KR0146274B1 - Solid ring laser gyroscope - Google Patents
Solid ring laser gyroscopeInfo
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- G01C19/64—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
Abstract
고체 환형 레이저 자이로스코프가 개시되어 있다. 자이로스코프는 제 1 파장을 가진 광빔을 생성하는 레이저 다이오드와, 레이저 다이오드로부터 출사되는 광빔을 집속하는 집속광학계와, 입사면을 통해 내부로 입사된 광빔을 외주반사면에 의해 시계방향 및 반시계방향으로 내부 매질내에서 회전시키고, 시계방향으로 회전된 광빔을 제 1 출사광빔으로 출사시키고, 반시계방향으로 회전된 광빔을 제 2 출사광빔으로 출사시키는 Nd:YAG 결정 환형 공진기와, 집속광학계와 환형 공진기 사이의 광로상에 위치하고, 상기 집속광학계로부터 제공되고, 저반사 코팅된 제 1 면으로 입사되는 광빔은 거의 통과시키고, 상기 환형 공진기로부터 제공되고 고반사 코팅된 제 2 면으로 입사되는 제 2 파장의 광빔을 거의 반사시키는 광여파기를 포함한다. 따라서 환형 공진기로부터 출사된 변조된 광빔에 의해 레이저 다이오드의 발진특성이 불안정해지는 것을 방지함으로써 주파수특성을 안정화시킬 수 있다.Solid annular laser gyroscopes are disclosed. The gyroscope includes a laser diode for generating a light beam having a first wavelength, a focusing optical system for focusing the light beam emitted from the laser diode, and a light beam incident inwardly through the incidence plane by clockwise and counterclockwise directions. A Nd: YAG crystal annular resonator which rotates in an internal medium, emits a clockwise rotated light beam as a first outgoing light beam, and emits a counterclockwise rotated light beam as a second outgoing light beam; A second wavelength located on the optical path between the resonators, the light beam provided from the focusing optical system and incident on the low reflection coated first side passes substantially and is incident from the annular resonator and incident on the high reflection coated second side It includes an optical filter that almost reflects the light beam of. Therefore, the frequency characteristic can be stabilized by preventing the oscillation characteristic of the laser diode from being unstable by the modulated light beam emitted from the annular resonator.
Description
본 발명은 자이로스코프에 관한 것으로서, 특히 펌핑용 레이저 다이오드와 공진기 사이에 광여파기를 삽입하여 회전각 검출신호의 안정화를 이루는 고체 환영 레이저 자이로스코프에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gyroscope, and more particularly, to a solid phantom laser gyroscope for stabilizing a rotation angle detection signal by inserting an optical filter between a pumping laser diode and a resonator.
종래의 고체 환형 레이저 자이로스코프는 펌핑용 레이저 다이오드와 집속광학계와, 환형 공진기와, 광검출기로 구성되어 있다.The conventional solid annular laser gyroscope is composed of a pumping laser diode, a focusing optical system, an annular resonator, and a photodetector.
이와 같은 고체 환형 레이저 자이로스코프에서는 환형 공진기에 입사된 광이 결정내에서 서로 반대 방향으로 회전 진행하는 두 개의 광빔이 생성되고, 이들 중 하나는 다시 펌핑용 레이저 다이오드로 재입사되는 것을 피할 수 없었다. 결정내에서 이미 수백 KHz 대의 주파수로 변조되어 1.064㎛의 파장을 갖는 광빔이 레이저 다이오드로 재입사될 경우에는 레이저 다이오드의 출력이 불안정하게 되고, 이 불안정한 레이저 다이오드의 출력이 결정에 입사되므로 결정에서 출사되는 자기 변조 주파수 출력이 불안정하게 되는 문제가 있었다.In such a solid annular laser gyroscope, two light beams in which light incident on the annular resonator rotates in opposite directions in the crystal are generated, and one of them cannot be avoided again to be pumped back into the pumping laser diode. When a light beam with a wavelength of 1.064 μm is modulated at a frequency of several hundred KHz in the crystal and reenters the laser diode, the output of the laser diode becomes unstable, and the output of the unstable laser diode is incident on the crystal, so it is emitted from the crystal. There is a problem that the self-modulating frequency output becomes unstable.
본 발명은 목적은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 집속광학계와 환형 공진기 사이에 광여파기를 설치하여 레이저 다이오드로부터 환형 공진기로 입사되는 광빔은 통과시키고, 환형 공진기로부터 레이저 다이오드로 재입사되는 광빔은 반사시킴으로써, 환형 공진기 출력이 레이저 다이오드의 출력에 미치는 영향을 최소화함으로써 회전각 검출신호의 안정화를 달성할 수 있는 고체 환형 레이저 자이로스코프를 제공하는 데 있다.In order to solve the problems of the prior art, an object of the present invention is to install an optical filter between a focusing optical system and an annular resonator to pass a light beam incident from the laser diode to the annular resonator, and reenter the laser beam from the annular resonator. The present invention provides a solid annular laser gyroscope capable of achieving stabilization of the rotation angle detection signal by minimizing the influence of the annular resonator output on the output of the laser diode by reflecting the light beam.
본 발명의 다른 목적은 결정으로부터 출력되는 2개의 출력신호를 회전각 검출을 위해 사용함으로써 보다 정밀한 회전각을 검출 및 측정할 수 있는 고체 환형 레이저 자이로스코프를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a solid annular laser gyroscope capable of detecting and measuring a more precise rotation angle by using two output signals output from a crystal for rotation angle detection.
본 발명은 또 다른 목적은 결정으로부터 출력되는 두 개의 출력신호를 비교함으로써, 단일 모드 고체 환형 레이저의 동역학에 대한 유용한 정보를 제공할 수 있는 고체환형 레이저 자이로스코프를 제공하는데 있다.It is another object of the present invention to provide a solid annular laser gyroscope that can provide useful information on the dynamics of a single mode solid annular laser by comparing two output signals output from the crystal.
도 1은 본 발명에 의한 고체 환형 레이저 자이로스코프의 개략적인 구성을 나타낸 도면이고,1 is a view showing a schematic configuration of a solid annular laser gyroscope according to the present invention,
도 2는 도 1의 광여파기의 구체적인 구성을 나타낸 도면이다.2 is a view showing a specific configuration of the optical filter of FIG.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
10:레이저 다이오드 12:광학 집속계10: laser diode 12: optical focus meter
14:광여파기 16:Nd:YAG 결정 환형 공진기14: optical filter 16: Nd: YAG crystal annular resonator
18:제 1 광검출기 20:제 2 광검출기18: first photodetector 20: second photodetector
상기한 목적들을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 고체 환형 레이저 자이로스코프는 제 1 파장을 가진 광빔을 생성하는 레이저 다이오드와, 레이저 다이오드로부터 출사되는 광빔을 집속하는 집속광학계와, 입사면을 통해 내부로 입사된 광빔을 외주반사면에 의해 시계방향 및 반시계방향으로 내부 매질내에서 회전시키고, 시계방향으로 회전된 광빔을 제 1 출사광빔으로 출사시키고, 반시계방향으로 회전된 광빔을 제 2 출사광빔으로 출사시키는 Nd:YAG 결정 환형 공진기와, 집속광학계와 환형 공진기 사이의 광로상에 위치하고, 상기 집속광학계로부터 제공되고, 저반사 코팅된 제 1 면으로 입사되는 광빔은 거의 통과시키고, 상기 환형 공진기로부터 제공되고 고반사 코팅된 제 2 면으로 입사되는 제 2 파장의 광빔을 거의 반사시키는 광여파기를 구비하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above objects, the solid annular laser gyroscope according to the present invention includes a laser diode for generating a light beam having a first wavelength, a focusing optical system for focusing the light beam emitted from the laser diode, and an incident inside Rotate the light beam in the inner medium in the clockwise and counterclockwise direction by the outer circumferential surface, and output the light beam rotated in the clockwise direction as the first output light beam, and convert the light beam rotated in the counterclockwise direction as the second output light beam. An outgoing Nd: YAG crystal annular resonator, located on an optical path between the focusing optical system and the annular resonator, provided from the focusing optical system, and substantially passing through the light beam incident on the low reflection coated first surface, and providing from the annular resonator And an optical filter for substantially reflecting the light beam of the second wavelength incident on the second highly coated coated side. And that is characterized.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, it will be described in detail the present invention through an embodiment of the present invention.
도 1은 본 발명에 의한 고체 환형 레이저 자이로스코프의 구성을 나타낸다.1 shows a configuration of a solid annular laser gyroscope according to the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 자이로스코프는 제 1 파장, 예컨대 810m를 가진 광빔을 생성하는 레이저 다이오드(10)와, 레이저 다이오드(10)로부터 출사되는 광빔을 집속하는 집속광학계(FOS:Focusing Optical lens System)(12)를 포함한다.As shown in FIG. 1, the gyroscope includes a laser diode 10 for generating a light beam having a first wavelength, for example, 810 m, and a focusing optical system for focusing the light beam emitted from the laser diode 10. System) 12.
또한, 자이로스코프는 환형 공진기(16)를 포함한다. 환형 공진기(16)는 거의 오각형의 Nd:YAG 결정으로 구성되고, 구면으로 구성된 입사면을 통해 내부로 입사된 광빔을 외주반사면에 의해 시계방향 및 반시계방향으로 내부 매질내에서 회전 진행시키고, 시계방향으로 회전된 광빔을 제 1 출사광빔으로 출사시키고, 반시계방향으로 회전된 광빔을 제 2 출사광빔으로 출사시킨다. 따라서, 입사광빔은 내부 매질에서 회전 진행되면서 증폭되어 제 2 파장, 즉 1064㎛의 제 1 및 제 2 출사광빔으로 변조되어 출력된다. 출사광빔으로 주파수는 자기장을 가하거나 회전을 주면 그에 상응하여 변하게 되고, 이 주파수차를 검출하여 회전각을 검출하게 된다.The gyroscope also includes an annular resonator 16. The annular resonator 16 is composed of a substantially pentagonal Nd: YAG crystal, and proceeds to rotate the light beam incident inwardly through the incident surface composed of spherical surfaces in the inner medium in the clockwise and counterclockwise direction by the outer reflecting surface, The light beam rotated in the clockwise direction is emitted as the first output light beam, and the light beam rotated in the counterclockwise direction is emitted as the second output light beam. Therefore, the incident light beam is amplified while rotating in the inner medium, and is modulated and output to the first and second output light beams having a second wavelength, that is, 1064 μm. With the outgoing light beam, the frequency is changed according to the application of a magnetic field or rotation, and the rotation angle is detected by detecting the frequency difference.
광여파기(14)는 집속광학계(12)와 환형 공진기(16) 사이의 광로상에 위치하고, 상기 집속광학계(12)로부터 제공되고, 저반사 코팅된 제 1 면(14b)으로 입사되는 810nm의 파장을 가지는 광빔은 거의 통과시키고, 상기 환형 공진기(16)로부터 제공되고 고반사 코팅된 제 2 면(14c)으로 입사되는 10.64㎛ 파장의 광빔을 거의 반사시킨다. 광여파기(14)는 용융 실리카로 된 기판(BK7)(14a)의 양쪽면에 SiO2및 TiO2를 교대로 코팅하여 이루어진다. 따라서, 광여파기(14)는 제 1 면(14b)으로 입사되는 810nm의 파장을 가지는 광빔은 거의 통과시키고, 제 2 면(14c)으로 입사되는 1.064㎛ 파장의 광빔은 거의 반사시킨다.The optical filter 14 is located on the optical path between the focusing optical system 12 and the annular resonator 16, and is provided from the focusing optical system 12 and has a wavelength of 810 nm incident on the low reflection coated first surface 14b. The light beam having substantially passes through and almost reflects the light beam having a wavelength of 10.64 탆 provided from the annular resonator 16 and incident on the highly reflective coated second surface 14c. The optical filter 14 is made by alternately coating SiO 2 and TiO 2 on both sides of a substrate (BK7) 14a made of fused silica. Therefore, the optical filter 14 almost passes the light beam having a wavelength of 810 nm incident on the first surface 14b, and almost reflects the light beam having a wavelength of 1.064 mu m incident on the second surface 14c.
자이로스코프는 환형 공진기(16)에서 반시계방향으로 회전 진행되어 출사된 제 2 출사광빔을 제 1 광검출기(18)에서 전기적 신호로 검출하고, 시계방향으로회전 진행되어 출사되는 제 1 출사광빔이 광여파기(14)의 제 2 면에서 반사되고, 이 반사된 광빙을 제 2 광검출기(20)에서 전기적 신호로 검출한다.The gyroscope detects the second outgoing light beam emitted by rotating in the annular resonator 16 counterclockwise as an electrical signal in the first photodetector 18, and the first outgoing light beam rotated in the clockwise direction and emitted Reflected by the second surface of the optical filter 14, the reflected light ice is detected by the second photodetector 20 as an electrical signal.
GaAlAs 반도체 레이저 다이오드(10)에서 발진되어 출사되는 810nm의 파장을 가지는 광빔은 집속광학계(12)를 거쳐서 광여파기(14)를 통과한다. 광여파기(14)에는 810nm의 파장을 가지는 광빔은 반사되지 않도록 무반사 코팅되어 있으므로 광여파기를 통과한 광빔은 환형 공진기(16)의 입사면을 통하여 Nd:YAG 결정 매질내로 집속된다. 환형 공진기(16)의 Nd:YAG 결정 매질 내로 입사된 광빔은 결정 내에서 외주 반사면에 의해 반사되어 결정 내부를 회전 진행하면서 증폭되어 1.064㎛ 파장의 Nd:YAG 레이저빔으로 증폭 발진된다. 증폭 발진된 광빔은 각각 시계방향과 반시계방향으로 진행되어 제 1 출사광빔과 제 2 출사광빔으로 구면인 입사면으로 출사되게 된다. 반시계방향으로 회전 진행된 제 2 출사광빔은 제 1 광검출기(18)로 입사되어 전기적신호로 검출되고, 시계방향으로 회전 진행된 제 1 출사광빔은 광여파기(14)의 제 2 면(14c)에서 반사되어 제 2 광검출기(20)에 입사되어 전기적 신호로 검출된다.The light beam having a wavelength of 810 nm oscillated and emitted from the GaAlAs semiconductor laser diode 10 passes through the optical filter 14 through the focusing optical system 12. Since the optical filter 14 has an antireflective coating so that the light beam having a wavelength of 810 nm is not reflected, the light beam passing through the optical filter is focused into the Nd: YAG crystal medium through the incident surface of the annular resonator 16. The light beam incident into the Nd: YAG crystal medium of the annular resonator 16 is reflected by the outer reflecting surface in the crystal, amplified while rotating in the crystal, and amplified and oscillated by an Nd: YAG laser beam having a wavelength of 1.064 µm. The amplified and oscillated light beams proceed in a clockwise and counterclockwise direction, respectively, and are emitted to the incident surface which is spherical with the first output light beam and the second output light beam. The second outgoing light beam rotated counterclockwise is incident to the first photodetector 18 and detected as an electrical signal, and the first outgoing light beam rotated clockwise is formed at the second surface 14c of the optical filter 14. Reflected and incident on the second photodetector 20 is detected as an electrical signal.
상술한 바와 같이 본 발명에서는 제 1 출사광빔이 광여파기(14)가 없을 경우에는 집속광학계(12)로 진행되어 집속광학계(12)를 이루는 여러개의 렌즈 표면에서 반사되거나 산란되는데, 일부가 레이저 다이오드(10)로 입사되어 레이저 다이오드의 출력이 일정하게 유지되는 것을 방해하게 된다. 그러나, 본 발명에서는 광여파기(14)에 의해 환형 공진기(16)으로부터 출사된 광빔을 반사시킴으로써, 레이저 다이오드(10)에 재입사되는 것을 방지할 수 있게 된다. 그러므로, 레이저 다이오드의 출력 특성이 안정되게 유지되고 그 결과 환형 공진기에서 발생되는 자기 변조 주파수가 크게 안정된다.As described above, in the present invention, when the first outgoing light beam does not have the optical filter 14, it proceeds to the condensing optical system 12 and is reflected or scattered on the surface of several lenses forming the condensing optical system 12, some of which are laser diodes. Incident on (10) will interfere with keeping the output of the laser diode constant. However, in the present invention, by reflecting the light beam emitted from the annular resonator 16 by the optical filter 14, it can be prevented from re-incident to the laser diode 10. Therefore, the output characteristics of the laser diode are kept stable, and as a result, the self modulation frequency generated in the annular resonator is greatly stabilized.
또한, 본 발명에서는 회전각 검출을 위해 제 1 및 제 2 출사광빔을 이용하므로 보다 정밀한 회전각 측정이 가능하다.In addition, in the present invention, since the first and second emission light beams are used to detect the rotation angle, more accurate rotation angle measurement is possible.
한편, 광여파기 표면에서 반사된 환형 공진기에서 출력된 광빔을 결합시겨 양자의 주파수 차를 검출하거나 또는 양자의 빔세기의 변화 관찰이 가능하다. 검출된 양자의 주파수차 및 관찰된 양자의 빔세기에 의해 더 구체적으로 2개 광빔의 위상차, 출력세기의 비, 주파수의 차이를 측정해서 Maxwell-Bloch 이론의 수치해석을 통한 이론치와 비교하여 근사 조건이 적절한 지를 검증해 보는 등의 방법에 의해 단일모드 고체 환형 레이저의 동역학에 대해 유용한 정보를 얻을 수 있다.On the other hand, by combining the light beam output from the annular resonator reflected from the optical filter surface it is possible to detect the frequency difference between the two or observe the change in the beam intensity of both. More specifically, the difference between the phase difference, the output intensity ratio, and the frequency of the two light beams is measured by the frequency difference between the detected quantum and the observed quantum beam intensity, and the approximate condition is compared with the theoretical value through the numerical analysis of Maxwell-Bloch theory. Some useful information about the dynamics of single-mode solid-state annular lasers can be obtained by verifying this suitability.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be variously modified and changed within the scope of the present invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below. I can understand that you can.
Claims (3)
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