JPH02870B2 - - Google Patents
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Description
この発明は非平面状の一閉路及び非減偏光性の
フアラデーバイアス装置を用いた四周波数差動方
式の分散等化形リングレーザジヤイロスコープ装
置に関する。
レーザジヤイロは、有効であるためには、低回
転速度で発生するロツクイン問題を克服しなけれ
ばならない。ロツクインは、空洞を構成する光学
素子の不完全さによる一つの共振モードから他の
共振モードへの多少の光の避けがたい散乱によつ
て引き起こされる。これらのモードの周波数があ
まり違つていない場合には、モードがフエーズロ
ツクを生じる傾向がある。ジヤイロを実用に供す
るためには、このロツクイン問題を克服しなけれ
ばならない。二周波数式ジヤイロ装置は、これが
ゼロ入力回転速度に対して大きい出力周波数で動
作するようにジヤイロにバイアスを与えることに
よつてロツクインを避けることができる。バイア
ス精度の問題を避けるために、バイアスを震動さ
せてバイアス不安性が時間平均することによつて
出力信号から除去されるようにすることができ
る。しかしながら、この震動法は震動サイクルご
とに2度ジヤイロにロツクインを生じさせる。こ
のためにジヤイロはその位相コヒーレンスを部分
的に失い、従つて端数カウントの誤差が震動サイ
クルごとに作られる。この誤差は無作為に加わつ
て時間とともに増大する累積的角度誤差を与え
る。四周波数差動方式のレーザジヤイロ装置は、
共通の光路を共有しているが受動性バイアス素子
によつて反対方向に静的にバイアスを施されてい
る単一の安定な共振器において二つの独立したジ
ヤイロを本質的に動作させることによつてこの問
題を解決している。これら二つのジヤイロの差動
出力においては、バイアスが相殺されて任意の回
転発生の信号が加わるので、感度は単一の二周波
数式ジヤイロの2倍になり、バイアスのドリフト
による問題は避けられる。四つの異なつた周波数
は通常二つの異なつた光学的効果を利用すること
によつて発生される。第1に、結晶偏光回転子を
用いて方向依存性の偏光を与え、これにより共振
波をほとんど右円偏光(RCP)及び左円偏光
(LCP)になるようにする。この偏光回転は回転
子媒質の屈折率がRCP波及びLCP波に対してわ
ずかに異なつていることから生じる。第2に、フ
アラデー回転子を用いて、時計回りに進行する波
に対する屈折率が逆時計回りに進行する波に対す
るものとはわずかに異なつていることを利用して
非相反の偏光回転を与える。これによつて、CW
(時計回り及びCCW(逆時計回り)のRCP波はわ
ずかに異なつた周波数で発振することになり、又
CW及びCCWのLCPは同様に、しかし反対方向
に分離(スプリツト)される。このフアラデー回
転子は、縦方向磁界に置かれた光学的に等方性の
物質の一片からなる別個の光学的素子であつても
よく、又は結晶回転子にそのような磁界を加える
ことによつて実現してもよい。このようにすれ
ば、一方のレーザジヤイロは一方の回転方向にバ
イアスを受けた右円偏光で動作し、かつ他方のレ
ーザジヤイロは反対の方向にバイアスを受けた円
偏光で動作し、バイアスは二つの出力を減算する
ことによつて消去される。基本的な四周波数式レ
ーザジヤイロスコープの動作は、1972年6月26日
ケイ・アンドリンガ(K.Andringa)に発行され、
かつこの出願の譲受人に譲渡された米国特許第
3741657号に記載されている。
この発明は現在のレーザジヤイロ装置の安定度
を制限している問題を認識したレーザジヤイロ装
置を開示するものである。理想的には、四つすべ
ての周波数は熱膨張のような外部原因によつて等
しく影響を受けるはずであるので、四周波数式ジ
ヤイロの差動出力におけるすべての合成変動は相
殺されるはずである。しかし、実際には、四つの
周波数は外部原因によつて等しく影響を受けない
で、異なつた周波数変動を生じることが判明して
いる。それゆえ、四周波数式ジヤイロは熱的つり
あいの下では優れた性能を呈するにもかかわら
ず、それの実際的な使用は、許容不可能な長期の
バイアスドリフトとして明らかにされている熱感
応性の存在によつてこれまで制限されてきた。
この発明は、ドリフトの原因を著しく減小させ
て、これにより総合ジヤイロ出力ドリフトを他の
レーザジヤイロ装置に比べて数けた減小させるよ
うにしたレーザジヤイロ装置を開示するものであ
る。ドリフトの主要な原因の一つは、一般に環境
に依存する任意の存在する散乱源からの結合によ
る二つの共振モードの相互作用に起因する周波数
引込みである。ドリフトの別の重要な原因は空洞
における散乱中心の相対的運動に起因する散乱誘
起のドリフトである。更に、利得媒質の時間的変
動に起因する分散誘起のドリフトが存在するが、
これは各共振周波数によつて経験される分散、す
なわち位相偏移、における差分変動を生じさせる
ものである。ドリフトの更に別の原因はフレネル
ーフイゾー効果と呼ばれるものであつて、レーザ
モードによつてサンプリングされた気体放電の速
度分布への気体放電の屈折率の依存性に起因する
ものであるが、その理由は、リング空洞の変動に
応答してモードが移動するにつれてそれが変化し
得るからである。ドリフトのこれらの原因はすべ
てのレーザジヤイロにおいて存在するものであつ
て、空洞又は空洞内の光学素子における環境誘起
の変化に起因する光路長の変化によつて一般に引
き起こされる。この発明のレーザジヤイロは、超
低熱膨張材料を用いて空洞の物理的運動を最小限
にすることによつて、空洞内素子の量を減小させ
かつそれの形式を制限して有効光路長の変化を最
小限にすることによつて、すべての素子の散乱を
減小させることによつて、かつ又純粋に円偏光は
空洞モードを用いることによつてそれらのドリフ
トを相当に減小させている。
伝統的な結晶回転子の代わりに非平面状の経路
を用いてLCP波とRCP波との間の周波数分離
(スプリツト)を与えてある。伝統的な厚いフア
ラデー回転子の代わりに薄いフアラデー常磁性ガ
ラススラブを用いてCW波とCCW波との間の非
相反的分離(スプリツト)を与えてある。非平面
状経路の使用は異なつた波の間の結合を発生させ
る散乱の主要源(結晶回転子)を除去するだけで
なく、又良好な円偏光をも与える。ガラス製フア
ラデー回転子の使用は長円形の複屈折を避け、こ
れにより円偏光を維持する。これは更に異なつた
波の間の結合をなくするが、その理由は、反射時
に完全なLCP波はRCP波になり、従つて逆に回
転している波には結合しなくなるからである。所
定量の回転を達成する最小限の回転子スラブの厚
さを使用することによつて、スラブによつて導入
される任意の散乱中心の温度依存性を最小限にす
ることができる。円偏光を発生して維持するため
のこの統合された方法は種々の波の間の結合によ
る大量のドリフトの源泉をなくして一層正確なレ
ーザジヤイロを生じることになる。
次の性能限界は高次の効果による小量のドリフ
トによつて引き起こされる。この発明の装置は今
度は気体レーザ混合物のゼーマン分離(分岐、ス
プリツト)を有利に使用して、逆に進行する対の
それぞれの波によつて経験される分散を等化する
ことができる。これによつて、四周波数の波は小
さい周波数変動を受けてこれを非直線状の分散曲
線の異なつた部分に置くことができるので、差出
力は安定になる。
この発明は、電磁波をこれの位相偏移における
利得媒質誘起の変化に対して補償するための、再
入可能な共振路に結合された利得媒質位相偏移補
償用装置、並びに第1及び第2の偏向方向の対の
形に構成された異なつた周波数の円偏光した逆に
進行する波を発生するための、実質上散乱中心の
ない円偏光装置を使用したレーザジヤイロ装置を
開示するものである。更に明確には、円偏光装置
は、反対の円偏光の波の間の周波数分離(スプリ
ツト)を生じることになる前記の波における偏光
依存性の位相偏移を発生するための非減光偏光装
置、及び前記の対のそれぞれにおける逆に進行す
る波の間の周波数分離を生じることになる前記の
波に対する方向依存性の位相偏移を発生するため
の非減偏光装置を備えている。偏光依存性の装置
は非平面状の共振器を有することができ、又方向
依存性の装置は方向依存性の成分が等方性である
屈折率をもつた装置を有することができる。方向
依存性の装置は動作温度範囲において温度に実質
上無関係の特性を有することが望ましい。採釈し
た構成例においては、方向依存性の装置は、磁界
の存在する場合に前記の波の電磁界の方向依存性
の回転を発生することのできる等方性物質のスラ
ブを有しており、このスラブは動作温度範囲にお
いて前記の波の1波長よりも実質上小さい厚さの
変動を生じることになる厚さを有している。方向
依存性の回転を発生するための前記の磁界は前記
のスラブのすぐ近くの領域に局限されることが望
ましい。更に、利得媒質位相偏移補償用装置は、
前記の各対の逆に進行する波に対してほぼ同じ量
の利得媒質誘起の位相偏移を与えるような大きさ
及び極性を有する、前記の利得媒質の軸に対して
縦方向の磁界を与えるための装置を有している。
この発明は、更に、円偏光した電磁波の伝搬の
ための非平面状の閉路を与えかつ又反対の偏光方
向の波の周波数の分離を与えるための装置、前記
の閉路に配置された利得媒質、それぞれの偏光方
向の前記の波の逆に進行するものの間における周
波数分離を生じることになる前記の円偏光した波
に対する方向依存性の位相偏移を与えるための非
減偏光装置、及び前記の逆に進行する波の等しく
ない利得媒質分散を補償するための装置を有する
ジヤイロ装置を与えるものである。この発明は
又、電極の領域におけるバツフルを備えた散乱粒
子除去装置を与えるものである。更に、方向依存
性の非減偏光装置は、ゼロでないベルデ
(Verdet)定数を有する等方性物質のスラブ、及
びこのスラブに磁界を与えるための装置を有して
おり、かつ又任意の反射波を集めるために吸収装
置を使用することが望ましい。分散補償装置は、
前記の方向依存性の非減偏光装置による前記の逆
に進行する波の間の周波数分離にほぼ等しい利得
及び分散特性の周波数分離を発生させるのに十分
な大きさの磁界成分を前記の利得媒質にその縦軸
に沿つて与えるための磁界付与装置を備えてい
る。この磁界成分は又、ほぼ等しい量の利得−媒
質分散を前記の逆に進行する波に与えるような極
性を有している。更に明確には、前記の磁界付与
装置は、前記の方向依存性の非減偏光装置による
逆に進行する波の周波数分離の平均量の関数とし
て磁界を変化させる。一つの採択した構成例にお
いては、磁界付与装置は、利得媒質収容路の一部
分のまわりにおける少なくとも一つのコイル、前
記の方向依存性の非減偏光装置によつて逆に進行
する波に発生された周波数分離の量を測定するた
めの装置、及び前記の周波数分離の平均値に比例
した電流を前記のコイルに発生するための装置を
備えている。この発明は更に、支持容器、前記の
支持容器内に配置されたフアラデー回転を与える
ための装置、及び前記のフアラデー回転付与装置
の少なくとも一方側に配置された電磁波を吸収す
るための装置であつて前記の波の実質的部分が前
記の回転付与装置を通過することができるように
してある吸収装置を備え、かつ前記の回転付与装
置が更に前記の波の任意の反射部分を前記の吸収
装置の方へ向けるように配置されているフアラデ
ー回転子を与えるものである。
この発明のその他の目的及び利点は、同様の部
分には同様の符号を施してある添付の図面につい
て行われる次の説明が進むにつれて明らかになる
であろう。
第1図から第5図までを同時に参照して、この
発明の数示によるレーザジヤイロスコープ装置の
構成及び動作を説明する。ジヤイロブロツク10
2はこの装置が構成されているフレームである。
ジヤイロブロツク102はレーザジヤイロスコー
プ装置に及ぼす温度変化の影響を最小限にするた
めにガラスセラミツク材料のような熱膨張係数の
小さい材料で構成することが望ましい。市販で入
手できる好適な材料は米国のオウエンス−イリノ
イ社(Owens−Illinois Company)によつて
「Cer−Vit」(商標名)材料C−101の名称で販売
されている。又、シヨツト(Schott)の
「Zerodur」(商標名)も使用することができる。
ジヤイロブロツク102には第1図ないし第4
図の種々の形で示したように9個のほぼ平面状の
面がある。装置の他の構成部分を伴わないでジヤ
イロブロツク102を示している第3図及び第4
図に最も明確に示されているように、ジヤイロブ
ロツク102の4個の面の間には通路108,1
10,112及び114が設けられている。これ
らの通路はレーザジヤイロブロツク102内にお
ける非平面状閉鎖伝搬路を形成している。
面122,124,126及び128上にはこ
れらの面と通路との交点にミラー(鏡)が設けら
れている。適当な反射面を備えた基板140及び
142はそれぞれ面124及び126上に配置さ
れたミラーを構成している。ミラーのある表面は
又面128にすぐ隣接して光路長制御変換器16
0の前面にも設けられている。これらのミラーの
一つはビームが安定して通路の中心にほとんど閉
じ込められるようにわずかに凹面状にするべきで
ある。又、部分透過性の遊電体ミラー層139を
備えた透明なミラー基板138が面122に設け
られていてジヤイロブロツク102内の閉路に沿
つて進行する各ビームの一部分が出力光学系14
4に結合されるようになつている。出力光学系1
44の構造は1979年2月27日アイ・スミス(I.
Smith)外に発行されてこの出願の譲受人に譲渡
された米国特許第4141651号に開示されている。
通路108,110,112及び114が装置
内の種種のビームに対して非平面状伝搬路を形成
しているので、各ビームはこの閉路を循環すると
き偏光面回転を受ける。理想的には、実質上円偏
光のビームだけがこの発明の非平面状空洞内に存
在する。円偏光ビームでは、一つのビームから他
のビームへのビームの散乱又は結合によりドリフ
トが最小限になる。この減小は散乱した一つの円
偏光状態の光が他のビームに結合されて影響を与
えるような固有の偏光のものではないために生じ
るものである。他の形式の偏光に対しては、他の
ビームに結合するような散乱ビームの成分が常に
存在するので、それは事実ではない。
採釈した構成例においては、通路及び反射鏡は
種々のビームに対してほぼ90度の偏光面回転を与
えるように配列されている。右及び左の円偏光の
ビームがその伝搬方向に関係なくこの同じ量だけ
反対方向に回転させられるので、右及び左の円偏
光のビームの間の周波数分離(スプリツト)はそ
のビームが光学空洞内で共振するように発生しな
ければならない。これは第8図Aにおいて右及び
左の円偏光のビーム間の周波数分離として示され
ている。採釈した構成例においては、180度の相
対的位相偏移に対応する90度の回転が採用されて
いるけれども、所望される周波数分離に応じてそ
の他の位相偏移も又使用することができる。偏光
面回転は閉鎖伝搬路が非平面状であるかぎり発生
するものである。伝搬路の構成そのものが回転量
を決定することになる。
前述のケイ・アンドリンガの特許に記載された
ような従来技術の既知の装置においては、右及び
左の円偏光のビーム間の周波数分離は相当な光学
的厚さの固体物質のブロツクを伝搬路に配置する
ことによつて達成された。ビーム伝搬路中に直揺
固体物質が存在すると、これが散乱中心となつ
て、望ましくないことではあるがこれから光が一
つのビームから別のビームへと結合されてジヤイ
ロ出力に誤差を生じるようになることがある。結
合の量、従つて誤差は熱に非常に感じやすい。そ
れゆえ、そのような装置の出力周波数は固定出力
バイアスでは補償することができないような温度
に依存するドリフトを受けた。更に、結晶回転子
は多量の応力複屈折を導入し、これにより円偏光
波の偏光が減じられ、かつ又偏光波の望まれない
結合の一因となるという傾向がある。このために
ジヤイロ装置は、いくら良くても数十ヘルツ、多
くの場合数百ヘルツに達する大きさの、出力周波
数の時間的変動を有することになる。この発明で
は、結晶回転子として従来使用されていた固体物
質がビーム伝搬路から完全に除去されており、従
つてこの物質と関係する誤差及びドリフトの原因
が除去されている。
位相偏移がどのようにして生じるのかを理解す
るのを助けるために、光路を伝搬する直線偏光ビ
ームを想定するのが有効である。この説明におい
ては、反射のさいに電磁波の受ける180゜の位相偏
移は無視してある。偶数(4回)のそのような反
射を使用しているので、誤差は入つてこない。例
えば、面122と面124との間の通路110を
進行するビームは上方に向いた電気ベクトルで表
されるように直線偏向しているものと仮定する。
ビームが面124上に設けられたミラーから反射
すると、電気ベクトルはなおほとんど上方を向い
ているが、しかし通路112が面124と面12
8との間で低下しているので、わずかに前方へ傾
斜している。ビームが面128上のミラーで反射
すると、その電気ベクトルは、第3図及び第4図
において見たとすれば、わずかに下方へ傾射して
ほとんど左の方に向いている。ビームが面126
で反射すると、通路108内のビームの電気ベク
トルはやはり第3図及び第4図においてわずかに
上方に傾斜して左の方に向くであろう。面122
からの反射後、通路110内のビームの電気ベク
トルはなお左方に、図面の平面内に向つている。
このように、ビームは通路110に戻つてきたと
きには約90度の偏光面回転を受けていることがわ
かるであろう。もちろん、そのような回転した直
線偏光ビームは自己増強して閉路に沿つて共振す
ることができない。円偏光ビームはそれが同じ長
さの平面状閉鎖路に対して共振するような周波数
から偏移した周波数を有するだけが共振すること
になる。
二周波数式レーザジヤイロスコープは非平面状
伝搬路を用いてただ一つの周波数分離を与えるよ
うにすることによつて構成することができる。こ
のような構成においてはフアラデー回転子又はそ
の他のその種の素子は必要とされない。回転速度
を検出するためには、二つのビームの抽出部分の
ビート(うなり)を生じさせてこの二つのビーム
間の周波数の差に等しい周波数を有する出力信号
を形成することによつて出力信号を発生する。静
止時には、この出力信号はある値f0にとどまる。
一方の方向の回転に対しては、出力信号はf0+△
fの値に増大する(ただし、△fは回転速度に比
例する)が、他方の方向の回転に対してはf0−△
fの値に減小する。この発明は後方散乱による相
互結合を著しく減小させてロツクイン範囲を減小
させ、その種のレーザジヤイロスコープがロツク
インの完全な除去なしで多くの応用装置に使用さ
れ得るようにするものである。
フアラデー回転子156は、第2図、第4図及
び第6図Aに見られるように面124に隣接した
通路112の大直径部分113内に配置されてい
る。フアラデー回転子156の詳細は第6図及び
第6図Aに示されている。フアラデー回転子取付
具154は、望ましくはレーザジヤイロブロツク
102と同じ物質で作られていて、構造物が構成
させる基部を形成している。回転子取付具154
は円筒形の形状をしており、それの縦軸に対して
ある角度をなした種々の直径の数個の円筒形孔部
を備えていて、フアラデー回転156のすべての
素子を所定の位置に支持するとともに取付具15
4の縦方向中心軸に沿つて障害物のない通路を提
供している。フアラデー回転子スラブ165は取
付具154の中央部分によつて形成された棚16
6上に配置されている。リング169はスラブ1
65の側方移動を阻止する。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
は同様に高いベルデ(Verdet)定数をもつ物質
で形成するのが望ましいであろう。所望量の周波
数分離を発生させるのに必要とされるスラブの厚
さを減小させるために0.25min/cm/Oeを越える
大きさのベルデ定数が採択される。伝統的なフア
ラデー回転子は、しばしば融解石英の、厚いスラ
ブを使用してきた。逆回転ビームの光路における
どのような物質も熱融剤に対して感応性を呈する
散乱点を導入する。この感応性は物質の熱膨張に
よるが又は物質の屈折率の温度依存性に起因する
光路長の変化によるものであろう。光路長の有効
な温度依存性、従つて熱的に誘起されたドリフト
は、ビームの光路における固体物質の厚さの極め
て明確な関数であることが判明している。従つ
て、できるだけ薄いスラブを使用することが望ま
しく、ドリフトを許容可能なレベルに減小させる
ために0.5mm以下の厚さが採釈されるので、動作
範囲についてレーザ波のほとんど1波長未満の温
度又はその他の原因による厚さの変動を生じるこ
とになる。市販で入手可能な物質はホヤ・オプチ
クス社(Hoya Optics、Inc.)の物質番号FR−
5であつて、これはフアラデー回転を与えるため
に常磁性物質をドープしたガラスであり、等方性
の屈折率を有する回転子を生じるものである。こ
のことは重要であることが判明したが、その理由
は、伝統的なフアラデー回転子の問題点は石英の
ような結晶物質が異方性を有していて長円複屈折
を生じるということであるからである。これは名
目上円偏光した波を減偏光して逆回転波間の結合
を増大させることになる。それゆえ、等方性物質
をフアラデー回転子として使用し、共振モードの
減偏光を除去することが大切である。できるだけ
円偏光に近づけて動作させると、相互結合が減小
し、従つて残存する散乱中心による熱的に誘起さ
れたドリフトが減小する。これによつてジヤイロ
装置は数ヘルツ以下の出力周波数の時間的変動に
対応する安定度レベルを達成することができる。
フアラデー回転子スラブ165は磁石組立体1
88によつて棚166に当つて保持されている。
二つの中空円筒形の永久磁石186及び187は
これらの間の接合点において同じ磁極が互いに隣
接するように端面と端面とを合わせて配置されて
いる。この二つの磁石は任意の既知の方法、例え
ばはんだ付け又は溶接によつて相互に固定するこ
とができる。フアラデー回転子スラブ165はそ
れゆえ二つの磁石の対の一端に隣接している。ス
ラブには縦方向の磁界が発生されるが、この磁界
はスラブ又は磁石から少しの距離を離れると急速
に減衰する。この構成には気体放電領域に達して
ゼーマン効果により望まれないモード又は周波数
オフセツトを発生させるような漂遊磁界が実質上
発生しないという利点がある。又、スラブに所要
の磁界を与えるために単一の磁石を使用すること
もできる。永久磁石構造物は数回巻きの電線で置
き換えてこれに電流を流し、フアラデー回転子ス
ラブ165に磁界を確立するようにしてもよいで
あろう。磁石構造物188を押しているのはばね
175である。ばね175の他方の側は中空円筒
形スペーサ197の周辺に沿つて静止しており、
又スペーサ197は中空円筒形吸収体191の一
側面に部分的に乗つている。吸収体191は黒色
ガラスのような物質で作られていて反射防止膜が
施されており、それの表面に入射する、例えばフ
アラデー回転子スラブからの鏡面反射のようなす
べての電磁波を吸収するのに使用される。吸収体
191は、孔部181の周辺に沿つて摩擦により
静止している円形クリツプ193によつて正しい
位置に保持されている。従つて、理解され得るよ
うに、今説明したばかりの諸素子は円形クリツプ
193によつて棚166の右側に対して配置され
た組立体を形成しており、ばね175はすべての
素子を正しい位置にしつかりと保持するために十
分な縦方向の力を与えている。棚166の反対側
には、フアラデー回転子スラブ165及び磁石組
立体188を除いて同様の諸素子の配列がある。
円形クリツプ192は静止基部を形成しており、
これに第2の吸収体190が当たつて静止してい
る。ばね174は、一端が棚166の左側に乗つ
ていて、スペーサ196を吸収体190に押し当
てており、これによりすべての素子を棚166の
左側においてその所定の位置に保持している。
回転子取付具154はらせんばね199によつ
て、通路112及び113の直径の変化により形
成された棚に当つて正しい位置に保持されてい
る。ばね199の小さい方の直径の第1巻きは回
転子取付具154の本体上に乗つており、かつ又
他方の大きい方の直径の端部は穴113の壁面の
周囲に延びてこれと摩擦係合している。回転子1
56の諸素子のこの構成は、光学素子がジヤイロ
ブロツクに使用された安定な物質に弾力的に押し
当てて保持されているので、熱に対して安定であ
る。
前述のように、回転子取付具154に設けられ
た孔部の軸は取付具154の縦軸に対して角度を
なしているのでフアラデー回転子スラブ165の
平面も又取付具154の縦軸に対して角度をなし
ている。これは、フアラデー回転子スラブ165
の二つの表面からの反射が今やすべて二つの黒色
ガラス吸収体によつて遮られて吸収されるので、
逆進行する波の間の結合の除去に役立つ。第6図
の回転子において左から右へ循環する波はスラブ
165からの反射が吸収体190の下方部分によ
つて遮られて吸収され、又反対方向に循環する波
はスラブ165からの反射が吸収体191の上方
部分によつて吸収される。二つの吸収体190及
び191並びに回転子スラブ165も又反射量を
更に減小させるために反射防止膜が施されてい
る。
時計回り及び逆時計回りに循環するビーム間の
周波数分離(スプリツト)を与えることの外に、
フアラデー回転子156は第2の作用を行う。棚
166の領域において密着しているために、フア
ラデー回転子156は通路112を通る気体の縦
方向の流れを阻止する。閉路を通る気体の正味の
循環はあり得ないので、その気体により運ばれる
散乱粒子の循環の可能性は相当に減小するが、フ
レネルーフイゾー効果によるドリフトも同様であ
る。
第1図、第3図及び第4図を再び参照すると、
面122上に配置された部分透過性のミラーに当
たるビームには低い入射角が与えられていること
がわかるであろう。各通路108,110,11
2及び114内を進行するビームは円偏光のビー
ムである。このビームの一つが反射鏡又は表面に
入射する方向が法線に近いほど鏡面を透過したビ
ームの偏光は円形に近くなる。入射角が法線から
離れるにつれて、部分的に透過したビームは長円
偏光をとり始める。
前述の米国特許第4141651号に説明されている
ように、出力光学系・検出器構造物内のビームが
完全に円偏光しているならば、検出器構造物内の
二つの上方周波数のビームと二つの下方周波数の
ビームとの間には望まれない相互結合及び干渉が
実質上存在しない。長円率が増大するにつれて、
相互結合は明白になり始め、検出器ダイオード1
45及び146からの出力信号に振幅変調として
現れる。前述のように、望まれない相互結合の量
は長円率の非線形単調増加関数であることが発見
されている。相互結合は約15度以下の入射角に対
しては比較的低いことが判明している。しかしな
がら、相互結合の量はこの入射角以上では極めて
急速に増大する。出力光学系構造物内の相互結合
は適当な偏光フイルタによつて除去することがで
きるが、利用可能なフイルタされた出力はフイル
タされない相互結合が増大するにつれて減小す
る。出力ミラーにおける各ビームの入射角が増大
するにつれて、各ビームについての検出器ダイオ
ードにおいて利用可能な出力は減小する。出力減
小率、すなわち鏡面に垂直なビームについて利用
可能な出力に対する所与の入射角のビームについ
て検出器において利用可能な出力の比率は、前述
の米国特許第4141651号に記載された出力構造物
について第7図に示されている。容易にわかるよ
うに、出力減小率は約15度より大きい入射角につ
いては急速に低下する。それゆえ、この発明の一
態様によれば、面122上に配置された部分透過
性ミラーに対する通路108及び110における
ビームの入射角は15度以下にされる。別の言い方
をすれば、通路108と110との間の角度は30
度以下である。
装置の動作時には、四つの周波数の波は利得
(ゲイン)曲線のピークに関して対称的に中心配
置するのが望ましい。この目的のために、圧電変
換器160を設けて面128上のミラーを機械的
に位置決めし、四つの周波数の波を適当に中心配
置するようにレーザジヤイロ空洞102内の全光
路長を調整する。光路長制御器320は検出ダイ
オード145及び146から圧電変換器160を
動作させるための信号を取り出す。これらの信号
は対応する△f1及び△f2信号の全振幅に比例した
振幅を有する。制御器320はこれら二つの振幅
関係信号の間の差を発生する。この出力差信号は
もちろん、四つの周波数の波が利得曲線上で適当
に中心配置されたときにはゼロ振幅を有する。出
力差信号は四つの波が一方の方向において中心外
れであるときには一方の極性のものでありかつ又
四つの波が他方の方向において中心外れであると
きには他方の極性のものである。平均振幅信号は
既知の回路によつて形成することができるが、そ
のさいこれの出力は圧電変換器160の入力リー
ドに結合される。
今までどおり第1図、第3図及び第4図につい
て述べるが、気体利得(ゲイン)媒質を励起する
ための電極は通路108内に配置されている。中
心カソード電極22は外部の安定化電源310の
負端子に接続しかつ又アノード電極32及び42
はその正端子に接続するのが望ましい。カソード
電極はレーザジヤイロブロツク102から最も遠
い端部に中空の金属製半球を取り付けられた短い
中空円筒の形状をしている。カソード電極は孔部
20に隣接したジヤイロブロツク102の表面に
通常の方法で取り付けられている。アノード電極
32及び42は電極孔部30及び40中に延びた
金属棒の形状をしている。このようにすれば、電
極が配置されている通路を通過するビームが反対
方向の等長の電流路を通過するので、気体利得媒
質を通る不等の電流によつて引き起こされるビー
ムにおける抗力の影響が実質上除去される。しか
しながら種種の電極の位置における製造上の公差
のために、二つの通路における負電極及び二つの
正電極間の距離は正確には等しくないことがあ
る。この不等を補償するために、電極32及び4
2を電源310の二つの独立した正端子に接続し
て、二つの正電極とこれに隣接した負電極との間
の電流を不等にし、これによつて異なつた抗力の
影響を補償するようにしてある。
通路108,110,112及び114を満た
す気体利得媒質は外部の気体源から気体充てん孔
部106を通して供給される。8:0.53:0.47の
比率の3He、20Ne及び22Neの混合物が採釈され
る。一たんすべての通路が充てんされてしまう
と、シール107が孔部106に施されて気体を
密閉状態で収容する。
正電極の一つのものの領域におけるレーザジヤ
イロスコープ装置の構造の細部は第5図の断面図
に詳細に示されている。金属電極32は、電極シ
ール33によつて正しい位置に保持されて、電極
孔部30内に配置されている。電極32はジヤイ
ロブロツク102の表面から通路108までの半
分より幾分多く延びている。電極孔部30は望ま
しくは直角に通路108と交わる。端末室118
は出力光学系構造物144が配置されているジヤ
イロブロツク102の表面の内側に形成されてい
る。端末室118及び通路108は互いに同軸で
ある。通路108が電極孔部30をわずかに越え
てから端末室118と交わつているので、電換通
路30と端末室118との間にはバツフル130
が形成されている。同様の構成は電極42に対し
ても孔部40、シール43及び端末室119によ
つて与えられている。
従来の装置ではバツフルが設けられていなかつ
た。端末室は電極孔部から直接外方へレーザジヤ
イロブロツクの表面まで延びていた。電極が励起
されたときには、レーザジヤイロブロツクのイオ
ンボンバード及びスパツタによるなどして発生さ
れるようなちり又はその他の望まれない粒子が電
極とビーム通路の交点のまわりに積もつたもので
ある。浮遊粒子は散乱中心として作用して構造物
の光学損失を増大させた。これとは対照的に、こ
の発明では、ちり又はその他の望まれない粒子が
30のような電極孔部及び通路108の交点の領
域に浮遊しないことが判明している。それゆえ、
ドリフトの潜在的な源が除去される。
前述のように、良好な円偏光を維持することに
よつて、ジヤイロは大量のドリフトを与えるすべ
ての既知の源を除去する。しかしながら、レーザ
ジヤイロが高性能装置に使用されるべき場合には
補償されなければならない小量のドリフトを与え
る付加的な源がある。この残存するドリフトは分
散、すなわち使用媒質の利得(ゲイン)と関係し
た周波数依存性の屈折率である。He−He利得媒
質については、利得曲線はドプラ広がりのために
ほぼ正規曲線の形をしており、分散曲線はS字状
として描くことができる。分散曲線は、利得媒質
の存在のために特定の周波数の波が受ける光学位
相偏移量を表す。第8図Bに見られるように、中
心周波数fcより低い周波数は中心周波数fcより低
い周波数は中心周波数fcより高い周波数とは反対
の位相偏移を受け、すべてのモードは中心線の方
へ偏移することになる。分散曲線は非線形である
ので、差動ジヤイロの四つのモードは異なつた分
散量を有する、従つて第8図Bについて言えば異
なつた位相偏移量を有する点で動作している。
φ1はf1に対応する位相偏移であり、φ2はf2に対応
し、φ3はf3に対応し、又φ4はf4に対応する。差
(φ2−φ1)が差(φ4−φ3)と量的に異なつている
場合には、それ自体温度、利得及び圧力のような
多くの要素の関数である分散曲線の形状に依存す
るゼロでない差動出力が静止時に存在することに
なる。これらの要素のいずれか一つが変化する
と、この変化は分散曲線を横切る四つのモードの
偏移として反映され、この偏移は分散曲線の非直
線性のために、変化する差動出力を生じることに
なる。それゆえ、ジヤイロは種種の要因に従つて
変化するその出力周波数におけるドリフトを有す
ることになる。
この発明のジヤイロ装置は利得媒質分散による
ドリフトを除去するためにゼーマン効果を利用し
ている。ゼーマン効果はレーザ気体のスペクトル
線の二つ以上の成分への分離(分岐、スプリツ
ト)に関係する。この周波数分離は利得曲線及び
これに対応する分散曲線の分離を生じることにな
る。この物理的機構は、磁界が原子エネルギー準
位を、異なつたエネルギーを有しかつ所定の円偏
光状態の波と相互作用するいくつかの状態に分離
するという量子力学的現象である。これは第9図
に図解されており、ここではエネルギー線図の左
側には磁界が存在しない場合の代表的なエネルギ
ー準位が示されている。この場合、放射周波数
は、E2及びE1を二つのエネルギー準位としかつ
hをプランクの定数とするとき、f0=(E2−
E2)/hである。この線図の右側はエネルギー
準位が磁界の存在する場合にどのように分離する
かを示している。線242は△m=+1に対応す
るエネルギー準位の遷移を示しており、これは分
離した分散線260に対する中心周波数のような
一方の組の放射周波数、f+=f0−gBH/hを生じ
る。線244は△m=−1に対応するエネルギー
準位遷移を示しており、これは分離した分散線2
50に対する中心周波数のような他方の組の放射
周波数、f-=f0+gBH/hを生じる。ここで、g=
ランデのG比、すなわち磁気回転比、B=ボーア
磁子、h=プランクの定数である。四つの循環す
るモードは次のようにネオン原子の磁気量子数m
の変化△mの異なつた値を有している。
The present invention relates to a four-frequency differential type dispersion-equalized ring laser gyroscope device using a non-planar monocycle and a non-depolarizing Faraday bias device. To be effective, laser gyros must overcome lock-in problems that occur at low rotational speeds. Lock-in is caused by the unavoidable scattering of some light from one resonant mode to another due to imperfections in the optical elements that make up the cavity. If the frequencies of these modes are not significantly different, the modes tend to phase lock. In order to put the gyroscope into practical use, this lock-in problem must be overcome. A dual frequency gyro system can avoid lock-in by biasing the gyro so that it operates at a large output frequency relative to zero input rotational speed. To avoid bias accuracy problems, the bias can be oscillated so that bias instability is removed from the output signal by time averaging. However, this concussion method causes lock-in to the gyroscope twice per concussion cycle. This causes the gyroscope to partially lose its phase coherence, thus creating a fractional count error every vibration cycle. This error adds randomly to give a cumulative angular error that increases over time. The four-frequency differential laser gyro device is
By essentially operating two independent gyroscopes in a single stable resonator that share a common optical path but are statically biased in opposite directions by passive biasing elements. This problem has been resolved. In the differential outputs of these two gyros, the biases are canceled and any rotationally generated signals are added, so the sensitivity is twice that of a single dual frequency gyro and problems due to bias drift are avoided. The four different frequencies are typically generated by utilizing two different optical effects. First, a crystal polarization rotator is used to provide direction-dependent polarization, which makes the resonant waves mostly right-handed circularly polarized (RCP) and left-handed circularly polarized (LCP). This polarization rotation occurs because the refractive index of the rotator medium is slightly different for RCP waves and LCP waves. Second, a Faraday rotator is used to provide non-reciprocal polarization rotation by taking advantage of the slightly different index of refraction for waves traveling clockwise than for waves traveling counterclockwise. By this, CW
(Clockwise and CCW (counterclockwise) RCP waves will oscillate at slightly different frequencies, and
CW and CCW LCPs are split similarly, but in opposite directions. This Faraday rotator may be a separate optical element consisting of a piece of optically isotropic material placed in a longitudinal magnetic field, or by applying such a magnetic field to a crystal rotator. It may be possible to realize it. In this way, one laser gyro will operate with right-handed circularly polarized light biased in one direction of rotation, and the other laser gyro will operate with circularly polarized light biased in the opposite direction, with the bias being the difference between the two outputs. is eliminated by subtracting . Basic four-frequency laser gyroscope operation published June 26, 1972 by K. Andringa,
and assigned to the assignee of this application, U.S. Patent No.
Described in No. 3741657. The present invention discloses a laser gyro system that recognizes the problems that limit the stability of current laser gyro systems. Ideally, all four frequencies should be affected equally by external causes such as thermal expansion, so any combined variation in the differential output of a four-frequency gyro should cancel out. . However, in practice, it has been found that the four frequencies are not equally affected by external causes, resulting in different frequency fluctuations. Therefore, although the four-frequency gyro exhibits excellent performance under thermal balance, its practical use is limited by its thermal sensitivity, which is manifested as an unacceptable long-term bias drift. Until now, it has been limited by existence. The present invention discloses a laser gyro system that significantly reduces the sources of drift, thereby reducing the overall gyro output drift by several orders of magnitude compared to other laser gyro systems. One of the major causes of drift is frequency pulling due to the interaction of two resonant modes due to coupling from any scattering sources present, which generally depends on the environment. Another important source of drift is scattering-induced drift due to the relative motion of scattering centers in the cavity. Additionally, there is dispersion-induced drift due to temporal variations in the gain medium;
This causes differential variations in the dispersion, or phase shift, experienced by each resonant frequency. Yet another cause of drift is the Fresnel-Huizeau effect, which is due to the dependence of the refractive index of the gas discharge on the velocity distribution of the gas discharge sampled by the laser mode. The reason is that it can change as the mode moves in response to variations in the ring cavity. These sources of drift are present in all laser gyros and are generally caused by changes in optical path length due to environmentally induced changes in the cavity or optical elements within the cavity. The laser gyroscope of this invention minimizes the physical motion of the cavity using ultra-low thermal expansion materials, thereby reducing the amount of intracavity elements and limiting their form to change the effective optical path length. By minimizing the scattering of all elements, and for purely circularly polarized light, their drift is significantly reduced by using cavity modes. . A non-planar path is used instead of a traditional crystal rotor to provide frequency separation (splitting) between the LCP and RCP waves. A thin Faraday paramagnetic glass slab is used in place of the traditional thick Faraday rotator to provide non-reciprocal separation (split) between the CW and CCW waves. The use of non-planar paths not only eliminates the main source of scattering (crystal rotators) that causes coupling between different waves, but also provides good circular polarization. The use of a glass Faraday rotator avoids elliptical birefringence, thereby maintaining circular polarization. This further eliminates coupling between different waves, since upon reflection a complete LCP wave becomes an RCP wave and therefore no longer couples to the counter-rotating wave. By using the minimum rotor slab thickness that achieves a given amount of rotation, the temperature dependence of any scattering centers introduced by the slab can be minimized. This integrated method for generating and maintaining circularly polarized light eliminates sources of large amounts of drift due to coupling between the various waves, resulting in a more accurate laser gyro. The next performance limit is caused by a small amount of drift due to higher order effects. The apparatus of the present invention can in turn advantageously use Zeeman separation (bifurcation, splitting) of the gas laser mixture to equalize the dispersion experienced by each wave of the oppositely traveling pair. This allows the four frequency waves to undergo small frequency fluctuations and place them in different parts of the non-linear dispersion curve, thereby stabilizing the differential output. The present invention provides a gain medium phase shift compensation device coupled to a reentrant resonant path for compensating an electromagnetic wave for gain medium induced changes in its phase shift; A laser gyro device is disclosed that uses a substantially scattering center-free circular polarizer to generate circularly polarized counter-progressing waves of different frequencies arranged in pairs of polarization directions. More specifically, a circular polarizer is a non-attenuating polarizer for producing a polarization-dependent phase shift in said waves resulting in a frequency separation (splitting) between waves of opposite circular polarization. , and a non-depolarizing device for producing a direction-dependent phase shift for said waves resulting in a frequency separation between the oppositely traveling waves in each of said pairs. A polarization-dependent device can have a non-planar resonator, and a direction-dependent device can have a refractive index in which the direction-dependent component is isotropic. It is desirable for directionally dependent devices to have substantially temperature independent properties over their operating temperature range. In the configuration example taken, the directionally dependent device has a slab of isotropic material capable of generating a directionally dependent rotation of said wave electromagnetic field in the presence of a magnetic field. , this slab has a thickness that results in a variation in thickness that is substantially less than one wavelength of said wave over the operating temperature range. Preferably, said magnetic field for producing directionally dependent rotation is localized to the immediate area of said slab. Furthermore, the device for compensating the gain medium phase shift includes:
providing a magnetic field longitudinal to the axis of said gain medium having a magnitude and polarity such as to provide approximately the same amount of gain medium-induced phase shift for each pair of counterprogressing waves; We have equipment for this purpose. The invention further provides a device for providing a non-planar closed path for the propagation of circularly polarized electromagnetic waves and also for providing frequency separation of waves of opposite polarization directions, a gain medium disposed in said closed path, a non-depolarizing device for imparting a direction-dependent phase shift to said circularly polarized waves resulting in a frequency separation between oppositely traveling said waves of their respective polarization directions; The present invention provides a gyro device having a device for compensating for unequal gain medium dispersion of waves traveling on the gyro. The invention also provides a scattering particle removal device with a buffle in the area of the electrode. Furthermore, the directionally dependent non-depolarizing device has a slab of isotropic material with a non-zero Verdet constant and a device for applying a magnetic field to this slab and also eliminates any reflected waves. It is advisable to use an absorption device to collect. The dispersion compensator is
applying a magnetic field component to said gain medium of sufficient magnitude to produce a frequency separation of gain and dispersion characteristics approximately equal to the frequency separation between said counterprogressing waves due to said directionally dependent non-depolarizing device; A magnetic field application device is provided for applying a magnetic field along its longitudinal axis. The magnetic field components are also polarized so as to impart approximately equal amounts of gain-medium dispersion to the counter-traveling waves. More specifically, said magnetic field imparting device varies the magnetic field as a function of the average amount of frequency separation of counterprogressing waves by said directionally dependent non-depolarizing device. In one adopted configuration, the magnetic field imparting device includes at least one coil around a portion of the gain medium containing path, the magnetic field generated by the directionally dependent non-depolarizing device into counterprogressing waves. A device is provided for measuring the amount of frequency separation and a device for generating a current in the coil that is proportional to the average value of the frequency separation. The present invention further provides a support container, a device for imparting Faraday rotation disposed within the support container, and a device for absorbing electromagnetic waves disposed on at least one side of the Faraday rotation imparting device. an absorption device for allowing a substantial portion of said wave to pass through said rotation imparting device, and said rotation imparting device further absorbs any reflected portion of said wave through said absorption device. This provides a Faraday rotator that is arranged so as to point in the opposite direction. Other objects and advantages of the present invention will become apparent as the following description proceeds, taken in conjunction with the accompanying drawings in which like parts are given like reference numerals. The configuration and operation of the laser gyroscope device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5 at the same time. Gyro block 10
2 is a frame in which this device is configured.
Gyroscope block 102 is preferably constructed of a material with a low coefficient of thermal expansion, such as a glass ceramic material, to minimize the effects of temperature changes on the laser gyroscope device. A suitable commercially available material is sold by the Owens-Illinois Company of the United States under the name "Cer-Vit" material C-101. Also, Schott's "Zerodur" (trade name) can be used. The mechanical block 102 has figures 1 to 4.
There are nine generally planar surfaces as shown in various shapes in the figures. Figures 3 and 4 show the gyro block 102 without other components of the device.
As best shown in the figure, passages 108, 1
10, 112 and 114 are provided. These passages form a non-planar closed propagation path within the laser gyroscope block 102. Mirrors are provided on surfaces 122, 124, 126 and 128 at the intersections of these surfaces and the passages. Substrates 140 and 142 with suitable reflective surfaces constitute mirrors disposed on surfaces 124 and 126, respectively. The mirrored surface also has an optical path length control transducer 16 immediately adjacent surface 128.
It is also provided on the front of the 0. One of these mirrors should be slightly concave so that the beam is stably confined almost to the center of the path. A transparent mirror substrate 138 with a partially transparent free-electric mirror layer 139 is also provided on the surface 122 so that a portion of each beam traveling along a closed path within the gyroscope 102 is transmitted to the output optical system 14.
It is now being combined into 4. Output optical system 1
The structure of 44 was created by I. Smith on February 27, 1979.
US Pat. No. 4,141,651 issued to John Smith, Inc. and assigned to the assignee of this application. Because passageways 108, 110, 112, and 114 form non-planar propagation paths for the various beams within the device, each beam undergoes polarization rotation as it circulates through this closed path. Ideally, only substantially circularly polarized beams are present within the non-planar cavities of the present invention. For circularly polarized beams, drift is minimized due to beam scattering or coupling from one beam to another. This reduction occurs because the scattered light of one circularly polarized state is not of a unique polarization such that it can be combined into and influence other beams. For other forms of polarization, this is not the case since there is always a component of the scattered beam that couples into other beams. In the illustrated configuration, the passages and mirrors are arranged to provide approximately 90 degrees of polarization rotation for the various beams. Since the right and left circularly polarized beams are rotated in opposite directions by this same amount regardless of their direction of propagation, the frequency separation (splitting) between the right and left circularly polarized beams is such that the beams are rotated in opposite directions by this same amount regardless of their direction of propagation. must occur in such a way that it resonates. This is shown in FIG. 8A as the frequency separation between the right and left circularly polarized beams. Although in the example configuration taken a 90 degree rotation corresponding to a 180 degree relative phase shift is employed, other phase shifts may also be used depending on the desired frequency separation. . Polarization plane rotation occurs as long as the closed propagation path is non-planar. The configuration of the propagation path itself determines the amount of rotation. In devices known in the prior art, such as that described in the K. Andringer patent mentioned above, the frequency separation between the right and left circularly polarized beams is achieved by propagating a block of solid material of considerable optical thickness. This was achieved by placing the The presence of direct-oscillating solid material in the beam propagation path creates scattering centers that undesirably cause light to be coupled from one beam to another, causing errors in the gyro output. Sometimes. The amount of binding, and therefore the error, is very sensitive to heat. Therefore, the output frequency of such devices is subject to temperature-dependent drifts that cannot be compensated for with a fixed output bias. Furthermore, crystal rotators tend to introduce large amounts of stress birefringence, which reduces the polarization of circularly polarized waves and also contributes to undesired coupling of polarized waves. For this reason, the gyro device has a temporal fluctuation in the output frequency, which is at best several tens of hertz, and in many cases reaches several hundred hertz. In this invention, the solid material traditionally used as a crystal rotor is completely removed from the beam propagation path, thus eliminating the sources of error and drift associated with this material. To help understand how phase shifts occur, it is useful to imagine a linearly polarized beam propagating in an optical path. In this explanation, the 180° phase shift that the electromagnetic wave undergoes upon reflection is ignored. Since we use an even number (4) of such reflections, no errors are introduced. For example, assume that a beam traveling in path 110 between surfaces 122 and 124 is linearly polarized as represented by an upwardly directed electric vector.
When the beam is reflected from the mirror disposed on surface 124, the electric vector is still pointing mostly upwards, but the path 112 is between surface 124 and surface 12.
8, so it is tilted slightly forward. When the beam reflects off the mirror on surface 128, its electric vector is tilted slightly downward and mostly to the left as viewed in FIGS. 3 and 4. beam is surface 126
3 and 4, the electrical vector of the beam in passageway 108 will again be tilted slightly upward and to the left in FIGS. 3 and 4. Surface 122
After reflection from , the electric vector of the beam in passage 110 is still directed to the left, into the plane of the drawing.
It will thus be seen that the beam has undergone a polarization rotation of approximately 90 degrees upon its return to passageway 110. Of course, such a rotated linearly polarized beam cannot self-reinforce and resonate along a closed path. A circularly polarized beam will only resonate if it has a frequency that deviates from the frequency at which it resonates for a planar closed path of the same length. A dual frequency laser gyroscope can be constructed by using a non-planar propagation path to provide a single frequency separation. In such a configuration, Faraday rotators or other such elements are not required. To detect the rotational speed, an output signal is generated by causing the extracted portions of the two beams to beat to form an output signal with a frequency equal to the difference in frequency between the two beams. Occur. At rest, this output signal remains at a certain value f 0 .
For rotation in one direction, the output signal is f 0 +△
increases with the value of f (where △f is proportional to the rotational speed), but for rotation in the other direction f 0 −△
decrease to the value of f. This invention significantly reduces cross-coupling due to backscatter and reduces lock-in range, allowing such laser gyroscopes to be used in many applications without complete elimination of lock-in. . Faraday rotator 156 is located within large diameter portion 113 of passage 112 adjacent surface 124 as seen in FIGS. 2, 4, and 6A. Details of the Faraday rotator 156 are shown in FIGS. 6 and 6A. Faraday rotor fixture 154 is preferably made of the same material as laser radio block 102 and forms the base from which the structure is constructed. Rotor mounting fixture 154
is cylindrical in shape and provided with several cylindrical holes of various diameters at angles to its longitudinal axis to keep all elements of the Faraday rotation 156 in place. Supporting and mounting fixture 15
4 provides an unobstructed path along the central longitudinal axis of the 4. The Faraday rotor slab 165 is connected to the shelf 16 formed by the central portion of the fixture 154.
It is located on 6. Ring 169 is slab 1
Prevents lateral movement of 65. Faraday rotator slab 165 may be desirably formed of rare earth doped glass or a similarly high Verdet constant material. A Verdet constant greater than 0.25 min/cm/Oe is adopted to reduce the slab thickness required to produce the desired amount of frequency separation. Traditional Faraday rotators have often used thick slabs of fused silica. Any material in the optical path of the counter-rotating beam introduces scattering points that are sensitive to the thermal flux. This sensitivity may be due to thermal expansion of the material or to changes in optical path length due to the temperature dependence of the material's refractive index. It has been found that the effective temperature dependence of the optical path length, and thus the thermally induced drift, is a very clear function of the thickness of the solid material in the optical path of the beam. It is therefore desirable to use slabs that are as thin as possible, with thicknesses of 0.5 mm or less being taken to reduce drift to acceptable levels, so that over the operating range the temperature is mostly less than one wavelength of the laser wave. Otherwise, variations in thickness may occur due to other causes. Commercially available substances are Hoya Optics, Inc. substance number FR−.
5, which is a glass doped with a paramagnetic material to provide Faraday rotation, resulting in a rotor with an isotropic index of refraction. This turned out to be important because the problem with traditional Faraday rotators is that crystalline materials like quartz are anisotropic, resulting in elliptic birefringence. Because there is. This will depolarize the nominally circularly polarized waves and increase coupling between counter-rotating waves. Therefore, it is important to use an isotropic material as a Faraday rotator to eliminate the depolarization of the resonant mode. Operating as close to circularly polarized light as possible reduces mutual coupling and therefore thermally induced drift due to remaining scattering centers. This allows the gyro device to achieve a stability level that accommodates temporal variations in the output frequency of less than a few hertz. Faraday rotor slab 165 is magnet assembly 1
88 against the shelf 166.
Two hollow cylindrical permanent magnets 186 and 187 are arranged end-to-end so that the same magnetic poles are adjacent to each other at the junction between them. The two magnets can be fixed to each other by any known method, such as soldering or welding. The Faraday rotor slab 165 is therefore adjacent one end of the two magnet pairs. A longitudinal magnetic field is generated in the slab, which decays rapidly after a short distance from the slab or magnet. This arrangement has the advantage that there are virtually no stray magnetic fields that can reach the gas discharge region and cause unwanted mode or frequency offsets due to the Zeeman effect. Also, a single magnet can be used to provide the required magnetic field to the slab. The permanent magnet structure could be replaced with several turns of electrical wire, which is energized to establish a magnetic field in the Faraday rotor slab 165. It is the spring 175 that pushes against the magnet structure 188. The other side of spring 175 rests along the periphery of hollow cylindrical spacer 197;
Further, the spacer 197 partially rests on one side of the hollow cylindrical absorbent body 191. The absorber 191 is made of a material such as black glass and has an anti-reflection coating that absorbs all electromagnetic waves incident on its surface, such as specular reflections from the Faraday rotator slab. used for. The absorbent body 191 is held in position by a circular clip 193 that is frictionally stationary along the periphery of the hole 181. Thus, as can be seen, the elements just described form an assembly placed against the right side of the shelf 166 by the circular clip 193, and the spring 175 keeps all the elements in the correct position. It provides enough vertical force to hold it firmly. On the opposite side of shelf 166 is a similar arrangement of elements except for Faraday rotor slab 165 and magnet assembly 188.
A circular clip 192 forms a stationary base;
The second absorbent body 190 comes into contact with this and remains stationary. A spring 174 rests at one end on the left side of the shelf 166 and presses the spacer 196 against the absorber 190, thereby holding all elements in their position on the left side of the shelf 166. The rotor mount 154 is held in place by a helical spring 199 against a shelf formed by the change in diameter of passages 112 and 113. The first smaller diameter turn of spring 199 rests on the body of rotor mount 154, and the other larger diameter end extends around and is in frictional engagement with the wall of bore 113. It matches. Rotor 1
This configuration of elements at 56 is thermally stable because the optical elements are held resiliently against the stable material used in the gyroscope. As previously discussed, the axis of the hole in rotor fixture 154 is at an angle to the longitudinal axis of fixture 154 so that the plane of Faraday rotor slab 165 is also aligned with the longitudinal axis of fixture 154. It forms an angle. This is Faraday rotor slab 165
Since all reflections from the two surfaces of are now blocked and absorbed by the two black glass absorbers,
Helps eliminate coupling between counter-traveling waves. In the rotor of FIG. 6, waves circulating from left to right are reflected from slab 165 and absorbed by the lower portion of absorber 190, and waves circulating in the opposite direction are reflected from slab 165. It is absorbed by the upper part of the absorbent body 191. The two absorbers 190 and 191 and the rotor slab 165 are also anti-reflective coated to further reduce the amount of reflection. In addition to providing frequency separation (splitting) between clockwise and counterclockwise circulating beams,
Faraday rotator 156 performs a second function. Due to the close contact in the area of shelf 166, Faraday rotator 156 prevents the longitudinal flow of gas through passageway 112. Since there can be no net circulation of gas through a closed path, the possibility of circulation of scattering particles carried by the gas is considerably reduced, as is drift due to the Fresnel-Fuizeau effect. Referring again to Figures 1, 3 and 4,
It will be seen that the beam impinging on the partially transparent mirror located on surface 122 is given a low angle of incidence. Each passage 108, 110, 11
The beams traveling in 2 and 114 are circularly polarized beams. The closer the direction in which one of these beams is incident on a reflecting mirror or surface is to the normal, the closer the polarization of the beam transmitted through the mirror surface becomes circular. As the angle of incidence moves away from the normal, the partially transmitted beam begins to take on an elliptical polarization. If the beam in the output optics/detector structure is perfectly circularly polarized, as explained in the aforementioned U.S. Pat. There is virtually no unwanted mutual coupling and interference between the two lower frequency beams. As the ellipticity increases,
Mutual coupling begins to become evident and detector diode 1
It appears as an amplitude modulation in the output signals from 45 and 146. As mentioned above, it has been discovered that the amount of undesired mutual coupling is a nonlinear monotonically increasing function of ellipticity. Mutual coupling has been found to be relatively low for angles of incidence below about 15 degrees. However, the amount of mutual coupling increases very rapidly above this angle of incidence. Mutual coupling within the output optical structure can be removed by suitable polarizing filters, but the available filtered power decreases as the unfiltered mutual coupling increases. As the angle of incidence of each beam at the output mirror increases, the power available at the detector diode for each beam decreases. The power reduction rate, i.e. the ratio of the power available at the detector for a beam at a given angle of incidence to the power available for a beam normal to the specular surface, is determined by the power structure described in the aforementioned U.S. Pat. No. 4,141,651. This is shown in FIG. As can be easily seen, the power reduction rate drops rapidly for angles of incidence greater than about 15 degrees. Therefore, in accordance with one aspect of the invention, the angle of incidence of the beam in passages 108 and 110 with respect to a partially transmissive mirror disposed on surface 122 is less than or equal to 15 degrees. Stated differently, the angle between passages 108 and 110 is 30
degree or less. During operation of the device, the four frequency waves are preferably centered symmetrically about the peak of the gain curve. To this end, a piezoelectric transducer 160 is provided to mechanically position the mirror on surface 128 and adjust the total optical path length within laser gyroscope cavity 102 to properly center the four frequency waves. Optical path length controller 320 extracts signals for operating piezoelectric transducer 160 from detection diodes 145 and 146. These signals have amplitudes that are proportional to the total amplitude of the corresponding Δf 1 and Δf 2 signals. Controller 320 generates a difference between these two amplitude related signals. This output difference signal will of course have zero amplitude when the four frequency waves are properly centered on the gain curve. The output difference signal is of one polarity when the four waves are off-center in one direction and of the other polarity when the four waves are off-center in the other direction. The average amplitude signal can be formed by known circuitry, the output of which is coupled to the input lead of piezoelectric transducer 160. Referring still to FIGS. 1, 3, and 4, an electrode for exciting a gaseous gain medium is located within the passageway 108. The center cathode electrode 22 is connected to the negative terminal of an external regulated power source 310 and is also connected to the anode electrodes 32 and 42.
is preferably connected to its positive terminal. The cathode electrode is in the form of a short hollow cylinder with a hollow metal hemisphere attached to the end farthest from the laser gyroscope 102. The cathode electrode is attached to the surface of the gyroscope 102 adjacent the hole 20 in a conventional manner. The anode electrodes 32 and 42 are in the form of metal rods extending into the electrode holes 30 and 40. In this way, the beam passing through the path in which the electrodes are arranged passes through current paths of equal length in opposite directions, thereby avoiding the effects of drag on the beam caused by unequal currents through the gaseous gain medium. is virtually eliminated. However, due to manufacturing tolerances in the positions of the various electrodes, the distances between the negative electrode and the two positive electrodes in the two passages may not be exactly equal. To compensate for this inequality, electrodes 32 and 4
2 to two independent positive terminals of power supply 310 to make the currents unequal between the two positive electrodes and the adjacent negative electrode, thereby compensating for the effects of different drag forces. It is set as. The gaseous gain medium filling passageways 108, 110, 112, and 114 is supplied through gas fill hole 106 from an external gas source. A mixture of 3 He, 20 Ne and 22 Ne in a ratio of 8:0.53:0.47 is collected. Once all the passageways are filled, a seal 107 is applied to the hole 106 to sealingly contain the gas. The details of the structure of the laser gyroscope device in the area of one of the positive electrodes are shown in detail in the cross-sectional view of FIG. The metal electrode 32 is placed within the electrode hole 30, held in place by an electrode seal 33. Electrode 32 extends somewhat more than half way from the surface of gyroscope 102 to passageway 108. Electrode aperture 30 intersects passageway 108, preferably at a right angle. Terminal room 118
is formed inside the surface of the gyro block 102 on which the output optical system structure 144 is placed. Terminal chamber 118 and passageway 108 are coaxial with each other. Since the passage 108 crosses the terminal chamber 118 after slightly exceeding the electrode hole 30, there is a gap 130 between the power exchange passage 30 and the terminal chamber 118.
is formed. A similar configuration is provided for electrode 42 by hole 40, seal 43 and terminal chamber 119. Conventional devices were not provided with a buffer. The terminal chamber extended directly outward from the electrode hole to the surface of the laser radio block. When the electrodes are energized, dust or other unwanted particles, such as those generated by the ion bombardment and spatter of the laser gyroscope, will accumulate around the intersection of the electrodes and the beam path. The suspended particles acted as scattering centers and increased the optical loss of the structure. In contrast, with the present invention, it has been found that dust or other unwanted particles are not suspended in the area of the intersection of electrode holes such as 30 and passageways 108. therefore,
Potential sources of drift are eliminated. As mentioned above, by maintaining good circular polarization, the gyro eliminates all known sources of large amounts of drift. However, there are additional sources that provide a small amount of drift that must be compensated for if the laser gyro is to be used in high performance equipment. This residual drift is a dispersion, a frequency-dependent index of refraction that is related to the gain of the medium used. For He--He gain media, the gain curve has an approximately normal curve shape due to Doppler broadening, and the dispersion curve can be depicted as S-shaped. A dispersion curve represents the amount of optical phase shift that a wave of a particular frequency undergoes due to the presence of a gain medium. As seen in Figure 8B, frequencies below the center frequency fc undergo an opposite phase shift from frequencies above the center frequency fc, and all modes are shifted toward the centerline. I will be moving it. Since the dispersion curve is non-linear, the four modes of the differential gyro are operating in such a way that they have different amounts of dispersion and therefore, with respect to FIG. 8B, different amounts of phase shift.
φ 1 is the phase shift corresponding to f 1 , φ 2 corresponds to f 2 , φ 3 corresponds to f 3 , and φ 4 corresponds to f 4 . If the difference (φ 2 −φ 1 ) is quantitatively different from the difference (φ 4 −φ 3 ), it will depend on the shape of the dispersion curve, which is itself a function of many factors such as temperature, gain, and pressure. A dependent non-zero differential output will be present at rest. If any one of these factors changes, this change will be reflected as a shift of the four modes across the dispersion curve, and this shift will result in a varying differential output due to the nonlinearity of the dispersion curve. become. Therefore, the gyro will have a drift in its output frequency that varies according to various factors. The gyro device of this invention utilizes the Zeeman effect to eliminate drift due to gain medium dispersion. The Zeeman effect involves the separation (splitting) of the spectral lines of the laser gas into two or more components. This frequency separation will result in a separation of the gain curve and the corresponding dispersion curve. This physical mechanism is a quantum mechanical phenomenon in which a magnetic field separates atomic energy levels into several states that have different energies and interact with waves of a given circularly polarized state. This is illustrated in Figure 9, where the left side of the energy diagram shows typical energy levels in the absence of a magnetic field. In this case, the radiation frequency is f 0 = (E 2 −
E 2 )/h. The right side of this diagram shows how the energy levels separate in the presence of a magnetic field. Line 242 shows the energy level transition corresponding to Δm=+1, which is one set of radiation frequencies such as the center frequency for separate dispersion lines 260, f + =f 0 −g BH /h occurs. Line 244 shows the energy level transition corresponding to △m=-1, which is similar to the separated dispersion line 2
yielding the other set of radiation frequencies, such as the center frequency for 50, f - = f 0 +g BH /h. Here, g=
Lande's G ratio, that is, the gyromagnetic ratio, B = Bohr magneton, and h = Planck's constant. The four circulating modes are determined by the magnetic quantum number m of the neon atom as follows:
The change in Δm has different values.
【表】
ゼーマン効果は偏光と方向の両方に依存する。
その理由は、磁界について測定したときの光波の
電界ベクトルの回転方向が、磁界によつてエネル
ギー準位の分離(分岐)されている電子のスピン
と相互作用するからである。従つて、結果として
生じる分散線の一方は磁界の方向に平行な方向に
進行するRCP波及び磁界の方向に逆平行な、す
なわちこれとは反対の方向に進行するLCP波と
相互作用するが、他方の分散線は磁界ベクトルに
逆平行な向きに進行するRCP波及び磁界と同じ
方向に進行するLCP波と相互作用する。
△mの値は異なつた原子遷移に対応しているの
で、この遷移はゼーマン効果によつて2gBH/hに
等しい量だけ分離される。第8図cを見ると、分
離した分散曲線及びジヤイロの四つのモードの対
応する位相偏移の線図が示されている。△m=+
1線が周波数において△m=−1線よりも(f2−
f1)に等しい量280だけ低くなるような磁界が存
在する場合には、線270及び線272の高さは
等しくなる、すなわちf1及びf2に与えられる位相
偏移の量は等しくなる。同様に、線274及び線
276は同じ高さになつて、その結果周波数f3及
びf4は同様の量の位相偏移を有するようになる。
そこで理解できるであろうが、四つの周波数が分
散曲線を横切つてドリフトするか又は分散曲線が
例えば温度のために変化するとき、モード1の分
散は常にモード2の分散に等しくなり、又モード
3の分散は同様にモード4の分散に等しくなる。
従つて、外部条件のために動作周波数に小さい変
化が生じているとき、差動出力における正味の差
は同じのままである。分散ドリフトを除去するた
めには、ゼーマン効果のための磁界は、フアラデ
ーバイアス=2gBH/h=(3.64MHz/ガウス)H
の式を満足しなければならない。これによつて、
ジヤイロ装置は1Hzよりはるかに小さい程度の出
力周波数の安定度を達成できることになる。
次に第1図ないし第4図を見ると、採釈した構
成例においては分散曲線のゼーマン分離(分岐)
に必要な磁界はレーザ媒質を運ぶ通路のまわりに
配置されたコイルの使用によつて得られることが
わかるであろう。ジヤイロブロツク102に穴を
あけてコイルのための通路200,210,22
0及び230を設けてある。ジヤイロ路のレーザ
部分の全体にわたつてゼーマン分離を与えるため
にカソード22の一方側にはコイル202及び2
12が設けられかつ又カソード22の他方側には
コイル222及び232が設けられている。4組
のコイルはレーザ気体に一層一様な磁界を与える
ために使用されたものであるが、しかし、レーザ
気体に磁界の成分を与えるその他の任意の構成を
使用することができる。コイル202,212,
222及び232は通路108のまわりに配置さ
れている。なるべくなら、四つすべてのコイルを
単一の源によつて制御して、フアラデー回転子1
56により与えられたフアラデーバイアスの周波
数における分離に等しい大きさにおいてかつ又利
得媒質に対する波の感応性を除去する方向におい
て分散曲線の分離を引き起こすための磁界を発生
させるような大きさ及び極性の電流を供給するよ
うにするのがよい。
ゼーマン分離のために発生される磁界の量をフ
アラデー回転子によつて与えられたフアラデーバ
イアスの量に関連して制御することが望ましい。
次に第1図を見ると、ダイオード145及び1
46を支持した出力光学系構造物144が示され
ている。出力光学系構造物144は、LCP逆回
転周波数対とRCP逆回転周波数対とをそれぞれ
別のダイオードで検出することによつて分離す
る。例えば、ダイオード145は第1周波数対の
周波数差(f2−f1)であるfaに対応する信号を与
えるために使用され、又ダイオード146は第2
周波数対の周波数差(f4−f3)であるfbに対応す
る信号を与えるために使用される。ダイオード1
45及び146の出力は分散制御器300に接続
されている。静止時には、fa=fbであつてそれぞ
れの差はフアラデーバイアスに対応する。回転の
ある場合には、二つの差周波数の一方が増大しか
つ他方が減小するが、その変化の量及び向きは回
転の方向及び速度によつて決まる。分散制御器3
00には二つの周波数差の平均を表す信号を形成
することのできる通常の電子回路があつて、これ
が回転下においてさえもフアラデーバイアスを測
定する。分散制御器300における別の回路はこ
のフアラデーバイアス信号の関数としての電流を
コイル202,212,222及び232に供給
して、フアラデーバイアスによつて得られる周波
数分離(スプリツト)に等しい量だけ分散曲線を
分離させるための磁界を通路108において発生
する。分散等化に必要とされる磁界はH=フアラ
デーバイアス/2gBh=(フアラデーバイアス〔ヘ
ルツ〕)/(3.64×106)Oeによつて与えられ、又
それを発生するのに使用される電流は技術上周知
のようにコイルの巻数に比例して決まる。
この構成のフアラデー回転子は温度に反比例す
る特性を有するフアラデーバイアスを発生するこ
とがわかつている。制御器300によつて、ゼー
マン分離のための磁界は測定されたフアラデーバ
イアスの関数として発生されるので、分散等化は
フアラデーバイアスの温度依存性に無関係に行わ
れる。制御器300は、コイル巻線の向きによつ
て極性の決まる、フアラデーバイアスに対する磁
界と、コイル巻線の巻数とに関係するある種の比
例定数を介して、測定されたフアラデーバイアス
に対応する信号の関数として振幅が制御される電
流を発生する。バイアス制御電子回路300の更
に詳細な説明は、この種の制御回路の設計が技術
上周知であるので、必要でない。
説明した構成例に対するその他の諸変更はこの
発明の精神及び範囲から外れることなく技術に通
じた者によつて容易に行われるのであろう。
以下にこの発明を具体化する態様のいくつかを
あげる。
(1) 円偏光した電磁波の伝搬のための非平面状閉
路を与え、かつ又反対の偏光方向の波に周波数
の分離を与えるための装置、
前記の閉路に配置されておりかつ周波数の関
数として非直線的に変化する利得及び分散特性
を有している利得媒質、
それぞれの偏光方向の前記の波の逆に進行す
るものの間における周波数分離を生じることに
なる前記の円偏光した波に対する方向依存性の
位相偏移を与えるための非減偏光装置、及び
前記の逆に進行する波の等しくない利得媒質
分散を補償するための分散補償用装置
を有するリングレーザジヤイロスコープ装置。
(2) 前記の非平面状閉路が更に隣接した経路部分
間の入射角を制限するようになつている
態様(1)に記載の装置。
(3) 前記の非平面状閉路から散乱粒子を除去する
ための装置が設けられている
態様(2)に記載の装置。
(4) 前記の散乱粒子除去装置が、前記の電磁波を
発生するために前記の利得媒質を電気的に励起
するのに使用される電極の領域におけるバツフ
ルを備えている
態様(3)に記載の装置。
(5) 前記の方向依存性の非減偏光装置が、ゼロで
ないベルデ定数を有する等方性物質のスラブ、
及びこのスラブに磁界を与えるための装置を有
している
態様(1)に記載の装置。
(6) 前記の方向依存性の非減偏光装置が更に、前
記のスラブのどちらの側にも配置された電磁波
を吸収するための装置を備えていて、前記のス
ラブが任意の反射波を前記の吸収装置に導くよ
うに配置されている
態様(5)に記載の装置。
(7) 前記のスラブ及び前記の吸収装置が弾性装置
によつて低熱膨張フレームに押し当てられて正
しい位置に保持されている
態様(6)に記載の装置。
(8) 前記のスラブに磁界を発生するための前記の
装置が、前記の等方性スラブに隣接して配置さ
れかつ同種の磁極を相互に接続された二つの磁
石からなつている
態様(5)に記載の装置。
(9) 前記の分散補償用装置が、
前記の利得媒質にその縦軸に沿つて磁界成分
を与えるための磁界付与装置を備え、
前記の磁界成分が、前記の方向依存性の非減
偏光装置による前記の逆に進行さる波の間の周
波数分離にほぼ等しい前記の利得及び分散特性
の周波数分離を発生するための大きさを有して
おり、かつ
前記の磁界成分が、ほぼ等しい量の利得−媒
質分散を前記の逆に進行する波に与えるための
極性を有している
態様(1)に記載の装置。
(10) 前記の磁界付与装置が、前記の方向依存性の
非減偏光装置による逆に進行する波の周波数分
離の平均量の関数として磁界を変化させる
態様(8)に記載の装置。
(11) 前記の磁界付与装置が、利得媒質収容路の一
部分のまわりにおける少なくとも一つのコイ
ル、前記の方向依存性の非減偏光装置によつて
逆に進行する波に発生された周波数分離の量を
測定するための装置、及び前記の周波数分離の
平均値に比例した電流を前記のコイルに発生す
るための装置を備えている
態様(10)に記載の装置。
(12) 前記の磁界付与装置が、前記の利得媒質の活
性部分を収容する前記の収容路の部分の全体に
わたつて配置された複数個のコイルを有してい
る
態様(11)に記載の装置。
(13) 支持容器、
前記の支持容器内に配置されたフアラデー回
転を与えるための回転付与装置、及び
前記フアラデー回転付与装置の少なくとも一
方側に配置された電磁波を吸収するための装置
であつて、前記の波の実質的部分が前記の回転
付与装置を通過することができるようにしてあ
る吸収装置を備え、かつ
前記の回転付与装置が更に前記の波の任意の
反射部分を前記の吸収装置の方へ向けるように
配置されている
フアラデー回転子装置。
(14) 前記の支持容器が複数個の停止具を備えた
低熱膨張材料製のものであり、かつ
前記の回転付与装置及び前記の吸収装置が弾
性装置によつて前記の停止具に押し当てられて
正しい位置に保持されている
態様(13)に記載の装置。[Table] The Zeeman effect depends on both polarization and direction.
The reason for this is that the rotation direction of the electric field vector of the light wave when measured with respect to the magnetic field interacts with the spin of the electron whose energy levels are separated (branched) by the magnetic field. Therefore, one of the resulting dispersion lines interacts with an RCP wave traveling in a direction parallel to the direction of the magnetic field and an LCP wave traveling antiparallel to, or opposite to, the direction of the magnetic field; The other dispersion line interacts with the RCP wave traveling in a direction antiparallel to the magnetic field vector and the LCP wave traveling in the same direction as the magnetic field. Since the values of Δm correspond to different atomic transitions, the transitions are separated by an amount equal to 2g BH /h by the Zeeman effect. Turning to FIG. 8c, there is shown a diagram of the separate dispersion curves and the corresponding phase shifts of the four modes of the gyro. △m=+
1 line is (f 2 −
If there is a magnetic field that is lowered by an amount 280 equal to f 1 ), then the heights of lines 270 and 272 will be equal, ie, the amount of phase shift imparted to f 1 and f 2 will be equal. Similarly, lines 274 and 276 are at the same height so that frequencies f 3 and f 4 have similar amounts of phase shift.
As can be seen, when the four frequencies drift across the dispersion curve, or when the dispersion curve changes due to temperature, for example, the dispersion of mode 1 will always be equal to the dispersion of mode 2; The dispersion of mode 3 is likewise equal to the dispersion of mode 4.
Therefore, when there are small changes in operating frequency due to external conditions, the net difference in differential output remains the same. To remove the dispersion drift, the magnetic field for the Zeeman effect should be
The formula must be satisfied. By this,
The gyro device will be able to achieve output frequency stability on the order of much less than 1 Hz. Next, looking at Figures 1 to 4, we see that in the interpreted configuration example, the Zeeman separation (bifurcation) of the dispersion curve
It will be appreciated that the magnetic field required for is obtained through the use of coils placed around the path carrying the laser medium. Holes are drilled in the gyroscope block 102 to provide passages 200, 210, 22 for the coils.
0 and 230 are provided. On one side of the cathode 22 are coils 202 and 2 to provide Zeeman separation throughout the laser section of the gyroscope path.
12 is provided, and coils 222 and 232 are provided on the other side of cathode 22. Although the four sets of coils were used to provide a more uniform magnetic field to the laser gas, any other configuration that provides a component of the magnetic field to the laser gas may be used. Coils 202, 212,
222 and 232 are arranged around passageway 108. Preferably, all four coils are controlled by a single source so that the Faraday rotator 1
of magnitude and polarity to produce a magnetic field to cause a separation of the dispersion curves in a magnitude equal to the separation at the frequency of the Faraday bias given by 56 and also in a direction that eliminates the sensitivity of the wave to the gain medium. It is better to supply a current of It is desirable to control the amount of magnetic field generated for Zeeman separation in relation to the amount of Faraday bias provided by the Faraday rotator. Next, looking at FIG. 1, we see that diodes 145 and 1
Output optical structure 144 is shown supporting 46 . The output optical system structure 144 separates the LCP counter-rotating frequency pair and the RCP counter-rotating frequency pair by detecting them with separate diodes. For example, diode 145 is used to provide a signal corresponding to fa, which is the frequency difference (f 2 −f 1 ) between the first pair of frequencies, and diode 146 is used to provide a signal corresponding to fa, which is the frequency difference (f 2 −f 1 ) between the first pair of frequencies.
It is used to provide a signal corresponding to fb, which is the frequency difference (f 4 −f 3 ) of the frequency pair. diode 1
The outputs of 45 and 146 are connected to a distributed controller 300. At rest, fa=fb, and each difference corresponds to Faraday bias. In the case of rotation, one of the two difference frequencies increases and the other decreases, the amount and direction of the change depending on the direction and speed of rotation. Distributed controller 3
00 has a conventional electronic circuit capable of forming a signal representing the average of the two frequency differences, which measures the Faraday bias even under rotation. Another circuit in distributed controller 300 supplies current to coils 202, 212, 222, and 232 as a function of this Faraday bias signal to equal the frequency separation (split) provided by the Faraday bias. A magnetic field is generated in passage 108 to separate the dispersion curves by an amount. The magnetic field required for dispersion equalization is given by H = Faraday bias / 2g Bh = (Faraday bias [Hertz]) / (3.64 × 10 6 ) Oe, and to generate it The current used is proportional to the number of turns in the coil, as is well known in the art. It has been found that a Faraday rotator with this configuration generates a Faraday bias that is inversely proportional to temperature. Because the magnetic field for Zeeman separation is generated by the controller 300 as a function of the measured Faraday bias, dispersion equalization is performed independently of the temperature dependence of the Faraday bias. The controller 300 adjusts the measured Faraday bias via a magnetic field for the Faraday bias, whose polarity is determined by the orientation of the coil winding, and some proportionality constant related to the number of turns of the coil winding. generates a current whose amplitude is controlled as a function of a signal corresponding to the current. Further detailed description of bias control electronics 300 is not necessary as the design of this type of control circuit is well known in the art. Other modifications to the illustrated configuration may be readily made by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the invention. Some embodiments of this invention are listed below. (1) A device for providing a non-planar circuit for the propagation of circularly polarized electromagnetic waves and also for providing frequency separation for waves of opposite polarization direction, arranged in said circuit and as a function of frequency. a gain medium having non-linearly varying gain and dispersion properties; directional dependence on said circularly polarized waves resulting in frequency separation between oppositely traveling said waves of their respective polarization directions; a ring laser gyroscope apparatus comprising: a non-depolarizing device for imparting a symmetrical phase shift; and a dispersion compensating device for compensating for the unequal gain medium dispersion of said oppositely traveling waves. (2) The device according to aspect (1), wherein the non-planar closed path further limits the angle of incidence between adjacent path portions. (3) The device according to aspect (2), further comprising a device for removing scattered particles from the non-planar closed circuit. (4) According to aspect (3), the scattering particle removal device comprises a buffle in the region of the electrode used to electrically excite the gain medium to generate the electromagnetic wave. Device. (5) the directionally dependent non-depolarizer is a slab of isotropic material having a non-zero Verdet constant;
The device according to aspect (1), further comprising a device for applying a magnetic field to the slab. (6) said directionally dependent non-depolarizing device further comprising devices for absorbing electromagnetic waves disposed on either side of said slab, said slab absorbing any reflected waves from said slab; The device according to aspect (5), wherein the device is arranged so as to lead to the absorption device. (7) The device according to aspect (6), wherein the slab and the absorption device are pressed against a low thermal expansion frame and held in the correct position by an elastic device. (8) Embodiment (5) wherein said device for generating a magnetic field in said slab consists of two magnets arranged adjacent to said isotropic slab and having like magnetic poles connected to each other. ). (9) The dispersion compensation device includes a magnetic field applying device for applying a magnetic field component to the gain medium along its longitudinal axis, and the magnetic field component is applied to the directionally dependent non-depolarizing device. said magnetic field components have a magnitude for producing a frequency separation of said gain and dispersion characteristics approximately equal to the frequency separation between said counter-progressing waves due to said magnetic field components having approximately an equal amount of gain. - The device according to aspect (1), wherein the device has polarity for imparting medium dispersion to the wave traveling in the opposite direction. (10) The device according to aspect (8), wherein the magnetic field application device varies the magnetic field as a function of the average amount of frequency separation of counterprogressing waves by the directionally dependent non-depolarizing device. (11) said magnetic field imparting device comprises at least one coil around a portion of a gain medium receiving path, the amount of frequency separation produced in counterprogressing waves by said directionally dependent non-depolarizing device; The device according to aspect (10), comprising a device for measuring the average value of the frequency separation, and a device for generating in the coil a current proportional to the average value of the frequency separation. (12) According to aspect (11), the magnetic field applying device includes a plurality of coils arranged throughout a portion of the accommodation path that accommodates the active portion of the gain medium. Device. (13) a support container; a rotation imparting device for imparting Faraday rotation disposed within the support container; and a device for absorbing electromagnetic waves disposed on at least one side of the Faraday rotation imparting device, an absorption device for allowing a substantial portion of said wave to pass through said rotation imparting device, and said rotation imparting device further absorbs any reflected portion of said wave into said rotation imparting device; The Faraday rotator device is placed so that it points toward the (14) The support container is made of a low thermal expansion material and is provided with a plurality of stoppers, and the rotation imparting device and the absorption device are pressed against the stoppers by an elastic device. The device according to aspect (13), wherein the device is held in the correct position by
第1図はこの発明のレーザジヤイロスコープ装
置の第1の角から見た上面等角投影図である。第
2図は第1図に示した装置の第2の角から見た下
面等角投影図である。第3図及び第4図は第1図
に示した装置の第3の角から見たジヤイロブロツ
クの等角投影図であつて、装置の内部構造及び通
路を示すものである。第5図は第1図に示した装
置の、一つの端末室及びミラー基板の領域におけ
る内部構造を示す断面図である。第6図は第1図
に示したレーザジヤイロ装置のフアラデー回転子
装置の構造の詳細を示す側部断面図である。第6
図Aは第6図のフアラデー回転子の領域における
第1図のレーザジヤイロの一部分の上面図であつ
て、フアラデー回転子の上面を示すものである。
第7図は出力ミラー構造物へのビームの入射角の
関数としての出力減小率を示す図である。第8図
Aは第1図のレーザジヤイロ装置に使用された気
体レーザ媒質の周波数対利得を示す図であつて、
装置内の四つのビームの周波数の相対的位置を示
すものである。第8図Bは第8図Aの利得媒質に
対応する周波数の関数としての位相偏移(分散)
を示す図である。第8図Cは磁界の存在する場合
におけるレーザ媒質の周波数対位相偏移(分散)
を示す図である。第9図は磁界の存在する場合に
おけるエネルギー準位の分離を示すエネルギー準
位図である。
これらの図面において、102はジヤイロブロ
ツク、108,110,112,114は通路
(非平面状閉路を形成)、144は出力光学系、1
56はフアラデー回転子、154はこれの取付具
(支持容器)、165はフアラデー回転子スラブ、
188は磁石組立体、186,187は永久磁
石、174,175はばね、190,191は吸
収体、192,193は円形クリツプ、181は
孔部、22は中心カソード電極、32,42はア
ノード電極、30は電極孔部、118は端末室、
130はバツフル、202,212,222,2
32はコイルを示す。
FIG. 1 is a top isometric view from a first corner of the laser gyroscope device of the present invention. 2 is a bottom isometric view from a second corner of the apparatus shown in FIG. 1; FIG. 3 and 4 are isometric views of the gyroscope from a third corner of the apparatus shown in FIG. 1, showing the internal structure and passageways of the apparatus. FIG. 5 is a sectional view showing the internal structure of the device shown in FIG. 1 in the region of one terminal chamber and mirror substrate. 6 is a side sectional view showing details of the structure of the Faraday rotator device of the laser gyro device shown in FIG. 1. FIG. 6th
Figure A is a top view of a portion of the laser gyroscope of Figure 1 in the area of the Faraday rotator of Figure 6, showing the top surface of the Faraday rotator.
FIG. 7 shows the power reduction rate as a function of the angle of incidence of the beam on the output mirror structure. FIG. 8A is a diagram showing the frequency versus gain of the gas laser medium used in the laser gyro device of FIG.
It shows the relative position of the frequencies of the four beams within the device. Figure 8B shows the phase shift (dispersion) as a function of frequency for the gain medium of Figure 8A.
FIG. Figure 8C shows the frequency versus phase shift (dispersion) of the laser medium in the presence of a magnetic field.
FIG. FIG. 9 is an energy level diagram showing separation of energy levels in the presence of a magnetic field. In these drawings, 102 is a gyroscope block, 108, 110, 112, 114 are passages (forming a non-planar closed path), 144 is an output optical system, and 1
56 is a Faraday rotor, 154 is a fixture for this (support container), 165 is a Faraday rotor slab,
188 is a magnet assembly, 186, 187 are permanent magnets, 174, 175 are springs, 190, 191 are absorbers, 192, 193 are circular clips, 181 is a hole, 22 is a center cathode electrode, 32, 42 are anode electrodes , 30 is an electrode hole, 118 is a terminal chamber,
130 is Batsuful, 202, 212, 222, 2
32 indicates a coil.
Claims (1)
通路を通る複数の電磁波に対し閉路を供給する手
段と、 前記ハウジング内に設けられ、前記通路の一部
分と位置合わせされた支持体と、 前記支持体に取りつけられそれによつて支持さ
れて前記通路の一部に配置され、電磁波にフアラ
デー回転を与える手段と、 前記支持体に取りつけられそれによつて支持さ
れて電磁波を吸収する手段であつて、前記フアラ
デー回転手段の少なくとも一方側に配置され、電
磁波の殆んどの部分を前記フアラデー回転手段を
通して通過させ得る前記通路内に配置された中央
領域と、前記通路からずれた吸収領域とを有する
吸収手段と、 からなり、前記フアラデー回転手段が該手段によ
つて反射された電磁波を前記吸収手段の吸収領域
の方向に向けるように配置された、リングレーザ
ジヤイロスコープ。 2 前記支持体が複数個の停止具を有する低熱膨
張材料からなり、前記フアラデー回転手段及び前
記吸収手段が弾性手段によつて前記停止具に押し
つけられて保持されている、特許請求の範囲第1
項記載のリングレーザジヤイロスコープ。[Scope of Claims] 1. Means for providing a closed circuit for a plurality of electromagnetic waves passing through the housing, including a housing having a passage therein, and a support provided within the housing and aligned with a portion of the passage. and means attached to and supported by the support and disposed in a portion of the passageway to impart a Faraday rotation to electromagnetic waves; and means attached to and supported by the support to absorb electromagnetic waves. a central region disposed on at least one side of the Faraday rotation means and disposed within the passage through which most of the electromagnetic waves can pass through the Faraday rotation means; and an absorption region offset from the passage. Absorbing means having: a ring laser gyroscope, wherein the Faraday rotation means is arranged to direct electromagnetic waves reflected by the means towards an absorption region of the absorbing means. 2. Claim 1, wherein the support is made of a low thermal expansion material having a plurality of stops, and the Faraday rotation means and the absorption means are held against the stops by elastic means.
Ring laser gyroscope as described in section.
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