JPS6044840B2 - リングレ−ザジヤイロ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 この発明はリングレーザシャー川こおける改良に関し
、より特定的には共振器構造が利得媒体表面に設けられ
かつ回転が測定されるリングレーザジャイロスコープに
関する。

先行技術の説明 従来リングレーザジャイロスコープまたはジヤイロは
、レーザ光が反対方向に向けられる閉じた光ループまた
は経路の一部としてレーザと組合わせて製造されてきた
。

この光経路が回転感度の軸についての基準である固定さ
れたフレームに関して回転するようにさせられると、閉
じた光ループ内を一方方向に伝播するレーザ光はよく知
られているサグナツク（Ｓａｇｎａｃ）効果に従つて、
一方方向においては他方方向におけるよりも速くその光
経路を伝播するように現われる。したがつて各方向にお
けるレーザ光の周波数は、回転速度に関連し得る量を相
対効果のために変換される。理想的には、逆伝播光ビー
ムは単一モードのものであるべきである。しかし散乱や
他の現象のために、以下に説明されるように、両ビーム
内の光を単一モードにしておくことは極めて困難である
。逆伝播ビームは同一モードのものであるので、ジヤイ
ロの初期回転速度が小回転速度、たとえば程度において
毎時２０度に落ちると、現在のレーザジャイロには２つ
の逆回転モードの１モードロツキング（ＭＯｄｅｌＯｃ
ｋｉｎｇ）ョまたは１ロツクイン（１０ｃｋ−１ｎ）ョ
と呼ばれる現象が現われる。

モードロツキングは逆回転光ビームが同一周波数で互い
にロツクまたはつながる現象であり、ジヤイロ出力をゼ
ロにする。モードロツキングの効果を減少させる試もの
ために多くのジヤイロが改良されてきており、たとえば
米国特許第３，７４１，６５７号および３，８４５，８
１鰐、米国特許第４，１３２，４８？には、ジヤイロの
ロツクイン特性と等しい速度でジヤイロを振わせること
によつてモードロツキングを減少させる典型的な方法が
示されている。言及されたように、レーザジャイロにお
ける不正確さの原因となる１つの問題は、第１次の結合
効果としての或るモードから他のモードへのフオトンの
散乱であ。散乱はたとえばレーザ空洞内の，不純性また
は非同質性が原因で起こり、その結果或る方向に伝播す
るフオトンが他の方向に伝播するフオトンに干渉し、レ
ーザリングから現われる光の説明を不可能ではないにし
ても困難にする。空間的は１ホールバーニング（ＨＯｌ
ｅ−Ｂｕｒｎｉｎｇ）ョは、同様に説明を困難にする原
因となる第２次の結合効果である。

１空間的ホールョは、差周波数が小さい、たとえば低回
転速度であるときに、２つの逆回転モードがレーザ空洞
内において縦波を発生するので、リングレーザ内におい
て形成されまたは１燃焼ョされる。

このような空間的ホールを訂正する試みとして、少なく
とも自由走行ルビーレーザの場合においては、固定され
た外部ミラーを取付けて音声周波数励振器でルビーを縦
方向に前後に物理的に振動させることによつて１空間的
ホールョが分散して存在するということを防止できると
いうことが発見されていた。 レーザジャイロの不正確
さの他の原因であ”る１周波数ホールバーニングョは、
レーザ放誘放出による非同質性の上位グループの選択的
な減少に起因する。リンクレーザジャイロにおいて、も
し利得分布のピークが回転が減少するにつれて右方向お
よび左方向の移動モードの間に集中されれるなら、２つ
の１ホールョの間で重なりが生じて、１つのモードが他
のモードを消失させる。１モード・プリング（ＭＯｄｅ
ｐｕｌｌｌｎｇ）Ｊは、データ解釈における不正確さの
原因となるさらに他の現象であ。

１モード・プリングョはレーザ空洞”内の変則的散乱に
起因する周波数シフトであり、測定要素に響響を与える
が、そかしその影響は一般的に適当なジヤイロの設計に
よつて補償される。

これらの影響を補償するために、ジヤイロにバイアスを
かけて低速度での回転を高速にすることが特に堤案され
てきたが、しかし過去に用いられたバイアス技術はジヤ
イロのコストを増加させ、またさらに装置の信頼性がし
ばしば減少された。

堤案された補償バイアス技術の１つの例が、米国特許第
３，３７３，６５吋に示されている。米国特許第４，０
１３，３６５号に示されるように、データジャイロの部
品に光フアイバリンクを用いることが堤案されている。
しかしそのようなフアイバリングによつてもたらされる
ノイズや散乱効果などが、重大な問題となつていた。極
めて低損失の光フアイバを製造することに多くの努力が
払われた結果、１キロメートル当たり０．２ｄｂ程度の
極めて低損失のシリカゲルマニウム（Ｓｉｌｌｃａ−Ｇ
ｅ）のような材料が発見されるに至つた。ＺｎＣｌのよ
うな他の材料は、理論的には同様に１キロメートル当た
り０．０１ｄｂよりも低い散乱損失を示すはずである。
ロツクイン、バイアスドリフトおよび測定要素変数に生
じる問題点を軽減するためにジヤイロ改良に関して向け
られた１つの努力が、ＡｐｐＩｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓｌ
Ｌｅｔｔｅｒｓ，５／１／７７のＲＰａｓｓｉｖｅＲｉ
ｎｇＲｅｓＯｎａｔＯｒＬａｓｅｒＧｙｒＯｓｃＯｐｅ
Ｊという題のＥｚｅｋｉｅｌ等の記事に示されている。

その中でＥｚｅｋｉｅＩなどは、一方が異なつた利得媒
体と接続され、他方がフアブリ・ベロ一の干渉計と接続
される２つの異なつたリングまたは空洞を、回転検出要
素として示している。発明の｛既要 したがつて上の観点から、この発明の主な目的は改良さ
れたリンクレーザジャイロを堤供することである。

この発明の他の目的は、周波数ホールバーニングおよび
空間的ホールバーニング効果が減少される形式のジヤイ
ロを堤供することである。

この発明の他の目的は、周波数ロツクインおよびフオト
ン散乱が減少される形式のジヤイロを堤供することであ
る。

この発明のさらに他の目的は、単一モードの逆回転光ビ
ームが維持される？振器構造のすぐ近くに利得媒体が位
置する形式のジヤイロを堤供することである。

この発明のさらに他の目的は、低価格で製造できかつ信
頼性のある出力が得られる形式のジヤイロを堤供するこ
とである。

この発明の上述の目的およびその他の目的、特徴および
効果は、添付の図面および請求の範囲と併読することに
よつて以下の詳細な説明から当業者にとつて明らかとな
ろう。

以下の説明においてシリカガラス（またはシリカ）とい
う語は、ここに用いられるレーザ波長においてより大き
い反射率を持つ非常に光学的損失の低い誘電体物質のう
ちの１つを例示するものであり、材料の選択はシリカガ
ラスのみに限定されると解釈されるべきではない。

この発明の広い見地から、リンクレーザジャイロは、シ
リカガラスリングおよびそのシリカガラスリングを取り
囲む利得媒体を含むリング共振器構造を含んで示されて
いる。

シリカガラスリングは、リング内の光がリング内の光の
モードに依存する距離だけ利得媒体を貫通して、選択さ
れたモードのみが利得媒体内に連結されるように製造さ
れている。この発明の他の広い見地から、リンクレーザ
ジャイロに用いるための共振器構造が示されている。

共振器構造は、その表面が高度に磨かれたシリカガラス
シリンダを含む。シリカガラスシリンダは、選択された
モードのエネルギ励起のみの伝播を維持するような特定
の厚さおよび長さのものである。共振器はまた、シリカ
ガラスシリンダを取り囲む利得媒体を含む。一実施例に
おいて共振器構造は、そのリングの厚さによつておよそ
臨界角以外でそのリングの表面を照射する波長の光がリ
ング内に閉じ込められ、選択されたモードの光がおよそ
臨界角で利得媒体内に逃れるような形状にされる。好ま
しい実施例の説明 以下に詳細に説明するように、第７図に示されるような
この発明の一実施例によるジヤイロは、外直径よりも内
直径が約２センチメートル小さい、直径が約０．２メー
トルの、Ｚ軸（Ｚ軸はシリンダ軸である）に沿つて厚さ
の等しいシリカガラスリングを用いて形成される。

このリングは非常に高純度の応力除去シリカガラスを用
いて製造され、その全表面は非常に高度に磨かれる。シ
リカガラスはとりわけ極めて低い散乱損失を持ち、非常
に安定しており、また低い熱膨脹係数を持つているので
、この発明の共振器に用いる材料としては１つの良い選
択である。

しかし、他の物質もまた適当であろう。この発明による
ジヤイロの以下の説明いおいて、以下に示されるジヤイ
ロの動作の説明から明らかとなるように、屈折率および
反射率というような、誘電体リングの２つの光学的特性
が考慮されねばならない。

第１図には、シリカガラスの屈折率のグラフが示されて
いる。

第１図から、シリカガラスの屈折率は２００〜１２００
ナノメートルの波長の光に対して、約１．４５〜１．５
５の間でほぼ指数的に変化するということが理解される
。第２図には、材料、この場合においてはシリカガラス
の反射率のグラフが示されている。

一般的に表面から反射される光の量は、表面上での光の
照射角度に依存して変化するということが理解される。
したがつて臨界角ψｃ以下で、曲線１５および１６によ
つて示される反射された平行および垂直偏向光ビームの
一部は小さな照射角では比較的一定であるが、照射角が
臨界角に近付くにつれて１に近付く。臨界角以上では、
光は全体的に内部反射される。したがつて第３図に示さ
れるように、一般的な場合として、シリカガラスリング
１０は内部半径Ｂおよび外部半径Ａをもつて不されてい
る。

光ビーム１１はリング１０内で発生され、それらの中で
角度０で反射される。リング１０の寸法は、用いられる
特定の波長の光に対してその光ビームがリング１０を１
周伝播すると整数回数の反射が起こるように選択される
。したがつてそのように形成されたリングにおいて、特
定の光ビームはリング１０を伝播するいずれのときにも
同一の経路を伝播する。リングの中心から測定したリン
グの両側での隣り合つた反射の間の角度は、角度ψによ
つて示されている。さらに以下に詳細に説明されるよう
に、ＧＯＯｓ−Ｈａｎｃｈｅｎ効果により、平行性の波
がリング１０内での光の循環および反射によつて発生さ
れ、その平行性の波はリング１０の外半径Ａを越えて点
線１２によつて示される距離Ｚだけ延びる。１．３ミク
ロンの波長を持つ光がシリカガラスリング１０内に導入
されたとすると、シリカガラス−真空界面にとつての臨
界角は約７６１ミリラジアン（または約４３．６度）で
ある。

第３図の光線の図を用いて共振器を説明すると、臨界角
に非常に近い角度で外表面に入射するモードでは、リン
グを１周するのに約５０回の反射が起こる。言及したよ
うに、外直径および内直径は、臨界角に対して整数回の
回転ごとに整数回の反射が存在し、その積がＮであるよ
うに調整されている。この経路が繰返される前に含まれ
る波長の総数である主量子数はこの構造では１００万の
オーダであり、（１．３ミクロンの波長に対して）２５
０ＭＨｚオーダのモードの間に間隔を生み出す。この波
長でのシリカガラス屈折率は、約１．４５である。０Ｐ
ＴＩＫ，０１，３２，ｐｐ．１８９−２０４（１９７０
）に書かれたＲＢｅａｍＤｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａＴ
ＯｔａＩＲｅｆｌｅｃｔｉＯｎ，ｔｈｅＧ＆Ｈｅｆｆｅ
ｃｔ，ョにおいてＨ．Ｋ．ＬＯｔｓｃｈｅによつて詳細
に研究されたＧＯＯｓとＨａｎｃｈｅｎの理論に従つて
、光ビームが表面から反射されるときに、平行性の波が
その表面を越えて隣接媒体内に距離Ｚだけ延びる。

この結果は第４図に示されており、屈折率μｓを持つ緻
密な媒体２０が屈折率μＲを持つ希薄な媒体２１に隣接
して位置している。光ビーム２５は、点２８において緻
密な媒体２０の内表面２６を照射する。もしこの光ビー
ム２５が点２８で反射されると、光ビーム２５は反射後
点線２９に沿つて緻密な媒体２０内に戻る。しかしＧＯ
Ｏｓ−Ｈａｎｃｈｅｎ効果によつて、ビーム２５は希薄
な媒体２１内に少しの距離だけ現実に貫通したように観
測され、表面２６から垂直に測つて距離Ｚの点３０から
反射されたように見える。垂直に偏向された光に対する
距離Ｚ工は、で表わされる。

また平行に偏向された光に対する距離Ｚ／は、で表わさ
れる。

ここてＳｉｎＯｃ＝μγ／μｓであり、０ｃは臨界角で
あ。したがつて、垂直な場合において反射３５が反射の
方向線（点線２９）からずれる距離Ｄ１は、である。

また平行な場合のこの距離Ｄ／は、である。これらの式
から、希薄な媒体内への全内部反射での波の貫通は、臨
界角に近い角度の場合を除いて、ほぼ波長と同じである
ということが理解される。

臨界角に近い角度の場合には、非常に大きい貫通が存在
し、事実その深い貫通は数百波長にもなり得る。希薄な
媒体内に数百波長が貫通すると、リングはリングの外周
を取り囲む利得媒体と光学的に連結される。利得は明ら
かに利得媒体とリング内モードとの間の連結に比例する
ので、（リング周辺の適当な設計のために）大きな貫通
を持つモードが望ましく、小さな貫通を持つまたは貫通
のないモードは消失される。したがつてこの発明におい
ては、深い貫通を持つ１つの単一モードのみが励起され
る。このモードが伝播するとき、回析の結果臨界角を越
えてモード外のフオトンが結合され、そのため接線の光
線はそのモードを逃れるように見える（損失のメカニズ
ムならびに外界からその構造につながるための手段を与
える）。リングの内表面からの反射は臨界角内では十分
であり、この領域内へのビームの貫通はほぼ波長と同じ
である。表面のほぼ１００波長内であるモード量の部分
は、ガスレーザの放電によつて強く励起される。

放電のための全角度空間は、約１ミリメートルまたは２
ミリメートルの厚さ（１，０００〜２，０００ミクロン
）であると思われ、したがつてその領域は全ガス放電量
の５〜１０％と接続されると考えられる。モードと組合
わせる回析角は約５０マイクロラジアンであり、操作可
能なモードは臨界角内のほぼその各距離だけ中心よりの
ものと思われる。

第５図のグラフに示されるように、平行および垂直偏光
ビームは、ほぼ指数的にシリカガラスからその表面の希
薄な媒体内に貫通する。したがつて第４図および第５図
から、平行偏光モードは垂直偏光モードよりも強く連結
されるということが理解される。さらに、放電に対する
結合において約２０％の変化がそのモードに対する１回
析限度内で起こると、強いモード選択が起こる。ＣＯＯ
ｓ−Ｈａｎｃｈｅｎ効果は、反射での位相のシフトをま
た導き出すということを注意されるべきである。

説明したリングに対する回転ごとのこの位相のシフトの
割合は、２×π×３５７ＭＨｚ１すなわち反射ごとに５
０マイクロラジアンであると概算される。もしシリカガ
ラスリング１０の寸法が入射角が臨界角（第２図参照）
よりもわずかに小さくなるように選択されるなら、すべ
ての光はリングから接線方向に逃れるようになる。

光がリングから接線方向に存在するので、出力機構は第
６図に示される方法で用いられる。示されたように、逆
回転光波の存在は参照番号４０および４１によつて示さ
れている。１対の曲面鏡４５および４６がシリカガラス
リング１０に隣接して位置し、存在しているビームは鏡
４５および４６上に落ちてビーム分割器／連結器４８上
で反射される。

この場合においてビームは分割器／連結器４８を通過す
る曲面鏡で反射されたビーム４１と分割器／連結器４８
から反射されている曲面鏡で反射されたビーム４０とに
よつて結合され、検出器（図示せず）に向かう。第７図
には、この発明によるジヤイロの他の実施例が示されて
いる。

図示された実施例において、内部チヤンバ６０は内部シ
リカガラスシリンダ６１と外部シリカガラスシリンダ６
３との間に規定されている。上述されたように内部の高
純度のシリカガラスシリンダ６１は共振器構造を成形し
、またシリカガラスシリンダ６１に隣接するチヤンバ６
０はレーザ空洞を形成する。示された実施例において、
チヤンバ６０はヘリウム●ネオンプラズマ（図示せず）
などのようなレーザガスを含んでいる。空洞６０の頂部
および底部はシリカガラスリング７０および７Ｈミよつ
て密封されており、それぞれの複数のアノードおよびカ
ソード部７３および７４がリング７０および７１の半径
の中央に沿つた位置に配置されている。各カソードおよ
びアノード部は放電を確実にするように直列抵抗（図示
せず）で接続されており、それによつてチヤンバ６０内
のヘリウム●ネオンプラズマに対する励起エネルギを維
持する。上述した方法において、空洞６０内に貫通する
平行性の波は、利得されるべき領域７８においてヘリウ
ム●ネオンプラズマと干渉する。

チヤンバ６０内に貫通しないシリンダ６１内の波は望ま
しくないモードを含んでおり、シリカガラスシリンダ６
１内においてそれらの継続を全く維持しなので消滅する
。したがつてシリカガラスシリンダ６１内の左回転のフ
オトンは矢印８０によつて示されており、また右回転の
フオトンはやじる８１によつて示されている。

図示のために第７図に示された実施例ノは、共振器リン
グ６１内の光が共振器６１とチヤンバ６０との間の界面
上に臨界角（第２図参照）に非常に近いがそれ以上の角
度で落ちて、それによつて共振器構造６１内の全内部反
射がわかるように構成されている。（たとえば、リング
１０内７の光がリングの接線方向に存在する第６図の実
施例を比較されたい。）リング６１からこの光を除去す
るために、２つのビツクオフ８３および８４が設けられ
て従来の方法で処理されるべき右および左方向に回転す
る２フオトンの各サンプルをそれぞれ除去する。

このピツクオフ８３および８４は、ＧＯＯｓ−Ｈａｎｃ
ｈｅｎ効果により、シリカガラスリング６１に隣接する
工バネセント（Ｅｖａｓｃｅｎｔ：次第に消えていく）
フイールド内にある右おつび左方向のエネルギを遮るよ
うに動作し、検出のためのこの除去されたエネルギを光
学的に連結する。数段階の実施例によつてこの発明が説
明されかつ図示されてきたが、ここにおける記述は例と
してのみなされたもので、各部の結合および配列におい
て多くの変更が前述の請求の範囲の説明の目的および範
囲から外れることなく当業者によつてなされ得るという
ことを理解されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、光の波長の関数としてシリカガラスの屈折率
ｎのグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 共振器構造を備えたリングレーザジャイロであつて
   、前記共振器は互いに逆方向に進む光ビームのための光
   学経路を与えるために高度に研磨された表面を有する誘
   電体の円筒状構造を含み、前記誘電体構造はエネルギ励
   起の選択されたモードのみの伝播を維持するような厚さ
   と長さのものであり、さらに、前記共振器は前記誘電体
   構造内の前記光ビームにレーザ励起を与えるための構造
   を境界付ける利得媒体と、前記共振器内の前記利得媒体
   によつて維持されている前記互いに逆方向に進む光ビー
   ムからエネルギを引出すための手段とを備えたことを特
   徴とするリングレーザジャイロ。 ２ 前記厚さのリングはほぼ臨界角以外の角度で前記リ
   ングの表面を照射する種々の波長の光を前記リング内に
   閉込めて、前記選択されたモードの光がほぼ臨界角で前
   記利得媒体内へ逃れ得ることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載のリングレーザジャイロ。 ３ 前記リングの厚さは全内部反射を有するようなもの
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のリ
   ングレーザジャイロ。 ４ 前記互いに逆回転する光ビームを引出すための前記
   手段は、そこから放射される光を反射するために前記リ
   ングの近くに１対の反射表面を含んでいることを特徴と
   する特許請求の範囲第２項記載のリングレーザジャイロ
   。 ５ 前記互いに逆回転する光ビームからエネルギを引出
   すための手段は、前記誘電体円筒によつて維持されてい
   る逆向きのエバネセント（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ：消え
   やすい）光波から遮るために、前記誘電体円筒に隣接す
   る手段を含んでいることを特徴とする特許請求の範囲第
   ３項記載のリングレーザジャイロ。 ６ 前記１対の反射表面は凹面境であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第４項記載のリングレーザジャイロ。