JP2008516214A - 安定したスケール因子の固体レーザージャイロ - Google Patents

Abstract

本発明の分野は回転速度又は角度位置の測定に用いられる固体のレーザージャイロに関する。このタイプの装置は特に航空の用途に使用される。レーザージャイロの性能は４Ａ／λ．Ｌに等しいそのスケール因子Ｓの温度安定性に依存し、Ｌ及びＡはそれぞれ光路長及びレーザー空洞の面積であり、そしてλはサニャック効果のないレーザー発光の平均波長である。従来、ガスレーザーにおいて、スケール因子の各パラメータは温度と無関係になるように選定される。ガスレーザーとは非常に異なる性質の固体レーザーにおいては、このようにすることが出来ない。本発明はスケール因子の全体的維持に基づくレーザー空洞の光学的構造を提案し、それは各パラメータが温度と共に変化することを可能にする。それは又同時に光学モードホッピングの回避を可能にする構造も提案している。本発明による原理が標準材料に適用可能であることを示す幾つかの数値例が用意されている。
【選択図】図１

Description

本発明の分野は回転速度又は角度位置の測定に用いられる固体のレーザージャイロに関する。このタイプの装置は特に航空の用途に使用される。

約３０年前に開発されたレーザージャイロは今日、広く市販され使用されている。その動作原理は回転駆動される双方向のリングレーザー空洞の、反対伝播（ｃｏｕｎｔｅｒ−ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ，ｃｏｎｔｒｅ−ｐｒｏｐａｇｅａｎｔｓ）モードと名付けられる、反対方向に伝播する二つの光学発光モードの間に周波数の差Ωを誘起するサニャック効果（Ｓａｇｎａｃ ｅｆｆｅｃｔ）に基づく。従来、該周波数の差Ωは、
Ｓ＝４Ａ／λ．ＬにおいてΩ＝Ｓ．ωを満足する。
ここで、Ｓはレーザージャイロのスケール因子と呼ばれる。ＬとＡはそれぞれ光路長と空洞の面積、λはサニャック効果のないレーザー発光の平均波長、そしてωはレーザージャイロの角回転速度である。

放射された二つのビームのうなりのスペクトル解析により得られるΩの測定は、ωの値を非常に高い精度で確認することを可能にする。

角度位置変化の間に次々に現れるうなりの縞を電子的にカウントすることにより、装置の角度位置の相対値もまた決定される。

レーザージャイロの性能を決定する要素の一つは、そのスケール因子Ｓの温度的安定性である。

レーザー空洞及びヘリウムとネオンの混合ガスからなる増幅媒体を備えたヘリウム／ネオンタイプのガスレーザーにおいて、スケール因子の温度安定性は波長と光路長及び空洞の面積を組合せた安定性による。空洞面積の安定性は、ゼロデュアー（Ｚｅｒｏｄｕｒ）のような非常に小さい膨張係数を有する材料から切り取られた空洞の支持体を用いることにより得られる。レーザー波長の安定性は原子の発光波長の安定性によって生み出される。空洞の光路長は空洞の長さ及び光学指数の温度に関する変化に依存する。その安定性は、使用される原子のスペクトル線に空洞の長さを追従させることにより保証される。追従は圧電性のくさびを用いて行なわれ、エラー信号はレーザーにより放射される光の強さにより与えられる。

増幅媒体のガスの性質は、しかしながら特に高いガス純度が要求されるため、レーザージャイロの生産の間の技術的複雑さの源である。更に、それは特にガス漏れ、電極の劣化、及び反転分布を確立するために用いられる高電圧に起因する、レーザーの早期の消耗を起こす。

現在、ヘリウム−ネオンガス混合物の代わりに、例えばネオジム・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）結晶に基づく増幅媒体を使用することにより、可視赤外線又は近赤外線において動作する固体のレーザージャイロを製作することは可能であり、光ポンピングはそのとき近赤外線において動作しているレーザーダイオードにより行なわれる。半導体材料、結晶マトリックス、又は希土類元素（エルビウム、イッテルビウム等）のクラスに属するイオンでドーピングされたガラスもまた増幅媒体として使用され得る。増幅媒体のガス状態の全ての固有の問題は、従って事実上取り除かれる。

しかしながら、その増幅媒体がもはやガスでなく固体であるレーザーにおいて、スケール因子の安定性はガスレーザーに用いられる手順によっては保証出来ない。

事実、増幅媒体のゲイン曲線の最大の周波数は温度が変化するにつれて相当な変化を受ける。例えばネオジム／ＹＡＧタイプのレーザーに関し、周波数の変化は−５０℃〜＋１００℃の間の温度範囲で、１．０６μｍの波長において−１．３ＧＨｚ／度に等しい。

レーザー空洞の自由なスペクトル間隔が、空洞内で振動可能な二つの振動数を分離しているスペクトル間隔に相当することは知られている。それはｃ／Ｌに等しく、ｃは真空中の光の速度である。ところで、従来サイズの空洞の場合、すなわち数十ｃｍに等しい光路長Ｌに関して、及び固体レーザーの場合、ゲイン曲線のスペクトル幅は自由なスペクトル間隔と比較して大きい。一般的に、ゲイン曲線のスペクトル幅は数十の自由なスペクトル間隔を表わす。これらの条件の下で、空洞の長さＬが変化する時、ゲイン曲線中にエラー信号として変化を有する空洞の長さの追従を構築することは、これらの変化がすでに顕著ではない為もはや可能でない。

更に、光路長の温度による変化はガスにおけるよりも固体においてずっと大きい。事実、温度に起因する幾何学的長さの変化は、高密度の媒体内ではずっと大きい光学指数の変化と複合している。その結果、標準の圧電性くさびを用いてそれらを補償することはより難しい。

スケール因子を熱的に補償する必要性を回避するため、レーザー空洞に配置された熱センサーが温度決定のために使用され得る。そのとき、数学的モデルのおかげで、測定された温度に相当するスケール因子の変化がそこから推定され得る。そこでこの変化が角回転速度の計算へと導入され得る。しかしながら現在、該モデルは要求精度を得るためには十分に正確でないことが経験から証明されている。

固体レーザーの分野において、米国特許第６６１４８１８号明細書は、熱的ドリフトを全体的に補償することによるモードホッピング無しで発光モードを保つことを可能にする、光学的構成を提案している。この構成は

により与えられる発光モード番号ｎの維持に基づき、νはレーザーにおいて用いられる増幅媒体のゲイン曲線の最大の周波数、そしてＬは空洞の光路長である。

このモード番号を維持するためには、温度の関数としてのその変化がゼロであるべきことで十分であり、それは次の数学的関係を生み出す。

この関係は、現状のままでは、発光モードの周波数の維持とは別の問題であるスケール因子の変化を補償するためには適用し得ない。特に、該スケール因子を依然として維持する一方で、発光モードホッピングを有する可能性がある。

本発明は各パラメータが温度と共に変化し得る該スケール因子の全体的な維持に基づく光学的構成を提案する。

より正確には、本発明の主題は少なくとも一つの光路長Ｌ及び面積Ａのリング空洞と、平均波長λの二つの光波が空洞内で反対方向に伝播することが出来るような方法で設計された固体の増幅媒体とを備え、レーザージャイロのスケール因子Ｓが

に等しく、温度Ｔの関数としての平均波長λ及び空洞の面積Ａの大きさと光路長Ｌの変化が、温度Ｔの変化に際してスケール因子Ｓが実質的に一定に留まるようなものであることを特徴とする、レーザージャイロである。

有利なことに、空洞は幾何学的な周囲の長さＬ_０を有し、前記空洞は少なくとも一つの光学素子ｉを備え、ｉは１から光学素子の総数まで変化する整数の指数、該光学素子ｉは長さＬ_ｉ、光学指数ｎ_ｉのものであり、ｘ_ｉは

の比率に等しく、

は光学素子ｉの光学指数ｎ_ｉの温度Ｔに応じた変動係数、α_ｉは光学素子ｉの線膨張率、α_０は空洞の支持体として役立つ材料の線膨張率、νは増幅媒体の中心発光周波数、そして

は前記周波数の温度Ｔの関数としての変動係数であり、前記光学素子及び増幅媒体は次の関係を実質的に満足するように設計される。

有利なことに、光学モードホッピングの発生を防止するため、光学素子及び増幅媒体は次の関係を実質的及び同時に満足するように設計される。

及び

最後に、空洞は温度Ｔの関数としての光学指数の変動係数がマイナスである、少なくとも一つの材料を含むことができる。また、空洞は一つ以上の熱センサーを備えてもよく、レーザージャイロはスケール因子の温度の関数としての残りの変化を計算することを可能にする、前記熱センサーに接続された電子処理装置を備えてもよい。

本発明はまた、以前に述べたように少なくとも一つのレーザージャイロを備えた角速度又は角度測定のシステムにも関する。該システムはそのとき、三つの独立した方向に測定を行なうようにその空洞が向けられた三つのレーザージャイロを備えることができる。

限定せずに記載される以下に続く説明を読み、本発明によるレーザージャイロの基本図を表わす添付図１によって、本発明はより良く理解され、他の利点は明らかになるであろう。

述べたように、レーザージャイロのスケール因子Ｓは前と同じ記号表記で、
Ｓ＝４Ａ／λ．Ｌを満足する。

波長λを関連する周波数νで置き換えることが出来る。そのときスケール因子Ｓに関する新たな表現が得られ、それは今や、

に等しい。

Ｌ_０が空洞の幾何学的な周囲の長さである、

に等しい係数Ｈはアスペクト比と呼ばれる。

Ｈは実質的に温度とは独立した無次元のパラメータである。これは特に、空洞により経験された外部の制約が該空洞の対称性に従う場合に満足される。Ａはそのとき、

を得るために、Ｓに関する表現において

に置き換えられる。

該空洞はｉで索引を付けられたｎ個の光学素子を備え、ｉは１と光学素子の総数ｎの間で変わる整数の指数であり、各光学素子ｉは長さＬ_ｉと光学指数ｎ_ｉのものである。その結果次の関係が適用出来る。

スケール因子Ｓに関する新たな表現はその時、

と書かれ得る。

温度の関数としてのスケール因子に関する安定条件は、

、又は

と書かれ得る。それは

で割った後で、

を与える。

と置くことにより、以下が得られる。

各種の光学素子の膨張係数は、

に等しい。それらを上記の表現へと導入することにより、以下が得られる。

これは、まさしく関係１と呼ばれる、特許請求の範囲に記載の表現である。

空洞が増幅媒体として役立つ光学指数ｎ、全長Ｌ、及び膨張係数αを有する一つだけの光学素子を備える単純な場合、上記の関係は今や、

と書かれ得る。この場合、ｘは従って、

に等しい。

一例として、増幅媒体が１．０６μｍの波長で働くネオジム−ＹＡＧである場合、そこで
・光学指数ｎは１．８２に等しく、
・線膨張率αが７．６ｐｐｍ／度で、ｐｐｍは百万分の一（ｐａｒｔｓ ｐｅｒ ｍｉｌｌｉｏｎ）を示し、
・温度の関数である光学指数の変動係数が７．３ｐｐｍ／度に等しく、
・周波数の変動係数

が−４．６ｐｐｍ／度に等しく、
・そしてｘは空洞内に存在する増幅媒体の割合を表わす。

この場合、ｘは以下に等しい。

ｘは０と１の間になければならない。その結果として材料の係数α_０は、温度に殆ど無関係にスケール因子が作られることを可能にする、ネオジム−ＹＡＧの適切な長さを見出すことが出来るように、４．６ｐｐｍ．Ｋ^−１＜α_０．＜８．３ｐｐｍ．Ｋ^−１を満足することで十分である。

上記の関係１は一定のスケール因子を維持することを可能にする。或る適用において、モードホッピングによるレーザージャイロの動作の妨害を回避し、温度に無関係な発光モード番号を維持し、従って次の数学的関係：

を生み出すことは有利になり得る。

前と同じ記号表記を用いることにより、この関係は又次のように書き得る。

それはＬ_０で割った後に、

となる。
後者の関係は関係２と呼ばれる。

関係１と関係２に対して同時に満足されるべき条件は以下である。

これらの条件は関係３及び４と呼ばれる。

空洞が光学素子を一つだけ備える場合、上記の関係３及び４は必ずしも満足され得ない。空洞が少なくとも二つの光学素子を備える場合、これらの二つの関係を同時に満足することがより容易となる。事実、二つの光学素子で関係３及び４は以下のように書かれ得る。

一例として、材料１が増幅媒体として役立つＮｄ：ＹＡＧである場合、条件３及び４は以下のようになる。

条件３を満足する材料を見出すことは、この膨張係数が標準のホウケイ酸タイプガラスの代表的なものであるため可能である。
ｘ_１及びｘ_２はプラスであることが必須で、関係４は以下を意味する。

この条件は一定のガラスに対して満足され得る。限定されない一例として、ショット社（Ｓｃｈｏｔｔ ｃｏｍｐａｎｙ）製の基準ガラスＰＫ５１Ａの特性は、
α_２＝１２．７ｐｐｍ．Ｋ^−１
ｄｎ_２／ｄＴ＝−７ｐｐｍ．Ｋ^−１
ｎ_２＝１．５
である。

また、その結果

となり、従って上記の条件を満足する。

この基準ガラスＰＫ５１Ａにより、関係４は以下のように書かれ得る。
９．７６．ｘ_１−３．ｘ_２＝０
または、ｘ_１／ｘ_２＝０．３

例えば、増幅のために用いられるＹＡＧロッドが５ｃｍの長さを有する場合、ＰＫ５１Ａの１６ｃｍのロッドは熱的補償を可能にし、空洞自体はガラスの一般的な代表である膨張係数が４．６ｐｐｍ．Ｋ^−１に等しい材料で作られている。

従って、材料の賢明な選定はスケール因子及び光学モードにも作用する熱的ドリフトに関して大部分を補償することを可能にする。

勿論、膨張係数又は温度の関数としての光学指数の変動係数が完全には線形でない場合、及び又温度が空洞の囲い内に均一に分布していない場合、温度変化の関数としてのスケール因子における小さな変化を決定する数学的モデルを用いて、レーザージャイロのスケール因子の測定を改良することは可能である。そのような場合、温度センサーが空洞の囲い内に設置される。

本発明によるレーザージャイロはどのような角速度又は角度測定のシステムにも適用可能である。本システムは特に、三つの異なる方向に測定を行なうようにその空洞が向けられた三つのレーザージャイロを備えることができ、従って位置又は速度の三つの角度成分を確かめることが可能である。

本発明によるレーザージャイロの基本図を表わす。それは以下を含む。・第一の材料で作られ、数個の反射鏡２、３及び４と部分的反射鏡５を備えた空洞１と、・増幅媒体６と、・少なくとも一つの長さＬ_７の光学素子７と、・二つの波が図１において二重線で表わされており、これらの波が空洞内に配置された各種の光学素子を通過する、二つの光波が空洞内で二つの反対方向に伝播出来るように設計されている全体組立品と、・そして部分的反射鏡５から来る二つの反対伝播波の干渉パターンに基づいて測定された角度パラメータの計算を可能にする、破線で表わされている光電子計測装置８。

Claims (7)

1. レーザージャイロであって、
   少なくとも一つの光路長Ｌ及び面積Ａのリング空洞と、平均波長λの二つの光波が前記空洞内で反対方向に伝播することが出来るような方法で設計された固体の増幅媒体とを備え、前記レーザージャイロのスケール因子Ｓが
   

   

   に等しい、レーザージャイロにおいて、
   温度Ｔの関数としての前記平均波長λ及び前記空洞の面積Ａの大きさと前記光路長Ｌの変化が、前記温度Ｔの変化に際して前記スケール因子Ｓが実質的に一定に留まるようなものであることを特徴とするレーザージャイロ。
2. 前記空洞が幾何学的な周囲の長さＬ_０を有し、前記空洞が光波により横断される少なくとも一つの光学素子を備え、ｉが１から光学素子の総数まで変化する整数の指数、該光学素子ｉが長さＬ_ｉ、光学指数ｎ_ｉのものであり、ｘ_ｉが
   

   

   の比率に等しく、
   

   

   が前記光学素子ｉの光学指数ｎ_ｉの温度Ｔに応じた変動係数、α_ｉが前記光学素子ｉの線膨張率、α_０が前記空洞の構成材料の線膨張率、νが前記増幅媒体の中心発光周波数、そして
   

   

   が前記周波数の温度Ｔの関数としての変動係数であり、前記光学素子及び増幅媒体が次の関係、
   

   

   を実質的に満足するように設計され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。
3. 前記光学素子及び増幅媒体が次の関係：
   

   

   及び
   

   

   を実質的及び同時に満足するように設計されることを特徴とする請求項２に記載のレーザージャイロ。
4. 前記空洞が、温度Ｔの関数としての光学指数の変動係数がマイナスである、少なくとも一つの材料を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザージャイロ。
5. 前記空洞が少なくとも一つの熱センサーを備え、前記レーザージャイロが前記スケール因子の温度の関数としての残りの変化を計算することを可能にする、前記熱センサーに接続されて組み合わされた電子処理装置を備え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ージャイロ。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の少なくとも一つのレーザージャイロを備えることを特徴とする角速度又は角度測定のシステム。
7. 三つの異なる方向に測定を行なうようにその空洞が向けられた三つのレーザージャイロを備えることを特徴とする、請求項６に記載の測定システム。

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