JP2008046126A - 機械的に作動されるゲイン媒質を有する固体レーザージャイロ - Google Patents

Abstract

【課題】機械的作動のゲイン媒質を有する固体レーザージャイロを提供する。
【解決手段】本発明の分野は固体リングレーザー又はレーザージャイロに関する。
本発明によるレーザージャイロは、二つの対向伝播光学モード（４、５）が光共振器内で互いに対して反対方向に伝播でき、そして増幅媒質を通過することができるように設計された、少なくとも一つのリング形状の前記光共振器（２）及び固体増幅媒質（３）を備え、前記増幅媒質は、前記光学モードの伝播方向に実質的に平行な軸に沿った周期的な並進運動を前記増幅媒質に与える電気機械装置（６）に連結される。従って、レーザージャイロの公称動作を妨げる、定常波によって増幅媒質内へ描かれる反転分布格子は大幅に緩和される。
【選択図】図２

Description

本発明の分野はレーザージャイロとも呼ばれる固体リングレーザーに関する。殆ど全てのレーザージャイロは通常ヘリウムとネオンの混合体である気体の増幅媒質を使用する。しかしながら、気体の増幅媒質が固体素子、例えばネオジムでドーピングされたＹＡＧ（イットリウム−アルミニウム−ガーネット）マトリックスで置き換えられた、固体の増幅媒質を有するレーザージャイロを用いることが可能である。

レーザージャイロの動作原理は、回転運動を受けている双方向のリングレーザー空洞のサニャック効果（Ｓａｇｎａｃ ｅｆｆｅｃｔ）に基づく。サニャック効果は空洞内部で反対方向に伝播する、二つの対向伝播光学発光モード（ｃｏｕｎｔｅｒｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｍｏｄｅｓ）の間に周波数の差Ωを誘起する。Ｎｄ：ＹＡＧを含む、通常使用される固体の媒質において、反対方向に伝播しているモードは同じ増幅原子を共有する。従ってそのゲインは均一であると云われる。該二つの対向伝播モードが同じか又は非常に近い周波数を有するとき、そこから生じる干渉信号は場合によって変わり得る定常波である。ゲイン媒質の原子はそれらが定常波の腹に近いとき、誘導放出プロセスにおいてより多く関与し、それらが節に近いとき、少なく関与する。これは従ってゲイン媒質において、定常波によって描かれる反転分布格子を作り出す。この格子は二つの対向伝播モードの周波数が十分近い限り存在し続ける。その対比は、励起されたレベルの存続時間の逆数と比べて、周波数の差が大きいほど低くなる。この反転分布格子は二つの主な理由により、ジャイロ測定に対する有害な影響を有することが示されている：
・それは対向伝播モード同士の間の競合を増幅させ、殆どの場合ジャイロメーターにおいて確立されるべき動作状態である、うなりの状態を防止し、そして
・それはレーザーが回転しているときに周波数応答の非線形性を誘起し、それにより慣性性能を低下させる。

これらの点の一番目は、例えば電子フィードバック装置に基づく様々な技術により処理され得る。空洞内に置かれた光学装置はモードの伝播方向に従って、該モードの強さに対して異なったやり方で作用する。これらの装置は一般的にファラデー効果のような非相反の光学効果に基づく。

しかしながら、モード間の競合の問題を処理するために用いられる装置は、低い回転速度では余りうまく機能せず、そして一般にレーザージャイロの周波数応答の非線形性の問題から解放されない。この問題は、例えば二つの対向伝播モードの間に強い周波数の偏りを導入することにより解決され得る。そのとき使用される偏りの安定性を制御することが必要であり、さもなければ慣性性能は制限される。偏光状態が結晶と相互作用するとき、該偏光状態が直角であることを確実にすることにより、ゲイン媒質内の定常波及びこの波によって生み出される反転分布格子を除去することもまた可能である。後者の技術は空洞内の複屈折が制御されることを必要とし、それは高い慣性性能が必要なときは使用が困難であることを意味する。

本発明による装置の原理は、二つの対向伝播モード間の周波数の差にかかわらず、該二つのモードにより形成される干渉縞の節と腹に対して結晶の原子が運動するように、平均位置に関する活性結晶の長手方向位置を調整することである。本発明による装置はゲイン格子の対比、従ってジャイロ測定に対する有害な影響を減少させることを可能にし、一方で空洞の長さを変更しない。本装置はまた増幅媒質により誘起される後方散乱の影響を緩和することを可能にする。最後に、本発明による装置は面に応じて、死角領域を処理するための通常の機械的作動装置の代わりになり得るか、又は補完することができる装置を潜在的に構成する。

より正確には、本発明の主題は、二つの対向伝播光学モードが光共振器内で互いに対して反対方向に伝播でき、そして増幅媒質を通過することができるように設計された、少なくとも一つのリング形状の光共振器及び固体増幅媒質を備え、前記増幅媒質が、前記光学モードの伝播方向に実質的に平行な軸に沿った周期的な並進運動を前記増幅媒質に与える電気機械装置に連結されることを特徴とするレーザージャイロである。

該運動の振幅は時間の関数として正弦波の法則に従い、該光学モードの平均波動ベクトルを乗じた周期的な並進運動の最大振幅により形成される積は、ベッセル関数Ｊ０の零点の一つの半分に相当し、周期的な並進運動の周波数は増幅媒質内の反転分布の存続時間の逆数と同じ大きさか、又はより大きいことが有利である。

該運動の周波数はレーザーを不安定化させ得るパラメータ共振周波数を避けるように選ばれることが有利である。特に、前記周波数はレーザーの単一又は複数の緩和周波数から十分に離され得ることが有利である。

電気機械装置は圧電タイプであることが有利である。

レーザージャイロは対向伝播モードの強さを安定させるための装置を含むことが有利であり、該装置は空洞内に置かれた光学システムを備えてもよく、前記システムは少なくとも一つの偏光要素、非相反効果を示す旋光装置、及び光学要素を備え、前記光学要素は相反効果を示す旋光装置、又は複屈折素子のいずれかであり、少なくとも回転角度の一つ又は複屈折性は調整可能である。

本発明はまた前記特徴のうちの少なくとも一つを有する三つのレーザージャイロを備え、これらのジャイロが異なる方向に沿って向けられ、共通の機械的構造に取り付けられることを特徴とする、三つの異なる軸に沿った相対的角度位置又は角速度を測定するためのシステムに関する。

本発明は制限されない例として与えられる以下の説明を読み、添付図を併用することにより更に良く理解され、他の利点が明らかになるであろう。

図１は本発明によるレーザージャイロ１の全体視図を示す。それは従来的に、
・内部を対向伝播モードと呼ばれる二つの光学モード４及び５が、互いに対して反対方向に循環するミラー７からなるリング空洞２と、
・前記モードがそれを通過する固体の増幅媒質３と、
・該二つの光学モードを干渉させるための少なくとも光学手段及び、得られた干渉縞の測定に基づいて空洞の角度変位、又は角速度を決定するための計算手段を備える測定手段９と、
・オプションとして、例えば対向伝播モードの強さを安定させるための装置８のような、別の光学システムとを備える。

更に、該増幅媒質は、前記光学モードの伝播方向に実質的に平行で、空洞の長手方向軸に相当する軸Ｏｘに沿ったｘｃ（ｔ）で表わされる、時間依存性の周期的な並進運動を前記増幅媒質に与える電気機械装置６に連結される。

これらの条件下で、振動する増幅媒質を有する固体リングレーザーの運動力学は、準古典的なマックスウェル−ブロック理論から由来する次の方程式を用いることにより説明され得る：

ここで、
Ｅ＋とＥ−は対向伝播モードの複素振幅、
γｃは空洞損失、
Ωはサニャック効果により誘起される非相互性、
ｍ＋及びｍ−は＋と−で表わされる二つの伝播方向に移動可能な増幅媒質により誘起される後方散乱の振幅である。単純化のため、固定ミラーにより誘起される後方散乱はこれらの方程式において考慮されていない。
ｋｃはレーザーの波動ベクトル、
σはレーザー発光の横断面、
ｌは結晶の長さ、
Ｔは空洞の通過時間、
Ｎ０は反転分布密度Ｎの平均値、
Ｎ＋はＮの２ｋｃ次フーリエ変換、
Ｎ−はＮ＋の共役複素、
Ｗは光ポンピング出力、
Ｔ１は励起されたレベルの存続時間、
ａは飽和パラメータである。

該装置は様々なタイプの周期的な並進運動を伴って動作することが可能であるが、最も実行し易いのは次の形で表わされ得る、時間ｔの関数としての正弦波振幅の運動である：
ｘｃ（ｔ）＝ｘＭｓｉｎ（ωＭｔ）
ここで、
ｘＭは運動の最大振幅、
ωＭは等式：ωＭ＝２πｆＭで与えられる運動の角周波数で、ここでｆＭは該運動の周波数である。

上記の方程式のシステムの一行目において、各モードは二つの現象を通じて反対のモードに後方散乱させられ得ることが明らかである。第一の現象は増幅媒質における従来の光の散乱により誘起される。それはｍ＋とｍ−の項に相当する。第二の現象は反転分布格子の存在に起因する。それはＮ＋とＮ−の項に相当する。双方の場合においてゲイン媒質の運動に起因する追加の位相因子が現れる。それはｅｘｐ（２ｉｋｃｘｃ）に相当する。この運動の振幅及び周波数が十分である場合、得られる結果はこれら二つの結合のタイプの効率における非常に大幅な減少であり、それは特に周波数応答の線形性に関して、レーザーのジャイロ旋回性能の向上により明らかにされる。

更に、該ゲイン媒質の運動は同じく、それにより電磁波が反転分布格子を描く効率にも作用する。これは運動がない場合、各原子はそれが定常波の節にあるか或いは腹にあるかによって、非常に異なる光の強さを体験するためである。該ゲイン媒質が十分な振幅と十分な周波数を伴う運動をしているとき、それに対して各原子が感知できる強さは節でも腹でもなく、節及び腹の連続の時間平均値である。これは原子により感知される光波及びそれゆえ反転分布格子の振幅の不均一性を減らす効果を有する。振幅ｘＭの正弦波運動及び十分高い周波数の場合、各原子が体験する平均強度は次の条件が満たされるとき、位置に無関係となることを示すことができる：
Ｊ０（２ｋｃｘＭ）＝０ 方程式２
ここで、Ｊ０は零次のベッセル関数Ｊを示す。

本発明による装置は従って方程式２が満足されるとき、すなわち２ｋｃｘＭが関数Ｊ０のゼロのときにより良く動作する。表示のために、関数Ｊ０のゼロのシリーズの第一項の近似値を以下に示す：
２．４０５、５．５２０、８．６５４、１１．７９、１４．９３、１８．０７、２１．２１、２４．３５、等

勿論、条件（２）が満たされないとき、これはｋｃｘＭの値が大きいほど本発明の適切な動作に対して少ない影響しか持たないであろう。実際、この値は本発明の実施における技術的限界、例えば使用される圧電性シムの動作範囲により決定されるであろう。

速度Ｖｃにおけるゲイン媒質の運動によって誘起される第三の影響は、次の式に従うＶｃに比例する係数による、レーザー空洞内における周波数の非相互性の変更である。

ここで、ｎはゲイン媒質の光学インデックスを示す。
正弦波運動の場合、方程式１に説明されているように、誘起された非相互性は機械的に作動するレーザージャイロにおいて通常用いられるものと類似している。後者の場合、該正弦波運動はもはや増幅媒質に対して制限されず、ゲイン空洞の全体に伝えられる。

制限されない例として、５ｋＨｚの周波数ｆｍにおいて８μｍの振幅ｘｍを有する、ｘ（ｔ）＝ｘｍｓｉｎ（２πｆｍｔ）で与えられるゲイン媒質の揺動運動に関して、

で与えられるゲイン媒質の速度は、０．２５°ｍ／ｓの振幅に達し、それは結晶が１．８２の指数ｎと２５ｍｍの長さを持つ、６９１°／ｓに等しいスケールファクターＫ１及び２４ｃｍの光学的周囲長を有するジャイロに対して、およそ１６０°／ｓの振幅の偏りに相当する。従って、この段落で述べられる影響は全く機械的作動により通常導入されるものと同じ大きさであり、それにより提案されている置き換えを現実的にする。更に、この方法は機械的運動に本来備わっている利点を保持し、すなわち長い取得時間の後に導入される偏りの時間平均値はドリフトしない。勿論、これは結晶の長さ又は光学インデックスのような、偏りの発生に関係するパラメータが、ゲイン媒質の運動のサイクルの途中で大幅に変化しないという条件においてのみ当てはまる。必要であれば、機械的に作動するレーザージャイロに対して通常使用されるような、超活性化運動がゲイン媒質に対して伝えられてもよい。

要約すると、ゲイン媒質を固体レーザージャイロにおいて運動下に置くことにより、
・ゲイン媒質及び反転分布格子により誘起される後方散乱の平均値をゼロにする効果を有する振動局面の導入と、
・反転分布格子の対比を減少させる効果を有する、ゲイン媒質の原子に対して定常波を変位させることと、
・機械的作動の効果の代用又は補完を可能にする、周波数−振動の偏りの導入と
が可能になる。

モード間の競合の問題は均一なゲイン媒質の運動では完全に解決されない。これは二つの対向伝播モードが常に同じ原子を共有し、該二つのモードの一つが他方に損害を与える程に、利用可能なゲインを独占しがちであり、それがジャイロの動作を妨げ得るためである。本発明によるレーザージャイロは従って、必要ならばモード間の格差による損失に作用するフィードバックループを備え得る、安定装置を含んでもよい。

増幅媒質に周期的並進運動を与える電気機械装置の効率は、変調の周波数及び振幅の選定に依存する。特に、該装置は振動周波数が高い程、より良く動作する。典型的な時定数はゲイン媒質における励起された状態の存続時間である。振動振幅は、典型的には光波長と同じ大きさである。既に述べたように、本発明の効率を最大限にする振動振幅の一連の個々の値が存在する。

光の後方散乱の影響を減らすため、結晶面はレーザー空洞内の光線の伝播方向に直角であってはならない。結晶の一つの面はブルースター角で置かれ得ることが有利である。

図２、３、及び４に示すように、結晶の運動方向に関して三つの可能性がある。
・図２：棒３の幾何学的軸が、結晶内の光線の運動方向及び伝播の軸と平行である。
・図３：入射光線の軸が作動方向と平行である。
・図４：入射光線の軸、伝播方向、及び運動方向が異なる。

望ましくは、図２に示すように増幅結晶体３の光軸は結晶内の光線の伝播方向と平行になるように選ばれるであろう。

前述のように、空洞２内に対向伝播モードの強さを安定させるための装置８を置くことが有用であり得る。一般に、該安定装置は空洞内に置かれた少なくとも一つの偏光要素を含む光学システムを備え、旋光装置は非相反効果及び光学要素を示す。この光学要素は非相反効果を示す旋光装置、又は複屈折要素のいずれかである。二つの対向伝播モードの間に存在する強さの差に従って、少なくとも該効果の一つ又は複屈折性は調整可能である。

制限されない例として、図５は本発明による電気機械装置及び対向伝播モードの強さを安定させる装置を含むレーザージャイロを示す。

レーザージャイロ１は従って、
・四つのミラー７を備えたリングレーザー空洞を備え、
○レーザー空洞は数度だけの偏光の可逆回転を誘起するように、僅かに非平面の構造を有する。従って図５において、四つのうち三つのミラー７は傾けられた楕円で表わされ、
○空洞のミラーの一つは、更に強い偏光効果を有する。これは偏光させられるモードに関して、モード強さ安定装置の適切な動作用に必要なためである。偏光効果は図５でミラー７の一つにおける矢印により象徴的に示されている。
・図５に示されていないレーザーダイオードにより８０８ｎｍで光ポンピングされる、ネオジムでドーピングされたＹＡＧ結晶である増幅媒質３を備え、
・およそ８μｍの最大振幅と共に、およそ２０ｋＨｚの周波数で圧電装置６を振動させるＹＡＧ結晶３が該圧電装置６に取り付けられ、
・○サーボ制御装置８３に連結され、二つの対向伝播光学モード４及び５の強さを測定する二つのフォトダイオード８２と、
○ＹＡＧ結晶を囲んで、調整出来るファラデー効果を導入可能にする電磁コイル８１と、
○対向伝播モード４及び５の間の強さの差に比例する、コイル８１内に流れる電流を発生するサーボ制御装置８３とを備え、この電流の符号がより強いモードはより高い損失を被るように選ばれるような安定装置と、そして
・○対向伝播モードを干渉させ、縞の干渉システムのパラメータを測定するための光電式手段９１と、
○これらのパラメータから、角速度又は変位の情報を探し出すための計算手段９２とを含む、ジャイロ旋回信号９を読んで処理する装置と
を備える。

必要ならば、装置全体は機械的活動輪の上に置かれる。

勿論、異なる方向に沿って向けられて共通の機械的構造に取り付けられている、本発明による三つのレーザージャイロを備えた、三つの異なる軸に沿った相対的角度位置又は角速度を測定するためのシステムを生み出すことが可能である。

本発明によるレーザージャイロの全体視図を示す。 増幅媒質に対する、及び並進運動の方向に対する光線の一つの幾何学的配置を示す。 増幅媒質に対する、及び並進運動の方向に対する光線の第二の異なる幾何学的配置を示す。 増幅媒質に対する、及び並進運動の方向に対する光線の第三の異なる幾何学的配置を示す。 本発明によるレーザージャイロの一つの例示的実施形態を示す。

符号の説明

１ レーザージャイロ
２ リング空洞、空洞、リングレーザー空洞
３ 増幅媒質、棒、ＹＡＧ結晶
４ 光学モード、対向伝播光学モード、対向伝播モード
５ 光学モード、対向伝播光学モード、対向伝播モード
６ 電気機械装置、圧電装置
７ ミラー
８ 対向伝播モードの強さを安定させるための装置
９ 測定手段、ジャイロ旋回信号
８１ 電磁コイル、コイル
８２ フォトダイオード
８３ サーボ制御装置
９１ 光電式手段
９２ 計算手段

Claims (9)

1. レーザージャイロ（１）であって、
   二つの対向伝播光学モード（４、５）が光共振器（２）内で互いに対して反対方向に伝播でき、そして増幅媒質（３）を通過することができるように設計された、少なくとも一つのリング形状の前記光共振器（２）及び固体増幅媒質（３）を備え、前記増幅媒質（３）が、前記光学モードの伝播方向に実質的に平行な軸に沿った周期的な並進運動を前記増幅媒質に与える電気機械装置（６）に連結されることを特徴とするレーザージャイロ。
2. 該運動の振幅が時間の関数としての正弦波の法則に従うことを特徴とする請求項１に記載のレーザージャイロ。
3. 該光学モードの平均波動ベクトルを乗じた周期的な並進運動の最大振幅により形成される積が、零次のベッセル関数の零点の一つの半分に相当することを特徴とする請求項１に記載のレーザージャイロ。
4. 周期的な並進運動の周波数が、増幅媒質内の反転分布の存続時間の逆数と同じ大きさか、又はより大きいことを特徴とする請求項１に記載のレーザージャイロ。
5. 周期的な並進運動の周波数が、レーザーの緩和周波数を含むパラメータ共振周波数と異なることを特徴とする請求項１に記載のレーザージャイロ。
6. 該電気機械装置（６）が圧電タイプであることを特徴とする請求項１に記載のレーザージャイロ。
7. 対向伝播モードの強さを安定させるための装置（８）を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザージャイロ。
8. 該安定装置が空洞内に置かれた光学システムを備え、前記システムが少なくとも一つの偏光要素（７）、非相反効果を示す旋光装置、及び光学要素を備え、前記光学要素が相反効果を示す旋光装置、又は複屈折素子のいずれかであり、少なくとも回転角度の一つ又は複屈折性が調整可能であることを特徴とする請求項７に記載のレーザージャイロ。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の三つのレーザージャイロを備え、これらが異なる方向に沿って向けられ、共通の機械的構造に取り付けられることを特徴とする、三つの異なる軸に沿った相対的角度位置又は角速度を測定するためのシステム。

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