JPH02870B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は非平面状の一閉路及び非減偏光性の
フアラデーバイアス装置を用いた四周波数差動方
式の分散等化形リングレーザジヤイロスコープ装
置に関する。 レーザジヤイロは、有効であるためには、低回
転速度で発生するロツクイン問題を克服しなけれ
ばならない。ロツクインは、空洞を構成する光学
素子の不完全さによる一つの共振モードから他の
共振モードへの多少の光の避けがたい散乱によつ
て引き起こされる。これらのモードの周波数があ
まり違つていない場合には、モードがフエーズロ
ツクを生じる傾向がある。ジヤイロを実用に供す
るためには、このロツクイン問題を克服しなけれ
ばならない。二周波数式ジヤイロ装置は、これが
ゼロ入力回転速度に対して大きい出力周波数で動
作するようにジヤイロにバイアスを与えることに
よつてロツクインを避けることができる。バイア
ス精度の問題を避けるために、バイアスを震動さ
せてバイアス不安性が時間平均することによつて
出力信号から除去されるようにすることができ
る。しかしながら、この震動法は震動サイクルご
とに２度ジヤイロにロツクインを生じさせる。こ
のためにジヤイロはその位相コヒーレンスを部分
的に失い、従つて端数カウントの誤差が震動サイ
クルごとに作られる。この誤差は無作為に加わつ
て時間とともに増大する累積的角度誤差を与え
る。四周波数差動方式のレーザジヤイロ装置は、
共通の光路を共有しているが受動性バイアス素子
によつて反対方向に静的にバイアスを施されてい
る単一の安定な共振器において二つの独立したジ
ヤイロを本質的に動作させることによつてこの問
題を解決している。これら二つのジヤイロの差動
出力においては、バイアスが相殺されて任意の回
転発生の信号が加わるので、感度は単一の二周波
数式ジヤイロの２倍になり、バイアスのドリフト
による問題は避けられる。四つの異なつた周波数
は通常二つの異なつた光学的効果を利用すること
によつて発生される。第１に、結晶偏光回転子を
用いて方向依存性の偏光を与え、これにより共振
波をほとんど右円偏光（RCP）及び左円偏光
（LCP）になるようにする。この偏光回転は回転
子媒質の屈折率がRCP波及びLCP波に対してわ
ずかに異なつていることから生じる。第２に、フ
アラデー回転子を用いて、時計回りに進行する波
に対する屈折率が逆時計回りに進行する波に対す
るものとはわずかに異なつていることを利用して
非相反の偏光回転を与える。これによつて、CW
（時計回り及びCCW（逆時計回り）のRCP波はわ
ずかに異なつた周波数で発振することになり、又
CW及びCCWのLCPは同様に、しかし反対方向
に分離（スプリツト）される。このフアラデー回
転子は、縦方向磁界に置かれた光学的に等方性の
物質の一片からなる別個の光学的素子であつても
よく、又は結晶回転子にそのような磁界を加える
ことによつて実現してもよい。このようにすれ
ば、一方のレーザジヤイロは一方の回転方向にバ
イアスを受けた右円偏光で動作し、かつ他方のレ
ーザジヤイロは反対の方向にバイアスを受けた円
偏光で動作し、バイアスは二つの出力を減算する
ことによつて消去される。基本的な四周波数式レ
ーザジヤイロスコープの動作は、1972年６月26日
ケイ・アンドリンガ（K.Andringa）に発行され、
かつこの出願の譲受人に譲渡された米国特許第
3741657号に記載されている。 この発明は現在のレーザジヤイロ装置の安定度
を制限している問題を認識したレーザジヤイロ装
置を開示するものである。理想的には、四つすべ
ての周波数は熱膨張のような外部原因によつて等
しく影響を受けるはずであるので、四周波数式ジ
ヤイロの差動出力におけるすべての合成変動は相
殺されるはずである。しかし、実際には、四つの
周波数は外部原因によつて等しく影響を受けない
で、異なつた周波数変動を生じることが判明して
いる。それゆえ、四周波数式ジヤイロは熱的つり
あいの下では優れた性能を呈するにもかかわら
ず、それの実際的な使用は、許容不可能な長期の
バイアスドリフトとして明らかにされている熱感
応性の存在によつてこれまで制限されてきた。 この発明は、ドリフトの原因を著しく減小させ
て、これにより総合ジヤイロ出力ドリフトを他の
レーザジヤイロ装置に比べて数けた減小させるよ
うにしたレーザジヤイロ装置を開示するものであ
る。ドリフトの主要な原因の一つは、一般に環境
に依存する任意の存在する散乱源からの結合によ
る二つの共振モードの相互作用に起因する周波数
引込みである。ドリフトの別の重要な原因は空洞
における散乱中心の相対的運動に起因する散乱誘
起のドリフトである。更に、利得媒質の時間的変
動に起因する分散誘起のドリフトが存在するが、
これは各共振周波数によつて経験される分散、す
なわち位相偏移、における差分変動を生じさせる
ものである。ドリフトの更に別の原因はフレネル
ーフイゾー効果と呼ばれるものであつて、レーザ
モードによつてサンプリングされた気体放電の速
度分布への気体放電の屈折率の依存性に起因する
ものであるが、その理由は、リング空洞の変動に
応答してモードが移動するにつれてそれが変化し
得るからである。ドリフトのこれらの原因はすべ
てのレーザジヤイロにおいて存在するものであつ
て、空洞又は空洞内の光学素子における環境誘起
の変化に起因する光路長の変化によつて一般に引
き起こされる。この発明のレーザジヤイロは、超
低熱膨張材料を用いて空洞の物理的運動を最小限
にすることによつて、空洞内素子の量を減小させ
かつそれの形式を制限して有効光路長の変化を最
小限にすることによつて、すべての素子の散乱を
減小させることによつて、かつ又純粋に円偏光は
空洞モードを用いることによつてそれらのドリフ
トを相当に減小させている。 伝統的な結晶回転子の代わりに非平面状の経路
を用いてLCP波とRCP波との間の周波数分離
（スプリツト）を与えてある。伝統的な厚いフア
ラデー回転子の代わりに薄いフアラデー常磁性ガ
ラススラブを用いてCW波とCCW波との間の非
相反的分離（スプリツト）を与えてある。非平面
状経路の使用は異なつた波の間の結合を発生させ
る散乱の主要源（結晶回転子）を除去するだけで
なく、又良好な円偏光をも与える。ガラス製フア
ラデー回転子の使用は長円形の複屈折を避け、こ
れにより円偏光を維持する。これは更に異なつた
波の間の結合をなくするが、その理由は、反射時
に完全なLCP波はRCP波になり、従つて逆に回
転している波には結合しなくなるからである。所
定量の回転を達成する最小限の回転子スラブの厚
さを使用することによつて、スラブによつて導入
される任意の散乱中心の温度依存性を最小限にす
ることができる。円偏光を発生して維持するため
のこの統合された方法は種々の波の間の結合によ
る大量のドリフトの源泉をなくして一層正確なレ
ーザジヤイロを生じることになる。 次の性能限界は高次の効果による小量のドリフ
トによつて引き起こされる。この発明の装置は今
度は気体レーザ混合物のゼーマン分離（分岐、ス
プリツト）を有利に使用して、逆に進行する対の
それぞれの波によつて経験される分散を等化する
ことができる。これによつて、四周波数の波は小
さい周波数変動を受けてこれを非直線状の分散曲
線の異なつた部分に置くことができるので、差出
力は安定になる。 この発明は、電磁波をこれの位相偏移における
利得媒質誘起の変化に対して補償するための、再
入可能な共振路に結合された利得媒質位相偏移補
償用装置、並びに第１及び第２の偏向方向の対の
形に構成された異なつた周波数の円偏光した逆に
進行する波を発生するための、実質上散乱中心の
ない円偏光装置を使用したレーザジヤイロ装置を
開示するものである。更に明確には、円偏光装置
は、反対の円偏光の波の間の周波数分離（スプリ
ツト）を生じることになる前記の波における偏光
依存性の位相偏移を発生するための非減光偏光装
置、及び前記の対のそれぞれにおける逆に進行す
る波の間の周波数分離を生じることになる前記の
波に対する方向依存性の位相偏移を発生するため
の非減偏光装置を備えている。偏光依存性の装置
は非平面状の共振器を有することができ、又方向
依存性の装置は方向依存性の成分が等方性である
屈折率をもつた装置を有することができる。方向
依存性の装置は動作温度範囲において温度に実質
上無関係の特性を有することが望ましい。採釈し
た構成例においては、方向依存性の装置は、磁界
の存在する場合に前記の波の電磁界の方向依存性
の回転を発生することのできる等方性物質のスラ
ブを有しており、このスラブは動作温度範囲にお
いて前記の波の１波長よりも実質上小さい厚さの
変動を生じることになる厚さを有している。方向
依存性の回転を発生するための前記の磁界は前記
のスラブのすぐ近くの領域に局限されることが望
ましい。更に、利得媒質位相偏移補償用装置は、
前記の各対の逆に進行する波に対してほぼ同じ量
の利得媒質誘起の位相偏移を与えるような大きさ
及び極性を有する、前記の利得媒質の軸に対して
縦方向の磁界を与えるための装置を有している。 この発明は、更に、円偏光した電磁波の伝搬の
ための非平面状の閉路を与えかつ又反対の偏光方
向の波の周波数の分離を与えるための装置、前記
の閉路に配置された利得媒質、それぞれの偏光方
向の前記の波の逆に進行するものの間における周
波数分離を生じることになる前記の円偏光した波
に対する方向依存性の位相偏移を与えるための非
減偏光装置、及び前記の逆に進行する波の等しく
ない利得媒質分散を補償するための装置を有する
ジヤイロ装置を与えるものである。この発明は
又、電極の領域におけるバツフルを備えた散乱粒
子除去装置を与えるものである。更に、方向依存
性の非減偏光装置は、ゼロでないベルデ
（Verdet）定数を有する等方性物質のスラブ、及
びこのスラブに磁界を与えるための装置を有して
おり、かつ又任意の反射波を集めるために吸収装
置を使用することが望ましい。分散補償装置は、
前記の方向依存性の非減偏光装置による前記の逆
に進行する波の間の周波数分離にほぼ等しい利得
及び分散特性の周波数分離を発生させるのに十分
な大きさの磁界成分を前記の利得媒質にその縦軸
に沿つて与えるための磁界付与装置を備えてい
る。この磁界成分は又、ほぼ等しい量の利得−媒
質分散を前記の逆に進行する波に与えるような極
性を有している。更に明確には、前記の磁界付与
装置は、前記の方向依存性の非減偏光装置による
逆に進行する波の周波数分離の平均量の関数とし
て磁界を変化させる。一つの採択した構成例にお
いては、磁界付与装置は、利得媒質収容路の一部
分のまわりにおける少なくとも一つのコイル、前
記の方向依存性の非減偏光装置によつて逆に進行
する波に発生された周波数分離の量を測定するた
めの装置、及び前記の周波数分離の平均値に比例
した電流を前記のコイルに発生するための装置を
備えている。この発明は更に、支持容器、前記の
支持容器内に配置されたフアラデー回転を与える
ための装置、及び前記のフアラデー回転付与装置
の少なくとも一方側に配置された電磁波を吸収す
るための装置であつて前記の波の実質的部分が前
記の回転付与装置を通過することができるように
してある吸収装置を備え、かつ前記の回転付与装
置が更に前記の波の任意の反射部分を前記の吸収
装置の方へ向けるように配置されているフアラデ
ー回転子を与えるものである。 この発明のその他の目的及び利点は、同様の部
分には同様の符号を施してある添付の図面につい
て行われる次の説明が進むにつれて明らかになる
であろう。 第１図から第５図までを同時に参照して、この
発明の数示によるレーザジヤイロスコープ装置の
構成及び動作を説明する。ジヤイロブロツク１０
２はこの装置が構成されているフレームである。
ジヤイロブロツク１０２はレーザジヤイロスコー
プ装置に及ぼす温度変化の影響を最小限にするた
めにガラスセラミツク材料のような熱膨張係数の
小さい材料で構成することが望ましい。市販で入
手できる好適な材料は米国のオウエンス−イリノ
イ社（Owens−Illinois Company）によつて
「Cer−Vit」（商標名）材料Ｃ−101の名称で販売
されている。又、シヨツト（Schott）の
「Zerodur」（商標名）も使用することができる。 ジヤイロブロツク１０２には第１図ないし第４
図の種々の形で示したように９個のほぼ平面状の
面がある。装置の他の構成部分を伴わないでジヤ
イロブロツク１０２を示している第３図及び第４
図に最も明確に示されているように、ジヤイロブ
ロツク１０２の４個の面の間には通路１０８，１
１０，１１２及び１１４が設けられている。これ
らの通路はレーザジヤイロブロツク１０２内にお
ける非平面状閉鎖伝搬路を形成している。 面１２２，１２４，１２６及び１２８上にはこ
れらの面と通路との交点にミラー（鏡）が設けら
れている。適当な反射面を備えた基板１４０及び
１４２はそれぞれ面１２４及び１２６上に配置さ
れたミラーを構成している。ミラーのある表面は
又面１２８にすぐ隣接して光路長制御変換器１６
０の前面にも設けられている。これらのミラーの
一つはビームが安定して通路の中心にほとんど閉
じ込められるようにわずかに凹面状にするべきで
ある。又、部分透過性の遊電体ミラー層１３９を
備えた透明なミラー基板１３８が面１２２に設け
られていてジヤイロブロツク１０２内の閉路に沿
つて進行する各ビームの一部分が出力光学系１４
４に結合されるようになつている。出力光学系１
４４の構造は1979年２月27日アイ・スミス（I.
Smith）外に発行されてこの出願の譲受人に譲渡
された米国特許第4141651号に開示されている。 通路１０８，１１０，１１２及び１１４が装置
内の種種のビームに対して非平面状伝搬路を形成
しているので、各ビームはこの閉路を循環すると
き偏光面回転を受ける。理想的には、実質上円偏
光のビームだけがこの発明の非平面状空洞内に存
在する。円偏光ビームでは、一つのビームから他
のビームへのビームの散乱又は結合によりドリフ
トが最小限になる。この減小は散乱した一つの円
偏光状態の光が他のビームに結合されて影響を与
えるような固有の偏光のものではないために生じ
るものである。他の形式の偏光に対しては、他の
ビームに結合するような散乱ビームの成分が常に
存在するので、それは事実ではない。 採釈した構成例においては、通路及び反射鏡は
種々のビームに対してほぼ90度の偏光面回転を与
えるように配列されている。右及び左の円偏光の
ビームがその伝搬方向に関係なくこの同じ量だけ
反対方向に回転させられるので、右及び左の円偏
光のビームの間の周波数分離（スプリツト）はそ
のビームが光学空洞内で共振するように発生しな
ければならない。これは第８図Ａにおいて右及び
左の円偏光のビーム間の周波数分離として示され
ている。採釈した構成例においては、180度の相
対的位相偏移に対応する90度の回転が採用されて
いるけれども、所望される周波数分離に応じてそ
の他の位相偏移も又使用することができる。偏光
面回転は閉鎖伝搬路が非平面状であるかぎり発生
するものである。伝搬路の構成そのものが回転量
を決定することになる。 前述のケイ・アンドリンガの特許に記載された
ような従来技術の既知の装置においては、右及び
左の円偏光のビーム間の周波数分離は相当な光学
的厚さの固体物質のブロツクを伝搬路に配置する
ことによつて達成された。ビーム伝搬路中に直揺
固体物質が存在すると、これが散乱中心となつ
て、望ましくないことではあるがこれから光が一
つのビームから別のビームへと結合されてジヤイ
ロ出力に誤差を生じるようになることがある。結
合の量、従つて誤差は熱に非常に感じやすい。そ
れゆえ、そのような装置の出力周波数は固定出力
バイアスでは補償することができないような温度
に依存するドリフトを受けた。更に、結晶回転子
は多量の応力複屈折を導入し、これにより円偏光
波の偏光が減じられ、かつ又偏光波の望まれない
結合の一因となるという傾向がある。このために
ジヤイロ装置は、いくら良くても数十ヘルツ、多
くの場合数百ヘルツに達する大きさの、出力周波
数の時間的変動を有することになる。この発明で
は、結晶回転子として従来使用されていた固体物
質がビーム伝搬路から完全に除去されており、従
つてこの物質と関係する誤差及びドリフトの原因
が除去されている。 位相偏移がどのようにして生じるのかを理解す
るのを助けるために、光路を伝搬する直線偏光ビ
ームを想定するのが有効である。この説明におい
ては、反射のさいに電磁波の受ける180゜の位相偏
移は無視してある。偶数（４回）のそのような反
射を使用しているので、誤差は入つてこない。例
えば、面１２２と面１２４との間の通路１１０を
進行するビームは上方に向いた電気ベクトルで表
されるように直線偏向しているものと仮定する。
ビームが面１２４上に設けられたミラーから反射
すると、電気ベクトルはなおほとんど上方を向い
ているが、しかし通路１１２が面１２４と面１２
８との間で低下しているので、わずかに前方へ傾
斜している。ビームが面１２８上のミラーで反射
すると、その電気ベクトルは、第３図及び第４図
において見たとすれば、わずかに下方へ傾射して
ほとんど左の方に向いている。ビームが面１２６
で反射すると、通路１０８内のビームの電気ベク
トルはやはり第３図及び第４図においてわずかに
上方に傾斜して左の方に向くであろう。面１２２
からの反射後、通路１１０内のビームの電気ベク
トルはなお左方に、図面の平面内に向つている。
このように、ビームは通路１１０に戻つてきたと
きには約90度の偏光面回転を受けていることがわ
かるであろう。もちろん、そのような回転した直
線偏光ビームは自己増強して閉路に沿つて共振す
ることができない。円偏光ビームはそれが同じ長
さの平面状閉鎖路に対して共振するような周波数
から偏移した周波数を有するだけが共振すること
になる。 二周波数式レーザジヤイロスコープは非平面状
伝搬路を用いてただ一つの周波数分離を与えるよ
うにすることによつて構成することができる。こ
のような構成においてはフアラデー回転子又はそ
の他のその種の素子は必要とされない。回転速度
を検出するためには、二つのビームの抽出部分の
ビート（うなり）を生じさせてこの二つのビーム
間の周波数の差に等しい周波数を有する出力信号
を形成することによつて出力信号を発生する。静
止時には、この出力信号はある値f₀にとどまる。
一方の方向の回転に対しては、出力信号はf₀＋△
ｆの値に増大する（ただし、△ｆは回転速度に比
例する）が、他方の方向の回転に対してはf₀−△
ｆの値に減小する。この発明は後方散乱による相
互結合を著しく減小させてロツクイン範囲を減小
させ、その種のレーザジヤイロスコープがロツク
インの完全な除去なしで多くの応用装置に使用さ
れ得るようにするものである。 フアラデー回転子１５６は、第２図、第４図及
び第６図Ａに見られるように面１２４に隣接した
通路１１２の大直径部分１１３内に配置されてい
る。フアラデー回転子１５６の詳細は第６図及び
第６図Ａに示されている。フアラデー回転子取付
具１５４は、望ましくはレーザジヤイロブロツク
１０２と同じ物質で作られていて、構造物が構成
させる基部を形成している。回転子取付具１５４
は円筒形の形状をしており、それの縦軸に対して
ある角度をなした種々の直径の数個の円筒形孔部
を備えていて、フアラデー回転１５６のすべての
素子を所定の位置に支持するとともに取付具１５
４の縦方向中心軸に沿つて障害物のない通路を提
供している。フアラデー回転子スラブ１６５は取
付具１５４の中央部分によつて形成された棚１６
６上に配置されている。リング１６９はスラブ１
６５の側方移動を阻止する。フアラデー回転子ス
ラブ１６５は、希土類元素をドープしたガラス又
は同様に高いベルデ（Verdet）定数をもつ物質
で形成するのが望ましいであろう。所望量の周波
数分離を発生させるのに必要とされるスラブの厚
さを減小させるために0.25min／cm／Oeを越える
大きさのベルデ定数が採択される。伝統的なフア
ラデー回転子は、しばしば融解石英の、厚いスラ
ブを使用してきた。逆回転ビームの光路における
どのような物質も熱融剤に対して感応性を呈する
散乱点を導入する。この感応性は物質の熱膨張に
よるが又は物質の屈折率の温度依存性に起因する
光路長の変化によるものであろう。光路長の有効
な温度依存性、従つて熱的に誘起されたドリフト
は、ビームの光路における固体物質の厚さの極め
て明確な関数であることが判明している。従つ
て、できるだけ薄いスラブを使用することが望ま
しく、ドリフトを許容可能なレベルに減小させる
ために0.5mm以下の厚さが採釈されるので、動作
範囲についてレーザ波のほとんど１波長未満の温
度又はその他の原因による厚さの変動を生じるこ
とになる。市販で入手可能な物質はホヤ・オプチ
クス社（Hoya Optics、Inc.）の物質番号FR−
５であつて、これはフアラデー回転を与えるため
に常磁性物質をドープしたガラスであり、等方性
の屈折率を有する回転子を生じるものである。こ
のことは重要であることが判明したが、その理由
は、伝統的なフアラデー回転子の問題点は石英の
ような結晶物質が異方性を有していて長円複屈折
を生じるということであるからである。これは名
目上円偏光した波を減偏光して逆回転波間の結合
を増大させることになる。それゆえ、等方性物質
をフアラデー回転子として使用し、共振モードの
減偏光を除去することが大切である。できるだけ
円偏光に近づけて動作させると、相互結合が減小
し、従つて残存する散乱中心による熱的に誘起さ
れたドリフトが減小する。これによつてジヤイロ
装置は数ヘルツ以下の出力周波数の時間的変動に
対応する安定度レベルを達成することができる。 フアラデー回転子スラブ１６５は磁石組立体１
８８によつて棚１６６に当つて保持されている。
二つの中空円筒形の永久磁石１８６及び１８７は
これらの間の接合点において同じ磁極が互いに隣
接するように端面と端面とを合わせて配置されて
いる。この二つの磁石は任意の既知の方法、例え
ばはんだ付け又は溶接によつて相互に固定するこ
とができる。フアラデー回転子スラブ１６５はそ
れゆえ二つの磁石の対の一端に隣接している。ス
ラブには縦方向の磁界が発生されるが、この磁界
はスラブ又は磁石から少しの距離を離れると急速
に減衰する。この構成には気体放電領域に達して
ゼーマン効果により望まれないモード又は周波数
オフセツトを発生させるような漂遊磁界が実質上
発生しないという利点がある。又、スラブに所要
の磁界を与えるために単一の磁石を使用すること
もできる。永久磁石構造物は数回巻きの電線で置
き換えてこれに電流を流し、フアラデー回転子ス
ラブ１６５に磁界を確立するようにしてもよいで
あろう。磁石構造物１８８を押しているのはばね
１７５である。ばね１７５の他方の側は中空円筒
形スペーサ１９７の周辺に沿つて静止しており、
又スペーサ１９７は中空円筒形吸収体１９１の一
側面に部分的に乗つている。吸収体１９１は黒色
ガラスのような物質で作られていて反射防止膜が
施されており、それの表面に入射する、例えばフ
アラデー回転子スラブからの鏡面反射のようなす
べての電磁波を吸収するのに使用される。吸収体
１９１は、孔部１８１の周辺に沿つて摩擦により
静止している円形クリツプ１９３によつて正しい
位置に保持されている。従つて、理解され得るよ
うに、今説明したばかりの諸素子は円形クリツプ
１９３によつて棚１６６の右側に対して配置され
た組立体を形成しており、ばね１７５はすべての
素子を正しい位置にしつかりと保持するために十
分な縦方向の力を与えている。棚１６６の反対側
には、フアラデー回転子スラブ１６５及び磁石組
立体１８８を除いて同様の諸素子の配列がある。
円形クリツプ１９２は静止基部を形成しており、
これに第２の吸収体１９０が当たつて静止してい
る。ばね１７４は、一端が棚１６６の左側に乗つ
ていて、スペーサ１９６を吸収体１９０に押し当
てており、これによりすべての素子を棚１６６の
左側においてその所定の位置に保持している。 回転子取付具１５４はらせんばね１９９によつ
て、通路１１２及び１１３の直径の変化により形
成された棚に当つて正しい位置に保持されてい
る。ばね１９９の小さい方の直径の第１巻きは回
転子取付具１５４の本体上に乗つており、かつ又
他方の大きい方の直径の端部は穴１１３の壁面の
周囲に延びてこれと摩擦係合している。回転子１
５６の諸素子のこの構成は、光学素子がジヤイロ
ブロツクに使用された安定な物質に弾力的に押し
当てて保持されているので、熱に対して安定であ
る。 前述のように、回転子取付具１５４に設けられ
た孔部の軸は取付具１５４の縦軸に対して角度を
なしているのでフアラデー回転子スラブ１６５の
平面も又取付具１５４の縦軸に対して角度をなし
ている。これは、フアラデー回転子スラブ１６５
の二つの表面からの反射が今やすべて二つの黒色
ガラス吸収体によつて遮られて吸収されるので、
逆進行する波の間の結合の除去に役立つ。第６図
の回転子において左から右へ循環する波はスラブ
１６５からの反射が吸収体１９０の下方部分によ
つて遮られて吸収され、又反対方向に循環する波
はスラブ１６５からの反射が吸収体１９１の上方
部分によつて吸収される。二つの吸収体１９０及
び１９１並びに回転子スラブ１６５も又反射量を
更に減小させるために反射防止膜が施されてい
る。 時計回り及び逆時計回りに循環するビーム間の
周波数分離（スプリツト）を与えることの外に、
フアラデー回転子１５６は第２の作用を行う。棚
１６６の領域において密着しているために、フア
ラデー回転子１５６は通路１１２を通る気体の縦
方向の流れを阻止する。閉路を通る気体の正味の
循環はあり得ないので、その気体により運ばれる
散乱粒子の循環の可能性は相当に減小するが、フ
レネルーフイゾー効果によるドリフトも同様であ
る。 第１図、第３図及び第４図を再び参照すると、
面１２２上に配置された部分透過性のミラーに当
たるビームには低い入射角が与えられていること
がわかるであろう。各通路１０８，１１０，１１
２及び１１４内を進行するビームは円偏光のビー
ムである。このビームの一つが反射鏡又は表面に
入射する方向が法線に近いほど鏡面を透過したビ
ームの偏光は円形に近くなる。入射角が法線から
離れるにつれて、部分的に透過したビームは長円
偏光をとり始める。 前述の米国特許第4141651号に説明されている
ように、出力光学系・検出器構造物内のビームが
完全に円偏光しているならば、検出器構造物内の
二つの上方周波数のビームと二つの下方周波数の
ビームとの間には望まれない相互結合及び干渉が
実質上存在しない。長円率が増大するにつれて、
相互結合は明白になり始め、検出器ダイオード１
４５及び１４６からの出力信号に振幅変調として
現れる。前述のように、望まれない相互結合の量
は長円率の非線形単調増加関数であることが発見
されている。相互結合は約15度以下の入射角に対
しては比較的低いことが判明している。しかしな
がら、相互結合の量はこの入射角以上では極めて
急速に増大する。出力光学系構造物内の相互結合
は適当な偏光フイルタによつて除去することがで
きるが、利用可能なフイルタされた出力はフイル
タされない相互結合が増大するにつれて減小す
る。出力ミラーにおける各ビームの入射角が増大
するにつれて、各ビームについての検出器ダイオ
ードにおいて利用可能な出力は減小する。出力減
小率、すなわち鏡面に垂直なビームについて利用
可能な出力に対する所与の入射角のビームについ
て検出器において利用可能な出力の比率は、前述
の米国特許第4141651号に記載された出力構造物
について第７図に示されている。容易にわかるよ
うに、出力減小率は約15度より大きい入射角につ
いては急速に低下する。それゆえ、この発明の一
態様によれば、面１２２上に配置された部分透過
性ミラーに対する通路１０８及び１１０における
ビームの入射角は15度以下にされる。別の言い方
をすれば、通路１０８と１１０との間の角度は30
度以下である。 装置の動作時には、四つの周波数の波は利得
（ゲイン）曲線のピークに関して対称的に中心配
置するのが望ましい。この目的のために、圧電変
換器１６０を設けて面１２８上のミラーを機械的
に位置決めし、四つの周波数の波を適当に中心配
置するようにレーザジヤイロ空洞１０２内の全光
路長を調整する。光路長制御器３２０は検出ダイ
オード１４５及び１４６から圧電変換器１６０を
動作させるための信号を取り出す。これらの信号
は対応する△f₁及び△f₂信号の全振幅に比例した
振幅を有する。制御器３２０はこれら二つの振幅
関係信号の間の差を発生する。この出力差信号は
もちろん、四つの周波数の波が利得曲線上で適当
に中心配置されたときにはゼロ振幅を有する。出
力差信号は四つの波が一方の方向において中心外
れであるときには一方の極性のものでありかつ又
四つの波が他方の方向において中心外れであると
きには他方の極性のものである。平均振幅信号は
既知の回路によつて形成することができるが、そ
のさいこれの出力は圧電変換器１６０の入力リー
ドに結合される。 今までどおり第１図、第３図及び第４図につい
て述べるが、気体利得（ゲイン）媒質を励起する
ための電極は通路１０８内に配置されている。中
心カソード電極２２は外部の安定化電源３１０の
負端子に接続しかつ又アノード電極３２及び４２
はその正端子に接続するのが望ましい。カソード
電極はレーザジヤイロブロツク１０２から最も遠
い端部に中空の金属製半球を取り付けられた短い
中空円筒の形状をしている。カソード電極は孔部
２０に隣接したジヤイロブロツク１０２の表面に
通常の方法で取り付けられている。アノード電極
３２及び４２は電極孔部３０及び４０中に延びた
金属棒の形状をしている。このようにすれば、電
極が配置されている通路を通過するビームが反対
方向の等長の電流路を通過するので、気体利得媒
質を通る不等の電流によつて引き起こされるビー
ムにおける抗力の影響が実質上除去される。しか
しながら種種の電極の位置における製造上の公差
のために、二つの通路における負電極及び二つの
正電極間の距離は正確には等しくないことがあ
る。この不等を補償するために、電極３２及び４
２を電源３１０の二つの独立した正端子に接続し
て、二つの正電極とこれに隣接した負電極との間
の電流を不等にし、これによつて異なつた抗力の
影響を補償するようにしてある。 通路１０８，１１０，１１２及び１１４を満た
す気体利得媒質は外部の気体源から気体充てん孔
部１０６を通して供給される。８：0.53：0.47の
比率の³He、²⁰Ne及び²²Neの混合物が採釈され
る。一たんすべての通路が充てんされてしまう
と、シール１０７が孔部１０６に施されて気体を
密閉状態で収容する。 正電極の一つのものの領域におけるレーザジヤ
イロスコープ装置の構造の細部は第５図の断面図
に詳細に示されている。金属電極３２は、電極シ
ール３３によつて正しい位置に保持されて、電極
孔部３０内に配置されている。電極３２はジヤイ
ロブロツク１０２の表面から通路１０８までの半
分より幾分多く延びている。電極孔部３０は望ま
しくは直角に通路１０８と交わる。端末室１１８
は出力光学系構造物１４４が配置されているジヤ
イロブロツク１０２の表面の内側に形成されてい
る。端末室１１８及び通路１０８は互いに同軸で
ある。通路１０８が電極孔部３０をわずかに越え
てから端末室１１８と交わつているので、電換通
路３０と端末室１１８との間にはバツフル１３０
が形成されている。同様の構成は電極４２に対し
ても孔部４０、シール４３及び端末室１１９によ
つて与えられている。 従来の装置ではバツフルが設けられていなかつ
た。端末室は電極孔部から直接外方へレーザジヤ
イロブロツクの表面まで延びていた。電極が励起
されたときには、レーザジヤイロブロツクのイオ
ンボンバード及びスパツタによるなどして発生さ
れるようなちり又はその他の望まれない粒子が電
極とビーム通路の交点のまわりに積もつたもので
ある。浮遊粒子は散乱中心として作用して構造物
の光学損失を増大させた。これとは対照的に、こ
の発明では、ちり又はその他の望まれない粒子が
３０のような電極孔部及び通路１０８の交点の領
域に浮遊しないことが判明している。それゆえ、
ドリフトの潜在的な源が除去される。 前述のように、良好な円偏光を維持することに
よつて、ジヤイロは大量のドリフトを与えるすべ
ての既知の源を除去する。しかしながら、レーザ
ジヤイロが高性能装置に使用されるべき場合には
補償されなければならない小量のドリフトを与え
る付加的な源がある。この残存するドリフトは分
散、すなわち使用媒質の利得（ゲイン）と関係し
た周波数依存性の屈折率である。He−He利得媒
質については、利得曲線はドプラ広がりのために
ほぼ正規曲線の形をしており、分散曲線はＳ字状
として描くことができる。分散曲線は、利得媒質
の存在のために特定の周波数の波が受ける光学位
相偏移量を表す。第８図Ｂに見られるように、中
心周波数fcより低い周波数は中心周波数fcより低
い周波数は中心周波数fcより高い周波数とは反対
の位相偏移を受け、すべてのモードは中心線の方
へ偏移することになる。分散曲線は非線形である
ので、差動ジヤイロの四つのモードは異なつた分
散量を有する、従つて第８図Ｂについて言えば異
なつた位相偏移量を有する点で動作している。
φ₁はf₁に対応する位相偏移であり、φ₂はf₂に対応
し、φ₃はf₃に対応し、又φ₄はf₄に対応する。差
（φ₂−φ₁）が差（φ₄−φ₃）と量的に異なつている
場合には、それ自体温度、利得及び圧力のような
多くの要素の関数である分散曲線の形状に依存す
るゼロでない差動出力が静止時に存在することに
なる。これらの要素のいずれか一つが変化する
と、この変化は分散曲線を横切る四つのモードの
偏移として反映され、この偏移は分散曲線の非直
線性のために、変化する差動出力を生じることに
なる。それゆえ、ジヤイロは種種の要因に従つて
変化するその出力周波数におけるドリフトを有す
ることになる。 この発明のジヤイロ装置は利得媒質分散による
ドリフトを除去するためにゼーマン効果を利用し
ている。ゼーマン効果はレーザ気体のスペクトル
線の二つ以上の成分への分離（分岐、スプリツ
ト）に関係する。この周波数分離は利得曲線及び
これに対応する分散曲線の分離を生じることにな
る。この物理的機構は、磁界が原子エネルギー準
位を、異なつたエネルギーを有しかつ所定の円偏
光状態の波と相互作用するいくつかの状態に分離
するという量子力学的現象である。これは第９図
に図解されており、ここではエネルギー線図の左
側には磁界が存在しない場合の代表的なエネルギ
ー準位が示されている。この場合、放射周波数
は、E₂及びE₁を二つのエネルギー準位としかつ
ｈをプランクの定数とするとき、f₀＝（E₂−
E₂）／ｈである。この線図の右側はエネルギー
準位が磁界の存在する場合にどのように分離する
かを示している。線２４２は△ｍ＝＋１に対応す
るエネルギー準位の遷移を示しており、これは分
離した分散線２６０に対する中心周波数のような
一方の組の放射周波数、f₊＝f₀−g^BH／ｈを生じ
る。線２４４は△ｍ＝−１に対応するエネルギー
準位遷移を示しており、これは分離した分散線２
５０に対する中心周波数のような他方の組の放射
周波数、f_-＝f₀＋g^BH／ｈを生じる。ここで、ｇ＝
ランデのＧ比、すなわち磁気回転比、Ｂ＝ボーア
磁子、ｈ＝プランクの定数である。四つの循環す
るモードは次のようにネオン原子の磁気量子数ｍ
の変化△ｍの異なつた値を有している。

【表】 ゼーマン効果は偏光と方向の両方に依存する。
その理由は、磁界について測定したときの光波の
電界ベクトルの回転方向が、磁界によつてエネル
ギー準位の分離（分岐）されている電子のスピン
と相互作用するからである。従つて、結果として
生じる分散線の一方は磁界の方向に平行な方向に
進行するRCP波及び磁界の方向に逆平行な、す
なわちこれとは反対の方向に進行するLCP波と
相互作用するが、他方の分散線は磁界ベクトルに
逆平行な向きに進行するRCP波及び磁界と同じ
方向に進行するLCP波と相互作用する。 △ｍの値は異なつた原子遷移に対応しているの
で、この遷移はゼーマン効果によつて2g^BH／ｈに
等しい量だけ分離される。第８図ｃを見ると、分
離した分散曲線及びジヤイロの四つのモードの対
応する位相偏移の線図が示されている。△ｍ＝＋
１線が周波数において△ｍ＝−１線よりも（f₂−
f₁）に等しい量280だけ低くなるような磁界が存
在する場合には、線２７０及び線２７２の高さは
等しくなる、すなわちf₁及びf₂に与えられる位相
偏移の量は等しくなる。同様に、線２７４及び線
２７６は同じ高さになつて、その結果周波数f₃及
びf₄は同様の量の位相偏移を有するようになる。
そこで理解できるであろうが、四つの周波数が分
散曲線を横切つてドリフトするか又は分散曲線が
例えば温度のために変化するとき、モード１の分
散は常にモード２の分散に等しくなり、又モード
３の分散は同様にモード４の分散に等しくなる。
従つて、外部条件のために動作周波数に小さい変
化が生じているとき、差動出力における正味の差
は同じのままである。分散ドリフトを除去するた
めには、ゼーマン効果のための磁界は、フアラデ
ーバイアス＝2g^BH／ｈ＝（3.64MHz／ガウス）Ｈ
の式を満足しなければならない。これによつて、
ジヤイロ装置は１Hzよりはるかに小さい程度の出
力周波数の安定度を達成できることになる。 次に第１図ないし第４図を見ると、採釈した構
成例においては分散曲線のゼーマン分離（分岐）
に必要な磁界はレーザ媒質を運ぶ通路のまわりに
配置されたコイルの使用によつて得られることが
わかるであろう。ジヤイロブロツク１０２に穴を
あけてコイルのための通路２００，２１０，２２
０及び２３０を設けてある。ジヤイロ路のレーザ
部分の全体にわたつてゼーマン分離を与えるため
にカソード２２の一方側にはコイル２０２及び２
１２が設けられかつ又カソード２２の他方側には
コイル２２２及び２３２が設けられている。４組
のコイルはレーザ気体に一層一様な磁界を与える
ために使用されたものであるが、しかし、レーザ
気体に磁界の成分を与えるその他の任意の構成を
使用することができる。コイル２０２，２１２，
２２２及び２３２は通路１０８のまわりに配置さ
れている。なるべくなら、四つすべてのコイルを
単一の源によつて制御して、フアラデー回転子１
５６により与えられたフアラデーバイアスの周波
数における分離に等しい大きさにおいてかつ又利
得媒質に対する波の感応性を除去する方向におい
て分散曲線の分離を引き起こすための磁界を発生
させるような大きさ及び極性の電流を供給するよ
うにするのがよい。 ゼーマン分離のために発生される磁界の量をフ
アラデー回転子によつて与えられたフアラデーバ
イアスの量に関連して制御することが望ましい。 次に第１図を見ると、ダイオード１４５及び１
４６を支持した出力光学系構造物１４４が示され
ている。出力光学系構造物１４４は、LCP逆回
転周波数対とRCP逆回転周波数対とをそれぞれ
別のダイオードで検出することによつて分離す
る。例えば、ダイオード１４５は第１周波数対の
周波数差（f₂−f₁）であるfaに対応する信号を与
えるために使用され、又ダイオード１４６は第２
周波数対の周波数差（f₄−f₃）であるfbに対応す
る信号を与えるために使用される。ダイオード１
４５及び１４６の出力は分散制御器３００に接続
されている。静止時には、fa＝fbであつてそれぞ
れの差はフアラデーバイアスに対応する。回転の
ある場合には、二つの差周波数の一方が増大しか
つ他方が減小するが、その変化の量及び向きは回
転の方向及び速度によつて決まる。分散制御器３
００には二つの周波数差の平均を表す信号を形成
することのできる通常の電子回路があつて、これ
が回転下においてさえもフアラデーバイアスを測
定する。分散制御器３００における別の回路はこ
のフアラデーバイアス信号の関数としての電流を
コイル２０２，２１２，２２２及び２３２に供給
して、フアラデーバイアスによつて得られる周波
数分離（スプリツト）に等しい量だけ分散曲線を
分離させるための磁界を通路１０８において発生
する。分散等化に必要とされる磁界はＨ＝フアラ
デーバイアス／2g^Bh＝（フアラデーバイアス〔ヘ
ルツ〕）／（3.64×10⁶）Oeによつて与えられ、又
それを発生するのに使用される電流は技術上周知
のようにコイルの巻数に比例して決まる。 この構成のフアラデー回転子は温度に反比例す
る特性を有するフアラデーバイアスを発生するこ
とがわかつている。制御器３００によつて、ゼー
マン分離のための磁界は測定されたフアラデーバ
イアスの関数として発生されるので、分散等化は
フアラデーバイアスの温度依存性に無関係に行わ
れる。制御器３００は、コイル巻線の向きによつ
て極性の決まる、フアラデーバイアスに対する磁
界と、コイル巻線の巻数とに関係するある種の比
例定数を介して、測定されたフアラデーバイアス
に対応する信号の関数として振幅が制御される電
流を発生する。バイアス制御電子回路３００の更
に詳細な説明は、この種の制御回路の設計が技術
上周知であるので、必要でない。 説明した構成例に対するその他の諸変更はこの
発明の精神及び範囲から外れることなく技術に通
じた者によつて容易に行われるのであろう。 以下にこの発明を具体化する態様のいくつかを
あげる。 (1) 円偏光した電磁波の伝搬のための非平面状閉
路を与え、かつ又反対の偏光方向の波に周波数
の分離を与えるための装置、 前記の閉路に配置されておりかつ周波数の関
数として非直線的に変化する利得及び分散特性
を有している利得媒質、 それぞれの偏光方向の前記の波の逆に進行す
るものの間における周波数分離を生じることに
なる前記の円偏光した波に対する方向依存性の
位相偏移を与えるための非減偏光装置、及び 前記の逆に進行する波の等しくない利得媒質
分散を補償するための分散補償用装置 を有するリングレーザジヤイロスコープ装置。 (2) 前記の非平面状閉路が更に隣接した経路部分
間の入射角を制限するようになつている 態様(1)に記載の装置。 (3) 前記の非平面状閉路から散乱粒子を除去する
ための装置が設けられている 態様(2)に記載の装置。 (4) 前記の散乱粒子除去装置が、前記の電磁波を
発生するために前記の利得媒質を電気的に励起
するのに使用される電極の領域におけるバツフ
ルを備えている 態様(3)に記載の装置。 (5) 前記の方向依存性の非減偏光装置が、ゼロで
ないベルデ定数を有する等方性物質のスラブ、
及びこのスラブに磁界を与えるための装置を有
している 態様(1)に記載の装置。 (6) 前記の方向依存性の非減偏光装置が更に、前
記のスラブのどちらの側にも配置された電磁波
を吸収するための装置を備えていて、前記のス
ラブが任意の反射波を前記の吸収装置に導くよ
うに配置されている 態様(5)に記載の装置。 (7) 前記のスラブ及び前記の吸収装置が弾性装置
によつて低熱膨張フレームに押し当てられて正
しい位置に保持されている 態様(6)に記載の装置。 (8) 前記のスラブに磁界を発生するための前記の
装置が、前記の等方性スラブに隣接して配置さ
れかつ同種の磁極を相互に接続された二つの磁
石からなつている 態様(5)に記載の装置。 (9) 前記の分散補償用装置が、 前記の利得媒質にその縦軸に沿つて磁界成分
を与えるための磁界付与装置を備え、 前記の磁界成分が、前記の方向依存性の非減
偏光装置による前記の逆に進行さる波の間の周
波数分離にほぼ等しい前記の利得及び分散特性
の周波数分離を発生するための大きさを有して
おり、かつ 前記の磁界成分が、ほぼ等しい量の利得−媒
質分散を前記の逆に進行する波に与えるための
極性を有している 態様(1)に記載の装置。 (10) 前記の磁界付与装置が、前記の方向依存性の
非減偏光装置による逆に進行する波の周波数分
離の平均量の関数として磁界を変化させる 態様(8)に記載の装置。 (11) 前記の磁界付与装置が、利得媒質収容路の一
部分のまわりにおける少なくとも一つのコイ
ル、前記の方向依存性の非減偏光装置によつて
逆に進行する波に発生された周波数分離の量を
測定するための装置、及び前記の周波数分離の
平均値に比例した電流を前記のコイルに発生す
るための装置を備えている 態様(10)に記載の装置。 (12) 前記の磁界付与装置が、前記の利得媒質の活
性部分を収容する前記の収容路の部分の全体に
わたつて配置された複数個のコイルを有してい
る 態様(11)に記載の装置。 (13) 支持容器、 前記の支持容器内に配置されたフアラデー回
転を与えるための回転付与装置、及び 前記フアラデー回転付与装置の少なくとも一
方側に配置された電磁波を吸収するための装置
であつて、前記の波の実質的部分が前記の回転
付与装置を通過することができるようにしてあ
る吸収装置を備え、かつ 前記の回転付与装置が更に前記の波の任意の
反射部分を前記の吸収装置の方へ向けるように
配置されている フアラデー回転子装置。 (14) 前記の支持容器が複数個の停止具を備えた
低熱膨張材料製のものであり、かつ 前記の回転付与装置及び前記の吸収装置が弾
性装置によつて前記の停止具に押し当てられて
正しい位置に保持されている 態様（13）に記載の装置。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のレーザジヤイロスコープ装
置の第１の角から見た上面等角投影図である。第
２図は第１図に示した装置の第２の角から見た下
面等角投影図である。第３図及び第４図は第１図
に示した装置の第３の角から見たジヤイロブロツ
クの等角投影図であつて、装置の内部構造及び通
路を示すものである。第５図は第１図に示した装
置の、一つの端末室及びミラー基板の領域におけ
る内部構造を示す断面図である。第６図は第１図
に示したレーザジヤイロ装置のフアラデー回転子
装置の構造の詳細を示す側部断面図である。第６
図Ａは第６図のフアラデー回転子の領域における
第１図のレーザジヤイロの一部分の上面図であつ
て、フアラデー回転子の上面を示すものである。
第７図は出力ミラー構造物へのビームの入射角の
関数としての出力減小率を示す図である。第８図
Ａは第１図のレーザジヤイロ装置に使用された気
体レーザ媒質の周波数対利得を示す図であつて、
装置内の四つのビームの周波数の相対的位置を示
すものである。第８図Ｂは第８図Ａの利得媒質に
対応する周波数の関数としての位相偏移（分散）
を示す図である。第８図Ｃは磁界の存在する場合
におけるレーザ媒質の周波数対位相偏移（分散）
を示す図である。第９図は磁界の存在する場合に
おけるエネルギー準位の分離を示すエネルギー準
位図である。 これらの図面において、１０２はジヤイロブロ
ツク、１０８，１１０，１１２，１１４は通路
（非平面状閉路を形成）、１４４は出力光学系、１
５６はフアラデー回転子、１５４はこれの取付具
（支持容器）、１６５はフアラデー回転子スラブ、
１８８は磁石組立体、１８６，１８７は永久磁
石、１７４，１７５はばね、１９０，１９１は吸
収体、１９２，１９３は円形クリツプ、１８１は
孔部、２２は中心カソード電極、３２，４２はア
ノード電極、３０は電極孔部、１１８は端末室、
１３０はバツフル、２０２，２１２，２２２，２
３２はコイルを示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内部に通路を有するハウジングを含み、その
   通路を通る複数の電磁波に対し閉路を供給する手
   段と、 前記ハウジング内に設けられ、前記通路の一部
   分と位置合わせされた支持体と、 前記支持体に取りつけられそれによつて支持さ
   れて前記通路の一部に配置され、電磁波にフアラ
   デー回転を与える手段と、 前記支持体に取りつけられそれによつて支持さ
   れて電磁波を吸収する手段であつて、前記フアラ
   デー回転手段の少なくとも一方側に配置され、電
   磁波の殆んどの部分を前記フアラデー回転手段を
   通して通過させ得る前記通路内に配置された中央
   領域と、前記通路からずれた吸収領域とを有する
   吸収手段と、 からなり、前記フアラデー回転手段が該手段によ
   つて反射された電磁波を前記吸収手段の吸収領域
   の方向に向けるように配置された、リングレーザ
   ジヤイロスコープ。 ２ 前記支持体が複数個の停止具を有する低熱膨
   張材料からなり、前記フアラデー回転手段及び前
   記吸収手段が弾性手段によつて前記停止具に押し
   つけられて保持されている、特許請求の範囲第１
   項記載のリングレーザジヤイロスコープ。