JPH0642567B2

JPH0642567B2 - リングレ−ザ−ジャイロの磁場変化感応度低下装置

Info

Publication number: JPH0642567B2
Application number: JP60505045A
Authority: JP
Inventors: ジーコート，ローレンス
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1984-09-12
Filing date: 1985-09-09
Publication date: 1994-06-01
Anticipated expiration: 2009-06-01
Also published as: EP0192770A4; JPS62500209A; EP0192770B1; CA1250939A; EP0192770A1; US4698823A; DE3581189D1; WO1986001947A1

Description

【発明の詳細な説明】発明の分野本発明は、リングレーザージャイロを塔載した航空機の
飛行中に、地球の磁場によって発生する変化等の、磁場
を変化に対するリングレーザージャイロの感応度を低下
させる装置に関し、特に、地球の磁場の変化に対する、
リングレーザージャイロの感応度を低下させることによ
り、ジャイロのかたよりを軽減すると同時に、その精度
を高めるようにした特異な装置に関する。

発明の背景レーザー空胴内の反対方向に、２種類のコヒーレント光
ビームを伝播するリングレーザージャイロを利用するこ
とは知られており、例えば、チャス・シー・ワング(cha
s C.Wang)により成された、「Ring Laser Having Frequ
ency Offsetting Means Inside Optical Path」と称す
る1968年５月14日に発行された米国特許第3,382,758号
明細書に記載されている。

レーザー空胴は、一般に、多角形の平面に対して直角を
成す感回転軸を中心とする、三角形または四辺形等の多
角形を成している。

適切なレーザー媒体は、上記のように、反対方向に向か
う２つのコヒーレント光ビームを発する。

各ームは、出発点に戻り、リングレーザーの軸回転によ
って回転と同一方向に向かい、反対方向に向かうビーム
が短路を走行する間に、長路を走行するようになる。

ビームの飛程の違いにより、リングレーザー空胴の回転
速度に比例して、両ビームの差の周波数が生じる。次
に、逆方向に回転するビームは、ビートを引出すように
ヘテロダイン化されてから、レーザー空胴から出る。

そのため、リングレーザージャイロの回転速度は、これ
に正比例するビート周波数により決定される。

例えば、リングレーザージャイロを、空港機内で使用す
ると、飛行中に、地球磁場の変化に遭遇する。

磁場が変化すると、逆回転ビーム間に、非相反性の移相
が生じ、ビートの周波数変化として現われる。

地球磁場に対するリングレーザージャイロの感応性につ
いては、従来認識されており、ジャイロをバイアス磁場
にさらすことにより、感磁場性を排除し得ることを教示
したものがあるが、これについては、ヴァージル・イー
・サンダース(Virgil E.Sanders)により成された、「Fo
ur Mode Zeeman Laser Gyroscope With Minimum Hole B
urning Competition」と称する1980年７月22日に発行れ
た、米国特許第4、213、705号明細書の30乃至39ページを
参照されたい。

また同じ発明者により成され、1980年６月２日に出願さ
れた米国特許願の継続出願として、1982年11月19日に出
願された、「Zeeman Multioscillator Ring Laser Gyro
Insensitive To Magnetic Fields And Deturning Freq
uencies」と称する、米国特願第443、057号明細書には、
レーザー媒体アイソトープの特殊な組合せを利用して、
磁場に感応しないリングレーザージャイロを形成する発
明が、開示されている。

上記解決法には、いずれも長所があるが、別の解決法も
ある。

発明の概要本発明は、逆回転ビームの移相を引起こす種々の要因を
評価した結果、発明され立証されたものである。

これらの要因には、例えば、地球がつくり出す磁場、レ
ーザービームの伝播方向、およびレーザービームを形成
する偏光の楕円率が含まれる。

レーザービームの非相反移相に相応して、周波数が変わ
ることから、磁場による移相を、排除または軽減すれ
ば、ジャイロは、磁場に感応しなくなる。

上記要因のうち、地球磁場の変化に対する対応策は余り
なく、わずかに、磁気しゃへい容器にジャイロを入れ
て、これを排除しようとしたものがあるにすぎない。

また、伝播レーザービームの指向性についても同様であ
る。

ちなみに指向性とは、磁場方向に向かうビームの周波数
が増加し、反対方向に向かうビームの周波数が減少する
性質があることを指す。

最後の偏光の楕円率については、考慮の余地がある。

リングレーザージャイロの偏光ビームは、直線状である
ことが望ましいが、種々の要因によって、この理想形状
がくずれる。

上記要因には、鏡の複屈折率、鏡の半面度、入射面に対
し直角な偏光鏡と、平行な偏光鏡との相対的反射率、お
よび磁場の存在により、レーザービームが、レーザー媒
体内で回転することに起因するファラデー効果が含まれ
る。

逆回転レーザービームの最も望ましい成分は、入射面に
対して直角を成す線形偏光成分であることが知られてい
る。換言すると、入射面と平行する偏光を反射させなく
することが望ましい。

本発明は、リングレーザージャイロの鏡の最大反射周波
数を、レーザ周波数より若干大きいまたは小さい値に変
えることにより、平行偏光の反射を低減するとともに、
直角偏光を多く反射する鏡にしなければならない必要性
を満たせるという意外な発見の効果である。

図面の説明以下の説明および図面から、本発明の目的および利点が
より理解されよう。

第１図は、代表的リングレーザージャイロアセンブリの
横断面図である。

第２図は、本発明に使用される、複屈折性鏡の反射率と
周波数との相関曲線である。および第３図は、リングレーザージャイロの偏移と、鏡の相複
屈折率との相関曲線である。

好適実施例の説明第１図は、本発明を具体化するリングレーザージャイロ
スコープに使用できる、ヘリウムネオンレーザー等の、
代表的ガスレーザー(10)を示している。

レーザーは、四辺形のレーザー走路または空胴を形成す
る４本の通路(14)で構成された、低熱膨張材本体(12)内
に形成されるが、三角形状にすることも可能である。

通路(14)を密閉し、大気圧を約760トールとして、約３
トールの真空で、約90％のヘリウムと10％のネオンで構
成される、レーザー媒体を形成する混合ガスを保持す
る。

公知のレーザー方式に従い、レーザー空胴を形成する通
路(14)には、公知要領で本体(12)に固定された２つの陰
極(16)(18)、および陽極(20)(22)が設けられている。

上方通路(14)の陰極(16)と陽極(20)の間、および下方通
路(14)の陰極(18)と陽極(22)との間で放電させる。

本体(12)の両側に、ゲッタ(24)(26)を設けて、通路(14)
内の不純物を除去することできる。

鏡(28)(30)(32)および(34)は、四辺形空胴の四隅に置か
れて、レーザービームを、リングレーザージャイロ(10)
の通路(14)内に導く。鏡(28)と(34)を使用して、それぞ
れ時計方向および逆時計方向に伝播されたレーザービー
ム(36)(38)を反射させる。鏡(30)には、飛程制御装置の
一部として、鏡を出入りさせる圧電素子(40)が取付けら
れている。

鏡(32)の反射率は、その表面に入射するレーザービーム
(36)(38)の一部が、鏡を通過して、ヘテロダイン結合す
ることにより、回転情報を与えられるように、特に高く
なっている。

ビーム(36)は、高反射性鏡(32)を通過して、外部鏡(42)
にあたり、ビームスプリッタ(44)から、フォトダイオー
ド(46)に反射される。

同様に、ビーム(32)は、鏡(32)を通過して、第２外部鏡
(48)にあたり、ビームスプリッタ(44)に反射された後、
再反射されて、ビーム(36)とほぼ同直線状になる。これ
らビームは、同時にフォトダイオード(46)にあたり、ヘ
テロダイン作用によって、ビート周波数を発生する。

ヴィ・イー・サンダース(V.E.Sanders)によって成さ
れ、本発明と同じ譲受人に譲渡された、「Multioscilla
tor Ring Lasr Gyro Output Information Processing M
ethod」と称する、1978年10月31日に発行された、米国
特許第4,123,162号の明細書に記載されているように、
フォトダイオード(46)によって、ビート周波数を検波
し、回転量決定論理回路(50)によって、リングレーザー
ジャイロの回転量を決定する。

レーザービーム(36)と(38)とは、理想的には、レーザー
空胴内の各鏡から反射される、光の入射面に対して直角
を成す直線方向に偏光されるが、地球の磁場を含む多く
の要因によって、その直角偏光から回転して、平行およ
び直角成分を有する楕円偏光ビームを形成する。

本発明によるリングレーザージャイロ(10)を、例えば航
空機内で使用すると、飛行中に、地球磁場の変化に遭遇
して、上記のように、偏光ビームが回転するとともに、
ビームが移相して、その周波数が変わる。

リングレーザージャイロ(10)は、周波数変化によって、
所望の回転情報を与えるため、磁場に起因する周波数の
変化は、度／時間で表わされ、かつ傾斜度と称される、
望ましくないジャイロ出力誤差を表わす。

移相は、次式で求められる。

移相＝ＢＫ楕円偏光式中、Ｂは、地球の磁場を表わし、Ｋは、伝播レーザー
ビームの伝播方向単位ベクトルである。

また「楕円偏光」は、リングレーザージャイロ(10)内に
おいて、鏡が反対方向に回転するレーザビームに与える
作用である。

楕円偏光には、鏡の複屈折率、鏡の平面度、直角および
平行偏光鏡の反射率、およびレーザー媒体内における偏
光ビームのファラデー回転等のサブ要因がある。

上記要因を熱慮すると、地球の磁場Ｂ、または伝播レー
ザービームの作用方向Ｋを操作するだけでは、移相をな
くせないことが分かる。しかし、鏡の楕円偏光は操作で
きる。

第２図は、四分の一波長厚の複屈折物質から成る代表的
鏡の反射率と周波数とをプロットしたものである直角偏光の反射率(Rs)は、平行偏光の反射率(Rp)に比し
て、広い周波数範囲にわたって、最高値に近い数値を示
していることがわかる本発明は、複屈折性の鏡のこの特徴を利用し、鏡の反射
率が、レーザー周波数以外の周波数で最高値に達するよ
うに設計してある。

例えば、ヘリウムネオンビームは、6,328オングストロ
ームで作動する。

好適実施例では、リングレーザージャイロ(10)の鏡は、
ヘリウムネオンレーザー周波数とは異なる周波数で、反
射率が最高になるように構成されている。

例えば、6,400オングストロームを利用すると、直角偏
光の反射率(Rs)は、0.999865から0.99865へ変化し、平
行偏光の反射率(Rp)は、0.99865から0.96へ変化する。

好適実施例では、鏡(28)乃至(34)は、17層の複屈折性四
分の一波長層で構成されており、そのうちの１枚以上の
鏡については、レーザー周波数とは異なる周波数で、反
射率が最高値に達するように達成する。

Ｒｓを、可能な最高値に留めることが肝要である。

鏡の最大反射周波数の変化によって、Ｒｓが激減した場
合は、四分の一波長反射層の数を増すことにより、Ｒｓ
を上げることができるが、Ｒｐも、Ｒｓに比例して上昇
する。

第３図は、鏡を、１ガウスの磁場にさらした場合の、度
／時間単位のレーザー傾斜度と、度／鏡単位の鏡相複屈
折率とをプロットしたものであり、直線は、Ｒｓ＝Ｒｐ
＝1.0の場合の、鏡傾斜度と鏡複屈折率との関係を表わ
したものである。

第３図から、ＲｓとＲｐとの値が近似している場合のリ
ングレーザージャイロのかたよりは、Ｒｓ値が若干低
く、Ｒｐ値がかなり低い場合より、実質的に大きいこと
がわかる。

鏡の形状の重要性が明白になった。

Ｒｓが最大値に、およびＲｐが最小値になるように、鏡
を構成することにより、平行偏光Ｒｐの反射を少なくす
ると同時に、直角偏光を反射するリングレーザージャイ
ロ鏡(28)乃至(34)の能力を、かなり向上させることがで
きる。

このためには、鏡の設計周波数を、レーザー周波数か
ら、若干低いまたは高い数値に変えるだけでよく、Ｒｓ
曲線のピークが低下する程大幅に変えてはならないが、
Ｒｓをある程度下げるに充分な程度、変える必要があ
る。

第３図のプロットは、コンピュータが数式に基づき出し
たものであるが、研究室実験により、その正確さが実証
されている。

第３図は、本発明を説明する目的で組入れたものであ
る。

以上、本発明を説明したが、種々の変形を加えることが
でき、ヘリウムネオンレーザー以外のレーザーも使用で
きる。

また、四辺形のレーザー空胴の代わりに三角形その他の
多角形の空胴にすることができる。

さらに、空胴内の鏡については、単一平面に置く必要は
ない。

したがって、本発明は、添付の請求の範囲のみに限定さ
れる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザー空胴、所定周波数で前記レーザー
空胴に、少くとも一つのレーザービームを伝播する手
段、および前記空胴内にあって、前記レーザービーム
を、前記空胴に導く鏡から成り、前記レーザービーム
が、前記鏡の入射面に対して、直角に偏光された第１成
分と、前記入射面と平行して偏光された第２成分とを備
える偏光ビームを有するように構成された磁場変化に対
するリングレーザージャイロの感応度を低下させる装置
において、前記鏡が、前記レーザー所定周波数から若干変わった周
波数で、前記直角および平行偏光ビームの最高反射率を
有しており、その場合、前記直角偏光ビームの前記反射
率は、その広い応答特性の結果、殆んどその最高値の近
傍の値に留まっており、他方前記平行偏光ビームの前記
反射率は、その狭い応答特性の結果、減少しており、そ
れによって前記磁場の変化が反射した偏光ビーム上に弱
い影響しか与えないようにしたことを特徴とする装置。
【請求項２】前記空胴内のレーザービームが、単一平面
にあることを特徴とする請求の範囲第（１）項に記載の
装置。
【請求項３】前記少くとも１個のレーザービームが、前
記空胴内に、逆方向に伝播される２個のビームを含むこ
とを特徴とする請求の範囲第（１）項に記載の装置。
【請求項４】前記レーザー空胴が、四辺形を画成する４
本の通路を含むことを特徴とする請求の範囲第（１）項
に記載の装置。
【請求項５】前記レーザー空胴が、三角形を画成する３
本の通路を含むことを特徴とする請求の範囲第（１）項
に記載の装置。