Academic literature on the topic 'Gyroscopes optiques'

De nos jours, nous observons une augmentation constante de la quantité de publications liées aux fibres microstructurées (MOFs). Bien que les aspects fondamentaux de leurs propriétés soient souvent éludés, leurs applications sont attrayantes pour de nombreux domaines de la science et la technologie en raison de leurs propriétés optiques uniques. Mon travail est consacré, d'une part à l'analyse comparative de certaines MOF bien connues à l'aide de différentes méthodes numériques et d'autre part, à la création expérimentale d'un laser à fibre monomode à grande aire modale (LMA) basé sur une fibre à bande photonique 1-D. Au cours de l'étude théorique, nous avons porté une attention particulière à l'étude de la structure de gaine. Nous avons en particulier montré le rôle de la réflexion radiale du champ sur l'interface silice polymère dans la hiérarchie des modes pour des fibres à cœur creux ou plein. Dans la partie expérimentale, nous avons étudié des fibres de Bragg dopées à l'ytterbium. Nous avons obtenu, pour la première fois, l'émission d'un faisceau monomode et démontré l'excellente résistance aux pertes par courbure de ce type de fibre en régime d'oscillation laser
Nowadays we observe a constant increasing of the amount of publications connected with Micro-structured Optical Fibers (MOFs). Nevertheless the unclear physical questions are still remaining in this field. From the other hand, applying of such structures is attractive in different fields of science and technology due to their unique optical properties. Our work is devoted to the theoretical analysis of some of the basic MOF types and to the experimental creation of fiber laser based on large mode area (LMA) 1-D photonic bandgap fiber (i. E. Bragg Fiber, BF). In the experimental part we investigated the Yb-doped LMA BF. We created a fiber laser based on this fiber with pumping into the cladding. We obtained the efficient singlemode lasing with low bend sensitivity, to the best of our knowledge, for the first time in such type of fibers

L’objectif du travail présenté dans cette thèse est de développer un gyroscope à fibre optique multimode de nouvelle génération basé sur un choix optimal de ces composants et de la technique de traitement du signal. Le travail se divise principalement en deux parties. La première partie est consacrée à la modélisation de l’interférométrie Sagnac à fibre multimode, permettant l’étude de l’effet du phénomène des couplages de modes sur les performances. Les résultats de cette modélisation ont été appliqués pour optimiser le choix des composants pour la conception d’un nouveau prototype. La deuxième partie est consacrée à la réalisation expérimentale du prototype et à la caractérisation de ses performances
The aim of the work presented in this thesis is to develop a new version of a multimode fiber optic gyroscope based on the optimal choice of the optical components and the signal processing. The work is mainly divided to two parts. The first part is devoted to the modeling of multimode Sagnac interferometer and allows the study of the effect of the modes coupling on the gyroscope performances. The modeling results are used to optimize the choice of the gyroscope components. The second part is dedicated to the experimental setup of the new prototype of the gyroscope and for the performances characterization

La démocratisation des MEMS a permis l'essor des centrales d’attitude : groupement de capteurs permettant d'évaluer son orientation par rapport au repère terrestre. Il existe plusieurs types de capteurs utilisés dans de telles centrales : les accéléromètres, les magnétomètres et les gyromètres. Seule la combinaison accéléromètres – magnétomètres – gyromètres permet l'estimation de l'orientation cinématique de façon satisfaisante, sans connaître d'à priori sur le mouvement, c'est-à-dire l'estimation de l'orientation en présence d’accélération inconnue. Le sujet de la thèse est justement, dans le cadre de la captation de mouvement corps entier, d'ajouter des connaissances à priori afin de limiter le nombre de gyromètres, voire de les supprimer totalement. Ces connaissances sont l'information que les capteurs sont fixés sur un squelette et que leurs mouvements relatifs ne peuvent être que des compositions de rotations. Pour tester l'efficience de cette méthode, on l'applique d'abord sur un pendule simple à un degré de liberté, puis sur un pendule à trois degrés de liberté, ensuite sur des groupes de segments (épaule – bras – avant-bras par exemple) et sur le corps entier. Ce rapport de thèse développera les aspects théoriques ainsi que les résultats obtenus sur les différentes méthodologies de résolution
Democratization of MEMS has enabled the development of attitude control : group of sensors enabling to measure ones orientation relatively to Earth's frame. There are several types of sensors used in attitude control : accelerometers, magnetometers and gyroscopes. Only the combination accelerometers - magnetmeters - gyros allows a satisfying estimation of the kinematics orientation without any a priori knowledge on the mouvement, that is to say, the estimation of the orientation in presence of an unknown acceleration. The aim of the thesis is, within the context of whole body motion capture, to add a priori knowledge in order to reduce the number of gyroscopes used, or even to eliminate them completely. This a priori knowledge is the fact that sensors are attached to a skeleton and so that their relative motions can only be combination of rotations. To test the efficiency of this method, we first apply it to a simple pendulum with one degree of freedom, then a pendulum with three degrees of freedom, then on groups of segments (shoulder - arm - forearm for example) and finally on a whole body system. This thesis develops the theory and the results obtained for different methodologies of resolution

Cette étude va servir à comprendre la source des instabilités observées expérimentalement dans les lasers à fibre de puissance. La première partie de ce travail est consacrée a la mise en oeuvre d'un modèle cinétique qui décrit l'évolution spatio-temporelle de l'intensité d'un laser de puissance à fibre dopée ytterbium en présence de la DBS. La cavité de ce laser est de type Fabry Pérot. Elle est constituée de deux miroirs ce qui conduit à l'existence de deux ondes laser (aller-retour) qui se propagent en sens contraire, ainsi que de deux ondes Stokes associées aux ondes laser. La présence de toutes ces ondes sous la courbe de gain nécessite la prise en compte de la saturation croisée entre les ondes laser et les ondes Stokes. Le résultat original le plus important de cette étude est qu'en présence de la diffusion Brillouin stimulée, le laser à fibre de puissance dopée ytterbium présente un fonctionnement auto-impulsionnel dans le cas d'une cavité à forte pertes sans aucun absorbant saturable. Pour le cas d'une bonne cavité où cavité à faibles pertes la dynamique présente un fonctionnement continu quel que soit le taux de pompage, ce qui est conforme aux observations expérimentales. Dans Ia deuxième partie nous avons étudié numériquement l'influence de la diffusion BriIlouin dans une cavité laser à faibles pertes, en utilisant le modèle des amplitudes couplées et en tenant compte de la dynamique de l'onde acoustique. Des fonctionnements dynamiques riches et complexes sont observés
This study serves to understand the origin of the instabilities observed experimentally in the high power double cladding fiber lasers. The irnplementation of a kinetic model which describes the spatiotemporal evolution of the intensity of a high power fiber laser in the presence of the scattering Brillouin was studied in the first part. The Fabry-Perot laser cavity was considered. It is established by two rnirrors what drives to the existence of two laser waves which propagate in opposite sense, as well as of two Stokes waves associated with the waves lasers. The presence of al1 these waves under the curve of gain requires the consideration of the saturation crossed between the waves laser and the waves Stokes. The most important original result of this study is that in the presence of the stimulated scattering Brillouin, the ytterbium doped fiber laser presents an auto-impulsive functioning in the case of a cavity to strong losses without any absorbent saturable. For the case of cavity with low losses the dynamics presents a continuous functioning whatever the rate of pumping. The f i e n c e of the stimulated scattering Brillouin in a laser cavity with low losses was studied numerically in the second part, by using the model of the coupled amplitudes and by taking into account the dynamics of the acoustic wave. Rich and complex dynamic are observed

Les applications telles que la détection de polluant où les contre-mesures optroniques nécessitent aujourd’hui des sources émettant dans la bande II de l’infrarouge (2,5- 5μm). Actuellement cette fenêtre spectrale ne dispose pas de source à la fois compacte, robuste et possédant une bonne qualité de faisceau. Afin de répondre à cette demande, la conversion d’une source classique vers les grandes longueurs d’onde par diffusion Raman stimulée dans une fibre à coeur creux est étudiée. Une première architecture utilisant une fibre à bande interdite photonique étirée est étudiée. La réalisation démontre la possibilité de cascader cinq ordres Raman tous en conservant une émission monomode transverse. Ce sont ensuite les fibres à large périodicité permettant de guider la lumière sur plusieurs octaves qui sont étudiées. Les premières fabrications ouvrent des potentialités pour la diffusion Raman utilisant des gaz à fort décalage
Applications such as pollution control or countermeasures have a need in mid infrared sources (2. 5-5μm). Nowadays, compact, robust sources with a good beam quality are not available in this spectral range. To overcome this limitation, we study the conversion of usual sources by stimulated Raman scattering in hollow-core fibre. A proposal uses a hydrogen-filled tapered hollow-core photonic bandgap fibre as a wavelength converter. First results demonstrate the ability to convert the pump toward fifth Stokes order with a monomode beam profile. Then, large pitch hollow-core fibre allowing air-guiding over a broad spectral range are studied. Characterisation of the fabricated fibres paves the way to stimulated Raman scattering with large shift gases

Dans les systèmes actuels la génération de supercontinuum est basée sur l’utilisation d’une onde de pompe unique correspondant à la longueur d’onde de dispersion nulle d’une fibre optique. Via de multiples effets non-linéaires, un élargissement spectral large est obtenu. Une partie de ce travail de thèse a été de développer un processus non-linéaire innovant, basé sur un mélange à quatre ondes large bande intermodal particulier. Une étude systématique a permis de mettre en évidence l’impact de l’injection sélective, du vecteur polarisation, de la longueur de fibre et des paramètres opto-géométriques du guide sur le profil du spectre. Parallèlement, nous avons montré que la génération de second harmonique, obtenue directement dans les fibres optiques dopées, pouvait contribuer de manière très importante aux élargissements spectraux. Les effets de conversion à cette fréquence double ont également été évalués dans les fibres microstructurées en silice non dopées
Currently, supercontinuum generation is based on the use of a single pump localised near the zero dispersion wavelength of the optical fiber. Thanks to different nonlinear effects, a spectral broadening is obtained. The first part of this work was to develop a innovating nonlinear process, based on a particular intermodal four wave mixing. A systematic study made it possible to highlight the impact of the selective injection, the polarization, the length of the fibre and the opto-geometrical parameters of the guide on the profile of the spectrum. In parallel, we showed that the second harmonic generation, obtained directly inside doped fibres, could contribute to important spectral widenings. Moreover, we also evaluated conversion effects in pure silica microstructured fibres

La navigation par système inertiel strapdown est aujourd’hui la plus répandue. L’architecture est bien connue et a été très largement améliorée au cours des dernières décennies. Néanmoins, le principe fondamental n’a subi de bouleversement et reste constitué d’une triplette d’accéléromètres et de gyromètres permettant de revenir aux informations d’attitude et de cap.La précision de l’estimation de position repose principalement sur la gamme de performance des capteurs utilisés. En particulier, des applications telles que des lanceurs spatiaux requièrent une très haute précision et des capteurs d’une technologie éprouvée sont utilisés. L’arrivée sur le marché de capteurs inertiels MEMS de haute précision ouvre une alternative à coût réduits couplée à une réduction de masse, volume et de consommation. Les moyens de production des MEMS ainsi qu’une meilleure connaissance des propriétés des matériaux ont permis l’arrivée d’accéléromètres MEMS pouvant rivaliser avec les technologies éprouvées de gamme tactique. Toutefois, les gyromètres de technologie MEMS existantes restent dans une gamme de performance de type industrielle.La présente étude vise à analyser la possibilité d’utiliser des accéléromètres de haute précision pour améliorer les performances gyrométriques, dans l’objectif de réaliser une solution tout MEMS d’unité de mesure inertielle. Une brève introduction sur les techniques de filtrage de Kalman pour la fusion de données est présentée, ainsi que son implémentation pour notre étude. L’analyse théorique se poursuit avec une présentation des résultats expérimentaux.L’étude conclut que l’utilisation d’une paire d’accéléromètres de haute performance et d’un gyroscope de type consommateur permet d’atteindre les performances d’un gyromètre tactique. Les contraintes de définition et de mesure pour l’implémentation du système sont présentées en détail.Cette étude est menée pour la mesure angulaire autour d’un axe unique de rotation, un complément d’étude est nécessaire à l’extrapolation de cette approche pour une mesure générique en 3D
Strapdown inertial navigation units are the most popular systems used for navigation. The system architecture is well established and has been extensively improved over the past decades. However, the core idea remains same where a triad of accelerometers and gyroscopes provide the attitude and heading information.The accuracy of the position estimate depends on the performance grade of the sensors employed. For applications like space launchers requiring very high accuracy, high-grade devices using traditional technologies are used. The advent of accurate MEMS based sensors offer an exciting low-cost alternative with expected reduction in size and power consumption. MEMS fabrication technology, assisted by improved understanding of material properties have led to accelerometers that can compete with traditional devices for tactical applications. However, the MEMS based solutions currently available for gyroscopes can replace only industrial grade applications.This study attempts to investigate if the currently available high-grade accelerometers can be used to improve the gyroscope performance, towards the final goal of a complete MEMS based solution for inertial navigation units. The study begins with a literature review of current status of technology. A brief explanation of linear Kalman filtering technique for data fusion is presented, along with its implementation concerning this work. The theoretical discussion is then followed by presentation of experimental results.The study found that using a pair of high-grade accelerometers, a consumer grade gyroscope can have its performance upgraded for tactical applications. The design and sensing constraints for realizing this system are discussed in detail.Since this research work primarily concerns with angular rate estimation around a single axis of rotation, further research is recommended for extrapolating this approach for a more general 3-D sensing case

Cette thèse porte sur l'utilisation du processus d'amplification paramétrique dans le fibres optiques dans le cadre d'applications en télécommunications (collaboration avec Alcatel) et sur la génération de supercontinuum spectraux. Les Amplificateurs Paramétriques à Fibres Optiques (FOPA) possèdent un potentiel intéressant en vue d'applications en télécommunications, en raison des larges bandes de gain disponibles, de leur accordabilité en longueur d'onde et de leurs propriétés de conversion de fréquence. Nous proposons un travail principalement théorique afin de vérifier la compatibilité de cette nouvelle famille d'amplificateurs avec les performances que requièrent les systèmes de télécommunications actuels. Différents formats de modulation de phase de la pompe sont étudiés afin de s'affranchir de la diffusion Brillouin stimulée, susceptible d'être engendrée par les puissantes pompes continues mises en oeuvre dans ces amplificateurs. Les performances de ces pompes sont ensuite évaluées sur des signaux monochromatiques et sur des signaux modulés en intensités. Ces résultats théoriques, en accord qualitatif avec des essais expérimentaux réalisés par Alcatel, montrent que la modulation de phase de la pompe induit des variations d'intensité pénalisantes pour des applications en télécommunications. Plusieurs solutions permettant de s'en affranchir sont alors proposées. D'autre part, nous démontrons qu'une mesure correcte de la figure de bruit de ces amplificateurs doit être effectuée dans le domaine des radiofréquences. L'amplification de signaux WDM est ensuite étudiée et nous démontrons qu'un positionnement spectral particulier du peigne WDM par rapport à la longueur d'onde de pompe permet de minimiser les interactions paramétriques parasites entre signaux et pompe. Par ailleurs, nous illustrons l'impact des fluctuations longitudinales de la longueur d'onde de dispersion nulle sur l'allure des courbes de gain d'un FOPA. La sensibilité des FOPAs à ces fluctuations nous a d'ailleurs permis de développer une nouvelle méthode de cartographie de la longueur d'onde de dispersion nulle d'une fibre optique de quelques centaines de mètres seulement. Enfin, une étude plus prospective de l'impact de la cohérence partielle d'ondes continues et intrinsèquement spectralement larges de type lasers à fibres sur le processus d'Instabilité de Modulation (MI) est proposée. D'une part nous démontrons que ce processus combiné à l'émission d'ondes dispersives permet d'expliquer l'élargissement spectral asymétrique observé expérimentalement. D'autre part, que l'utilisation de lasers à fibres pour pomper des FOPAs serait envisageable sous certaines conditions. Concernant la génération de supercontinuum spectraux dans les fibres optiques, nous proposons un dispositif expérimental simple, composé d'un micro-laser et d'une fibre de télécommunication standard, qui permet d'obtenir un supercontinuum monomode spatialement de plus de 1100 nm.

Les travaux présentés dans cette thèse rapportent le développement d'un spectromètre à deux peignes de fréquences basé sur la modulation électro-optique d'un laser continu, ainsi que son utilisation pour la spectroscopie dans le proche et le moyen infrarouge.Depuis leur découverte dans les années 1960, les peignes de fréquences ont révolutionné le domaine de la physique, que ce soit en métrologie comme en spectroscopie, ce qui a valu le prix Nobel de physique en 2005. Dans ce dernier domaine d'applications, les spectromètres basés sur des peignes de fréquences demeurent toutefois relativement complexes à développer et à utiliser. Une possibilité pour pallier à ces désavantages est de concevoir le spectromètre à partir de modulateurs électro-optiques, ce qui rend le montage expérimental plus simple d'utilisation, notamment en raison de son caractère tout fibré et de l'absence de système d'asservissement.Les travaux effectués et rapportés dans cette thèse décrivent dans un premier temps la conception d'un spectromètre à deux peignes de fréquences à base de modulateurs électro-optiques. Nous verrons les avantages et inconvénients de cette technique, notamment pour les applications spectroscopiques, ainsi que les apports des phénomènes non-linéaires dans les fibres optiques pour améliorer le montage expérimental.Dans une seconde partie, nous verrons comment il est possible d'étendre les capacités d'analyses du spectromètre aux alentours de 2~µm, soit directement par modulation électro-optique adaptée, soit par conversion de fréquences dans des fibres optiques spécifiques. Enfin, dans une troisième partie, nous montrerons la possibilité d’étendre notre montage expérimental dans le moyen infrarouge grâce à l'utilisation de cristaux non-linéaires.Cette dernière extension dans un domaine spectral très propice à la spectroscopie nous permettra d'aborder des applications très particulières comme l'analyse de l'air expiré par le corps humain
The work presented in this thesis relates the development of a dual frequency comb spectrometer based on the electro-optic modulation of a continuous wave laser, and its utilisation for spectroscopic applications in the near- and mid-infrared.Since their discovery in the 1960s, frequency combs have revolutionised the physics, especially in metrology but also in spectroscopy, which lead to the Nobel Prize in Physics in 2005. In this domain of applications, dual frequency comb spectrometers are known to be complex to develop and use. A possibility to bypass these constraints is to build the spectrometer with electro-optic modulators. This particular architecture makes the experimental setup easy to use, thanks to the all-fibered feature and the lack of enslavement needed.In this manuscript, the work related describe first the architecture of a dual-comb spectrometer based on electro-optic modulators. We will see the advantages and disadvantages of the technique, especially for spectroscopic applications. We will also see the benefits of nonlinear phenomena in optical fibers to improve the experimental setup. Then, we show how the spectral range of the spectrometer can be extended around 2~µm, either by direct electro-optic modulation, or by frequency conversion in specific optical fibers.Finally, we will see the possibility to reach the mid-infrared by using nonlinear crystals. This last spectral extension will allow us to probe a spectral region highly suitable for spectroscopy, and hence to realise specific applications such as exhaled breath analysis

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