JP2008516214A - 安定したスケール因子の固体レーザージャイロ - Google Patents
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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
【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。
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L0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Li、光学指数niのものであり、xiは
の比率に等しく、
は光学素子iの光学指数niの温度Tに応じた変動係数、αiは光学素子iの線膨張率、α0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。
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。
S=4A/λ.Lを満足する。
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。
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。
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。
・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
・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α0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<α0.<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。
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。
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、
α2=12.7ppm.K−1
dn2/dT=−7ppm.K−1
n2=1.5
である。
α2=12.7ppm.K−1
dn2/dT=−7ppm.K−1
n2=1.5
である。
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.x1−3.x2=0
または、x1/x2=0.3
9.76.x1−3.x2=0
または、x1/x2=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。
Claims (7)
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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