JP2007271354A - Ring laser gyroscope - Google Patents

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Takahisa Harayama
卓久 原山
Takehiro Fukushima
丈浩 福嶋
Jiyunji Yoshida
順自 吉田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a novel ring laser gyroscope using a semiconductor laser. <P>SOLUTION: The ring laser gyroscope includes a surface light emitting laser element 100, a plurality of mirrors 12 and 13, and a photodetector 15. The surface light emitting laser element 100 and the plurality of mirrors 12 and 13 are arranged so as to constitute a polygonal optical path 20. By exciting the surface light emitting laser element 100, a first laser beam 31 clockwise propagated by the polygonal optical path 20 and a second laser beam 32 counterclockwise propagated by the polygonal optical path 20 are excited. The photodetector 15 is disposed at a position where the first laser beam 31 and the second laser beam 32 interfere with each other. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、リングレーザジャイロに関する。   The present invention relates to a ring laser gyro.

回転する物体の角速度を検出するためのジャイロの中でも、光ジャイロは精度が高いという特徴を有する。光ジャイロでは、環状の光路を互いに逆方向に進む2つのレーザ光の周波数差を用いて角速度の検出を行う。このような光ジャイロとして、希ガスレーザを用いた光ジャイロが提案されている(たとえば特許文献1)。これらの光ジャイロでは、同じ経路を互いに逆方向に周回するレーザ光を取り出して干渉縞を形成させる。その干渉縞の移動速度および移動方向を検出することによって、ジャイロの回転速度および回転方向が検出される。しかし、希ガスレーザを用いた光ジャイロは、駆動に高電圧が必要で消費電力が大きいという課題、および、装置が大きく熱に弱いという課題を有していた。   Among the gyros for detecting the angular velocity of the rotating object, the optical gyro has a feature of high accuracy. In the optical gyro, the angular velocity is detected using a frequency difference between two laser beams traveling in opposite directions along an annular optical path. As such an optical gyro, an optical gyro using a rare gas laser has been proposed (for example, Patent Document 1). In these optical gyros, laser beams that circulate in the opposite directions on the same path are extracted to form interference fringes. By detecting the moving speed and moving direction of the interference fringes, the rotating speed and rotating direction of the gyro are detected. However, an optical gyro using a rare gas laser has a problem that a high voltage is required for driving and power consumption is large, and a problem that the apparatus is large and weak against heat.

このような課題を解決するジャイロとして、環状(三角環状や四角環状)の導波路を備える半導体リングレーザを用いたジャイロが提案されている(たとえば特許文献2)。このジャイロで用いられている半導体レーザは、ほぼ一定の幅の環状の導波路を備える。そして、その環状の導波路を互いに反対方向に周回する2つのレーザ光を外部に取り出して、その干渉縞を検出する。しかしながら、細い導波路を用いて閉じこめられたレーザ光は、導波路の外部に出射する際に大きく広がってしまうため、実際に干渉縞を精度よく検出することは困難である。そのため、半導体レーザを用いるジャイロでは、半導体レーザの2つの電極間の電圧変化から、2つのレーザ光の周波数差に対応するビート周波数を検出するジャイロ(たとえば特許文献3)や、共振器の端面からしみだしたエバネッセント光を用いてビート周波数を検出するジャイロ(たとえば特許文献4)が一般的である。
特開平11−351881号公報 特開2000−230831号公報 特開平4−174317号公報 特開2000−121367号公報
As a gyro for solving such a problem, a gyro using a semiconductor ring laser having an annular (triangular or square) waveguide has been proposed (for example, Patent Document 2). The semiconductor laser used in this gyro has an annular waveguide having a substantially constant width. Then, two laser beams that circulate in the opposite directions in the annular waveguide are extracted to detect the interference fringes. However, since the laser beam confined using a thin waveguide spreads greatly when emitted to the outside of the waveguide, it is difficult to actually detect the interference fringes with high accuracy. Therefore, in a gyro using a semiconductor laser, a gyro (for example, Patent Document 3) that detects a beat frequency corresponding to a frequency difference between two laser beams from a voltage change between two electrodes of the semiconductor laser, or an end face of a resonator. A gyro (for example, Patent Document 4) that detects a beat frequency by using exuded evanescent light is generally used.
Japanese Patent Laid-Open No. 11-351881 JP 2000-230831 A JP-A-4-174317 JP 2000-121367 A

しかしながら、ビート周波数を検出するジャイロでは、回転方向の検出に特別な装置が必要となる。   However, a gyro that detects the beat frequency requires a special device for detecting the rotational direction.

このような状況において、本発明は、半導体レーザを用いた新規なリングレーザジャイロを提供することを目的の1つとする。   Under such circumstances, an object of the present invention is to provide a novel ring laser gyro using a semiconductor laser.

上記目的を達成するため、本発明のリングレーザジャイロは、面発光レーザ素子と複数のミラーと光検出器とを備え、前記面発光レーザ素子と複数の前記ミラーとは、多角形の光路を構成するように配置されており、前記面発光レーザ素子が励起されることによって、前記多角形の光路を時計回りに伝搬する第1のレーザ光と前記多角形の光路を反時計回りに伝搬する第2のレーザ光とが励起され、前記光検出器は、前記第1のレーザ光と前記第2のレーザ光とが干渉する位置に配置されている。   In order to achieve the above object, a ring laser gyro according to the present invention includes a surface emitting laser element, a plurality of mirrors, and a photodetector, and the surface emitting laser element and the plurality of mirrors form a polygonal optical path. When the surface emitting laser element is excited, the first laser beam propagating clockwise through the polygonal optical path and the first laser beam propagating counterclockwise through the polygonal optical path are excited. The second laser beam is excited, and the photodetector is disposed at a position where the first laser beam and the second laser beam interfere with each other.

本発明によれば、小型で消費電力が小さく、回転方向および回転速度に関する情報を得ることが可能なリングレーザジャイロが得られる。   According to the present invention, it is possible to obtain a ring laser gyro that is small in size, consumes less power, and can obtain information on the rotation direction and rotation speed.

以下、本発明について例を挙げて説明する。ただし、本発明は以下で挙げる例には限定されない。以下の説明では、具体的な材料や数値を例示する場合があるが、本発明の効果が得られる限り、他の材料や他の数値であってもよい。   Hereinafter, the present invention will be described with examples. However, the present invention is not limited to the examples given below. In the following description, specific materials and numerical values may be exemplified, but other materials and other numerical values may be used as long as the effects of the present invention can be obtained.

[リングレーザジャイロ]
本発明のリングレーザジャイロは、面発光レーザ素子と、複数のミラーと、光検出器とを備える。面発光レーザ素子(Vertical Cavity Surface Emitting Laser:VCSEL)は、半導体レーザ素子であり、高反射のミラーと、光を増幅する活性層(利得領域)とを備える。ミラーは、たとえば、半導体多層膜や誘電体多層膜によって構成される。
[Ring laser gyro]
The ring laser gyro of the present invention includes a surface emitting laser element, a plurality of mirrors, and a photodetector. A surface emitting laser element (Vertical Cavity Surface Emitting Laser: VCSEL) is a semiconductor laser element, and includes a highly reflective mirror and an active layer (gain region) for amplifying light. The mirror is constituted by, for example, a semiconductor multilayer film or a dielectric multilayer film.

面発光レーザ素子と複数のミラーとは多角形の光路を構成するように配置されている。多角形の光路は、通常、三角形または四角形の光路である。   The surface emitting laser element and the plurality of mirrors are arranged to form a polygonal optical path. The polygonal optical path is usually a triangular or square optical path.

面発光レーザ素子が励起されることによって、多角形の光路を時計回りに伝搬する第1のレーザ光と前記多角形の光路を反時計回りに伝搬する第2のレーザ光とが励起される。換言すれば、これらの第1および第2のレーザ光が励起されるように、面発光レーザ素子と複数のミラーとが配置される。   When the surface emitting laser element is excited, the first laser light propagating clockwise in the polygonal optical path and the second laser light propagating counterclockwise in the polygonal optical path are excited. In other words, the surface emitting laser element and the plurality of mirrors are arranged so that these first and second laser beams are excited.

第1および第2のレーザ光は、それぞれ、上記多角環状の光路を互いに逆方向に進行する。ジャイロが回転すると、サニャック効果によって第1のレーザ光の周波数と第2のレーザ光の周波数との間に差が生じる。したがって、第1のレーザ光と第2のレーザ光とが干渉する位置において両者の干渉縞を観察することによって、ジャイロの回転を検出することが可能となる。この干渉縞を観察するため、光検出器は、第1のレーザ光と第2のレーザ光とが干渉する位置に配置されている。   Each of the first and second laser beams travels in the opposite directions along the polygonal optical path. When the gyro rotates, a difference occurs between the frequency of the first laser beam and the frequency of the second laser beam due to the Sagnac effect. Therefore, it is possible to detect the rotation of the gyro by observing the interference fringes at the position where the first laser beam and the second laser beam interfere with each other. In order to observe the interference fringes, the photodetector is disposed at a position where the first laser beam and the second laser beam interfere with each other.

本発明のリングレーザジャイロは、面発光レーザ素子を励起するためのポンプ光を出射する励起用レーザ素子をさらに備えてもよい。この励起用レーザ素子は、面発光レーザ素子の発振波長よりも短波長のレーザ光を出射する。励起用レーザ素子は、面発光レーザ素子を励起できる限り限定はなく、一般的な半導体レーザ素子を適用できる。なお、励起用レーザ素子を用いずに、電流注入によって面発光レーザ素子を励起してもよい。   The ring laser gyro of the present invention may further include an excitation laser element that emits pump light for exciting the surface emitting laser element. This excitation laser element emits laser light having a shorter wavelength than the oscillation wavelength of the surface emitting laser element. The excitation laser element is not limited as long as the surface emitting laser element can be excited, and a general semiconductor laser element can be applied. The surface emitting laser element may be excited by current injection without using the excitation laser element.

面発光レーザ素子は、ミラー層と、ミラー層よりも前記光路の中心側に配置された利得領域とを含んでもよい。利得領域は、励起用レーザ光から出射されたポンプ光を吸収することによって利得を生じる層である。   The surface-emitting laser element may include a mirror layer and a gain region disposed closer to the center of the optical path than the mirror layer. The gain region is a layer that generates gain by absorbing the pump light emitted from the excitation laser light.

面発光レーザ素子は、半導体多層膜の側面(端面)からではなく、その主面からレーザ光を出射する半導体レーザである。面発光レーザ素子から出力されるレーザ光の波長に特に限定はなく、たとえば、紫外域から赤外域までの波長(たとえば400nm〜1600nm)から選択できる。利得領域の材料は、レーザ光の波長に応じて選択される。好ましい材料の1つは、Ga、InおよびAlといったIII族元素と、As、NおよびPといったV族元素とによって構成されるIII−V族化合物半導体である。長波長のレーザ光を利用する場合、通常、GaとAsとを含むIII−V族化合物半導体が量子井戸層の材料として用いられる。また、短波長のレーザ光を利用する場合、通常、GaとNとを含むIII−V族化合物半導体が量子井戸層の材料として用いられる。   The surface emitting laser element is a semiconductor laser that emits laser light from its main surface, not from the side surface (end surface) of the semiconductor multilayer film. The wavelength of the laser light output from the surface emitting laser element is not particularly limited, and can be selected from wavelengths from the ultraviolet region to the infrared region (for example, 400 nm to 1600 nm). The material of the gain region is selected according to the wavelength of the laser beam. One preferred material is a III-V compound semiconductor composed of a group III element such as Ga, In and Al and a group V element such as As, N and P. When a long wavelength laser beam is used, a III-V group compound semiconductor containing Ga and As is usually used as a material for the quantum well layer. In addition, when using short-wavelength laser light, a III-V group compound semiconductor containing Ga and N is usually used as the material of the quantum well layer.

ミラー層は、少なくとも、第1および第2のレーザ光を反射するための層を含む。面発光レーザ素子のミラー層と他のミラーとによって、外部共振器が構成される。   The mirror layer includes at least a layer for reflecting the first and second laser beams. An external resonator is constituted by the mirror layer of the surface emitting laser element and another mirror.

利得領域で吸収されずにミラー層に到達した光は、ミラー層で反射してもういちど利得領域に入射させることが好ましい。しかし、ポンプ光の波長と第1および第2のレーザ光の波長とは異なるため、両者を高い反射率で反射するミラーを実現することが難しい場合がある。そのような場合、ミラー層は、ポンプ光の99%以上を反射する第1のミラー層と、第1および第2のレーザ光の99%以上を反射する第2のミラー層とを含んでもよい。この構成によれば、利得領域で吸収されるポンプ光の割合を高めることができる。たとえば、第1のミラー層がAl0.87Ga0.13As層(厚さ66.3nm)とGaAs層(厚さ57.3nm)とを交互に30組(合計60層)積層した層であり、第2のミラー層がAl0.87Ga0.13As層(厚さ80.7nm)とGaAs層(厚さ69.9nm)とを交互に30組(合計60層)積層した層であるミラー層を用いてもよい。この場合、805〜860nmにおける第1のミラー層の反射率は99%以上であり、960〜1020nmにおける第2のミラー層の反射率は99%以上である。 The light that reaches the mirror layer without being absorbed in the gain region is preferably reflected by the mirror layer and incident on the gain region again. However, since the wavelength of the pump light and the wavelengths of the first and second laser lights are different, it may be difficult to realize a mirror that reflects both with high reflectivity. In such a case, the mirror layer may include a first mirror layer that reflects 99% or more of the pump light and a second mirror layer that reflects 99% or more of the first and second laser lights. . According to this configuration, the ratio of pump light absorbed in the gain region can be increased. For example, the first mirror layer is a layer in which 30 pairs of Al 0.87 Ga 0.13 As layers (thickness 66.3 nm) and GaAs layers (thickness 57.3 nm) are alternately laminated (60 layers in total). The mirror layer may be a layer in which 30 sets of Al 0.87 Ga 0.13 As layers (thickness 80.7 nm) and GaAs layers (thickness 69.9 nm) are alternately stacked (total of 60 layers). . In this case, the reflectance of the first mirror layer at 805 to 860 nm is 99% or more, and the reflectance of the second mirror layer at 960 to 1020 nm is 99% or more.

多角形の光路を構成する複数のミラーは、第1および第2のレーザ光の一部を透過させる出力ミラーを含んでもよい。そして、本発明のジャイロは、出力ミラーを透過した第1および第2のレーザ光を干渉させるためのプリズムをさらに備えてもよい。なお、プリズムの代わりに、第1および第2のレーザ光を重ね合わせることができる他の光学素子を用いてもよい。   The plurality of mirrors constituting the polygonal optical path may include output mirrors that transmit part of the first and second laser beams. The gyro of the present invention may further include a prism for causing the first and second laser beams transmitted through the output mirror to interfere with each other. Instead of the prism, another optical element that can superimpose the first and second laser beams may be used.

出力ミラーは、たとえば、第1および第2のレーザ光の96%〜98%を反射し、4%〜2%を透過させるミラーである。また、出力ミラー以外の他のミラーは、第1および第2のレーザ光の99%以上(たとえば99.9%以上)を反射するミラーであることが好ましい。   The output mirror is, for example, a mirror that reflects 96% to 98% of the first and second laser beams and transmits 4% to 2%. Further, the mirror other than the output mirror is preferably a mirror that reflects 99% or more (for example, 99.9% or more) of the first and second laser beams.

本発明のジャイロの光検出器は、受光素子(たとえばフォトダイオードやフォトトランジスタ)を1つだけ含んでもよいし、複数の受光素子を含んでもよい。2つ以上の受光素子を用いることによって、干渉縞の移動速度と移動方向とを検出できる。その結果、ジャイロの回転方向と回転速度とを検出することが可能となる。   The gyro photodetector of the present invention may include only one light receiving element (for example, a photodiode or a phototransistor) or may include a plurality of light receiving elements. By using two or more light receiving elements, the moving speed and moving direction of the interference fringes can be detected. As a result, it is possible to detect the rotational direction and rotational speed of the gyro.

なお、本発明のリングレーザジャイロは、必要に応じて他の光学素子を含んでもよい。たとえば、励起用レーザ素子と面発光レーザ素子との間にレンズが配置されていてもよい。また、不要なモードのレーザ光の発振を抑制するためのピンホールが光路上に配置されていてもよい。また、SHGを発生させる素子が光路上に配置されてもよい。   The ring laser gyro of the present invention may include other optical elements as necessary. For example, a lens may be disposed between the excitation laser element and the surface emitting laser element. Further, a pinhole for suppressing oscillation of an unnecessary mode of laser light may be disposed on the optical path. In addition, an element that generates SHG may be disposed on the optical path.

[本発明のリングレーザジャイロの一例]
本発明のリングレーザジャイロの一例の構成を、図1に模式的に示す。なお、以下で示す図では、理解を容易にするために部材の縮尺を適宜変更している。図1のジャイロ10は、励起用レーザ素子11と、ミラー12と、出力ミラー13と、プリズム14と、光検出器15と、ピンホール16と、面発光レーザ素子100とを備える。
[Example of ring laser gyro of the present invention]
The structure of an example of the ring laser gyro according to the present invention is schematically shown in FIG. In the drawings shown below, the scale of the members is appropriately changed for easy understanding. The gyro 10 of FIG. 1 includes an excitation laser element 11, a mirror 12, an output mirror 13, a prism 14, a photodetector 15, a pinhole 16, and a surface emitting laser element 100.

励起用レーザ素子11は、波長が808nmのレーザ光を出射する、高出力のワイドストライプ型の半導体レーザ素子である。   The excitation laser device 11 is a high-power wide stripe semiconductor laser device that emits laser light having a wavelength of 808 nm.

ミラー12および出力ミラー13は、ともに曲面ミラーである。これらのミラー面の曲率半径は、たとえば、後述する光路20の長さLの0.1倍〜5倍の範囲である。また、これらのミラーのうちミラー面として実質的に有効な範囲の直径は、たとえば、光路20の長さLの0.0005倍〜0.01倍の範囲である。   Both the mirror 12 and the output mirror 13 are curved mirrors. The radius of curvature of these mirror surfaces is, for example, in the range of 0.1 to 5 times the length L of the optical path 20 described later. Moreover, the diameter of the range substantially effective as a mirror surface among these mirrors is, for example, a range of 0.0005 to 0.01 times the length L of the optical path 20.

ミラー12は、面発光レーザ素子100から出射されるレーザ光を、高い反射率(たとえば99.5%以上)で反射する全反射ミラーである。出力ミラー13は、面発光レーザ素子100から出射されるレーザ光の2%〜4%程度を透過させ、残りを反射するミラーである。ミラー12および出力ミラー13には、公知の誘電体多層膜ミラーを適用できる。   The mirror 12 is a total reflection mirror that reflects the laser light emitted from the surface emitting laser element 100 with a high reflectance (for example, 99.5% or more). The output mirror 13 is a mirror that transmits about 2% to 4% of the laser light emitted from the surface emitting laser element 100 and reflects the rest. A known dielectric multilayer mirror can be applied to the mirror 12 and the output mirror 13.

面発光レーザ素子100は、発振波長λが約980nmの外部共振器型の面発光レーザ(Vertical External Cavity Surface Emitting Laser:VECSEL)である。面発光レーザ素子100の一例の断面図を図2に示す。   The surface emitting laser device 100 is an external cavity surface emitting laser (VECSEL) having an oscillation wavelength λ of about 980 nm. A cross-sectional view of an example of the surface emitting laser element 100 is shown in FIG.

面発光レーザ素子100は、冷却のためのヒートシンク101と、ヒートシンク101上に配置された半導体多層膜110を含む。半導体多層膜110は、ヒートシンク101側から順に積層されたミラー層114、利得領域層113および窓層112を備える。   The surface emitting laser element 100 includes a heat sink 101 for cooling and a semiconductor multilayer film 110 disposed on the heat sink 101. The semiconductor multilayer film 110 includes a mirror layer 114, a gain region layer 113, and a window layer 112, which are sequentially stacked from the heat sink 101 side.

窓層112は、Al0.3Ga0.7As(厚さ約0.4μm)からなる。窓層112は、励起用レーザ素子11から出射されるポンプ光の反射率ができるだけ低いことが好ましい。そのため、窓層112の表面には、ARコーティングを施すことが好ましい。 The window layer 112 is made of Al 0.3 Ga 0.7 As (thickness: about 0.4 μm). The window layer 112 preferably has as low a reflectance as possible for the pump light emitted from the excitation laser element 11. Therefore, it is preferable to apply AR coating on the surface of the window layer 112.

利得領域層113は、窓層112に隣接するAl0.08Ga0.92As吸収層(厚さ:λ)を含み、さらにその層からミラー層114側に向かって、In0.16Ga0.84As歪み量子井戸層(厚さ:8nm)、GaAs0.900.10歪み補償層(厚さ:25.7nm)、Al0.08Ga0.92As吸収層(厚さ:λ/2)の3層をこの順序で14回繰り返し積層した構造を有する。すなわち、利得領域層113は、合計で43層の半導体層からなる。 The gain region layer 113 includes an Al 0.08 Ga 0.92 As absorption layer (thickness: λ) adjacent to the window layer 112, and from the layer toward the mirror layer 114 side, an In 0.16 Ga 0.84 As strained quantum well layer ( (Thickness: 8 nm), GaAs 0.90 P 0.10 strain compensation layer (thickness: 25.7 nm), and Al 0.08 Ga 0.92 As absorption layer (thickness: λ / 2) are stacked 14 times in this order. Have That is, the gain region layer 113 is composed of a total of 43 semiconductor layers.

ミラー層114は、16層のAl0.87Ga0.13As層(厚さ:λ/4)と15層のGaAs層(厚さ:λ/4)とを、Al0.87Ga0.13As層とGaAs層とが交互に配置されるように積層した構造を有する。 The mirror layer 114 includes 16 Al 0.87 Ga 0.13 As layers (thickness: λ / 4) and 15 GaAs layers (thickness: λ / 4), and an Al 0.87 Ga 0.13 As layer and a GaAs layer. It has a stacked structure so that they are alternately arranged.

面発光レーザ素子100の半導体多層膜110は、たとえば、単結晶GaAs基板上に、GaAsバッファ層、窓層112、利得領域層113およびミラー層114を順にエピタキシャル成長させることによって形成できる。その後、ミラー層114側をヒートシンク101に貼り付けたのち、GaAs基板とバッファ層とをエッチングで除去する。このようにして、面発光レーザ素子100を形成できる。   The semiconductor multilayer film 110 of the surface emitting laser element 100 can be formed, for example, by epitaxially growing a GaAs buffer layer, a window layer 112, a gain region layer 113, and a mirror layer 114 in this order on a single crystal GaAs substrate. Thereafter, the mirror layer 114 side is attached to the heat sink 101, and then the GaAs substrate and the buffer layer are removed by etching. In this way, the surface emitting laser element 100 can be formed.

励起用レーザ素子11から出射されたレーザ光(ポンプ光)は、窓層112を通って利得領域層113のAl0.08Ga0.92As吸収層で吸収される。その結果、面発光レーザ素子100が励起される。 Laser light (pump light) emitted from the excitation laser element 11 passes through the window layer 112 and is absorbed by the Al 0.08 Ga 0.92 As absorption layer of the gain region layer 113. As a result, the surface emitting laser element 100 is excited.

図1に示すように、面発光レーザ素子100とミラー12と出力ミラー13とは、ほぼ正三角形の光路20を構成する。光路20を伝搬するレーザ光を励起するため、面発光レーザ素子100のミラー層114の表面と、光路20の三角形の面とがなす角度が直角になるように、面発光レーザ素子100が配置される。また、面発光レーザ素子100は、利得領域層113がミラー層114よりも光路20側になるように、配置される。   As shown in FIG. 1, the surface emitting laser element 100, the mirror 12, and the output mirror 13 constitute a substantially equilateral triangular optical path 20. In order to excite the laser light propagating in the optical path 20, the surface emitting laser element 100 is arranged so that the angle formed by the surface of the mirror layer 114 of the surface emitting laser element 100 and the triangular surface of the optical path 20 is perpendicular. The Further, the surface emitting laser element 100 is arranged so that the gain region layer 113 is closer to the optical path 20 than the mirror layer 114.

本発明の効果が得られる限り光路20の長さL(三角形状の光路20の3辺の合計)に限定はないが、たとえば10cm〜60cm程度(一例では20cm〜40cm程度)とすることができる。励起用レーザ素子11から出射されたレーザ光30によって、面発光レーザ素子100が励起され、光路20を時計回りに伝搬する第1のレーザ光31と、光路20を反時計回りに伝搬する第2のレーザ光32とが励起される。   The length L of the optical path 20 (the total of the three sides of the triangular optical path 20) is not limited as long as the effect of the present invention is obtained, but can be, for example, about 10 cm to 60 cm (in the example, about 20 cm to 40 cm). . The surface emitting laser element 100 is excited by the laser light 30 emitted from the excitation laser element 11, and the first laser light 31 propagating clockwise in the optical path 20 and the second propagating counterclockwise in the optical path 20. The laser beam 32 is excited.

ピンホール16は、高次横モードの発振を抑制するために、光路20上に配置されている。ピンホール16は、たとえば、ビームウェスト近傍、すなわち、光路20の三角形の辺のうち面発光レーザ素子100に対向する辺(ミラー12と出力ミラー13とを結ぶ辺)の中央付近に配置される。   The pinhole 16 is disposed on the optical path 20 in order to suppress the oscillation in the high-order transverse mode. For example, the pinhole 16 is disposed in the vicinity of the beam waist, that is, in the vicinity of the center of the triangular side of the optical path 20 facing the surface emitting laser element 100 (side connecting the mirror 12 and the output mirror 13).

レーザ光31の一部とレーザ光32の一部とは、出力ミラー13を透過してプリズム14に入射する。これら2つのレーザ光は、プリズム14で重ね合わされて光検出器15に入射する。光検出器15は、2つの受光素子15aおよび15bを含み、レーザ光31とレーザ光32とによって形成された干渉縞の移動方向および移動速度を検出する。そして、光検出器15の出力から、ジャイロ10の回転方向および回転速度が算出される。   A part of the laser beam 31 and a part of the laser beam 32 pass through the output mirror 13 and enter the prism 14. These two laser beams are superimposed on the prism 14 and enter the photodetector 15. The photodetector 15 includes two light receiving elements 15a and 15b, and detects the moving direction and moving speed of the interference fringes formed by the laser light 31 and the laser light 32. Then, the rotational direction and rotational speed of the gyro 10 are calculated from the output of the photodetector 15.

なお、同じ光路を逆方向に周回する2つのレーザ光の干渉縞を観測する本発明のジャイロの原理は、希ガスレーザを用いた従来のジャイロと同じである。そのため、干渉縞のモニタの方法や、光検出器からの出力の処理方法には、従来の技術を適用することが可能である。   Note that the principle of the gyro of the present invention for observing the interference fringes of two laser beams traveling in the opposite direction on the same optical path is the same as that of a conventional gyro using a rare gas laser. Therefore, conventional techniques can be applied to the method of monitoring interference fringes and the method of processing the output from the photodetector.

図1に示したジャイロ10では、窓層112側からポンプ光を入射しているが、本発明の効果が得られる限り、ポンプ光をミラー層114側から入射してもよい。その場合には、第1および第2のレーザ光のほとんどを反射するがポンプ光の少なくとも一部を透過させるようなミラー層114が用いられる。   In the gyro 10 shown in FIG. 1, the pump light is incident from the window layer 112 side. However, the pump light may be incident from the mirror layer 114 side as long as the effect of the present invention is obtained. In that case, a mirror layer 114 that reflects most of the first and second laser beams but transmits at least a part of the pump beam is used.

本発明のリングレーザジャイロでは、共振器長に比べて半導体領域の長さを極めて短くできる。そのため、本発明のジャイロでは、自由キャリア吸収による内部損失を低減できるという効果と、レーザ媒質と光との相互作用長を短くできるという効果が得られる。   In the ring laser gyro of the present invention, the length of the semiconductor region can be extremely shortened compared to the resonator length. Therefore, in the gyro according to the present invention, the effect of reducing the internal loss due to free carrier absorption and the effect of shortening the interaction length between the laser medium and light can be obtained.

本発明のリングレーザジャイロは、物体の回転の検出が必要な様々な機器に適用できる。代表的な例としては、姿勢制御装置やナビゲーション装置、手ぶれ補正装置に利用できる。具体的には、本発明のジャイロは、ロケットや飛行機などの航空機、自動車やバイクといった移動手段に利用できる。また、本発明のジャイロは超小型で取り扱いが容易であるという利点を生かし、携帯電話や小型のパーソナルコンピュータといった携帯情報端末、玩具、カメラなどに利用できる。   The ring laser gyro of the present invention can be applied to various devices that need to detect the rotation of an object. As a typical example, it can be used for an attitude control device, a navigation device, and a camera shake correction device. Specifically, the gyro of the present invention can be used for moving means such as aircraft such as rockets and airplanes, automobiles and motorcycles. Further, the gyro of the present invention can be used for a portable information terminal such as a mobile phone or a small personal computer, a toy, a camera, etc. by taking advantage of being ultra-small and easy to handle.

本発明のリングレーザジャイロの一例の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of an example of the ring laser gyro of this invention. 本発明で用いられる面発光レーザ素子の一例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically an example of the surface emitting laser element used by this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 ジャイロ
11 励起用レーザ素子
12 ミラー
13 出力ミラー
14 プリズム
15 光検出器
15a、15b 受光素子
16 ピンホール
20 光路
30 レーザ光
31 第1のレーザ光
32 第2のレーザ光
100 面発光レーザ素子
101 ヒートシンク
110 半導体多層膜
112 窓層
113 利得領域層
114 ミラー層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Gyro 11 Excitation laser element 12 Mirror 13 Output mirror 14 Prism 15 Photo detector 15a, 15b Light receiving element 16 Pinhole 20 Optical path 30 Laser light 31 1st laser light 32 2nd laser light 100 Surface emitting laser element 101 Heat sink 110 Semiconductor multilayer film 112 Window layer 113 Gain region layer 114 Mirror layer

Claims (5)

リングレーザジャイロであって、
面発光レーザ素子と複数のミラーと光検出器とを備え、
前記面発光レーザ素子と複数の前記ミラーとは、多角形の光路を構成するように配置されており、
前記面発光レーザ素子が励起されることによって、前記多角形の光路を時計回りに伝搬する第1のレーザ光と前記多角形の光路を反時計回りに伝搬する第2のレーザ光とが励起され、
前記光検出器は、前記第1のレーザ光と前記第2のレーザ光とが干渉する位置に配置されている、リングレーザジャイロ。
A ring laser gyro,
A surface emitting laser element, a plurality of mirrors and a photodetector;
The surface-emitting laser element and the plurality of mirrors are arranged to form a polygonal optical path,
Excitation of the surface-emitting laser element excites the first laser beam propagating clockwise in the polygonal optical path and the second laser beam propagating counterclockwise in the polygonal optical path. ,
The photodetector is a ring laser gyro, which is disposed at a position where the first laser light and the second laser light interfere with each other.
前記面発光レーザ素子を励起するためのポンプ光を出射する励起用レーザ素子をさらに備える請求項1に記載のリングレーザジャイロ。   The ring laser gyro according to claim 1, further comprising an excitation laser element that emits pump light for exciting the surface emitting laser element. 前記面発光レーザ素子は、ミラー層と、前記ミラー層よりも前記光路の中心側に配置された利得領域とを含み、
前記利得領域は、前記ポンプ光を吸収することによって利得を生じる層であり、
前記ミラー層は、前記ポンプ光の99%以上を反射する第1のミラー層と、前記第1および第2のレーザ光の99%以上を反射する第2のミラー層とを含む請求項2に記載のリングレーザジャイロ。
The surface-emitting laser element includes a mirror layer, and a gain region disposed closer to the center of the optical path than the mirror layer,
The gain region is a layer that generates a gain by absorbing the pump light,
The mirror layer includes a first mirror layer that reflects 99% or more of the pump light, and a second mirror layer that reflects 99% or more of the first and second laser lights. Ring laser gyro as described.
前記複数のミラーは、前記第1および第2のレーザ光の一部を透過させる出力ミラーを含み、
前記出力ミラーを透過した前記第1および第2のレーザ光を干渉させるためのプリズムをさらに備える請求項1〜3のいずれか1項に記載のリングレーザジャイロ。
The plurality of mirrors include an output mirror that transmits a part of the first and second laser beams,
The ring laser gyro according to any one of claims 1 to 3, further comprising a prism for causing the first and second laser beams transmitted through the output mirror to interfere with each other.
前記光検出器が複数の受光素子を含む請求項1〜4のいずれか1項に記載のリングレーザジャイロ。   The ring laser gyro according to claim 1, wherein the photodetector includes a plurality of light receiving elements.
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