Un gyroscope laser annulaire est un instrument de précision qui utilise un faisceau laser se déplaçant dans deux directions pour mesurer les changements d’angle ou de direction. Les gyroscopes sont utilisés dans les systèmes de navigation des avions et des navires, ainsi que dans les systèmes de guidage des missiles et des armes de précision. Le principe de l’utilisation de la lumière pour mesurer les changements de direction est basé sur les recherches du scientifique français Georges Sagnac effectuées en 1913.
Les gyroscopes utilisent le principe de l’inertie pour déterminer la direction ou les changements de position. Une roue de gyroscope en rotation veut rester dans une position et résistera à la rotation. Cela peut être démontré par une toupie qui résistera à être poussée d’un côté ou à essayer de tourner une roue de vélo en rotation d’un côté.
Un gyroscope laser annulaire utilise le principe Doppler pour mesurer les différences de faisceaux lumineux laser. En 1842, Christian Doppler a découvert que la fréquence du son apparaît différente à un auditeur si la source du son est en mouvement. Les sons se déplaçant vers un auditeur semblent plus élevés et ceux qui s’éloignent semblent plus faibles en fréquence. L’effet se produit également avec la lumière, et un gyroscope laser utilise ce principe car les deux faisceaux se déplacent à des distances légèrement différentes lorsque le gyroscope est déplacé ou incliné, comme l’a constaté Sagnac.
La conception d’un gyroscope laser annulaire est normalement un triangle avec trois côtés égaux, ou une boîte à côtés égaux. Un laser à hélium est placé sur un côté du triangle ou de la boîte, et des faisceaux laser sont envoyés dans des directions opposées autour du triangle. À l’aide de miroirs et de prismes, les deux faisceaux sont envoyés vers un détecteur qui examine à la fois les lignes claires et sombres formées par les deux faisceaux, appelées motifs d’interférence. Le détecteur peut rechercher des changements dans les modèles d’interférence, qui se déplaceront ou changeront de position si le gyroscope est déplacé.
Lorsque le gyroscope est de niveau, les deux faisceaux laser retournent au détecteur à une différence de temps connue, et les motifs d’interférence sont stationnaires. L’inclinaison du gyroscope laser annulaire d’un côté provoque le retour des faisceaux laser à des moments légèrement différents, et les motifs d’interférence se déplacent à une vitesse cohérente avec la quantité d’inclinaison. Le détecteur peut être calibré pour afficher une mesure d’inclinaison pour un indicateur de virage et d’inclinaison sur un avion utilisé pour des virages de précision, ou pour faire tourner un cadran de boussole utilisé pour la navigation appelé gyroscope directionnel.
La technologie des gyroscopes à laser annulaire a commencé à remplacer les gyroscopes mécaniques à la fin du 20e siècle. Avant cette époque, les gyroscopes utilisaient des roues tournant à très grande vitesse pour créer un effet de gyroscope stable. Ces gyroscopes nécessitaient de l’air comprimé ou de l’électricité pour l’alimentation et étaient sujets à des pertes de performances dues au frottement mécanique. Le gyroscope laser annulaire n’a pas de pièces mobiles et, une fois calibré, il peut donner une excellente précision avec une perte de performance minimale.
Un problème avec les premiers gyroscopes laser était la difficulté à mesurer de très petits changements de direction ou d’inclinaison. Cet effet est appelé verrouillage, et les deux faisceaux laser apparaissent au niveau du détecteur en même temps qu’un gyroscope immobile, ce qui est incorrectement interprété comme étant de niveau. Une méthode pour éviter cette erreur, appelée tramage mécanique, utilise un ressort vibrant pour déplacer le détecteur à une vitesse spécifique afin d’éviter le verrouillage. Une autre méthode fait tourner le gyroscope à une vitesse spécifique pour éviter les fausses mesures de niveau, bien que cette unité soit plus chère à produire.