Une des techniques connues pour la gyrométrie est d'utiliser l'effet Sagnac dans une cavité laser en anneau avec pour milieu à gain un mélange d'Hélium et de Néon. Si ses qualités gyrométriques sont clairement établies, ce type de laser trouve ses principales limitations industrielles dans le caractère gazeux de son milieu à gain. Des solutions fondées sur un cristal de Nd :Yag ont déjà pu montrer qu'il était possible d'obtenir un signal Sagnac dans un autre type de milieu à gain. Il est cependant apparu que le temps relativement long de la fluorescence (230 μs) était une des sources de limitation de la qualité de la réponse en fréquence. Le semi-conducteur, par son temps de vie de luminescence beaucoup plus court (3 ns) présente ainsi un avantage potentiel pour la gyrométrie. De plus, la possibilité d'un pompage électrique pourrait offrir à terme une réduction importante des coûts. L'objectif de ce travail de thèse est ainsi d'étudier la possibilité de réaliser un gyrolaser fondé sur un milieu à gain semi conducteur dans une cavité en espace libre. La dynamique du milieu à gain étant significativement différente des systèmes précédemment cités, il est d'abord nécessaire d'étudier les conditions de stabilité du fonctionnement gyrométrique, ainsi que les performances que l'on peut espérer obtenir avec un tel système. L'influence du couplage phase-amplitude propre aux milieux semi-conducteurs est en particulier mise en évidence. Dans un deuxième temps, nous montrons experimentalement qu'il est effectivement possible d'obtenir à partir d'une cavité en anneau avec un 1/2-VCSEL un fonctionnement gyrométrique, grâce une géométrie de cavité adéquate et à un asservissement des intensités permettant de contrebalancer les effets de la compétition de modes qui a lieu au sein du semi-conducteur.

Les gyromètres laser He-Ne sont des senseurs inertiels dont la fiabilité et la précision sont reconnues depuis le milieu des années 1980. Leur grande sensibilité leur permet de mesurer des vitesses de rotation avec une précision qui atteint 10⁻³ °/ h dans le domaine aéronautique. Cependant, du fait d’un fonctionnement complexe basé sur une physique riche et variée, ses performances sont fortement dépendantes des conditions de fonctionnement et de toute modification du processus de fabrication. Dans ce cas, un travail de modélisation prend tout son sens, puisqu’il permet, outre une compréhension claire et précise des différents phénomènes physiques, un accès à des études paramétriques non envisageables expérimentalement. La modélisation globale du fonctionnement d’un gyrolaser He-Ne a ainsi été l’objectif principal de la collaboration entre la société Sagem (groupe Safran), un des leaders mondiaux dans le domaine des senseurs inertiels, et le Laboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas (LPGP). Cette modélisation est « multiphysique » du fait de la diversité des domaines que couvre la physique du gyrolaser (Plasma, Physique Atomique, Lasers). C’est pourquoi nous avons développé trois modèles spécifiquement adaptés à chaque domaine. Le premier décrit la modélisation de la colonne positive du plasma de décharge dans une approche fluide. Ce modèle permet une description quantitative du plasma et l’accès aux grandeurs telles que la densité électronique et la fonction de distribution en énergie des électrons. Ces grandeurs sont les entrées nécessaires au second modèle qui traite la cinétique des états excités du plasma He-Ne. Un modèle collisionnel-radiatif à 1 dimension radiale (1D-CRM) a ainsi été développé. L’aspect 1D se justifie par l’importance des phénomènes de transport d’atomes et de rayonnement pouvant influer sur le profil radial de l’inversion de population du laser. Le transfert radiatif par auto-absorption des transitions radiatives résonantes a notamment été modélisé en résolvant l’équation de Holstein-Biberman à partir d’une méthode Monte-Carlo. Cet aspect constitue un élément majeur de ce travail de thèse. La diffusion des atomes excités du mélange He-Ne a également été prise en compte en résolvant l’équation de diffusion avec différentes conditions au bord à la surface du capillaire.A partir des populations et des taux cinétiques de peuplement et dépeuplement calculés par 1D-CRM, l’amplification laser dans la cavité a été modélisée dans le cadre d’une approche Maxwell-Bloch à 2 niveaux (NADIA) en incluant la saturation inhomogène du gain c’est-à-dire en tenant compte de la vitesse des atomes émetteurs dans la direction de propagation des faisceaux lasers. La cinétique de NADIA a été optimisée et les processus de transports dans l’espace des phases ont également été implémentés. Ce modèle a été utilisé pour étudier les performances du gyrolaser liées au milieu amplificateur et pour dériver les paramètres physiques nécessaires au développement d’un simulateur du gyrolaser.Dans ce simulateur, un modèle physique simplifié dérivé de NADIA, a été couplé à des modules « systèmes » dans le but de reproduire en sortie le signal opérationnel d’un gyrolaser. Ceci nous a permis de réaliser des études paramétriques sur les grandeurs caractérisant les performances d’un gyrolaser notamment le biais dynamique et le Random-Walk. Nous montrons en particulier que les performances de notre simulateur sont en bon accord avec celles observées en conditions opérationnelles. De plus, nos résultats montrent que ce simulateur est également un outil puissant pour l’analyse de données expérimentales. / Ring laser gyros (RLG) are inertial sensors whose reliability and accuracy have been recognised since the mid-1980s. Their high sensitivity enables them to measure angular velocity with an accuracy of 10⁻³ °/ h in aeronautics. However, because of a complex functioning based on a rich and varied physics, their performances are highly dependent on the working conditions and on any modification in the manufacturing process. In this case, a numerical modelling is pertinent since it allows both a clear understanding of the ring laser physics and parametric studies which are not experimentally feasible. The global modelling of a He-Ne RLG has been the main objective of the collaboration between Sagem (Safran group), which is one of the world leader in the inertial sensors field, and the Gas and Plasma Physics Laboratory (LPGP).This modelling is “multi-physics” since RLG physics involves several disciplines (plasma, atomic and laser physics). Therefore we have developed three models specifically adapted to each field. The first one describes the modelling of the positive column of the glow discharge following a fluid approach. This model allows a quantitative description of the plasma and gives access to fundamental quantities like the electron density or the electron energy distribution function. These quantities are the required inputs for the second model which treats the kinetics of the excited states inside the He-Ne plasma. For this, a collisional-radiative model in a radial geometry (1D-CRM) has been developed. The radial geometry is justified by the importance of the transport processes of atoms and radiations which can influence the radial profile of the population inversion. Notably, the radiative transfer by self-absorption of the resonant radiative transitions has been modelled by solving the Holstein-Biberman equation by a Monte-Carlo method. This aspect is a major component of this PhD work. Diffusion of excited atoms inside the plasma has also been taken into account by solving the diffusion equation with different boundary conditions at the capillary surface. From the populations and the kinetic rates computed by 1D-CRM, the laser amplification inside the cavity has been modelled using a two-level Maxwell-Bloch approach (NADIA) taking into account the inhomogeneous gain saturation, which means to consider the thermal speed of the atoms in the direction of propagation of the laser beams. The kinetics of NADIA has been optimized and transport processes in the phase space have also been implemented. This model has been used to study the performances of the RLG linked to the amplifying medium and to derive the physical parameters needed for the development of a simulator.Concerning this simulator, a simplified physical model from NADIA has been coupled to system modules in order to reproduce the operating signal of a RLG. This allows to conduct parametric studies on the quantities defining the RLG performance in particular the dynamic bias and the so-called “Random Walk”. We showed notably that the results of our simulator are in good agreement with experimental measurements in operating conditions. Moreover, our results show that this simulator is a powerful tool for analysing experimental data.

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.

Les gyroscopes laser à gaz constituent une solution technique de haute performances dans les problématiques de navigation inertielle. Néanmoins, pour de très faibles vitesses de rotation, les petites imperfections des miroirs de la cavité optique font que les deux faisceaux contra-propageant sont verrouillés en phase. En conséquence, les mesures en quadrature de leur différence de phase ne permettent plus de remonter directement aux vitesses de rotation à l'intérieur d'une zone autour de zéro, dite zone aveugle statique, ou, si l'on utilise une procédure d'activation mécanique, dite zone aveugle dynamique. Ce travail montre qu'il est néanmoins possible, en utilisant des méthodes issues du filtrage et de l'estimation, de remonter aux vitesses de rotation mêmes si ces dernières sont en zone aveugle. Pour cela, on part d'une modélisation physique de la dynamique que l'on simplifie par des techniques de perturbations singulières pour en déduire une généralisation des équations de Lamb. Il s'agit de quatre équations différentielles non-linéaires qui décrivent la dynamique des intensités et des phases des deux faisceaux contra-propageant. Une étude qualitative par perturbations régulières, stabilité exponentielle des points d'équilibre et applications de Poincaré permet de caractériser les zones aveugles statiques et dynamiques en fonction des imperfections dues aux miroirs. Il est alors possible d'estimer en ligne avec un observateur asymptotique fondé sur les moindre carrés récursifs ces imperfections en rajoutant aux deux mesures en quadrature celles des deux intensités. La connaissance précise de ces imperfections permet alors de les compenser dans la dynamique de la phase relative, et ainsi d'estimer les rotations en zone aveugle. Des simulations numériques détaillées illustrent l'intérêt de ces observateurs pour augmenter la précision des gyroscopes à gaz. / Gaz ring laser gyroscopes provide a high performance technical solution for inertial navigation. However, for very low rotational speeds, the mirrors imperfections of the optical cavity induce a locking phenomena between the phases of the two counter-propagating Laser beams. Hence, the measurements of the phase difference can no longer be used when the speed is within an area around zero, called lock-in zone, or,if a procedure of mechanical dithering is implemented, dithering lock-in zone. Nevertheless, this work shows that it is possible using filtering and estimation methods to measure the speed even within the lock-in zones. To achieve this result, we exploit a physical modeling of the dynamics that we simplify, using singular perturbation techniques, to obtain a generalization of Lamb's equations. There are four non-linear differential equations describing the dynamics of the intensities and phases of the two counter-propagating beams. A qualitative study by regular perturbation theory, exponential stability of the equilibrium points and Poincaré maps allows a characterisation of the lock-in zones according to the mirrors imperfections. It is then possible to estimate online, with an asymptotic observer based on recursive least squares, these imperfections by considering the additional measurements of the beam intensities. Accurate knowledge of these imperfections enables us to compensate them in the dynamic of the relative phase, and thus to estimate rotational speeds within the lock-in zones. Detailed numerical simulations illustrate the interest of those observers to increase the accuracy of gas ring laser gyroscopes.