JPS584476B2 - リングレ−ザ−ジヤイロ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はリングレーザージャイロに関し、特に、反対方
向への光波の周波数固定がレーザー媒体の振動流により
阻止される改良されたリングレーザージャイロに関する
ものである。

十分に高い回転速度においては、リングレーザー内の２
つの反対方向に回転する光波間の周波数差は、レーザー
が回転している速度に正比例することがよく知られてい
る。

この周波数差またはうなりは、回転、したがってリング
レーザージャイロを測定するために使用することができ
る。

しかしながら、後方散乱放射が、２つの反対方向への光
ビームを結合し、低い回転速度については、ビームの周
波数固定を生じてしまう。

すなわち、うなりは、ジャイロの回転速度が零でないの
に零になってしまう。

うなり速度の関数としてのうなりψは数学的に次式によ
り表わされる。

ψ＝ａ＋ｂ ｓｉｎ（ψ一ψＤ） ここで、ａは本質的に回転速度であり、ｂは後方散乱係
数である。

ａが前記式においてｂより非常に大きい限り、周波数固
定は起らない。

しかしながらａ≦ｂである場合、固定が生じてψを零に
してしまう。

モード固定問題を排除するための一つの方式は光学的に
反復しない技術により、例えば全システムを機械的に振
動させることによりジャイロの周波数変調を起すことで
ある。

機械的振動のためのシステムは、１９７８年９月１９日
に発行され且つリツトン・システムズ社（Ｌｉｔｔｏｎ
Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．）に譲渡されたトーマス・Ｊ
・ハツチングズ（Ｔｈｏｍａｓ Ｊ．Ｈｕｔｃｈｉｎｇ
ｓ）およびバージル・Ｅ・サンダース（Ｖｉｒｇｉｌ
Ｅ．Ｓａｎｄｅｒｓ）による米国特許第４，１１５，０
０４号明細書に開示されている。

モード固定問題を排除するための他の一つの方式は、光
振動の原理に基づいて作動する装置を利用することであ
る。

すなわち、反対方向への光ビ一ムがレーザー媒体の励起
により発生される。

レーザーが光ビームの第１のモード対を作り出すのに必
要とされるものよりも大きい付加的なエネルギーでポン
ピングされる場合、レーザーは次の長手方向のモードに
対応する付加的なモード対を作り出す。

このいわゆる４モードレーザーは１９７８年８月発行の
オプチツクス・レターズ（ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ
）の第３巻第４３ページページにマーロン・０・スリ（
Ｍａｒｌｏｎ Ｏ．Ｓｃｕｌｌｙ）、バージル・Ｅ・サ
ンダース（Ｖｉｒｇｉｌ Ｅ．Ｓａｎｄｅｒｓ）および
ミューレイ・サージエント■世（ＭｕｒｒａｙＳａｒｇ
ｅｎｔ ＩＩＩ）による論文“２モード・リングレーザ
ー・ジャイロの固定問題に関する新たな多発信器のアプ
ローチ”に説明されている。

レーザ一体の機械的振動およびより少ない程度では、光
学的振動は実際の設計として確立されているが、より簡
単かつ実用的な装置が現在望まれている。

本発明により提供されるより簡単な装置は、レーザー媒
体を形成する誘電媒体が振動式に流される音響振動式の
リングレーザージャイロである。

反対方向へのレーザービームが振動誘電媒体を通過する
につれて、媒体はフレネル−フイゾー効果により予言さ
れるようにビームの各々の周波数変位を生じる。

誘電媒体の流れの大きさ及び方向を変えることにより、
機械的または光学的な振動効果を模倣することができる
。

１８１８年にフレネルは伝搬方向に沿って移動する誘電
媒体内における光の速度Ｖは次式でなければならないこ
とをエーテル理論から誘導した。

Ｖ＝Ｃ／ｎ Ｖｍ（１−１／ｎ２） 式中、ｎは媒体の屈折率であり、Ｖｍは媒体の速度であ
る。

フレネルーフイゾー効果またはフレネルドラッグの存在
は、１８５１年に最初にそれを行なったフイゾーを含む
様々な実験者により確認されている。

最も最近の論文の例としては、スペリーランド・エンジ
ニアリング・レビュー（Ｓｐｅｒｒｙ Ｒａｎｄ Ｅｎ
ｇｉｎ−ｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｖｉｅｗ）の第８巻春期号
のワレン・Ｍ・マセツク （Ｗａｒｒｅｎ Ｍ．Ｍａｃｅｋ）およびアール・Ｊ
・マツカートニー（Ｅａｒｌ Ｊ．ＭｃＣａｒ−ｔｎｅ
ｙ）による論文“リングレーザー”を参照されたい。

この論文は、レーザー路を通る誘電体の移動の効果を試
験するためにリングレーザーを使用することを取扱った
ものである。

７５−８８９９、ミシガン州アン・アーバーのゼロツク
スーユニバーシティ・マイクロフイルムズにより発行さ
れた雑誌に掲載されているオクラホマ州立大学のワルタ
ー・Ｋ−ストーウエル（Ｗａｌｔｅｒ Ｋ．Ｓｔｏｗｅ
ｌｌ）による論文“リングレーザーにおけるフレネルド
ラッグの精密測定”である。

この論文においては融着されたシリカの円板がフレネル
ドラッグを証明し、かつ測定するために使用されている
。

リングレーザーは、フレネルドラッグを測定するために
使用されているが、従来技術はモード固定を阻止し、リ
ングレーザージャイロを作り出すために周波数変調の手
段としてフレネルドラッグを使用するリングレーザーを
開示していない。

モード固定の問題を排除するための他の方法は、リング
レーザージャイロ内で鏡を振動させる方法を開示する米
国特許第３，５３３，０１４号、ランダム電気振動法を
開示する米国特許第３，６１２，６９０号、レーザービ
ームを電気的に変調するための技術を開示する米国特許
第３，７２１，４９７号、ならびに、さらに他の一つの
電気振動方法を開示する米国特許第３，７４３，９６９
号を含む従来技術に説明されている。

本発明は、放射後方散乱による低い変位速度における周
波数固定を阻止しかつ従来の機械的または光学的な振動
の必要性を排除する音響的に振動されるリングレーザー
ジャイロを利用するものである。

リングレーザージャイロは閉鎖ループの形状を有しかつ
ヘリウムとネオンガスの混合物のようなレーザー媒体を
満たした通路を有する本体内に形成される。

レーザー媒体は誘電物であり、したがって運動させられ
るとフレネルーフイゾー効果を起すことができる。

媒体の運動は媒体が光の方向と同じ方向または反対方向
に移動しているか否かに依存して該媒体を通過する光ビ
ームの加速または減速を生じる光ビームの加速または減
速はその最高周波数の変化を引き起しその結果、ビーム
が第２のビームと組み合わされて表面上に焦点合わせさ
れると、ビーム内における電磁エネルギーの消滅および
／または増強による干渉縞の変化を引き起こす。

変化する干渉縞はヘテロダイン検出により検出され、リ
ングレーザージャイロの回転速度を表わす。

レーザー通路内の誘電媒体はダイヤフラムのような音響
振動機構の利用により運動状態に置かれる。

ダイヤフラムは通路とは別個のかつ通路から離れたキャ
ピテイ内に設けられ、電磁コイルの使用によりあるいは
該ダイヤフラムを圧電材料片から形成することにより振
動させられる。

レーザー媒体の流れを作り出すための別の構造はトロイ
ド形のダイヤフラムをレーザー通路内に直接位置させ、
かつダイヤフラムを電磁コイルまたは圧電変換器のいず
れかによって駆動する構造である。

この構造により、第３および第４のモードが発生される
機械的振動系または光学系の必要性は排除することがで
きる。

従って、本発明の一つの目的は、反対方向への光ビーム
の固定を阻止する音響振動機構を備えた改良されたリン
グレーザージャイロを提供することにある。

本発明の他の一つの目的は、リングレーザージャイロの
機械的または光学的な振動の必要性を排除することにあ
る。

本発明のさらに他の目的は、音響振動を利用する改良さ
れたレーザージャイロを提供するために、フレネルーフ
イゾー効果を用いることである。

以下、本発明を図面に示す実施例に従って更に説明する
。

第１図は例えば石莫またはケイ酸チタンのような超低膨
張材料の本体１２として形成された代表的なリングレー
ザージャイロ１０を示している。

レーザ一本体１２はその内部に閉鎖された四角形の通路
を形成するよう配置された４つの通路１４を有するよう
構成されている。

通路１４は約９０係のヘリウムおよび１０チのネオンよ
り成るガス混合物を約３Ｔｏｒｒの真空中に保持するよ
う密封される。

なお、大気圧は約７６０Ｔｏｒｒであることが理解され
ている。

公知のレーザー技術にしたがって、本体１２は当業界で
は良く知られた方式で該本体１２に取付けられた２つの
陰極１６と１８ 極２０と２２を備えている。

ガスの放出は進路１４内における陰極１６と陽極２０と
の間、並びに陰極１８と陽極２２との間において行なわ
れる。

ゲツタ２４は、通路１４内のガス中に発見された不純物
を吸収するために設けられる。

鏡２８，３０，３２および３４はリングレーザージャイ
ロ１０の通路１４内に形成された光路の４つのコーナー
に位置し、その内の２つの鏡２８と３４はそれぞれ光検
出出力装置３６と３８の上に取り付けられている。

光検出装置は、よく知られているように、ヘテロダイン
検出によりリングレーザージャイロ１０の回転を表わす
ように反対方向への光ビームのうなり周波数を測定する
。

レーザ一本体１２の外表面の上には一対の音響振動機構
４０が取り付けられ、そのうちの一方は第２図に最も良
く示され、この場合には通路１４は明確のために９０°
回転されている。

音響振動機構４０はレーザ一本体１２内のねじ山付の開
孔４４と係合するねじ山付端部をもつ非磁性材料から構
成された円筒形ハウジング４２内に形成されている。

ねじ山付の開孔４４は肩４６とチャンバ４７を形成する
ようにその内端において縮小されている。

開口のチャンバ４７の最も内側の端面は４第２の回路４
８を形成するような角度で通路１４の中に孔あけされた
内孔付の開口で終端している。

０リング５０は肩４６とハウジング４２の最も内側の端
部との間に設けられ、該ハウジングをレーザ一本体１２
の中に螺入するにつれて該ハウジンシグを密封する。

第２の通路４８の角度付構造により、通路１４内のレー
ザー媒体の振動変位が、フレネルーフイゾー効果に影響
を及ぼし得るキャビテイションの噴射または他の変則事
態を起こすことなく層流であることを保証する。

音響振動機構シ４０の対は、プッシュプル式の媒体流お
よび２つの角度付の通路４８間の振動変位を発生するよ
う配置されており、それによりフレネルーフイゾー効果
は、矢印４９で示すようにそれらの間の比較的短い距離
内でのみ生じる。

音響振動機構４０はハウジング４２の中に挿入されたス
プール５２を含み、該スプール５２の回りには、端子５
６に接続された変圧線５４が巻かれている。

スプール５２内の長手力向の内孔５８は、耐腐食性の磁
性鋼から作られた棒６０を受け入れている。

棒６０の下端はチャンバ４７内に摺動可能に嵌め込まれ
たプランジャダイヤフラム６２に連結されている。

ばね６４はプランジャダイヤフラム６２を下方向すなわ
ち内側方向に押す。

良く知られているように、端子５６を横切る交流は、ば
ね荷重をかけられたプランジャダイヤフラム６２を、変
圧線５４により形成された電磁場により、ばね６４の押
圧力に抗してスプール５２の中に上方向に引張る。

電磁場が弱くなるにつれて、交流により、プランジャは
、ばね６４の押圧力の下で下に押される。

これにより、通路１４内のレーザー媒体は、プランジャ
ダイヤフラム６２がプッシュプル式の組合わせ動作でレ
ーザー媒体を第２の通路４８の内外に強制するにつれて
、各音響振動機構４０のプランジャダイヤフラム６２に
より発生されるポンピング作用によって振動式に流す。

音響振動機構４０の別の構造は、第１図において第２の
音響振動機構７０により示されている。

第３図および第４図に最も良く示すように、第２の音響
振動機構７０は、レーザ一本体１２の側壁内に位置する
ドリル開孔７２の中に取り付けられている。

ドリル開孔７２は通路１４を通過し、またその最も外側
の周縁においてねじ山付部分７４を形成されている。

音響振動機構７０は、ドリル開孔７２の中に栓として嵌
め込まれるよう円筒形に形成された非磁性のハウジング
７６の中に形成されている。

内孔付きのチャンバ７８は、ハウジング７６の長軸線に
対して直角に該ハウジング７６を通過している。

この内孔７８は通路１４と同心的に配置されている。

内孔７８の中には、非磁性材料で形成され且つ変圧線８
２を受け入れて保持するために、凹み付きの円筒面８１
を備えた管状のスプール８０が嵌め込まれている。

円筒形のハウジング７６内の内孔７８は、第４図に最も
良く示すように、その内部にスプール８０内に形成され
た音響振動機構を取り付けることのできる横方向の動作
領域を実質的に減少させる。

ドリル開孔７２の内面はハウジング７６の横方向への運
動を阻止するので、スプール８０は接着以外の確実な保
持装置でハウジング７６の内孔７８の中に保持される必
要はない。

非磁性のスプール８０には、長手方向の内孔８４が形成
され、この内孔は一端において拡大されて中央肩８６を
形成している。

内孔８４の中には、磁性材料から作られた管状のプラン
ジャ８８が摺動自在に取り付けられ、この管状プランジ
ャ８８は、一端において取り付けられた円板ダイヤフラ
ム９０を有し、この円板ダイヤフラム９０の中心は、通
路１４内における反対方向の光ビームの通過のための開
孔９２を備えている。

プランジャ８８は内孔８４の内面の構内に位置するＣ形
のばねクリップ９４により該内孔８４内に保持されてい
る。

ばね９６はプランジャ８８とダイヤフラム９０をばねク
リップ９４に向けて押圧する。

変圧線８２に接続された端子９８を横切って交流を印加
すると、磁界が作り出され、この磁界は磁性材料のプラ
ンジャ８８をばね９６の押圧力に抗して変圧線８２によ
り形成されるコイルの中に引き込む。

電流を断つと、プランジャ８８とダイヤフラム９０は反
対方向に動作させられる。

このようにしてプランジャおよびダイヤフラムは端子９
８を横切って印加される信号により確立される周波数で
レーザー媒体の層流を引き起す。

ハウジング７６の上端すなわち外端には、Ｏリング１０
２が設けられる溝１００が形成されている。

ハウジング７６がドリル開孔７２の中に挿入されると、
Ｏリング１０２は通路１４を密封する。

ハウジング７６は蓋１０４によりドリル開孔７２内に保
持され、該蓋１０４はねじ山付部分７４と螺合し、かつ
音響振動機構７０を完成するよう端子９８を取り付ける
ようになっている。

第３図および第４図に示す電磁コイル構造は、後で説明
するような圧電水晶と取り換えることもできる。

単に一つの音響振動機構が図示されているが、前記した
ようなプッシュプル式の構造において一対の音響振動機
構を使用することもできる。

しかし、なから、音響振動機構７０の構造はそれ自体を
単一のユニットに適用するようになっている。

音響振動機構の他の一つの実施例は、第５図に示されて
いる。

この実施例においては、音響振動機構１１０はレーザ一
本体１２の側壁内に位置した端ぐり穴付のキャビテイ１
１２内に形成されでいる。

端ぐり穴式キャビテイ１１２は第２の通路１１４を経て
通路１４に連絡されている。

この通路１１４は通路１４に対してある角度で設けられ
、第２図に関して説明したよう々変位されたレーザー媒
体の層流を促進する。

端ぐり穴式のキャビテイ１１２の上部は拡大して肩１１
６を形成している。

圧電材料の円板から形成されたダイヤフラム１１８が肩
１１６に接触して設けられている。

端ぐり穴式のキャビテイ１１２の外周は端子１２２を取
り付ける蓋１２０を受け入れるようにねじ山が設けられ
ている。

Ｏリング１２４は圧電ダイヤフラム１１８の上側の外面
に接触して位置し、蓋１２０は該Ｏリングに向けて押圧
され、キャビテイ１１２を密封している。

端子１２２にはばね荷重をかけた接点１２６が取り付け
られ、この接点１２６は圧電ダイヤフラム１１８の両端
と接触する。

端子１２２を横切って電圧を印加することにより、電圧
ダイヤフラムはそれを横切って電圧が発生されるにつれ
て変位し、キャビテイ１１２の容積を増減し、それによ
り通路１１４と１４の内部におけるレーザー媒体の振動
流を形成する。

第５図に最もよく示すように、この場合にも第２の通路
１１４をもつ２つの音響振動機構１１０を使用するのが
望ましく、通路１１４は通路１４に対して集束する角度
で配置され第１の音響振動機構１１０は１つの方向への
レーザー媒体の流れを引き起し、一方、第２の音響振動
機構１１０は第２の方向へのレーザー媒体の流れを引き
起す。

このようにして２つの音響振動機構１１０はプッシュプ
ル式の構造で構成された矢印４９で示すようにレーザー
媒体の振動流を高める。

機構４０，７０および１１０を含む前記した様様な音響
振動機構は図示した構造あるいは当業者にとっては明ら
かな他の構造の範囲内で変更を行なうことができる。

レーザー媒体が振動流れ動作を行なうようにするために
電磁コイルまたは圧電変換器のいずれを使用するかは設
計の問題である。

本発明の重要な特徴は、レーザー媒体を流れ状態に置く
ことにより、リングレーザージャイロ１０を音響的に振
動させ得ることである。

この音響振動は従来知られている機械的または光学的な
振動の必要性を排除する。

前記したように、流れ媒体は反対方向への光ビームの速
度を、フレネルーフイゾー効果にしたがう屈折率により
電磁エネルギーが流れ媒体を通過するにつれて変化させ
る。

従来技術はリングレーザーをフレネルーフイゾー効果ま
たはフレネルドラッグの研究のために利用してきたが、
従来技術は、このような効果をリングレーザージャイロ
の振動のために利用し、それによりジャイロの変位速度
が小さい時に反対方向への光ビームが同じ周波数で固定
されるという傾向により引き起されるモードの固定を阻
止するということは教示していない。

本発明による音響振動機構は振幅および周波数の両方が
変化されかつ制御されるということにおいて機械的な振
動と匹敵するものである。

第３および第４のモードが光学的に作り出される光学的
振動は、振幅および周波数が系のパラメータにより固定
されるので同じ程度に制御することはできない。

従って、前記した説明は機械系に見出される制御の利点
が保持されるという構造を説明したものであり、一方機
械的振動系の数多くの高価で且つ繁雑な要素は簡単な音
響振動機構の使用により排除される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明により使用される典型的なリングレーザ
ージャイロを一部断面図で示す平面図、第２図は第１図
の２−２線に沿ってとった部分断面図で、本発明の音響
振動機構を示す図、第３図は本発明による他の一つの音
響振動機構を示す第１図の３−３線部分断面図、第４図
は第３図の４−４線部分断面図、第５図は第３図と類似
する図であり、本発明の音響振動機構の変形例を示す図
である。 主要部分の符号の説明、リングレーザージャイロ・・・
・・・１０、レーザ一本体・・・・・・１２、通路・・
・・・・１４、陰極・・・・・・１６，１８、陽極・・
・・・・２０，２２、ゲツタ・・・・・・２４、鏡・・
・・・・２８ ，３０ ，３２ ，３４、光検出出力装
置・・・・・・３６，３８、音響振動機構・・・・・・
４０、円筒形のハウジング・・・・・・４２、開孔付チ
ャンバ・・・・・・４７ 動機構・・・・・・７０、ドリル開孔・・・・・・７２
、内孔付のチャンバ・・・・・・７８、円板ダイヤフラ
ム・・・・・・９０、音響振動機構・・・・・・１１０
、端ぐり穴式のキャビテイ・・・・・・１１２、第２の
通路・・・・・・１１４、ダイヤフラム・・・・・・１
１８。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内部に追路を有するレーザ一本体と、前記通路を満
   たすレーザー媒体と、 前記レーザー媒体内に、相反する両方向に伝搬するレー
   ザー振動の２つのモードを発生する手段と、 前記通路内において前記レーザー媒体の振動流を引き起
   こし、前記振動流媒体は前記２つのレーザーモード間に
   周波数差を発生させて、前記モードの周波数固定を阻止
   する手段とからなるリングレーザージャイロにおいて； 前記レーザー媒体の振動流を発生するための前記手段は
   、ダイヤフラム手段からなることを特徴とするリングレ
   ーザージャイロ。 ２ 前記ダイヤフラム手段は前記通路の周囲にトロイド
   形に形成されてい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ージャイロ。 ３ 前記ダイヤフラム手段は、前記通路に対して並置さ
   れ且つ第２の通路により前記通路と連絡されたチャンバ
   内に形成されてい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ージャイロ。 ４ 前記ダイヤフラム手段は電磁コイルにより駆動され
   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
   レーザージャイロ。 ５ 前記ダイヤフラム手段は、圧電変換器により駆動さ
   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
   グレーザージャイロ。 ６ 前記ダイヤフラム手段はプッシュプル式に駆動され
   る一対のダイヤフラムを含む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ージャイロ。 ７ 内部に通路を有するレーザ一本体と、前記通路を満
   たすレーザー媒体と、 前記レーザー媒体を励起し、リングレーザーの前記通路
   の周囲に相反する両方向へ進む光波を発生する手段と、 前記レーザー媒体を第１の一方向に流し、次に他方向に
   流すための手段であって、前記流れているレーザー媒体
   内における相反する両方向へ進む光波に対するフレネル
   ーフイゾー効果により、前記相反する両方向へ進む光波
   の周波数固定を阻止する周波数差を前記相反する両方向
   へ進む光波内に発生させる手段とからなるリングレーザ
   ージャイロにおいて、 前記レーザー媒体を流すための前記手段は振動ダイヤフ
   ラム手段からなることを特徴とするリングレーザージャ
   イロ。 ８ 前記振動ダイヤフラム手段は、前記通路に対して並
   置され、かつ前記通路に対して集束する角度で配置され
   た第２の通路により前記通路と連絡されたチャンバ内に
   設けられた一対の音響振動機構を含むことを特徴とする
   特許請求の範囲第７項記載のリングレーザージャイロ。