JP2008519251A - 垂直構造を有する半導体固体レーザージャイロ - Google Patents

Abstract

本発明の分野は特に慣性制御システムにおいて用いられる固体レーザージャイロに関する。このタイプの装置は例えば航空の用途に用いられる。
固体レーザージャイロを光学的または電気的にポンピングされた半導体媒質から生産することは可能である。現在、後者のタイプのレーザージャイロはモノリシックでサイズが小さい。それらは一方でガスレーザージャイロの精度に匹敵する精度を達成することを可能にせず、他方で低い回転速度での周波数結合、または温度ドリフトを除去するための光学的方法を実施することを可能にしない。
本発明の一つの主題は、半導体媒質を備え、集められた別個の要素からなり、従って所望の精度を達成するために大きな空洞を生み出す可能性を与える、固体レーザージャイロである。
より正確には、レーザージャイロは互いに平行な平面ゲイン領域のスタックを含む垂直構造を有する外部空洞を伴った、光学的リング空洞および半導体の増幅媒質を備え、空洞の寸法は実質的に増幅媒質の寸法よりも大きく、前記増幅媒質は反射において使用される。
【選択図】図１

Description

本発明の分野は特に慣性制御システムにおいて用いられる固体レーザージャイロに関する。このタイプの装置は例えば航空の用途に用いられる。

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運動を受ける双方向のリングレーザー空洞の、対向伝播（ｃｏｕｎｔｅｒ−ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ，ｃｏｎｔｒｅ−ｐｒｏｐａｇｅａｎｔｓ）モードと呼ばれる、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Δνを誘起するサニャック効果（Ｓａｇｎａｃ ｅｆｆｅｃｔ）に基づく。従来、回転運動により誘起される二つの光学モード間の周波数の差Δνは：
Δν＝４ＡΩ／λＬ
であり、ここでＬとＡはそれぞれ空洞の長さと面積、λはサニャック効果のないレーザー発光の波長、そしてΩは組立品の回転速度である。放射された二つのビームの間のうなりのスペクトル解析により得られるΔνの測定はΩの値を非常に高い精度で決定することを可能にする。

標準のレーザージャイロにおいて、増幅媒質はヘリウムとネオン原子からなる適切な割合のガス混合物である。しかしながら、増幅媒質のガス状の性質は、特に要求される高いガス純度および、とりわけガス漏れと、反転分布を確立するために用いられる高電圧電極の劣化に起因する使用中の空洞の早期摩耗のため、レーザージャイロを生産する時に技術的な複雑さの源である。

ヘリウム／ネオンのガス混合物の代わりに、ネオジム、エルビウム、またはイッテルビウム・イオンのような、例えば希土類イオンでドーピングされた結晶に基づく増幅媒質を用いて、可視光線または近赤外線において動作する固体レーザージャイロを生産することは可能であり、そのとき光ポンピングは近赤外線において動作するレーザーダイオードにより提供される。従って、増幅媒質のガス混合物と関連する全ての固有の問題は事実上取り除かれる。

固体レーザージャイロを光学的または電気的にポンピングされた半導体媒質から生産することもまた可能である。現在、後者のタイプのレーザージャイロはモノリシックでサイズが小さい。それらは一方でガスレーザージャイロの精度に匹敵する精度を達成することを可能にせず、他方で低い回転速度での周波数結合、不感地帯と呼ばれる現象を除去するか、あるいは熱的原因のノイズ現象を補償する光学的方法を実施することを可能にしない。

本発明の一つの主題は、外部空洞を有する半導体媒質を備え、集められた別個の要素からなり、従って大きな空洞を生み出す可能性を与え、そして所望の精度の達成と空洞内への光学素子の挿入を同時に可能にする、固体レーザージャイロである。

より正確には、本発明の主題は平均波長λ_０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に配置された、少なくとも一つの光学的リング空洞および固体の増幅媒質を備え、空洞の寸法が実質的に増幅媒質の寸法よりも大きく、そして前記増幅媒質が互いに平行な平面ゲイン領域のスタックを含む垂直構造を有する、平均光学インデックスｎの半導体媒質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、半導体媒質は、空洞内を伝播する二つの光波がゲイン領域を通過した後にミラーによって反射されるように、ゲイン領域の下方に置かれ前記領域に平行な、前記平面ミラーを含む。有利なことに、空洞内を伝播する光波は前記ミラーによって斜めの入射角ｉで反射され、ミラーは平均波長λ_０と前記斜めの入射角ｉで全反射するために最適化されたブラッグ・スタックであり、そしてゲイン領域のスタックはミラー表面とは反対側の表面に、平均波長λ_０と斜めの入射角ｉにおける反射防止処理を含む。

有利なことに、増幅媒質は半導体媒質内を伝播する光波によって得られる干渉縞の強さの最大値がゲイン領域の平面内にあるように設計され、前記ゲイン領域はそのとき互いに

だけ離れている。

有利なことに、レーザージャイロは対向伝播波の強さを検出するための光検出手段を含み、前記波の強度変調はレーザージャイロの角速度または角度位置の測定信号を構成する。

本発明の別の主題は、少なくとも一つの本発明によるレーザージャイロを含む角度または角速度の測定システムである。

有利なことに、測定システムのレーザージャイロの空洞は、三つの独立した方向の測定を行うように向けられている。

本発明は限定されない例のために与えられる以下の説明を読み、そして添付図によって更に明確に理解され、また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の基本原理を示す図である。それは以下を含む。
・第一の材料で作られ、幾つかの偏向ミラー３と４および部分的に反射するミラー５を備えた空洞１と、
・半導体の増幅媒質２と、
・オプションとして、例えば不感地帯の除去または熱補償の導入のために用いられる（点線で示す）光学素子６および７と、
・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配置された組立品。これらの二つの波は図１において二重線で表わされ、それらの波は空洞内に置かれる様々な光学素子を通る。そして、
・部分的に反射するミラー５から来る対向伝播波の間の干渉縞から測定された角度パラメータを計算するための、（点線で示す）光電子測定装置８。

使用材料および動作波長と無関係に、半導体媒質に関する主な選択は、：
・その構造と、
・透過または反射におけるその動作モードである。

半導体媒質は主に二つのタイプの構造に利用できる。：
・帯板の形：図２はそのような構造２を示す。誘導放出がそこで起きる活性領域２１は連続的である。光ビーム２２は側面２３の一つを経由して放射される。この構造内を伝播する光学モード２２は多モードであり得る。この場合、ビームの形状は図２に示すように非対称である。速軸と呼ばれるＡＲ軸に沿ったその寸法に相当するモードの高さはそのとき一般に数μｍであり、遅軸と呼ばれるＡＬ軸に沿ったその寸法に相当する幅は数十μｍである。この構造内を伝播する光学モードはまた単一モードであり得る。それはそのとき対称であり、構造は横単一モード構造と呼ばれる。ジャイロ旋回測定の用途に対して、横単一モード帯板の形状の半導体レーザー媒質の使用は複雑である。これはモードが帯板の空洞内側で数μｍの直径、そして空洞の外側で数十μｍの直径を持たなければならないためである。活性領域におけるモードの伝播はまたガイドされねばならない。非横単一モード帯板の使用は、モードが遅軸に沿って集束されガイドされることに加えて、高度に楕円形でなければならないため、簡単ではない。
・垂直構造：図３は活性媒質がそのとき不連続であるような構造を示す。それは薄い活性領域２４のスタックで作られ、その厚さは概しておよそ１０ｎｍであり、領域はλ／２ｎに等しい厚さ２５によって分離されている。光はそのとき上面２６または下面２７を経由して放射され、このタイプの空洞内で伝播するモードは回転対称性を有する。これらの構造はレーザーが完全にモノリシックの時にＶＣＳＥＬ（垂直空洞面発光レーザー（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ））構造と呼ばれ、ゲイン領域はその時、一つが全反射し、他方の出力ミラーがおよそ０．１％の透過率を有する、二つのブラッグ・スタックの間に挟まれている。出力ミラーが別個の要素である場合、これらの空洞はＶＥＣＳＥＬ（垂直外部空洞面発光レーザー（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ））構造と呼ばれる。図３においては、活性領域のスタックのみが示されている。全反射ミラーは構造に取り付けられたブラッグ・ミラーまたは誘電体ミラーであり得る。ミラーに対置された構造の面の処理は反射防止処理を含んでもよい。その反射率を調整することにより、この構造の単一モード発光を促進することもまた可能である。

ジャイロ旋回測定の用途に対して、ゲイン領域が空洞内を循環している光ビームの寸法に近い、およそ１００μｍの直径を持ち得る限りにおいて、垂直構造の使用はより適切である。これはまたガイドされない波の伝播を可能にする。

しかしながら、これらの垂直構造は単にレーザージャイロにおける透過のみには使用出来ない。二つの対向伝播波を考えると、その電場ベクトルは

で表わされ、ここで

である。

ｋは通常、波の波動ベクトルを表わし、ωはその角周波数、そしてφはその初期位相を表わす。符号＋と−は波の伝播方向を示す。

レーザージャイロの空洞において、二つの波の干渉から来る全体の電場Ｅ_ｔは以下に等しい。：

そして対応する全体の強度Ｉ_ｔは以下に等しい。：

空洞内の固定点に関して、波がこの点に対し動くように見えるように、強度は従って（ω_＋−ω₋）に等しい角周波数につれて最大値と最小値の間で時間と共に変化する。透過において動作する垂直構造が空洞内に置かれる場合、強さの最大値はゲイン領域で重ねられ得る。定常波はその時もはや回転の影響下で自由に動くことはない。従って得られるのは装置をレーザージャイロとして使えなくする「ゲインにより生じる周波数ロッキング」である。

これらの垂直構造の反射における動作は上記の欠点が克服されることを可能にする。

図４は反射において動作する、横断面で見た垂直構造２を示す。事柄を単純化するため、構造はそこにミラー２９が置かれているインデックスｎの活性媒質２８に例えられるものと考えられる。構造が単一の波で照射された場合、入射波３０とミラー２９により反射された波３１は活性媒質２８内で干渉する。この干渉領域３２は図４に三角形のハッチングされた区域で示される。入射波と関連するパラメータは＋記号で下付きの添字をされ、反射波と関連するパラメータは＋ｒ記号で下付きの添字をされる。また、ｉは入射角を表わす。

図４の（Ｏ，Ｏｘ，Ｏｙ）基準線において、活性媒質内の入射波と反射波の伝播ベクトル

は、それぞれ：

で表わされる。

入射波を代表する場

は、

で与えられ、反射された入射波を代表する場

は、反射率が

に等しい場合に、

で表わされる。

二つの波が重なる領域では、ポイント

における全体の電場

は

で与えられ、通常

に等しい全体の強度Ｉ_ｔは、

に等しく、或いは波長λ_０の関数としてのそれらの表現で波動ベクトルを置き換えることにより、

に等しい。

スカラー積

は、入射波の偏光に依存する。図６は入射波および反射波の可能な直線状の偏光状態の基本原理を表わし、これらの状態は、波の電場を代表するベクトルが入射面内にあるか、またはそれに直角であるかによって直角状態または平行状態と呼ばれている。これらのベクトルは、図６においてＥ_＋／／，Ｅ_＋ｒ／／，Ｅ_＋⊥およびＥ_＋ｒ⊥により示される。

波が平行な偏光状態にある場合、積

の大きさは

に等しい。波が直角な偏光状態にある場合、スカラー積

は

に等しい。

表現を単純化するため、

の実数値が選択され、そして反射強度係数Ｒは１に等しくなるように選ばれる。全体の強度はそのとき以下のように書き直される。：

強度Ｉ_ｔに対応する干渉縞は固定されている。それは

のピッチでミラーに等距離で平行な、平面干渉縞の配列で構成されている。

図５は（Ｏ，Ｏｘ，Ｏｙ，Ｏｚ）基準線における干渉縞３３の構造を示す。各平行六面体は強さの最大値の位置を表わす。

図７は反射において動作している、横断面で見た垂直構造２を示す。事柄を単純化するため、構造はそこにミラー２９が置かれているインデックスｎの活性媒質２８に例えられるものと考えられる。それが異なる周波数の二つの対向伝播波により照射された場合、四つの波３０、３１、３５および３６がそこで互いに干渉する。
・前と同じ表記を用いて＋で示される、第一方向に循環する第一入射波３０は

に等しい場を有し、
・この第一入射波に対応する反射波３１は

に等しい場を有し、
・−で示される、反対方向に循環する第二入射波３５は

に等しい場を有し、そして
・この第二入射波に対応する反射波３６は

に等しい場を有する。

全体の場

はそのとき以下のように書かれる。

前のように計算を単純化するため、電場の係数は実数で等しくとるように選ばれ、そして反射強度係数Ｒは１に等しくとるように選ばれる。全体の場はそのとき、

と書くことが出来る。

および

であるため、そこで

および

である。

それゆえ、

となる。全体の場に対する表現から、全体の強度の値Ｉ_{ｔｏｔａｌ}が計算され、これは

に等しい。

従って、二つの波がインデックスｎの媒質内を循環するとき、レーザージャイロにおいて双方向放射がある場合のように、最大強度はミラーに平行な固定された線に沿って位置する。図８はこの干渉縞を例示している。

媒質が薄い活性領域のスタックで構成されている場合、これらの線を活性領域に一致させることにより、レーザーの動作は従って最適化される。

これらの線に沿った進行波が実際にあるが、しかしこれはゲインの飽和の僅かな変調のみを取り入れる。これは干渉している光ビーム内には一般に多くの最大値が存在するためである。進行波は多くても最大の変化、取るに足りない変化を取り入れる。

例として、１μｍに等しい波長λ_０に関し、４５°の平均入射角ｉおよび３の平均光学インデックスｎに対して、Ｏｘに沿ったミラー面において移動する進行波の二つの最大値は、

に等しい距離ｄだけ離れている。

結果として、１００μｍの平均直径を有する光ビームは１４０の最大値を有する。従って、又ビームの中心においてその縁に対する影響力を増すモードのガウス分布を考慮することなく、ゲイン変調は１４０にわたる最大値の中のたかだか１つの最大値に等しく、すなわち０．７％である。そのような低い変調はゲインによるロッキングを引き起こさない。それは読み取り信号として有利に使用され得る、出力の僅かな変調をもたらす。

この動作を最適化するために、全反射ミラーは所望の入射角のために最適化されたブラッグ・スタックまたは取り付けられた誘電体ミラーである。このスタックまたはこのミラーは１００％に近い反射率の達成を可能にする。

このスタックの上端に作られたゲイン領域は正しく位置決めされなければならない。こうするために、それらのピッチは

であり、スタックに対する最初の領域の位置は、全てのゲイン領域が、それに対する強度が最大である構造の平面に平行な線と一致するために、可能性のある固定された位相差を考慮に入れるように最適化される。

ゲイン領域において、レーザージャイロの空洞により見られる実効ゲインを増加させる、空洞下の効果の恩恵に浴することが望まれる場合は、出力面において、別のスタックがより大きいかまたはより小さい反射率を伴って作られ得る。励起ビームが用いられる場合、前記励起ビームの波長において反射防止となるように、励起ビームがそれを通るスタックもまた生み出され得る。

「空間的ホールバーニング」とも呼ばれるゲインの不均一な飽和による多モード放射の可能性が減少することもまた指摘されるべきである。これは干渉縞のピッチが波長に応じて僅かに変化するためである。従って１ｎｍのゲイン幅を有し、１μｍで放射する半導体に対し、ピッチは多くても０．１％だけ変化する。結果的に、波が不飽和のゲイン領域を利用する唯一の方法は非常に異なる波長を持つことであろうが、それはゲインのスペクトル幅のために不可能である。

本発明によるレーザージャイロの図を示す。 帯板の形の半導体レーザー媒質の形状を示す。 垂直構造の半導体レーザー媒質の形状を示す。 入射波および構造の下方に置かれたミラーからのその反射によって、前記構造内に生み出された定常波の形状を示す。 入射波および構造の下方に置かれたミラーからのその反射によって、前記構造内に生み出された定常波の形状を示す。 図４の場合の入射波および反射波の偏光状態を示す。 反対方向に伝播する二つの入射波および構造の下方に置かれたミラーからのそれらの反射によって、前記構造内に生み出された定常波の形状を示す。 図７の構成における定常波の強さの変動を示す。

Claims (12)

1. 平均波長λ_０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に配置された、少なくとも一つの光学的リング空洞（１）および固体の増幅媒質（２）を備えるレーザージャイロであって、
   空洞の寸法が実質的に増幅媒質よりも大きく、そして前記増幅媒質が互いに平行な平面ゲイン領域（２４）のスタックを含む垂直構造を有する、平均光学インデックスｎの半導体媒質であることを特徴とする、レーザージャイロ。
2. 半導体媒質が、空洞内を伝播する二つの光波がゲイン領域を通過した後にミラーによって反射されるように、ゲイン領域の下方に置かれ前記領域に平行な、前記平面ミラー（２９）を含むことを特徴とする、請求項１に記載のレーザージャイロ。
3. 空洞内を伝播する光波が平面ミラー（２９）によって斜めの入射角ｉで反射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. ミラー（２９）が平均波長λ_０と斜めの入射角ｉで全反射するために最適化されたブラッグ・スタックであることを特徴とする、請求項３に記載のレーザージャイロ。
5. ミラー（２９）がゲイン領域の下方に取り付けられ、平均波長λ_０と斜めの入射角ｉで全反射するために設計されたミラーであることを特徴とする、請求項３に記載のレーザージャイロ。
6. ゲイン領域のスタックが、ミラーの表面とは反対側の表面に平均波長λ_０と斜めの入射角ｉにおける光学的処理を含むことを特徴とする、請求項３〜５のいずれか一項に記載のレーザージャイロ。
7. ゲイン領域のスタックが、ミラーの表面とは反対側の表面に平均波長λ_０と斜めの入射角ｉにおける反射防止処理を含むことを特徴とする、請求項６に記載のレーザージャイロ。
8. 半導体媒質内を伝播する光波により得られる干渉縞の強さの最大値が、ゲイン領域の平面内にあるように、増幅媒質が設計されることを特徴とする請求項３〜７のいずれか一項に記載のレーザージャイロ。
9. ゲイン領域が互いに
   

   

   だけ離れていることを特徴とする請求項８に記載のレーザージャイロ。
10. レーザージャイロが対向伝播波の強さを検出するための光検出手段を含み、前記波の強度変調がレーザージャイロの角速度または角度位置の測定信号を構成することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載のレーザージャイロ。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載された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、角度または角速度測定システム。
12. 三つのレーザージャイロを備え、それらの空洞が三つの独立した方向の測定を行うように向けられていることを特徴とする、請求項１１に記載の測定システム。

Images