JPH0321889B2 - - Google Patents

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Publication number
JPH0321889B2
JPH0321889B2 JP53164633A JP16463378A JPH0321889B2 JP H0321889 B2 JPH0321889 B2 JP H0321889B2 JP 53164633 A JP53164633 A JP 53164633A JP 16463378 A JP16463378 A JP 16463378A JP H0321889 B2 JPH0321889 B2 JP H0321889B2
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JP
Japan
Prior art keywords
permanent magnet
support member
base support
opening
faraday rotator
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
JP53164633A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS5498195A (en
Inventor
Ansonni Dooshunaa Terii
Uiruson Sumisu Aaru
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Raytheon Co
Original Assignee
Raytheon Co
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Filing date
Publication date
Application filed by Raytheon Co filed Critical Raytheon Co
Publication of JPS5498195A publication Critical patent/JPS5498195A/en
Publication of JPH0321889B2 publication Critical patent/JPH0321889B2/ja
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/58Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/64Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
    • G01C19/66Ring laser gyrometers
    • G01C19/667Ring laser gyrometers using a multioscillator ring laser
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/081Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors
    • H01S3/083Ring lasers

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  • Optics & Photonics (AREA)
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  • Lasers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、一般にはフアラデー回転子に関し、
更に詳細には共通の伝搬路において同時に2つの
レーザジヤイロスコープを有効に動作させる4周
波レーザジヤイロスコープに使用し得るフアラデ
ー回転子に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention generally relates to Faraday rotators;
More specifically, the present invention relates to a Faraday rotator that can be used in a four-frequency laser gyroscope that effectively operates two laser gyroscopes simultaneously in a common propagation path.

〔背景技術〕[Background technology]

4周波レーザジヤイロスコープの動作原理は米
国特許第3741657号(1973年6月26日)に記載さ
れている。この特許に記載されている装置では、
3つ又はそれ以上のミラーによつて形成された伝
搬閉路に4つの異なる周波数の電磁波を伝搬させ
る。これらのビームのうちの2つは伝搬閉路を時
計方向に回り、これに対して他の2つは反時計方
向に回る。時計方向ビームの1つと反時計方向ビ
ームの1つは第1の偏波方向にあるのに対し、時
計方向の他方と反時計方向の他方は第2の偏波方
向にある。例えば、第1時計方向ビーム及び第1
反時計方向ビームは右回りの円偏波から成り、第
2時計方向ビーム及び第2反時計方向ビームは左
回りの円偏波から成る。また、2つの右回り円偏
波ビームは、例えば高い方の2つの周波数から成
り、2つの左回り円偏波ビームは低い方の2つの
周波数から成る。
The principle of operation of a four-frequency laser gyroscope is described in US Pat. No. 3,741,657 (June 26, 1973). In the device described in this patent,
Electromagnetic waves of four different frequencies are propagated through a propagation circuit formed by three or more mirrors. Two of these beams rotate clockwise around the propagation loop, whereas the other two rotate counterclockwise. One of the clockwise beams and one of the counterclockwise beams are in a first polarization direction, while the other clockwise and the other counterclockwise are in a second polarization direction. For example, a first clockwise beam and a first
The counterclockwise beam consists of right-handed circularly polarized waves, and the second clockwise beam and the second counterclockwise beam consist of left-handed circularly polarized waves. Further, the two right-handed circularly polarized beams consist of, for example, two higher frequencies, and the two left-handed circularly polarized beams consist of two lower frequencies.

レーザジヤイロスコープのその軸の回りの回転
は、2つの右回り円偏波ビームについては停止状
態におけるより周波数を更に分離させ、2つの左
回り円偏波ビームについては更に近づけさせる。
逆方向の回転に対しては逆の周波数シフトが生じ
る。その右回り円偏波ビームと左回り円偏波ビー
ムとの周波数シフトの差は、ジヤイロスコープの
回転速度に正比例する。この差の時間積分は軸の
回りの回転の総量に正比例する。
Rotation of the laser gyroscope about its axis causes the two right-handed circularly polarized beams to be more separated in frequency than in the rest state, and the two left-handed circularly polarized beams to be more closely spaced.
For rotation in the opposite direction, an opposite frequency shift occurs. The difference in frequency shift between the right-handed and left-handed circularly polarized beams is directly proportional to the rotation speed of the gyroscope. The time integral of this difference is directly proportional to the total amount of rotation about the axis.

4つの周波数から成るビームを維持するため、
周波数を分離させる2つの手段が伝搬路内に設け
られる。前述の米国特許に記載される装置では、
クリスタル回転子が右回り及び左回り円偏波ビー
ムの平均周波数を分離させる。この分離は円偏波
に対して位相遅れを与えるクリスタルによつて実
現され、この位相遅れは円偏波の方向によつて異
なるとともに伝搬方向に対して可逆的である。ま
た、フアラデー回転子が同じ円偏波の時計方向ビ
ームと反時計方向ビームの周波数間に周波数分離
を与える。フアラデー回転子は非可逆的で、反対
方向に伝搬する同じ偏波状態の電磁波に対して異
なる位相遅れを生じさせる。
To maintain a beam consisting of four frequencies,
Two means for frequency separation are provided in the propagation path. In the device described in the aforementioned U.S. patent,
A crystal rotator separates the average frequencies of the right-handed and left-handed circularly polarized beams. This separation is achieved by a crystal that provides a phase delay to the circularly polarized wave, and this phase delay differs depending on the direction of the circularly polarized wave and is reversible with respect to the propagation direction. Additionally, the Faraday rotator provides frequency separation between the frequencies of the clockwise and counterclockwise beams of the same circular polarization. Faraday rotators are irreversible and produce different phase delays for electromagnetic waves of the same polarization state propagating in opposite directions.

前述の米国特許に記載される装置は良好に機能
するが、改善する余地がある。例えば、伝搬路か
らできるだけ固体材料を除去することが望まし
い。その理由は、伝搬路内に固体材料があると、
そこに散乱中心点が生じ、そこから光が不都合に
も1つのビームから他のビームに結合し、出力周
波数ドリフトを生じさせる可能性があるからであ
る。
Although the device described in the aforementioned US patent works well, there is room for improvement. For example, it is desirable to remove as much solid material from the propagation path as possible. The reason is that if there is a solid material in the propagation path,
This is because scattering centers occur there, from which light can undesirably couple from one beam to another, causing output frequency drift.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

従つて、本発明の目的は、循環するビームの伝
搬路内に配置される散乱材料をできるだけ少なく
し得るフアラデー回転子を提供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore an object of the invention to provide a Faraday rotator that allows as little scattering material to be placed in the propagation path of the circulating beam as possible.

この目的を達成するため、本発明によるフアラ
デー回転子は、内部に開口を有するベース支持部
材と、内部に開口を有し、その開口が前記ベース
支持部材の開口と整列されている永久磁石と、希
土類元素をドープしたガラスから成り、前記永久
磁石内の開口内部に配置されるスラブと、を含
み、該スラブと永久磁石が前記ベース支持部材に
よつて支持され、更に、前記スラブを前記ベース
支持部材に対して保持するスプリングと、前記ベ
ース支持部材及び永久磁石内の開口と整列する開
口を内部に有し、永久磁石の磁力によつて前記ス
プリングを保持する保持部材と、を含み、前記ベ
ース支持部材が、実質上円筒状の中心部と、前記
中心部よりも大きい直径を有する実質上円筒状の
第1端部と、前記ベース支持部材の前記開口が設
けられ、前記永久磁石及びスラブが取り付けられ
る実質上平坦な部分を有し、前記ベース支持部材
の開口及び前記永久磁石の縦軸が前記ベース支持
部材の中心部の縦軸と実質上直角を成す第2端部
と、から構成される。
To achieve this objective, a Faraday rotator according to the invention comprises: a base support member having an opening therein; a permanent magnet having an opening therein, the opening being aligned with the opening of said base support member; a slab made of glass doped with a rare earth element and disposed inside an opening in the permanent magnet, the slab and the permanent magnet being supported by the base support member; a retaining member having an aperture therein that is aligned with an aperture in the base support member and a permanent magnet and retaining the spring by the magnetic force of the permanent magnet; a support member is provided with a substantially cylindrical center portion, a substantially cylindrical first end portion having a diameter greater than the center portion, and the opening in the base support member; a second end having a substantially flat portion attached thereto, the opening in the base support member and the longitudinal axis of the permanent magnet being substantially perpendicular to the longitudinal axis of the central portion of the base support member; Ru.

好適実施例において、フアラデー回転子は、伝
搬閉路を逆方向に伝搬する電磁波に対して異なる
遅延を与える手段として用いられ、0.5mm以下の
厚さを有するスラブを備えるとともに、スラブ内
に磁界を発生する手段を有する。スラブ材は、動
作波長において好ましくは0.25(min/cm/Oe)
以上のヴエルデ(Verdet)定数を有する。この
条件を充たすものとして、適当な希土類元素をド
ープしたガラスがある。
In a preferred embodiment, a Faraday rotator is used as a means of imparting different delays to electromagnetic waves propagating in opposite directions on a propagation circuit, and comprises a slab having a thickness of 0.5 mm or less and generating a magnetic field within the slab. have the means to do so. The slab material is preferably 0.25 (min/cm/Oe) at the operating wavelength.
It has the above Verdet constant. Glass doped with a suitable rare earth element satisfies this condition.

〔実施例〕〔Example〕

第1図乃至第4図は、本発明によるフアラデー
回転子を使用することができるレーザジヤイロス
コープ装置の構成を示す。
1 to 4 show the construction of a laser gyroscope device in which a Faraday rotator according to the invention can be used.

ジヤイロブロツク102は装置を構成するフレ
ームを形成している。ジヤイロブロツク102は
例えばガラス−セラミツク材料の如き低い熱膨脹
率を有する材料で構成され、これによりレーザジ
ヤイロスコープ装置上の温度変化の影響をできる
だけ小さくするようにされている。市販の材料と
してはオーエンス・イリノイス・カンパニー
(Owens−Illinois Company)によつて製造され
た材料C−101の「Cer−VitTM」として販売され
ている。
Gyroscope block 102 forms the frame of the device. Gyroscope block 102 is constructed of a material with a low coefficient of thermal expansion, such as a glass-ceramic material, thereby minimizing the effects of temperature changes on the laser gyroscope device. A commercially available material is material C-101, manufactured by the Owens-Illinois Company, sold as "Cer-Vit ".

ジヤイロブロツク102は第1図ないし第4図
の各図に示されているように、ほぼ9つの平面を
有する。特に第3図及び第4図は装置の他の構成
要素を省略してジヤイロブロツク102のみを示
しており、通路108,110,112及び11
4がジヤイロブロツク102の4つの表面の間に
用意されている。通路はレーザジヤイロブロツク
102内に非平面的な伝搬閉路を形成している。
Gyroscope block 102 has approximately nine planes, as shown in FIGS. 1-4. In particular, FIGS. 3 and 4 omit other components of the device, showing only the gyroscope block 102, and the passages 108, 110, 112 and 11.
4 are provided between the four surfaces of the gyroscope block 102. The passage forms a non-planar propagation loop within the laser gyroscope block 102.

ミラーが表面122,124,126及び12
8上に通路との交差位置に用意されている。基板
140及び142は適当な反射面を有し、これに
より表面124及び126にそれぞれ配設された
ミラーを用意している。また鏡面が通路長制御ト
ランスジユーサ160の前に直接近接して設けら
れている。これらのミラーの1つは凹面となされ
ることによりビームが通路の中心に安定かつ厳密
に形成されるようになされている。表面122に
は部分的透過性ミラーが設けられ、ジヤイロブロ
ツク102内の閉路に沿つて伝搬する各ビームの
一部を出力光学系144に結合している。出力光
学系144の構造は米国特許出願第758223号
(1977年1月10日出願に開示のものを用い得る。
mirrors on surfaces 122, 124, 126 and 12;
8 at the intersection with the passageway. Substrates 140 and 142 have suitable reflective surfaces to provide mirrors disposed on surfaces 124 and 126, respectively. A mirror surface is also provided directly in front of and adjacent to the path length control transducer 160. One of these mirrors is made concave so that the beam is formed stably and precisely in the center of the path. A partially transmissive mirror is provided on surface 122 to couple a portion of each beam propagating along a closed path within gyroscope 102 to output optics 144. The structure of the output optical system 144 may be that disclosed in US Patent Application No. 758,223 (filed January 10, 1977).

通路108,110,112及び114は装置
内の異なるビームに対して非平面伝搬通路を形成
するので、各ビームは、閉路を回るとき偏波回転
する。ほぼ円偏波したビームだけが非平面空胴内
に存在することができることになる。円偏波ビー
ムによつて、ビーム散乱又は1つのビームから他
のビームに結合されることによるドリフトは最小
限度まで低減される。この低減現象は、散乱され
たとき1つの円偏波状態の光が、他のビームに結
合したり影響を与えたりするのに適当な偏波状態
にはないことに起因して、生ずる。他の形の光偏
波についてこのことは、他のビームに結合する散
乱ビームの成分が常に存在するので、このように
はならない。
Passages 108, 110, 112, and 114 form non-planar propagation paths for the different beams within the device, so that each beam undergoes polarization rotation as it travels around the closed path. Only approximately circularly polarized beams will be able to exist within the non-planar cavity. With circularly polarized beams, drift due to beam scattering or coupling from one beam to another is reduced to a minimum. This reduction phenomenon occurs because, when scattered, light of one circularly polarized state is not in the proper polarized state to combine with or influence other beams. This is not the case for other forms of optical polarization because there is always a component of the scattered beam that couples into other beams.

好適な実施例として、通路及び反射ミラーは各
ビームに対してほぼ90゜の偏波回転を与えるよう
にされている。
In a preferred embodiment, the passageway and reflective mirrors are arranged to provide approximately 90 degrees of polarization rotation for each beam.

右及び左回り円偏波ビームは、伝搬方向とは無
関係に同じ量だけ反対方向に回転されるので、ビ
ームが光学的空胴内で共振するためには右及び左
回り円偏波ビーム間に周波数分離を生じさせなけ
ればならない。このことは第7図に、左及び右回
り円偏波ビームの周波数分離として示されてい
る。好適な実施例としては、180゜の相対位相シフ
トに対応して90゜の回転が起こるが、他の位相シ
フトも同様に所望の周波数分離に基づいて用いる
ことができる。回転は伝搬閉路が非平面的である
限り生ずる。通路を正確に構成すれば回転量が決
まることになる。
Because the right-handed and left-handed circularly polarized beams are rotated in opposite directions by the same amount, independent of the propagation direction, for the beam to resonate within the optical cavity, there is a Frequency separation must occur. This is shown in FIG. 7 as the frequency separation of the left-handed and right-handed circularly polarized beams. In the preferred embodiment, a 90 degree rotation corresponds to a 180 degree relative phase shift, although other phase shifts may be used as well based on the desired frequency separation. Rotation occurs as long as the propagation circuit is non-planar. Accurately configuring the passage will determine the amount of rotation.

前述の米国特許に開示されているような従来の
装置では、右及び左回り円偏波ビーム間の周波数
分離は伝搬通路内に相当な光学的厚さの固体(ソ
リツド)材料のブロツクを用いることによつて達
成された。上述のように、ビーム伝搬路に直接固
体材料が存在することによつて、散乱点が生じ、
そこから光が不都合にも相互に結合してジヤイロ
出力に誤差を生じさせる。この結合量及び誤差量
は非常に熱的影響を受け易い。これまでこの種の
装置の出力周波数は温度に起因するドリフトの影
響を受けていたのであり、このドリフトは固定出
力バイアスによつては補償できなかつた。本発明
に依れば、従来クリスタル回転子として用いられ
ていた固体材料をビーム伝搬路から完全に除去
し、そこから生じる誤差及びドリフト源を除去す
ることができた。
In conventional devices, such as those disclosed in the aforementioned US patents, frequency separation between right-handed and left-handed circularly polarized beams is achieved using blocks of solid material of substantial optical thickness in the propagation path. achieved by. As mentioned above, the presence of solid material directly in the beam propagation path creates scattering points,
From there, the light undesirably couples together causing errors in the gyro output. This amount of coupling and error is very sensitive to thermal influences. Heretofore, the output frequency of this type of device has been affected by temperature-induced drift, which cannot be compensated for by a fixed output bias. According to the present invention, the solid material conventionally used as a crystal rotor can be completely removed from the beam propagation path, and the error and drift sources arising therefrom can be eliminated.

位相シフトがいかにして生ずるかの理解の助け
とするために、通路伝搬する直線偏波ビームを考
えることが有効である。例えば、面122及び1
24間を進行するビームは上方を向いた電気ベク
トルによつて直線偏波されている。ビームが面1
24上に用意されたミラーから反射されるので、
電気ベクトルはまだほぼ上方に向いており、しか
し通路112が面124及び128間で下がつて
いるので、わずかに前方に傾いている。ビームが
面128上のミラーから反射されるとき、ベクト
ルは第3図及び第4図に示すようにわずかに下方
に傾きながら左方を向いている。ビームは面15
1から反射されるので、通路108内のビームの
電気ベクトルは第3図及び第4図に示すようにわ
ずかに上方に傾斜しながら左方を向くことにな
る。かくしてビームは面122に到着するとき、
ほぼ90゜の偏波回転をする。勿論、かかる回転さ
れた円偏波ビームは補強されず、従つて閉路に沿
つて共振しない。そのようなビームが同じ長さの
平面閉路で共振するであろう周波数からシフトさ
れた周波数を有する円偏波ビームのみが共振を起
こすことになる。
To help understand how phase shifts occur, it is useful to consider a path-propagating linearly polarized beam. For example, surfaces 122 and 1
The beam traveling between 24 and 24 is linearly polarized by an upwardly directed electric vector. beam is face 1
Since it is reflected from the mirror prepared on 24,
The electric vector is still pointing generally upward, but is tilted slightly forward as passageway 112 dips between surfaces 124 and 128. When the beam is reflected from the mirror on surface 128, the vector points to the left with a slight downward tilt as shown in FIGS. beam is plane 15
1, the electrical vector of the beam in passageway 108 will point to the left with a slight upward slope as shown in FIGS. Thus, when the beam arrives at surface 122,
The polarization rotates approximately 90 degrees. Of course, such a rotated circularly polarized beam is not reinforced and therefore does not resonate along a closed path. Only circularly polarized beams with a frequency shifted from the frequency at which such a beam would resonate in a planar loop of the same length will resonate.

2周波数レーザジヤイロスコープは非平面伝搬
通路を用いて構成されて周波数分離だけを与える
ことができる。フアラデー回転子又は他のこの種
の要素はこの場合は必要がない。回転速度を検出
するために、出力信号は2つのビームの取り出さ
れた部分を一緒にビートをとることによつて発生
され、2つのビーム間の周波数の差の周波数を有
する出力信号を形成する。静止している場合出力
信号はある値0になる。一方向に回転する場合出
力信号の周波数は0+Δに増大し(ここで、Δ
は回転速度に比例し)、これに対して他方向に回
転すれば0−Δに減少する。本発明によれば、
円偏波を使用することによつて後方散乱によるク
ロスカツプリングをかなり減少させることがで
き、それによつてロツクイン・レンジが減少し、
ロツクインを完全に消去しなくともレーザジヤイ
ロスコープを多くの応用例に用いることができ
る。
A dual frequency laser gyroscope can be constructed with a non-planar propagation path to provide only frequency separation. Faraday rotators or other such elements are not needed in this case. To detect rotational speed, an output signal is generated by beating together the tapped portions of the two beams to form an output signal having a frequency that is the difference in frequency between the two beams. If it is stationary, the output signal will have a certain value of 0 . When rotating in one direction, the frequency of the output signal increases to 0 + Δ (where Δ
is proportional to the rotational speed), and on the other hand, when rotating in the other direction, it decreases to 0 - Δ. According to the invention,
By using circular polarization, cross-coupling due to backscatter can be significantly reduced, thereby reducing the lock-in range and
Laser gyroscopes can be used in many applications without completely eliminating lock-in.

時計方向及び反時計方向ビーム間の第2の周波
数分離は本発明によるフアラデー回転子156に
よつて発生される。フアラデー回転子156は第
2図及び第4図に示すように、面151の開口内
に配設されている。
A second frequency separation between the clockwise and counterclockwise beams is generated by a Faraday rotator 156 according to the present invention. The Faraday rotator 156 is disposed within an opening in the surface 151, as shown in FIGS. 2 and 4.

第6図及び第6A図は、本発明によるフアラデ
ー回転子156の詳細な構成を示す。フアラデー
回転子台154は望ましくはレーザジヤイロブロ
ツク102と同じ材料で作られ、構造体を組立る
ためのベースを構成している。フアラデー回転子
台154は一端にフランジを有する中央筒状部を
有し、レーザジヤイロブロツク102内に設けら
れた開口120内の装置の横方向の動きを制限す
るようになされている。フアラデー回転子台15
4の他端は切り離されて素子を取付けるためのプ
ラツトホームを残すようになされている。開口1
55は通路112と並んで配され、通路112と
ほぼ同一の直径を有する。中空の筒状永久磁石1
66が開口155の周囲に配設されている。永久
磁石166の開口内には開口155が設けられて
いる。永久磁石166の開口内にはわずかにくさ
び状となされたフアラデー回転子スラブ165が
配設されている。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
ヴエルデ定数の材料で作られているのが望まし
い。動作波長におけるヴエルデ定数の大きさが
0.25(min/cm/Oe)以上にして、必要な量の周
波数分離を生じさせるためのスラブの厚さを小さ
くすることが望ましい。装置の出力に生じる温度
ドリフト量は電磁波の通路にある固体材料の厚さ
の正関数であることが分かつているので、できる
だけ薄いスラブを用いることが望ましい。市販の
ものではホヤ・オプテイクス・インコーポレーテ
ツド(Hoya Optics,Inc.)の材料番号FR−5
を用い得る。許容レベルにまでドリフトを減少さ
せるには0.5(mm)又はそれ以下の厚さにすること
が望ましい。
6 and 6A show the detailed construction of Faraday rotator 156 according to the present invention. Faraday rotator base 154 is preferably made of the same material as laser radio block 102 and provides the base for assembling the structure. The Faraday rotator base 154 has a central cylindrical portion with a flange at one end and is adapted to limit lateral movement of the device within the opening 120 provided in the laser gyroscope block 102. Faraday rotor stand 15
The other end of 4 is cut off to leave a platform for mounting the device. opening 1
55 is placed alongside passageway 112 and has approximately the same diameter as passageway 112. Hollow cylindrical permanent magnet 1
66 are disposed around the opening 155. An opening 155 is provided within the opening of the permanent magnet 166. A slightly wedge-shaped Faraday rotor slab 165 is disposed within the opening of the permanent magnet 166 . Faraday rotor slab 165
is preferably made of rare earth doped glass or a similarly high Werde constant material. The magnitude of the Werde constant at the operating wavelength is
It is desirable to reduce the slab thickness to 0.25 (min/cm/Oe) or higher to create the required amount of frequency separation. Since the amount of temperature drift that occurs in the output of the device is known to be a direct function of the thickness of the solid material in the path of the electromagnetic waves, it is desirable to use as thin a slab as possible. Commercially available materials include Hoya Optics, Inc. material number FR-5.
can be used. A thickness of 0.5 mm or less is desirable to reduce drift to an acceptable level.

フアラデー回転子スラブ165はフアラデー回
転子台154にコイルスプリング168によつて
保持されている。磁極片170は磁化されていな
い強磁性材料で作られており、永久磁石166に
対してその磁界(磁力)によつて保持されてい
る。磁極片170はその中央に開口155及び通
路112とほぼ同じ直径の開口を有し、通路11
2は永久磁石166内の開口よりわずかに小さい
直径を有する。かくしてコイルスプリング168
は永久磁石166の開口内に延長する磁極片の部
分によつて押さえられている。
The Faraday rotor slab 165 is held on the Faraday rotor stand 154 by a coil spring 168. Pole piece 170 is made of an unmagnetized ferromagnetic material and is held against permanent magnet 166 by its magnetic field (magnetic force). Pole piece 170 has an aperture 155 in its center and an opening approximately the same diameter as passage 112;
2 has a diameter slightly smaller than the opening in permanent magnet 166. Thus the coil spring 168
is held down by the portion of the pole piece that extends into the aperture of permanent magnet 166.

他の実施例においては、2個の筒状永久磁石が
その間の接合部分に互いに同じ磁極をもたせるよ
うに端部をつき合わせて配設されている。フアラ
デー回転子スラブは2つの磁石対の一端の近く配
設されている。縦方向の磁界はスラブ内に発生さ
れるが、この磁界はスラブ又は磁石から少しでも
離れると急激に減衰する。この実施例は原理的に
漂遊(もれ)磁界が発生せず、この漂遊磁界があ
ればガス放電領域に延長できるので、ゼーマン
(Zeeman)効果によつて望ましくないモードす
なわち周波数オフセツトを生ずる。
In another embodiment, two cylindrical permanent magnets are disposed end-to-end so that the joints between them have the same magnetic poles. The Faraday rotor slab is located near one end of the two magnet pairs. A longitudinal magnetic field is generated within the slab, but this field decays rapidly with any distance from the slab or magnet. This embodiment does not in principle generate stray magnetic fields, which can be extended into the gas discharge region and cause undesired modes or frequency offsets due to the Zeeman effect.

その上に、時計方向及び反時計方向に回るビー
ム間の周波数分離を与えることにより、フアラデ
ー回転子156は第2の機能を果たす。ジヤイロ
ブロツク102の開口120内に密着させたの
で、フアラデー回転子156は通路112を通る
縦方向のガス流を止める。閉路を通る真の周回ガ
スは存在しないので、ガスによつて運ばれる散乱
粒子が周回する可能性はほとんどない。フアラデ
ー回転子スラブ165の両面が非反射材料でコー
テイングされている場合には入射放射線の後方散
乱を防ぐことができる。また出力信号に役立つ反
射放射線として用いられる限りにおいて反射が許
される。この場合部分的透過ミラーは必要ではな
い。
Additionally, Faraday rotator 156 performs a second function by providing frequency separation between the clockwise and counterclockwise rotating beams. Due to its tight fit within the opening 120 of the gyroscope 102, the Faraday rotator 156 stops longitudinal gas flow through the passageway 112. Since there is no true orbiting gas that follows a closed path, there is little chance that scattering particles carried by the gas will orbit. Backscattering of the incident radiation can be prevented if both sides of the Faraday rotator slab 165 are coated with a non-reflective material. Also, reflection is allowed as long as it is used as reflected radiation that is useful for the output signal. In this case a partially transmitting mirror is not necessary.

第1図、第3図及び第4図において、面122
上に配設された部分的透過ミラーに当たるビーム
については入射角が小さい。通路108,11
0,112及び114内をそれぞれ進行するビー
ムは全体として円偏波となる。反射ミラー又は面
に当たるビームの1つが垂直に近ければ近い程、
ミラー表面を通るビームの偏波は円偏波に近くな
る。入射角が垂直から離れると、部分的透過ビー
ムは楕円偏波となる。
In FIGS. 1, 3, and 4, the surface 122
The angle of incidence is small for the beam striking the partially transmitting mirror disposed above. Passage 108, 11
The beams traveling within 0, 112 and 114 respectively become circularly polarized waves as a whole. The closer one of the beams hitting the reflecting mirror or surface is vertical, the more
The polarization of the beam passing through the mirror surface is close to circular polarization. As the angle of incidence moves away from normal, the partially transmitted beam becomes elliptically polarized.

前述の米国特許出願第758223号に述べられてい
るように、出力光学系及び検出器内のビームが完
全な円偏波にされている場合には、望ましくない
クロスカツプリングが生じて検出器内において上
側の2つの周波数のビームと下側の2つの周波数
のビームとの間の干渉を生ずることは原理的にな
いと考えられる。楕円の程度が大きくなれば、ク
ロスカツプリングが明らかになり始め、検出器ダ
イオード143の出力信号に振幅変調成分として
現れる。望ましくないクロスカツプリングは楕円
の程度に応じて非直線的に単調増加することが発
見された。またクロスカツプリングは約15゜以下
の入射角では比較的低いことが発見されている。
しかしクロスカツプリング量はこの入射角以上で
は非常に急激に増大する。このクロスカツプリン
グは適当な偏光フイルタを用いることによつて除
去することができるが、濾波された有効電力は濾
波する前のクロスカツプリングが増大すれば減少
する。
As discussed in the aforementioned U.S. Patent Application No. 758,223, if the output optics and the beam in the detector are made completely circularly polarized, undesirable cross-coupling may occur within the detector. In principle, it is considered that no interference occurs between the upper two frequency beams and the lower two frequency beams. As the degree of ellipse increases, cross-coupling begins to become apparent and appears as an amplitude modulated component in the output signal of detector diode 143. It has been discovered that the undesirable cross-coupling increases monotonically in a non-linear manner with the degree of ellipse. It has also been discovered that cross-coupling is relatively low at angles of incidence below about 15°.
However, the amount of cross-coupling increases very rapidly above this angle of incidence. This cross-coupling can be removed by using a suitable polarizing filter, but the filtered effective power will decrease as the cross-coupling increases before filtering.

さらに出力ミラーへの各ビームの入射角が増大
すれば、各ビームに対する検出器ダイオードにお
ける有効電力は減少する。電力低減係数、すなわ
ち予定の入射角の場合の検出器における有効電力
の、ミラー面に直角の同じビームの有効電力に対
する比の算定結果を第8図のグラフとして、上述
の米国特許出願第758223号に述べた出力構造の場
合について示した。すでに明らかなように、電力
低減係数はほぼ15゜より大きい入射角で急激に落
ちる。ここで本発明の原理に依れば、通路108
及び110について面122上に配設された部分
的透過ミラーに対するビームの入射角を15゜又は
それ以下にできる。換言すれば、通路108及び
110間の角度は30゜又はそれ以下である。
Furthermore, as the angle of incidence of each beam on the output mirror increases, the effective power in the detector diode for each beam decreases. The calculation of the power reduction factor, i.e. the ratio of the effective power in the detector for a given angle of incidence to the effective power of the same beam perpendicular to the mirror plane, is shown in the graph of FIG. 8 in the above-mentioned US patent application no. The case of the output structure described in . As already evident, the power reduction factor drops sharply at angles of incidence greater than approximately 15°. In accordance with the principles of the present invention, passageway 108
and 110, the angle of incidence of the beam onto a partially transmitting mirror disposed on surface 122 can be 15° or less. In other words, the angle between passages 108 and 110 is 30 degrees or less.

第1図、第3図及び第4図において、通路10
8及び110内に配設されたガス利得媒質を活性
化する電極は電極開口104内に配置されてい
る。望ましくは、中心カソード電極132及び1
36は外部電源の負側端子に接続され、これに対
して電極127,130,134及び138は正
側端子に接続されている。カソード電極はレーザ
ジヤイロブロツク102に対するシールから最も
離れた端部に被された中空金属筒体の形となさ
れ、これに対して正電極は他の電極開口104内
に延長する金属ロツドの形となされている。この
ようにすることによつて、電流は単一通路内にお
いて逆方向の電極132及び136に向かつて外
方に流れる。負電極136は正電極134及び1
38の中間に設けられるのが良く、これにより負
電極132は正電極130及び127の中間に配
設される。この方法において、電極が存在する通
路の1つを横切るビームは反対方向の電流と同じ
長さを通過することになるので、ガス利得媒質を
通つて流れる電流が等しくないことによつて生ず
るビーム上の引張り効果はほとんどなくなる。し
かし、各通路における正電極及び2つの負電極間
の距離は、各電極の位置において製造誤差がある
ことにより、正確には等しくない。この不等性を
修正するために、正電極とこれに近い負電極間の
電流を等しくしても良い。
In FIGS. 1, 3 and 4, the passage 10
An electrode for activating the gas gain medium disposed within 8 and 110 is located within electrode opening 104 . Preferably, the center cathode electrodes 132 and 1
36 is connected to the negative terminal of an external power source, whereas electrodes 127, 130, 134 and 138 are connected to the positive terminal. The cathode electrode is in the form of a hollow metal cylinder capped at the end furthest from the seal to the laser radio block 102, whereas the positive electrode is in the form of a metal rod extending into the other electrode opening 104. being done. By doing so, current flows outwardly toward opposite electrodes 132 and 136 in a single path. Negative electrode 136 connects positive electrodes 134 and 1
38, so that the negative electrode 132 is located midway between the positive electrodes 130 and 127. In this method, a beam that crosses one of the paths in which the electrodes are present will pass through the same length as the current in the opposite direction, so that the beam overlap caused by unequal currents flowing through the gas gain medium The tensile effect almost disappears. However, the distance between the positive electrode and the two negative electrodes in each passage is not exactly equal due to manufacturing tolerances in the position of each electrode. To correct this inequality, the currents between the positive electrode and the nearby negative electrode may be made equal.

通路108,110,112及び114を充す
ガス利得媒質は、外部ガス源からガス供給チユー
ブ146を通りさらにガス充填開口106を通し
て供給される。混合ガス3He,20Ne,22Neの比は
8:0.53:0.47が望ましい。
The gas gain medium filling passageways 108, 110, 112, and 114 is supplied from an external gas source through gas supply tube 146 and through gas fill opening 106. The ratio of the mixed gases 3 He, 20 Ne, and 22 Ne is preferably 8:0.53:0.47.

正電極の1つの領域におけるレーザジヤイロス
コープ装置の構成の詳細は第5図の断面図に詳細
に図示されている。金属電極130はガラス電極
シール131によつて位置決めされており、電極
開口104内に配設されている。電極130はジ
ヤイロブロツク102の表面及び通路110間の
半分以上にわたつて延長している。電極開口10
4は通路110に望ましくは右傾斜で交差してい
る。端子室125はミラー基板140を配置して
いるジヤイロブロツク102の表面間に形成され
ている。端子室125は通路110の直径の少な
くとも2倍の直径を有する筒状に形成されてい
る。端子室125及び通路110は互いに同軸と
なされている。通路110は端子室125と交差
する前に、電極開口104をわずかに越えて延長
し、バツフル145が電極104及び端子室12
5間に形成されている。
The details of the configuration of the laser gyroscope device in one region of the positive electrode are illustrated in detail in the cross-sectional view of FIG. Metal electrode 130 is positioned by glass electrode seal 131 and is disposed within electrode opening 104 . Electrode 130 extends more than halfway between the surface of gyroscope 102 and passageway 110. Electrode opening 10
4 intersects the passageway 110, preferably with a rightward slope. The terminal chamber 125 is formed between the surfaces of the gyroscope block 102 on which the mirror substrate 140 is disposed. The terminal chamber 125 is formed into a cylindrical shape having a diameter at least twice the diameter of the passageway 110. The terminal chamber 125 and the passage 110 are coaxial with each other. The passageway 110 extends slightly beyond the electrode opening 104 before intersecting the terminal chamber 125 such that a buttful 145 connects the electrode 104 and the terminal chamber 12.
It is formed between 5.

従来の装置においては、端子室やバツフルは用
意していない。通路は直接に電極開口を通じてレ
ーザジヤイロブロツクの表面に延長していた。電
極が付勢された時、例えばイオン衝撃やレーザジ
ヤイロブロツクのスパツタリングによつて生じる
塵その他の望ましくない粒子が電極開口とビーム
通路との交差部の周りに集まる。停滞した粒子は
構造上の光学的損失を増大させる散乱中心的とし
て作用する。これとは逆に本発明に依れば、塵や
その他の望ましくない粒子は電極開口104及び
通路110の交差位置の領域に停滞しない。かく
して電位ドリフト源を除去できる。
Conventional devices do not have a terminal room or a buffer. The passageway extended directly through the electrode aperture to the surface of the laser diamond block. When the electrode is energized, dust and other undesirable particles, caused, for example, by ion bombardment or sputtering of the laser gyroscope, collect around the intersection of the electrode aperture and the beam path. Stagnant particles act as scattering centers that increase structural optical losses. In contrast, according to the present invention, dust and other undesirable particles do not become lodged in the area of the intersection of electrode opening 104 and passageway 110. In this way, potential drift sources can be eliminated.

以上においては本発明の好適な実施例を説明し
た。しかしその他に、本発明の原理を脱すること
なく数多くの変形、変更をなし得るものである。
The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, many other modifications and changes may be made without departing from the principles of the invention.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明によるフアラデー回転子を使用
し得るレーザブロツク装置を第1コーナからみて
示す上面斜視図、第2図は第1図の装置を第2コ
ーナからみて示す底面斜視図、第3図及び第4図
は第1図の装置について内部構造及び通路を示す
斜視図、第5図は第1図の装置の内部構造として
端子室及びミラー基板を示す断面図、第6図は本
発明によるフアラデー回転子の詳細構造を示す断
面図、第6A図は第6図の回転子の部分断面図、
第7図は第1図の装置に使用されるガス利得媒質
の周波数−利得特性を示す図、第8図はミラー構
造に入射したビームの入射角に対する電力低減係
数の関係を示す曲線図である。 102……ジヤイロブロツク、108,11
0,112,114……通路、122,124,
126,128……面、127,130,13
4,138……電極、132,136……カソー
ド電極、140……基板、160……通路長制御
トランスジユーサ、156……フアラデー回転
子、165……フアラデー回転子スラブ、166
……永久磁石、168……コイルスプリング。
1 is a top perspective view of a laser block device that can use the Faraday rotator according to the present invention, seen from the first corner; FIG. 2 is a bottom perspective view of the device of FIG. 1, seen from the second corner; 4 are perspective views showing the internal structure and passages of the device shown in FIG. 1, FIG. 5 is a sectional view showing the terminal chamber and mirror board as the internal structure of the device shown in FIG. 1, and FIG. 6 is a perspective view showing the internal structure of the device shown in FIG. 6A is a partial sectional view of the rotor in FIG. 6,
FIG. 7 is a diagram showing the frequency-gain characteristics of the gas gain medium used in the apparatus of FIG. 1, and FIG. 8 is a curve diagram showing the relationship between the power reduction coefficient and the incident angle of the beam incident on the mirror structure. . 102...Gyroscope, 108,11
0,112,114...Aisle, 122,124,
126, 128... face, 127, 130, 13
4,138... Electrode, 132,136... Cathode electrode, 140... Substrate, 160... Path length control transducer, 156... Faraday rotator, 165... Faraday rotor slab, 166
...Permanent magnet, 168...Coil spring.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 内部に開口を有するベース支持部材と、 内部に開口を有し、その開口が前記ベース支持
部材の開口と整列されている永久磁石と、 希土類元素をドープしたガラスから成り、前記
永久磁石内の開口内部に配置されるスラブと、 前記スラブを前記ベース支持部材に対して保持
するスプリングと、 前記ベース支持部材及び永久磁石内の開口と整
列する開口を内部に有し、永久磁石の磁力によつ
て前記スプリングを保持する保持部材と、 から構成されるフアラデー回転子であつて、前
記永久磁石が前記ベース支持部材に取り付けら
れ、更に、前記ベース支持部材が、 実質上円筒状の中心部と、 前記中心部よりも大きい直径を有する実質上円
筒状の第1端部と、 前記ベース支持部材の前記開口が設けられ、前
記永久磁石が取り付けられる実質上平坦な部分を
有し、前記ベース支持部材及び前記永久磁石の開
口の中心軸が前記ベース支持部材の中心部の軸と
実質上直角を成す第2端部とから成る、 フアラデー回転子。 2 前記スプリングがコイルスプリングから成る
特許請求の範囲第1項記載のフアラデー回転子。 3 前記永久磁石及び保持部材が実質上円筒状の
内部面及び外部面を有する特許請求の範囲第1項
記載のフアラデー回転子。 4 前記保持部材が強磁性材料から成る特許請求
の範囲第3項記載のフアラデー回転子。 5 前記永久磁石及びスラブが取り付けられる第
2端部の断面が前記ベース支持部材の中心部の断
面より大きくない特許請求の範囲第1項記載のフ
アラデー回転子。
[Scope of Claims] 1. A base support member having an opening therein; a permanent magnet having an aperture therein aligned with the opening of the base support member; and glass doped with a rare earth element. , a slab disposed within an opening in the permanent magnet; a spring holding the slab against the base support member; and an opening therein aligned with the base support member and the opening in the permanent magnet; A Faraday rotor comprising: a holding member that holds the spring by the magnetic force of a permanent magnet; the permanent magnet is attached to the base support member; and the base support member is substantially cylindrical. a substantially cylindrical first end portion having a diameter greater than the center portion; and a substantially flat portion in which the opening of the base support member is provided and to which the permanent magnet is attached. a Faraday rotator, the Faraday rotator comprising: the base support member; and a second end portion in which the central axis of the aperture of the permanent magnet is substantially perpendicular to the central axis of the base support member. 2. The Faraday rotator according to claim 1, wherein the spring is a coil spring. 3. The Faraday rotator of claim 1, wherein the permanent magnet and retaining member have substantially cylindrical inner and outer surfaces. 4. The Faraday rotator according to claim 3, wherein the holding member is made of a ferromagnetic material. 5. The Faraday rotator according to claim 1, wherein a cross section of the second end portion to which the permanent magnet and the slab are attached is not larger than a cross section of the center portion of the base support member.
JP16463378A 1978-01-03 1978-12-27 Laser gyroscope device Granted JPS5498195A (en)

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