Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JPS6138635B2 - - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JPS6138635B2 - - Google Patents

Info

Publication number
JPS6138635B2
JPS6138635B2 JP53001488A JP148878A JPS6138635B2 JP S6138635 B2 JPS6138635 B2 JP S6138635B2 JP 53001488 A JP53001488 A JP 53001488A JP 148878 A JP148878 A JP 148878A JP S6138635 B2 JPS6138635 B2 JP S6138635B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
waves
pair
cavity
polarization
cavity output
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired
Application number
JP53001488A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS5387691A (en
Inventor
Baatorei Mashuuzu Jeemuzu
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Raytheon Co
Original Assignee
Raytheon Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Raytheon Co filed Critical Raytheon Co
Publication of JPS5387691A publication Critical patent/JPS5387691A/en
Publication of JPS6138635B2 publication Critical patent/JPS6138635B2/ja
Granted legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/58Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/64Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
    • G01C19/66Ring laser gyrometers
    • G01C19/667Ring laser gyrometers using a multioscillator ring laser

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明はレーザージヤイロスコープに関し、具
体的には、レーザージヤイヤロスコープ空胴内に
4つの異なる周波数の波を用いるレーザージヤイ
ロスコープに関する。更に具体的には、本発明は
空胴内を循環するビームの一部を抽出してその部
分から空胴内で同じ極性を有するビーム対間の周
波数差を表わす出力信号を発生するのに用いられ
る出力光学構造体に関する。 一般的に、レーザージヤイロスコーブとは、レ
ーザー媒体を通し両方向に循環する2つ以上の波
を用い系の回転が両方向に回転する波に対する所
要旋回時間を回転の速度および量に従つて異なる
ようにしてある装置である。2つの波を用いる系
では、小さな理論的差周波数に対応する低回転速
度に対しては実際の出力差周波数は、「ロツクイ
ン」として知られている現象のために零又は期待
されるものよりも相当に小さいということが知ら
れている。ロツクインの問題が生ずる理由は反射
器またはフアラデー回転子などの路内の素子やレ
ーザー媒体そのもの内の散乱の中心からの波エネ
ルギーの後方散乱を含む多数の有り得べき要因か
ら生ずる波間の結合のためであると信じられてい
る。 この問題を補償するための最も早期の試みに
は、異なる方向に伝搬するビームに異なる遅延時
間を受けさせるフアラデー回転子の使用により2
つのビームを零出力レべルから遠く離れた零回転
にバイアスするという提案が含まれていた。不幸
なことに、ロツクインを避けるために2つのビー
ムを充分に遠く離すようにバイアスするだけでは
これら2つのビーム間に大きな周波数差が生じ、
この周波数差が実際上非常に大きくて普通の回転
量によつて生ぜしめられる周波数の変化が合計周
波数に比してむしろ無意味になつてしまうような
ものであつた。従つて、いかなる小さなドリフト
も実際の所望信号出力を抹殺してしまう可能性が
あつた。バイアスを与えることを達成する別の試
みには、対称的交流スイツチング波形を用いてフ
アラデー回転子を一方向から他の方向に切換える
ものが含まれた。このような方式は交流切換波形
の対称性が100万分の1より大きく維持されなけ
ればならないという理由で実施するのが幾分困難
であることが証明されている。 更に別に提案されかつ構成された最も成功した
レーザージヤイロスのうちの1つはそれぞれ反対
方向に伝搬する2対の4つの波を用いている。こ
のような方式はケインペ・アンドリンガ
(Keimpe Andringa)対し許可された米国特許第
3741657号および同第3854819号の明細書に示され
ている。このレーザーシステムでは、4つの波の
各々に対し円偏波が用いられる。時計方向に伝搬
する波すなわちビームの対は反時計方向に伝搬す
る波の対と同様に左旋回円偏波および右旋回円偏
波の両方を含む。 2つのバイアス付与要素が設けられる。水晶回
転子などの装置が一方向の円偏波に対して他方の
円偏波に対するのと異なる遅延を生じさせながら
これらの円偏波に対する遅延を生じさせ、この遅
延は可逆的である。すなわち、クリスタルを通し
いずれかの方向に進む所定の偏波の波は同じ量の
時間だけ遅延させられる。第2に、フアラデー回
転子などの装置も波の路内に配置される。この装
置は非可逆的であつて、いずれかの偏波方向の或
る波に対して、それを通る2つの伝搬方向に対し
て異なる時間遅延を与える。 これらのレーザージヤイロスコープ・システム
のいずれにおいても、レーザー空胴内を循環する
各ビームの一部を抽出してレーザー空胴内で同じ
円偏波方向を有する波の対間の周波数差をそれぞ
れが表わす2つの出力信号を生じさせることが必
要である。この目的を達成するため、それぞれが
同じ偏波方向を有する波を含む2つの新しいビー
ムを生じさせるような仕方でこれら2つのビーム
を出力構造体内の或る点において結合することが
希望される。 出力信号を分離し、結合しそして検出するた
め、の既知の出力構造体は機械的にがさが大きく
かつ信号エネルギーを浪費するものであり、偏波
の状態を充分に分離せず、検出器出力に混信を生
じさせるものであつた。出力構造体内での信号エ
ネルギーの浪費のために、比較的に大きな割合の
出力エネルギーを空胴から抽出する必要があり、
レーザー利得媒体からの比較的に大きな利得を必
要とした。これらの構造体の機械的な不都合さは
これらのシステムを多くの応用に用いるのを困難
にしていた。更に、出力光学構造体内の種々の構
成要素は互に直接的な物理接触範囲内にないの
で、種々の構成要素間の不整列の問題がドリフト
の問題と同様にしばしば生じた。また、多くの構
造体において出力検出器に対する単一のチツプ上
に2つのダイオードを用いてこれらのダイオード
の特性がほぼ等しいものにするのは不可能であつ
た。 従つて、本発明の目的は、、機械的に丈夫で、
コンパクトで効率良い出力構造体を有するレーザ
ージヤイロスコープ・システムを提供することで
ある。 本発明の目的は、出力構造体の全ての構成要素
が不整列およびそれに付随するドリフトの問題を
除去するように機械的に直接に結合され得るよう
になつたレーザージヤイロスコープ・システムを
提供することである。 更に、本発明の目的は、得られる出力信号エネ
ルギーが最大に利用されるようになつたそのよう
な出力構造体を提供することである。 更に、本発明の目的は、空胴内で同じ偏波方向
を有する波を他の対の波から完全に分離して検出
器の2つの信号出力間の混信を除去し、より安全
でノイズのない信号を生じさせることのできる構
造体を提供することである。 更に、本発明の目的は単一のチツプ上に2つの
ダイオードを用いることのできる出力光学構造体
を提供することである。 本発明のこれらおよび他の目的は次のような組
合せを提供することによつて達成される。すなわ
ち、レーザー利得媒体を含むレーザージヤイロス
コープ空胴と、少くとも4つの周波数の波を生じ
させる偏波分散性構造体と、波に対するループす
なわち閉じた路を形成する複数の反射手段(その
うちの少くとも1つはそれに入射する波に対して
部分的に透過性である)と、ビーム分割器と、部
分的透過性反射手段を通して透過させられる波の
一部をビーム分割器上の1つの共通位置に指向さ
せてビーム分割器が透過ビームおよび反射ビーム
の両方を生じさせるようにする手段との組合せで
ある。本願明細書において、「波」という用語は
一方向に伝搬する単一の電磁波でけを意味し、こ
れに対して、「ビーム」という用語は同じ路に沿
い同じ方向に伝搬する2つ以上の電磁波を意味す
るものとして用いられている。上記の組合せは、
更に、出力構造体内の円偏波をビーム分割器から
の反射波および透過波の路内に位置する直線偏波
に変換する偏波変換手段と、この直線偏波された
波が該偏波変換手段から現われるときこの直線偏
波された波の路内に配置されている偏波手段と、
該偏波手段から波が現われるときにそれらを受け
る検出手段とを含むようにすることができる。好
ましくは、波の数は4にされ、空胴内のこれらの
波の2つは第1の偏波方向をもつて円偏波され、
空胴内のこれらの波の残りの2つは第2の偏波方
向をもつて円偏波される。第1の偏波方向を有す
る波のうちの第1の波および第2の偏波方向を有
する波のうちの第1の波は路をまわつて第1の方
向に循環し、第1の偏波方向を有する波のうちの
第2の波および第2の偏波方向を有する波のうち
の第2の波はその閉じた路をまわつて逆方向に循
環する。好ましい実施例において、上記の部分的
透過性反射手段、ビーム分割器、指向づけ手段お
よび変換手段は機械的に結合され、堅固な1つの
ユニツトとして装着される。更にこのユニツトの
一部として上記の検出手段および偏波手段を更に
含ませることができる。上記の部分的透過性反射
手段は透過性基板を含む多層透電体製の鏡で構成
することができる。上記の変換手段は4分の1波
長板であるのが好ましく、これに対して、指向づ
け手段はレトロ・プリズム(retro prism)であ
るのが好ましい。 本発明はまた次の組合せによつても実施するこ
とができる。すなわち、レーザー利得媒体を含む
レーザージヤイロ空胴と、少くとも1つの周波数
の波を生じさせる偏波分散性構造体と、波を伝搬
させるループまたは閉じた路を形成するように配
置された複数の反射器と、透過性基板と、空胴内
の波に対する反射手段の1つを形成する透過性基
板の一表面上の誘電体材料製の複数の層と、透過
性基板から第1のビームが現われる位置において
透過性基板の第2の表面の部分上に配置されてい
るビーム分割器と、このビーム分割器上に配置さ
れ4分の1波長板と、この4分の1波長板に隣接
する第1の表面を有すると共にこの第1の表面と
反対側にありかつ第1の表面に対して傾斜してい
る少くとも一部は反射性の複数の第2の表面と、
プリズムの第4の非反射性表面に隣接して配置さ
れている第1および第2の偏光子と、これら第1
および第2の偏光子に隣接して配置されている第
1および第2の検出器との組合せである。基板か
ら現われた第1のビームは予め定めた位置におい
てビーム分割器にあたり、基板から現われた第2
のビーム分割器に触れることなしに4分の1波長
板を通過してプリズムの反射面に両方からビーム
分割器上の第1のビームがあたつたのと同じ位置
へ戻るように反射される。これによつて、それぞ
れが4つの周波数の全ての波を含む透過波および
反射波が発生される。ビーム分割器上の同じ位置
からの第1の透過波および第1の反射波は基板を
通過しそして再び誘電体材料の複数の層の後側か
ら基板を通つて4分の1波長板へと反射され、最
後にプリズムの反射面の1つから第1の偏光子お
よび第1の検出器への反射される。この第1の偏
光子はその点においてビームに含まれる4%の波
のうちの好ましい2つだけを通過させるように方
向づけられている。ビーム分割器上のその点から
の第2の透過波および第2の反射波はプリズムの
反射面のうちの同じ反射面から第2の偏光子およ
び第2の検出器へと反射される。この第2の偏光
子は他の2つの波を第2の検出器に結合するよう
に方向づけられている。好ましい実施例において
は、誘電体材料の層、基板、ビーム分割器、4分
の1波長板、およびプリズムは堅固な構造体を形
成するように機械的に相互接続されている。更
に、第2および第3の4分の1波長板を設けるこ
とができ、第2の4分の1波長板はブリズムと第
1の偏光子との間に配置され、第3の4分の1波
長板はプリズムと第2の偏光子との間に配置され
る。これら第2および第3の4分の1波長板を設
けると誘電体層の表面での偏光の消失により生ぜ
しめられるビーム中の干渉または混信を減らすと
いう付加的利点も得られる。 以下図面を参照しながら本発明を説明する。 第1図は本発明が有利に用いられるレーザージ
ヤイロコープ・システムのブロツクダイヤグラム
が示されている。レーザージヤイロスコープ空胴
5は米国特許第3741657号および同第3854819号明
細書ならびに本願明細書の「発明の詳細な説明」
の欄の始めの部分に記載されたような仕方で動作
する。レーザージヤイロスコープ空胴5は4つの
電磁レーザー波を伝搬させる閉じた通路すなわち
再入型の通路を有する。この通路はレーザー利得
媒体10、反射鏡12および13、水晶回転子1
7およびフアラデー回転子18を含む偏光分散性
構造体16、反射鏡15、および、出力反射鏡2
2を含む。水晶回転子17およびフアラデー回転
子18によつて生ぜしめられるバイアスのために
上記閉じた通路内を伝搬する周波数
4つの電磁波が存在する。周波数および
の波は時計方向に循環して空胴5内に1つのビー
ムを形成し、これに対して、周波数および
の波は反時計方向に循環して第2のビームを形
成する。これら4つの波の全ては円偏波されるの
が好ましく、その際周波数およびの波は
一つの向きをもつて円偏波されかつ周波数
よびの波は逆の向きをもつて円偏波される。
レーザー利得媒体10に対する利得曲線上の位置
が第2図の下側の図に示されている。 このシステムからの出力信号は予め定めた期間
から始まつてレーザージヤイロスコープ空胴5が
経験した合計回転量を表わすデイジタル数または
他の信号であるか、或いは、レーザージヤイロス
コープ空胴5の現在の回転速度を表わすデイジタ
ル信号または他の信号であることが望ましい。こ
の回転速度は下記の式に従つて計算される。 Ω=Lλ/8A〔()−()〕 ここで、Ωはジヤイロスコープの減応軸のまわ
りでの回転速度を現わし、Lは合計路長を表わ
し、Aはこの路内に包囲される実効面積を表わ
し、λはレーザージヤイスープ空胴5内を伝搬す
る波の波長を表わす。回転量は上記の式を時間に
ついて積分すすることにより得られる。 回転量を表わす信号を生じさせるためにはまず
それぞれおよびで表わされ
る1方の円偏波の空胴波間の周波数差を表わす信
号および他方の円偏波における周波数差を得るこ
とが必要である。第1の検出器ダイオードで周波
およびのビームを結合しそして第2の
検出器ダイオードで周波数およびのビー
ムを結合するという動作をいずれのダイオード上
にも他の2つの波を存在させることなしに行うの
が出力光学構造体30の機能である。出力処理回
路32は右旋回円偏波信号と左旋回円偏波信号と
の間の差を表わす信号を上記の式に従つて回転量
を表わすデイジタル数に変換する。出力処理回路
32は更に2つの出力ダイオードから得られる信
号の振幅に作用して、それらの信号振幅から、波
の対に一致している利得が実質上等しくなるよう
にレーザージヤイロスコープ空胴5内に適当な合
計路長を維持する如く圧電変換器20を動作させ
るアナログ信号を発生する。 第2図には本発明を実施する出力光学構造体の
概略図が示されている。出力反射鏡22はレーザ
ージヤイロスコープ空胴5内に閉じた路を規定す
る反射器の1つを形成する。出力反射鏡22は、
それに入射する2つのビームに対し99%以上反射
性であるのが好ましい。しかしながら、各出力ビ
ームの一部分は出力反射鏡22を通し透過してそ
れの後側から反射鏡40および41の方向に現わ
れる。 すぐ後に与えられる説明のために出力反射鏡2
2を通る円偏波の透過がその偏光状態を実質上変
えない場合を考えよう。CCWと記された透過反
時計方向ビームはそれぞれ例えば左旋回円偏波お
よび右旋回円偏波の周波数およびを含
む。第2図中の2つの小さな図面に示されたよう
に、各波の偏波方向は反射時に公知のように左手
側から右手側または右手側から左手側へと変るた
めに空胴路の次々の辺において逆になつている。
従つて、CWと記された時計方向ビームはそれぞ
れ右旋回円偏波および左旋回円偏波の周波数
およびの波を含む。時計方向ビーームは反射
鏡40からビーム分割器42上の予め定められた
位置まで反射される。反時計方向ビームは同様に
反射鏡41によつてビーム分割器42上の同じ位
置まで反射される。ビーム分割器42にあたつた
ビームはほぼ等しい大きさにあることの好ましい
透過成分および反射成分の両方を生じさせる。ビ
ーム分割器42はビーム分割面を透過したビーム
およびそれから反射されたビームを同等に直線的
に結合するように角度的に整列させられている。
従つて、ビーム分割器42からの透過ビームと反
射ビームとを結合したものはそれぞれ4つの周波
数の全部の周波数の波を含む。時計方向ビームの
透過部分および反時計方向ビームの反射部分は同
じ路に沿つて4分の1波長53へと伝搬する。同
様に、反時計方向ビームの透過部分および時計方
向ビームの反射部分は共に同じ路に沿つて4分の
1波長板43へと伝搬する。従つて、ビーム分割
器42と4分の1波長板43および53との間で
右旋回円偏波周波数の対および左旋回円偏波周波
数の対は結合されてしまい、共に同じ路に沿い同
じ方向に進行しつつある。例えば、4分の1波長
板53の前には左旋回円偏波されている周波数
およびの波と右旋回円偏波されている周波
およびの波とが存在する。これら同じ
周波数の波はビーム分割器42と4分1波長板4
3との間に逆の円偏波方向をもつて存在する。 4分の1波長板43および53は例えば左旋回
円偏波が垂直偏波に変換されかつ右旋回円偏波が
水平偏波に変換されるように方向づけられる。直
線偏波だけを通す偏光子44および54が設けら
れる。これらは互に直交関係に方向づけられ、そ
れ故例えば偏光子44は水平偏波だけを通過させ
そして偏光子54は垂直偏波だけを通過させる。
この構成では、偏光子54と検出器ダイオード5
5との間のビームは直線垂直偏波を有する周波数
およびのみからなり、偏光子44と検出
器ダイオード45との間のビームは水平偏波を有
する周波数およびのみからなる。単に2
つの周波数のみの波が各検出器ダイオードにあた
り、他の2つの周波数の波は完全に降去されてい
るということは容易に理解されよう。 結合用ビーム分割器からの透過ビームおよび反
射波の両方が最終出力ビームを形成するように利
用されることは本発明での顕著な利点である。従
来技術の出力光学装置においては、ビーム分割器
からの2つの出力ビームのうちの1つだけが利用
された。従つて、本発明を利用すれば、出力エネ
ルギーの半分の浪費は除去される。前と同様にそ
のエネルギーの半分だけをレーザージヤイロスコ
ープ空胴から抽出すればよく、それ故レーザー増
幅器およびレーザー利得媒体から必要とされる利
得は減らされる。 第3図には全ての出力光学構成要素が機械的に
堅固でちみつな構造体内に機械的に相互接続され
るようになつた本発明の実施例が示されている。
この実施例において、完全に透過性のガラスで構
成され得る反射鏡基板104はそれの滑らかな一
表面上に最も反射性の反射鏡を形成するように複
数の誘電体材料層102で被覆される。この反射
鏡はレーザージヤイロスコープ空胴5の閉じた路
を規定する反射素子の1つを形成する。誘電体材
料層102の数および構成はそれに入射するビー
ムの小部分が反射鏡基板104中に透過させられ
るように選ばれる。代表的には入射ビーム内のネ
ルギーの1/2%が反射鏡基板104中に透過させ
られる。 同じく誘電体材料で形成されるビーム分割器1
06は複数の誘電体層102から反射鏡基板10
4の反対側の平行な表面の隣りに配置される。ビ
ーム分割器106内には形成されていて図面に示
されているようにビームがそれを通過できるよう
にしてある。実際上、ビーム分割器106は、4
分の1波長板108の表面上に誘電体材料を付着
させそしてその後に例えばイオンビームエツチン
グ技術を用いて環状部をエツチングして必要な開
口を形成することによつて形成することができ
る。ビーム分割器106内に環状部の形の開口を
設けることによつて、4分の1波長板108およ
び分割器106からなる構造体を回転させて4分
の1波長板108とそれに入射するビームとの間
に適正な相互作用を与え、例えば左旋回円偏波の
ビームが完全に垂直直線偏波に変換されかつ左旋
回円偏波のビームが完全に水平直線偏波に変換さ
れるようにすることができる。 4の1波長板106の上表面に隣接してレト
ロ・プリズム110の下表面が配置されている。
レトロ・ブリズム110は高度に透過性のガラス
で構成するのが好ましい。4分の1波長板108
と接するレトロ・プリズム110の表面に図面に
示されたビーム反射角を与えるようにレトロ・プ
リズム110の2つの付加的表面が対向してい
る。これらの表面には複数の誘電体層または1つ
の金属化被覆のいずれかから構成され得る反射性
被覆112および114が設けられている。 第3図に左手側に示されているレトロ・プリズ
ム110の第4の表面に隣接して偏光子116お
よび118が配置されている。検出器ダイオード
120および122が偏光子116および118
に対向して配置されてこれらの偏光子によつて透
過された直線偏波を受ける。偏光子116および
118は前と同様に互に直交関係に方向づけられ
ている。ダイオード取付け部材124は検出器ダ
イオード120および122ならに偏光子116
および118をレトロ・プリズム110の左表面
に固定する。第3図に示された装置は第2図に示
された装置と同様な仕方で動作して反対の円偏波
方向の波を排除しながら同じ円偏波方向の空胴波
を結合しそしてこの結合された波を信号エネルギ
ーの大きな浪費を伴うことなしに検出器ダイオー
ドに送る。 第3図に示された装置の動作は装置内の選ばれ
たいくつかの点における種々の波に対する偏波状
態を示す下記の第1表に示されている。
The present invention relates to laser gyroscopes, and specifically to laser gyroscopes that use waves of four different frequencies within a laser gyroscope cavity. More specifically, the present invention extracts a portion of a beam circulating within a cavity and is used to generate an output signal from that portion representing the frequency difference between a pair of beams having the same polarity within the cavity. The present invention relates to an output optical structure. In general, a laser gyroscope is a system in which two or more waves circulate in both directions through a laser medium, and the rotation of the system varies according to the speed and amount of rotation required for the waves to rotate in both directions. This is a device that does this. In systems using two waves, for low rotational speeds corresponding to small theoretical difference frequencies the actual output difference frequency is zero or less than expected due to a phenomenon known as "lock-in". It is known to be quite small. The lock-in problem arises because of coupling between waves that arises from a number of possible factors, including backscattering of wave energy from elements in the path, such as reflectors or Faraday rotators, and centers of scattering within the laser medium itself. It is believed that there is. The earliest attempts to compensate for this problem included the use of Faraday rotators, which caused beams propagating in different directions to undergo different delay times.
This included a proposal to bias two beams to zero rotation far from the zero power level. Unfortunately, simply biasing the two beams far enough apart to avoid lock-in creates a large frequency difference between the two beams;
This frequency difference was in fact so large that the change in frequency caused by a normal amount of rotation became rather meaningless compared to the total frequency. Therefore, any small drift could cancel out the actual desired signal output. Other attempts to achieve biasing have involved switching the Faraday rotator from one direction to the other using a symmetric AC switching waveform. Such a scheme has proven to be somewhat difficult to implement because the symmetry of the AC switching waveform must be maintained to be greater than one part in a million. Furthermore, one of the most successful laser gyroscopes proposed and constructed uses two pairs of four waves each propagating in opposite directions. Such a system is described in U.S. Patent No. 1, granted to Keimpe Andringa.
It is shown in the specifications of No. 3741657 and No. 3854819. This laser system uses circular polarization for each of the four waves. Clockwise propagating wave or beam pairs, as well as counterclockwise propagating wave pairs, include both left-handed and right-handed circular polarizations. Two biasing elements are provided. A device such as a quartz crystal rotator provides a delay for one direction of circular polarization, with a different delay for the other circular polarization, and the delay is reversible. That is, waves of a given polarization traveling in either direction through the crystal are delayed by the same amount of time. Second, devices such as Faraday rotators are also placed in the wave path. This device is irreversible and gives a wave of either polarization direction different time delays for the two directions of propagation through it. In any of these laser gyroscope systems, a portion of each beam circulating within the laser cavity is sampled to calculate the frequency difference between pairs of waves with the same circular polarization direction within the laser cavity, respectively. It is necessary to produce two output signals representing . To achieve this objective, it is desired to combine these two beams at a point within the output structure in such a way as to produce two new beams, each containing waves with the same polarization direction. Known output structures for separating, combining, and detecting output signals are mechanically bulky and wasteful of signal energy, do not adequately separate polarization states, and are This caused interference in the output. Because of the waste of signal energy within the output structure, a relatively large proportion of the output energy must be extracted from the cavity;
Required relatively large gain from the laser gain medium. Mechanical disadvantages of these structures have made these systems difficult to use in many applications. Additionally, because the various components within the output optical structure are not within direct physical contact with each other, misalignment problems between the various components often occur as well as drift problems. Also, in many structures it has not been possible to use two diodes on a single chip for the output detector so that the characteristics of the diodes are approximately equal. It is therefore an object of the invention to provide a mechanically robust and
An object of the present invention is to provide a laser gyroscope system having a compact and efficient output structure. It is an object of the present invention to provide a laser gyroscope system in which all components of the output structure can be directly mechanically coupled to eliminate the problems of misalignment and associated drift. That's true. Furthermore, it is an object of the invention to provide such an output structure in which the available output signal energy is maximized. Furthermore, it is an object of the present invention to completely separate waves with the same polarization direction from other pairs of waves in the cavity to eliminate interference between the two signal outputs of the detector, making it safer and noise-free. The object of the present invention is to provide a structure that can generate a signal that does not require a signal. Furthermore, it is an object of the present invention to provide an output optical structure that allows the use of two diodes on a single chip. These and other objects of the invention are achieved by providing the following combinations. namely, a laser gyroscope cavity containing a laser gain medium, a polarization dispersive structure producing waves of at least four frequencies, and a plurality of reflecting means forming a loop or closed path for the waves, one of which at least one of the beams is partially transparent to the waves incident thereon); in combination with means for directing the beam splitter to a position such that the beam splitter produces both a transmitted beam and a reflected beam. As used herein, the term "wave" refers to a single electromagnetic wave propagating in one direction, whereas the term "beam" refers to two or more electromagnetic waves propagating along the same path in the same direction. It is used to mean electromagnetic waves. The above combination is
Further, a polarization converting means for converting the circularly polarized wave in the output structure into a linearly polarized wave located in the path of the reflected wave and the transmitted wave from the beam splitter, polarizing means disposed in the path of the linearly polarized wave as it emerges from the means;
and detection means for receiving waves as they emerge from the polarization means. Preferably, the number of waves is 4, and two of these waves in the cavity are circularly polarized with a first polarization direction;
The remaining two of these waves within the cavity are circularly polarized with a second polarization direction. A first of the waves having a first direction of polarization and a first of the waves having a second direction of polarization circulate around the path in the first direction; A second of the waves having a wave direction and a second of the waves having a second polarization direction circulate in opposite directions around the closed path. In a preferred embodiment, the partially transmissive reflecting means, beam splitter, directing means and converting means described above are mechanically coupled and mounted as one rigid unit. Furthermore, the above-described detection means and polarization means may further be included as part of this unit. The partially transmissive reflective means described above can be constituted by a mirror made of a multilayer electrically conductive material including a transparent substrate. Preferably, said converting means is a quarter-wave plate, whereas the directing means is preferably a retro prism. The present invention can also be implemented by the following combinations. a laser gyro cavity containing a laser gain medium; a polarization dispersive structure for generating waves of at least one frequency; and a plurality of polarization dispersive structures arranged to form a loop or closed path for propagating the waves. a first beam from the transparent substrate; a transparent substrate; a plurality of layers of dielectric material on one surface of the transparent substrate forming one of the reflecting means for waves in the cavity; a beam splitter disposed on a portion of the second surface of the transparent substrate at a location where the beam splitter appears, a quarter wave plate disposed on the beam splitter, and adjacent the quarter wave plate; a plurality of at least partially reflective second surfaces having a first surface opposite the first surface and inclined with respect to the first surface;
first and second polarizers disposed adjacent a fourth non-reflective surface of the prism;
and first and second detectors disposed adjacent to the second polarizer. The first beam emerging from the substrate hits the beam splitter at a predetermined position, and the second beam emerging from the substrate hits the beam splitter at a predetermined position.
The beam passes through the quarter-wave plate without touching the beam splitter, and is reflected from both sides of the prism back to the same position on the beam splitter where the first beam hit. This produces transmitted and reflected waves, each containing waves of all four frequencies. A first transmitted wave and a first reflected wave from the same location on the beam splitter pass through the substrate and back through the substrate from behind the layers of dielectric material to the quarter wave plate. and finally from one of the reflective surfaces of the prism to a first polarizer and a first detector. This first polarizer is oriented to pass only the preferred two of the 4% waves contained in the beam at that point. A second transmitted wave and a second reflected wave from that point on the beam splitter are reflected from the same one of the reflective surfaces of the prism to a second polarizer and a second detector. This second polarizer is oriented to couple the other two waves to a second detector. In a preferred embodiment, the layers of dielectric material, substrate, beam splitter, quarter wave plate, and prism are mechanically interconnected to form a rigid structure. Additionally, second and third quarter-wave plates may be provided, the second quarter-wave plate being disposed between the prism and the first polarizer, and the third quarter-wave plate being disposed between the prism and the first polarizer. A single wavelength plate is placed between the prism and the second polarizer. The provision of these second and third quarter wave plates also has the added benefit of reducing interference or crosstalk in the beam caused by depolarization at the surface of the dielectric layer. The present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a block diagram of a laser gyroscope system in which the present invention may be advantageously used. The laser gyroscope cavity 5 is described in U.S. Pat.
It operates in the manner described at the beginning of the column. The laser gyroscope cavity 5 has a closed or reentrant path for propagating four electromagnetic laser waves. This path includes a laser gain medium 10, reflectors 12 and 13, and a crystal rotator 1.
7 and a polarization dispersive structure 16 including a Faraday rotator 18, a reflecting mirror 15, and an output reflecting mirror 2.
Contains 2. There are four electromagnetic waves of frequencies 1 to 4 propagating in the closed path due to the biases produced by the crystal rotor 17 and the Faraday rotator 18. Frequency 1 and 4
The waves of frequencies 2 and 2 circulate clockwise to form one beam in cavity 5, whereas the waves of
Wave 3 circulates counterclockwise to form a second beam. Preferably, all four waves are circularly polarized, with waves of frequencies 1 and 2 being circularly polarized in one direction and waves of frequencies 3 and 4 being circularly polarized in the opposite direction. Polarized.
The position on the gain curve for laser gain medium 10 is shown in the lower diagram of FIG. The output signal from this system is a digital number or other signal representing the total amount of rotation experienced by the laser gyroscope cavity 5 starting from a predetermined period of time, or Preferably, it is a digital signal or other signal representative of the current rotational speed. This rotation speed is calculated according to the formula below. Ω=Lλ/8A [( 4-3 ) -( 2-1 )] Here, Ω represents the rotational speed of the gyroscope around the attenuation axis, L represents the total path length, and A is represents the effective area enclosed within this path, and λ represents the wavelength of the wave propagating within the laser beam cavity 5. The amount of rotation is obtained by integrating the above equation with respect to time. In order to generate a signal representing the amount of rotation, first obtain a signal representing the frequency difference between the cavity waves of one circularly polarized wave, represented by 4-3 and 2-1 , respectively, and a frequency difference in the other circularly polarized wave . It is necessary. The operation of combining the beams of frequencies 1 and 2 on the first detector diode and the beams of frequencies 3 and 4 on the second detector diode allows the presence of two other waves on either diode. It is the function of the output optical structure 30 to perform this without any problems. Output processing circuit 32 converts a signal representing the difference between the right-handed circularly polarized signal and the left-handed circularly polarized signal into a digital number representing the amount of rotation according to the above equation. The output processing circuit 32 further acts on the amplitudes of the signals obtained from the two output diodes so that from those signal amplitudes the gains matching the wave pairs are substantially equal to the laser gyroscope cavity 5. An analog signal is generated that operates the piezoelectric transducer 20 to maintain the appropriate total path length within the oscilloscope. FIG. 2 shows a schematic diagram of an output optical structure embodying the invention. The output reflector 22 forms one of the reflectors defining a closed path within the laser gyroscope cavity 5 . The output reflector 22 is
Preferably, it is more than 99% reflective for the two beams incident on it. However, a portion of each output beam is transmitted through output reflector 22 and emerges from its rear side towards reflectors 40 and 41. Output reflector 2 for the explanation given immediately below.
Consider the case where transmission of a circularly polarized wave through 2 does not substantially change its polarization state. The transmitted counterclockwise beams labeled CCW include, for example, frequencies 2 and 3 of left-handed circular polarization and right-handed circular polarization, respectively. As shown in the two small drawings in FIG. 2, the polarization direction of each wave changes from left-hand side to right-hand side or from right-hand side to left-hand side in a known manner upon reflection, so that the direction of polarization of each wave changes from one cavity path to the next. The sides are reversed.
Therefore, the clockwise beams marked CW have frequencies 1 of right-handed circular polarization and left-handed circular polarization, respectively.
and 4 waves. The clockwise beam is reflected from reflector 40 to a predetermined position on beam splitter 42 . The counterclockwise beam is similarly reflected by mirror 41 to the same position on beam splitter 42. The beam impinging on beam splitter 42 produces both transmitted and reflected components, which are preferably of approximately equal magnitude. Beam splitter 42 is angularly aligned to equally linearly combine the beam transmitted through the beam splitting surface and the beam reflected therefrom.
Thus, the combined transmitted and reflected beams from beam splitter 42 each contain waves of all four frequencies. The transmitted portion of the clockwise beam and the reflected portion of the counterclockwise beam propagate along the same path to quarter wavelength 53. Similarly, both the transmitted portion of the counterclockwise beam and the reflected portion of the clockwise beam propagate along the same path to quarter wave plate 43. Therefore, between the beam splitter 42 and the quarter-wave plates 43 and 53, the pair of right-handed circularly polarized frequencies and the pair of left-handed circularly polarized frequencies are coupled, and both follow the same path. It's progressing in the same direction. For example, in front of the quarter-wave plate 53, there is a frequency that is left-handed circularly polarized.
There are waves 1 and 2 and waves of frequencies 3 and 4 that are right-handed circularly polarized. These waves of the same frequency are transmitted through a beam splitter 42 and a quarter wave plate 4.
3 and exist with opposite circular polarization directions. Quarter-wave plates 43 and 53 are oriented, for example, so that left-handed circularly polarized waves are converted to vertically polarized waves and right-handed circularly polarized waves are converted to horizontally polarized waves. Polarizers 44 and 54 are provided that pass only linearly polarized waves. These are oriented in orthogonal relation to each other, so that, for example, polarizer 44 passes only horizontally polarized waves and polarizer 54 only passes vertically polarized waves.
In this configuration, the polarizer 54 and the detector diode 5
The beam has a linear vertical polarization between 5 and 5 frequencies
The beam between the polarizer 44 and the detector diode 45 consists only of frequencies 3 and 4 with horizontal polarization. simply 2
It will be readily appreciated that waves of only one frequency impinge on each detector diode, while waves of the other two frequencies are completely dropped. It is a significant advantage of the present invention that both the transmitted beam and the reflected wave from the combining beam splitter are utilized to form the final output beam. In prior art output optics, only one of the two output beams from the beam splitter was utilized. Therefore, using the present invention, half the waste of output energy is eliminated. As before, only half of that energy needs to be extracted from the laser gyroscope cavity, thus reducing the gain required from the laser amplifier and laser gain medium. FIG. 3 shows an embodiment of the invention in which all output optical components are mechanically interconnected within a mechanically rigid honeycomb structure.
In this embodiment, a reflector substrate 104, which may be constructed of fully transparent glass, is coated with multiple layers of dielectric material 102 to form a most reflective reflector on one smooth surface thereof. . This reflector forms one of the reflective elements defining the closed path of the laser gyroscope cavity 5. The number and configuration of dielectric material layers 102 are chosen such that a small portion of the beam incident thereon is transmitted into the mirror substrate 104. Typically, 1/2% of the energy in the incident beam is transmitted into the mirror substrate 104. Beam splitter 1 also made of dielectric material
06 is a reflection mirror substrate 10 from a plurality of dielectric layers 102.
placed next to opposite parallel surfaces of 4. A beam splitter 106 is formed to allow the beam to pass therethrough as shown in the drawings. In practice, the beam splitter 106 consists of four
It can be formed by depositing a dielectric material on the surface of the half-wave plate 108 and then etching the annulus using, for example, ion beam etching techniques to form the necessary openings. By providing an annular aperture in the beam splitter 106, the structure consisting of the quarter-wave plate 108 and the splitter 106 can be rotated to separate the quarter-wave plate 108 and the beam incident thereon. For example, a left-handed circularly polarized beam is completely converted to a vertical linearly polarized beam, and a left-handed circularly polarized beam is completely converted to a horizontally linearly polarized beam. can do. The lower surface of retro prism 110 is disposed adjacent to the upper surface of No. 4 one-wavelength plate 106.
Retrobrism 110 is preferably constructed of highly transparent glass. Quarter wavelength plate 108
Two additional surfaces of retro prism 110 are opposed so as to provide the surfaces of retro prism 110 in contact with the beam reflection angles shown in the figures. These surfaces are provided with reflective coatings 112 and 114, which may consist of either multiple dielectric layers or a metallized coating. Polarizers 116 and 118 are positioned adjacent the fourth surface of retro prism 110, shown on the left hand side in FIG. Detector diodes 120 and 122 are polarizers 116 and 118
are placed opposite to each other to receive linearly polarized waves transmitted by these polarizers. Polarizers 116 and 118 are oriented in orthogonal relation to each other as before. Diode mounting member 124 includes detector diodes 120 and 122 as well as polarizer 116.
and 118 are fixed to the left surface of retro prism 110. The device shown in FIG. 3 operates in a similar manner to the device shown in FIG. 2 to combine cavity waves of the same circular polarization direction while rejecting waves of opposite circular polarization directions, and This combined wave is sent to the detector diode without significant waste of signal energy. The operation of the apparatus shown in FIG. 3 is illustrated in Table 1 below, which shows the polarization states for various waves at selected points within the apparatus.

【表】 第1表において斜め上につけた記号「L」は左
旋回円偏波を示し、記号「R」は右旋回円偏波を
示し、記号「V」は垂直直線偏波を示し、記号
「H」は水平直線偏波を示す。前と同様に、下側
にある記号は特定の波の周波数を示す。1分の1
波長板108は右旋回円偏波および左旋回円偏波
がそれぞれ水平直線偏波および垂直直線偏波に変
換されるように、すなわちその高速軸方位が+45
゜となるように方向づけられる。また、注目すべ
きことは、水平偏波および垂直偏波が4分の1波
長板108を通りいずれかの方向に通過したとき
それぞれ右旋回円偏波および左旋回円偏波に変換
されることである。4分の1波長板108の下方
の全てのビームは円偏波され、4分の1波長板1
08の上方のビームは直線偏波されることが理解
される。水平偏波および垂直偏波は入射面内にあ
る垂線を有する表面からの反射に対する定常モー
ドであるので、4分の1波長板108の上方の表
面のうちの任意の表面から反射したときに混信を
誘起する偏波の消失は生じない。 代表的なビームの通過は装置を通してトレース
することができる。レーザージヤイロスコープ空
胴5内にある点Aにおいて反時計方向に循環する
ビームはそれぞれ左旋回円偏波および右旋回円偏
波である周波数およびを有する。これら
のビームの小部分は誘電体層102を通して反射
鏡基板104中に透過させられる。入射ビームの
偏波は誘電体層102への垂線に対する入射角が
小さいために実質上維持される。 レーザージヤイロスコープ空胴5は入来ビーム
間の角度が30゜以下となるような仕方で構成され
るが好ましい。誘電体層102へのそのような小
さな入射角を維持することによつて、円偏波の高
程度の維持が達成される。入射角が大きい場合
は、誘電体層102の後表面から現われるビーム
の扁平度は急速に増す。扁平度が増すと、各検出
器ダイオードにおいて得られる信号エネルギーは
偏光子を不所望成分を完全に除去するように方向
づけるか或いは所望信号の最大振幅を通過させる
ように方向づける必要があるという理由で減つて
しまう。ビームはもはや楕円偏波に対して直交す
るエネルギーではないので偏光子を所望信号の最
大振幅の両方を通過させしかも不所望成分の全て
を除去するように方向づけることできない。前者
の場合所望出力信号間に混信が生ずるのに対し、
後者の場合信号振幅の減少が生ずる。 反射鏡基板104内にある点Bにおいて、レー
ザージヤイロスコープ空胴内を循環する4つの波
からの反時計方向成分が存在する。これらはそれ
ぞれ左旋回円偏波および右旋回偏波の周波数
およびのものである。ビーム分割器106の
開口および4分の1波長板108を通過するとき
これらの波はそれぞれ垂直偏波および水平偏波に
変換される。レトロ・プリズム110の上表面上
の反射被覆114および112から反射された後
に同じ偏波は維持されるが、しかしながらこのビ
ームはそれぞれ右旋回円偏波および左旋回円偏波
の周波数およびの時計方向ビームからの
成分を含む「I」と記号をつけたビームと同じ位
置でビーム分割器106の上表面上に一致するよ
うな仕方で横方向距離に変位させられる。透過成
分および反射成分はビーム分割器106への共通
入射点からの反射ビームおよび透過ビームの両方
が4つの周波数の全ての周波数の波を含むような
仕方でこれらのビームから生ぜしめられる。ビー
ムJは水平偏波の周波数およびの波なら
びに垂直偏波の周波数およびの波を含
み、後者の2つは4分の1波長板108によつて
円偏波ら直線偏波に変換されてしまつている。同
様に、ビームDは左旋回円偏波の周波数およ
の波ならびに右旋回円偏波の周波数
よびの波を含む。偏波方向は誘電体層102
の後側から反射されるとき逆になる。ビームEは
ビーム分割器106の開口を通過しそして直線偏
波に戻すように変換されて水平偏波の周波数
およびの波ならびに垂直偏波の周波数
よびの波を含むビームFになる。 ビーム6およびJは反射性被覆112によつて
偏光子116および118へと反射される。偏光
子116は水平偏波だけを通過させるように方向
づけられ、これに対し偏光子118は垂直偏波だ
けを通過させるように方向づけられている。この
ようにして、周波数およびを有する波は
検出器120に結合され、周波数および
の波は検出器122に結合される。 各検出器に入射する2つの波の間のヘテロダイ
ン動作はその検出器内で生じて低周波数または直
流成分によつてバイアスされている正弦波の形の
出力信号を生じさせる。各正弦波の周波数は特定
の検出器に入射する2つの波間の周波数差に等し
く、これに対して、出力信号の平均振幅に比例す
る各直流成分の大きさはこれら2つの入射波の強
度の和に比例する。出力処理回路32より更に処
理することにより、回転量を表わすデイジタル信
号と圧電変換器20の動作に対し用いられるアナ
ログ信号とが発生されてレーザージヤイロスコー
プ空胴5内の適当な路長が維持される。 第3図に関連して説明した本発明により丈夫で
コンパクトで機械的に堅固な構造体が提供される
のが理解されよう。従来技術においては、各個々
えの光学的構成要素は個々のフレーム上に別個に
装着され、このフレームは下側にある基板に固定
された。本発明を利用すれば、出力光学構造体は
単一の堅固なユニツトの形で提供されてスペース
を大きく節役する。この利点はいかなる構成要素
によつて占められるスペースも合計重量も最小に
されるべきである多くの応用において極めて重要
である。 第4図にはコンパクトで丈夫な機械的出力藩光
学構造体が設けられるようになつた本発明のもう
1つの実施例の断面図が示されている。第4図に
示された実施例の装置は第3図に示されたものと
殆んど同じ仕方で動作するが、ただしビーム分割
器および4分の1波長板の位置が逆にされている
点および異なる形状のプリズム130が用いられ
ていて異なるビーム路を生じさせるという点で相
異する。また、偏光子116および118ならび
に検出器ダイオード120および122は一部が
反射性被覆134で覆われているレトロ・ブリズ
ム130の同じ表面上に取り付けられている。第
4図に示された装装置に対する動作は装置内に存
在する波の周波数および偏波状態を示す第2表に
詳記されている。
[Table] In Table 1, the symbol "L" diagonally above indicates left-handed circular polarization, the symbol "R" indicates right-handed circular polarization, and the symbol "V" indicates vertical linear polarization. The symbol "H" indicates horizontal linear polarization. As before, the symbol at the bottom indicates the frequency of the particular wave. 1/1
The wave plate 108 is configured such that the right-handed circularly polarized wave and the left-handed circularly polarized wave are converted into horizontally linearly polarized waves and vertically linearly polarized waves, respectively, that is, the fast axis direction is +45.
It is oriented so that ゜. It should also be noted that when horizontally polarized waves and vertically polarized waves pass through the quarter-wave plate 108 in either direction, they are converted into right-handed circularly polarized waves and left-handed circularly polarized waves, respectively. That's true. All beams below quarter wave plate 108 are circularly polarized and quarter wave plate 1
It is understood that the beam above 08 is linearly polarized. Because horizontally and vertically polarized waves are stationary modes for reflection from surfaces with normals in the plane of incidence, interference occurs when reflected from any of the surfaces above quarter-wave plate 108. There is no loss of polarization induced by . The passage of a representative beam can be traced through the device. The beams circulating counterclockwise at point A within the laser gyroscope cavity 5 have frequencies 2 and 3 which are left-handed and right-handed circularly polarized, respectively. A small portion of these beams is transmitted through dielectric layer 102 and into mirror substrate 104 . The polarization of the incident beam is substantially maintained due to the small angle of incidence with respect to the normal to dielectric layer 102. Preferably, the laser gyroscope cavity 5 is constructed in such a way that the angle between the incoming beams is less than 30°. By maintaining such a small angle of incidence on the dielectric layer 102, a high degree of maintenance of circular polarization is achieved. For large angles of incidence, the flatness of the beam emerging from the rear surface of dielectric layer 102 increases rapidly. As the flatness increases, the signal energy available at each detector diode is reduced because the polarizer must be oriented either to completely eliminate the undesired component or to pass the maximum amplitude of the desired signal. I get tired. Since the beam is no longer at orthogonal energy to the elliptical polarization, the polarizer cannot be directed to pass both the maximum amplitude of the desired signal while rejecting all of the undesired components. In the former case, interference occurs between the desired output signals;
In the latter case a reduction in signal amplitude occurs. At point B, which is within the reflector substrate 104, there is a counterclockwise component from the four waves circulating within the laser gyroscope cavity. These are frequencies 2 for left-handed circularly polarized waves and right-handed circularly polarized waves, respectively.
and 3 . When passing through the aperture of beam splitter 106 and quarter wave plate 108, these waves are converted to vertical and horizontal polarization, respectively. The same polarization is maintained after reflection from reflective coatings 114 and 112 on the top surface of retro prism 110, however, this beam has frequencies 1 and 4 of right-handed and left-handed circular polarization, respectively. is displaced a lateral distance in such a way as to coincide on the top surface of beam splitter 106 at the same location as the beam labeled "I" containing a component from the clockwise beam of . Transmitted and reflected components are produced from the beams in such a way that both the reflected and transmitted beams from a common point of incidence on beam splitter 106 contain waves of all four frequencies. Beam J includes horizontally polarized waves at frequencies 1 and 2 and vertically polarized waves at frequencies 3 and 4 , the latter two being converted from circularly to linearly polarized by quarter-wave plate 108. It has been converted. Similarly, beam D includes waves of frequencies 1 and 2 of left-handed circular polarization and waves of frequencies 3 and 4 of right-handed circular polarization. The polarization direction is the dielectric layer 102
The opposite occurs when it is reflected from the rear side. Beam E passes through the aperture of beam splitter 106 and is converted back to linear polarization at frequency 1 of horizontal polarization.
and 2 waves and vertically polarized waves of frequencies 3 and 4 . Beams 6 and J are reflected by reflective coating 112 onto polarizers 116 and 118. Polarizer 116 is oriented to pass only horizontally polarized waves, whereas polarizer 118 is oriented to pass only vertically polarized waves. In this way, waves with frequencies 1 and 2 are coupled to detector 120, and waves with frequencies 3 and 4 are coupled to detector 120.
waves are coupled to a detector 122. Heterodyne action between the two waves incident on each detector occurs within that detector resulting in an output signal in the form of a sine wave that is biased by a low frequency or DC component. The frequency of each sine wave is equal to the frequency difference between the two waves incident on a particular detector, whereas the magnitude of each DC component, which is proportional to the average amplitude of the output signal, is the magnitude of the intensity of these two incident waves. Proportional to the sum. Further processing from the output processing circuit 32 generates a digital signal representing the amount of rotation and an analog signal used for the operation of the piezoelectric transducer 20 to maintain the appropriate path length within the laser gyroscope cavity 5. be done. It will be appreciated that the invention described in connection with FIG. 3 provides a durable, compact and mechanically sound structure. In the prior art, each individual optical component was mounted separately on an individual frame, which was fixed to the underlying substrate. Utilizing the present invention, the output optical structure is provided in a single, rigid unit, greatly saving space. This advantage is extremely important in many applications where both the space occupied by any component and the total weight are to be minimized. FIG. 4 shows a cross-sectional view of another embodiment of the invention in which a compact and robust mechanical output optical structure is provided. The apparatus of the embodiment shown in FIG. 4 operates in much the same manner as that shown in FIG. 3, except that the positions of the beam splitter and quarter-wave plate are reversed. The difference is that a point and a different shaped prism 130 are used to produce different beam paths. Polarizers 116 and 118 and detector diodes 120 and 122 are also mounted on the same surface of retro-brism 130, which is partially covered with reflective coating 134. The operation of the device shown in FIG. 4 is detailed in Table 2 which shows the frequency and polarization state of the waves present in the device.

【表】 第2表において偏向状態の記号「+」および
「−」は代表的には30゜ないし45゜というような
或る角度だけ水平に対して正および負に方向づけ
られた直線偏波を意味する。 多層誘電体被覆を通しての透過は円偏波の偏波
状態を変えてそれらを楕円にする。この効果は入
射面に垂直に振動する波(“S”偏波)と比較し
て電界の振動の主面が入射面内に存在する電磁波
(“P”偏波)の透過の差から生ずる。これら2つ
の偏波に対する透過率の比は入射角によつて左右
され、代表的には1,2ないし5の値を有する。
これは透過波の対応的な扁平さを生じさせ、直線
偏波でなくて楕円偏波を有する波を生じさせてし
まう。従つて偏光子は各ダイオードにおける2つ
の不所望を阻止することができない。しかしなが
ら、第4図の4分の1波長板136および138では不
所望波の偏波は不所望偏波を阻止するように方向
づけられている偏光子をもつて各場合において直
線にされる。従つて混信は完全に除去される。更
に、仮に反射鏡102の裏側における反射時に偏
波の変化があつたとしたら、これは同じ4分の1
波長板138をもつて同時に補償され得る。前述
したように、混信を除去する望ましさはジヤイロ
スコープ出力ノイズを考察することから理解され
る。本発明は信号エネルギーを小量だけ減少させ
るだけで出力反射鏡102の異なる“S”および
“P”透過率の存在の下でも混信の除去を可能な
らしめる。第4図および第5図に示された実施例
において、4分の1波長板は45゜ではなくて0゜
に方向づけられるできである。この場合反射鏡1
02から出た楕円偏波は直ちに4分の1波長板に
よつて2つの一般的に非直交面内にある直線偏波
に変換される。従つて、これらの波が更に別の偏
波消失性要素に出会わないときは、混信は付加的
な4分の1波長板を必要とすることなしに偏光子
116および118の使用によつて除去し得る。 第5図には機械的に丈夫で堅固でコンパクトな
構造体の形にある本発明のもう1つの実施例が示
されている。種々のビームの偏波状態が第3表に
示されている。
[Table] In Table 2, the polarization state symbols "+" and "-" indicate linearly polarized waves oriented positively and negatively relative to the horizontal at an angle, typically 30° to 45°. means. Transmission through the multilayer dielectric coating changes the polarization state of the circularly polarized waves, making them elliptical. This effect results from the difference in transmission of electromagnetic waves in which the principal plane of electric field oscillation lies within the plane of incidence ("P" polarization) compared to waves oscillating perpendicular to the plane of incidence ("S" polarization). The ratio of the transmittance for these two polarizations depends on the angle of incidence and typically has a value of 1, 2 to 5.
This causes a corresponding flattening of the transmitted wave, resulting in a wave with elliptical rather than linear polarization. Therefore, the polarizer cannot block the two undesirables in each diode. However, in the quarter wave plates 136 and 138 of FIG. 4, the polarization of the undesired wave is straightened in each case with the polarizer oriented to block the undesired polarization. Interference is therefore completely eliminated. Furthermore, if there was a change in polarization during reflection on the back side of the reflecting mirror 102, this would be 1/4 of the same amount.
It can be compensated at the same time with wave plate 138. As previously mentioned, the desirability of eliminating interference can be understood from a consideration of gyroscope output noise. The present invention allows interference rejection even in the presence of different "S" and "P" transmissions of the output reflector 102 while reducing the signal energy by only a small amount. In the embodiment shown in FIGS. 4 and 5, the quarter wave plate can be oriented at 0° rather than 45°. In this case, reflector 1
The elliptically polarized wave emerging from 02 is immediately converted by a quarter-wave plate into two generally linearly polarized waves in non-orthogonal planes. Therefore, when these waves do not encounter further polarization-depleting elements, interference can be eliminated by the use of polarizers 116 and 118 without the need for additional quarter-wave plates. It is possible. FIG. 5 shows another embodiment of the invention in the form of a mechanically strong, rigid and compact structure. The polarization states of the various beams are shown in Table 3.

【表】 第4図の装置で用いられたプリズム形状がこの
実施例で用いられている。しかしながら、ビーム
分割器106に隣接して4分の1波長板は設けら
れていない。しかしながら、個々の4分の1波長
板136および138が偏光子116および11
8に隣接して設けられている。この実施例は各検
出器ダイオードに対する4分の1波長板が個々に
調整され得るという利点を達成する。これは或る
程度の偏波の消失が生じて種々の反射性被覆およ
び誘電体層からまたはそれらを通して、或いは非
理想的に4分の1波長板からの位相誤差の差また
は反射率の差または透過率の差のために楕円偏波
を生じさせる情況で有用である。更に、第5図の
実施例においてビーム分割器106に隣接して4
分の1波長板を設けることができ、或いは、等価
的な方法として、第4図の実施例の偏光子116
および118の前に個々の4分の1波長板を設け
ることができる。2重の4分の1波長板は個々の
ビームの偏波の消失によつて生ぜしめられる殆ん
ど全ての収差を除去するという利点を有する。 本発明は図面に示された実施例に限定されるも
のではなく、本発明の範囲内で種々の変形が可能
なことが理解されよう。
[Table] The prism shape used in the apparatus of FIG. 4 is used in this example. However, no quarter wave plate is provided adjacent to beam splitter 106. However, individual quarter-wave plates 136 and 138
It is located adjacent to 8. This embodiment achieves the advantage that the quarter wave plate for each detector diode can be adjusted individually. This may result in some degree of polarization loss resulting in phase error differences or reflectance differences from or through the various reflective coatings and dielectric layers, or non-ideally from quarter-wave plates. Useful in situations where elliptical polarization occurs due to differences in transmittance. Additionally, in the embodiment of FIG.
A half-wave plate may be provided or, equivalently, the polarizer 116 of the embodiment of FIG.
and 118 may be preceded by individual quarter-wave plates. Dual quarter-wave plates have the advantage of eliminating almost all aberrations caused by the loss of polarization of the individual beams. It will be understood that the invention is not limited to the embodiments shown in the drawings, but that various modifications are possible within the scope of the invention.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明が有利に用いられるレーザージ
ヤイロスコープ・システムのブロツクダイヤグラ
ム、第2図は別個に装着された光学的稿成要素を
備える本発明に従う出力構造体を示す図、第3図
は全ての出力構成要素が1つの機械的に堅固な構
造体内に結合されている本発明に従う出力構造体
の断面図、第4図は本発明のもう1つの実施例の
断面図、第5図は本発明の更にもう1つの実施例
の断面図である。 5……レーザージヤイロスコープ空胴、10…
…レーザー利得媒体、12,13,15……反射
鏡、16……偏波分散性構造体、17……水晶回
転子、18……フアラデー回転子、20……圧電
変換器、22……出力反射鏡、30……出力光学
構造体、32……出力処理回路。
1 is a block diagram of a laser gyroscope system in which the invention may be advantageously used; FIG. 2 shows an output structure according to the invention with separately mounted optical components; FIG. 4 is a sectional view of an output structure according to the invention in which all output components are combined in one mechanically rigid structure; FIG. 4 is a sectional view of another embodiment of the invention; FIG. is a cross-sectional view of yet another embodiment of the present invention. 5... Laser gyroscope cavity, 10...
... Laser gain medium, 12, 13, 15 ... Reflector, 16 ... Polarization dispersive structure, 17 ... Crystal rotator, 18 ... Faraday rotator, 20 ... Piezoelectric transducer, 22 ... Output Reflector, 30... Output optical structure, 32... Output processing circuit.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 (a) レーザー利得媒体と、各々が異なる周波
数を有する2対の円偏波を発生する偏波分散構
造体と、から成るレーザー・ジヤイロスコープ
空胴であつて、前記2対の円偏波を維持するた
め利得媒体を通る閉路を形成するように配置さ
れた複数の反射手段を有し、2対の円偏波の
各々は夫々逆方向に伝搬し、2対の円偏波の第
1対の波は周波数及びで第1の偏波方
向を有し、第2対の波は周波数及びf4で第
1とは反対の第2偏波方向を有し、前記反射手
段の少なくとも1つがそこに当る2対の波を部
分的に透過させる第1表面領域を有し、1対の
空胴出力ビームを発生する空胴出力窓であり、
前記1対の空胴出力ビームの一方(第1空胴出
力ビーム)が前記第1対の第1方向に伝搬する
方の波の一部と前記第2対の第1方向に伝搬す
る方の波の一部とから成り、前記1対の空胴出
力ビームの他方(第2空胴出力ビーム)が前記
第1対の第2方向に伝搬する方の波の一部と前
記第2対の第2方向に伝搬する方の波の一部と
から成り、前記1対の空胴出力ビームは夫々反
対の偏波方向を有する、レーザー・ジヤイロス
コープ空胴と、 (b) ビーム分割器と、 (c) 前記第1空胴出力ビームを第1路に沿つて、
第2空胴出力ビームを第2路に沿つて、前記ビ
ーム分割器の共通領域に指向させる指向手段で
あつて、該指向手段が前記第2路内に配置され
前記第2空胴出力ビームを再指向させるレトロ
反射器を含み、前記ビーム分割器が、第1空胴
出力ビームの一部を透過させ前記再指向された
第2空胴出力ビームの一部を第1共通路に沿つ
て反射させて第1混合ビームを発生し、前記再
指向された第2空胴出力ビームの一部を透過さ
せ第1空胴出力ビームの一部を反射させて第2
混合ビームを発生し、その第2混合ビームが前
記空胴出力窓の第2表面領域によつて反射され
て第2共通路に沿つて指向され、前記第1及び
第2混合ビームが夫々周波数
及びの波を有す、指向手段と、 (d) 前記混合ビームの第1及び第2共通路内に配
置され、前記空胴出力ビームの第1及び第2路
からはそれて設けられ、第1及び第2混合ビー
ムの波を実質上直線偏波に変換する手段であつ
て、前記反対の偏波方向の波を実質上直交する
直線偏波に変換する手段と、 (e) 前記変換された第1及び第2混合ビームのエ
ネルギに応答して1対の電気信を発生する検出
手段であつて、前記1対の電気信号の一方が前
記空胴内の第1対の波の周波数との
差を表わし、1対の電気信号の他方が空胴内の
第2対の波の周波数との差を表わ
す、検出手段と、 から構成されるレーザー・ジヤイロスコープ。
[Claims] 1. (a) A laser gyroscope cavity comprising a laser gain medium and a polarization dispersion structure that generates two pairs of circularly polarized waves, each having a different frequency, the cavity comprising: In order to maintain the two pairs of circularly polarized waves, a plurality of reflecting means are arranged to form a closed path passing through the gain medium, and each of the two pairs of circularly polarized waves propagates in opposite directions, and the two pairs of circularly polarized waves propagate in opposite directions. A first pair of circularly polarized waves has a first direction of polarization at frequencies 1 and 2 , and a second pair of waves has a second direction of polarization opposite to the first at frequencies 3 and f4 . a cavity output window having a first surface area that is partially transparent to the two pairs of waves impinging thereon, and producing a pair of cavity output beams;
One of the pair of cavity output beams (the first cavity output beam) has a portion of the wave propagating in the first direction of the first pair and a portion of the wave propagating in the first direction of the second pair. the other of the pair of cavity output beams (the second cavity output beam) comprises a portion of the wave of the first pair propagating in the second direction; a portion of the wave propagating in a second direction, the pair of cavity output beams each having an opposite polarization direction; (b) a beam splitter; , (c) directing the first cavity output beam along a first path;
directing means for directing a second cavity output beam along a second path to a common area of the beam splitter, the directing means being disposed within the second path and directing the second cavity output beam; a retroreflector for redirecting, the beam splitter transmitting a portion of the first cavity output beam and reflecting a portion of the redirected second cavity output beam along a first common path; generating a first mixed beam, transmitting a portion of the redirected second cavity output beam and reflecting a portion of the first cavity output beam;
generating a mixed beam, a second mixed beam being reflected by a second surface area of the cavity output window and directed along a second common path, the first and second mixed beams each having a frequency of 1 ; , 2 , 3
and ( d ) a directing means disposed in the first and second common paths of the mixed beam and offset from the first and second paths of the cavity output beam; means for converting the waves of the first and second mixed beams into substantially linearly polarized waves, the means for converting the waves in opposite polarization directions into substantially orthogonal linearly polarized waves; (e) said conversion; detection means for generating a pair of electrical signals in response to the energies of the first and second mixed beams, one of the pair of electrical signals being at a frequency of the first pair of waves within the cavity; 1 and 2 , and the other of the pair of electrical signals represents the difference between frequencies 3 and 4 of a second pair of waves in the cavity. .
JP148878A 1977-01-10 1978-01-10 Laser gyroscope Granted JPS5387691A (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US75822877A 1977-01-10 1977-01-10

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS5387691A JPS5387691A (en) 1978-08-02
JPS6138635B2 true JPS6138635B2 (en) 1986-08-30

Family

ID=25050996

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP148878A Granted JPS5387691A (en) 1977-01-10 1978-01-10 Laser gyroscope

Country Status (6)

Country Link
JP (1) JPS5387691A (en)
CA (1) CA1088657A (en)
DE (1) DE2800869A1 (en)
FR (1) FR2377027A1 (en)
GB (1) GB1550579A (en)
IT (1) IT1103568B (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IT1214682B (en) * 1986-05-28 1990-01-18 Selenia Ind Elettroniche MULTIPASS OPTICAL CONFIGURATION OF LASER RADIATION THROUGH A SAME SATURABLE ABSORBER PLACED IN THE OPTICAL CAVITY OF A HIGH OPERATING POWER LASER, USING THE SAME SATURABLE ABSORBER, UNDER Q-SWITCH HOMODE LOCKING

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1467095A (en) * 1965-11-25 1967-01-27 Comp Generale Electricite Zero-shift laser gyro
GB1254399A (en) * 1969-04-23 1971-11-24 Kao Corp Improvements in the process for the photochemical sulfoxidation of n-paraffins
US3741657A (en) * 1971-03-03 1973-06-26 Raytheon Co Laser gyroscope
FR2271542A1 (en) * 1973-12-27 1975-12-12 Minisini Pierre Rotation measuring ring laser rate gyroscope - has two electro-optics crystals and two sensors for two laser beams

Also Published As

Publication number Publication date
GB1550579A (en) 1979-08-15
DE2800869A1 (en) 1978-07-13
DE2800869C2 (en) 1988-06-23
CA1088657A (en) 1980-10-28
IT1103568B (en) 1985-10-14
FR2377027B1 (en) 1984-06-15
JPS5387691A (en) 1978-08-02
IT7847565A0 (en) 1978-01-09
FR2377027A1 (en) 1978-08-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4141651A (en) Laser gyroscope output optics structure
US4449824A (en) Laser gyro output optics structure
US4273445A (en) Interferometer gyroscope formed on a single plane optical waveguide
US5102222A (en) Light wave polarization determination using a hybrid system
US7643212B1 (en) Rotationally tunable optical delay line
JPH0117275B2 (en)
JPH07508348A (en) 3D block homodyne interferometer
US4904083A (en) Partially transparent mirror for a ring laser
JP2786247B2 (en) Optical feedback isolator
CN115632707B (en) A Polarization-Independent Spatial Optical Delay Interferometer for Self-Coherence Detection
EP1410093B1 (en) Scanning apparatus
US3480878A (en) Ring laser with means for reducing coupling to backscattered waves
US3930731A (en) Laser gyroscope
JPS6138635B2 (en)
US3503682A (en) Optical mixing devices
US3486130A (en) Ring laser having a quarter wave plate for rotating the plane of polarization of light which is reflected back into the ring from the combining optics
US3937578A (en) Laser gyroscope
US3382759A (en) Ring laser biased by zeeman frequency offset effect for sensing slow rotations
GB2192070A (en) Optical attenuator
Loewenstein et al. POLARIZATION PROPERTIES OF FAR INFRA-RED BEAMSPLITTERS
CA1308281C (en) Partly transparent mirror for a ring laser gyro
US20240146013A1 (en) Method and arrangement for increasing the beam quality and stability of an optical resonator
CN115113410B (en) Multi-wavelength prism type spatial light bridge
CN115542564B (en) Polarization-independent space light self-homodyne interferometer
Azzam Polarization Michelson interferometer (POLMINT): its use for polarization modulation and temporal pulse shearing