Modeling, estimation and control of ring laser gyroscopes for the accurate estimation of the earth rotation

He − Ne ring lasers gyroscopes are, at present, the most precise devices for absolute angular velocity measurements. Limitations to their performances come from the non-linear dynamics of the laser. Accordingly to the Lamb semi-classical theory of gas lasers, a model can be applied to a He–Ne ring laser gyroscope to estimate and remove the laser dynamics contribution from the rotation measurements. We find a set of critical parameters affecting the long term stability of the system. We propose a method for estimating the long term drift of the laser parameters, and for filtering out the laser dynamics effects, e.g. the light backscattering. The intensities of the counterpropagating laser beams exiting one cavity mirror are continuously measured, together with the monitor of the laser population inversion. These quantities, once properly calibrated with a dedicated procedure, allow us to estimate cold cavity and active medium parameters of the Lamb theory. Our identification procedure, based on the perturbative solutions of the laser dynamics, allow us for the application of the Kalman Filter theory for the estimation of the angular velocity. The parameter identification and backscattering subtraction procedure has been verified by means of a Monte Carlo studies of the system, and then applied to the experimental data of the ring lasers G-PISA and G-WETTZELL. After the subtraction of laser dynamics effects by Kalman filter, the relative systematic error of G-PISA reduces from 50 to 5 parts in 103, and it can be attributed to the residual uncertainties on geometrical scale factor and orientation of the ring. We also report that after the backscattering subtraction, the relative systematic errors of G-WETTZELL are reduced too. Conversely, in the last decade an increasing attention was drawn to high precision optical experiments, e.g. ring laser experiments, which combine high sensitivity, accuracy and long term stability. Due to the experimental requirements, position and orientation of optical elements and laser beams formation must be controlled in the field of nano-positioning and ultra-precision instruments. Existing methods for beam direction computing in resonators, e.g. iterative ray tracing or generalized ray transfer matrices, are either computationally expensive or rely on overparametrized models of optical elements. By exploiting the Fermat’s principle, we develop a novel method to compute the beam directions in resonant optical cavities formed by spherical mirrors, as a function of mirror positions and curvature radii. The proposed procedure is based on the geometric Newton method on matrix manifold, a tool with second order convergence rate that relies on a second order model of the cavity optical length. As we avoid coordinates to parametrize the beam position on mirror surfaces, the computation of the second order model does not involve the second derivatives of the parametrization. With the help of numerical tests, we show that the convergence properties of our procedure hold for non-planar polygonal cavities, and we assess the effectiveness of the geometric Newton method in determining their configurations with an high degree of accuracy and negligible computational effort. We also presents a method to account for the (ring laser) cavity deformations due to mirrors displacement, seen as the residual motions of the mirrors centers after the removal of rigid body motions. Having the cavity configuration and the model to account for mirrors movements, the calibration and active control of the optical cavity can be addressed as a control problem. In fact, our results are of some importance not only for the design and simulation of ring laser gyroscopes, but also for the active control of the optical cavities. In the final part of this work we detail a complete model including the simulation of the physical processes of interest in the operation of a ring laser gyroscope. Simulation results for the application of the model to the ring laser GP2 are presented and discussed

I giroscopi laser che sfruttano la tecnologia He − Ne a 632 nm sono attualmente i dispositivi più precisi per la misura accurata della velocità angolare di rotazione. Gli attuali limiti alle loro prestazioni provengono dalla dinamica non lineare del battimento laser. Sfruttando la teoria semi-classica di Lamb viene sviluppato un modello per le dinamica del laser, successivamente applicato per stimare e rimuovere il contributo della dinamica del laser dalle misure di rotazione di un giroscopio. Individuati una serie di parametri critici la cui variazione influenza la stabilità nel tempo della misura, viene proposto un metodo per stimare la deriva dei parametri laser e per filtrare gli effetti della dinamica laser dalle misure acquisite con il giroscopio. Le intensità dei fasci laser contropropaganti che escono da uno specchio della cavità sono acquisite, assieme ad un monitor della inversione di popolazione laser. Questi osservabili, una volta correttamente calibrati con una procedura dedicata, permettono di stimare i parametri dissipativi di cavità fredda e i parametri del mezzo attivo, che determinano la parte principale delle non linearità del sistema. La procedura di identificazione, basata sulle soluzioni perturbative della dinamica del laser, ci consente l’applicazione di un filtro di Kalman per la stima della velocità angolare. La procedura di identificazione dei parametri e sottrazione delle sistematiche laser è stata validata mediante uno studio Monte Carlo del sistema, inoltre i risultati delle analisi su dati sperimentali dei prototipi G-PISA e G-WETTZELL sono mostrati e discussi. Dopo la sottrazione della dinamica del laser mediante filtro di Kalman, l’errore sistematico relativo alla frequenza di rotazione di G-PISA si riduce da 50 a 5 parti in 103, residuo che può essere attribuito alle incertezze residue sul fattore di scala geometrico e sull’orientamento del giroscopio. Anche nel caso dell’analisi dei dati di G-WETTZELL si segnala che l’errore sistematico relativo viene ridotto. Negli ultimi dieci anni, una crescente attenzione è stata attirata da esperimenti ottici di alta precisione, ad esempio, esperimenti basati su giroscopi laser, che combinano alta sensibilità, precisione e stabilità a lungo termine. Per soddisfare a stringenti requisiti sperimentali, la posizione e l’orientamento degli elementi ottici, e la formazione dei fasci laser, devono essere controllati nel campo degli strumenti di nano-posizionamento e ultra-precisione. Metodi esistenti per il calcolo del cammino del fascio laser in risonatori, ad esempio, il ray tracing iterativo o le matrici di trasferimento generalizzate, sono computazionalmente costosi o si basano su modelli ridondanti di elementi ottici. Sfruttando il principio di Fermat, un nuovo metodo per calcolare il cammino ottico in cavità risonanti formate da specchi sferici è sviluppato, in funzione delle posizioni degli specchi e del valore dei rispettivi raggi di curvatura. La procedura proposta si basa sul metodo di Newton geometrico, un algoritmo con tasso di convergenza del secondo ordine che si basa su un modello del secondo ordine della lunghezza ottica della cavità. Evitando di parametrizzare con coordinate la posizione del raggio laser sugli specchi, il calcolo del modello di secondo ordine non coinvolge le derivate seconde della parametrizzazione. Con l’aiuto di simulazioni numeriche, si dimostra che le proprietà di convergenza della nostra procedura valgono per un vasto insieme di cavità poligonali non planari, e viene valutata l’efficacia del metodo di Newton geometrico nella determinazione delle configurazioni delle cavità laser con un alto grado di precisione e sforzo computazionale trascurabile. Viene anche presentato un metodo per tenere conto delle deformazioni della cavità ottica dovute agli spostamenti degli specchi, ovvero gli spostamenti degli specchi che non si traducono in movimenti di corpo rigido della cavità stessa. Conoscendo la configurazione della cavità e avendo un modello per descrivere i movimenti degli specchi, la calibrazione ed il controllo attivo della cavità ottica possono essere studiati. I nostri risultati sono infatti di una certa importanza non solo per la progettazione e la simulazione, ma anche per l’allineamento e in linea di principio anche per il controllo attivo di giroscopi laser ad alta precisione. Nella parte finale di questo lavoro si descrive il modello RLG, un modello multiuso completo comprensivo della simulazione accurata di tutti i processi fisici rilevanti nel funzionamento di un giroscopio laser ad alta risoluzione. I risultati della simulazione dell’applicazione del modello RLG al giroscopio G-PISA vengono presentati e discussi