monture de rotateur 154, tandis que l'autre extrémité, de diamètre supérieur, se dilate de façon circonférencielle et vient en contact à friction avec la paroi du passage 113. La disposition des éléments du rotateur 156 assure la stabilité thermique, du fait que les éléments optiques sont maintenus de façon élastique contre une matière stable utilisée pour

le bloc gyroscopique.

Comme il a été indiqué, les axes des ouvertures formées dans la monture de rotateur 154 sont inclinés par rapport à l'axe longitudinal de la monture 154 et le plan de la lame de rotateur de Faraday 165 est également

incliné par rapport à l'axe longitudinal de la monture 154.

Ceci contribue à l'élimination du couplage entre les ondes se propageant en sens inverse, du fait que toutes les ondes réfléchies par les deux surfaces de la lame de Faraday 165 sont maintenant interceptées et absorbées par les deux absorbeurs en verre noir. Pour les ondes circulant de la gauche vers la droite dans le rotateur de la figure 6, une réflexion sur la lame 165 sera interceptée et absorbée par la partie inférieure de l'absorbeur 190, tandis que pour les ondes circulant dans le sens opposé, les réflexions sur la lame 165 seront absorbées par la partie supérieure de l'absorbeur 191. Les deux absorbeursl90 et 191, et la lame de rotateur 165 sont également revêtus d'un revêtement antiréfléchissant pour réduire encore davantage le niveau

des réflexions.

Le rotateur de Faraday 156 accomplit une seconde fonction, outre celle qui consiste à établir le dédoublement

de fréquence entre les faisceaux circulant dans le sens dex-

trorsum et dans leasens inVerse.- Du fait de l'ajustement serré qui est établi dans la région de la portée 166, le rotateur de Faraday 156 bloque l'écoulement longitudinal du gaz dans le passage 112. Du fait qu'il ne peut pas y avoir de circulation résultante du gaz dans le chemin fermé, la possibilité de circulation de particules diffusantes entraînée par le gaz est considérablement réduite, de même que les

dérives dues à l'effet Fresnel-Fizeau.

En se reportant à nouveau aux représentations des figures 1, 3 et 4, on peut voir qu'un angle d'incidence faible est établi pour les faisceaux qui rencontrent le miroir à transmission partielle qui est placé sur la face 122. Les faisceaux se propageant dans chaque passage 108, , 112 et 114 sont polarisés circulairement. Plus l'un de ces faisceaux a une incidence proche de la normale lorsqu'il tombe sur une surface ou un miroir réfléchissant, plus la polarisation du faisceau transmis à travers la surface du miroir sera circulaire. Lorsque l'angle d'incidence s'écarte de la normale, les faisceaux partiellement transmis commencent à prendre une polarisation elliptique, Comme l'explique le brevet US 4 141 651 précité, si les faisceaux présents dans l'optique de sortie et la structure de détecteur sont entièrement polarisés de fa-on circulaire, il n'y aura pratiquement aucun couplage parasite ni aucune perturbation mutuelle entre les faisceaux des deux fréquences supérieures et les faisceaux des deux

fréquences inférieures, dans la structure de détecteur.

Lorsque le niveau de polarisation elliptique augmente, le couplage mutuel commence à devenir visible et il apparait sous la forme d'une modulation dtamplitude sur les signaux

de sortie provenant des diodes de détecteur 145 et 146.

Comme il a été indiqué précédemment, on a découvert que la valeur du couplage mutuel parasite est une fonction non linéaire et croissant d'une façon monotone du niveau de polarisation elliptique. On a trouvé que le couplage mutuel est relativement faible pour les angles d'incidence inférieurs à environ 150 Cependant, la valeur du couplage mutuel

augmente très rapidement au-dessus de cet angle d'indicence.

On peut éliminer le couplage mutuel à l'intérieur de la structure optique de sortie au moyen d'un filtre de polarisation approprié, mais la puissance filtrée disponible diminue lorsque le couplage mutuel avant filtrage augmente. Lorsque l'angle d'incidence de chaque faisceau sur le miroir de sortie augmente, la puissance disponible au niveau des diodes de détecteur pour chaque faisceau diminue. La figure 7 montre une courbe calculée du facteur de réduction de puissance, c'est-à-dire le rapport de la puissance disponible au niveau des détecteurs pour un angle d'incidence donné, à la puissance disponible pour le même faisceau normal à la surface du miroir, pour la structure de sortie qui est décrite dans le brevet US 4 141 651 précité, Comme on le voit aisément, le facteur de réduction de puissance tombe rapidement pour les angles d'incidence supérieurs à environ 150. Par conséquent, conformément à un aspect de l'invention, on donne une valeur de 150 ou moins à l'angle d'incidence des faisceaux dans les passages 108 et 110, vers le miroir à transmission partielle qui est placé sur la face 122. Autrement dit, l'angle entre les passages 108

et 110 est de 300 ou moins.

19. Dans le fonctionnement d'ensemble, il est souhaitable que les ondes des quatre fréquences soient centrées symétriquement autour du maximum de la courbe de gain. Dans ce but, on emploie unl transducteur piézoélectrique 160 pour positionner mécaniquement-le miroir sur la face 128 afin de régler la longueur de chemin totale dans la cavité gyroscopique à laser 102, pour centrer correctement les quatre fréquences. Un circuit de commande de longueur de chemin 320 élabore à partir des diodes de détecteur 145 et 146 un signal destiné à actionner le transducteur piézoélectrique 160. Ces signaux ont une amplitude proportionnelle aux amplitudes totales des signaux Lo1 et a f2 correspondants. Le circuit de commande 320 génère

la différence entre ces deux signaux-liés aux amplitudes.

Le signal de différence de sortie a naturellement une amplitude égale à zéro lorsque les ondes des quatre fréquences sont correctement centrées sur la courbe de gain. Le signal de différence de sortie est d'une polarité lorsque les quatre ondes sont décalées par rapport au centre dans une direction et de la polarité opposée lorsque les ondes sont décalées par rapport au centre dans l'autre direction. On peut former les signaux d'amplitude moyenne par des circuits connus dont le signal de sortie est appliqué aux conducteurs

d'entrée du transducteur piézoélectrique 160.

En considérant toujours les représentations des figures 1, 3 et 4, on voit que des électrodes destinées à exciter le milieu amplificateur gazeux sont disposées à l'intérieur du passage 108. Une électrode de cathode centrale 22 est de préférence connectée à la borne négative d'une alimentation régulée externe 310, tandis que des électrodes

d'anodes 32 et 42 sont connectées aux bornes positives.

L'électrode de cathode se présente sous la forme d'un court cylindre creux chapeauté par une demi-sphère métallique creuse à l'extrémité la plus éloignée du bloc gyroscopique à laser 102. Elle est fixée par des moyens classiques à la surface du bloc gyroscopique 102 en position adjacente à un passage 20. Les électrodes positives 32 et 42 se présentent sous la forme de tiges de métal s'étendant dans des passages d'électrodes 30 et 40. Avec cette configuration, le courant d'électrons circule vers l'extérieur en direction des électrodes 32 et 42, dans deux directions opposées. De cette manière, du fait qu'un faisceau traversant les passages dans lesquels se trouvent les électrodes traverse des longueurs égales de courants de sens opposé, les effets de trainée sur le faisceau résultant de courants inégaux dans le milieu amplificateur gazeux sont pratiquement éliminés. Cependant, à cause des tolérances de fabrication sur les positions des diverses électrodes, les distances entre l'électrode négative et les deux électrodes positives dans les deux passages peuvent ne pas être précisément égales. Pour compenser l'inégalité, les électrodes 32 et 42 sont connectées à deux bornes positives indépendantes de l'alimentation 310, de façon que les courants qui circulent entre les électrodes positives et l'électrode négative qui leur est adjacente puissent être rendus égaux,

ce qui compense les effets de trainée différents.

Le milieu amplificateur gazeux qui emplit les passages 108, 110, 112 et 114 est introduit par un passage de remplissage de gaz 106 à partir d'une source de gaz

3 20

externe. Il est préférable d'utiliser un mélange He,. Ne, et Ne dans les rapports 8:0,53:0,47. Une fois que tous les passages ont été emplis, on applique un bouchon 107 au passage 106 pour enfermerle gaz en vue d'un fonctionnement

dans des conditions hermétiques.

La coupe de la figure 5 montre les détails de la structure du dispositif gyroscopique à laser dans la région de l'une des électrodes positives. L'électrode en métal 32, maintenue en place par le joint d'étanchéité d'électrode 33, est positionnée à l'intérieur du passage d'électrode 30. L'électrode 32 s'étend un peu au-delà de la moitié de la distance entre la surface du bloc gyroscopique 102 et le passage 108. Le passage d'électrode 30 rencontre de préférence à angle droit le passage 108. Une chambre terminale 118 est formée dans la surface du bloc gyroscopique 102 sur laquelle est positionnée la structure optique de sortie 144. La chambre terminale 118 a une forme cylindrique avec un diamètre au moins égal au double de celui du passage 108. La chambre terminale 118 et le passage 108 sont mutuellement coaxiaux. Du fait que le passage 108 s'étend légèrement au-delà du passage d'électrode 30 avant de rencontrer la chambre terminale 118, un déflecteur est formé entre le passage d'électrode 30 et la chambre terminale 118. Le passage 40, le joint d'étanchéité 43 et la chambre terminale 119 établissent une configuration

similaire pour l'électrode 42.

Dans un dispositif de l'art antérieur, il n'existait pas de déflecteur. La chambre terminale s'étendait directement depuis les passages d'électrode jusqu'à la surface du bloc gyroscopique à laser. Lorsque les électrodes étaient excitées, de la poussière ou d'autres particules parasites susceptibles d'être produites, par exemple par pulvérisation et bombardement ionique du bloc gyroscopique à laser, s'accumulaient autour de l'intersection du passage d'électrode et des passages de faisceau. Les particules en suspension faisaient fonction de centres de diffusion, augmentant ainsi les pertes optiques de la structure. Au contraire, on a constaté qu'avec l'invention il n'existe pas de poussière ou d'autres particules parasites en suspension dans la région de l'intersection des passages d'électrode, comme le passage 30, et du passage 108. On

élimine ainsi une source potentielle de dérive.

Comme on l'a indiqué précédemment, en maintenant une bonne polarisation circulaire le gyroscope élimine toutes les sources connues contribuant à des valeurs importantes de dérive. Il existe cependant une source supplémentaire qui produit une dérive de faible valeur qui doit être compensée si on doit utiliser le gyroscope à laser dans un système à hautesperformances. Cette dérive restante est due à la dispersion, c'està-dire à un indice de réfraction fonction de la fréquence qui est associé au gain du milieu utilisé. Pour un milieu amplificateur He-Ne, la courbe de gain a une forme approximativement gaussienne, du fait de l'élargissement Doppler; la courbe de dispersion peut être caractérisée comme étant une courbe en S. La courbe de dispersion exprime la valeur du déphasage optique auquel est sotumis une onde d'une fréquence particulière du fait de la présence-d'un milieu amplificateur. Comme on peut le voir sur la figure 8B, les fréquences inférieures à la fréquence centrale f présentent un déphasage opposé à c celui des fréquences supérieures à la fréquence centrale f, ce qui a pour effet de décaler tous les modes vers

le centre. Ceci constitue l'effet d'entraînement de mode.

Du fait que la courbe de dispersion est non linéaire, les quatre modes d'un gyroscope différentiel fonctionneront sur des points ayant des valeurs de dispersion différentes et par conséquents comme le montre la figure 8B, auront des valeurs de déphasage différentes. 1 est le déphasage correspondant à f, i2 correspond à f2A M3 correspond f3 et 4 correspond à f4' Si la différence(i2 - a une valeur différente de la difference (4 N), il y aura au repos un signal de sortie différentiel différent de zéro dépendant de la forme de la courbe de dispersion, qui est elle même fonction de nombrelux éléments tels que la température, le gain et la pressions Lorsque l'un quelconque de ces éléments change, ce changement se manifeste par un déphasage des quatre modes sur la courbe de dispersion ce qui, du fait de sa nature non linéaire, entralne une variation du signal de sortie différentiel. Ainsi, la fréquence de sortie du gyroscope présentera une dérive

variant en fonction de divers facteurs.

Le dispositif gyroscopique de l'invention utilise l'effet Zeeman pour éliminer la dérive due à la dispersion du milieu amplificateur0 L'effet Zeeman consiste dans le dédoublement en deux composantes, ou davantage, des raies spectrales du gaz donnant lieu à l'effet laser. Ce dédoublement de fréquence entraine un dédoublement de la courbe de gain et de la courbe de dispersion qui lui correspond. Le mécanisme physique est constitué par le phénomène de mécanique quantique selon lequel un champ magnétique dédouble les niveaux d'énergie atomique en plusieurs états qui ont différentes énergies et qui domnnent lieu à interaction avec des ondes ayant des états de polarisation circulaire prédéterminés. Ceci est représenté sur la figure 9 sur laquelle on voit du côté gauche du diagramme d'énergie des niveaux d'énergie caractéristiques en l'absence de champ magnétique. Dans ce cas, la fréquence de rayonnement est f0 = (E2 E1)/h, en désignant par E2 et Et les deux niveaux d'énergie et par h la constante de Planck. Le côté droit du diagramme montre comment les niveaux d'énergie sont dédoublés en présence d'un champ magnétique. Les lignes 242 montrent les transitions entre niveaux d'énergie correspondant àin m = +1 qui donnent naissance à un ensemble de fréquences de rayonnement, comme la fréquence centrale pour la courbe de dispersion dédoublée 260, f+ = f0 gBH/h. Les lignes 244 montrent les transitions entre niveaux d'énergie correspondant à 8 m = -t qui donnent naissance à l'autre ensemble de fréquences de rayonnement, comme la fréquence centrale pour la courbe de dispersion dédoublée 250, f = fo + gBH/h, avec g = rapport gyromagnétique, B = magnéton de Bohr et h = constante de Planck. Les quatre modes en circulation ont des valeurs différentes pour le A m du nombre quantique magnétique m de l'atome de néon, et

ces valeurs sont les suivantes.

n de mode Direction Polarisation t m 1 Sens de.xtrorsum Circulaire à gauche +1 2 sens inverse circulaire à gauche -1 sinistrorsum 3 sens inverse circulaire à droite +1 sinistrorsum 4 sens dextrorsum circulaire à droite -1 L'effet Zeeman dépend à la fois de la polarisation et de la direction. La raison en est que le sens de rotation du vecteur de champ électrique de l'onde lumineuse, mesuré par rapport au champ magnétiquedonne lieu à interaction avec le spin des électrons dont les niveaux d'énergie sont dédoublés par le champ. Ainsi, l'une des courbes de dispersion résultantes manifeste une interaction avec une onde en polarisation circulaire à droite qui se propage dans une direction parallèle à la direction du champ magnétique et une onde en polarisation circulaire à gauche qui se propage dans une direction antiparallèle, c'est-à-dire opposée à la direction du champ magnétique, tandis que l'autre courbe de dispersion manifeste une interaction avec une onde en polarisation circulaire à droite qui se propage dans un sens antiparallèle par rapport au vecteur du champ magnétique et une onde en polarisation circulaire à gauche qui se propage dans une direction identique à

celle du champ magnétique.

Du fait que les valeurs de tm correspondent à différentes transitions atomiques, ces transitions sont dédoublées d'une quantité égale à 2gBH/h par l'effet Zeeman. On va maintenant considérer la figure 8C sur laquelle on voit un graphique des courbes de dispersion dédoublées et des déphasages correspondants des quatre modes du gyroscope. Si le champ magnétique H est tel que la courbe a m = +1 soit inférieure en fréquence à la courbe a -m = -1 d'une quantité 280 égale à (f2 - f1), la ligne 270 et la ligne 272 auront des hauteurs égales, c'est-à-dire que les valeurs de déphasage appliquées à f et f2 seront égales. De façon similaire, la ligne 274 et la ligne 276 auront la même hauteur, ce qui fait que les fréquences f et f auront une valeur similaire de déphasage. On peut

3 4

ainsi voir que lorsque les quatre fréquences dérivent sur la courbe de dispersion ou lorsque la courbe de dispersion change, par exemple sous l'effet de la température, la dispersion du mode 1 sera toujours égale à celle du mode 2, et celle du mode 3 sera de façon similaire égale à celle du mode 4. Ainsi, lorsque des conditions externes créent de petites variations dans les fréquences de fonctionnement, la différente résultante dans un signal de sortie différentiel demeure la même. Pour faire disparaître la dérive due à la dispersion, le champ magnétique pour l'effet Zeeman doit satisfaire la relation

suivante: polarisation de Faraday = 2gBH/h=(3,64 MlHz/G)H.

Ceci donne un dispositif gyroscopique capable de parvenir à une stabilité de la fréquence de sortie très inférieure

a un hertz.

En considérant maintenant les figures 1 à 4, on peut voir que dans le mode de réalisation préféré, le champ magnétique nécessaire pour le dédoublement des courbes de dispersion par effet Zeeman est obtenu au moyen de bobines disposées autour du passage qui contient le milieu laser. On perce des trous dans le-bloc gyroscopique 102 pour définir des passages 200, 210, 220 et 230 pour les bobines. Des bobines 202 et 212 sont placées d'un côté de la cathode 22 tandis que des bobines 222 et 232 sont placées de l'autre côté de la cathode 22 afin de produire un dédoublemert Zeeman sur toute la partie du chemin gyroscopique qui donne lieu à l'effet laser. On utilise quatre jeux de bobines pour appliquer un champ magnétique plus uniforme au gaz donnant lieu à l'effet laser, mais on peut cependant employer n'importe quelle autre configuration qui applique une composante de champ magnétique au gaz donnant lieu à l'effet laser. Les bobines

202, 212, 222 et 232 sont disposées autour du passage 108.

Les quatre bobines sont de préférence commandées par une seule source de façon à leur appliquer un courant de valeur et de polarité telles qu'il génère dans les passages un champ magnétique produisant un dédcublement des courbes de dispersion de valeur égale au dédoublement de fréquence de la polarisation de Faraday que produit le rotateur de Faraday 156, et avec la direction qui fait

disparaître la sensibilité des ondes au milieu amplificateur.

Il est préférable de commander la valeur du champ magnétique qui est généré pour le dédoublement Zeeman en liaison avec la valeur de polarisation de Faraday qui

est produite par le rotateur de Faraday.

On va maintenant considérer la figure 1 sur laquelle on voit la structure optique de sortie 144 qui supporte des diodes 145 et 146. La structure optique de sortie 144 sépare la paire de fréquencestournant en sens contraire, en polarisation circulaire à gauche, par rapport à la paire de fréquencestournant en sens contraire, en polarisation circulaire à droite, chaque paire étant 2492c22 détectée par une diode séparéeo Par exemple, on utilise la diode 145 pour produire uni signal correspondant a f c'està-dire la différence de fréquence (f2 - f) de la première paire de fréquence, tandis qu'on utilise la diode 146 pour produire un signal eorrespondant à b, c'est-àdire la difference de fréquence (f4 - f3) de la seconde paire de fréquences. Les signaux de sortie des diodes 145 et 146

sont appliqués au dispositif de commande de dispersion 300.

Au repos, fa = fb et chaque différence correspond à la polarisation de Faraday. En présence d'ume rotation, l'une des deux fréquences de différence augmente et l'autre diminue, la valeur et le sens du changement dépendsant de la direction et de la vitesse de rotation. Le dispositif de commande de dispersion 300 comporte des circuits électroniques classiques permettant de former un signal qui représente la moyenne des deux différences de fréquences et il mesure donc la polarisation de Faraday, même en présence d'une rotation. D'autres circuits du dispositif de commande de dispersion 300 appliquent un courant aux bobines 202, 212, 222 et 232 en fonction de ce signal de polarisation de Faraday, pour créer dans le passage 108 un champ magnétique destiné à dédoubler la courbe de dispersion d'une valeur Agale au dédoublement de fréquence qui est obtenu par la polarisation de Faraday. Le champ magnétique nécessaire pour l'égalisation de la dispersion est donné par la relation suivante: H = (polarisation de Faraday)/2gBh = polarisation de Farada_ en Hz t A 3,64 x 10b 4 IX 10-3 et le courant utilisé pour le produire est proportionnel

au nombre de spires des bobines, comme il est bien connu.

On constate que le rotateur de Faraday du mode de réalisation considéré produit une polarisation de Faraday ayant une caractéristique qui est inversement proportionnelle à la température. Par l'intermédiaire du dispositif de commande 300, on génère le champ magnétique pour le dédoublement Zeeman en fonction de la polarisation de Faraday mesurée et l'égalisation de la dispersion est ainsi rendue indépendante de la variabilité de la polarisation de Faraday er. fonction de la température. Le dispositif de commande 300 génère un courant dont l'amplitude est commandée en fonction d'ur signal correspondant à la polarisation de Faraday mesurée, en faisant intervenir certaines constantes de proportionnalité tenant compte à la fois de la relation entre le champ magnétique, dont la polarité dépend du sens des enroulements des bobines, et la polarisation de Faraday et du nombre de spires dans les enroulements des bobines. Il n'est pas nécessaire de décrire de façon plus détaillée les circuits électroniques du dispositif de commande de polarisation 300,du fait que la conception de tels circuits de commande

est bien connue.

Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représentés

sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS

1. Gyroscope à laser caractérisé en ce qu'il coeprend en combinaison, des moyens (300, 202, 212, 222, 232) qui sont couplés à un chemin résonnant fermé (108, 110, 112, 114) de façon à appliquer à des ondes électromagnétiques une compensation vis-à-vis du déphasage de ces ondes qui est induit par un milieu amplificateur; et des moyens destinés à produire des ondes de différentes fréquences, polarisées circulairement et se propageant en sens contraire, ces ondes étant groupées par paires correspondant à des premier et second sens de polarisation, ces moyens de polarisation étant pratiquement exempisde centres de diffusion. 2. Gyroscope selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens produisant une polarisation circulaire comprennent: des moyens non dépolarisants (108,110, 112, 114) destinés à communiquer aux ondes un déphasage dépendant de la polarisation, ce qui crée une séparation de fréquence entre les ondes ayant des polarisations circulaires opposées et des moyens non dépolarisants (156) destinés à communiquer aux ondes un déphasage dépendant de la direction, ce qui crée une séparation de fréquence entre les ondes se

propageant en direction opposée dans chacune des paires.

3. Gyroscope selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens dépendant de la polarisation comprennent un résonateur non plan (102, 108, 110, 112, 114); et les moyens dépendant de la direction (1 56) comprennent un élément ayant un indice de réfraction dont la composante

indépendante de la direction est isotrope.

4. Gyroscope selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens dépendant de la direction (156) ont une caractéristique de diffusion pratiquement indépendante de la température sur la plage de température de fonctionnement. 5. Gyroscope selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens dépendant de la direction (156) comprennent une lame (165) de matière isotrope capable de communiquer au champ électromagnétique des ondes une rotation

dépendant de la direction, en présence d'un champ magnétique.

6. Gyroscope selon la revendication 5, caractérisé en ce que la lame (165) a une épaisseur notablement

inférieure au diamètre du faisceau formé par les ondes.

7. Gyroscope selon la revendication 5, caractérisé en ce que la lame (165) a une épaisseur telle que la variation de cette épaisseur est notablement inférieure à une longueur d'onde des ondes au cours du fonctionnement normal. 8. Gyroscope selon la revendication 5, caractérisé en ce que le champ magnétique destiné à produire la rotation dépendant de la direction est localisé dans la région

immédiatement adjacente à la lame.

9. Gyroscope selon la revendication 8, caractérisé en ce que le résonateur non plan (102, 108, 110, 112, 114) cpmprend en outre des moyens (130) destinés à supprimer les particules contaminantes dans la région d'électrodes (32, 42), ces électrodes étant utilisées pour exciter électriquement le milieu amplificateur afin de générer les ondes

électromagnétiques.

10. Gyroscope selon larevendication 2, caractérisé en ce que les moyens de compensation du déphasage comprennent des moyens (300, 202, 212, 222, 232) destinés à produire un champ magnétique longitudinal par rapport à l'axe du milieu amplificateur, ce champ magnétique ayant une valeur et une polarité donnant pratiquement la même valeur de déphasage induit par le milieu amplificateur pour les ondes se propageant en sens contraire de chaque paire 11. Gyroscope caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison, des moyens (102) destinés à établir un chemin fermé non plan (108, 110, 112, 114) pour la propagation d'ondes électromagnétiques polarisées circulairement, ces moyens produisant en outre une séparation de fréquence entre les ondes ayant des sens de polarisation opposés un milieu amplificateur placé dans ce chemin et ayant des caractéristiques de gain et de dispersion qui varient de façon non linéaire en fonction de la fréquence; des moyens non dépolarisants (156) destinés à appliquer aux ondes 3o polarisées ucilc!airement un déphasage dépendant de la direction, ce qui produit une séparation de fréquence entre les ondes de chaque sens de polarisation qui se propagent en sens contraire; et des moyens (500, 202, 212, 222, 232) destinés à compenser la dispersion inégale que le milieu amplificateur fait subir aux ondes se

prcpageant en sens contraire.

12. Gyroscope selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens établissant le chemin non plan ont en outre pour action de limiter l'angle

d'incidence entre des segments de chemin adjacents.

13. Gyroscope selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (130) destinés à éliminer les particules diffusantes présentes dans le

chemin.

14. Gyroscope selon la revendication 13, caractérisé en ce que les moyens d'élimination de particules diffusantes comprennent un déflecteur (130) dans la région d'électrodes (32, 42), ces électrodes étant utilisées pour exciter électriquement le milieu amplificateur afin

de générer les ondes électromagnétiques.

15. Gyroscope selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens non dépolarisants et dépendant de la direction (156) comprennent une lame (165) de matière isotrope ayant une constante de Verdet non nulle et des moyens (188) destinés à établir un champ

magnétique dans cette lame.

16o Gyroscope selon la revendication 15, caractérisé en ce que les moyens non dépolarisants et dépendant de la direction (156) comprennent en outre des moyens (190, 191) destinés à absorber les ondes électromagnétiques et disposes de part et d'autre de la lame (165), cette dernière étant positionnée de façon à diriger toutes les ondes réfléchies vers les moyens

absorbants.

17. Gyroscope selon la revendication 16, caractérisé en ce que la lame (165) et les moyens absorbants (190, 191) sont maintenus en place par des moyens élastiques (174, 175, 192, 193) contre une structure de support (154)

à faible dilatation.

18. Gyroscope selon laievendication 15, caractérisé en ce que les moyens (188) destinés à produire un champ magnétique dans la lame (165) comprennent deux aimants (186, 187) avec des pôles de même nom appliqués l'un contre l'autre et placés de façon adjacente à la lame isotrope. 19. Gyroscope selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens de compensation de dispersion comprennent des moyens (202, 212, 222, 232) destinés à produire dans le milieu amplificateur une composante de champ magnétique dirigée selon l'axe longitudinal de ce milieu; cette composante de champ magnétique a une valeur qui donne pour les caractéristiques de gain et de dispersion une séparation de fréquence à peu près égale à la séparation de fréquence que les moyens non dépolarisants et dépendant de la direction produisent entre les ondes se propageant en sens contraire; et cette composante de champ magnétique a une polarité qui communique aux ondes se propageant en sens contraire des valeurs A peu près égales de dispersion induite par le milieu amplificateur. 20. Gyroscope selon la revendication 18, caractérisé en ce que les moyens qui produisent le champ magnétique (202, 212, 222, 232) font varier le champ magnétique en fonction de la valeur moyenne de la séparation de fréquence entre les ondes se propageant en sens contraire qui est due aux moyens non dépolarisants et dépendant de

la direction (156).

21. Gyroscope selon la revendication 20, caractérisé en ce que les moyens produisant un champ magnétique comprennent au moins une bobine (202, 212, 222, 232) placée autour d'une partie du chemin contenant le milieu amplificateur, des moyens (145, 146) destinés à mesurer les valeurs de la séparation de fréquence générée dans les ondes se propageant en sens contraire par les moyens non dépolarisants et dépendant de la direction (156), et des moyens (300) destinés à faire circuler dans cette bobine un courant proportionnel à la valeur moyenne de la

séparation de fréquence.

22. Gyroscope selon la revendication 21, caractérisé en ce que les moyens produisant un champ magnétique comprennent plusieurs bobines (202, 212, 222, 232) placées dans toute la partie du chemin qui contient

la partie active du milieu amplificateur.

23. Gyroscope caractérisé en ce qu'il comprend: un boîtier de support (154); des moyens (165) destinés à produire une rotation de Faraday, placés à l'intérieur de ce boîtier; et des moyens (190, 191) destinés à absorber les ondes électromagnétiques et placés d'un côté au moins des moyens de rotation de Faraday, de façon qu'une partie notable des ondes puisse traverser les moyens de rotation, les moyens de rotation étant en outre positionnés de façon à diriger vers les moyens absorbants toute partie réfléchie

des ondes.

24. Gyroscope selon la revendication 23, caractérisé en ce que le bottier de support consiste en une matière à faible dilatation (154) qui comporte plusieurs butées- (166); et en ce que les noyens de rotation corem les moyens absorbants sont maintenus en place contre ces

butées par des moyens élastiques (174, 175, 192, 193).