JPH0514251B2 - - Google Patents

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JPH0514251B2
JPH0514251B2 JP53122482A JP12248278A JPH0514251B2 JP H0514251 B2 JPH0514251 B2 JP H0514251B2 JP 53122482 A JP53122482 A JP 53122482A JP 12248278 A JP12248278 A JP 12248278A JP H0514251 B2 JPH0514251 B2 JP H0514251B2
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layer
magneto
ring laser
mirror
laser according
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Sukotsuto Kaataa Uorutaa
Bomonto Inutsudo Richaado
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BAE Systems PLC
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British Aerospace PLC
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Publication date
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    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/09—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on magneto-optical elements, e.g. exhibiting Faraday effect
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES 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
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/081—Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors
    • H01S3/083—Ring lasers

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  • Navigation (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、リングレーザ、特にレーザ型ジヤイ
ロ等に使用しうるリングレーザに関するものであ
る。
この装置はリングレーザに使用でき、本明細書
では主にリングレーザについて、特にレーザ型ジ
ヤイロスコープについて説明を行なうが、本発明
はそれらの特別の応用に限定されるものではな
い。
リングレーザは周知のようにリング（または空
胴と呼ばれる）の回りに両方向に伝送される２本
の光線ビームを使用する。理想的なリングレーザ
ではリングが静止しているとそれらの光線ビーム
の間の周波数差は零であるが、リングをその軸の
回りに回転させた場合、差周波数は空胴の角回転
速度に比例する。従つてリングレーザはレートジ
ヤイロスコープとして作用し得る。
しかし実際のリングレーザでは性能を劣化させ
る多くの効果がある。これらの効果の大多数は空
胴を通過する際に失われる光線の量に多少とも関
連している。最も重要な効果はロツクイン効果
（lock−in）、モード反ぱつ効果およびモード引張
効果である。
ロツクイン効果は低回転速度においてミラーや
空胴等で発生した散乱光と逆方向のビームが相互
に作用することによつて生ずる。このロツクイン
効果が生じると回転速度がある程度になるまでは
周波数差が生じず、ある時点から急に周波数差が
生じる非線形特性を有する。
ロツクイン効果を回避する一方法は、両対向ビ
ームと非逆関係の位相偏位が導入されるようなバ
イアスをリングレーザに与えることである。ほぼ
空胴の幾何学的中心の回りに小振幅でリングレー
ザ全体を振動させる機械的装置（ダイサーとして
知られる）から磁気的装置に至る各種のバイアス
技術が提案された。
磁気装置には２種類すなわちフアラデーセルと
磁気ミラーがある。フアラデーセル装置ではレー
ザ波長に対し透明な常磁性材料を空胴中の２本の
光線ビームの経路中に挿入する。この装置には高
品質で高価な光学要素を使用せねばならないこ
と、それらの要素が光線の散乱を増大させてロツ
クインの問題を大きくすることなどの欠点があ
る。
磁気バイアスミラーはリングレーザの通常３個
のコーナーミラーの１つに代るもので、英国特許
第1406730号に記載がある。この引例のミラーに
おいては、強磁性体層が透明でない。このためミ
ラーに必要な反射度を得るためにはこの強磁性体
層の前に（入射光からみて）反射層を置かなけれ
ばならなかつた。そのため、強磁性体に入射する
光が少なくなり、大きな位相差を得ることができ
なかつた。
これに対して、本発明の実施例のミラーは、基
体上に透明な強磁性体層とその後方（入射光から
みて）に反射層を形成してなるものである。した
がつて、光は強磁性体を透過しその後ろにある
（入射光からみて）ミラーで光は反射される。し
たがつて、強磁性体層に光が十分に入射すること
になり大きな位相差を得ることができる。
また十分な強さの反射度を持つミラーが得られ
るためにレーザ作用も十分に維持する事ができ
る。
なお、上記英国特許第1406730号にも誘電体層
の記載があるが、それは、光を反射させる目的の
為に使用されている。一方、本発明の実施例にお
ける反射防止層は光を反射しないで入射させるこ
とにある。したがつて、上記英国特許の誘電体層
と本発明の実施例の反射防止層とはその目的およ
び構成が異なるものである。
ミラーの使用時には、ミラーの平面内でレーザ
空胴と直角な面になるように磁界が強磁性体層に
加えられ、横方向磁気光学カー効果を生じる。そ
の結果、両対向光線ビームによつて生じた位相差
にリングレーザの回転によつて生じた位相差が加
えられる。強磁性体上に磁界が印加されると必要
な位相差が生じるのみでなく、横方向磁気光学カ
ー効果によつて２つのビーム間に振幅差を生じ、
空胴によつて増幅される不要なバイアスが生じ
る。
尚、該磁気光学カー効果はマクグロウヒル社発
行の第３版ジエンキンス、ホワイト著「光学の基
礎」（Fundamentals of Optics）第601頁に記載
されている。これは磁界が入力と出力光線の面、
即ちミラー面に垂直である場合の極磁気光学カー
効果を記載している。これは磁気光学的物質でミ
ラーを作り、ミラー面に光を入射させ、ミラー面
に垂直に磁界を加えると反射光が回転する。
横方向磁気光学カー効果とは、第４図に示すよ
うに、光反射面を磁気光学的物質で作り、光反射
面と平行方向に磁界を加え、磁界と直角方向から
光を反射面に入射させると入射光の偏光が起こ
り、出射光において非逆移相を有する現象で、こ
の現象は非可逆であつて、出射されたと同じ光を
先の出射方向から入射させても、先の入射方向に
出射される光は先の入射光には戻らない。光のＥ
ベクトルは（二つの光線路により規定される）反
射面、いわゆるｐ偏光にあることが必要である。
これは図面の右から左へ行く光は左から右へ行く
光に比較して異なる移相を有する。該移相はミラ
ーで発生する。
ミラーの前記非逆移相は３つのミラーから形成
されたリングレーザーの光路が２方向に異なるこ
とを意味する。リングレーザーの光の周波数は完
全な往復路の光学的長さに関係している。これが
２方向で異なつていれば、レーザービームは磁気
ミラーで非逆移相に応じて異なる周波数を有す
る。これは速度と同じであり、そうして磁界の影
響はジヤイロをバイアスさせることである。磁界
の方向を逆にすると等価速度入力が反対方向にな
るかの如く非逆バイアスの向きを逆にする。
このバイアスはレーザジヤイロスコープに誤差
を生じさせるので、ジヤイロスコープの最適動作
のためにはこのバイアスを小さくする必要があ
る。この目的のため強磁性体層に隣接して誘電体
層が用いられる。誘電体層（制御層と称される）
は通常1/4波長の光学厚さをもつ隣接する誘電体
層と比べ多少修正された厚みを有する。
磁気バイアスミラーの利点は、機械的でないこ
とである。このため、強磁性体層に加えられる磁
界を高速スイツチング（1μs程度）できる。また、
強磁性体層が飽和モーメントに到達した後はバイ
アス振幅が印加磁界に依存しない。このためバイ
アスを正確に測定する必要がなくなつた。
しかし従来の磁気ミラーには強磁性体材料のう
ち鉄だけが磁気ミラーに使用されてきた。鉄は反
射度が比較的低いため、ミラーの反射度をレーザ
空胴の損失限界値以上にするためには多数の誘電
体層が必要になるという欠点があつた。
不都合なことに、誘電体層の数が多くなればな
るほど強磁性体層に到達する光量が小さくなる。
そのため、ミラーによつて反射された反対方向の
光線との間の位相差は小さくなる。従つてリング
レーザのバイアス対損失比は使用した誘電体層の
数の関数である。鉄は反射度が比較的低く、磁気
光学効果も中程度であるため、低級レーザジヤイ
ロスコープ以外に磁気ミラーを使用するためには
バイアス対損失比の大きさが十分でない。また鉄
は酸化しやすく不安定であるため磁気光学装置の
特性が経時変化を受けるという点でも好ましくな
い。
ここでバイアス対損失比について簡単に説明す
る。バイアスはミラーに位相差を生じさせ、一方
損失はミラーに光エネルギの減少を生じさせる。
したがつて、バイアスが大きく、損失が小さいミ
ラーが好ましいものである。
本発明の目的は、磁気光学的位相変調ミラーを
有するリングレーザを提供することにある。これ
によつてリングレーザを経済的に製造でき、上述
の磁気バイアスミラーの欠点を減少あるいは除去
できる。
本発明は、横方向磁気光学的カー効果によつて
入射光を位相変調するミラーを含む光学的空胴を
有するリングレーザにおいて、 前記ミラーは、基板２と、反射層３と、ガーネ
ツト構造のフエリ磁性材料の磁気光学層１とを有
し、 前記ミラーに入射した光は最初に前記磁気光学
層１に入射し、その後反射層３に入射するように
し、 その磁気光学層１の面に磁界を印加することに
よつて、前記ミラーの入射面に入射した２つの直
線偏光された反対方向の光ビームに非逆関係の位
相変化を与えるようにしたリングレーザからなつ
ている。
次に本発明の一実施例のリングレーザを図面に
ついて詳細に説明する。
第１図に示した本発明の第１の実施例によるミ
ラーは厚さ約500オングストロームの強磁性ガー
ネツト層の磁気光学層１を備えている。磁気光学
層１は液相エピタキシヤル沈着法（LPE）を用
いて製造される。そのためには使用するガーネツ
ト材料と実質的に同一の格子定数および結晶構造
を有する非強磁性材料の基体を使用することが必
要になる。基体２が光線に対し低吸収係数をもつ
ことも望ましい。本実施例では磁気光学層１に単
結晶ガーネツト特にビスマスを含むフエリ磁性ガ
ーネツトであつて、次式Bi3-2yCa2yYyFe5-yO12
（ただしｙはほぼ１）を有するものが用いられる。
ここで注意されたいことは、当業者の中には強
磁性ガーネツトのような物質を挙げるものもいる
が、その差異は名称のみが相違するだけで、物質
そのものは同じである。
第１図において、磁気光学層１を液相エピタキ
シヤル沈着法（LPE）により沈着させる基体２
は、厚さが約１mmの単結晶ガドリニウムガリウム
ガーネツトである。
磁気光学層１の後方に、従来の２種の誘電体を
交互に積層した多層積層体の高反射性を有する反
射層３が設けられている。２種の誘電体はフツ化
マグネシウムおよび硫化亜鉛であり、真空蒸着ま
たは他の方法により沈着される。
空気と磁気光学層１との界面から反射される入
射光線４，４′の量を減少させるため、従来の反
射防止層５が基体２上に設けられている。反射防
止層５も多層の積層体の形状であり、反射層３と
同様にフツ化マグネシウムと硫化マグネシウムと
の交互の層をなしている。反射防止層５も真空沈
着により設けることができる。
層１，３，５の厚さは、例えば従来の光学モニ
タ技術を用いて制御できる。これにより各種の材
料の最適な厚さを提供できる。
所定の厚さの磁気光学層１を使用することによ
つて、反射層３の反射性誘電体材料層であるいわ
ゆる制御層は必要でなくなる場合がある。ここ
で、制御層３あるいは所定の厚さの磁気光学層１
は２つの界面においての多重反射の相対位相を調
節して振幅差を除去する働きをする。本発明の実
施例においては磁気光学層１はほとんど透明であ
り振幅差を生じないので磁気光学層１のほかに反
射層３を特に設ける意義が小さい。したがつて、
このような場合は磁気光学層１の厚さを1/4波長
とすることによつて反射層の働きを兼ねさせるこ
とができる。
第１図の装置では比較的厚い基体２は磁気光学
層１と反射層３との間に形成されていない。その
ようにすると反射層３からの反射光の光路の長さ
が増大し、磁気光学層と基体との境界面において
反射される光線とのコヒーレンスを最大とること
ができない。
第１図のミラーにおいては、反射層３により反
射された光線と磁気光学層１により反射された光
線とのコヒーレンスが基体２で破壊される傾向が
生じ得る。
第２図は本発明の第２の実施例を示す。図にお
いて基体２はミラーの動作に関与しない。反射層
３はガラスのような基体２上に形成される。磁気
光学層１は真空蒸着により層状に形成された多結
晶ガーネツト（例えばビスマスをドープしたガー
ネツト）であり、反射層３上に直接沈着させる。
反射防止層５はその磁気光学層１上に沈着され
る。
第３図は第１図または第２図の磁気光学的位相
変調装置すなわちミラーを組込んだレーザジヤイ
ロを示す。磁気ミラー９は３つの従来型のコーナ
ーミラーのうちの１つを形成する。他の２つのミ
ラーはサーボ動作ミラー１１および出力ミラー１
２である。レーザ放出管１３はレーザ空胴を形成
する。レーザ放出管１３は２つの互いに逆方向の
平行偏光ビーム（ｐ偏光ビーム）４，４′（レー
ザ空胴の平面と平行な偏光）を発生する。
第１図、第２図では入射光線を４，４′として
表したが、第１図、第２図の位相変調ミラーをレ
ーザジヤイロスコープに第３図のように利用して
いるので、第３図における偏光ビームも同じ符号
で表わしてある。使用時にミラー９の平面内にお
いてレーザ空胴１３の平面と直角に、即ち第３図
の紙面と直角の平面内において磁界がミラー９の
磁気光学層１に印加される。この磁界は横方向磁
気光学カー効果または子午線方向カー磁気光学効
果（これは電気光学カー効果と混同すべきではな
い）を生じる。
そのため磁気光学層１に到達した光はそれと干
渉し、偏光ビーム４，４′に逆関係にない位相変
化（これは偏光ビーム４，４′の光路の長さの差
に相当する）が偏光ビーム４，４′に生じ、ロツ
クイン効果に打勝つための所要のバイアスが得ら
れる。バイアスあるいはバイアスと空胴に与えら
れる角回転Ｗによつて生じる光路の長さの差は、
出力ミラー１２により抽出される偏光ビーム４，
４′の部分を受けるように設けられた図示しない
検出手段により検出される。
本発明の各実施例において磁気光学層１の材料
には、上述の式を有するビスマスをドープしたガ
ーネツトの他にも、プラセオジミウムや、オルト
フエライトに属するガーネツト型の材料としても
よい。
上記プラセオジムは、次式 PrXY3-xFe5-yGayO12 （好ましくはｘ＝0.62，ｙ＝0.64）で表わされ
る。
本発明の反射層および反射防止層に用いられる
誘電材層の数は、それらの層の所要の特性に従つ
て選定できることは言うまでもない。
磁気光学層として使用し得る別の物質はオルト
フエライト物質として知られる種類のものであ
る。
反射層は誘電体のような高反射性材料の単一層
あるいは高反射性層を得るために２種の異なる誘
電体層を交互に積層した複合層である。ここで高
反射性とは反射度が85％以上、好ましく95％以上
であることを意味するものとする。
状況によつてはミラーの最上面から入射する光
線ビームの反射を制限することが好ましい。
そのようにすることにより、各光ビームの大部
分は磁気光学層で相互に作用し磁気光学カー効果
を増大させ、さらにミラーによつて与えられるバ
イアスを増加させる。
この制限は磁気光学層上に反射防止層を形成
し、光線ビームが使用時に磁気光学層に入射する
前に反射防止層上に入射するようにすることによ
り達成できる。
本発明の別の実施態様によれば反射層を真空蒸
着その他の方法により、ガラスのような基体上に
沈着させ、磁気光学層を真空蒸着によりその反射
層上に沈着させ、最後に反射防止層（使用した場
合）を真空蒸着その他の方法により磁気光学層上
に沈着させる。
以上述べたように、本発明のミラーは対向方向
の光ビーム間で大きな位相差が得られるととも
に、損失の小さなミラーが得えられる。このため
本発明をジヤイロスコープに用いることによりロ
ツクイン効果を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図および第２図は本発明に用いるミラーの
２つの実施例を示す概略図、第３図は第１図また
は第２図のミラーを用いたレーザジヤイロスコー
プの概略図である。第４図は横方向磁気光学カー
効果を示す概念図である。 １……磁気光学層、２……基体、３……反射
層、４，４′……入射光、５……反射防止層、１
１……サーボ動作ミラー、１２……出力ミラー、
１３……レーザ放出管。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 横方向磁気光学的カー効果によつて入射光を
    位相変調するミラーを含む光学的空胴を有するリ
    ングレーザにおいて、 前記ミラーは、基板２と、反射層３と、ガーネ
    ツト構造のフエリ磁性材料の磁気光学層１とを有
    し、 前記ミラーに入射した光は最初に前記磁気光学
    層１に入射し、その後反射層３に入射するように
    し、 その磁気光学層１の面に磁界を印加することに
    よつて、前記ミラーの入射面に入射した２つの直
    線偏光された反対方向の光ビームに非逆関係の位
    相変化を与えるようにしたことを特徴とするリン
    グレーザ。 ２ 前記ガーネツト材料の磁気光学層１はビスマ
    スドープされ、次式 Bi3-2yCa2yYyFe5-yO12 で表わされることを特徴とする特許請求の範囲第
    １項記載のリングレーザ。 ３ ｙはほぼ１であることを特徴とする特許請求
    の範囲第２項記載のリングレーザ。 ４ 前記ガーネツト材料の磁気光学層１は、プラ
    セオジムを含み、次式 PrxY3-xFe5-yGayO12 で表わされることを特徴とする特許請求の範囲第
    １項記載のリングレーザ。 ５ ｘ＝0.62，ｙ＝0.64であることを特徴とする
    特許請求の範囲第４項記載のリングレーザ。 ６ 前記磁気光学層１を前記基体２上の光が入射
    する方向の面に設け、その磁気光学層１の上に前
    記反射層３を設けたことを特徴とする特許請求の
    範囲第１項〜第５項のいずれかに記載のリングレ
    ーザ。 ７ 前記反射層３を前記基体２上の光が入射する
    方向の面に設け、その反射層３の上に前記磁気光
    学層１を設けたことを特徴とする特許請求の範囲
    第１項〜第５項のいずれかに記載のリングレー
    ザ。 ８ 前記磁気光学層１が真空蒸着により前記反射
    層３上に形成されることを特徴とする特許請求の
    範囲第７項記載のリングレーザ。 ９ 反射防止層５を前記ミラーの外部表面上に設
    け、入射光はまずその反射防止層５の表面に入射
    するようにしたことを特徴とする特許請求の範囲
    第１項〜第８項のいずれかに記載のリングレー
    ザ。 １０ 前記反射層３は単層の誘電体であることを
    特徴とする特許請求の範囲第１項〜第９項のいず
    れかに記載のリングレーザ。 １１ 前記反射層３は２つの異なる誘電体を交互
    に積層した複合層からなることを特徴とする特許
    請求の範囲第１項〜第１０項のいずれかに記載の
    リングレーザ。 １２ 前記反射防止層５は２つの異なる誘電体を
    交互に積層した複合層からなることを特徴とする
    特許請求の範囲第９項〜第１１項のいずれかに記
    載のリングレーザ。 １３ 前記２つの誘電体はフツ化マグネシウムお
    よび硫化亜鉛であることを特徴とする特許請求の
    範囲第１１項および第１２項のいずれかに記載の
    リングレーザ。
JP12248278A 1977-10-04 1978-10-04 Magnetoooptical phase modulator Granted JPS5461552A (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB4115177 1977-10-04

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS5461552A JPS5461552A (en) 1979-05-17
JPH0514251B2 true JPH0514251B2 (ja) 1993-02-24

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ID=10418341

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP12248278A Granted JPS5461552A (en) 1977-10-04 1978-10-04 Magnetoooptical phase modulator

Country Status (4)

Country Link
US (1) US4246549A (ja)
JP (1) JPS5461552A (ja)
DE (1) DE2843327A1 (ja)
FR (1) FR2405491A1 (ja)

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