JPH0716052B2 - リングレ−ザ角速度計 - Google Patents

リングレ−ザ角速度計

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JPH0716052B2
JPH0716052B2 JP59125597A JP12559784A JPH0716052B2 JP H0716052 B2 JPH0716052 B2 JP H0716052B2 JP 59125597 A JP59125597 A JP 59125597A JP 12559784 A JP12559784 A JP 12559784A JP H0716052 B2 JPH0716052 B2 JP H0716052B2
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/081Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors
    • H01S3/083Ring lasers

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Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は少くとも3個の反射鏡により構成された環状
光路に互に反対方向に二つのレーザビームが回転進行さ
れ、その二つのレーザビームの周波数差を検出して入力
角速度を検出するリングレーザ角速度計、特に上記二つ
のレーザビームのロックイン周波数の大きさに応答して
ロックイン周波数を表わす信号を発生する信号発生器及
びそのロックイン周波数を表わす信号によりロックイン
周波数を低減させるようにビームをシフトし、又は反射
鏡をビームに対して移動させる手段を備えたリングレー
ザ角速度計に関する。
「従来技術」 リングレーザ角速度計は例えば第1図に示すように三つ
の反射鏡1,2及び3が正三角形の各頂点に配されて環状
光路11が構成され、レーザビーム(右回り光)が反射鏡
を1,3,2,1と順次反射されて環状光路11を回転進行さ
れ、この右回り光と同一周波数のレーザビーム(左回り
光)が反射鏡を1,2,3,1と順次反射されて環状光路11を
回転進行される。これら右回り光と左回り光との周波数
差が検出され、その検出出力により環状光路11の軸心12
を中心とする入力角速度が測定される。
入力角速度が小さくなると、右回り光と左回り光との周
波数が一致してしまうロックイン現象が生じ、入力角速
度を測定することができなくなる。このロックイン状態
になる最高周波数をロックイン周波数と呼ぶ。ロックイ
ン現象は反射鏡に微小な散乱源が存在し、これにより散
乱された光が、右回り光と左回り光とで互に混入するこ
とにより生じる。
従来においてレーザビームを環状光路内でシフトさせ、
もしくはビームに対し反射鏡を移動させることにより、
各反射鏡からの散乱波の合成振幅を小さくすることによ
りロックイン周波数を低減させることが提案されてい
た。この場合ロックイン周波数の大小に関する情報は、
レーザの環状光路がディザーバイアス(機械的振動)に
より回動される時に発生するウィンキングパターンの大
小により得ていた。
ウィンキング現象とは、レーザ角速度計の環状光路を互
に逆向きに走行するレーザビームが互にロックしている
状態で、レーザの環状光路が回転されるとその回転に伴
なってレーザの強度が変化し、ロックイン周波数を超え
る量の回転が加わった瞬間にほとんど0入力時の光強度
にもどる現象をさし、そのレーザの強度変化の大きさが
ロックイン周波数の大きさに対応するとされてきた。つ
まりウィンキングパターンはレーザの環状光路の回動に
対して直線的な変化をすると考えられていた。
「発明が解決しようとする問題点」 しかし各種の実験、研究の結果、レーザの環状光路の回
転方向に伝播するレーザのウィンキングパターンは従来
報告されているように一様に光強度が減少するばかりで
はなく、反射鏡と光の位相関係とによって、回転に対し
パターンが折れ曲ったり或は方向が逆転したりする現象
があることが判明した。このようにウィンキングパター
ンがレーザの環状光路の回転に対し、直線的でない場合
は、ロックイン周波数の最小値とウィンキング強度の最
小値とが一致しなくなる。このため単にウィンキング強
度により、ロックイン周波数を低減させるようにレーザ
ビームをシフトさせたり、反射鏡をレーザビームに対し
移動させてもロックイン周波数を最小とすることはでき
ない。
この発明の目的はロックイン周波数を真に最小値にする
ことができるリングレーザ角速度計を提供することにあ
る。
「問題点を解決するための手段」 この発明によればレーザ環状光路を構成するすべての反
射鏡の散乱率が等しく、また右回り光と左回り光に対す
る異方性がなく、つまりその散乱率の二つのレーザビー
ムに対する割合がそれぞれ等しく選定されている。
以下この発明によればロックイン周波数を真の最小値に
することが可能となることを説明する。
環状光路11の右回り光と左回り光の強度と位相に関する
自己無撞着方程式はよく知られているように次の
(1),(2),(3)式で表わされる。1 =(C/L)I1{α1−β1I1−θ12I2−2ρ2cos(φ+
ε2)} …(1)2 =(C/L)I2{α2−βI2−θ21I1−2ρ1cos(φ−
ε1)} …(2) =Ω+τ21I1−τ12I2−(C/L){ρ2sin(φ+ε2
+ρ1sin(φ−ε1) …(3) ここでα:正味の利得、β:自己飽和、τ:相互押し出
し、I:無次元の光強度、Ω:入力角速度、ε:散乱付加
位相、ρ1=r1(I1/I2)1/2,ρ2=r2(I2/I1)1/2,r:後方
散乱率、C:光速、L:環状光路11の光路長、添字1,2はそ
れぞれ右回り光、左回り光に対応する記号に付加したも
のである。
ロックイン状態では=0,=0また正三角形の環状光
路11を例に取ればラム定数は右回り光、左回り光に対し
て等しく(4)〜(6)式が成立つ。
α−βI1−θI2−2ρ2cos(φ+ε2)=0 ……(4) α−βI2−θI1−2ρ1cos(φ+ε1)=0 ……(5) Ω+τ(I1−I2)+(C/L){ρ2sin(φ+ε2)+ρ1s
in(φ−ε1)}=0 …(6) また3枚の反射鏡により構成された正三角形の環状光路
11の場合の散乱付加位相の反射鏡変位依存性は(7),
(8)式で表わせる。
ここでa,b,cはそれぞれ反射鏡1,2,3に対するものであ
る。同様に散乱率の反射鏡変位依存性は(9),(10)
式で表わせる。
ここでεa,εb,εc,ra,rb,rcはそれぞれ3枚の反
射鏡1,2,3に対する付加位相及び散乱率であり、添字1,2
はそれぞれ右回り光、左回り光に対応する。なお正三角
形の場合3枚の反射鏡1,2,3のそれぞれの付加位相の反
射鏡変位依存性は(11)〜(16)式で表わせる。
ここでεpは散乱源に固有な散乱時の付加位相で反射鏡
の変移に対し変化しない。Sa〜Scは各反射鏡の代表散乱
源による散乱時の初期位相、h1,h2は第1図に示すよう
に反射鏡1,2の各法線方向における変位で、環状光路11
の内側に向う場合を正としている。λはレーザの発振波
長である。一般に反射鏡1,2はそれぞれ平面鏡であり、
その法線方向に移動可能に設けられ、反射鏡3は曲率数
mの凹面鏡である。
ウィンキング特性及びロックイン周波数の反射鏡変位依
存性を求めるには(4)〜(6)式を(7)〜(16)式
を用いて数値解析により求める。(4)〜(6)式は自
己無撞着方程式であり、解析的にパラメータ依存性を得
ることは難しい。そこでまず散乱率が等方的で、3個の
ミラーの散乱率が等しい場合として、Sa〜Sc=0,εpa
εpc=85°,r1=r2,ra=rb=rcとした時のウィンキン
グパターンと、ロックイン周波数とのh2の依存性の例を
第2図に示す。これは中心周波数動作(h1=0)の場合
である。この第2図ではウィンキング強度が最小の時の
h2でロックイン周波数は最低値となっている。このこと
から解るように三つの反射鏡1,2,3の散乱率ra,rb,rc
が等しく、等方的、即ち右回り光、左回り光の反射鏡変
位依存性が等しくr1=r2であればウィンキング強度とロ
ックイン周波数は対応する。
次に散乱率に異方性があり3個のミラーの散乱率が等し
くない場合として、Sa=Sb=0,Sc=30°,εpa〜εpc
85°,ra1≠rb1≠rc1,ra2=rc2≠rb2,ra1≠ra2,rb1
≠rb2,rc1≠rc2とし、h1=0の状態におけるウィンキ
ングパターンとーロックイン周波数とのh2依存性を求め
た例を第3図に示す。ウィンキングが入力回転に対し折
れ曲り、ロックイン周波数の最小を示すh2の位置とウィ
ンキング強度が最小となるh2の位置とが対応していない
ことが解る。
以上の説明から反射鏡1,2,3の散乱率(後方散乱率)
ra,rb,rcが等しく、かつ後方散乱率の右回り光と左回
り光とに対する割合r1,r2が等しく、つまり異方性の少
ないものとすることによりロックイン周波数を真に最小
値にすることが可能となる。ロックイン周波数を最小に
する手段は従来用いられている手段と同様にすればよ
い。
その一例を第4図を参照して簡単に説明する。結晶化ガ
ラス13内にほぼ正三角形の各辺を構成する通路14,15,16
が形成され、これら通路は一つの連続した放電空間を構
成し、かつこの放電空間は環状光路11を構成している。
通路14,15,16の各交差点位置に反射鏡1,2,3が設けら
れ、これら反射鏡1,2,3の後方散乱率ra,rb,rcがほぼ
等しく、かつ後方散乱率の右回り光と左回り光とに対す
る割合r1,r2が等しく選定されており、通路14の中間部
に陰極17が、通路15,16の各中間部に陽極18,19がそれぞ
れ設けられている。この環状光路11を構成している放電
空間内にレーザ媒質が封入され、陰極17と陽極18,19と
の間にそれぞれレーザ放電が行われ、左回り光と右回り
光とが得られる。一つの反射鏡3から右回り光及び左回
り光の各一部が取出され、これら取出されたレーザビー
ムは互に干渉され、その干渉縞の移動速度及びその方向
により入力角速度の大きさ及び方向が測定される。
反射鏡1,2はそれぞれ例えば圧電形駆動器21,22の可動部
に取付けられ、それぞれその反射鏡の法線方向に往復移
動できるようにされている。例えば発振器23の出力によ
り制御回路24を通じて圧電形駆動器21を駆動して環状光
路11の光路長を変化させ、例えば第1図で光路11を11′
に変化させ、その時の反射鏡3よりの出力光を受光素子
25で受光して電気信号に変換し、その出力を増幅検波器
26で増幅検波し、その出力が最大となった点で反射鏡1
の移動を停止させる。次にレーザの環状光路を回動しな
がら発振器23の出力を制御回路24を通じて駆動器21へ供
給し、反射鏡1を法線方向に往復移動させると共に、発
振器23の出力を反転回路28で位相反転し、その出力制御
回路29を通じて駆動器22へ供給し、反射鏡2を法線方向
に反射鏡1と逆に往復移動させる。つまり例えば第1図
で光路11を光路11″に変化させるように環状光路11の光
路長を一定に保持しながら、反射鏡1及び2を法線方向
に往復移動させる。その時の増幅検波回路26の出力を包
絡線検波回路27で包絡線検波し、つまり第2図、第3図
に示したレーザの環状光路の回動に伴って発生するウィ
ンキングの強度を検出し、これが最小となった時点で反
射鏡1,2の移動を停止する。この時ウィンキング強度と
ロックイン周波数の大小関係が正しく対応していれば、
この状態はロックイン周波数が最低の状態である。
この発明では先に述べたように反射鏡1,2,3の後方散乱
率を等しくし、かつその各後方散乱率の右回り光と左回
り光とに対する割合が等しくされているため、ロックイ
ン周波数の大小関係とウィンキング強度が正しく対応し
ており、真のロックイン周波数の最低値が得られる。な
お反射鏡1,2,3を取付ける前に予めレーザ発振に必要な
周波数領域での後方散乱率とその入射光の方向依存性を
計測しておき、これらの中から後方散乱率がほぼそろっ
たものを選び出し、更にそのうちの最も異方性の少い方
向を組合せて反射鏡1,2,3として使用する。このように
してロックイン周波数を従来の悪い場合と比較して例え
ば半分以下にすることができる。上述ではウィンキング
の強度が小さくなるように反射鏡1,2を移動させたが、
例えば特開昭53−18397号公報や特開昭59−5684号公報
に示すように、光ビームを空間に対し、移動させ、つま
りシフトさせてもよい。このためには例えば1つの反射
鏡をその面内で環状光通路の接線方向に移動させて行
う。
「発明の効果」 以上述べたようにこの発明によれば、h2の変化に対し、
ロックイン周波数の最低位置と、ウィンキング強度の最
小位置とを合わせることができるから、ウィンキングの
大きさを用いてロックイン周波数の真の最低値を求める
ことができ、それだけ小さい入力角速度をも測定するこ
とができる。また各反射鏡を取付ける前に後方散乱率と
入射光の方向依存性を計測して、これらの中から後方散
乱率がほゞそろったものを選び出し、そのうち最も異方
性の少ないものを組み合わせて反射鏡として使用するか
ら組立後の調整が簡単になり、生産能力を高めることが
できる。
【図面の簡単な説明】
第1図はリングレーザの反射鏡と環状光路との関係を示
す図、第2図及び第3図はそれぞれ反射鏡2の変化に対
するロックイン周波数及びウィンキング強度の変化を示
す図、第4図はこの発明のリングレーザ角速度計の一例
を示すブロック図である。 1,2,3:反射鏡、11:環状光路、21,22:反射鏡を変化させ
る駆動器、25:受光素子、26:増幅検波回路、27:ウィン
キング信号強度検出用包絡線検波回路。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】少くとも3個の反射鏡により環状光路が構
    成され、この環状光路を二つのレーザビームが互に反対
    方向に回転進行し、その二つのレーザビームの周波数差
    を検出して、上記環状光路の軸心を中心とする入力角速
    度を検出し、かつ上記二つのレーザビームのロックイン
    周波数の大きさに応答してロックイン周波数を表わす信
    号を発生するロックイン周波数信号発生器及びそのロッ
    クイン周波数信号によりロックイン周波数を低減させる
    ように上記レーザビームをシフトもしくは反射鏡をレー
    ザビームに対し移動させる制御手段を備えたリングレー
    ザ角速度計において、上記すべての反射鏡の各後方散乱
    率及び各後方散乱率の上記二つのレーザビームに対する
    割合がそれぞれほぼ等しく選定されていることを特徴と
    するリングレーザ角速度計。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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