Gyrolaser à état solide. Application des lasers à atomes à la gyrométrie.
Gyrolaser à état solide.
Résumé
The laser gyro is a sensor of rotation used in most of inertial guidance systems. In its usual form, it consists of a ring laser cavity filled with a mixture of helium and neon pumped by high voltage electrodes. The use of a gaseous gain medium, so naturally it ensures stable bidirectional operation necessary for measuring rotation, is however the main limitation of industrial laser gyro current cost, dependability and durability. We study in this paper can substitute gaseous gain medium solid medium (Nd: YAG diode pumped). This is why an experimental and theoretical study of different regimes of the ring laser solid state. It is shown that the stability of bidirectional system can be guaranteed by a feedback loop cons acting on the states of polarization to create differential losses proportional to the difference in intensity between the counterrotating modes. This technique allows obtaining a solid-state laser gyro, whose frequency response is disturbed by the coupling between modes. Several solutions, optical and mechanical, to improve the quality of the frequency response are successively studied. There arises also the question of a possible equivalent of the atomic laser gyro, highlighting the similarities between the physics of solid-state laser gyro that some matter wave devices. An original model of one-dimensional description of a Bose-Einstein condensate in a toroidal trap in rotation in the case of a strong transverse confinement is presented. Some possible applications of this theoretical model are finally discussed. This work has resulted in 9 patents filed in France and abroad, and several scientific publications, including one in the journal Physical Review Letters. They have also led to the realization of a prototype industrial solid state laser gyro, currently under investigation and characterization by Thales Aerospace Division. Finally, they were crowned by the Thesis Award of the Polytechnic in 2007 and by the Technological Innovation Award Air and Space 2007.
Le gyrolaser est un capteur de rotation utilisé dans la plupart des centrales de navigation inertielle. Dans sa forme usuelle, il est constitué d'une cavité laser en anneau remplie d'un mélange d'hélium et de néon pompé par des électrodes à haute tension. L'utilisation d'un milieu amplificateur gazeux, si elle permet de garantir naturellement le fonctionnement bidirectionnel stable nécessaire à la mesure des rotations, constitue en revanche la principale limitation industrielle des gyrolasers actuels en termes de coût, fiabilité et durée de vie. On étudie dans ce mémoire la possibilité de substituer au milieu à gain gazeux un milieu solide (Nd-YAG pompé diode). On présente pour cela une étude théorique et expérimentale des différents régimes de fonctionnement du laser en anneau à état solide. On montre que la stabilité du régime bidirectionnel peut être garantie par une boucle de contre-réaction agissant sur les états de polarisation pour créer des pertes différentielles proportionnelles à la différence d'intensité entre les modes contrarotatifs. Cette technique permet l'obtention d'un gyrolaser à état solide, dont la réponse en fréquence est perturbée par les couplages entre modes. Plusieurs solutions, optiques et mécaniques, destinées à améliorer la qualité de cette réponse en fréquence sont successivement étudiées. On se pose enfin la question d'un possible équivalent atomique du gyrolaser, en soulignant les analogies qui existent entre la physique du gyrolaser à état solide et celle de certains dispositifs à onde de matière. Un modèle original de description unidimensionnelle d'un condensat de Bose-Einstein dans un piège torique en rotation dans le cas d'un fort confinement transverse est présenté. Quelques applications possibles de ce modèle théorique sont finalement discutées. Ces travaux ont donné lieu au dépôt de 9 brevets en France et à l'étranger, ainsi qu'à plusieurs publications scientifiques, dont une dans la revue Physical Review Letters. Ils ont également débouché sur la réalisation d'un prototype industriel de gyrolaser à état solide, actuellement en cours d'étude et de caractérisation par la division Thales Aerospace. Enfin, ils ont été couronnés par le Prix de Thèse de l'École Polytechnique 2007 et par le Prix de l'Innovation Technologique Air et Espace 2007.