JPS5810871B2 - 非平面リングレ−ザ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はリングレーザに関するものである。

このクラスの装置は、例えば、１９７１年ニューヨーク
州ニューヨークのアカデミツクプレス社のモノテローズ
編の「レーザ応用」と題するテキストに説明されており
、その中の「レーザジャイロ」に関する１３４乃至２０
０頁が特に注目されるべきである。

２つの反対方向に回転しているレーザビームがリング型
レーザにおいて設定されうろことは周知である。

リングレーザがリングレーザの中心を通る特定の軸につ
いて回転されると、発振周波数がシフトして、その回転
方向に進行しているビームの周波数が減少し、回転と反
対方向に進行しているビームの周波数が増大する。

反対方向に回転しているビーム間のビート周波数を検出
することによって回転量が決定されうる。

互に直交する感知軸ヲ有する３つのレーザジャモロ組を
使用すると、航空機などの回転とその結果の向きとを決
定するための慣性案内システムにこの現象を使用しうる
。

上述した型のリングレーザでは、反射表面が誘電体材料
で、普通の場合１５乃至３０層に作られる。

これらは分極のＰモード（Ｐは入射面に対し平行な電気
ベクトルを有する）と、（電気ベクトルがＰベクトルに
直交する）Ｓ分極成分との両方についての適当な反射特
性を与えようとする。

都合の悪いことに、望ましい入射角で僅かしか又は全く
相（ｐｈａｓｅ）異方性を持たない反射表面又はミラー
を作ることはほとんど不可能である。

更に、温度及び他の変化が異方性に影響を及ぼす。

より詳細には、このような誘電体ミラーの製造業者は、
３ミラーリングレーザについて３０°で、４ミラーリン
グレーザについて４５°のような望ましい入射角でＰ及
びＳ分極について位相及び減衰の同位特性を有する誘電
体ミラーを一貫して作ることが出来ない。

リングレーザが不完全な、すなわち異方性のミラーを使
用して構成されると、モード間での結合が強くなって、
多重発振器動作を行なうことが困難である。

本発明によれば、ミラー異方性が多重発振器４モードリ
ングレーザにおけるモード結合の重要な原因であったこ
とが最初に決定された。

モード結合をなくするために、特定の非平面幾何学に少
なくとも３つの整合ミラ一対を使用するミラー幾何学が
利用される。

より詳細には、６以上の偶数のミラーが対で整合された
それらの異方性を有する。

整合対は隣接している必要はなく、それらはレーザ路に
任意に位置決めされうる。

しかし、それらは明細書に示される幾何学的制限に従わ
せなければならない。

入射及び反射線は各ミラーの入射面を規定する。

各ミラーの入射面はレーザ路にある少なくとも１つの隣
接ミラーの入射面に直交する必要がある。

この要件に対する２つの隣接ミラーは整合した異方性を
有する必要がないことに注目せよ。

ミラーについての第３の要件は各整合ミラ一対の各ミラ
ーがその対の他方のミラーと同じ入射角を持たなければ
ならないということである。

本発明の重要利点は、この幾何学では、実質的に同一異
方特性を有するミラーを対にして使用すると、分極打消
のＳ及びＰモード間で相対的減衰及び位相がシフトする
ことにある。

従って、モード間の結合が実質的に除去されて、改良さ
れた多重発振器レーザジャイロ動作が得ることができる
。

本発明の別の特長によれば、リングレーザは、直角平行
六面体の一般的形状の材料ブロックから構成されうる。

典型的には、孔がブロックの所望のレーザ路に平行なミ
ラーからミラーまで材料を通じて明けられて、反射表面
或いはミラーのための取付領域を与えるように材料ブロ
ックの特定の縁が一定角度で斜めに角が切りとられる。

更に、多重モードを引き起す素子（図示せず）と共に適
当なアノード及びカソード構体が実用的レーザジャイロ
を作るために加えられる。

従って、本発明の目的は、リングレーザにおける異方性
反射の作用を実質的に除共することにある。

本発明の別の目的は、異方性作用が打消されている改良
された非平面リングレーザを提供することにある。

本発明の他の目的、特長及び利点は、以下の詳細な説明
と図面から明らかになる。

レーザジャイロの製造に通常使用される低熱膨張型の材
料の型の材料ブロック１０．１２を用意する。

この本体部材１０．１２は、例えば、石英、又はコーニ
ング社から入手可能ないわゆる「Ｕ。

Ｌ、Ｅ」チタニウムシリケート。

本発明は、等方性の（すなわち、直線相接屈折及び損失
異方性について）リングレーザジャイロ空胴になる新規
の幾何学的ミラー配列に関するものである。

第１図乃至第８図は、本発明の配列を使用している面外
に６つのミラーの付いたリングレーザを示す。

第９図乃至第１４図は、本発明の配列を使用している面
外に８つのミラーの付いたリングレーザを示す。

ミラーの異方性は、同−被覆対で整合されなければなら
ない。

幾何学的配列は、整合ミラーの各対によるリングレーザ
に対する位相及び損失Ｑの両者の異方性負担が無視され
るようになっている。

数学上の無視の結果、一対の隣接する整合ミラーを考え
てみることによって説明される。

この無視は、一対の隣接する整合ミラーの入射面が互に
直交し、かつ各々に対する入射角が等しいことによって
得られる。

本発明のように幾何学的に配列された２つの同一のミラ
ーのジョーンズマトリクスはこの無視の結果を説明する
。

は、成る入射角で実質的にδの直線複屈折を有する異方
性ミラーを表わし、Ｘｘびｙはそれぞれ両ミラーのＰ及
びＳリフレクタンス（ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ）である
。

は、対の第１のミラーからの反射後の９０度の入射面の
回転を表わすマトリクスである。

式（１）に記述された反射対による結果は、δ複屈折の
こん跡でなく９０°の回転のみを有することに注意せよ
。

異方性に整合されたミラーは隣接するにおよばないこと
に注意せよ。

上記計算を（常套的な機械化である）隣接ミラーの整合
対を仮定して行なうと、全体の装置のミラーは異方性打
消の損失なしに任意に交換されうる。

実質的に全て多層化した誘電体ミラーは、成る角度に対
して、入射斜角で反射についての位相及びＱ異方性を示
す。

第１５図は、幾つかのミラーニラいての入射角の関数と
してのミラーリフレクタンスで生ずる位相複屈折のグラ
フである。

第１５図において、実線は３個の一般的ミラーについて
のミラー位相複屈折の曲線を示す。

点線は、２つの整合ミラーについて得られた曲線を示す
。

層の厚さ及び光学的指数は、入射回転のこの位相シフト
角について、高反射多層誘電体スタックにおいて極めて
臨界的なパラメータである（第１５図）。

これらは制御及び監視することが困難である。

しかし、本発明によれば、接近して同時に被覆された２
つの斯かるミラーは入射曲線のほとんど同一の位相シフ
ト角を有する。

この特長は、同一ミラーの整合対を得る簡単な方法を与
える。

本発明によるレーザ路についての基本的要件は次の通り
である。

１６つ以上の偶数のミラーがなければならず、ミラーは
実質的に同一異方性を有するミラ一対に配列される。

整合ミラーは必ずしも隣接している必要はない。

２ 各ミラーの入射面は、レーザ路にある少なくとも１
つの隣接ミラーの入射面に対し直交していなければなら
ない。

それは、レーザ路にある両隣接ミラーの入射面に対して
任意に直交しうる。

隣接ミラーは任意に異方性に整合されうる。３ 各整合
対の２つのミラーの入射角は等しくなければならない。

３つの要件の任意の１つが満たされていない範囲までは
、異方性の性質は打消されない。

成る装置では、小量の異方性は黙昭することができ、か
つ３つの要件からの少々の逸脱は許される。

その意味では、３つの要件は実質的に満たされなければ
ならないだけであると云いうる。

第１図乃至第８図は、本発明による典型的な６ミラー構
成を示している。

６ミラー構成には、各対に整合された異方性の性質を有
する３対のミラーが必要である。

ミラーの整合対は必ずしもミラーの隣接対ではない。

しかし、説明の都合で、整合対の選択Ｊ−Ｌ、Ｍ−Ｎ、
に−０を選ぶ。

この選択により、Ｊ及びり、Ｍ及びＮ、Ｋ及びＯはそれ
自身として実質的に同一の異方性の性質を有するその組
合対とならなければならない。

この選択対の分類では、ＪはＬと、ＭはＮと、そしてＫ
はＯと同じものである。

隣接ミラーの入射面は直交している。

ミラーＪの入射面は線ＯＪ及びＪＫによって規定される
。

ミラーにの入射面は線ＪＫ及びＫＬによって規定される
。

ミラーＬの入射面は線ＫＬ及びＬＭで規定される。

ミラーＭの入射面は線ＬＭ及びＭＮで規定される。

ミラーＮの入射面は線ＭＮ及びＮ。によって、ミラーＯ
の入射面は線ＮＯ及びＯＪによってそれぞれ規定される
。

すなわち、ミラーＪの入射面はミラーＫ及びＯのものと
直交する。

Ｋの入射面はミラーＪ及びＬのものと直交する。

ミラーＬの入射面はミラーＫ及びＭのものと、ミラーＭ
の入射面はミラーＬ及びＮのものと、ミラーＮの入射面
はミラーＭ及びＯのものと、ミラーＯの入射面はミラー
Ｎ及びＪのものとそれぞれ直交する。

図示の６つのミラーの入射面は、任意の表面が斜めにさ
れる前に、ブロック１０を画成いる直角平行六面体の６
つの面に平行で、かつその面に隣接していることに注目
せよ。

従って、第２の要件が満たされる。

第１図乃至第７図では、入射及び反射の角度は４５度で
ある。

従って、第３の要件が満たされる。これらは４５度であ
る必要がないことに注目せよ。

各整合対Ｊ−Ｌ，Ｍ−Ｎ，に一Ｏの入射角が整合される
ことが必要なだけである。

４対の整合ミラーを使用している実施例が第８図乃至第
１４図に示されている。

ミラーの整合対はＡ−Ｄ，Ｃ−Ｇ，Ｅ−Ｆ，Ｂ−Ｈとし
て任意に選択される。

ミラーＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈの入射面は、線
ＨＡ及びＡＢ，ＡＢ及びＢＣ，ＢＣ及びＣＤ，ＣＤ及び
ＤＥ，ＤＥ及びＥＦ，ＥＦ及びＦＧ，ＦＧ及びＧＨ，Ｇ
Ｈ及びＨＡによってそれぞれ規定される。

次に、隣接するミラーＢ及びＣ。Ｄ及びＥ，Ｆ及びＧ、
並びにＨ及びＡの入射面が互に直交していることが判る
。

従って、第２の要件が満される。

第８図において注目すべきことは、各ミラーの入射面が
直角平行六面体の側面（ｌａｔｅｒａｌ ｆａｃｅ）に
隣接していて、２つのミラー、が各上記側面を分割して
いるということである。

第８図乃至第１４図の図示ミラーの全ては、４５度の入
射及び反射角を有する。

しかし、これらはミラーの入射及び反射の角度が選択し
た整合対Ａ−Ｄ，Ｃ−Ｇ，Ｆ〜Ｆ，Ｂ−Ｈの各ミラーに
おいて同じものであるとすれば４５度である必要がない
ことに注目せよ。

従って、第３の要件が満される。

ブロック１０，１２は、必要な角度でミラーを支持する
ように特定の縁が斜めにされた立方体に実質的に示され
ている。

しかし、ブロック１状は臨界的なものでなく、ミラーは
レーザ路に関して所望の角度で位置されるように孔（図
示せず）を通じてブロック内に挿入することができるこ
とに注目せよ。

更に、レーザ空胴が図示されていない。

レーザ空胴はレーザ路を取り囲んでいて、通常ブロック
内の単なる穴である。

レーザ空胴ば、ヘリウム−ネオンガスのようなレーザ利
得媒体で満されている。

レーザを働らかせるためには、利得区間に指定されだレ
ーザ路の部分が励起されなければならない。

ガスを励起する一方法は、電極間の電子とイオンの流れ
が利得区間の利得媒体を励起するように、カソード電極
（図示せず）と一対のアノード電極（図示せず）とをブ
ロックに適所で取付けることである。

リングレーザジャイロでは、電極は電子及びイオンの流
れが２つ又はそれ以上の組の放射波、一方向に進行する
一部、及びレーザ路に沿って他方向に進行する一部を生
じるように利得媒体を介して反対方向に分割して流れる
ように配置されなければならない。

更に、空胴長を調整し、かつ空胴長振るわせるために１
つ又はそれ以上のミラーを動かすための手段が設けられ
うる。

半鏡面化ミラーのような光学手段も、リングレーザから
の放射を指向するだめと、それを特定の軸についてのリ
ングレーザの角速度を示す信号を発生するだめの信号の
更なる信号処理のための放射センサー（図示せず）へ送
出するためとに使用されうる。

ジャイロ動作するようリングレーザを最適化することに
関連する他の理由のため、レーザ路に結晶或いは磁界を
含むことも望ましいかも仰れない。

図示しない特長は、当該技術において既知であるか、或
いは他の特許出願の内容であるかのいずれかである。

本発明はその２つの実施例で上述されたが、本発明はそ
の説明だけによって制限されるものではなく、特許請求
の範囲と組合さってのみ制限されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の典型的６ミラーの実施例の斜視図であ
る。 第２図乃至第７図は第１図の実施例の直交する表面の図
である。 第８図は本発明の典型的８ミラーの実施例の斜視図であ
る。 第９図乃至第１４図は第８図の実施例の直交する表面の
図である。 第１５図はミラー位相複屈折対ミラー人射角の特性曲線
図である。 Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ，Ｊ、Ｋ。 Ｌ、Ｍ、Ｎ、０・・・ミラー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ レーザ路に少なく３つの選択したミラ一対を有する
   非平面リングレーザにおいて、 （１）各対の各ミラーがその対の他方のミラーと同じ異
   方性特性を実質的に有し、 （２）各ミラーがレーザ路にあるその隣接ミラーの少な
   くとも一方の入射面に対して実質的に直交する入射面を
   有し、 （３）入射角がミラーの前記選択した整合ミラ一対の各
   々における前記ミラーの両方に対して実質的に同じもの
   であることを特徴とする非平面リングレーザ。 ２、特許請求の範囲第１項記載の非平面リングレーザに
   おいて、前記実質的に整合した反射異方性が位相及び減
   衰についての異方性であることを特徴とする非平面リン
   グレーザ。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の非平面リングレーザに
   おいて、各前記整合対の一方の前記ミラーにおけるＰ及
   びＳリフレクタンスがその前記対の他方の前記ミラーに
   おけるＰ及びＳリフレクタンスと実質的に同じものであ
   ることを特徴とする非平面リングレーザ。 ４ 特許請求の範囲第１項記載の非平面リングレーザに
   おいて、各前記ミラーの入射面が直角平行六面体の面に
   それぞれ平行でかつ隣接するように幾何学的に位置決め
   された６つの前記ミラーがあることを特徴とする非平面
   リングレーザ。 ５ 特許請求の範囲第１項記載の非平面リングレーザに
   おいて、各前記ミラーの入射面が直角平行六面体の側面
   に隣接して、２つのミラーが各側面を分割するように幾
   何学的に位置決めされた８つのミラーがあることを特徴
   とする非平面リングレーザ。 ６ 特許請求の範囲第１項記載の非平面リングレーザに
   おいて、前記整合ミラーが隣接しており、整合ミラーの
   前記対の前記ミラー間の関係が式０式％（９０） によって実質的に特徴付けられ、ここでジョーンズマト
   リクス が成る入射角で実質的に直線の複屈折を有する異方性ミ
   ラーを表わし、ｘ及びｙがそれぞれ両ミラーのＰ及びＳ
   リフレクタンスであり、ｉが複素数演算子■であり、か
   つ が各前記整合ミラ一対の前記一方のミラーからの反射後
   の入射面の９０度の回転を表わすことを特徴とする非平
   面リングレーザ。