Solid-state ring laser gyroscope

Gyrolaser à état solide.

Physics Research Group, Thales Research and Technology France, route départementale 128, 91767 Palaiseau Cedex, France.

Abstract

The ring laser gyroscope is a rotation sensor used in most kinds of inertial navigation units. It usually consists in a ring cavity filled with a mixture of helium and neon, together with high-voltage pumping electrodes. The use of a gaseous gain medium, while resulting naturally in a stable bidirectional regime enabling rotation sensing, is however the main industrially limiting factor for the ring laser gyroscopes in terms of cost, reliability and lifetime. We study in this book the possibility of substituting for the gaseous gain medium a solid-state medium (diode-pumped Nd-YAG). For this, a theoretical and experimental overview of the lasing regimes of the solid-state ring laser is reported. We show that the bidirectional emission can be obtained thanks to a feedback loop acting on the states of polarization and inducing differential losses proportional to the difference of intensity between the counterpropagating modes. This leads to the achievement of a solid-state ring laser gyroscope, whose frequency response is modified by mode coupling effects. Several configurations, either mechanically or optically based, are then successively studied, with a view to improving the quality of this frequency response. In particular, vibration of the gain crystal along the longitudinal axis appears to be a very promising technique for reaching high inertial performances with a solid-state ring laser gyroscope.

Résumé


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 cet ouvrage 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, sont ensuite étudiées, dans le but d'améliorer la qualité de cette réponse en fréquence. En particulier, la mise en vibration du milieu à gain le long de l'axe optique apparaît comme une solution très prometteuse pour l'obtention de bonnes performances inertielles avec un gyrolaser à état solide.