JPH07504269A - 金属薄膜マスクによるレーザ強度モニタ装置 - 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】 金属薄膜マスクによるレーザ強度モニタ装置発明の分野 本発明はリング響レーザ・ジャイロスコープに関するものであり、更に詳しく言 えば、レーザ強度モ二り装置に関するものである。

発明の背景 リング・レーザージャイロスコープの例がキルパトリック（Ｊ、Ｋ１１ｌｐａｔ ｒｉｃｋ）へ付与された米国特許第３．３７３，８５０号およびボドウゴルスキ −（Ｔ、Ｐｏｄ＄ｒｏｒｓｋｉ）へ付与された米国特許第３．３９０，６０６号 に示され、説明されている。リング・レーザ・ジャイロスコープの不可欠な部分 はレーザ・ビーム源すなわちレーザービーム発生器である。１つの種類のレーザ 発生器は電極と、複数の反射鏡に組合わされたガス放電空胴とを備える。この組 合わせは閉じた光学的ループ経路を構成する。ガス放電空胴は複数の相互連結ト ンネルすなわち相互連結穴を有するレーザ・ブロックにより一般に形成される。

今日のリングのレーザ・ジャイロはレーザ作用ガスを満たされたガス放電空胴を 採用している。そのレーザ作用ガスは、１つの電極からレーザ作用ガスを通って 別の電極へ流れる電流により励起された時に、イオン化される。複数の反射鏡が 正しく整列されているならば、閉じた光学的ループ経路に沿って逆向きに進む、 二つの互いに逆向きに伝わるレーザ・ビームが発生される。互いに逆向きに伝わ る各レーザ・ビームは、空間モードと呼ばれることがあるいくつかの光ビームで 構成されることがある。ＴＥＮ、。モードと一般に呼ばれている（基本空間モー ドとも呼ばれる）最も中心のモードは最大量のエネルギーを含み、リング響レー ザ・ジャイロの動作のための最大の値のものである。

リング・レーザ・ジャイロ装置の一実施例は、複数の反射鏡の間の距離を変化す ることにより、閉じた光学的ループ経路の長さを僅かに変化できる経路長制御器 と呼ばれる装置を含む。経路長が正しく設定されることを確保するために、複数 の反射鏡の１つを出る互いに逆向きに伝わるレーザ・ビームの一方の一部の強さ を観察するために、放電空胴ヘレーザ強度モニタが適切に結合される。そのレー ザ強度モニタは反射鏡を出るレーザ赤ビームのＴＥＭ、。モードのみを感知すべ きであることが望ましい。Ｔ　Ｅ　Ｍ　ｏ　ｏモードの強度を基にして、ＴＥＭ ｏ。モードが可能な最大エネルギー量を常に含むように、経路長が調整される。

これを達成するために、互いに逆向きに伝わるレーザ・ビームの一方のＴＥＭ。

。モードのみがモニタされる。２つ以上の空間モードが同時にモニタされたとす ると、リング・レーザージャイロはＴＥＭ、。モード以外のモードにおけるエネ ルギーを最大にするように、経路長を調整しようとすることがある。これは、Ｔ ＥＭｏ。のみがモニタされる場合よりも、低い精度の指示をモードリング・レー ザ・ジャイロに与えるであろう。

これまでは、レーザ強度モニタ装置は、光検出器が内部に装着される外囲器を構 成するパッケージ内に含まれていた光検出器で構成されていた。外囲器は光検出 器の感光面の前方にその感光面と全体として平行な透明窓を更に含んでいる。

透明窓の外面にマイラーマスクが接着剤で取り付けられる。マイラーマスクは全 体として不透明な写真のネガに類似しており、ＴＥＭａ。モードだけを通させる 寸法および形の開口部が設けられる。

一般に、光検出器のパッケージは、部分的に透過性である反射鏡を有する鏡基板 へ取り付けられる。その鋺基板は放電空胴を構成するレーザ・ブロックへ固定さ れる。光検出器がレーザ・ビームに応答するように、光検出器パッケージはレー ザービームのうち、前記したように反射鏡を出る部分に対して位置させられる。

不幸なことに、マイラーマスクとこの組立体にはいくつかの欠点がある。まず、 透明な窓の上にマスクを平に保つことは極めて困難である。マスクを窓へ取り付 けるために接着剤が使用されるから光学的効果を低下させることがある気泡がマ スクと窓の間に捕えられることになる。更に、マスクの端部がまくれ上がる傾向 もある。マイラーマスクの熱膨張係数と窓の熱膨張係数の違いのために、モニタ が湿度変化を受けるとそれらの作用は更に強くなる。更に、マイラーマスクはき れいにすることが困難であるばかりでなく、放射を受けると曇ることにもなる。

また、マイラーマスクが不完全であると光が散乱してジャイロの動作に誤差が生 ずることになる。

発明の概要 この出願の発明においては、レーザ強度モニタは光検出器を囲む光検出器パッケ ージで構成される。パッケージは、光検出器／（ブケージの外部部材を部分的に 構成するため、および光検出器パフケージ内部に固定されている光検出器へ光が 入射できるようにするための窓を含む。入射光ビームのある空間モードを弁別す るために、選択された寸法および形の開口部を有する薄膜無反射金属マスクが窓 の上に付着される。薄膜金属マスクは、パッケージの内壁または外壁を部分的に 形成する窓のいずれかの側に付着される。ＪＨ無反射マスクの使用により光の散 乱は最小にされ、かつ放射によりほとんど影響されな〜１から宇宙での用途も良 く適する。

図面の簡単な説明 図１は本発明のレーザ強度モニタの一実施例を示すリング・レーザ・ノヤイロス コープの横断面図である。

図２は本発明のレーザ強度モニタの別の実施例を示すリング・レーザ・ジャイロ スコープの横断面図である。

図３は本発明のレーザ強度モニタの一実施例を示すリング・レーザ・ジャイロス コープの横断面図である。

図４は本発明の別の実施例の光検出レーザ強度モニタ装置の横断面図である。

図５は図４の光検出レーザ強度モニタ装置の平面図である。

発明の詳細な説明 リング・レーザ・ジャイロスコープの一部として本発明の光検出レーザ強度モニ タ装［１１０を用いる方法を示す。先に説明したように、レーザーブロック３０ は、ボドゥゴルスキー（Ｔ、ｐｏｄｇｏｒｓｋｉ）へ付与された米国特許第３゜ ３９０．６０８号に記載されているように、反射鏡２０２を含む複数の反射鏡と 共に、互いに逆向きに伝わる一対のレーザービーム３５，３６を供給する。

図１に示すように、光を伝える基板２００はブロック３０へ固定される。光を伝 える基板２００は両側の主表面２０１と２１６を含む。第１の主表面２０１は適 当に研磨され、光学的に被覆されて、ビーム３６の大部分をビーム３５とは逆の 向きへ反射させるための部分的に透過性である反射鏡２０２を構成する。同様に 、ビーム３５の大部分はビーム３６とは逆の向きへ反射される。

透明窓１６が表面２１Ｂに並置されるように光検出器パッケージ１１が基板２０ ０へ固定される。光検出器パフケージ１１とマスク２４の開口部１００ｈ（正し く整列されているから、反射鏡２０２を透過して、それを出た光ピームシよ透明 窓１６と開口部１００を通って光検出ｎ１２の感光面２０へ入射する。マスク２ ４が存在するために、互いに逆向きに伝わるレーザ・ビームの一方からのビーム だけ、図１に示すように、たとえば、ビーム３５が光検出１１１２の感光面２０ に入射することを許される。入射するビームの光の強さが変化するにつれて、光 検出器１２はその出力をそれに従って変化する。

次に、光検出器パッケージの窓側の部分平面図が示されている図５を参照する。

透明窓１６の内面４０１に薄膜無反射金属マスク２４が付着されている。黒色ク ロムの反射率が低いから、それは好適な無反射金属マスクであるが、関連する技 術において周知の他の無反射金属も使用できる。イオンビームースノずツタリン グ、電子ビーム蒸着、などのような薄膜真空蒸着技術により薄膜無反射金属マス ク２４を透明窓１６へ付着できる。これも周知の技術である印刷プロセスを同様 に用いても薄膜無反射金属マスク２４を付着できる。薄膜無反射金属マスク２４ の厚さは全体として数オングストロームからおよそ０．１ｍｍ（数ミル）である 。

この厚さは放電空胴の寸法と、その空胴中で発生されるレーザのノくツー出力特 性とを基にして選択される。開口部１００の直径は全体として数オングストロー ムからおよそ０．１■■（数ミル）である。開口部１００の寸法も、とくに放電 空胴の寸法と、その空胴中で発生されるレーザのパワー出力とを基にして選択さ れる。それは空間モードの空間寸法特性を決定する。本発明においては、０，３ ％またはそれ以下の光を透過させ、金属膜の反射率を１５％またはそれ以下（す なわち、８５％を吸収する）にするような膜の厚さで満足できる結果を得ること ができる。

前記したように、薄膜無反射金属マスク２４には、レーザ・ビームの強さの空間 モード弁別を行えるようにするための開口部１００が設けられる。互いに逆向き に伝わるビームの一方からの光だけを光検出器へ入射させることができる限り、 開口部を任意の形にできることを理解すべきである。本発明の好適な実施例にお いては、開口部の形はレーザ・ビームのＴＥＭｏｏモードのみを透過させるよう なものである。

透明窓１６の上に付着された薄膜無反射金属マスク２４は、従来採用されていた マイラーマスクの代わりである。もとるん、マイラーマスクを無くすと、マスク を透明窓１６へ取り付けるためにめられていた接合工程も無（される。更に、透 明窓１６の上に付着されている無反射金属２４は一層耐久性のあるマスクであっ て、以前に使用されていたマイラーより掃除しやすい、その上に、レーザ強度モ ニタ装置ＩＯは、無反射金属マスク２４の熱膨張率が、以前に使用されたいたマ イラーの熱膨張率よりも、透明窓１６の熱膨張率により一層類似するから、レー ザ強度モニタ装置は広い温度範囲で動作できる。したがって、同一の温度変化に さらされた時は、無反射金属マスク２４における関口部１００の歪みはマイラー マスクにおける開口部の歪みより小さい。更に、透明窓１６のガラス表面は非常 に平で、精密なパターンを付着できるから、散乱は減少し、反射が減少する。そ のためにジャイロ全体の性能が高（なる、ガラスへ直接付着された′ｉＩｉＭ無 反射金属マスク２４はマスクを放射に対して強クシ、マイラーマスクとは興なっ て、放射にさらされてもマスクは曇らない。

図２は本発明のレーザ強度モニタ装［１０の別の実施例を示す。図２の実施例は 図１の部品と同じ番号を付して有する。図１に示されている実施例は、薄膜無反 射金属マスク２４が透明窓１６の、表面４０１ではなくて、表面４０２へ付着さ れていることを除き、図１に示されている実施例に類似する。薄膜マスク２４は 窓全体を覆っているものとして示されているが、基板２００へ正確に接着するこ とはめられない。

本発明の更に別の実施例が図３に示されている。この実施例は図１の部品を同じ 番号を付して有する。しかし、図３においては、窓１６は図１の反射１１２００ の代わりに用いられる。図３に示すように、光ビームを受けるために光検出器パ ッケージ１０はレーザ・ブロック３０へ直接固定される。透明窓１６は主ｉ１ｉ ＋４０２を有する。この主面は光学セメント、ブリブトシール、その他の固定手 段によりレーザーブロック３０へ固定される。窓表面４０２は適当に研磨され、 かつ光学的に被覆されて、図１の反射鏡２０２と同様に機能する部分的に透過性 である反射１１３１３０２が取り付けられる。透明窓１６は主面４０２とは反対 側の主面４０１も有する。その主面は光検出器パッケージ１．　Ｉの内面を部分 的に形成する。

図１と図５を参照して先に説明した薄膜無反射金属マスクに類似する薄膜無反射 金属マスク２４、透明窓」６の窓表面４０１へ、図１を参照して先に説明したの に類似するやり方で付着される。マスク２４の開口部１００がビーム３５または ３６のいずれかに適切に整列させられているから、光検出器パブケージ１１と、 窓１６へ付着されている反射鏡３０２と、光検出器１２の感光面２０との組合わ せを含むレーザ強度モニタ装置は、入射ビームの光の強さを前記したのと同じや り方でモニタする。

次に、光検出器１２を含む光検出レーザ強度モニタ１０の側面図が示されている 図４を参照する。光検出器パッケージ１１はコツプ形外囲器１４を透明窓１６と 共に備える。その窓は光検出器１２をパッケージの内部に密封し、または環境か ら保護する。薄膜無反射金属マスク２４は、本発明に従っておよび図５に示すよ うに、透明窓１６の表面４０１または４０２へ付着される。図に示すように、透 明窓１６は感光面２０と相対的に平行であるが、それの間の幾何学的関係は重要 ではない。光検出レーザ強度モニタ装＋１１０は外囲器１４から延長するリード 線２２を有する。それらのリード線２２は光検出器１２へ電気的に接続され（図 示せず）で、感光面２０へ入射する光の強さに応じて光検出器出力信号を供給す る。

光検出器１２はＵＤＴコーポレーンロン（ＵＤＴ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）か ら入手できる部品（部品番号ＰＩＮ７７８８−１またはＰＩＮ７７８８−２）で あることに注目すべきである。それらの部品は二重光検出器であるから、２つの 素子が単一の素子として動作するように、それらを電気的に接続する必要がある 。単一素子光検出器は上記２部品と同様に動作することを指摘せねばならない。

更に、外囲器１４はＮＴＫコーボレーシ１ン（ＮＴＫ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉ。

ｎ）から入手できる部品（部品番号ＩＴＫ−０３ＦＬ−００４，４Ａ）であり、 透明窓１６は京セラ株式会社により製作できる。そのような部品の組立はハネウ ェル社（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ　Ｉｎｃ、）により製作されたリング拳レーザ・ジ ャイロにおいて一般に採用されている。

本発明をそれの好適な実施例に関連して説明したが、以下の請求の範囲において 定められる発明の要旨および範囲に入るその他の実施例が存在することを理解す べきである。

国際調査報告　１１ＦＴ／ｌｌｅ　６１１ｎ５９＋Ｃフロントページの続き （７２）発明者　キンセラ、ピータ−・ジエイアメリカ合衆国　５５４５４　ミ ネソタ州・ミネアポリス・サウス　ファースト　ストリート・ナンバー８０３・ １９２０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．感光面（２０）へ入射するレーザ・ビームに応答する光検出器（１２）と、 この光検出器（１２）を囲む光検出器バッケージ（１４）であって、その光検出 器パッケージの内面と外面の一部をそれぞれ形成する第１の表面（４０１）と第 ２の表面（４０２）を有する透明窓（１６）を含み、前記光検出器を固定する光 検出器パッケージ（１４）と、 前記透明窓を通る前記レーザ・ビームの一部のみを通して前記光検出器（１２） が受けることができるようにする選択された形および選択された寸法を持つ開口 部（１００）を有し、前記透明窓（１６）の前記第１の表面と前記第２の表面の 選択された一方の上に付着されたほぼ不透明な薄膜無反射金属マスク（２４）と 、を備え、前記光検出器が前記透明窓を通る前記レーザ・ビームに応答するよう に、前記窓は前記光検出器に対して位置させられるレーザ強度モニタ装置。 ２．前記透明窓（１６）が選択されたガラス材料である請求の範囲１記載のレー ザ強度モニタ装置。 ３．前記透明窓（１６）がサファイアまたはサファイアに類似の材料である請求 の範囲１記載のレーザ強度モニタ装置。 ４．前記無反射金属マスク（２４）が黒色クロムである請求の範囲１記載のレー ザ強度モニタ装置。 ５．前記無反射金属マスク（２４）は前記透明窓（２６）の前記第１の表面（４ ０１）の上に配置され、前記透明窓（２６）の前記第１の表面（４０２）の上に 部分的に透過性である反射鏡（２０２）が配置される請求の範囲１記載のレーザ 強度モニタ装置。 ６．前記開口部（１００）の前記選択された寸法および形は、前記レーザ・ビー ムのただ１つの選択された空間モードを前記光検出器へ入射させることを許す請 求の範囲１記載のレーザ強度モニタ装置。 ７．互いに逆向きに伝わる一対のレーザ・ビームを供給するレーザ・ブロック（ ３０）と、 入射する前記互いに逆向きに伝わるレーザ・ビームをほとんど反射して閉じた光 学的ループ経路を部分的に定め、かつ入射する前記互いに逆向きに伝わるレーザ ・ビームの少なくとも一方の一部である第１のレーザ・ビームを透過させる部分 的に透過性である少なくとも一つの反射鏡手段（２０２）を有する、前記プロッ ク（３０）へ固定される透過性反射鏡基板（２００）と、光検出レーザ強度モニ タ装置（２０）と、を備え、この光検出レーザ強度モニタ装置（２０）は、感光 面へ入射する前記第１のレーザ・ビームの少なくとも一部に応答する光検出器（ ２０）と、 この光検出器（１２）を囲む光検出器パッケージ（１４）であって、その光検出 器パッケージの内面と外面の一部をそれぞれ形成する第１の表面（４０１）と第 ２の表面（４０２）を存する透明窓（１６）を含み、前記光検出器を固定する前 記光検出器パッケージ（１４）と、 前記透明窓を通る前記レーザ・ビームの一部のみを通して前記光検出器（１２） が受けることができるようにする選択された形および選択された寸法を持つ開口 部（１００）を含み、前記透明窓（１６）の前記第１の表面と前記第２の表面の 選択された一方の上に付着された不透明な薄膜無反射金属マスク（２４）と、を 含み、前記光検出器（１２）が前記透明窓（１６）と前記開口部（１００）を通 る前記第１のレーザ・ビームの部分に応答するように、前記窓（１６）は前記光 検出器に対して位置させられるリング・レーザ・ジャイロレーザ強度モニタ装置 。 ８．前記透明窓（１６）は選択されたガラス材料である請求の範囲７記載のレー ザ強度モニタ装置。 ９．前記透明窓（１８）はサファイアまたはサファイアに類似の材料である請求 の範囲７記載のレーザ強度モニタ装置。 １０．前記無反射金属マスク（２４）は黒色クロムである請求の範囲７記載のレ ーザ強度モニタ装置。 １１．前記開口部（１００）の前記選択された寸法および形は、前記レーザ・ビ ームのただ１つの選択された空間モードを前記光検出器（１２）へ入射させるこ とを許す請求の範囲７記載のレーザ強度モニタ装置。 １２．互いに逆向きに伝わる一対のレーザ・ビームを供給するレーザ・プロック （３０）と、 感光面（２０）へ入射するレーザ・ビームの少なくとも一部に応答する光検出器 （１２）と、 この光検出器（１２）を囲む光検出器パッケージ（１４）であって、その光検出 器パッケージの内面と外面の一部をそれぞれ形成する第１の表面（４０１）と第 ２の表面（４０２）を有する透明窓（１６）を含み、前記光検出器を固定する前 記光検出器パッケージ（１４）と、 光を通すことができるようにする選択された形および選択された寸法を持つ開口 部（１００）を含み、前記透明窓（１６）の前記第１の上に付着されたほぼ不透 明な薄膜無反射金属マスク（２４）と、前記透明窓（１６）の前記第２の表面（ ４０２）へ固定される部分的に透過性の反射鏡手段（２００）と、 ｉ）入射する前記互いに逆向きに伝わるレーザ・ビームをほとんど反射して閉じ た光学的ループ経略を部分的に定め、かつ前記鏡手段（２０２）に入射する前記 互いに逆向きに伝わるレーザ・ビームの少なくとも一方の一部である第１のレー ザ・ビームを透過させるように前記透過性反射鏡手段（２０２）が配置されて前 記光検出器パッケージ（１４）が前記レーザ・ノロック（３０）へ固定され、ｉ ｉ）前記光検出器（１２）が前記透明窓（１６）と前記開口部（１００）を通る 前記第１のレーザ・ビームの少なくとも選択された部分に応答するように、前記 窓（１６）の前記簿膜無反射金属マスク（２４）の前記開口部（１００）は前記 第１のレーザ・ビームに対して位置させられる、リング・レーザ・ジャイロ。 １３．前記透明室（１６）は選択されたガラス材料である請求の範囲１２記載の リング・レーザ・ジャイロ。 １４．前記透明窓（１６）はサファイアまたはサファイアに類似の材料である請 求の範囲１２記載のリング・レーザ・ジャイロ。 １５．前記無反射金属マスク（２４）は黒色クロムである請求の範囲１２記載の リング・レーザ・ジャイロ。 １６．前記開口部（１０）の前記選択された寸法および形は、前記レーザ・ビー ムのただ１つの選択された空間モードを前記光検出器（１２）へ入射させること を許す請求の範囲１２記載のリング・レーザ・ジャイロ。 １７．前記透明窓（１６）は前記レーザ・ブロック（３０）へ直接固定される請 求の範囲１２記載のリング・レーザ・ジャイロ。