JPH0321889B2 - - Google Patents

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。

〔背景技術〕

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。

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。

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。

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。

〔発明の概要〕

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。

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。

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。

〔実施例〕

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。

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−Vit^TM」として販売され
ている。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

【図面の簡単な説明】

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。

Claims (1)

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。