JPS596520B2 - リング レ−ザ− ジヤイロスコ−プ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、反対方向に伝搬している放射エネルギー或い
は光波の共振周波数間の差が上記伝搬波が進行している
構体の回転の測定となるジヤイロスコープとして使用さ
れるリングレーザに関するものである。

反対方向に伝搬しているレーザビームを利用しているリ
ンクレーザジャイロスコープは周知のものである。

されらの装置は、反対方向に伝搬するモードの部分を組
合せて対向モード間の周波数の差を表わすビード周波数
を発生することによつてリンクレーザジャイロスコープ
の回転を測定するために使用される。付随的に、用語「
モード」はここでは語「波］と互換的に使用され、リン
グレーザ空胴内を伝搬している放射エネルギーの共振進
行波を意味するものである。リングレーザ本体がリング
レーザ面に直角な成分を有する軸について回転されると
、空胴内を一方向に伝搬しているしている波の周波数は
減少する。探対方向に伝搬しているモード間の周波数の
この：変化は回転率に比例するビード周波数に変化をも
１たらす。最大信号を監視することによつて、リングレ
ーザの回転率についての情報が得られる。しかし、低回
転速度で機能するようなリンクレーザジャイロスコープ
では、周波数ロツキング、すなわちロツクインが克服さ
れなければならない。

この現象は若干異なる周波数を有する共振空胴内の２つ
の反対方向に進行している波が互の方に引込まれて単一
周波数の定在波に組合せる。この正昧の結果は、リング
レーザの低回転速度について２つの反対モード間の周波
数差が極めて小さい場合、ビード周波数が変化せずジヤ
イロスコープが小さな回転速度に対して不感であるよう
に波が互に引込まれる。ロツキング効果はアカデミツク
ブレスインク、ニユーヨーク州ニユーヨーク、１９７１
年、モンテローズ発行のレーザアプリケーシヨンズ中の
フレデリツク アロノウイツによる「レーザジャイロ（
ＴｈｅＬａｓｅｒＧｙｒＯ）」と題する論文、第１３３
頁乃至第２００頁中に詳細に説明されている。ロツクイ
ン結合の原理的原因がビームの各々から他方の方向への
エネルギーの相互分散であることは周知である。

この相互分散、Ｔなわち、後方散乱（Ｂａｃｋｓｓｃａ
ｔｔｅｒ）は上記アロノウイツの第１４８頁一第１５３
頁に詳細に説明されている。簡単には、リングレーザの
２つの反対方向伝搬波間の差周波数は式．ｌム一１Ｌｒ
１ｎ′ム で与える。

ここでψは反対方向伝搬波間の瞬時位相差、旦はリング
レーザの回転速度に比例し、九は後方散乱エネルギーの
大きさに比例する。旦がｂより小さい場合には、ビード
周波数は、零に等しく、リングレーザがロツクインされ
る。リングレーザ本体の回転を表わすジヤイロスコープ
出力を得るためには、旦は亘より大きＩくなければなら
ない。ロツキングをなくする一方法はリングレーザ本体
を機械的に振動することである。

レーザ構体を振動することによつて、回転速度は項ａの
多くがｂより大きくｂの効果が最小成いは除去されるよ
ノうにジヤイロスコープに加えられる。機械的振動を使
用しているジヤイロは既に提案されている。示唆されて
いるロツクイン効果を最小にする別の方法は、リ グレ
ーザ通路内に配置されるフアラデーセルの 界の直接振
動である。リングレーザ空胴内で 分極レーザ波はベ
クトルがフアラデーセルの巻竺と同一方向に回転する円
形分極光′．′：′：：――＝昌】：＝【τ二る方向と
に依 て光通路長の増減が生じるとき磁界によつて
される。

フアラデーセルを通過した後、円形 光は線型分極光
に逆変換される。フアラデーセ 線の電流を振動する
ことによつ：１、：リリ：Ｈ！：＄＄Ｋ蓄フ獅？！ツク
イン効果が最小にされるように上記式においてａをｂよ
り大きくするように使用することができる。

フアラデーセル使用しているこの磁気振動は上記アロノ
ウイツの第１５７頁一第１５９頁に説明されている。上
記ロツクイン防止技術は受動的なものである。

すなわちこれらは能動レザー利得媒体に依存しない。ま
た、これらの方法では、レーザ通路を一方向に伝搬して
いる波によつて見られる効果は等しく、反対方向に進行
している波についての効果と反対である。説明のため、
回転情報を生ずるため組合されるリングレーザ空胴にお
ける２つの反対方向の共振モードを「主モード」と呼ぶ
。

本発明の目的は、リングレーザ空胴に追加のモードを導
入することによつてリングレーザ空胴において反対方向
に伝搬している主モード間のロツクインを最小にするこ
とにある。これらの追加のモード或いは２次モードは主
モードと異なる周波数で振動し、かつレーザ利得媒体を
介して主モードと結合してロツクイン阻止効果を生じる
。例えば、本発明の一実施例では、４つの振動共振モー
ドがリングレーザ空胴内に発生される。

これらの４つのモードは、２つの主モードがレーザ利得
曲線の中心から若干ずれた周波数で動作する一方、２つ
の比較的弱い２次モードが閾値より若干上の利得曲線上
の周波数で振動するようにレーザ空胴を離調することに
よつて発生されうる。閾値は共振モードがレーザ利得媒
体において増巾され始める利得曲線上の領域と定義され
る。２次モと結合してφについての振動効果を生じる。

弱いモードと強いモードとの結合の結果としてのφにつ
いてのこの振動効果は式のロツキング成分を妨げてそれ
を減じたり或いは除去する。本発明の他の実施例は外部
レーザ源からの摂動振動を与えるものである。

２つのレーザビームが２モードリングレーザのリングレ
ーザ空胴に注入されることができる。

注入モードは一方が各方向に進行してレーザ媒体から利
得を受けてリングレーザに発生される２つの主モードと
結合する。主モードと異なる周波数を有するこれらの注
モードは異なる周波数の振動効果を得るため主モードと
結合する。この振動は２つの反対方向に伝搬している主
モード間の結合を減じ或いは除去してロツクインを減じ
たり或いは除去する。本発明の更なる実施例は、外部源
としてリングレーザの反対方向に伝搬している波の一方
の一部を使用するものである。

リングレーザの２つの主モードが振動するのに十分な利
得を有する場合、一方のモードの一部は部分的反射鏡を
通してリングレーザ空胴から抽出される。抽出された部
分はその共振周波数を変更しかつそれを減衰するためド
ツブラシフトされる。このドツブラシフトされたモード
は若干異なる周波数を有し、元の主モードと再組合さつ
てロツクインを減する振動を生じる。本発明の目的はま
た、主モードの部分を組合せてレーザジャイロスコープ
の回転速度及び方向を表わす信号を得る手段を提供する
ことにある。

また、本発明は共振モードが利得曲線上の所望の周波数
で振動するようにレーザジャイロスコープの空胴長を監
視して最適化する装置を含む。本発明の他の目的、特長
及び利点は以下の詳細な説明から明らかになる。

上述したように、リングレーザ空胴内の２つの主反対方
向共振モードを組合せることによつて生じる差周波数或
いはビード周波数は式′ によつて与えられる。

ここでψは反対進行波間の瞬時位相差、ａはリンクレー
ザジャイロスコープの回転速度に比例し、旦は後方散乱
（Ｂａｃｋｓｃ一Ａｔｔｅｒ）エネルギーの大きさに比
例するものであ生じる結合を表わす。小さな回転速度の
場合、ａは互より小さく、φは零になる。この状態にお
いては、リンクレーザジャイロスコープはロツクインさ
れ、実際の回転を表わす出力を生じない。従つて、小さ
いが有限の回転速度では、リングレーザはジヤイロスコ
ープとして働らかない。ビード周波数が瞬時に摂動され
るようにリングレーザに対し物理的に何かをしてやるこ
とによつて、追加の時間変化項が上記式に加えられて次
のように変更される。

この式において立及びＷは差周波数ψに課せられた摂動
の振巾及び周波数をそれぞれ表わす。

この式をψ（ｔ）について解くと、近似的に次の式にな
る０（７、′。〜−，．４−Ｄ．．．，Ｃｌ、．．３７
４、ｃ及びＷの値がＪＯ一零となるように選択されると
、式はｌムノｊ− となり、元の差周波数の式のロツキングの項が除去され
る。

本発明の以下の説明においては、差周波数についてのこ
のような追加の摂動効果が主共振モードと結合するよう
に追加のモード或いは周波数をリングレーザ空胴に導入
することによつて得られる。これらの追加の摂動波或い
は２次モードの効果は上述したように項ＣｃＯｓｗｔの
追加によつて説明される。２次モードの振巾及び周波数
を制御することによつて、項Ｃ及びｗはリンクレーザジ
ャイロにおいてロツキングを減するように操作されうる
。

第１図はリンクレーザジャイロスコープ２を示す。

レーザ本体４は石英から作られ、その内の封止空胴６に
は９０％のヘリウムと１０％のネオンが充填されている
。２つの陽極８及び１０と２つの陰極１２及び１４とが
空胴６に取付けられている。

陰極１２と陽極８との間及び陰極１４と陽極１０との間
のそれぞれの空胴領域においてガス混合物は電気的に帯
電されて、空胴６内で共振レーザモードを発生しかつそ
れを増巾するための増巾媒体として働くガスプラブマを
与える。３つの誘電体鏡１６，１８及び２０が３角形状
の共振空胴６の３つの角に配置されている。

これらの鏡は当鏡２０はそれに衝突するリングレーザ波
の小さなパーセントを鏡を通過させる部分反射鏡である
。線２２で示される通路に沿つて空胴６を進行している
２つの主逆伝搬モードの部分が鏡を通過し、かつ組合せ
器及び光検出器組立体２３内のプリズム構体において、
組合わさつてしまパターンを形成する。このしまパター
ンは光感検出器によつて受取られ、そこに発生される信
号は回転速度及び方向を決定する標準的なデータ処理論
理回路２６へリード線２４を介して伝送される。逆方向
伝搬波を組合せること及びそれから得られる情報を処理
することについての詳細な検討は上記アロノウイツ（Ａ
ｒＯｎＯｗｌｔｚ）の第１３９頁乃至１４１頁に含まれ
ている。レーザビーム周波数は、空胴長、すなわちレー
ザモードが通路２２を一周する一つの完全なループを完
了するに当つて進行する距離を変えることによつて制御
される。

空胴内で共振しうるモードが特定のレーザ利得媒体につ
いての強度分布曲線（利得曲線）の中心になるように空
胴長を調整或いは同調することが一般に望ましい。空胴
長を調整するために、鏡１６が内外に動かすことができ
るようにレーザ本体４に取付けられている。空胴長制御
は、圧電素子２８に交流電圧を印加することによつて鏡
１６を振動することにより行なわれる。鏡１６が予定の
周波数で振動されると、光検出器組立体２３に発生され
る強度信号は、変化してリード線３０を介して標準的な
閉ループ空胴長制御回路３２に伝送される。この回路は
空胴の共振モードが利得曲線に沿つているかどうかを決
定して、リード線３４を介して圧電素子２８に与えられ
る直流信号を増犬或いは減少することによつて公称空胴
長を調節する。この型の回路の十分な検討は、ナサレポ
ート（ＮＡＳＡＲｅｐＯｒｔ）第ＣＲ−１３２２６１号
、「ＡＡｌ３ＯＯＡｂＯ２レーザジャイロの設計と関発
（ＤｅｓｉｇＯａｎｄＤｅｖｅｌＯｐｍｅｎｔＯｆｔｈ
ｅＡＡｌ３ＯＯＡｂＯ２ＬａｓｅｒＧｙｒＯ）」、テイ
一、ジエイ・ポジヨースキイ（Ｔ．Ｊ．ＰＯｄｇＯｒｓ
ｋｌ）及びデイ一・エヌ・サイミアン（Ｄ．Ｎ．Ｔｈｙ
ｍｉａｎ）、１９７３年、第１０頁及び第１１頁、に含
まれている。第１図に示される本発明の実施例では、空
胴の主逆伝搬モード間の差周波数の振動は、空胴長をに
はレーザ利得曲線４４、すなわちレーザ利得プラズマに
おいて放出される光の強度分布対このような放出光の光
周波数が示されている。当該技術において周知のように
、リングレーザ空胴内では特定の周波数のみが共振でき
る。すなわち増巾される。これらの共振モード間の周波
数間隔は、通路長Ｌ、或いはレーザ通路を一周する一つ
の完全なループを波が完了する距離によつて分割された
光Ｃの速度によつて決定される。第２図において、線３
６及び３８は、リングレーザ空胴が利得曲線４４の中心
に同調されたとき予定した周波数に存在する時計方向及
び反時計方向のモードをそれぞれ表わす。

線４０及び４２並びに線４６及び４８は、空胴内に存在
する光学周波数スケール上の最近接モードを示すが、こ
れらの他のモードを空胴６内で増巾する利得媒体は与え
られていない。点線５０によつて示される強度レベルは
閾値、すなわちレーザ利得媒体が共振波を空胴内で少な
くとも増巾するレベルを表わす。第１図の発明の実施例
では、空胴長の離調は、空胴長が理論モード３６及び３
８を利得曲線の中心から動かすように離調されるように
圧電素子２８に電気信号の直流成分を調整することによ
つて行なわれる。閾値以上で振動する２次共振波が共振
空胴６に導入されるには十分な離調が行なわれなければ
ならない。第３図は共振モード３６及び３８が２次波４
０及び４２を利得曲線の閾値より若干上で振動させるに
十分に利得曲線４４の中心から動かされるように空胴長
がどのように調整されるかを示している。空胴において
時計方向に伝搬している２次モード４０は、空胴６にお
５）て伝搬している閾値より十分上でかつ同方向の比較
的強力な主モード３６と結合する。

これは差周波数等式のφ項の振動効果を生じさせる。同
様に、反時計方向の２次モード４２は主モード３８と組
合さつて振動作用を行なう。摂動モード４０及び４２の
この効果は上記等式の項ＣｃＯｓｗｔによつて決定され
る。モード４０及び４２の利得曲線に沿つて強度と同様
にそれらが振動している周波数を調整することによつて
、式のＣとＷが上記検討で説明したようにロツクイン効
果を弱めるように制御されることができる。第４図は、
特定の機器の主モード３６及び３８）フ 間のロツクイン周波数に離調がどのように影響を及ぼす
かを示すグラフである。

離調は主モードの光周波数が利得曲線の中心から変化さ
れるようにリングレーザの通路長を同調することと定義
される。第４図においては、ロツクインは主モードが利
得曲線の中心から１５０メカヘルツのところに空胴通路
長が離調される一つの場合において部分的に除去される
ことが判る。本発明の他の実施例が第５図に示されてい
る。

この実施例は、第１図に示されるリンクレーザジャイロ
スコープ同様の２モードリングレーザを含む。９０％の
ヘリウムと１０％のネオンを含む封止空胴５２が設けら
れ、これは陽極５４及び陰極５６間が電気的に励起され
たときレーザ利得媒体を構成する。

空胴において逆方向に伝搬する２つの主波の部分は部分
的に透過性の誘電体鏡５８を介して組合せ器及び光検出
器組立体６０に進行されて、そこで信号が発生されてデ
ータ縮小及び論理回路６２に伝送される。空胴長制御回
路６６において発生される交流信号は、鏡７０を振動さ
せてジヤイロスコープの空胴長を振動させる圧電スタツ
ク６８に供給される。組合せ器及び光検出器組立体６０
からの強度信号はリード線６４を介して空胴長制御回路
６６に伝送される。圧電スタツク６８の振動による強度
信号の変動は空胴制御回路６６において処理される。リ
ード線７２を介して圧電スタツクに伝送される信号の直
流成分は空胴長をそこを逆方向に伝波する波の強度を最
大に最適化するように調整される。第１図について上述
した例と比べ、空胴長は共振モードが実質的に利得曲線
の中心において動作するように調整される。第５図の本
発明の実施例では、レーザジャイロの主共振モードと異
なる周波数の摂動している２次波が外部源から導入され
る。

この場合の外部源は２モード線型レーザ７４である。線
形レーザ７４において発生される２つの分離モードは分
散素子７６へ共軛状に進行、する。このような分散素子
は当該技術において周知で、異なる周波数を異なる量偏
向する（Ｄｅｆｒａｃｔｌｎｇ）ための格子を含みうる
。分散素子７６を通過した後、一方の２次モード７８は
誘電体鏡８０に向つて偏向され、そこで部分的に透過す
る鏡８２に向つて反射される。鏡８２を通過するに当つ
て、モード７８は時計方向にリングレーザ空胴５２に入
つて、空胴において発生されている時計方向の主モード
と結合する。２次モード８４は分散素子７６によつて鏡
８６に向つて偏向され、次に鏡８２を通過する。

それは空胴５２に入つて反時計方向に進行し、反時計方
向の主モードと結合する。再び、空胴に導入された２次
モードの摂動効果が項ＣｃＯｓｗｔによつて差周波数式
において与えられる。

２次モード７８及び８４間の差周波数はＷによつて与え
られる。

振巾部ｃは信号７８及び８４の振巾と、空胴の２次及び
主モード間の差周波数の大きさとに比例する。従つて、
項ε及びＷは、鏡８２の透過率と線型レーザ７４におい
て発生される信号の周波数及び振巾とを制御することに
よつてロツクインを弱めるために取扱われうる。第６図
は本発明の第３の実施例を示す。この実施例は、第１図
及び第５図に示されるリングレーザと同様に、三角リン
クレーザジャイロスコープを含む。空胴長制御回路は圧
電スタツクを調整してリンクレーザジャイロスコープの
出力の強度を最大にする。通路２２に沿つて空胴中を伝
搬している２つの向い合つたモードは実質的に第２図及
び第３図のレーザ利得曲線４４の中心に同調された周波
数を有する。第６図で示された装置では、一方の摂動２
次モードはリングレーザ空胴において導入されて反時計
方向に伝搬しているモードと結合される。

２次モードを得るために、通路２２の反時計方向モード
の一部が部分透過誘電体鏡８８を通過する。

そしてこの透過波１０２は誘電体アイソレータ９０を通
過する。このような誘電体アイソレータは当該技術にお
いて周知であり、それを通過する進行波の分極角を変化
するように動作する。次にモード１０２は誘電体鏡９２
に衝突し、この鏡９２は圧電スタツク９４に取付けられ
ている。交流電圧が振動回路１０４から圧電スタツク９
４に選択された周波数で供給されて鏡９２を振動させる
。そしてこの振動はモード１０２の周波数をドツブラシ
フトし、その結果モード１０２が誘電体鏡９８から偏向
されて、部分透過鏡８８を通じてリングレーザ通路に再
導入された後、その周波数はそれが抽出された主モード
に対し変化される。通路２２に再進入することにより、
このドツブラシフトされたモードは上述したφによる非
ロツクイン振動効果を生じるよう反時計方向主モードと
結合する。空胴に再進入するドツブラシフトされた信号
１０２の振巾は差周波数式において立で表わされている
。

立項は１０２の振巾を制御することによつて制御されう
る。この振巾を制御する方法は部分透過誘電体鏡８８の
透過率を制御することを含む。差周波数式のｗ項の圧電
スタツク９４に伝送される振動周波数に相当する。この
項は回路１０４において発生される振動の周波数を簡単
に可変成いは制御することによつて容易に制御されうる
。従つで、モード１０２がレーザ空胴に再進入して反時
計方向主モードと結合したときのその振巾と振動周波数
を制御することによつて、ロツクインの作用が実質的に
弱められうる。偶然、モード１０２の通路に配置した分
極器９６が分極の一方向のビームを有効に通過させる一
方、異なる分極を有するビームを妨げる。

分極器９６はビーム１０２を通過させるように調整され
る。方向アイソレータ９０がモード１０２の分極の方向
を変化しているので、鏡８８を通過する時計方向主モー
ドの蔀分は異なる分極を有し、分極器９６によつて妨げ
られる。本発明に対する変形は本発明の範囲及び精神内
において行なわれうる。

その変形の例は三角形状リングレーザ通路を使用するこ
と、誘電体鏡を振動するための圧電スタツク以外の手段
を使用すること、空胴表制御装置を使用しないこと、及
び回転情報を得るために主反対方向伝搬ビームを組合せ
かつ処理するための異なる手段を使用することを含むが
、これらに制限されるものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、２つの強力な主モードと２つの比較的弱い２
次モードとが利得媒体において発生されるように空胴長
制御回路が空胴長を調整する本発明の第１の実施例を示
す。 第２図及び第３図は、空胴の共振波がレーザ利得曲線上
の所望の点で動作するように共振空胴がどのように同調
されるかを示す。第４図は、比較的弱い２次モードを比
較的強力な主モードと結合させるためリングレーザを離
することによつてどのようにして２つの反対方向の主モ
ード間のロツクインが減ぜられるかを示す。第５図は２
次モードが外部レーザ源によつて発生されて反対方向の
主モードと結合す共振空胴内に注入される本発明の第２
の実示す。 第６図は一方の主モードの一部がリーザ共振空胴から抽
出され、周波数がドツブラシフトされ、その後主モード
と結合するために空胴に再注入される本発明の第３の実
施例を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 閉ループ光路を形成する反射面を含むリングレーザ
   本体、該光路を伝播する少なくとも２つの相対向する方
   向に伝播する主モードを発生して保持し、それにより該
   主モード間の周波数差が該リングレーザ本体のうけた角
   運動を表わすようにしている手段、該主モードの少なく
   とも１つと結合し、該主モード間のロックイン効果を弱
   めるか或いは除去するような周波数と振幅を有する少な
   くとも１つの２次モードを該光路に注入する手段、及び
   該主モード間の該周波数差から該リングレーザ本体の角
   運動を表わす信号を発生する手段とからなるリングレー
   ザジャイロスコープ。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載のリングレーザジャイ
   ロスコープにおいて、前記主モードを発生して保持する
   手段と少なくとも１つの２次モードを注入する手段とは
   単一の構成であり、該構成は該主モードと２次モードと
   を発生して増幅するための電気的に帯電したガスプラズ
   マ利得媒体手段、及び少なくとも２つの比較的弱い相対
   向する方向に伝播する２次モードと少なくとも２つの比
   較的強い相対向する方向に伝播する主モードとを該利得
   媒体手段内で発生して増幅するよう該光路の長さを調節
   するため該光路の長さを制御する手段とからなり、それ
   により該２次モードが該主モードと結合して該主モード
   間のロックイン効果を弱めるようにしていることを特徴
   とするリングレーザジャイロスコープ。 ３ 特許請求の範囲第１項に記載のリングレーザジャイ
   ロスコープにおいて、該少なくとも１つの２次モードを
   注入するための手段は、該主モードと異なる周波数を有
   する少なくとも１つの２次モードを発生するための該リ
   ングレーザ本体外の手段、及び該光路に該リングレーザ
   本体外の手段からの１つ又は複数の外部モードを導入し
   て少なくとも１つの主モードと結合させる手段とからな
   り、それにより該２次モードと主モード間のロックイン
   効果を減少させていることを特徴とするリングレーザジ
   ャイロスコープ。 ４ 特許請求の範囲第１項記載のリングレーザジャイロ
   スコープにおいて、該少なくとも１つの２次モードを注
   入するための手段は、該閉ループ光路から該主モードの
   少なくとも１方の一部を抽出するための手段、該抽出モ
   ードの通路に配置され該抽出モードの周波数を変調する
   ための振動周波数変調手段、及び該主モードの少なくと
   も１つと結合するため該光路に前記周波数変調されたモ
   ードを導入するための手段とからなり、それにより該結
   合が該主モード間のロックイン効果を減する振動を生じ
   させていることを特徴とするリングレーザジャイロスコ
   ープ。 ５ 閉ループ光路を形成する反射面を含むリングレーザ
   本体、該光路を伝播する少なくとも２つの相対向する方
   向に伝播する主モードを発生して保持し、それにより該
   主モード間の周波数差が該リングレーザ本体のうけた角
   運動を表わすようにしている手段、該主モードの少なく
   とも１つと結合し、該主モード間のロックイン効果を弱
   めるか或いは除去するような周波数と振幅を有する少な
   くとも１つの２次モードを該光路に注入する手段、及び
   該主モード間の該周波数差から該リングレーザ本体の角
   運動を表わす信号を発生する手段とからなるリングレー
   ザジャイロスコープにおいて、該主モードの光周波数を
   制御するように該光路長を調節するための該光路の長さ
   を制御する手段を更に含むことを特徴とするリングレー
   ザジャイロスコープ。