Dissertations / Theses on the topic 'Laser gyroscopes'

This thesis presents a study of a 1.6 metre square, helium-neon based ring laser gyroscope (denoted PR-1). This device is mounted on one of the internal walls of a high rise building. After optimisation a cavity Q of 2.9x10¹¹ and a sensitivity to rotation of approximately 10⁻³ of the background Earth bias was obtained. A detailed investigation of the single mode operating regime and multi-mode thresholds was undertaken and could be well accounted for with a simple model of the gain curves. A key feature of the operation of PR-1 is persistent longitudinal mode hopping. It is shown that by running the laser at selective high powers, one obtains CW mode locked operation thereby negating the influence of mode hopping and allowing for long time data acquisition. PR-1 was used to demonstrate oscillation of the Rutherford building on its second fundamental mode during an earthquake. In a separate investigation, a range of supermirrors were studied to determine the optimum configuration in a 4 by 4 metre ring laser. The set with the highest finesse prevailed despite the comparatively low light levels on the photo detectors. The geometric stability of the lasers was not found to be a significant factor.

This thesis presents a study of two aspects of ring laser gyroscopes: Correction of systematic errors due to optical backscatter, and development of solid-state ring laser gyroscopes. Backscatter at the optical surfaces of ring laser gyroscopes causes systematic measurement errors. These errors were modelled and corrected for in large ring lasers. The model included backscattering, hole burning and dispersion in the gain medium. The model predictions were used in conjunction with measurements of the intensity modulation of each beam and the phase difference between these modulation to correct the measured Sagnac frequency of the large ring lasers, PR-1 and G-0. Dramatic improvements in the sensitivity of both lasers were achieved. Most current laser gyroscopes use He-Ne plasma as the gain medium. This makes the devices fragile, the plasma creates UV light that degrades the cavity mirrors and the gas itself degrades over time. As a alternative, solid state materials might be used as the gain medium for the gyroscope. Both neodymium doped and erbium ytterbium co-doped phosphate glass lasers were constructed. Initially linear cavity designs were constructed to test the suitability of the gain media. Both laser systems employed longitudinal laser diode pumping. Thirty six perimeter ring lasers were then developed using both gain media. In both cases successful rotation sensing was achieved on a turntable which provided external rotation. For rotation rates between 0.1 and 0.85 rad/s, the gyroscope built using Er-Yb and Nd phosphate glass are superior to Nd:YAG (the only other material known to have been used in a continuous wave solid state gyroscope). This improvement is due to the use of thin heavily doped gain medium, which decreases the detrimental effect caused by gain gratings.

A ring laser gyroscope (gyro) is an active laser interferometer designed to sense rotation through the Sagnac frequency shift encountered by two beams travelling in opposite directions around a closed path. The classes of devices considered in this thesis are the large and ultra-large ring laser gyros. These instruments are designed for direct measurement of earth rotation rate and find applications in geodesy, geophysics, and tests of physical theories. The research presented in this thesis focuses on the demonstration of new techniques for operating ring laser gyros. The main goal of these techniques has been the correction for variations in the geometry of an ultra-large ring laser gyro, UG-3. This instrument is a 77 m perimeter ultra-large ring laser gyro of heterolithic construction and is the primary instrument used in the experiments presented here. UG-3 has been used to demonstrate measurement of earth strains which have been used to correct for changes in the geometry of the instrument. It has also been used to demonstrate a control technique where the co-rotating beams were alternately offset allowing the number of wavelengths around the perimeter to be counted and a Sagnac rotation signal to be obtained. Among the most important outcomes of this research of interest to the large ring laser gyro community is that we now understand most of the problems that would affect a next generation ring laser gyro. This understanding allows us to choose an operational technique best suited to the measurements being made and thus maximise the scientific potential of the instrument. Additionally, the development of a new standard for data storage and an associated suite of software to acquire, query and analyse ring laser data is expected to improve collaboration with the wider research community. Other research outcomes of more general interest include the analysis of how oscillation of a single mode is established in a high finesse laser cavity. We demonstrate that the ultimate mode of operation can be selected with a ‘seed’ beam of exceptionally low intensity. An interesting related outcome is the demonstration of Sagnac beat frequency measurement during the ring down of a ring cavity, a type of measurement immune to dispersive and flow related frequency shifts.

Ringlaser dienen dazu, durch genaue inertiale Messungen Rotationen ohne Bezug auf ein externes Referenzsystem lokal und praktisch in Echtzeit zu bestimmen. Sie wurden in den 1970er Jahren insbesondere für die Navigation von Flugzeugen entwickelt. In den letzten Jahrzehnten wurden Ringlaser dann so weit verbessert, dass sie nun auch als eigenständige Messinstrumente in der Geodäsie Verwendung finden. Aufgrund der erreichbaren Genauigkeit ist es inzwischen möglich, Variationen in der Erdrotation mit der dafür erforderlichen Präzision zu detektieren. Der stabilste unter den Ringlasern, der so genannte Ringlaser "G" der geodätischen Fundamentalstation Wettzell, erreicht eine Sensitivität von 1.2 x 10 -11 nrad. Damit ist dieses Instrument in der Lage, Neigungen von bis zu 1 nrad (dies entspricht einem Signal von 0.2 mas in der Polbewegung, in Änderung der Rotationsgeschwindigkeit der Erde) im täglichen und halb-täglichen Frequenzband zu messen. Motivation dieser Arbeit ist es, der in den letzten Jahren erreichten Verbesserung des Auflösungsvermögens und der Sensorstabilität Rechnung zu tragen und die für die Auswertung von Ringlaserdaten benutzten geophysikalischen Modelle weiter zu verbessern, um dadurch die variable Rotation der Erde noch präziser vermessen zu können. Die dafür relevanten Effekte werden in den einzelnen Kapiteln dieser Arbeit separat behandelt. Nach einer Einführung werden in Kapitel 2 dieser Arbeit drei lokale, topozentrische Koordinatensysteme konstruiert, mit welchen sich das zu beobachtende Sagnac-Signal eines Ringlasers in der ersten post-Newtonischen Näherung der Allgemeinen Relativitätstheorie adäquat beschrieben lässt. In Kapitel 3 wird ein verbessertes Modell für die Orientierung des Ringlasers, basierend auf Ergebnissen von Dehant et al. (1999), entwickelt. Ein in den bislang benutzten Modellen vernachlässigter Neigungsterm konnte dabei identifiziert werden. Ein Modell für die retrograde tägliche Polbewegung der Erde wird in Kapitel 4 entwickelt. Ausgehend von den dynamischen Gleichungen für eine starre Erde werden diese um elastische Effekte und Einflüsse der Mehrschichtigkeit der Erde ergänzt und die entsprechenden Euler-Liouvilleschen Gleichungen und Transfer-Funktionen abgeleitet. Gezeiteneinflüsse des Ozeans, speziell die dadurch hervorgerufene sub-tägliche Variation der Erdrotation und ozeanische Auflasteffekte, werden in Kapitel 5 behandelt. Es wird gezeigt, dass die ozeanischen Signale größer als 10 -9 Δf0 (Δf0 348 Hz für den Ringlaser "G") sind und damit in den Messdaten des Ringlasers "G" nachweisbar sein sollten. Auf Grundlage der in dieser Arbeit entwickelten Modelle wurde eine 168 Tage (30. April 17. Oktober 2010) umfassenden Datenreihe des Ringlasers "G" in Kapitel 6 ausgewertet. Für die Auswertung wurde die Software ETERNA 3.40 genutzt und entsprechend angepasst. Die tägliche retrograde Polbewegung konnte dabei mit einer Genauigkeit von 0.15 mas bestimmt werden. Diese Auswertung beweist ein weiteres Mal die Existenz eines flüssigen Erdkerns. Des weiteren konnte gezeigt werden, dass bestimmte Gezeitenparameter des halb-täglichen Frequenzbandes durch lokale Effekte beeinflusst werden. Lokal gemessene Luftdruckdaten wurden benutzt, um den Einfluss atmosphärischer Auflasteffekte auf den Ringlaser "G" zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass sich für diese Effekte kein signifikanter Einfluss nachweisen lässt. Die Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung der Resultate, einer Beschreibung der sich ergebenden Schlussfolgerungen und einem Ausblick auf zukünftige Arbeiten auf dem Gebiet der Ringlaseranalyse
Ring laser gyroscopes measure inertial rotations locally and in real-time without the need for an external reference system. Initially, they were developed for aircraft navigation applications in the 1970s. With the improvement of ring laser technology during the last decades large ring laser gyroscopes (RLGs) are nowadays used as independent geodetic instruments. Due to the achievable accuracy more and more geophysical signals become observable in the data. The G-ring located at the Geodetic Observatory Wettzell is reckoned as the most stable one amongst the running large RLGs and reaches a sensitivity of 1.2 x 10 -11 nrad. Therefore, the instrument is able to detect a tilt signal of 1 nrad (equivalent to a signal of 0.2 mas in polar motion or 10 -9 Ω0 in variation of Earth rotation rate) in the diurnal and semi-diurnal band. This motivates us to improve previous geophysical models and estimate associated tilt and Earth rotation signals, which are the focuses of this Thesis. Firstly, we construct three local proper topocentric reference frames and interpret the Sagnac effect observed by large RLGs in the first post-Newtonian (PN) approximation of Einstein's theory of gravity. Secondly, in Chapter 3 we develop an improved orientation model for the Sagnac platform, based on the numerical results of Dehant et al. (1999). A missing tilt term in previous RLG tilt models is found. In Chapter 4, based on the Euler-Liouville equations or nutation transfer functions for a rigid Earth, a purely elastic Earth, a two-layered Earth and a three-layered Earth, five retrograde diurnal polar motion models are computed with the HW95 tidal potential catalogue. Thirdly, ocean tide effects (two aspects: effects on sub-daily variations of Earth rotation and loading effect on tilt) are considered in Chapter 5. We show that the Sagnac signals induced by ocean tides are larger than 10 -9 Δf0 (Δf0 348 Hz for the G-ring) and their influences are visible in the G-ring. Fourthly, based on the above-mentioned improved models and 168 days (from Apr.30 to Oct.17 in 2010) of G-ring data, in the diurnal band, we estimate the retrograde diurnal polar motion signal with an accuracy of 0.15 mas. The Earth tide software ETERNA 3.40 was adopted and modified to analyse this data. Our estimation provides one more evidence for the existence of the Earth's fluid outer core. Furthermore, we found that the tidal parameters for the G-ring are affected by the cavity and topographic effects in the semi-diurnal band. The local air pressure record is used in order to investigate the atmospheric loading effect on the G-ring by a simple regression model. Nevertheless, the preliminary result shows that no significant influence from atmospheric loading on our estimation is found. This Thesis closes with a summary of the obtained results, conclusions and suggestions how the analysis of ring laser data could be improved in future work

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

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

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

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.

Cette thèse décrit la mise en œuvre de nouvelles techniques d'interférométrie atomique améliorant la stabilité et l’exactitude d'un gyromètre à atomes froids situé au laboratoire SYRTE. Des transitions Raman stimulées permettent de séparer et recombiner les ondes atomiques. Une séquence de quatre impulsions lumineuses génère un interféromètre avec une aire Sagnac de 11 cm2. Je présente la mise en œuvre d'un schéma d'interrogation entrelacé dans un interféromètre dont le temps d'interrogation est de 801 ms, dans lequel trois nuages atomiques sont interrogés simultanément résultant en une cadence de mesure de 3,75 Hz. Avec ce schéma, nous démontrons une sensibilité de 30 nrad/s/sqrt(Hz). Nous présentons ensuite des mesures de rotation dynamiques dans une plage jusqu'ici inexplorée pour un capteur à atomes froids. Un biais important du capteur provient d'un couplage entre un désalignement relatif des miroirs rétroréfléchissant les faisceaux Raman et la trajectoire de l'atome. Une technique est introduite pour réduire ce biais au niveau de 3 nrad/s et atteindre une stabilité à long terme de 0,3 nrad/s qui représente l'état de l'art des gyromètres atomiques. Le manuscrit décrit ensuite la première caractérisation du facteur d'échelle du gyromètre à l'aide de différentes techniques. En particulier, la mise en place d’une plateforme de rotation sous le capteur permet de faire varier la projection du vecteur rotation de la Terre sur l'interféromètre et donc de moduler le déphasage de rotation. Les techniques présentées dans cette thèse ouvrent la voie à un test de l'effet Sagnac pour les ondes de matière avec une précision relative inférieure à 100 parties par million
This thesis describes the implementation of new atom interferometry techniques to improve the stability and accuracy of a cold-atom gyroscope located at the SYRTE laboratory. Stimulated Raman transitions are used to split and recombine the atomic waves. A sequence of four light pulses generates an interferometer with a Sagnac area of 11 cm2. I present the implementation of an interleaved interrogation scheme, where three atomic clouds are interrogated simultaneously in an atom interferometer featuring a sampling rate of 3.75 Hz and an interrogation time of 801 ms. With this scheme we demonstrate a short-term sensitivity of 30 nrad·s-1·Hz-1/2. We then present measurements of dynamic rotation rates in a so far unexplored range for a cold atom sensor. An important bias of the sensor originates from a coupling between a relative misalignment of the mirrors which retro-reflect the Raman beams and the trajectory of the atom. A technique is introduced to reduce this bias at the level of 3 nrad·s-1 and to achieve a long-term stability of 0.3 nrad·s-1 which represents the state of the art for atomic gyroscopes. The manuscript then describes the first characterization of the scale factor of the gyroscope using different techniques. In particular, the implementation of a rotation stage below the sensor enables us to vary the projection of the Erath rotation rate vector onto the interferometer area and therefore to modulate the rotation phase shift. The implementation of the techniques presented in this thesis pave paving the way to a test of the Sagnac effect for matter waves with a relative accuracy level below 100 parts per million

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 travaux de cette thèse s'efforcent d'apporter une solution au problème persistant de grande pauvreté des lasers à fibre à modes bloqués, en termes de fonctionnalités et de flexibilité. La thèse propose une cavité laser fibrée ayant comme spécificité d'être multifonctionnelle. La cavité est dotée de composants accordables, qui apportent la flexibilité nécessaire pour réaliser des fonctions allant de la génération d’impulsions aux profils complexes (solitons, bi-solitons, tri-solitons, etc) jusqu’à la sculpture des profils d’impulsion, en passant par la régulation des puissances crête, et la régénération de profils d’intensités sévèrement dégradés. La cavité laser que nous proposons a comme spécificité d'être pilotée par un composant clé, qui est un miroir à boucle optique non-linéaire (NOLM : Nonlinear Optical Loop Mirror) multifonction. Nous avons conçu ce NOLM en apportant des modifications structurelles dans l'architecture usuelle de ce dispositif, et en lui adjoignant : une fibre compensatrice de dispersion, un filtre passe bande à bande passante accordable, et un amplificateur (précédé d'un filtre égaliseur de gain, selon le besoin). Le NOLM ainsi conçu est doté de deux paramètres manuellement accordables, à savoir: la bande passante du filtre passe bande et la puissance de pompage de l'amplificateur. Ces deux paramètres permettent de régler sa fonction de transfert, et à accroître ainsi ses fonctionnalités et sa flexibilité. Ainsi, en plus de son rôle comme élément déclencheur du blocage de modes, ce NOLM réalise des fonctions optiques essentielles telles que la régénération des profils d'intensité fortement dégradés par des phénomènes de propagation ; ce qui contribue au renforcement de la stabilité du laser. Nous démontrons également la possibilité de réguler la puissance crête des impulsions, en la verrouillant à une valeur prédéfinie. Nous montrons enfin que le laser multifonction offre la possibilité de réaliser la sculpture des profils d'impulsion, c'est-à-dire, de générer des impulsions dotées d'une puissance crête et une largeur temporelle fixés à l'avance via un réglage approprié des paramètres de contrôle du NOLM.Les applications visées par ce laser multifonction, concernent toutes les activités qui requièrent des sources d'impulsions finement accordables, tant au niveau de puissance crête des impulsions que de leur largeur temporelle. Ces activités, nombreuses dans le domaine Télécom, incluent les opérations de remise en forme des porteuses d'information, les opérations de compression ou étirement de profil d'impulsion, les diagnostics de composants optiques et contrôles non destructifs des lignes de transmission par réflectométrie
The work of this thesis strives to provide a solution to the persistent problem of poverty of mode-locked fiber lasers, in terms of functionality and flexibility. The thesis proposes a fiber-laser cavity having the specificity of being multifunctional. The cavity is equipped with tunable components, which provide the flexibility to realize functions ranging from the generation of pulses with complex profiles (solitons, bi-solitons, tri-solitons, etc.) up to the carving of pulse profiles, passing through the regulation of peak powers, and the regeneration of severely degraded intensity profiles. The laser cavity that we propose has the specificity of being controlled by a key component, which is a multifunctional nonlinear optical loop mirror (NOLM). We have designed this NOLM by making structural modifications in the usual architecture of this device, and by adding to it: a dispersion compensating fiber, a bandpass filter with tunable bandwidth, and an amplifier (preceded by a gain flattening filter, as needed) with tunable gain. These two parameters make it possible to adjust its transfer function, and thus to increase its functionalities and its flexibility. Thus, in addition to its role as a trigger for mode locking, this NOLM performs essential optical functions such as the regeneration of strongly degraded intensity profiles; which contributes to strengthening the stability of the laser.We also show the possibility of regulating the pulse peak power by locking it around a predefined value. Finally, we show that the multifunction laser offers the possibility to carve pulse profiles, that is, to generate pulses endowed with a peak power and a temporal width set in advance through an appropriate adjustment of the NOLM control parameters. The applications targeted by this multifunction laser are those requiring pulses with finely tunable peak power and temporal width. These activities, include the pulse reshaping in Telecoms, operations of compression or stretching of pulse profiles, optical component diagnostics, and non-destructive control of transmission lines

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

This master thesis presents an experimental design of a laser gyroscope based on a stabilized fiber optical parametric oscillator frequency comb and the results of testing of the proposed design. Before going into the experimental details, a background for different types of gyroscopes is discussed. This new laser gyroscope design is made up of only polarization maintaining (PM) fiber and PM fiber components. By using only fiber and fiber components, we were able to minimize size, weight, and alignment issues that are typical in bulk optical designs for OPO's and gyroscopes. The fiber-based OPO produces counter propagating ultrafast pulses that overlap only twice in the cavity, resulting in a beatnote signal when combined outside of the laser cavity. A mode-locked laser is used as a pump source so the lock-in effect (or deadband region) is avoided for the experiment. The drift of this beatnote signal represents the rotation sensitivity of the experimental setup. Issues seen in past iterations, such as stability of mode-locked pump source and beatnote drift overtime due to environmental variables, have been reduced in this experiment. This has been done by comprising the entire pump source of PM components, and by placing the entire setup in an insulating box to minimize acoustic and temperature fluctuations. By creating a frequency comb and locking the laser gyroscope to an optical clock, this experiment can be used for very precise rotation sensing in comparison to other gyro designs currently available.

A ring laser gyroscope is a device which employs a ring laser to measure rotation. A ring laser supports two beams propagating in opposite directions around the ring resonator. When the gyroscope is rotated, the frequencies of the two beams split by an amount proportional to the rate of rotation: the device works by measuring this frequency splitting. The main problem of ring laser gyroscope design is the frequency synchronisation - lock-in - of the two beams at low rates of rotation. Lock-in arises from weak mutual coupling caused by backscattering at the mirrors and results in a dead band around zero. One of the possible solutions to this problem is a two-mode ring laser in which two modes oscillate simultaneously and interact to reduce the dead band. The present work reviews the theory of lock-in and offers a theoretical basis for this approach, as well as providing experimental evidence to support it.

The diploma thesis deals with the detection of falls and impacts, based on data obtained from inertial sensors, and by measuring the distance using a laser. The aim of this thesis is to extend the functionality of locators from Sewio. The thesis describes the procedure for designing algorithms for detection of falls and impacts. Then there is a procedure for development of hardware and software solution, for laser distance measurement by locator, together with presentation of achieved measurement results realized by locator after implementation of proposed solution. The work also emphasizes the minimization of energy consumption of individual solutions. In conclusion, there is a discussion of achieved results with evaluation of efficiency and usability of proposed solutions.

Ringlaser dienen dazu, durch genaue inertiale Messungen Rotationen ohne Bezug auf ein externes Referenzsystem lokal und praktisch in Echtzeit zu bestimmen. Sie wurden in den 1970er Jahren insbesondere für die Navigation von Flugzeugen entwickelt. In den letzten Jahrzehnten wurden Ringlaser dann so weit verbessert, dass sie nun auch als eigenständige Messinstrumente in der Geodäsie Verwendung finden. Aufgrund der erreichbaren Genauigkeit ist es inzwischen möglich, Variationen in der Erdrotation mit der dafür erforderlichen Präzision zu detektieren. Der stabilste unter den Ringlasern, der so genannte Ringlaser "G" der geodätischen Fundamentalstation Wettzell, erreicht eine Sensitivität von 1.2 x 10 -11 nrad. Damit ist dieses Instrument in der Lage, Neigungen von bis zu 1 nrad (dies entspricht einem Signal von 0.2 mas in der Polbewegung, in Änderung der Rotationsgeschwindigkeit der Erde) im täglichen und halb-täglichen Frequenzband zu messen. Motivation dieser Arbeit ist es, der in den letzten Jahren erreichten Verbesserung des Auflösungsvermögens und der Sensorstabilität Rechnung zu tragen und die für die Auswertung von Ringlaserdaten benutzten geophysikalischen Modelle weiter zu verbessern, um dadurch die variable Rotation der Erde noch präziser vermessen zu können. Die dafür relevanten Effekte werden in den einzelnen Kapiteln dieser Arbeit separat behandelt. Nach einer Einführung werden in Kapitel 2 dieser Arbeit drei lokale, topozentrische Koordinatensysteme konstruiert, mit welchen sich das zu beobachtende Sagnac-Signal eines Ringlasers in der ersten post-Newtonischen Näherung der Allgemeinen Relativitätstheorie adäquat beschrieben lässt. In Kapitel 3 wird ein verbessertes Modell für die Orientierung des Ringlasers, basierend auf Ergebnissen von Dehant et al. (1999), entwickelt. Ein in den bislang benutzten Modellen vernachlässigter Neigungsterm konnte dabei identifiziert werden. Ein Modell für die retrograde tägliche Polbewegung der Erde wird in Kapitel 4 entwickelt. Ausgehend von den dynamischen Gleichungen für eine starre Erde werden diese um elastische Effekte und Einflüsse der Mehrschichtigkeit der Erde ergänzt und die entsprechenden Euler-Liouvilleschen Gleichungen und Transfer-Funktionen abgeleitet. Gezeiteneinflüsse des Ozeans, speziell die dadurch hervorgerufene sub-tägliche Variation der Erdrotation und ozeanische Auflasteffekte, werden in Kapitel 5 behandelt. Es wird gezeigt, dass die ozeanischen Signale größer als 10 -9 Δf0 (Δf0 348 Hz für den Ringlaser "G") sind und damit in den Messdaten des Ringlasers "G" nachweisbar sein sollten. Auf Grundlage der in dieser Arbeit entwickelten Modelle wurde eine 168 Tage (30. April 17. Oktober 2010) umfassenden Datenreihe des Ringlasers "G" in Kapitel 6 ausgewertet. Für die Auswertung wurde die Software ETERNA 3.40 genutzt und entsprechend angepasst. Die tägliche retrograde Polbewegung konnte dabei mit einer Genauigkeit von 0.15 mas bestimmt werden. Diese Auswertung beweist ein weiteres Mal die Existenz eines flüssigen Erdkerns. Des weiteren konnte gezeigt werden, dass bestimmte Gezeitenparameter des halb-täglichen Frequenzbandes durch lokale Effekte beeinflusst werden. Lokal gemessene Luftdruckdaten wurden benutzt, um den Einfluss atmosphärischer Auflasteffekte auf den Ringlaser "G" zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass sich für diese Effekte kein signifikanter Einfluss nachweisen lässt. Die Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung der Resultate, einer Beschreibung der sich ergebenden Schlussfolgerungen und einem Ausblick auf zukünftige Arbeiten auf dem Gebiet der Ringlaseranalyse.
Ring laser gyroscopes measure inertial rotations locally and in real-time without the need for an external reference system. Initially, they were developed for aircraft navigation applications in the 1970s. With the improvement of ring laser technology during the last decades large ring laser gyroscopes (RLGs) are nowadays used as independent geodetic instruments. Due to the achievable accuracy more and more geophysical signals become observable in the data. The G-ring located at the Geodetic Observatory Wettzell is reckoned as the most stable one amongst the running large RLGs and reaches a sensitivity of 1.2 x 10 -11 nrad. Therefore, the instrument is able to detect a tilt signal of 1 nrad (equivalent to a signal of 0.2 mas in polar motion or 10 -9 Ω0 in variation of Earth rotation rate) in the diurnal and semi-diurnal band. This motivates us to improve previous geophysical models and estimate associated tilt and Earth rotation signals, which are the focuses of this Thesis. Firstly, we construct three local proper topocentric reference frames and interpret the Sagnac effect observed by large RLGs in the first post-Newtonian (PN) approximation of Einstein's theory of gravity. Secondly, in Chapter 3 we develop an improved orientation model for the Sagnac platform, based on the numerical results of Dehant et al. (1999). A missing tilt term in previous RLG tilt models is found. In Chapter 4, based on the Euler-Liouville equations or nutation transfer functions for a rigid Earth, a purely elastic Earth, a two-layered Earth and a three-layered Earth, five retrograde diurnal polar motion models are computed with the HW95 tidal potential catalogue. Thirdly, ocean tide effects (two aspects: effects on sub-daily variations of Earth rotation and loading effect on tilt) are considered in Chapter 5. We show that the Sagnac signals induced by ocean tides are larger than 10 -9 Δf0 (Δf0 348 Hz for the G-ring) and their influences are visible in the G-ring. Fourthly, based on the above-mentioned improved models and 168 days (from Apr.30 to Oct.17 in 2010) of G-ring data, in the diurnal band, we estimate the retrograde diurnal polar motion signal with an accuracy of 0.15 mas. The Earth tide software ETERNA 3.40 was adopted and modified to analyse this data. Our estimation provides one more evidence for the existence of the Earth's fluid outer core. Furthermore, we found that the tidal parameters for the G-ring are affected by the cavity and topographic effects in the semi-diurnal band. The local air pressure record is used in order to investigate the atmospheric loading effect on the G-ring by a simple regression model. Nevertheless, the preliminary result shows that no significant influence from atmospheric loading on our estimation is found. This Thesis closes with a summary of the obtained results, conclusions and suggestions how the analysis of ring laser data could be improved in future work.

Interferometer Fiber Optic Gyroscope (IFOG) has established as critical sensor for advance navigation systems. Sensor coil is known to be heart of IFOG. The bias drift and scale factor performance of IFOG depend on the sensor coil. The environmental perturbations like vibration, shock, temperature and magnetic field can affect the measured phase difference between the counter propagating beams, thereby introducing a bias error resulting in degradation of IFOG performance. In general these factors are both time varying and unevenly distributed throughout the coil producing a net undesirable phase shift due to variations in the optical light path, which is undistinguishable from the rotation induced signal. The development of sensor coil for high performance includes selection of optical fiber, spool material, coil winding technique and potting adhesive. In the thesis, the effects of various perturbations like temperature, vibration and magnetic field on the sensor coil are analysed, which degrades the gyro performance. The effect of temperature and vibration can be reduced by proper selection of spool material, winding method and by applying adhesive during the winding of sensor coil. The effect of magnetic field can be reduced by using the high birefringence polarization maintaining fiber with shorter beat length, shielding the sensor coil and reducing the number of twist during the winding. Design and fabrication of the sensor coil is done for control grade & navigation grade FOG with fiber length of 100 m and 1000 m respectively with the polarization maintaining fiber of two different manufacturer Fiber Core, UK and Nufern, USA selected based upon the beat length and Numerical Aperture so that sensor coil has minimum effect of magnetic field and the bending of fiber. Presently the spool material used is Aluminium alloy (HE15) for the ease of fabrication and easily availability of material. The Quadrupolar winding is done to reduce the thermal gradient effects. The indigenously developed special adhesive is applied layer by layer to reduce the environmental effects. In order to study the lifetime of sensor coil accelerated aging test (85°C, RH 85 %) for 30 days is also carried out.

Optical Gyroscopes are among the most accurate rotation-measuring devices and are widely used for navigation and accurate compasses. With the advent of integrated photonics for complex telecommunication chips, there has been interest in the possibility of chip-scale optical gyroscopes. Besides the potential benefits of miniaturization, such solid-state systems would be robust and resistant to shock. In this thesis, we investigate a chip-based optical gyroscope using counter-propagating Brillouin lasers on a monolithic silicon chip. The near-degenerate lasers mimic a commercial ring laser gyroscope including the existence of a locking band. By using physical properties associated with the Brillouin process, a solid-state unlocking method is demonstrated. We focus on three topics to explore the potential of the counter-propagating Brillouin-laser gyroscope. First, we explore the physics of the counter-propagating Brillouin lasers by deriving the theory to link the passive cavity mode with the lasing gain medium. We explicitly show how the dispersion, Kerr nonlinearity, dissipative coupling, and Sagnac sensing affect the beating frequency of the Brillouin lasers. Second, we experimentally demonstrate the performance of the gyroscope. Most notably, the gyroscope is used to measure the rotation of the Earth, representing an important milestone for chip-scale optical gyroscopes. Third, we investigate the non-Hermitian interaction between the counter-propagating Brillouin lasers. We test the recent prediction of the EP-enhanced Sagnac effect, and observe a Sagnac scale factor boost by over 4X by measurement of rotations applied to the resonator. Our research shows the feasibility of the chip-based Brillouin laser gyroscope. This gyroscope paves the way towards an all-optical inertial guidance system.

碩士
國立高雄大學
電機工程學系碩士班
104
In this thesis, we demonstrated a fiber laser gyroscope which integrated with the fiber Bragg grating interrogating system and is able to achieve reliable angular speed detection. A homemade rotating table with computer controlled was made and to characterize performance of the fiber laser gyroscope such as response of the angular speeds, modulation frequency of the fiber ring laser, applied voltage of the EO modu-lator used, area of the fiber gyroscope loop and shifting of the fiber grating used in fiber ring laser. In addition, experiments of off center rotation with longer fiber length was verified and showed that this fiber gyroscope system is able to achieve slow rotation detection of an remote object with good signal stability and accuracy and can be applied to environmental and safety monitoring of civil engineering struc-tures.

碩士
國立高雄大學
電機工程學系碩士班
103
In this thesis, we demonstrated a fiber ring laser gyroscope which combined with fiber Bragg grating sensor (FBG) and fiber optic gyroscope (FOG) in a system. By using the fiber ring laser structure, it can increase the strength of the source signal and enhance the stability of angular speed measurement. We compare two configuration of the fiber ring laser gyroscope with its signal characteristics and measurement stability. In addition, we also discuss the factors of modulation frequency, minimum angular velocity, and the variation of wavelength displacement of the fiber Bragg grating to the measurements of the fiber ring laser gyroscope. It shows that fiber ring laser gyroscope has effective sensing technique of angular speed measurement and is potential to apply it in environmental sensing and civil engineering structure monitoring.