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WO2000019569A1 - Microlaser a pompage module - Google Patents

Microlaser a pompage module Download PDF

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WO2000019569A1
WO2000019569A1 PCT/FR1999/002299 FR9902299W WO0019569A1 WO 2000019569 A1 WO2000019569 A1 WO 2000019569A1 FR 9902299 W FR9902299 W FR 9902299W WO 0019569 A1 WO0019569 A1 WO 0019569A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
microlaser
signal
pumping
modulation
modulating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR1999/002299
Other languages
English (en)
Inventor
Christine Feraud
Pascal Besesty
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Priority to EP99946247A priority Critical patent/EP1034586A1/fr
Publication of WO2000019569A1 publication Critical patent/WO2000019569A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
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    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S1/00—Beacons or beacon systems transmitting signals having a characteristic or characteristics capable of being detected by non-directional receivers and defining directions, positions, or position lines fixed relatively to the beacon transmitters; Receivers co-operating therewith
    • G01S1/70—Beacons or beacon systems transmitting signals having a characteristic or characteristics capable of being detected by non-directional receivers and defining directions, positions, or position lines fixed relatively to the beacon transmitters; Receivers co-operating therewith using electromagnetic waves other than radio waves
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    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
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    • H01S3/1022—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation by controlling the optical pumping
    • H01S3/1024—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation by controlling the optical pumping for pulse generation

Definitions

  • microlasers are more and more common in telemetry because of the quality of the laser beam obtained and the extremely reduced volume occupied by the microlasers transmitters.
  • the microlaser used for these applications is passive, that is to say that the instant of emission of the laser pulses is not completely controlled. The problem therefore arises of finding means of coding the emission of the pulses of a microlaser, in such a way that it is then possible to decode a received signal in order to identify its origin.
  • Microlasers are monolithic solid lasers, the emission wavelength of which varies with the gain material used in their manufacture.
  • the emission is at 1.064 ⁇ m and, for erbium, around 1.55 ⁇ m.
  • the gain material is supplied with photons with a pump laser diode, the emission of which is adapted in wavelength to the absorption window of the medium.
  • the injection power into the microlaser is controlled by the bias current in the laser diode.
  • a variation in the value of the polarization current of the pump laser diode generates a modification in the optical power injected into the cavity of the microlaser. Therefore, the intensity of the light beam which will pass through the cavity is more or less important, and the transmission variation is more or less rapid.
  • a laser diode delivers a light signal in which the pulses are modulated by an optical carrier.
  • a PIN diode is used as the receiver. The received light signal is demodulated knowing the carrier signal, and the information contained in the signal is decoded.
  • the document EP-780 937 uses several laser diodes excited by the same signal.
  • This signal consists of a base current plus a modulation current.
  • One of the laser diodes is taken as a reference and is coupled to a photodetector which converts the light signal into a voltage signal. This voltage is then used to control the control of the excitation of the laser diodes.
  • the techniques described in these two documents are not adapted to the problem posed by microlasers. Indeed, these techniques use laser diodes, that is to say "active" media.
  • These laser diodes have the property to respond to excitation so well known and controllable: it is quite possible to know with precision the time of transmission of the pulses delivered by the diode s ser.
  • a microlaser is a passive medium, for which it is not possible to know with precision the instant of emission of the laser pulses. Only an estimate of this instant at a jitter time is possible.
  • the coding carried out is very simple since the optical carrier is frequency modulated only according to two values, which allows only two types of coding. This is quite restrictive, since only two values can be identified: 0 and 1. However, it would be preferable to be able to use any possible code, linked to the shape of the pump signal which controls the modulation of the microlaser.
  • the second document EP-780 937
  • the coding of the transmitted data is not described. Only the control of the transmission system is detailed.
  • a very simple way to code the emission of a microlaser would be to have it emit at a very specific wavelength. This technique however is very limited, because the emission wavelength of the microlaser is bonded to the material forming the Fabry-Perot cavity and thus •• to manufacture.
  • the materials that can be used to make microlasers cannot be varied endlessly, and the range of wavelengths available today with microlaser technology is reduced.
  • An additional limitation comes from the fact that the powers delivered by the microlasers are different depending on the materials used, which excludes the use of microlasers which emit too low average or pulse powers.
  • this way of coding requires the use of receivers sensitive to a given wavelength (or color). A receiver therefore sees only one color and, if he sees several, he would be completely incapable of differentiating them.
  • the conventional methods of source separation in antenna processing proceed in two stages: first the directional vectors of the sources present are estimated, then filtering is used to estimate the signals transmitted in the directions recognized as containing a source .
  • the antenna of N sensors receives, after propagation in any medium, signals emitted by M statistically independent sources (with M ⁇ N).
  • Most methods of identification combine the information contained in the second order statistics of the sensor signals (covariance matrix) with a priori information on the directional vectors: the shape of the wavefront, the geometry of the antenna, etc. .
  • blind separation methods renounce all a priori information on directional vectors, but exploit the independence of source signals and require the use of higher order statistics as described in the articles published in Signal Processing, flight. 7, n ° 5, p. 407-418 (P. DUVAUT), p. 419-434 (M. GAETA et al.), P. 435-450 (P. COMON), 1990.
  • JUTTEN C. JUTTEN et al. "A neuromimetic solution to the problem of source separation", Signal Processing, vol. 5, n ° 6, p. 383-403, ( 1990) raised the problem of blind separation by formulating the hypothesis of an instantaneous mixture.
  • the envisaged technique is based on a network of fully interconnected neuromimetic linear automata: this network can be seen as a stratified network (perceptron) with a single layer and with recurrent lateral connections.
  • Jutten is interesting because it applies to the separation of both random and deterministic signals, without any a priori knowledge.
  • the separation is carried out using an adaptive network using a convergence criterion.
  • the principle is to extract a source signal on each of the receivers by progressively eliminating the influence of the others, hence the use of an interconnected network.
  • microlaser sources can, in certain configurations, emit correlated signals over a short time period. However, these methods assume a priori that the signals from the different sources present, are decorrelated,
  • the object of the invention is precisely to remedy these drawbacks.
  • the means for modulating the pumping signal may include means for modulating the power of the pumping signal emitted by the optical pumping means.
  • the optical pumping means can comprise a pumping diode, in which case the modulation can result from a modulation of the operating current I of the diode.
  • means may be provided for producing a reference signal Ref (v) significant of the probability of the presence of a laser pulse, as a function of time.
  • a microlaser device can also include means for identifying a light beam emitted by the microlaser. This device can also include means for intercorrelating a signal emitted by the microlaser and the reference signal Ref (v).
  • the present invention also relates to a method for evaluating or estimating or locating or identifying the position and / or the orientation of an object provided with N (N> 2) microlasers, each microlaser comprising a microlaser cavity pumped by means of optical pumping and modulation means, by a modulation signal of a pumping signal emitted by these optical pumping means, the modulation signals of the microlasers being two by two different.
  • the present invention also "relates to a method for evaluating or estimating or locating or identifying the position and / or the orientation of one or more objects among a set of objects, each object being provided with a microlaser comprising a microlaser cavity pumped by optical pumping means and means for modulating, by a modulation signal, a pumping signal emitted by these optical pumping means, the modulation signals being two by two different.
  • the subject of the present invention is also a method of coding-decoding a signal emitted by a microlaser pumped by a pumping means comprising the following steps:
  • a coding comprising the following operations: - application by means of pumping of a modulation signal defined by its period and its form,
  • a dedocation comprising the following operations: - determining whether or not the code sought by the receiver is received,
  • the coding method of the invention makes it possible to know the form of the signals that can be collected by the different receivers and to use this information to allow identification that is both more reliable and simpler.
  • FIGS. 1A, 1B and 1C represent, respectively, the law connecting the power P delivered by the diode of pump at the current I applied to the electrodes of this diode, the frequency fr of repetition of the microlaser pulses at the power P delivered by the diode, and the frequency of recurrence of the microlaser at the current I applied to the electrodes of the pump laser diode .
  • FIG. 2A shows an example of evolution, as a function of time, of the intensity I applied to the electrodes of the laser diode, in accordance with the invention.
  • FIG. 2B shows the evolution, as a function of time, of the power P of the microlaser pump signal, taking into account the evolution shown in Figure 2A, in accordance with the invention.
  • FIG. 2C shows the evolution, as a function of time of the recurrence frequency fr of the microlaser, taking into account the evolutions shown in Figures 2A and 2B, in accordance with the invention.
  • - Figure 2D shows the evolution, as a function of time, of the power P ⁇ delivered by the microlaser, in accordance with the invention.
  • FIGS. 3A to 3D give examples of the formation of a reference signal by taking into account the uncertainty on the instant of emission of the pulses inside a window of known width.
  • - Figures 4A and 4B are examples of signal received by a photoreceptor and reference signal.
  • FIG. 7 illustrates an application of the method according to the invention to the identification of the position of robots in a nuclear environment.
  • the microlaser considered in the present invention is passive triggered, by saturable absorbent, for example of the type described in document EP-653,824 (US-5,495,494).
  • the coding of the emission of the pulses from a microlaser is carried out by modulating the pump signal responsible for the excitation of the microlaser.
  • This pumping signal comes from optical pumping means, for example from a pumping diode.
  • the recurrence (of frequency fr) of the pulses is linked to the power P of the pump signal of the microlaser, and therefore, in the case of a diode, to the current I applied to the electrodes of the pump diode (FIG. 1A).
  • a threshold I 0 the higher this current, the more the laser pulses will be emitted in a close time interval (FIG. 1B).
  • a linear law connects the power delivered by the pump diode and the frequency of microlaser recurrence. The slope of the line depends on the microlaser used.
  • this current is less than a threshold I 0 , no pulse is delivered by the microlaser (FIG. 1C).
  • the desired modulation is obtained by applying, to the optical pumping means, a modulation signal defined by its period and its shape.
  • the pumping means then emit a light flux, linked, by a transfer function, to the modulation signal. This flux is intended to excite the microlaser, which stores and amplifies energy in its cavity.
  • the simplest method is to control the injection current with a transistor.
  • FIG. 2A is an example of modulation I (t) of the pumping current as a function of time.
  • FIGS. 2B and 2C respectively represent the pumping power and the corresponding recurrence frequency.
  • 2D represent the pulses emitted by the microlaser (power P ⁇ ), the emission frequency then being a function of the intensity of the pumping current I (t).
  • the instant of emission of each of the pulses is known to within a jitter time, since the microlaser is a passive laser.
  • the maximum value of the jitter is nevertheless known, according to the power delivered by the optical pumping means, for example by the pumping diode. In the latter case, the power delivered by. the diode is itself linked to the current applied to the electrodes of the diode. Knowing the maximum value of this jitter makes it possible to construct a reference signal Ref (v), significant of the probability of the presence of a pulse at any time.
  • FIGS. 3C and 3D are an example of modulation (recurrence frequency and power) of a microlaser
  • FIGS. 3C and 3D being examples of reference signals.
  • This reference signal has a width £ i (width of the windows in which the pulses must appear), inversely proportional to the frequency of recurrence of the pulses. It includes information on the coding of the microlaser emission, and on the uncertainty linked to the position of the pulses. It can be used for decoding the light signal received, and for identifying the microlaser at the origin of the coded emission, when several microlasers are present.
  • This reference signal a function of the pumping signal, is for example a rectangular signal
  • FIG. 3C or a Gaussian (FIG. 3D) which reproduces the probability of the presence of the pulse at each instant within the time window mentioned above.
  • the coded light signal is received by reception means or by a photodetector (a PIN diode, an avalanche diode, or any other photodetector of the same type), and it is converted into voltage. Decoding can then be carried out by intercorrelation between the signal received at the receiver (FIG. 4A) and the reference signal (FIG. 4B), formed according to the knowledge of the pump signal responsible for coding the emission of the microlaser.
  • the reference signals are formed at a device common to all the receivers. There is a reference signal per coded microlaser source. Knowing the signal of FIG. 2C, for each of the.
  • the voltage and reference signals can for example be digitalized and then be transmitted to storage and / or data processing means making it possible to carry out the correlation operation.
  • the corresponding digitized signals 12, 14 can in particular be supplied "to a microcomputer 16 which comprises a storage section and a calculation section with microprocessor and with all the electronic components necessary for processing the signal.
  • the processing program instructions are stored on conventional RAM or ROM units. Data or a correlation signal can then be delivered after processing.
  • the method according to the invention decodes the signals collected by the optoelectronic receivers, so as to identify the microlaser sources at the origin of the emission
  • the device or the data processing means is adapted to the presence of several microlasers.
  • a first example of embodiment or application relates to the nuclear field where we are often required to use robots to perform tasks in environments with a high dose of radiation.
  • FIG. 7 represents such an example of an irradiated medium 20, in which several robots 22, 24, 26 can intervene simultaneously.
  • a signature can be assigned to them by equipping them each with a microlaser whose emission is coded by the method according to the invention.
  • Each robot can then be identified by its code.
  • Photoreceptors 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, placed at different locations in the irradiated medium, can collect the light beams from the robots located in their visibility sector and allow the identification of their origin (signature and robot position).
  • Means for processing the signal delivered by each photoreceptor allow:
  • Another application example concerns the estimation of the position and orientation of an object.
  • microlaser transmitter moving objects which must be able to be located at all times.
  • Each microlaser is coded differently, the coding being specific to the object which carries it.
  • the microlasers can emit simultaneously, without interfering.
  • Receivers, seeing objects collect a mixture of the different signals emitted by the microlasers.
  • the objects which are seen are identified by intercorrelating the received signal with the various reference signals linked to the coding of the microlasers.
  • a distance measurement between the identified objects and the receiver can also be estimated.
  • the correlation function provides access to two types of information:
  • Another application example concerns obstacle detection.
  • many applications can relate to the automotive field. It may in particular be advantageous to equip the vehicles with an encoded microlaser. Each vehicle has its own code, and only knows its code. It is then possible to emit laser shots at any time, including on busy roads, without being hindered by other vehicles that can emit shots simultaneously. This can be used to assess the distance to an obstacle, at night or in bad weather for example.
  • Another area of application relates to improving the range of a range finder made with a microlaser.
  • the range of a rangefinder is currently limited, inter alia, by the sensitivity of the photodetectors used for reception and in particular by the signal-to-noise ratio of the electrical signal they deliver.
  • the use of a code on transmission can allow reshaping of the received signal, by cross-correlation with the reference signal, and thus contribute to removing the useful signal from the noise. This process can therefore increase the range of a laser rangefinder.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif microlaser comportant: un microlaser déclenché passivement, des moyens de pompage optique du microlaser, pour émettre un signal de pompage du microlaser, des moyens pour moduler le signal de pompage du microlaser émis par les moyens de pompage optique.

Description

MICROLASER A POMPAGE MODULE
Domaine technique et art antérieur L'utilisation de microlasers est de plus en plus courante en télémétrie du fait de la qualité du faisceau laser obtenu et du volume extrêmement réduit occupé par les émetteurs microlasers. Or, le microlaser utilisé pour ces applications est passif, c'est-à-dire que l'on ne maîtrise pas complètement l'instant d'émission des impulsions laser. Il se pose donc le problème de trouver des moyens visant à coder l'émission des impulsions d'un microlaser, de telle façon qu'il soit ensuite possible de décoder un signal reçu afin d'identifier son origine.
Les microlasers sont des lasers solides monolithiques, dont la longueur d'onde d'émission varie avec le matériau à gain utilisé dans leur fabrication. Pour du YAG, l'émission se situe à l,064μm et, pour l'erbium, autour de l,55μm.
Le principe du déclenchement passif d'un microlaser est décrit dans la demande de brevet EP-653 824. Il repose sur la présence, à l'intérieur de la cavité, d'un absorbant saturable qui va déclencher les pertes de la cavité. La transmission de cet absorbant change en fonction de l'intensité du faisceau lumineux qui le traverse. Le développement d'une impulsion laser n'est possible que lorsque l'absorbant est transparent ; le milieu à gain peut alors se vider de l'énergie emmagasinée sous forme d'une impulsion géante .
Pour assurer le fonctionnement du microlaser, on alimente en photons le matériau à gain avec une diode laser de pompe dont l'émission est adaptée en longueur d'onde à la fenêtre d'absorption du milieu. La puissance d'injection dans le microlaser est contrôlée par le courant de polarisation dans la diode laser. Une variation sur la valeur du courant de polarisation de la diode laser de pompe engendre une modification sur la puissance optique injectée dans la cavité du microlaser. De ce fait, l'intensité du faisceau lumineux qui va traverser la cavité est plus ou moins importante, et la variation de transmission est plus ou moins rapide. On observe, de plus, une variation appelée "jitter" de l'instant d'apparition des impulsions, due à une incertitude sur le seuil de déclenchement de l'absorbant saturable à l'intérieur de la cavité et sur la valeur de la puissance d'injection par rapport à la valeur du seuil du microlaser (valeur d'injection faible).
Ces phénomènes physiques, liés aux matériaux à gain utilisés, limitent la possibilité de coder l'émission d'un microlaser. Or, le codage de l'émission d'un microlaser pourrait être très utile pour des applications nécessitant l'utilisation conjointe de plusieurs microlasers devant être différenciés.
Dans le domaine des communications optiques, le codage d'une diode laser est décrit dans le document
US-5 335 107 (Georges et al.). Une diode laser délivre un signal lumineux dans lequel les impulsions sont modulées par une porteuse optique. Une diode PIN est utilisée en tant que récepteur. Le signal lumineux reçu est démodulé connaissant le signal de porteuse, et l'information contenue dans le signal est décodée.
Le document EP-780 937 (SIEMENS) fait appel à plusieurs diodes laser excitées par le même signal. Ce signal se compose d'un courant de base additionné d'un courant de modulation. L'une des diodes laser est prise comme référence et est couplée à un photodétecteur qui convertit le signal lumineux en un signal de tension. Cette tension est ensuite utilisée pour asservir la commande de l'excitation des diodes laser. Cela permet de créer un système maître-esclave dans lequel les données transmises par le signal optique sont indépendantes du signal de commande des diodes laser. Les techniques décrites dans ces deux documents ne sont pas adaptées au problème posé par les microlasers. En effet, ces techniques mettent en oeuvre des diodes laser, c'est-à-dire des milieux "actifs". Ces diodes lasers possèdent la propriété de répondre à une excitation de façon parfaitement connue et maîtrisable : il est donc tout à fait possible de connaître avec précision l'instant d'émission des impulsions délivrées par la diode lasser. Or, un microlaser est un milieu passif, pour lequel il n'est pas possible de connaître avec précision l'instant d'émission des impulsions laser. Seule une estimation de cet instant à un temps de jitter près est envisageable .
De plus, dans le premier document (US-5 335 107), le codage réalisé est très simple puisque la porteuse optique n'est modulée en fréquence que selon deux valeurs, ce qui ne permet que deux types de codage. Cela est assez restrictif, puisque seules deux valeurs peuvent être identifiées : 0 et 1. Or, il serait préférable de pouvoir utiliser tout code possible, lié à la forme du signal de pompe qui commande la modulation du microlaser. Dans le second document (EP-780 937), le codage des données transmises n'est pas décrit. Seul l'asservissement du système de transmission est détaillé .
Une façon très simple de coder l'émission d'un microlaser serait de le faire émettre à une longueur d'onde bien particulière. Cette technique est néanmoins très limitative, car la longueur d'onde d'émission du microlaser est liée au matériau constituant sa cavité Fabry-Pérot, et donc •• à sa fabrication. Or, les matériaux pouvant être utilisés pour fabriquer des microlasers ne peuvent pas être variés à l'infini, et la gamme de longueurs d'onde aujourd'hui disponible avec une technologie microlaser est réduite. Une limitation supplémentaire vient du fait que les puissances délivrées par les microlasers sont différentes selon les matériaux utilisés, 'ce qui exclut l'emploi de microlasers qui émettent des puissances moyennes ou impulsionnelles trop faibles. De plus, cette manière de coder oblige à utiliser des récepteurs sensibles à une longueur d'onde (ou couleur) donnée. Un récepteur ne voit donc qu'une seule couleur et, dans le cas où il en verrait plusieurs, il serait totalement incapable de les différencier.
Le problème de séparation de sources est par ailleurs un domaine de recherche issu de l'astronomie, de l'astrophysique et de l'acoustique sous-marine. Dans ces divers domaines, on s'intéresse à un objet éloigné
(étoile, bateau, ...) qui émet des signaux (optiques, électromagnétiques, acoustiques, ...). Ces signaux sont transmis dans un milieu de propagation et reçus sur un réseau de capteurs. A partir des signaux reçus, on veut caractériser les émetteurs, que l'on appelle sources, en l'absence de toute information sur les coefficients du mélange. Pour cela, on suppose que le milieu de propagation est linéaire et déterministe, ce qui conduit à ce que les signaux reçus soient une combinaison linéaire bruitée des signaux émis par les sources . La distinction entre les sources suppose également que les signaux qu'elles émettent soient décorrélés . Ainsi, 1 ' intercorrélation de deux sources est nulle. Néanmoins, -il existe des situations qui mettent cette hypothèse en défaut : c'est le cas des trajets multiples où le signal émis par une source atteint les capteurs par deux trajets différents. Ces situations ont donné lieu à des études spécifiques conduisant par exemple aux techniques de moyennage spatial ou fréquentiel .
On peut classer les méthodes de 'séparation de sources en deux catégories selon que l'on dispose a priori d'informations sur les signaux émis par les sources (traitement d'antennes), ou que l'on ne dispose d'aucune information sur ces signaux (séparation aveugle) .
Les méthodes classiques de séparation de sources en traitement d'antennes procèdent en deux temps : on estime d'abord les vecteurs directionnels des sources en présence, puis on met en oeuvre un filtrage pour estimer les signaux émis dans les directions reconnues comme contenant une source. Pour cela, on suppose que l'antenne de N capteurs reçoit, après propagation dans un milieu quelconque, des signaux émis par M sources statistiquement indépendantes (avec M<N) . La plupart des méthodes d'identification combinent l'information contenue dans les statistiques d'ordre deux des signaux capteurs (matrice de covariance) avec une information a priori sur les vecteurs directionnels : la forme du front d'onde, la géométrie de l'antenne, ...
A l'opposé, les méthodes de séparation aveugle renoncent à toute information a priori sur les vecteurs directionnels, mais exploitent l'indépendance des signaux sources et nécessitent le recours aux statistiques d'ordres supérieurs comme décrit dans les articles parus dans Traitement du Signal, vol. 7, n°5, p. 407-418 (P. DUVAUT) , p. 419-434 (M. GAETA et al.), p. 435-450 (P. COMON) , 1990. JUTTEN (C. JUTTEN et al. "Une solution neuromimétique au problème de séparation des sources", Traitement du Signal, vol. 5, n° 6, p. 383-403, (1990)) a soulevé le problème de séparation aveugle en formulant l'hypothèse d'un mélange instantané. La technique envisagée est 'basée sur un réseau d'automates linéaires neuromimétiques totalement interconnectés : ce réseau peut être vu comme un réseau stratifié (perceptron) à une seule couche et à connexions latérales récurrentes .
La méthode proposée par Jutten est intéressante car elle s'applique à la séparation de signaux aussi bien aléatoires que déterministes, sans aucune connaissance a priori. La séparation est effectuée à l'aide d'un réseau adaptatif utilisant un critère de convergence. Le principe est d'extraire un signal source sur chacun des récepteurs en éliminant progressivement l'influence des autres, d'où l'emploi d'un réseau interconnecté. Ces méthodes ne sont pas adaptées à l'identification de sources microlasers pour plusieurs raisons :
* les sources microlasers peuvent dans certaines configurations, émettre des signaux corrélés sur une courte période temporelle. Or, ces méthodes supposent a priori que les signaux issus des différentes sources en présente, sont décorrélés,
* les méthodes décrites n'exploitent aucune information a priori concernant la forme des signaux reçus.
L'invention a justement pour but de remédier à ces inconvénients .
Exposé de 1 ' invention L'invention concerne tout d'abord un dispositif microlaser comportant :
- un microlaser déclenché passivement,
- des moyens de pompage optique du microlaser, pour émettre un signal de pompage du microlaser, - des moyens pour moduler le signal de pompage du microlaser émis par les moyens de pompage optique.
Les moyens pour moduler le signal de pompage peuvent comporter des moyens pour moduler la puissance du signal de pompage émis par les moyens de pompage optique.
Les moyens de pompage optique peuvent comporter une diode de pompage, auquel cas la modulation peut résulter d'une modulation du courant I de fonctionnement de la diode. En outre, des moyens peuvent être prévus pour produire un signal de référence Ref (v) significatif de la probabilité de présence d'une impulsion laser, en fonction du temps . Selon un autre aspect, un dispositif microlaser selon 1 ' invention peut également comporter des moyens d'identification d'un faisceau lumineux émis par le microlaser . Ce dispositif peut également comporter des moyens d' intercorrélation d'un signal émis par le microlaser et du signal de référence Ref (v) .
La présente invention a également pour objet un procédé pour évaluer ou estimer ou repérer ou identifier la position et/ou l'orientation d'un objet muni de N (N > 2) microlasers, chaque microlaser comportant une cavité microlaser pompée par des moyens de pompage optique et des moyens de modulation, par un signal de modulation d'un signal de pompage émis par ces moyens de pompage optique, les signaux de modulation des microlasers étant deux à deux différents .
La présente invention a également "pour objet un procédé pour évaluer ou estimer ou repérer ou identifier la position et/ou l'orientation d'un ou de plusieurs objets parmi un ensemble d'objets, chaque objet étant muni d'un microlaser comportant une cavité microlaser pompée par des moyens de pompage optique et des moyens de modulation, par un signal de modulation, d'un signal de pompage émis par ces moyens de pompage optique, les signaux de modulation étant deux à deux différents .
La présente invention a également pour objet un procédé de codage-décodage d'un signal émis par un microlaser pompé par un moyen de pompage comprenant les étapes suivantes :
1) un codage comprenant les opérations suivantes : - application au moyen de pompage d'un signal de modulation défini par sa période et sa forme,
- émission par le moyen de pompage, d'un flux lumineux, ce flux étant lié par une fonction de transfert au signal de modulation pour exciter le microlaser,
- émission par le microlaser d'une impulsion se produisant à un instant compris dans une fenêtre temporelle déterminée par les caractéristiques du microlaser et par 1 ' intensité du signal de modulation,
- fabrication d'un signal de référence en tension, fonction du signal de pompe,
2) un dédocage comprenant les opérations suivantes : - détermination de la réception ou non du code recherché par le récepteur,
- collecte par au moins un récepteur d'un flux lumineux,
- transformation des photons du flux lumineux en un signal de tension,
- corrélation de ce signal de tension avec le signal de référence,
- détection de l'information de réception ou non par le récepteur du code associé au microlaser. Le procédé de codage de l'invention permet de connaître la forme des signaux pouvant être collectés par les différents récepteurs et d'exploiter cette information pour permettre une identification à la fois plus fiable et plus simple.
Brève description des figures
De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur les exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels : - Les figures 1A, 1B et 1C représentent, respectivement, la loi reliant la puissance P délivrée par la diode de pompe au courant I appliqué sur les électrodes de cette diode, la fréquence fr de récurrence des impulsions du microlaser à la puissance P délivrée par la diode, et la fréquence de récurrence du microlaser au courant I appliqué sur les électrodes de la diode laser de pompe.
- La figure 2A représente un exemple d'évolution, en fonction du temps, de l'intensité I appliquée aux électrodes de la diode laser, conformément à l'invention.
- La figure 2B représente l'évolution, en fonction du temps, de la puissance P du signal de pompe du microlaser, compte tenue de l'évolution représentée sur la figure 2A, conformément à l'invention.
- La figure 2C représente l'évolution, en fonction du temps de la fréquence de récurrence fr du microlaser, compte tenu des évolutions représentées sur les figures 2A et 2B, conformément à l'invention. - La figure 2D représente l'évolution, en fonction du temps, de la puissance Pμ délivrée par le microlaser, conformément à l'invention.
- Les figures 3A à 3D donnent des exemples de formation d'un signal de référence en prenant en compte l'incertitude sur l'instant d'émission des impulsions à l'intérieur d'une fenêtre de largeur connue. - Les figures 4A et 4B sont des exemples de signal reçu par un photorécepteur et de signal de référence .
- La figure 5 est le signal obtenu par corrélation du signal du récepteur électronique et du signal de référence.
- La figure 6 est une représentation schématique d'un dispositif pour effectuer une corrélation. - La figure 7 illustre une application du procédé selon 1 ' invention à 1 ' identification de la position de robots dans un environnement nucléaire.
Description détaillée de modes de réalisation de 1 ' invention
Le microlaser considéré dans la présente invention est à déclenchement passif, par absorbant saturable, par exemple du type décrit dans le document EP-653 824 (US-5 495 494) . Le codage de l'émission des impulsions d'un microlaser est réalisé en modulant le signal de pompe responsable de l'excitation du microlaser. Ce signal de pompage provient de moyens de pompage optique, par exemple d'une diode de pompage. La récurrence (de fréquence fr) des impulsions est liée à la puissance P du signal de pompe du microlaser, et donc, dans le cas d'une diode, au courant I appliqué sur les électrodes de la diode de pompe (figure 1A) . Au-dessus d'un seuil I0, plus ce courant est important, plus les impulsions laser seront émises dans un intervalle de temps rapproché (figure 1B) . On peut considérer qu'au-dessus du courant seuil l0, une loi linéaire relie la puissance délivrée par la diode de pompe et la fréquence fr de récurrence du microlaser. La pente de la droite dépend du microlaser utilisé. Lorsque ce courant est inférieur à un seuil I0, aucune impulsion n'est délivrée par le microlaser (figure 1C) . La modulation recherchée est obtenue en appliquant, aux moyens de pompage optique, un signal de modulation défini par sa période et sa forme. Les moyens de pompage émettent alors un flux lumineux, lié, par une fonction de transfert, au signal de modulation. Ce flux est destiné à exciter le microlaser, qui stocke et amplifie de l'énergie dans sa cavité. La méthode la plus simple est de commander le courant d'injection avec un transistor.
En particulier, en modulant le courant appliqué sur les électrodes d'une diode de pompage, il est possible de faire varier à volonté, et de façon connue, la récurrence des impulsions du microlaser.
Il y a émission, par le microlaser, d'une impulsion laser, lorsque l'énergie confinée dans sa cavité Fabry-Pérot atteint le seuil au-delà duquel l'absorbant saturable devient transparent, cette impulsion se produisant à un instant compris dans une fenêtre temporelle déterminée par les caractéristiques du microlaser, et par l'intensité du signal de modulation.
La figure 2A est un exemple de modulation I(t) du courant de pompage en fonction du temps. Les figures 2B et 2C représentent respectivement la puissance de pompage et la fréquence de récurrence correspondantes . Les traits verticaux du diagramme de la figure
2D représentent les impulsions émises par le microlaser (puissance Pμ) , la fréquence d'émission étant alors fonction de l'intensité du courant de pompage I(t). En fait, l'instant d'émission de chacune des impulsions est connu à un temps de jitter près, du fait que le microlaser est un laser passif. La valeur maximale du jitter est néanmoins connue, selon la puissance délivrée par les moyens de pompage optique, par exemple par la diode de pompage. Dans ce dernier cas, la puissance délivrée par . la diode est, elle-même, liée au courant appliqué sur les électrodes de la diode. La connaissance de la valeur maximale de ce jitter permet de construire un signal de référence Ref (v) , significatif de la probabilité de présence d'une impulsion à tout instant. Les figures 3A et 3B sont un exemple de modulation (fréquence de récurrence et puissance) d'un microlaser, les figures 3C et 3D étant des exemples de signaux de référence. Ce signal de référence a une largeur £i (largeur des fenêtres dans lesquelles les impulsions doivent __ apparaître) , inversement proportionnelle à la fréquence de récurrence des impulsions. Il comprend les informations sur le codage de l'émission du microlaser, et sur l'incertitude liée à la position des impulsions. Il peut servir pour le décodage du signal lumineux reçu, et pour identifier le microlaser à l'origine de l'émission codée, lorsqu'on est en présence de plusieurs microlasers.
Ce signal de référence, fonction du signal de pompage, est par exemple un signal rectangulaire
(figure 3C) , ou une gaussienne (figure 3D) qui reproduit la probabilité de présence de 1 ' impulsion à chaque instant à l'intérieur de la fenêtre temporelle dont il a été question ci-dessus.
Le signal lumineux codé est reçu par des moyens de réception ou par un photodétecteur (une diode PIN, une diode à avalanche, ou tout autre photodétecteur du même type) , et il est converti en tension. Un décodage peut ensuite être effectué par intercorrélation entre le signal reçu au niveau du récepteur (figure 4A) et le signal de référence (figure 4B) , formé d'après la connaissance du signal de pompe responsable du codage de l'émission du microlaser. Les signaux de référence sont formés au niveau d'un dispositif commun à tous les récepteurs. Il y a un signal de référence par source microlaser codée. Connaissant le signal de la figure 2C, pour chacune des . sources, il est possible de générer un train d'impulsions de largeur et de récurrence contrôlées selon la fréquence frι . Si un faisceau lumineux en provenance d'une source microlaser codée est collecté par le récepteur, la connaissance du signal de référence associé au codage de ce microlaser permet de détecter et d'identifier ce faisceau lumineux
(figure 5). L'extraction d'un pic 10 de corrélation
(figure 5), dans le signal issu de 1 ' intercorrélation des deux signaux décrits précédemment, est significatif de la présence de ce faisceau lumineux au niveau du récepteur .
Autrement dit, il y a successivement :
- collecte, par au moins un photorécepteur, ou photodétecteur, d'un flux lumineux (à une longueur d ' onde ) ,
- transformation (par le photodétecteur) des photons du flux lumineux en électrons, et obtention d'un signal de tension correspondant, en sortie de photodétecteur,
- corrélation de ce signal de tension avec le signal de référence, - détection de l'information de réception (ou non) par le récepteur : il y a réception, si on obtient un pic de corrélation ; sinon le récepteur n'a pas reçu de signal issu du microlaser. Les signaux de tension et de référence peuvent être par exemple digitalisés et être ensuite transmis à des moyens de mémorisation et/ou de traitement des données permettant de mettre en oeuvre 1 ' opération de corrélation. Comme illustré sur la figure 6, les signaux digitalisés correspondants 12, 14 peuvent notamment être fournis " à un micro-ordinateur 16 qui comporte une sections de mémorisation et une section de calcul avec microprocesseur et avec tous les composants électroniques nécessaires au traitement du signal. En particulier, les instructions de programme de traitement sont mémorisées sur des unités conventionnelles RAM ou ROM. Des données ou un signal de corrélation peuvent ensuite être délivrées après traitement . Si plusieurs microlasers codés différemment cohabitent dans un même milieu, le procédé selon 1 ' invention permet de décoder les signaux collectés par les récepteurs optoélectroniques, de façon à identifier les sources microlaser à l'origine de l'émission. Le dispositif ou les moyens informatiques de traitement des données est adapté à la présence de plusieurs microlasers .
Le procédé de codage d'un microlaser par modulation de son signal de pompe permet d'envisager plusieurs applications nouvelles.
Un premier exemple de réalisation ou d'application concerne le domaine nucléaire où on est souvent amené à utiliser des robots pour effectuer des tâches dans des milieux à forte dose d'irradiation.
La figure 7 représente un tel exemple d'un milieu 20 irradié, dans lequel plusieurs robots 22, 24, 26 peuvent intervenir simultanément. Une signature peut leur être affectée en les équipant chacun d'un microlaser dont l'émission est codée par le procédé selon l'invention. Chaque robot peut alors être identifié par son code. Des photorécepteurs 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, placés à différents endroits dans le milieu irradié, peuvent collecter les faisceaux lumineux des robots situés dans leur secteur de visibilité et permettre l'identification de leur origine (signature et position du robot) . Des moyens de traitement du signal délivré par chaque photorécepteur permettent :
- d'identifier les sources vues par chaque photorécepteur,
- de mesurer la distance de ce photorécepteur aux sources vues.
De l'ensemble de ces informations, peut être déduite une estimation de la position de chaque source dans le milieu observé.
Un autre exemple d'application concerne l'estimation de la position et de l'orientation d'un objet.
De nombreuses applications, dans le domaine industriel, visant à positionner ou à localiser un objet, peuvent être envisagées. Par exemple, il est possible d'équiper avec un émetteur microlaser codé des objets se déplaçant et devant pouvoir être localisés à tout instant. Chaque microlaser est codé différemment, le codage étant propre à l'objet qui le porte. Les microlasers peuvent émettre simultanément, sans se gêner. Des récepteurs, voyant les objets, collectent un mélange des différents signaux émis par les microlasers. Au niveau de chaque récepteur, l'identification des objets qui sont vus est réalisée par intercorrélation du signal reçu avec les différents signaux de référence liés au codage des microlasers. Une mesure de distance entre les objets identifiés et le récepteur peut également être estimée. En traitant les informations collectées par tous les récepteurs, il est alors possible d'extraire la position des différents objets en présence.
La fonction de corrélation permet d'accéder à deux types d'information :
* recherche d'un signal particulier noyé dans du bruit ou parmi d'autres signaux, cette information est utilisée pour l'identification des sources,
* estimation de déphasage entre deux signaux d'après la position du pic. Cette information est utilisée pour connaître avec précision 1 ' instant auquel le signal identifié a été collecté par le récepteur.
Connaissant par ailleurs 1 ' instant où ce signal a été émis par la source microlaser, il est possible d'en déduire la distance source-récepteur parcourue par la lumière par la formule d=c . t où d est la distance source-récepteur, c est la vitesse de la lumière et t le temps mis par la lumière pour aller de la source au récepteur (en trajet direct) . Connaissant au moins trois distances source- récepteur différentes, il est possible d'estimer la position de la source à l'aide de techniques GPS inverse par exemple. Une autre application, proche de la précédente, consiste à estimer, à l'aide de l'invention, la position et l'orientation d'un objet. Pour cela, on équipe l'objet à localiser de plusieurs sources microlasers codées différemment. Plusieurs récepteurs voient l'objet et collectent un mélange des signaux émis par les différentes sources microlaser. Par traitement de ces signaux reçus, il est possible d'extraire, pour chaque récepteur, l'identification des sources microlaser vues,- et la distance du récepteur à chacune de ces sources. Ces informations permettent ensuite d'en déduire une mesure de position et une mesure d'orientation de l'objet dans le milieu où il évolue.
Un autre exemple d'application concerne la détection d'obstacles.
En particulier, de nombreuses applications peuvent concerner le domaine de l'automobile. Il peut notamment être intéressant d'équiper les véhicules d'un microlaser codé. Chaque véhicule a un code qui lui est propre, et ne connaît que son code. Il est alors possible d'émettre des tirs laser à n'importe quel moment, y compris sur route fréquentée, sans être gêné par d'autres véhicules pouvant émettre des tirs simultanément. Cela peut permettre d'évaluer la distance à un obstacle, de nuit ou par mauvais temps par exemple.
Un autre domaine d'application concerne l'amélioration de la portée d'un télémètre fabriqué avec un microlaser. La portée d'un télémètre est actuellement limitée, entre autres, par la sensibilité des photodétecteurs utilisés à la réception et notamment par le rapport signal sur bruit du signal électrique qu'ils délivrent. L'utilisation d'un code à l'émission peut permettre une remise en forme du signal reçu, par intercorrélation avec le signal de référence, et ainsi contribuer à sortir le signal utile du bruit. Ce procédé peut donc accroître la portée d'un télémètre laser .

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif microlaser comportant :
- un microlaser déclenché passivement,
- des moyens de pompage optique du microlaser, pour émettre un signal de pompage du microlaser, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour moduler le signal de pompage.
2. Dispositif microlaser selon la revendication 1, les moyens pour moduler le signal de pompage comportant des moyens pour moduler la puissance du signal de pompage.
3. Dispositif microlaser selon la revendication 1 ou 2 , les moyens de pompage optique comportant une diode .
4. Dispositif selon la revendication 3, les moyens pour moduler le signal de pompage comportant des moyens pour moduler un courant I de fonctionnement de la diode.
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, comportant en outre des moyens pour produire un signal de référence Ref (v) significatif de la probabilité de présence d'une impulsion laser, en fonction du temps.
6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, comportant en outre des moyens d'identification d'un faisceau lumineux émis par le microlaser.
7. Dispositif selon la revendication 5, comportant en outre des moyens d ' intercorrélation d'un signal émis par le microlaser et du signal de référence Ref (v) .
8. Procédé pour évaluer ou estimer ou repérer ou identifier la position et/ou l'orientation d'un objet muni de N (N > 2) microlasers, chaque microlaser comportant une cavité microlaser pompée par des moyens de pompage optique et des moyens de modulation, par un signal de modulation d'un signal de pompage émis par ces moyens de pompage optique, les signaux de modulation des microlasers étant deux à deux différents .
9. Procédé pour évaluer ou estimer ou repérer ou identifier la position et/ou l'orientation d'un ou de plusieurs objets parmi un ensemble d'objets, chaque objet étant muni d'un microlaser comportant une cavité microlaser pompée par des moyens de pompage optique et des moyens de modulation, par un signal de modulation, d'un signal de pompage émis par ces moyens de pompage optique, les signaux de modulation étant deux à deux différents.
10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, chaque microlaser comportant en outre des moyens pour produire un signal de référence Ref (v) significatif de la probabilité de présence d'une impulsion laser en fonction du temps.
11. Procédé selon l'une des revendications 8 à 10, comportant des moyens d'identification d'un faisceau lumineux émis par chaque microlaser.
12. Procédé selon l'une des revendications 8 à 11, des moyens de réception collectant un mélange de signaux émis par les différentes sources.
13. Procédé selon l'une des revendications 8 à 12, des moyens de traitement de signaux émis par les différentes sources permettant d'évaluer ou d'estimer ou d'identifier la position et/ou l'orientation de l'objet ou des objets.
14. Procédé de codage-décodage d'un signal émis par un microlaser pompé par un moyen de pompage comprenant les étapes suivantes :
1) un codage comprenant les opérations suivantes : - application au moyen de pompage d'un signal de modulation défini par sa période et sa forme,
- émission par le moyen de pompage, d'un flux lumineux, ce flux étant lié par une fonction de transfert au signal de modulation pour exciter le microlaser,
- émission par le "microlaser d'une impulsion se produisant à un instant compris dans une fenêtre temporelle déterminée par les caractéristiques du microlaser et par 1 ' intensité du signal de modulation,
- fabrication d'un signal de référence en tension, fonction du signal de pompe,
2) un dédocage comprenant les opérations suivantes :
- détermination de la réception ou non du code recherché par le récepteur,
- collecte par au moins un récepteur d'un flux lumineux,
- transformation des photons du flux lumineux en un signal de tension, - corrélation de ce signal de tension avec le signal de référence,
- détection de 1 ' information de réception ou non par le récepteur du code associé au microlaser.
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