JPS6392902A - 鏡およびリングレーザジヤイロスコープ - 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】 この発明は、銃に関し、詳述すわば、リングレーザジャ
イロスコープに使用される鏡とそのリングレーザジャイ
ロスコープとに関する。

この発明の背景について説明すれば、平面偏光が面から
反射されるときに、偏光の２つの主要なモードが得られ
る。これらモードは、入射光の電気ベクトル（Ｅベクト
ル）と入射面の間の関係によって定義される。バッタワ
ース（Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ　）斜字出版によってｌ
り５５年に出版されたオー−ニス・ヘブン（０，Ｓ、　
Ｈｅａｖｅｎ　）による「固体薄膜の光学特性（０ｐｔ
ｉｃａｌ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｔｈ１ｎ　Ｓ
ｏｌｉｄＦｉｌｍｓ　）　Ｊで与えられた慣例を使用す
ると、ｐ偏光は、入射面の中にＥベクトルを有するもの
として定義され、日偏光は、入射面に直交するＥベクト
ルを有するものとして定義される。一般に、入射する放
射がｐ偏光または日偏光しているとすると、反射光の偏
向面は変化しない。しかしながら、面が磁気光学的に活
性な物質で作られているとすると、このことは成立たな
い。でらに、入射する偏光が、反射面以外のいずれかの
面の中で偏向しているとすると、反射された放射の偏向
面は、一般に、反射によって回転するであろう。

リングレーザジャイロスコープは、「ロックイン」の現
象を示し、低い回転率では、一つの反対方向に回転する
ビームは、同じ振動数に固定δれ、成る高い回転率に達
するまでは、振Ｌ・数の差は観測されない。「ロックイ
ン」は、二つのレーザビームの間の相互作用によるもの
であって、成る尚い回転率の上方でも、２つのビームの
間の相互作用の影響は、これらが目盛係数を非ＬＪＪ的
にすることによって示される。「ロックイン」の影１１
ｔ−ｔ、実際的には、バイアス機構を提供することによ
って克服できる。このバイアス機構を提供する最も普辿
に使用される方法は、現在では、リングレーザジャイロ
スコープに震え振動数を加えることである。しかしなが
ら、震えの代シとなるいくつかの非楼械的な方法が、す
でに提案され、その中で最も注目すべきは、いわゆる「
磁気鏡」である。

これは米国特許第、３、ｓ　！；　／、？　７３号で提
供され、これには、電磁スペクトルの赤外領域における
純鉄の磁気光学的特性の使用が曲水される。強磁性ガー
ネット材料を使用する代フの「磁気鏡」は、英国特許第
２ｏｏｂｔｔｓｂ号および米国特許第３．９コク、９４
６号の明細（に開示されている。

磁気鏡は、横向きカー効果によって、反対方向に回転す
るビームに微分位相変移を与えるが、それは、ビームが
ｐ偏光しているときだけである。

故に、この現象を利用するには、リングレーザジャイロ
スコープにｐ偏光モードのレーザビームすることが、本
質的な点である。こ名は、偏光のモードが出力管におけ
るブルースター角の窓の配向によって定められるような
、レーザを使用するモジュラ空洞では、難なく達成され
る。しかしながら、一体のレーザ使用空洞では、リング
レーザジャイロスコープ企て現在採用される鏡が、ｐ偏
光に対してよシもｅ偏光に対して大きな反射係数を示す
ので、８偏光モードのレーザが、優先的に使用される。

界面を形成する２つの誘電材料に対して、界面における
反射係数Ｒは、第４図に示すように、８偏光に対するも
のＲ８がｐ偏光に対するものＲｐよシ大きい。この差は
、比Ｒｐ　／　Ｒｅか常にｌよ）小はくなるように、異
なる屈折率を有するコつの誘を材料の７つ置きの層で作
られた、リングレーザジャイロスコープに使用される花
類の多層誘電鈍によって、増強される。しかしながら、
直角入射では、２つの偏光の間に区別は存しない。吸収
損失を考慮に入れると、Ｒｐ／Ｒｅの比は、ｌよシ小ぜ
いものにとどまるが、両方の偏光に対する反射率は、層
の数が増大するときに漸近的限界に到達する。これは、
コツベルマン限界として知られ、ｎ−コ、３およびに一
！；Ｘ／（ｆ’の高屈折率損失物質とｎ−／、ダ６の低
屈折率非損失物質と？有する積重ねに対して、かつＱｊ
’の入船角に対して、第１Ｑ図に図示される。

第ｉｏ図のグラフは、特定の値の反射率が必要なときに
１　ｐ偏光モードの反射のだめの鏡を形成する場合に、
多くの層の使用が必要であることを強調する。

この発明は、高および低○屈折率をそｎ−（れ有し低い
吸収率を共に有する、二つの誘を材料の７つ置きの層を
備えた、多峯誘％Ｊ（ＭＬＤ　）反射積重ねの使用を包
含する。鏡を、形成するため、各層は、放射の入船角を
考慮して、反射すべき放射の１／４波長の九芋的厚さを
有するように作られる。

良く知られているように、かかる配備によれば、ｐ偏光
およびθ偏光の双方に対して、論シ合う鳳・の昇面から
反射されるビームが強まシ、充分な数の層が使用されれ
ば、極めて高い反射率が得られる。鈍は、典型的ｒ（は
、ゼロドア（Ｚｅｒｏｄｕｒ　）の基体の上に二酸化チ
タン（Ｔ１０□）と二酸化シリコン（Ｓｉ　Ｏ２）の７
つ置きの腸を積層することＫよって、作ることができる
。屈折率の典型的な値は、Ｔｉ　Ｏ２に対してユ３から
コ、り、Ｓｉ　Ｏ２に対して／、ｌ１６である。損失係
数、複素屈折率（ｎ−１ｋ）のに１はそれそｒｔｓから
１０Ｘ１０　　およびｌから３Ｘ１０　　である。

一般にかかる鏡は、最外方のＴｉ　Ｏ□代の頂部上に８
１０．のユ／２波被覆ヲ有する。この層は、光学的には
何もせず、成る場合には不在層として知られる。その目
的は、下方のＴｌＯ２層を環境から保膿することにある
。かかる層は、以下のト明では考慮に入れず、これは、
問題の設計のいす１にも必要に応じ付加できると考えら
れる。

ｐ偏光モードのレーザｙ、　＆先約に使用する鏡を作る
ために提案された方法は、偏光に鋭敏な反射防止被栓の
使用を包含する（アイ・エム・ミンコフ（工、　Ｍ、　
Ｍｉｎｋｏｖ、　）光スはクトル（０ｐｔｉｃａｌＳｐ
ｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ　）　、米国、第３３巻第二号／
７５−１３ｇページ）。このように提案された多層訪亀
鏡は、日偏光モードに対してよシもｐ偏光モードに対し
て多くの反射をする三層反射防止被覆の繰返しを備える
。しかしなから、かかる鋭の層における光の吸収の形管
によって、提案は勢゛際的でなくなる。

この発明によれは、多尽誘［（Ｍ　ＬＤ　）反射積重ね
を有し、８偏光の反射に対してｐ偏光の反射を増強させ
るように設計された、鏡か提供される。

かくして、この発明によれは、空洞がｐ偏光モードのレ
ーザを優先的に使用し、故Ｋｐ向き磁気光学カー効果か
、反対方向に回転するビームのロックインの生起を防止
するＦＣ利用できるような、リングレーザジャイロスコ
ープが提供できる。

この発明による銑は、望ましくは、ｐ偏光の吸収に対し
て８偏光の吸収を増強させるように設計される。

この判°色は、酩牝付か軽い吸収性を有し、特に、高い
トｉ札率を有するものか、一般に、低い誘霜率を有する
ものよシ高い吸収率を有する、という奪東を使用する。

光学的振１１数において、透磁率を／とすｔｌは、材料
の訪雷率は、Ｅｌ折率の平方にほぼ等しい。ｐ偏光放射
に対して高い反射率を得るためには、吸収が優先的にＳ
偏光成分に対して増大して、これが反射率の水準を低減
宴せるようになシ、これかｐ偏光取分に対するものよシ
小でぐなるように、ＭＬＤ設計が変型される。

Ｍ　Ｌ　Ｄ反射積重ねの１つまたは多くの＆・の厚さは
、ｋ連の反射率から外れるように選択できる。

これは、高い屈折率の１／４波の最外方の層、低い屈折
率の１／２波を有する次の層および／４波の残シの層全
備えた、ＭＬＤ積重ねを作ることによって、申分なく達
成できる。その代シのものでは、最外方の層が高い屈折
率の１／２波にされ、残シが１／４波にされる。

代力に、針は、ｐ偏光の透過に対して８偏元の透過を増
強させるように設計できる。この場合に、鏡は、制御誘
電層およびＭＬＤ反射積重ねの下方に位置する金属層を
備えることができる。別の実施例において、鏡は、制御
語↑しＪ畑お：びＭＬＤ反躬反射重ねの下方紀位甑する
非同調ＭＬＤを係ｊえる。

以下、図面を参照しながら、この発り１１の実施例につ
いて説明する。

ｇ　／図に示される鏡は、ファブリ・ベロフィルタの形
をなし、これにおいて、基体／の上＆（は、金または銀
の膜層；が揖ル）される。薄れ二の上には、誘電材料の
制御＆・３が形成される。制御Ｒう３の上には、誘電膜
材料で作られた交互／′４波層を備えた多層防電積重ね
ｑが形成される。多危誘電体の最下方の層は、１／２波
スに一すとして作用し、残シの１は、第１図に示される
ように、１／波反射積重ねを作る。かかるフィルタに対
し、第２図に示されるように（１６１重ねダの誘電膜層
における損失は無視して）、通過帯域（すなわち透過ピ
ーク）は、ｐ偏光モードと６偏光モードとで相異なる。

かくして、制御層３の浮さを選択すれば、第一図に垂直
の点線で示されるように、Ｓ偏光の透過がｐ偏光のそれ
に対して増強でき、これによって、ｐ偏光の反射率が８
偏光に対して増大する。

第１図のフィルタは、制御層３の厚さを極めて正確に制
御しなければならないという欠点を有する。

第３図の実施例においては、金属層コの代シに一〇Ｎ多
層誘電体が採用され、こｔは、θ°とｉｓｏｏの間の成
る場所で位相変移が得られるような非同調になっている
。非同調多層誘電体の使用によって、鏡の配備に依存す
る偏光が与えられる。

第３図の積重ねは基体ＳＳ−有し、これの上に、非同調
であるコＯ層多層誘電体６が形成される。

この誘電体の上に形成される厚さ可変の層７は、ガーネ
ット（Ｔｉ　Ｏ，）の層からなる。ｌダ層多層誘電体８
は、可変層りの上に形成されるーこの層は同調である。

層７の厚さに対してプロットした反射係数（Ｒ）が、ｐ
偏光モードおよびＳ偏光モードの双方に対して、第７図
に図示される。図から明らかなように、ダ５°の入船角
に対して、ｐ偏光に対する反射係数は一定であるが、８
偏光に対する反射率は、Ｒ８（Ｒｐ　Ｏ波帯域を６．５
Ａのまわシに作るように低下する。この配備でも、同調
の８偏光に対する通常帯域を得ることが実際上困難であ
るという、欠点を受ける。第７図でも、吸収損失に対す
る補償は、何ら包含されない。損失を考慮すると、第３
菌の積重ねの帯域の幅は増大し、設計は実際的になる。

積重ねの第１層または第２層ヲ１７波長の厚さにするこ
とによって、Ｒｐ）Ｒｓ　　ｆ有する多層誘電体が設計
できる。３５Ｎ積重ねが第Ｓ図に図示され、ここで積重
ねは、多層誘電体？、二酸化シリコン（Ｓｉ　Ｏ２）の
１／２波層ＩＱおよびガーネットのシ、波Ｎｌノで形成
され、これらすべては、基体ｌコの上に積層される。こ
の積重ねの応答は第６図に図示され、これによれば、優
先的にｐ　（ｌｌｉｉｉ光モードのレーザを使用するレ
ーザ空洞を作る、よシ実際的な解決が提供される。

この実施例は、８偏光の吸収をｐ偏光のそれに対して増
強妊せることによって働く、と考えられる。ｐ偏光と８
偏光は、ＭＬＤ反を、積重ねの中に異なる形式の定常波
を作る。ｅＱｉｊ光に対する定常波は、連続した比較的
節単な正弦形であるが、ｐ偏光に対するそれは、非連続
で複Ｍ、な形のものである。この発明によるこの実施例
において、この差異は、鏡が８偏光に最大に作用する場
所で、すなわちθ偏光定常波の強度が最大のところで、
吸収が増強されるように、鏡を配２することによって、
見出された。

実際に見出されたところによれは、ガーネット材料のよ
うな適当′ｆＸ醜気元気光学層に含まれるときに、Ｓ偏
光の吸収を最大にすることは、反射方向に回転するレー
ザビームに力口えられる微分位相変移を最大にすること
をも援ける。

ＭＬＤ反射積重ねにおける層を少なくすることによって
、第７図に示されるような透過鏡が製造でき、これにお
いて、ＭＬＤ／ｊは、基体ｌμに取付けられたコアの層
からなる。高い屈折率のｌ／′λ波長誘電層ｌ！がＭＬ
Ｄ／３に重ねられ、その最上方の層は、低い屈折率の／
７’μ波層である。

その結果は第ｒ図に図示され、これは、約６２０からＡ
　＆　ｊｔ　ｎｍ　の波帯域でＲ，＞Ｒ，となることを
示す。

見出されたところによれば、透過鏡のためのＭＬＤ積重
ねの下方にさらに／／′−波長層を使用すると、ｐ偏光
とＳ偏光の反射率の間に、゛大きな差を得ることができ
るが、そｎは比較的せまい波帯域に渉ってだけである。

上述した結果は、ＭＬＤ装置に対して標進のコンピュー
タプログラムを使用して得られた。

第２図、第弘図、第６図および第ｇ図に示される結果は
、弘ｊ０の入船角に対するものであるが、勿論、使用さ
れる誘電材料における吸収の変化を考慮してグラフを対
応して変化させることによつて、他の入船角も可能であ
る。

簡単な場合に対する解析的アプローチを示す以下の追記
は、ＭＬＤ反射積重ねの上に低屈折率のｌ／′２波長層
を組込んだ効果を示す。

追記 リプル（Ｌｉｄｄｅ　１１　”）の記号を使用すれば、
２７軍の光学的厚さを有し損失のないｌ対の誘電体に対
すとなる。ここで、 Ｓ偏光に対してμ−ｎｅｏＳθ （、＝屈折率） 添字りは「低」を意味し、 添字Ｈは「高」を意味する。

ｑ対に対し、行列は次のようになる。

ｑ−＋■のときには、Ｕ　→Ｏであシ、積重ねの最外方
の層が、小さいと仮定された、損失のないλ／′μ層で
あるとすると、行列は、次のように表わすことができる
。

これは、位相厚さを次のよう置くことによって得られる
。

λ ここで、（ｎ−ｉｋ）は複素屈折率、 ｄは実際の厚さ、 θは層の中のビームの角！、 λは自由空間の波長である。

上述の式は次のように書くことができる。

Ｑ ｃｏａ　δ＝ｃｏａ（−ｉΔ　） λ ｋが小さいとき、同様に、 ｓｉｎδ　＝　ｓｉｎ　　（−−ｉ　ｄ　　）λ 二　ｌ 最外方の損失層および次のｌ／′λ波層を備える積重ね
のための行列は、次のように書くことができる。

最終行列が頂部に５ｉ０２の７７軍波を備えた積重ねを
表わすから、ＲＨ８における第２の行列は、／／筆波層
のための行列である。

これは次の式を与える。

標準の記号を使用すると、ＭＬＤの前方のＥ場は次の式
で与えられる。

ここで、Ｅ　および頌−は、正（入射）方向および負（
反射）方向の、界面に平行な電場の成分である。添字Ａ
およびＳは、空気および基体にそれぞれ関する。Ｍを置
き換えると、次の式になる。

故に、 （ｑ＋／） Ｅ　＋＋Ｅ　”−＝（−／）　　　　μＬＵＥ８＋相−
（１）Ａ　　　　　　Ａ および （ｑ＋／） μＥ＋−μＥ−一（−／）　　　μＬＵＦＳΔ　（２）
ＡＡ　　　ＡＡ （１）に〃よを掛けて、（２）を引くと、μ■（ （１）にμ１、を掛けて、（２）を加えると、μＩ］ 反射係数は次のようになる。

、＝五−、、、　−Ｊ″Ｈ Ｅ＋　　μ　＋４μｍ Ａ　　　　　　　Ａ μｍは、実際は複素数（＝μＨ’　−ＩＪｊＨ’　）で
あるから、 μ＋Δμ′−１Δμイ Ｈ 反射率Ｒ，＝ｒｒ　　は、次の式で与えられる。

μ、／　　［す る。これてよれば、次の式が得られる。

Δが小さくて二次項以上を無視できるときには、良好な
近似として、次の式が得られる。

μＨ Ｒ＝　　／　−μΔ□ μＡ μＨ 故に、損失Ｌ＝／　−Ｒ＝μΔ− μ人 θ　〉θ　であるから、ｃｏｓθ　（ｃｏｓθ□Ａ　　
　　　）Ｉ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　Ａ故に、ｐ偏光に対する損失は、Ｓ偏光に対するも
のより小さい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明による鏡の図解的線図である。第２
図は、第１図の鏡に対するｐ偏光および３偏光の双方の
、位相厚さに対する鏡損失のグラフである。第３図は、
この発明の第２実施例による鏡の図解的線図である。第
μ図は、第３図の鏡のための、制御層の厚さに対する反
射係数のグラフである。第３図は、この発明の第３実施
例による鏡の図解的線図である。第６図は、第３図の鏡
に対する、波長に対する鏡損失のグラフである。 第７図は、この発明の第≠実施例の図解的線図である。 第２図は、第７図の鏡による、波長に対する鏡損失のグ
ラフである。第り図は、誘電体の界面におけるｐ偏光お
よびＳ偏光の反射係数を示すグラフである。第１０図は
多層構造の鏡損失をｐ偏光およびＳ偏光について示すグ
ラフである。 図面において、ｌは基体、コは金属層、３は制御層、μ
は多層誘電積重ね、！は基体、６は二〇層多層誘電体、
７は可変層、ｇは／４を多層層誘電体、りは多層誘電体
、ＩＯは／／゛２波層、ｌｌはｌ／′μ波層、ｌｌは基
体、１３は多層誘電体、１４Ａは基体、ｌｊは／／’２
波長誘電層を示す。 図面の浄書（内容に変更なし） Ｆｉｇ、９ Ｆｉｇ、６ 鏡損出 Ｆｉｇ、８

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ｓ偏光の反射に対してｐ偏光の反射を増強させるよ
   うに設計された、多層誘電反射積重ねを備える鏡。 ２、ｐ偏光の吸収に対してｓ偏光の吸収を増強させるよ
   うに設計された、特許請求の範囲第１項に記載の鏡。 ３、多層誘電反射積重ねの１つまたは多くの層の厚さが
   、最適の反射率から外れるように選択される、特許請求
   の範囲第２項に記載の鏡。 ４、前記の１つまたは多くの層が、予め定められた入船
   角の入射放射の１／２波長の光学厚さを有する、特許請
   求の範囲第３項に記載の鏡。 ５、前記の１つまたは多くの層が、多層誘電反射積重ね
   の頂部またはその近くに位置する、特許請求の範囲第３
   項または第４項に記載の鏡。 ６、前記の１つまたは多くの層が、多層誘電反射積重ね
   の頂部から離れたところに位置する、特許請求の範囲第
   ３項または第４項に記載の鏡。 ７、ｐ偏光の透過に対してｓ偏光の透過を増強させるよ
   うに設計された、特許請求の範囲第２項に記載の鏡。 ８、制御誘電層および多層誘電反射積重ねの下方に金属
   層を有する、特許請求の範囲第７項に記載の鏡。 ９、金属が金または銀である、特許請求の範囲第８項に
   記載の鏡。 １０、制御誘電層および多層誘電反射積重ねの下方に非
   同調多層誘電体を備える、特許請求の範囲第７項に記載
   の鏡。 １１、磁気光学層を有する特許請求の範囲第１項から第
   １０項のいずれか１項に記載の鏡。 １２、磁気光学層がガーネット材料からなる、特許請求
   の範囲第１１項に記載の鏡。 １３、ｓ偏光の反射に対してｐ偏光の反射を増強させる
   ように設計された、多層誘電反射積重ねを備える鏡が、
   レーザを使用する空洞の境界に位置する、リングレーザ
   ジャイロスコープ。