JPH03136286A - リングレーザー・ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ この発明はリングレーザー・ジャイロに関する。

［従来の技術］ リングレーザー・ジャイロスコープはリング状の空洞を
有し、その周辺を２本のレーザー光ビームが互いに反対
方向に伝搬する。受動的リングレーザー・ジャイロでは
、　リング状の空洞の外部に配置されたレーザーのレー
ザービームは、　ビームスプリッタ−によって空洞内に
取り込まれる。能動的リングレーザー・ジャイロでは、
能動レーザー媒質がリング状の空洞内に配置され、　レ
ーザー共振器として作用する。

レーザー・ジャイロでは、　サニヤック効果を利用して
、リング状の空洞の平面に直交し、この平面の中心を通
る軸の周りのレーザー・ジャイロの回転速度に比例した
信号を作り出す、　レーザー・ジャイロ技術については
、　ショウ（Ｃｈｏｗ）他による文献、レビュー・オン
・モダン・フィジックス（Ｒｅｖｉｅｗ　　ｏｆ　　Ｍ
ｏｄｅｒｎ　　Ｐｈｙｓｉｃｓ）第５７巻、　　６１〜
１０４頁、　「リングレーザー・ジャイロ（Ｔｈｅ　ｒ
ｉｎｇｌａｓｅｒ　ｇｙｒｏＮの中に詳細に記述されて
いる。

［発明が解決しようとする課題］ ３二１５年間にわたって一般に知られているレーザー・
ジャイロの主な利点は１機械的な動作部品がないため、
通常の電気機械式ジャイロスコーフニ化べて信頼性が高
いことである。商業的に入手可能なこの種の機器で一般
に達成され得る感度はＯ，ＯＩ［ｄｅｇ／ｈ］程度であ
り、これは旅客機での運用には十分である。　しかし、
多（の応用例、例えば宇宙飛行では、少なくともあと２
桁高い感度が要求される。

レーザー・ジャイロスコープでは、非常に小さい回転速
度に対して信号の出力されないデッドゾーンが生じる、
いわゆる「ロック・イン効果」のため、その感度の向上
には困難がある。このロック・イン効果を回避するため
１通常のレーザー・ジャイロでは１機械的「ミラー・デ
イザ−（ｍｉｒｒｏｒｄｉＬｈｅｒ）Ｊ動作が一般に導
入されるが、　これではレーザー・ジャイロの主な利点
である機械的動作部品の排除が達成されないに の発明は上述の先行技術に、鑑みてなされ、この種のレ
ーザー・ジャイロの感度の向上を目的とする。この目的
は、特許請求の範囲および続く詳細な説明によって特徴
づけられる本発明によって達成される。

この発明は新しい効果に基づいてなされ、これにより数
桁も高い感度が達成される。サニヤック効果と新しい効
果を注意深く比較すると、公知のリングレーザー・ジャ
イロでは明かに生じたロック　イン効果が、　この発明
によるリングレーザー・ジャイロでは生じないことがわ
かる。シュルツ・デュボワ（Ｓｃｈｕｌｚ−Ｄｕｂｏｉ
ｓ）（ＩＥＥＥ　　Ｊ、Ｑｕａｎｔ。

Ｅｌｅｃｔｒｏｎ、　ＱＥ−２（＋９６６）（２９９）
）によって論じられるように、サニヤック効果は、円形
の底面および上面を有し、器壁が完全な導電性で、従っ
て全く損失なく反射する理想的な円筒形の共振器を想像
することによって把握できる。　この反射計では、互い
に円周の反対方向に進行する同一周波数の２つの波動に
相当する自然モード（ｎａｔｕｒａｌ　ｍｏｄｅ）が励
起され、　これらが重なって円周に沿った定在波が生じ
る。共振器が円筒の軸周りに回転したとき。

定在波は（質量・エネルギー等価の）慣性質量によって
移動せずに不変に保たれ、円筒の内面を摩擦な（滑る。

波は小穴を介して外部結合され、単位時間当りに通過す
る振動の腹の数を計ることによって１回転速度が測定さ
れる０円筒の内面に散乱粒子があると、散乱粒子に向か
って進行する波は、散乱量に対応する微小部分が後方散
乱されて。

進行波に同相で重なる。これは、定在波がもはや不変で
はなく１円筒内面の移動方向に低い初速度を有して移動
することを意味する。散乱粒子の絶え間ない影響によっ
て、定在波の回転速度は、円筒の回転速度にちょうど等
しくなるまで連続的に増加する。その後は波と円筒の回
転速度は等しいので、上述の計数信号（１秒当りの振動
の腹の数）はゼロに低下する。つまり、低い回転速度に
対して信号が出力されないデッド・ゾーンを引き起こす
不所望なロック・イン効果は、極低散乱ミラーを使用し
ても完全には除去されない。

［課題を解決するための手段及び作用コサニヤツク効果
を利用した通常のレーザー・ジャイロでは、定在波を（
例えば散乱粒子の影響による）共振器の壁面へのｒひっ
ががり（ｓｔｉｃｋｉｎｇ）Ｊからできる限り保護して
、　ロック・イン効果の除去を図るが、逆に、新しい効
果に従って作動する本発明のレーザー・ジャイロでは、
可飽和吸収体またはこれと同じ機能を有する素子によっ
て、共振器の定在波の［ひっががり」を促進する。当然
、サニヤック信号は生じなくなる。　しかし、共振器内
の分散（少なくとも能動レーザー媒質及び可飽和吸収体
および／またはプリズム等の他の光学素子による）によ
って信号が作り出され、　２つの対向パルスは中心周波
数に同調でき、種々の波長に対する分散の対向効果によ
って、両パルスが循環に要する時間は等しく、両パルス
は再び可飽和吸収体あるいは同等物内で重なり、（［ロ
ック・イン」により）共振器内に固定された定在波を形
成する。　このシフトされた波長に同調するまでに所定
の時間を要することがわかる。共振器の回転の加速が速
すぎると、　どのような場合にも共振器の周よりも実質
的に短いが、可能な限り短いことが要求されるパルスは
、可飽和吸収体の中で合うことができない、損失レート
は高くなり、　レーザー放射が止まり、信号はゼロに低
下する。従って、サニヤック効果では、低角速度（回転
速度）においてデッド・ゾーンが生じるが、新しい効果
を利用するこの発明のレーザー・ジャイロでは、回転加
速度の最大値が制限される。

［実施例］ 以下、図面を参照しながら、　この発明について詳細に
説明する。

第１図は、　この発明による理想的なレーザー・ジャイ
ロを示す略図である。　レーザー・ジャイロｌＯは半径
Ｒの円で示されるレーザー・リング共振器１２を備える
。このリング共振器は、厚さ９／２の能動的増幅または
利得媒質（レーザー媒質）１４および厚さ９／２の可飽
和吸収媒質１６を有し、これらはリング共振器の円周の
１７４の間隔を置いて配置される。説明を容易にするた
め、　レーザー媒質Ｉ４はローダミン６Ｇのエチレン・
グリコール溶液のジェットで、　また吸収媒質は３．３
−ジエチルオキサジカルボシア＝　：／　（３，３−ｄ
ｉｅｔｈｙｌｏｘａｄｉｃａｒｂ。

ｃｙａｎｉ口ｅ）・ヨウ化物のエチレン・グリコール溶
液のジェットであると仮定する。　このような構成は、
例えば連続アルゴンイオンレーザ−によってレーザー媒
質が励起された際、位相結合レーザー（ｐｈａｓｅ−ｃ
ｏｕｐｌｅｄ　１ａｓｅｒ）として作動することは、当
業者であれば容易に理解できる１位相結合レーザーでは
、　２つの短パルスが共振器１２内を互いに逆方向に循
環し、これらのパルスは途中にある可飽和吸収媒質１６
の中を最小のエネルギー損失で通過でき、吸収媒質１６
の中で互いにすれ違う。

ただ一つのパルスのみが吸収媒質を通過する場合では、
そのパルスには必要なエネルギーの全部を供給すること
が要求されるのに対して、この場合のパルスの各々には
、吸収を漂白するに必要なエネルギーの半分を供給する
ことだけが要求される。

これは、装置全体での高い損失が防止されることを意味
する。上述の方法によりリングレーザ−が発振されると
、　２つのパルスは可飽和吸収媒質内で常に重なって定
在波を形成する。共振器ミラー（図示しない）の中のひ
とつが僅かに透光性を有するとき、　このミラー（第１
図中に符号１８で示される）は、共振器の外部で検出さ
れる２つの［循環（ｒｏｕｎｄ−ｔｒｉｐ）Ｊパルスの
対応した一部を、空間的に分離された方向２０．２２に
取り出すのに使用される。特に、　これらの２つのパル
スは偏向されて、　フォトマルチプライヤ−あるいは同
様の光検出器の陰極に同時に到達する。ここにおいて。

到達波の売場強度に応じた光電流の非線形関数とくに２
次関数により、　２つのパルスの間に周波数差があると
、測定され得るビート周波数が発生される０回転してい
ないリングレーザ−では、共振器損失が最小になるよう
に、　レーザーが自動的に周波数を調整するので、周波
数に差は生じない。

しかし、　リングレーザ−が角速度Ω［ｒａｄ／ｓｅｃ
］、つまり周速度ｖ、＝Ω・Ｒで回転するとき、異なる
発振波長λ、及びλ２が反対方向に発生され、これらは
２つの出力方向２０．２２に外部結合されて、対応する
発振周波数を順に出力する光検出器において、　２つの
周波数ν１及びν２が発生される。これらの異なる波長
が生じる理由は、　レーザーが例えば図示されるように
反時計回り方向に回転していると、固定されたレーザー
の場合と比較して。

回転に対して同じ方向に進行するパルスは速く、反対方
向に進行するパルスは遅いことによる。このようなリン
グレーザ−の正常な動作には、　２つのパルスは常に同
一形状で、可飽和吸収体】６の中で重なることが要求さ
れる。このため、周速度ｖ１は２つの反対向きパルスの
群速度ＣＩ＋Ｃｆｆ１の壬にちょうど等しくなければな
らない、つまり、ｖ。

＝Δｃｇ＝ｃ、−Ｃ，でなければならない、　しかし、
群速度は、適当な密度の材料の中、この場合では合わせ
て厚さ９になるレーザー媒質１４と吸収体１６の中で大
きく異なるので、実効群速度Ｃ１は、で与えられる。　
ここに。

ｃｏ：　真空中の光速。

Ｒ二　リング状共振器の半径。

ｎ　：　レーザー媒質１４および吸収体】６中における
実効屈折率。

ν　：　レーザービームの周波数 である。

この実効群速度は以下のようにして求められる。

従って、 ゆえに、 Ｖ♂Δ　ｃｌ ＝Δ　ｎ、（ν） である。

［実効屈折率Ｊ　ｎ、の従属性はνの関数として知られ
、同様に、　ｄｎ、／ｄνはその関数の勾配として知ら
れる。

反対方向に回るレーザービーム・パルスの発振周波数の
差は、 Δｖ＝Δｎ　、／（ｄ　ｎ　、／ｄ　ｖ　）となり、　
従って、 円周２πＲを有するリング共振器に対するサニヤック効
果のスケール・ファクターと比較し。

を得る。

数値例：　λ＝　６００［ｎｍ］−＋　ｖ　＝　５Ｘ　
１０”［Ｈｚ］；　Ｒ＝０．５［＋ｎ］、　　Ｑ　＝６
０［μｍ］、　　ｄ　ｎ、／ｄ　ｖ＝ｄ　ｎ／ｄ　ｖ　
＝４ＸｌＯ−１７［ｓ］　（６００ｎａ＋に対して石英
ガラステは）：あるいは、　リング面積Ａ２πＲ２を用
いて、と表される。

サニヤック効果ではΔシ＝２シΩＲ／ｃ０である。

面積Ａを持ったあらゆる形状に一般化され、Δν＝４Ω
Ａ／（Ｐ・λ）となる、　二こに、　Ｐはリング共振器
で形成されるビーム路の長さである。ショウ（Ｗ、Ｗ　
Ｃｈｏ豐）他による上記文献を参照せよ。

＝　１０’（＋） これは、同一条件であれば、新しい効果は６桁高い感度
を示すことを意味する。

［Δνの絶対値の数値例コ ｉ土Ｊ：　　Ｒ＝０．５［ｍ］、Ω＝　２π［ｓ−”］
、　ｖ　＝　５Ｘ　１０１４［Ｈｚ］（６００［ｎｍ］
） ａ）サニヤック効果： Δｖ＝２ｖ・Ω・Ｒ／ｃ　ｏミ２・５１０”・３／３・
ＩＱ”＝」」工日 ｂ）新しい効果 △ν＝２ΩπＲ２／（ｃ　０−Ｑ　−ｄ　ｎ、、／ｄ　
ｖ　）ここに、　Ｑ＝６０［μｍ］。

ｄ　ｎ　、／ｄ　ｖ　ｚ　ｄ　ｎ　／ｄ　ｖ　＝４ｘ　
１０−１７［ｓ］６００ｒ＋ｍに対して石英ガラスでは （シｌΔシ＝４０（り） 第２例・　緯度５０”であることを除き、他はすべて上
と同じ条件の回転している地球上のリングレーザａ）サ
ニヤック効果： Δｖ　＝　ｔｏ７［Ｈｚｌ・５．６Ｘ　ＩＱ−’／２π
＝　鍾」鴻堕Ｊｂ）新しい効果： Δ　ｖ　　＝　　１．２５Ｘ　　ｔｏ”［Ｈｚコ・５．
６Ｘ　　ＩＱ−’／２ｘ＝辷」差１隻１韮０ （ν／Δν　＝　４．５Ｘ　１０’） 第３例：宇宙船および潜水艇に対しては、　１０−４［
ｄｅｇ／ｈ］の分解能および１０−’［ｄｅｇ／ｈｌの
安定度（レーザー・ジャイロ（または機械的ジャイロ）
の−殻内な能力に比べてｌ乃至２桁高い、ショウ（Ｗ、
　ＷＣｈｏｗ）他による上記文献を参照せよ、）が要求
される。

→　Ω　＝　　（１０−’・ｘ　　／１８０）／３６０
０［ｓ−’］＝　４．８Ｘ　　ＩＱ−”［ｓ−’］ ａ）サニヤック効果 Δ　ｖ　　＝ＩＯフ［Ｈｚｌ・４．８Ｘ　　１Ｏ−ＩＯ
／２Ｗ＝Ｌ二五」と≦工Ω ｂ）新しい効果： Δｖ　＝　１．２５Ｘ　１０”［Ｈｚｌ・４．８Ｘ　１
０−”／２π＝鰭画工ね これらの数値例から、新しい効果を使用するリングレー
ザー・ジャイロは、ある種の用途に要求される。以前で
は達成できなかった感度を容易に達成できることがわか
る３周波数や波長のシフトは様々な手段で検出できる０
回転速度が速い場合、周波数差は非常に高いため、高い
技術を用いて初めて測定される。　この場合、　レーザ
ー技術の分野では公知の波長計、例えば３つのファプリ
ー・ベロ干渉計またはフィゾー干渉計を用いた波長計が
問題なく使用でき、パルス・レーザービームの波長を検
出できる。パルスが非常に短いため、非常に広いリング
すなわち明暗の縞が生じるが、多くのパルスにわたって
平均することにより、この回折縞の中心位置は、高パル
ス周波数（特に６０〜１００［ＭＨｚ］）によって、１
％（１／１ｏｏ）以上の精度で正確に定められる。

回転速度が比較的低い場合、通常の周波数差の計測方法
が個々のパルスの間に位相ロックループを挿入して適用
される０両方法の中間域では、同様な周波数測定および
波長測定が共に使用できる。

Δλ／λ≦ＩＱ−４の非常に低い回転速度に対しては、
周波数計数方法が問題なく使用できる。

新しい効果のスケール・ファクターは、共振器空洞内に
おける分散素子の光路の長さＱがＲに比べて、すなわち
、共振器の円周の光路長に比べて小さいため、　さらに
、　ｄｎ／ｄνがｎ／νに比べて小さいため、サニヤッ
ク効果に比べて高い値で得られる。新しい効果で得られ
る感度をすべて使用しようとすると、　これらの２つの
値には、　これらの温度依存性のため、ミリケルビン（
ｍＫ”　）範囲での温度安定性が要求される。同時に、
ボンピング出力が、増幅器および吸収体において熱に変
換され。

非常に安定化される。

色素レーザーを用いるため、　自由液体ジェットを有す
る吸収体は、音響及び機械的「ノイズ」に対して非常に
良い吸収性を有する必要があり、それらを変化父から保
護する。　このようなノイズが除去できない場合１色素
レーザーの代わりに色中心レーザーなどの固体レーザー
を使用し、　また、適当な種類の色中心を有する結晶体
を可飽和吸収体として使用するのがよい０色中心レーザ
ーはレーザーダイオード（二よってそれ自体がボンピン
グされ、概して能動的および受動的成分としては固体物
質のみが使用される。勿論、適当なバンド幅を有すると
き、他のレーザーや吸収体材料も使用できる、上述の説
明および逆伝搬パルスを有する位相結合レーザーの公知
の特徴、から、　レーザーと吸収材料を適当に連結する
ことは、当業者にとって難しいことではない。

第２図は、　この発明の一実施例によるリングレーザー
・ジャイロ１００の模式図である。第２図のリングレー
ザー・ジャイロは、　４つのミラー１１２　ａ、　　ｌ
　］　２　ｂ、　　ｌ　ｌ　２　ｃ、　　］　１２　ｄ
で形成されたリング共振器１１２を有する。　ミラー１
１２ａ乃至１１２ｃはレーザービームを完全に反射する
が、　ミラー１１２ｄはわずかに、例えば数％の透光性
を有する。　ミラー１１２ｂと１１２ｃの中間には、約
４０μＩ厚の能動的色中心レーザー媒質ｌ１４が設けら
れる。　ミラー１１２ｃと＋１２ｄの中間には、可飽和
吸収体１１６として、適当な種類の色中心を有する約４
０μＩ厚の結晶体が配置される０色中心レーザー媒質は
、　レーザーダイオードを有するボンピング放射源１３
０によって、光学的に励起される。　レーザー媒質１１
４及び吸収体１１６の他に、　リング共振器のビーム空
洞は分散光学素子を全く持たない。

一部透光性ミラー１１２ｄによって外部結合された逆回
転レーザービームパルスの部分１２０゜１２２は、検出
装置１３２内で処理される。検出手段は全反射ミラー１
３４及び２枚の半透光性ミラー１３６，１３８を備え、
　これらは図に示されるように配置され、　２本の外部
結合されたレーザービームは２次電子マルチプライヤ−
等の光検出器１４０に照射され、干渉してビートを発生
する。

その周波数は、外部結合されたレーザー放射パルスの発
振周波数の差に対応する。

半透光性ミラー１３８を通過した外部結合された放射１
２２の部分は、一方向に循環するレーザー放射の波長に
応じた電気的出力信号を供給する上述したタイプの波長
計装置１４２に照射される。

勿論、上述の実施例は、この発明の要旨の範囲内におい
て、様々な修正を加えることができる。

しかし、空洞内に設けられる全分散素子の厚さ（レーザ
ー共振器の空洞の方向に測定される）、つまり、可飽和
吸収体あるいは同じ効果を有する素子の厚さは、　レー
ザー共振器の円周に比較して小さくなければならない、
能動的レーザー媒質の厚さについても同様である。　レ
ーザー放射パルスもまたレーザー共振器の円周に比較し
て短くなければならない。

レーザー共振器の円周が１００〜２００　ｃ　ｍ、　　
可飽和吸収体及びレーザー媒質の厚さがそれぞれ１０〜
１００μｍ、パルス幅はできるだけ短く、例えば数ナノ
秒ないしサブピコ秒の範囲のとき、良い結果が得られた
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、　この発明のレーザー・ジャイロを示す略図
。 第２図は、　この発明のレーザー・ジャイロの好適な実
施例を模式的に示す図である。 １１２・・・リング共振器、　１１４・・・レーザー媒
質、１１６・・・吸収体、　１３０・・・ボンピング放
射源、＋３’２・・検出装Ｌ ＦＩＧ、１

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）閉じた空洞を形成する光共振器（１１２）と、レ
   ーザー（１１４、１３０）を含み、前記共振器（１１２
   ）内を反対方向に循環する２つのレーザー発振パルスを
   発生させる手段と、前記共振器（１１２）の回転の関数
   としての前記レーザー発振パルスの周波数および波長の
   少なくとも一方のパラメーターの変化を測定する装置（
   １３２）とを備えるリングレーザー・ジャイロにおいて
   、定在波を共振器（１１２）内に固定する手段（１１６
   ）を備えることを特徴とし、前記レーザー共振器（１１
   ２）に対して反対方向に循環する前記レーザー発振パル
   スから前記定在波が生じるリングレーザー・ジャイロ。
2. （２）前記固定手段（１１６）が、分散性、凝縮媒質を
   有する請求項１記載のレーザー・ジャイロ。
3. （３）前記固定手段が可飽和吸収体を有する請求項１記
   載のレーザー・ジャイロ。
4. （４）レーザー手段が、前記レーザー共振器内に設けら
   れた能動的レーザー媒質（１１４）を有する請求項１記
   載のレーザー・ジャイロ。
5. （５）前記固定手段（１１６）内の光路長が、前記共振
   器の閉じたビーム路の長さに比べて小さい請求項１記載
   のレーザー・ジャイロ。
6. （６）レーザー発振パルスの長さが、共振器の閉じた空
   洞に比べて小さい請求項１記載のレーザー・ジャイロ。
7. （７）前記共振器（１１２）及び前記分散素子（１１４
   、１１６）の温度を安定化する手段が設けられた請求項
   １記載のレーザー・ジャイロ。
8. （８）前記光共振器（１１２）内の前記能動的レーザー
   媒質（１１４）及び前記固定手段が固体素子である請求
   項１記載のレーザー・ジャイロ。
9. （９）レーザー共振器の空洞が、前記固定手段（１１６
   ）及び前記能動的レーザー媒質の他に、分散素子を全く
   持たない請求項１記載のレーザー・ジャイロ。