JP2006521545A - 安定した固体レーザジャイロスコープ - Google Patents

Abstract

本発明の分野は、固体レーザジャイロの分野である。この技術に固有の主要な問題の１つは、この種のレーザの光キャビティが、本来ひどく不安定であるということである。
この不安定性を低減するために、本発明は、キャビティ（１）に光アセンブリを配置することによって、偏向方向に依存する制御された光損失をキャビティ（１）に導入することを提案するが、このアセンブリには、偏光素子（７１）と、波の偏光に作用する相反効果を示す第１の要素（７）と、また波の偏光に作用する非相反効果を示す第２の要素（８）と、を含み、これらの２つの効果の少なくとも１つは、可変であり、これらの損失を、逆伝播モード間の強度の差異に電子的に連結する。
可変非相反効果と組み合わされた固定相反効果か、または逆の場合のどちらかを実現するいくつかの装置が説明される。これらの装置は、特に一体構造のキャビティレーザ、およびとりわけネオジムをドープしたＹＡＧタイプのレーザ、およびまたファイバキャビティレーザに適用される。

Description

本発明の分野は、回転速度の測定のために用いられる固体レーザジャイロの分野である。この種の装置は、特に、航空用途に用いられる。

レーザジャイロは、約３０年前に開発され、現在では商業的規模で広く用いられている。その動作原理はサニャック効果に基づくが、このサニャック効果によって、回転運動を受ける２方向レーザリングキャビティの、反対方向に伝播する２つの光伝送モード（逆伝播モードと呼ばれる）間の周波数差異Δｖが誘起される。従来的には、周波数差異Δｖは、次に等しい。すなわち、
Δｖ＝４ＡΩ／λＬ。
ここで、ＬおよびＡは、それぞれ、キャビティの長さおよび面積であり、λは、サニャック効果を除いたレーザ放射波長であり、Ωはアセンブリの回転速度である。

２つの放射光線のビートのスペクトル分析によって測定されたΔｖの値は、Ωの値を非常に正確に決定するために用いられる。

レーザジャイロは、インターモーダル結合の影響を低減するために必要な一定の回転速度以上のみで、正確に動作することがまた実証可能である。この限界以下に位置する回転速度範囲は、従来的には不感地帯と呼ばれている。

ビートを観察するため、したがってレーザジャイロの動作を観察するための条件は、２方向に放射される強度の安定性および相対的な相等性である。これは、先験的に達成の容易なことではない。なぜなら、２つの逆伝播モードのうちの１つが、他のモードの損失になるほど、利用可能な利得を独占する傾向を有し得るという意味でのインターモーダルな競合現象のためである。

この問題は、室温で動作する一般にはヘリウム／ネオン混合物のガス増幅媒体を用いることによって、標準レーザジャイロにおいて解決される。ガス混合物の利得曲線は、原子の熱擾乱によりドップラー幅を示す。したがって、所与の周波数モードに利得を与えることができる唯一の原子は、その速度が、原子を問題のモードと共振させる遷移振動数において、ドップラーシフトを生じる原子である。利得曲線の中央以外でレーザ放射を起こさせる（光路長の圧電調節により）ことによって、キャビティと共振する原子がゼロ以外の速度を有することが保証される。したがって、２方向のうちの１つにおいて利得に寄与できる原子は、反対方向において利得に寄与できる原子の速度と反対の速度を有する。したがって、システムは、１つがそれぞれの方向のための、あたかも２つの独立した増幅媒体があるかのように動作する。かくしてインターモーダルな競合が消えたので、安定し、かつバランスの取れた２方向放射が発生する（実際上、他の問題を緩和するために、２つの異なるネオン同位体からなる混合物が用いられる）。

しかしながら、増幅媒体のガス的性質は、レーザジャイロを製造するときの技術的な複雑化（特に、要求されるガスの高純度のために）、および使用中の早すぎる磨耗（ガス漏れ、電極の劣化、反転分布を確立するために用いられる高電圧等）の原因となる。

現在では、ヘリウム／ネオンガス混合物の代わりに、たとえば、ネオジムをドープしたＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）結晶に基づいた増幅媒体を用いて、可視光または近赤外線で動作する固体レーザジャイロを製造することが可能であり、かくして、近赤外線において動作するダイオードレーザによって、光ポンピングが提供される。また、増幅媒体として、希土類に属するイオン（エルビウム、イッテルビウム等）をドープした半導体材料、結晶マトリックスまたはガラスを用いることが可能である。かくして、増幅媒体の気相に固有の問題は全て、事実上除去される。しかしながら、このような構成は、達成が非常に困難である。それは、非常に強いインターモーダルな競合を誘起する、固体媒体における利得曲線の幅の均質な特性と、多数の異なる動作型の存在とのためであり、これらの動作型の中で、「ビート型」と呼ばれる、強度のバランスが取れた２方向型は、１つの非常に不安定な特別のケースである（Ｎ．クラフツォフ（Ｎ．Ｋｒａｖｔｓｏｖ）およびＥ．ラリオツェフ（Ｅ．Ｌａｒｉｏｔｓｅｖ）、「Ｓｅｌｆ−ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎｓ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｉｎ ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ ｒｉｎｇ ｌａｓｅｒｓ」、Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ２４（１０）、ページ８４１〜８５６（１９９４年））。この主な物理的障害によって、これまで固体レーザジャイロの開発が非常に制限されてきた。

この欠点を緩和するための１つの技術的解決法は、光モードの伝播方向およびその強度に依存する光損失をキャビティへ導入することによって、固体リングレーザにおける逆伝播モード間の競合の影響を減じることにある。原理は、他方の損失でより弱いモードを支援するために、２つの送信モード間の強度の差に従うフィードバック装置によってこれらの損失を調節することであり、２つの逆伝播モードの強度を共通の値に絶えず従動する。

１９８４年にフィードバック装置が提案されたが、そこでは、損失は、可変ファラデー効果を示す要素および偏光素子で本質的に構成された光アセンブリによって得られた（Ａ．Ｖ．ドツェンコ（Ａ．Ｖ．Ｄｏｔｓｅｎｋｏ）およびＥ．Ｇ．ラリオンツェフ（Ｅ．Ｇ．Ｌａｒｉｏｎｔｓｅｖ）、「Ｕｓｅ ｏｆ ａ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａ ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ ｒｉｎｇ ｌａｓｅｒ」、Ｓｏｖｉｅｔ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ １４（１）、ページ１１７〜１１８（１９８４年）、ならびにＡ．Ｖ．ドツェンコ（Ａ．Ｖ．Ｄｏｔｓｅｎｋｏ）、Ｌ．Ｓ．コミエンコ（Ｌ．Ｓ．Ｋｏｍｉｅｎｋｏ）、Ｎ．Ｖ．クラフツォフ（Ｎ．Ｖ．Ｋｒａｖｔｓｏｖ）、Ｅ．Ｇ．ラリオンツェフ（Ｅ．Ｇ．Ｌａｒｉｏｎｔｓｅｖ）、Ｏ．Ｅ．ナイー（Ｏ．Ｅ．Ｎａｎｉｉ）およびＡ．Ｎ．シラーエフ（Ａ．Ｎ．Ｓｈｅｌａｅｖ）、「Ｕｓｅ ｏｆ ａ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｌｏｏｐ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｂｅａｔ ｒｅｇｉｍｅ ｉｎ ａ ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ ｒｉｎｇ ｌａｓｅｒ」、Ｓｏｖｉｅｔ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ １６（１）、ページ５８〜６３（１９８６年））。

このフィードバック装置の原理を図１に示す。この原理は、３つのミラー１１、１２および１３、ならびに増幅媒体１９からなるリングキャビティ１に、逆伝播光モード５および６の経路に配置された光アセンブリを導入することにあり、前記アセンブリは、偏光素子７１、およびファラデー効果を示し、かつ誘導コイル７３で巻かれた光学ロッド７２からなる。キャビティの出力部において、２つの光モード５および６は、測定フォトダイオード３に送られる。これらのビーム５および６の一部分は、２つの半反射板４３によって取り去られ、２つの光検出器４２に送られる。これらの光検出器によって出力される信号は、２つの逆伝播光モード５および６の光強度を表わす。前記信号は、電子フィードバックモジュール４に送られ、このモジュール４が、２つの光モード間における光強度の差に比例した電流を生成する。この電流は、逆伝播モード５および６のそれぞれに課される損失の値を決定する。ビームのうちの一方が他方より強い光強度を有する場合には、その強度は、出力ビームを同じ強度レベルにするように、より多く減衰される。かくして、２方向型は、強度が安定される。

固体レーザジャイロは、フィードバック装置のパラメータがシステムの力学と調和する場合にのみ、この原理に従って動作できる。フィードバック装置が正確な結果を与えることができるためには、３つの条件が満たされなければならない。
・フィードバック装置によってキャビティに導入される追加の損失は、キャビティにおける固有の損失と同じオーダの大きさでなければならない。
・フィードバック装置の反応速度は、フィードバックが満足に動作するように、放射されたモードの強度における変化の速度より大きくなければならない。
・最後に、フィードバック装置のフィードバック力は、強度変化を効果的に補正するために、キャビティに誘起された効果に対して十分でなければならない。

マクスウェル−ブロッホ方程式は、逆伝播光モードのフィールドにおける複素振幅Ｅ_１、_２、および反転分布密度Ｎを決定するために用いられる。これらは、半従来的なモデルを用いて取得される（Ｎ．クラフツォフ（Ｎ．Ｋｒａｖｔｓｏｖ）およびＥ．ラリオツェフ（Ｅ．Ｌａｒｉｏｔｓｅｖ）、「Ｓｅｌｆ−ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎｓ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｉｎ ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ ｒｉｎｇ ｌａｓｅｒｓ」、Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ２４（１０）、ページ８４１〜８５６（１９９４年））。

これらの方程式は次の通りである。

ここで、添え字１および２は、２つの逆伝播光モードを表わす。
ωは、サニャック効果を除くレーザ放射周波数である。
Ｑ_１、_２は、２つの伝播方向におけるキャビティのＱ係数である。
ｍ_１、_２は、２つの伝播方向におけるキャビティの後方散乱係数である。
σは、有効なレーザ放射断面積である。
ｌは、走行される利得媒体の長さである。
Ｔ＝Ｌ／ｃは、キャビティの各モードの走行時間である。
ｋ＝２π／λは、波数ベクトルのノルムである。
Ｗは、ポンピング速度である。
Ｔ_１は、励起準位の寿命である。
飽和パラメータａは、

に等しい。

方程式１の右辺には、４つの項がある。第１項は、キャビティの損失による、フィールドにおける変化に相当し、第２項は、キャビティ内に在る散乱要素の存在下で、一方のモードの、他方のモードへの後方散乱によって誘起された、フィールドにおける変化に相当し、第３項は、サニャック効果による、フィールドにおける変化に相当し、第４項は、増幅媒体の存在による、フィールドにおける変化に相当する。この第４項には２つの成分があり、第１は誘導放出に相当し、第２は、増幅媒体内における反転分布格子の存在下で、一方のモードの、他方のモードへの後方散乱に相当する。

方程式２の右辺には３つの項があり、第１項は、光ポンピングによる、反転分布密度における変化に相当し、第２項は、誘導放出による、反転分布密度における変化に相当し、第３項は、自然放出による、反転分布密度における変化に相当する。

光モードの完全な回転の後、キャビティによる平均損失Ｐ_ｃは、したがって、方程式１の右辺の第１項により、
Ｐ_ｃ＝ωＴ／２Ｑ_１、２となる。

フィードバック装置Ｐ_ｆによって導入される損失は、これらの平均損失Ｐ_ｃと同じオーダの大きさでなければならない。一般に、これらの損失は、１パーセントのオーダである。

フィードバック装置の反応速度は、前記フィードバック装置の帯域幅γによって特徴付けることが可能である。方程式１および２を用いて、次のことが実証された。すなわち、回転速度を超える安定した２方向型を確立するための十分条件は、
γ＞＞ηω／［Ｑ_１、２（ΔｖＴ_１）^２］
として書き表すことができ、ここで、η＝（Ｗ−Ｗ_{ｔｈｒｅｓｈｏ１ｄ}）／Ｗであり、ηは、閾値Ｗ_{ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}を超える相対的なポンピング速度に相当する（Ａ．Ｖ．ドツェンコ（Ａ．Ｖ．Ｄｏｔｓｅｎｋｏ）およびＥ．Ｇ．ラリオンツェフ（Ｅ．Ｇ．Ｌａｒｉｏｎｔｓｅｖ）、「Ｕｓｅ ｏｆ ａ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａ ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ ｒｉｎｇ ｌａｓｅｒ」、Ｓｏｖｉｅｔ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ １４（１）、ページ１１７〜１１８（１９８４年）ならびにＡ．Ｖ．ドツェンコ（Ａ．Ｖ．Ｄｏｔｓｅｎｋｏ）、Ｌ．Ｓ．コミエンコ（Ｌ．Ｓ．Ｋｏｍｉｅｎｋｏ）、Ｎ．Ｖ．クラフツォフ（Ｎ．Ｋｒａｖｔｓｏｖ）、Ｅ．Ｇ．ラリオンツェフ（Ｅ．Ｇ．Ｌａｒｉｏｎｔｓｅｖ）、Ｏ．Ｅ．ナイー（Ｏ．Ｅ．Ｎａｎｉｉ）およびＡ．Ｎ．シラーエフ（Ａ．Ｎ．Ｓｈｅｌａｅｖ）、「Ｕｓｅ ｏｆ ａ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｌｏｏｐ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｂｅａｔ ｒｅｇｉｍｅ ｉｎ ａ ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ ｒｉｎｇ ｌａｓｅｒ」、Ｓｏｖｉｅｔ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ １６（１）、ページ５８〜６３（１９８６年））。

１０％の相対的なポンピング速度η、１８×１０^１４の光周波数ω、１０^７の性質係数Ｑ_１、２、１５ｋＨｚの周波数差異Δｖおよび０．２ｍｓの励起状態寿命Ｔ_１に対して例を挙げると、帯域幅γは４０ｋＨｚを超えなければならない。

ループが正確に動作するためには、次の関係もまた満たさなければならない。すなわち、
（ΔｖＴ_１）^２＞＞１。

従来的には、フィードバック装置のフィードバック力ｑは、次のように定義される。すなわち、
ｑ＝［（Ｑ_１−Ｑ_２）／（Ｑ_１＋Ｑ_２）］／［（Ｉ_２−Ｉ_１）／（Ｉ_２＋Ｉ_１）］
ここで、Ｉ_１およびＩ_２は、２つの逆伝播モードの光強度である。

この種の用途において、フィードバック装置が正確に動作できるためには、パラメータｑは、１／（ΔｖＴ_１）^２より大きくなければならないことが実証された。

本発明の目的は、固体ジャイロレーザのために安定装置を提案することであり、この装置は、３つの物理的効果、すなわち相反回転、非相反回転および偏光の組合せに基づいて、伝播方向に依存する光損失を課すフィードバックシステムからなる。本発明による安定装置によって、ジャイロレーザの適切な動作に必要な条件を得ることが可能になる。

光学構成要素に非相反光学効果があるのは、最初の偏光状態を有する光に関して、この光の偏光状態が、前記構成要素におけるラウンドトリップの後で、この初期状態とは異なるときである。ファラデー効果を示す材料は、磁場にさらされたときに、磁場を通過する直線偏光されたビームの偏光方向を回転させる材料である。この結果は、相反的ではない。したがって、反対方向に移動する同じビームは、同じ向きに、偏向方向の回転を経験する。この原理を図２ａに示す。直線偏光されたビーム５の偏向方向５１は、ファラデー効果を示す構成要素８を順方向に通過するとき、角度βを通じて回転する（図２ａにおける上部のダイアグラム）。反対方向に伝播し、かつ偏光方向を最初にβを通じて回転された同一のビーム６が、ファラデー効果を示す構成要素に再注入された場合には、その偏向方向５１は、構成要素を通過するときに、角度βを通じて再び回転され、かくして、全回転角は、ラウンドトリップの後で２βになる（図２ａにおける中央のダイアグラム）。相反効果を示す従来の構成要素７において、偏向方向５１は、その初期位置を再び占めるために、−βを通じて回転するであろう（図２ａにおける下部のダイアグラム）。

より正確には、本発明の主題は、少なくとも３つのミラーと、固体増幅媒体と、フィードバックシステムとからなる少なくとも１つの光リングキャビティを含むレーザジャイロであって、キャビティおよび増幅媒体が、２つの逆伝播光モードが前記光キャビティの内部でそれぞれに対して反対方向に伝播できるように、するものであり、フィードバックシステムが、２つの逆伝播するモードの強度をほとんど同じに保つことを可能とし、フィードバックシステムが、偏光素子と、逆伝播モードの偏光状態に作用する非相反効果を示す装置と、からなる光アセンブリをキャビティ内部に少なくとも含み、前記光アセンブリが逆伝播モードの偏光状態にまた作用する相反効果を示す装置をさらに含むこと、を特徴とし、フィードバックシステムが、相反効果および非相反効果を示す前記装置の効果の少なくとも１つを制御するための制御手段を含むレーザジャイロである。

次に、２つの大まかな技術的な選択を行なうことができる。
・ 相反効果が固定される。この場合には、フィードバック装置が動作できるように、非相反効果は調節できなければならない。
・ または、非相反効果が固定される。この場合には、フィードバック装置が動作できるように、相反効果は調節できなければならない。

非限定的な例によって与えられた次の説明の読解および添付の図面から、本発明はより明瞭に理解され、他の利点も明らかになるであろう。

相反光学効果を非相反光学効果と組み合わせる原理が、図２ｂに示す例で説明されているが、ここにおいて、相反および非相反効果は、単に、直線偏光の回転である。この図における２つのダイアグラムは、２つの逆伝播光ビーム５および６が循環できるリングキャビティの一部分を示す。このキャビティには、とりわけ、光アセンブリが含まれるが、この光アセンブリは、直線偏光子７１と、直線偏光される光の偏向方向に作用する相反効果を示す第１の要素７と、光の偏向方向にまた作用する非相反効果を示す第２の要素８とからなる。はっきりさせるために、この光アセンブリを含むキャビティの部分は、ラインとして表わした。光ビームの偏向方向は、矢印によって示した。第１の要素７は、角度αを通じて、順方向に光の偏光を回転させ、第２の要素８は、角度βを通じて、また順方向に偏光を回転させる。要素７は、特に、二分の一波長板であってもよく、その軸は、直線偏光子７１の偏光軸に対して、角度α／２を通じて回転される。要素８は、上述のように、ファラデー回転子であってもよい。図２ｂの上部におけるダイアグラムに示すように、直線偏光子７１によって直線偏光され、かつ第１および第２の要素を連続して通過する第１の光ビーム５を検討してみると、第１の要素を通過した後、その偏向方向は角度αを通じて回転し、第２の要素を通過した後、その偏向方向は、α＋βに等しい角度θ_{ｆｏｒｗａｒｄ}を通じて回転した。完全な１回転の後に、このビームが再び直線偏光子７１を通過するとき、その相対的な透過率Ｔ_{ｆｏｒｗａｒｄ}は、次によって与えられる。すなわち、
Ｔ_{ｆｏｒｗａｒｄ}＝ｃｏｓ^２（α＋β）。

また検討してみると、回転角が小さいとき、相対的な強度損失Ｐ_{ｆｏｒｗａｒｄ}は、次によって与えられる。すなわち、
Ｐ_{ｆｏｒｗａｒｄ}＝（α＋β）^２。
これは、余弦関数の二次元有限展開によって得られる。

図２ｂの下部におけるダイアグラムに示すように、直線偏光され、かつ第１のビーム５に対して反対方向に、第２の要素、続いて第１の要素を連続して通過する第２の光ビーム６を検討してみると、第２の要素を通過した後、その偏向方向は角度βを通じて回転し、第１の要素を通過した後、その偏向方向は−α＋βに等しい角度θ_{ｒｅｖｅｒｓｅ}を通じて回転した。このビームが、ビームの最初の偏光方向と軸が平行方向の直線偏光子を通過するとき、その相対的な透過率Ｔ_{ｒｅｖｅｒｓｅ}は、次によって与えられる。すなわち、
Ｔ_{ｒｅｖｅｒｓｅ}＝ｃｏｓ^２（β−α）。

また検討してみると、回転角が小さいときには、相対的な強度損失Ｐ_{ｒｅｖｅｒｓｅ}は、次によって与えられる。すなわち、
Ｐ_{ｒｅｖｅｒｓｅ}＝（β−α）^２。
これは、余弦関数の二次元有限展開によって得られる。

したがって、反対伝播方向における損失は、順方向で記録されたものとは異なり、実は、それが、所望の結果に一致する。したがって、２つの回転角αまたはβのうちの１つを変えることによって、逆伝播モードの強度を別々に変えることが可能になる。

もちろん、上記の例は、光の偏光状態に作用する相反効果および非相反効果の任意の組合せに一般化でき、前記組合せを、偏光素子による光強度の変化に変換できるようにする。実際のキャビティにおいて、様々なタイプの構成要素（キャビティミラー、増幅媒体、偏光子等）が、光ビームおよびそれらの強度の偏光状態に影響を及ぼすことがあり得る。キャビティにおける完全な１回転の後、逆伝播ビームの偏光状態について正確に知るために、ジョーンズマトリックスの形式が用いられる。これは、ビームの伝播方向に垂直な平面に関連付けられた２×２マトリックスによって、偏光状態に対する構成要素の影響を表わすことからなる。一般に、選択される参照フレームの軸は、キャビティ内偏光子の主軸に相当し、それによって、数学的な表現を単純化する。キャビティ内の全ての構成要素が結果としてもたらす影響を決定するために、必要なことの全ては、これらの構成要素を表わす様々なマトリックスの積の固有状態を決定することである。この積は必ずしも可換ではないので、影響は、ビームの伝播方向に依存して異なる可能性がある。

図２ｂに示す例において、偏光子７１、相反効果を示す要素７、および非相反効果を示す要素８を含むキャビティのジョーンズマトリックスＭ_{ｆｏｒｗａｒｄ}は、順方向において次のように表現できる。

完全な１回転の後の結果としての偏光は、偏光子の偏光軸に対して角度α＋β傾いた直線偏光であり、偏光子を通した強度透過率は、ｃｏｓ（α＋β）^２に等しい。

偏光子７１、相反効果を示す要素７、および非相反効果を示す要素８を含む同じキャビティのジョーンズマトリックスＭ_{ｒｅｖｅｒｓｅ}は、反対方向において次のように表現される。

完全な１回転の後の結果としての偏光は、偏光子の偏光軸に対して角度−α＋β傾いた直線偏光であり、偏光子を通した強度透過率は、ｃｏｓ（−α＋β）^２に等しい。

図３は、本発明によるレーザジャイロ全体のダイアグラムを示す。これには、リングキャビティ１が含まれるが、このリングキャビティは、少なくとも３つのミラー１１、１２および１３、固体増幅媒体１９、ならびに逆伝播光モード５および６の経路に配置された光アセンブリからなり、また前記アセンブリは、偏光素子７１、逆伝播モードの偏光状態に作用する相反効果を示す装置７、および逆伝播モードの偏光状態にまた作用する非相反効果を示す装置８からなり、前記装置の効果の少なくとも１つは調節可能である。キャビティの出力部において、２つの光モード５および６は、測定フォトダイオード３に送られる。これらのビーム５および６の一部分は、２つの半反射板４３によって取り去られ、２つの光検出器４２に送られる。これらの２つの光検出器からの信号は、２つの逆伝播光モード５および６の光強度を表わす。前記信号は、電子フィードバックモジュール４に送られ、このモジュール４が、受信した信号の強度に従って、可変効果（ダイアグラムにおける点線矢印）で装置を制御する。これは、２つの逆伝播ビームの偏光状態における変化に帰着する。したがって、偏光状態におけるこれらの変化は、完全な１回転をした後でモードが再び偏光素子７１を通過するたびに、逆伝播光モード５および６に異なる光損失を生じさせる。これらの損失は、出力ビームの強度に依存する。ビームのうちの一方が他方より強い光強度を有する場合には、その強度は、出力ビームを同じ強度レベルに導くために、より多く減衰される。かくして、２方向型は、強度が安定される。

様々なタイプの偏光素子７１が存在する。偏光素子は、特に、直線偏光子であってもよい。それはまた、キャビティミラーのうちの１つで行う処理によって得てもよい。また、たとえば、モード５および６の伝播方向に対して、ブルースター角で傾いたガラス板をキャビティに配置するか、またはキャビティにおける要素（特に、増幅媒体または非相反効果を示す装置）のうちの１つの面を入射ブルースター角でカットすることによって、異なる添え字を有する２つの媒体間の界面における反射特性を利用することが可能である。

固定相反効果を示す光学装置を製造するための様々な方法が存在する。

特に、図４ａおよび４ｂで説明するような非平面のキャビティを用いることが可能である。少なくとも４つのミラー１１、１２、１３および１４を有するキャビティ１を検討すると、図４ａに示すように、逆伝播ビームが１つの平面（図４ａにおける（Ｘ、Ｙ）平面）を伝播するような方法で、４つのミラーを配置することが可能である。この場合、キャビティは、そこを伝播するモードに相反回転は誘起しない。また、たとえば図４ｂに示すように、逆伝播ビームがもはや１つの平面を伝播するのではないような方法で、４つのミラーを配置することが可能であり、ここでは、ミラー１２はＺ軸に沿って置き換えられた。この場合、逆伝播ビームの偏光方向が、ビームがキャビティ内を完全に１回転したときに、キャビティの形状に依存する角度を通じて回転したことが実証された（Ａ．Ｃ．ニルソン（Ａ．Ｃ．Ｎｉｌｓｓｏｎ）、Ｅ．Ｋ．グスタフソン（Ｅ．Ｋ．Ｇｕｓｔａｆｓｏｎ）、およびＲ．Ｌ．バイヤー（Ｒ．Ｌ．Ｂｙｅｒ）、「Ｅｉｇｅｎｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｎｏｎｐｌａｎａｒ Ｒｉｎｇ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ」、ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ２５（４）、ページ７６７〜７９０（１９８９年））。言いかえれば、非平面キャビティは、その中を伝播するモードに対して相反回転効果を誘起するが、この効果は固定され、キャビティの形状に依存する。

また、直線偏光子をキャビティに加えることによって、固定相反効果を示す装置を製造することが可能であり、前記直線偏光子の偏向方向は、最初の偏光素子のそれと平行でない。この場合、相反回転角αは、偏光素子の２つの軸によって形成される角度に等しい。

最後に、複屈折の光学板をキャビティに加えることによって、固定相反効果を得ることが可能である。この板が二分の一波長板である場合、回転角αは、二分の一波長板の軸と偏光素子の軸との間に作られた角度の２倍である。もちろん、この二分の一波長板は、装置の構成を単純化するために、キャビティにおけるミラーのうちの１つと一体化してもよい。

可変相反効果を示す装置を製造するための１つの可能な解決法は、制御可能な複屈折を示す装置を用いることにある。制御可能な複屈折を誘起するために、次のものを用いることが可能である。
・ 鉛、ランタン、ジルコニウムおよびチタンのセラミックス（ＰＢ_１−ｘＬａ_ｘＺｒ_１−ｙＴｉ_ｙＯ_３）。その中立軸の方向および複屈折は両方とも、電極で囲みかつ数百ボルトの電場を印加した領域において、制御可能である。これらのセラミックスは、厚さが１ミリメートル未満であり、近赤外線において透過性であり、かつ数百ボルトの制御電圧と、数十ｋＨｚと決められた必要な帯域幅と適合した、１マイクロセカンドのオーダの応答時間とを有する。
・ 約１ミリメートルの厚さ（その活性領域の厚さは約２０ミクロンである）を備え、約１００ボルトの制御電圧を有する液晶バルブ。
・ またはポッケルスセル。その位相シフトは、印加電圧（典型的には、得られる位相シフトがπ／２と等しくなるような１ｋＶ）を変えることによって修正される。たとえばＫＤＰまたはニオブ酸リチウムで作られるこれらのセルは、レーザを誘起するために用いられるものと同一である。それらの厚さは、１〜２センチメートルで、挿入損失はゼロである。

非相反結果を示す装置を製造するために、たとえばファラデー効果を示す装置などの磁気光学装置を用いることが一般的に行われているが、これらの装置は、動作するために、磁場の生成を必要とする。これらのファラデー効果素子は、特に、磁気光学材料の層によって、キャビティミラー上に直接製造してもよい。固定の非相反効果を得ることが望ましい場合に、必要なことの全ては、磁石ベースの磁気回路によって永久磁場を生成することである。可変非相反効果を得ることが望ましい場合、必要なことの全ては、たとえば、ファラデー効果を示す材料を囲む誘導コイルによって、可変磁場を生成することである。

媒体がそれを許すときには、増幅媒体をファラデー効果媒体として用い、それにより、キャビティの構造を実質的に単純化することが有利である。したがって、近赤外線において動作するレーザ用の増幅媒体として用いられる、ネオジムをドープしたＹＡＧは、そのようなものとして用いるのに十分なファラデー効果を発生することができる。なぜなら、そのベルネ定数が約１０３°Ｔ^−１ｍ^−１に等しく、これは、１テスラ未満の磁場がある状態で、数センチメートルを越えない厚さの走行に対して１度のオーダのファラデー回転を誘起するのに十分だからである。

有利なことに、本発明による固体レーザは、図５に示すような一体構造のキャビティから製造される。この構成には、いくつかの利点がある。

次に、キャビティは、増幅媒体として働く材料に直接製造してもよい。キャビティの面は、キャビティミラーとして、またはキャビティミラーを支持するための面として用いてもよく、それによって、製造作業がより簡単にされ、より大きな幾何学的な安定性ならびに熱および振動環境に対するよりよい抵抗性が保証される。図６は、このタイプのキャビティを用いた、本発明によるレーザジャイロの一実施形態のダイアグラムを示す。ミラー１１、１２および１３は、一体構造のキャビティの面に直接配置される。キャビティの材料１９はまた、増幅媒体として働く。この材料は、特に、ネオジムをドープしたＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）に基づく。この場合、光ポンピングは、ダイオードレーザ２によって実行され、そのビーム２２は、レンズ２１によって、増幅媒体内に合焦される。

図７に示すように、一体構造のキャビティはまた、非平面であってもよい。したがって、相反効果は、キャビティのまさに形状によって直接得られる。この例において、キャビティは、２つの平らな平行面１９５および１９６と、それらの間に４つの傾斜した側面１９１、１９２、１９３および１９４とを有する厚い板である。板の一般的な形状は、先端を切り取ったくさび形状である。側面の傾きは、キャビティを通って移動する光ビームが、図７に示すような不完全な菱形たどるような方法で、選択される。

一体構造のキャビティにおける他の利点の１つは、増幅媒体１９を、ファラデー効果を示す媒体として利用可能なことである。この場合、図８ａに示すように、可変磁場は、一体構造のキャビティの回りに誘導コイル７３を巻き付けることによって得られる。ファラデー効果の有効性を改善するために、図８ｂに示すように、キャビティの一部分の回りだけに１つまたは複数の誘導コイルを巻き付けて、磁場が伝播方向と常に平行であるようにすることもまた可能である。この場合、伝導コイルを構成する電線がキャビティを通過できるように、キャビティには穴を開けなければならない。

固定磁場は、図９に示すように、一体構造のキャビティに永久磁石７４を配置することによって得てもよい。

また、光ファイバからなるキャビティから、本発明によるレーザジャイロを製造することが可能である。図１０はこの原理を示すが、この場合、キャビティには、リング形状の光ファイバ１００が本質的に含まれ、また光ファイバに部分的にドープして、増幅媒体として働くようにすることが可能である。たとえばシングル−コアファイバ、ダブル−コアファイバ（光ポンプビームとの結合を容易にするために）または偏波保持ファイバなどの全てのファイバ形状をイメージしてもよい。Ｙカプラ１０１は、２つの逆伝播ビーム５および６を抽出するために用いられる。第３のカプラ１０１は、光ポンプビーム１０２を光ファイバに注入するために用いられる。いくつかの技術、特に光電気通信用に開発された技術によって、このような結合を達成することが可能になる（たとえばＶ溝技術）。光ポンピングは、たとえばポンプダイオードレーザ（図１０には図示せず）によって実行される。

相反光学効果は、矩形７によって象徴的に示すように、たとえば局所的な機械的変形をファイバに加えることによって、容易に得ることが可能である。非相反効果もまた、矩形８によって象徴的に示すように、ファラデー効果によって得てもよい。電気通信技術の発展のおかげで、全てのファイバのファラデーアイソレータが存在し、入出力部が光ファイバコネクタを備えている。これらのアイソレータには、直線偏光される光の偏向方向を４５°回転させる非相反要素が含まれる。これらのアイソレータは、異なる非相反回転を導入するために、それらの幾何学的な特性またはそれらに印加される磁場のいずれかを変更することによって、修正してもよい。

先行技術によるフィードバック装置の動作原理を示す。 非相反ファラデー効果の原理を示す。 本発明による、伝播方向に依存する損失を誘起するための装置の概括的な原理を示す。 本発明によるフィードバック装置の概括的なダイアグラムを示す。 非平面キャビティによって導入される相反効果の概括的な原理を示す。 一体構造のキャビティの概括図を示す。 一体構造のキャビティを含むレーザジャイロの概括図を示す。 一体構造の非平面キャビティの基本的なダイアグラムを示す。 ファラデー効果を示す一体構造のキャビティにおける可変磁場生成の基本的なダイアグラムを示す。 ファラデー効果を示す一体構造のキャビティにおける固定磁場生成の基本的なダイアグラムを示す。 光ファイバから製造されたレーザジャイロキャビティの基本的なダイアグラムを示す。

Claims (15)

1. 少なくとも３つのミラー（１１、１２、１３）と、固体増幅媒体（１９）と、フィードバックシステム（４、４２、４３）とからなる少なくとも１つの光リングキャビティ（１）を含むレーザジャイロであって、前記キャビティ（１）および前記増幅媒体（１９）が、２つの逆伝播光モード（５、６）が前記光キャビティの内部でそれぞれに対して反対方向に伝播できるように、するものであり、前記フィードバックシステムが、前記２つの逆伝播モードの強度をほとんど同じに保つことを可能とし、前記フィードバックシステムが、偏光素子（７１）と、前記逆伝播モードの偏光状態に作用する非相反効果を示す装置（８）と、からなる光アセンブリを前記キャビティ内部に少なくとも含むレーザジャイロであって、
   前記光アセンブリが前記逆伝播モードの偏光状態にまた作用する相反効果を示す装置（７）をさらに含み、前記フィードバックシステムが、前記装置（７）または（８）の前記効果の少なくとも１つを制御するための制御手段を含むことを特徴とするレーザジャイロ。
2. 前記偏光素子（７１）が直線偏光子であることを特徴とする、請求項１に記載のレーザジャイロ。
3. 前記偏光素子（７１）が、前記キャビティの前記ミラー（１１、１２、１３）の少なくとも１つであることを特徴とする、請求項１に記載のレーザジャイロ。
4. 前記偏光素子（７１）が、傾いたガラス板であって、前記光モード（５、６）に対する傾斜角がブルースター角と等しいガラス板か、または入射ブルースター角でカットされた、前記キャビティにおける要素（７、８または１９）の面の１つの少なくともどちらかであることを特徴とする、請求項１に記載のレーザジャイロ。
5. 相反効果を示す前記装置（７）が第２の直線偏光子であり、その偏向方向が、前記第１の偏光子のそれと平行ではないとき、前記フィードバックシステムが、非相反効果を示す前記装置（８）の非相反効果を調節するための手段からなることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザジャイロ。
6. 相反効果を示す前記装置（７）が複屈折の光学板であるとき、前記フィードバックシステムが、非相反効果を示す前記装置（８）の非相反効果を調節するための手段を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザジャイロ。
7. 前記光キャビティが非平面キャビティであるとき、前記フィードバックシステムが、非相反効果を示す前記装置（８）の非相反効果を調節するための手段からなることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザジャイロ。
8. 相反効果を示す前記装置（７）が、電気的に制御された複屈折を示す光学板であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザジャイロ。
9. 非相反効果を示す前記装置（８）が、ファラデー効果を示しかつ永久磁石によって偏光される材料からなるとき、前記フィードバックシステムが、相反効果を示す前記装置（７）の相反効果を調節するための手段からなることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザジャイロ。
10. 非相反効果を示す前記装置（８）が、ファラデー効果を示しかつ調節可能な電流によって制御される誘導コイル（７３）によって偏光される材料からなることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザジャイロ。
11. 前記増幅媒体およびファラデー効果を示す前記材料が、同じ材料で製造されることを特徴とする、請求項９または１０に記載のレーザジャイロ。
12. 前記キャビティ（１）が一体構造であり、前記逆伝播光モード（５、６）が、前記キャビティ内で、固形材料の中だけ伝播することを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のレーザジャイロ。
13. 前記増幅媒体（１９）が、ネオジムをドープしたＹＡＧ（イットリウム−アルミニウム−ガーネット）に基づくことを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のレーザジャイロ。
14. 前記キャビティ（１）が、少なくとも１つのダイオードレーザ（２）によって光学的にポンプされることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のレーザジャイロ。
15. 前記キャビティがリング形状をした少なくとも１つの光ファイバ（１００）を含み、前記光ファイバが、前記逆伝播ビームおよび少なくとも１つの光ポンピングビーム（１０２）の入射および出射のための光カプラ（１０１）を含むことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のレーザジャイロ。

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