JPS596520B2 - ring laser gyroscope - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、反対方向に伝搬している放射エネルギー或い
は光波の共振周波数間の差が上記伝搬波が進行している
構体の回転の測定となるジヤイロスコープとして使用さ
れるリングレーザに関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention is used as a gyroscope in which the difference between the resonant frequencies of radiant energy or light waves propagating in opposite directions is a measure of the rotation of the body in which said propagating waves are traveling. The present invention relates to a ring laser.

反対方向に伝搬しているレーザビームを利用しているリ
ンクレーザジャイロスコープは周知のものである。Link laser gyroscopes that utilize counterpropagating laser beams are well known.

されらの装置は、反対方向に伝搬するモードの部分を組
合せて対向モード間の周波数の差を表わすビード周波数
を発生することによつてリンクレーザジャイロスコープ
の回転を測定するために使用される。付随的に、用語「
モード」はここでは語「波］と互換的に使用され、リン
グレーザ空胴内を伝搬している放射エネルギーの共振進
行波を意味するものである。リングレーザ本体がリング
レーザ面に直角な成分を有する軸について回転されると
、空胴内を一方向に伝搬しているしている波の周波数は
減少する。探対方向に伝搬しているモード間の周波数の
この：変化は回転率に比例するビード周波数に変化をも
１たらす。最大信号を監視することによつて、リングレ
ーザの回転率についての情報が得られる。しかし、低回
転速度で機能するようなリンクレーザジャイロスコープ
では、周波数ロツキング、すなわちロツクインが克服さ
れなければならない。Their device is used to measure the rotation of a link laser gyroscope by combining portions of counterpropagating modes to generate a bead frequency that represents the difference in frequency between opposing modes. Incidentally, the term “
"mode" is used interchangeably with the word "wave" herein to refer to a resonant traveling wave of radiant energy propagating within the ring laser cavity. The frequency of the wave propagating in one direction in the cavity decreases when rotated about an axis with It also causes a change in the bead frequency which is proportional to 1. By monitoring the maximum signal, information about the rotation rate of the ring laser can be obtained. Lock-in, or lock-in, must be overcome.

この現象は若干異なる周波数を有する共振空胴内の２つ
の反対方向に進行している波が互の方に引込まれて単一
周波数の定在波に組合せる。この正昧の結果は、リング
レーザの低回転速度について２つの反対モード間の周波
数差が極めて小さい場合、ビード周波数が変化せずジヤ
イロスコープが小さな回転速度に対して不感であるよう
に波が互に引込まれる。ロツキング効果はアカデミツク
ブレスインク、ニユーヨーク州ニユーヨーク、１９７１
年、モンテローズ発行のレーザアプリケーシヨンズ中の
フレデリツク アロノウイツによる「レーザジャイロ（
ＴｈｅＬａｓｅｒＧｙｒＯ）」と題する論文、第１３３
頁乃至第２００頁中に詳細に説明されている。ロツクイ
ン結合の原理的原因がビームの各々から他方の方向への
エネルギーの相互分散であることは周知である。This phenomenon causes two oppositely traveling waves in a resonant cavity with slightly different frequencies to be pulled towards each other and combine into a single frequency standing wave. This controversial result shows that for low rotational speeds of the ring laser, if the frequency difference between the two opposing modes is extremely small, the wave will be such that the bead frequency does not change and the gyroscope is insensitive to small rotational speeds. drawn into each other. Locking Effects Academic Breath, Inc., New York, NY, 1971
``Laser Gyro'' by Frederik Aronowitz in Laser Applications published by Monterose
The Laser GyrO), No. 133
It is explained in detail on pages 200 to 200. It is well known that the fundamental cause of lock-in coupling is the mutual dispersion of energy from each of the beams in the other direction.

この相互分散、Ｔなわち、後方散乱（Ｂａｃｋｓｓｃａ
ｔｔｅｒ）は上記アロノウイツの第１４８頁一第１５３
頁に詳細に説明されている。簡単には、リングレーザの
２つの反対方向伝搬波間の差周波数は式．ｌム一１Ｌｒ
１ｎ′ム で与える。This mutual dispersion, T, or backscattering
tter) is from page 148-153 of the above Aronowitz.
It is explained in detail on page. Simply, the difference frequency between two counter-propagating waves of a ring laser is expressed as: 1 1 Lr
Give in 1n'm.

ここでψは反対方向伝搬波間の瞬時位相差、旦はリング
レーザの回転速度に比例し、九は後方散乱エネルギーの
大きさに比例する。旦がｂより小さい場合には、ビード
周波数は、零に等しく、リングレーザがロツクインされ
る。リングレーザ本体の回転を表わすジヤイロスコープ
出力を得るためには、旦は亘より大きＩくなければなら
ない。ロツキングをなくする一方法はリングレーザ本体
を機械的に振動することである。where ψ is the instantaneous phase difference between counterpropagating waves, 9 is proportional to the rotational speed of the ring laser, and 9 is proportional to the magnitude of the backscattered energy. If b is less than b, the bead frequency is equal to zero and the ring laser is locked in. In order to obtain a gyroscope output representing the rotation of the ring laser body, the angle must be greater than Wataru. One way to eliminate rocking is to mechanically vibrate the ring laser body.

レーザ構体を振動することによつて、回転速度は項ａの
多くがｂより大きくｂの効果が最小成いは除去されるよ
ノうにジヤイロスコープに加えられる。機械的振動を使
用しているジヤイロは既に提案されている。示唆されて
いるロツクイン効果を最小にする別の方法は、リ グレ
ーザ通路内に配置されるフアラデーセルの 界の直接振
動である。リングレーザ空胴内で 分極レーザ波はベ
クトルがフアラデーセルの巻竺と同一方向に回転する円
形分極光′．′：′：：――＝昌】：＝【τ二る方向と
に依 て光通路長の増減が生じるとき磁界によつて
される。By vibrating the laser assembly, a rotational speed is applied to the gyroscope such that term a is greater than b and the effect of b is minimized or eliminated. Gyroscopes using mechanical vibration have already been proposed. Another method of minimizing the lock-in effect that has been suggested is direct oscillation of the field of a farade cell placed within the relaser path. Inside the ring laser cavity, the polarized laser wave is circularly polarized light whose vector rotates in the same direction as the windings of the Faraday cell. ′:′::――＝昌】:=【τWhen the optical path length increases or decreases depending on the two directions, it is determined by the magnetic field.
be done.

フアラデーセルを通過した後、円形 光は線型分極光
に逆変換される。フアラデーセ 線の電流を振動する
ことによつ：１、：リリ：Ｈ！：＄＄Ｋ蓄フ獅？！ツク
イン効果が最小にされるように上記式においてａをｂよ
り大きくするように使用することができる。After passing through the Faraday cell, the circular light is converted back to linearly polarized light. By vibrating the electric current of the Huaradese wire: 1,: Lili: H! :$$K-fuji? ! A can be used to be greater than b in the above equation so that twin-in effects are minimized.

フアラデーセル使用しているこの磁気振動は上記アロノ
ウイツの第１５７頁一第１５９頁に説明されている。上
記ロツクイン防止技術は受動的なものである。This magnetic oscillation using Farade cells is explained in Aronowitz, supra, pages 157-159. The lock-in prevention technology described above is passive.

すなわちこれらは能動レザー利得媒体に依存しない。ま
た、これらの方法では、レーザ通路を一方向に伝搬して
いる波によつて見られる効果は等しく、反対方向に進行
している波についての効果と反対である。説明のため、
回転情報を生ずるため組合されるリングレーザ空胴にお
ける２つの反対方向の共振モードを「主モード」と呼ぶ
。That is, they do not rely on an active laser gain medium. Also, in these methods, the effect seen by a wave traveling in one direction through the laser path is equal and opposite to the effect for a wave traveling in the opposite direction. For explanation,
The two opposing resonant modes in the ring laser cavity that combine to produce rotational information are referred to as the "principal mode."

本発明の目的は、リングレーザ空胴に追加のモードを導
入することによつてリングレーザ空胴において反対方向
に伝搬している主モード間のロツクインを最小にするこ
とにある。これらの追加のモード或いは２次モードは主
モードと異なる周波数で振動し、かつレーザ利得媒体を
介して主モードと結合してロツクイン阻止効果を生じる
。例えば、本発明の一実施例では、４つの振動共振モー
ドがリングレーザ空胴内に発生される。It is an object of the present invention to minimize lock-in between oppositely propagating dominant modes in a ring laser cavity by introducing additional modes into the ring laser cavity. These additional modes or secondary modes oscillate at a different frequency than the main mode and couple with the main mode through the laser gain medium to create a lock-in prevention effect. For example, in one embodiment of the invention, four vibrational resonant modes are generated within the ring laser cavity.

これらの４つのモードは、２つの主モードがレーザ利得
曲線の中心から若干ずれた周波数で動作する一方、２つ
の比較的弱い２次モードが閾値より若干上の利得曲線上
の周波数で振動するようにレーザ空胴を離調することに
よつて発生されうる。閾値は共振モードがレーザ利得媒
体において増巾され始める利得曲線上の領域と定義され
る。２次モと結合してφについての振動効果を生じる。These four modes are such that the two dominant modes operate at frequencies slightly offset from the center of the laser gain curve, while the two relatively weak secondary modes oscillate at frequencies on the gain curve slightly above the threshold. can be generated by detuning the laser cavity to . The threshold is defined as the region on the gain curve where resonant modes begin to be amplified in the laser gain medium. It combines with the second-order modulus to produce an oscillating effect about φ.

弱いモードと強いモードとの結合の結果としてのφにつ
いてのこの振動効果は式のロツキング成分を妨げてそれ
を減じたり或いは除去する。本発明の他の実施例は外部
レーザ源からの摂動振動を与えるものである。This oscillatory effect on φ as a result of the coupling of weak and strong modes interferes with the locking component of the equation, reducing or eliminating it. Another embodiment of the invention provides perturbing vibrations from an external laser source.

２つのレーザビームが２モードリングレーザのリングレ
ーザ空胴に注入されることができる。Two laser beams can be injected into the ring laser cavity of a two-mode ring laser.

注入モードは一方が各方向に進行してレーザ媒体から利
得を受けてリングレーザに発生される２つの主モードと
結合する。主モードと異なる周波数を有するこれらの注
モードは異なる周波数の振動効果を得るため主モードと
結合する。この振動は２つの反対方向に伝搬している主
モード間の結合を減じ或いは除去してロツクインを減じ
たり或いは除去する。本発明の更なる実施例は、外部源
としてリングレーザの反対方向に伝搬している波の一方
の一部を使用するものである。The injection mode combines with two main modes generated in the ring laser, one traveling in each direction and receiving gain from the laser medium. These modes with different frequencies from the main mode combine with the main mode to obtain different frequency vibration effects. This vibration reduces or eliminates the coupling between the two oppositely propagating principal modes, reducing or eliminating lock-in. A further embodiment of the invention uses part of one of the counter-propagating waves of the ring laser as the external source.

リングレーザの２つの主モードが振動するのに十分な利
得を有する場合、一方のモードの一部は部分的反射鏡を
通してリングレーザ空胴から抽出される。抽出された部
分はその共振周波数を変更しかつそれを減衰するためド
ツブラシフトされる。このドツブラシフトされたモード
は若干異なる周波数を有し、元の主モードと再組合さつ
てロツクインを減する振動を生じる。本発明の目的はま
た、主モードの部分を組合せてレーザジャイロスコープ
の回転速度及び方向を表わす信号を得る手段を提供する
ことにある。If the two main modes of the ring laser have sufficient gain to oscillate, a portion of one mode will be extracted from the ring laser cavity through the partially reflective mirror. The extracted portion is Dotsbra shifted to change its resonant frequency and attenuate it. This Dobbler shifted mode has a slightly different frequency and recombines with the original dominant mode to produce vibrations that reduce lock-in. It is also an object of the invention to provide a means for combining parts of the principal modes to obtain a signal representative of the rotational speed and direction of the laser gyroscope.

また、本発明は共振モードが利得曲線上の所望の周波数
で振動するようにレーザジャイロスコープの空胴長を監
視して最適化する装置を含む。本発明の他の目的、特長
及び利点は以下の詳細な説明から明らかになる。The invention also includes an apparatus for monitoring and optimizing the laser gyroscope cavity length so that the resonant mode oscillates at a desired frequency on the gain curve. Other objects, features and advantages of the invention will become apparent from the detailed description below.

上述したように、リングレーザ空胴内の２つの主反対方
向共振モードを組合せることによつて生じる差周波数或
いはビード周波数は式′ によつて与えられる。As mentioned above, the difference frequency or bead frequency resulting from combining the two main opposite resonant modes in the ring laser cavity is given by Equation '.

ここでψは反対進行波間の瞬時位相差、ａはリンクレー
ザジャイロスコープの回転速度に比例し、旦は後方散乱
（Ｂａｃｋｓｃ一Ａｔｔｅｒ）エネルギーの大きさに比
例するものであ生じる結合を表わす。小さな回転速度の
場合、ａは互より小さく、φは零になる。この状態にお
いては、リンクレーザジャイロスコープはロツクインさ
れ、実際の回転を表わす出力を生じない。従つて、小さ
いが有限の回転速度では、リングレーザはジヤイロスコ
ープとして働らかない。ビード周波数が瞬時に摂動され
るようにリングレーザに対し物理的に何かをしてやるこ
とによつて、追加の時間変化項が上記式に加えられて次
のように変更される。Here, ψ is the instantaneous phase difference between counter-progressing waves, a is proportional to the rotational speed of the link laser gyroscope, and a is proportional to the magnitude of the backscattered (backscattered) energy, representing the coupling that occurs. For small rotational speeds, a is smaller than each other and φ becomes zero. In this state, the link laser gyroscope is locked in and produces no output representative of actual rotation. Therefore, at small but finite rotational speeds, the ring laser does not work as a gyroscope. By physically doing something to the ring laser so that the bead frequency is instantaneously perturbed, an additional time-varying term is added to the above equation and modified to:

この式において立及びＷは差周波数ψに課せられた摂動
の振巾及び周波数をそれぞれ表わす。In this equation, T and W represent the amplitude and frequency of the perturbation imposed on the difference frequency ψ, respectively.

この式をψ（ｔ）について解くと、近似的に次の式にな
る０（７、′。〜−，．４−Ｄ．．．，Ｃｌ、．．３７
４、ｃ及びＷの値がＪＯ一零となるように選択されると
、式はｌムノｊ− となり、元の差周波数の式のロツキングの項が除去され
る。Solving this equation for ψ(t) approximately yields the following equation: 0(7,'.~-,.4-D...,Cl,..37
If the values of 4, c, and W are chosen to be JO equal to zero, the equation becomes lmunoj-, and the locking term in the original difference frequency equation is removed.

本発明の以下の説明においては、差周波数についてのこ
のような追加の摂動効果が主共振モードと結合するよう
に追加のモード或いは周波数をリングレーザ空胴に導入
することによつて得られる。これらの追加の摂動波或い
は２次モードの効果は上述したように項ＣｃＯｓｗｔの
追加によつて説明される。２次モードの振巾及び周波数
を制御することによつて、項Ｃ及びｗはリンクレーザジ
ャイロにおいてロツキングを減するように操作されうる
。In the following description of the invention, such additional perturbing effects on the difference frequency are obtained by introducing additional modes or frequencies into the ring laser cavity to couple with the main resonant mode. The effects of these additional perturbation waves or secondary modes are accounted for by the addition of the term CcOswt as described above. By controlling the amplitude and frequency of the secondary modes, the terms C and w can be manipulated to reduce locking in a linked laser gyro.

第１図はリンクレーザジャイロスコープ２を示す。FIG. 1 shows a link laser gyroscope 2. FIG.

レーザ本体４は石英から作られ、その内の封止空胴６に
は９０％のヘリウムと１０％のネオンが充填されている
。２つの陽極８及び１０と２つの陰極１２及び１４とが
空胴６に取付けられている。The laser body 4 is made of quartz, and the sealed cavity 6 therein is filled with 90% helium and 10% neon. Two anodes 8 and 10 and two cathodes 12 and 14 are attached to the cavity 6.

陰極１２と陽極８との間及び陰極１４と陽極１０との間
のそれぞれの空胴領域においてガス混合物は電気的に帯
電されて、空胴６内で共振レーザモードを発生しかつそ
れを増巾するための増巾媒体として働くガスプラブマを
与える。３つの誘電体鏡１６，１８及び２０が３角形状
の共振空胴６の３つの角に配置されている。The gas mixture in the respective cavity regions between cathode 12 and anode 8 and between cathode 14 and anode 10 is electrically charged to generate and amplify a resonant laser mode within cavity 6. Give gas pravuma to act as a broadening medium for. Three dielectric mirrors 16, 18 and 20 are arranged at three corners of the triangular resonant cavity 6.

これらの鏡は当鏡２０はそれに衝突するリングレーザ波
の小さなパーセントを鏡を通過させる部分反射鏡である
。線２２で示される通路に沿つて空胴６を進行している
２つの主逆伝搬モードの部分が鏡を通過し、かつ組合せ
器及び光検出器組立体２３内のプリズム構体において、
組合わさつてしまパターンを形成する。このしまパター
ンは光感検出器によつて受取られ、そこに発生される信
号は回転速度及び方向を決定する標準的なデータ処理論
理回路２６へリード線２４を介して伝送される。逆方向
伝搬波を組合せること及びそれから得られる情報を処理
することについての詳細な検討は上記アロノウイツ（Ａ
ｒＯｎＯｗｌｔｚ）の第１３９頁乃至１４１頁に含まれ
ている。レーザビーム周波数は、空胴長、すなわちレー
ザモードが通路２２を一周する一つの完全なループを完
了するに当つて進行する距離を変えることによつて制御
される。These mirrors 20 are partially reflective mirrors that allow a small percentage of the ring laser waves that impinge on them to pass through the mirrors. Portions of the two main counter-propagating modes traveling through the cavity 6 along the paths indicated by lines 22 pass through the mirror and in the prism structure in the combiner and photodetector assembly 23.
Combined to form a pattern of strips. This striped pattern is received by a photosensitive detector and the signals generated thereon are transmitted via leads 24 to standard data processing logic 26 which determines rotational speed and direction. A detailed discussion of combining counter-propagating waves and processing the information obtained therefrom can be found in Aronowitz, supra.
rOnOwltz), pages 139 to 141. The laser beam frequency is controlled by varying the cavity length, ie, the distance that the laser mode travels in completing one complete loop around the passageway 22.

空胴内で共振しうるモードが特定のレーザ利得媒体につ
いての強度分布曲線（利得曲線）の中心になるように空
胴長を調整或いは同調することが一般に望ましい。空胴
長を調整するために、鏡１６が内外に動かすことができ
るようにレーザ本体４に取付けられている。空胴長制御
は、圧電素子２８に交流電圧を印加することによつて鏡
１６を振動することにより行なわれる。鏡１６が予定の
周波数で振動されると、光検出器組立体２３に発生され
る強度信号は、変化してリード線３０を介して標準的な
閉ループ空胴長制御回路３２に伝送される。この回路は
空胴の共振モードが利得曲線に沿つているかどうかを決
定して、リード線３４を介して圧電素子２８に与えられ
る直流信号を増犬或いは減少することによつて公称空胴
長を調節する。この型の回路の十分な検討は、ナサレポ
ート（ＮＡＳＡＲｅｐＯｒｔ）第ＣＲ−１３２２６１号
、「ＡＡｌ３ＯＯＡｂＯ２レーザジャイロの設計と関発
（ＤｅｓｉｇＯａｎｄＤｅｖｅｌＯｐｍｅｎｔＯｆｔｈ
ｅＡＡｌ３ＯＯＡｂＯ２ＬａｓｅｒＧｙｒＯ）」、テイ
一、ジエイ・ポジヨースキイ（Ｔ．Ｊ．ＰＯｄｇＯｒｓ
ｋｌ）及びデイ一・エヌ・サイミアン（Ｄ．Ｎ．Ｔｈｙ
ｍｉａｎ）、１９７３年、第１０頁及び第１１頁、に含
まれている。第１図に示される本発明の実施例では、空
胴の主逆伝搬モード間の差周波数の振動は、空胴長をに
はレーザ利得曲線４４、すなわちレーザ利得プラズマに
おいて放出される光の強度分布対このような放出光の光
周波数が示されている。当該技術において周知のように
、リングレーザ空胴内では特定の周波数のみが共振でき
る。すなわち増巾される。これらの共振モード間の周波
数間隔は、通路長Ｌ、或いはレーザ通路を一周する一つ
の完全なループを波が完了する距離によつて分割された
光Ｃの速度によつて決定される。第２図において、線３
６及び３８は、リングレーザ空胴が利得曲線４４の中心
に同調されたとき予定した周波数に存在する時計方向及
び反時計方向のモードをそれぞれ表わす。It is generally desirable to adjust or tune the cavity length so that the mode that can resonate within the cavity is centered in the intensity distribution curve (gain curve) for a particular laser gain medium. A mirror 16 is mounted on the laser body 4 so that it can be moved in and out to adjust the cavity length. Cavity length control is performed by vibrating mirror 16 by applying an alternating current voltage to piezoelectric element 28. When mirror 16 is oscillated at a predetermined frequency, the intensity signal generated at photodetector assembly 23 changes and is transmitted via lead 30 to a standard closed loop cavity length control circuit 32. This circuit determines whether the resonant mode of the cavity is along the gain curve and adjusts the nominal cavity length by increasing or decreasing the DC signal applied to piezoelectric element 28 via lead 34. Adjust. A thorough review of this type of circuit can be found in NASA Report No. CR-132261, “DesigOandDevelOpmentOfth
eAAl3OOAbO2LaserGyrO), T.J. POdgOrs
kl) and D.N.Thy
mian), 1973, pages 10 and 11. In the embodiment of the invention shown in FIG. 1, the oscillations in the difference frequency between the main counter-propagating modes of the cavity are determined by the laser gain curve 44, i.e. the intensity of the light emitted in the laser gain plasma, depending on the cavity length. The distribution versus optical frequency of such emitted light is shown. As is well known in the art, only certain frequencies can resonate within a ring laser cavity. In other words, the width is increased. The frequency spacing between these resonant modes is determined by the path length L, or the speed of the light C divided by the distance the wave completes one complete loop around the laser path. In Figure 2, line 3
6 and 38 represent the clockwise and counterclockwise modes, respectively, that exist at the predetermined frequencies when the ring laser cavity is tuned to the center of the gain curve 44.

線４０及び４２並びに線４６及び４８は、空胴内に存在
する光学周波数スケール上の最近接モードを示すが、こ
れらの他のモードを空胴６内で増巾する利得媒体は与え
られていない。点線５０によつて示される強度レベルは
閾値、すなわちレーザ利得媒体が共振波を空胴内で少な
くとも増巾するレベルを表わす。第１図の発明の実施例
では、空胴長の離調は、空胴長が理論モード３６及び３
８を利得曲線の中心から動かすように離調されるように
圧電素子２８に電気信号の直流成分を調整することによ
つて行なわれる。閾値以上で振動する２次共振波が共振
空胴６に導入されるには十分な離調が行なわれなければ
ならない。第３図は共振モード３６及び３８が２次波４
０及び４２を利得曲線の閾値より若干上で振動させるに
十分に利得曲線４４の中心から動かされるように空胴長
がどのように調整されるかを示している。空胴において
時計方向に伝搬している２次モード４０は、空胴６にお
５）て伝搬している閾値より十分上でかつ同方向の比較
的強力な主モード３６と結合する。Lines 40 and 42 and lines 46 and 48 show the nearest modes on the optical frequency scale that exist within the cavity, but no gain medium is provided to amplify these other modes within cavity 6. . The intensity level indicated by dotted line 50 represents a threshold, ie, the level at which the laser gain medium at least amplifies the resonant wave within the cavity. In the embodiment of the invention of FIG.
This is done by adjusting the DC component of the electrical signal to piezoelectric element 28 so that it is detuned to move 8 from the center of the gain curve. Sufficient detuning must be performed in order for a secondary resonant wave vibrating above a threshold to be introduced into the resonant cavity 6. Figure 3 shows that resonance modes 36 and 38 are secondary waves 4
It shows how the cavity length is adjusted so that it is moved far enough from the center of the gain curve 44 to cause 0 and 42 to oscillate slightly above the threshold of the gain curve. The secondary mode 40 propagating clockwise in the cavity couples with a relatively strong primary mode 36 well above the threshold and in the same direction propagating in the cavity 6 5).

これは差周波数等式のφ項の振動効果を生じさせる。同
様に、反時計方向の２次モード４２は主モード３８と組
合さつて振動作用を行なう。摂動モード４０及び４２の
この効果は上記等式の項ＣｃＯｓｗｔによつて決定され
る。モード４０及び４２の利得曲線に沿つて強度と同様
にそれらが振動している周波数を調整することによつて
、式のＣとＷが上記検討で説明したようにロツクイン効
果を弱めるように制御されることができる。第４図は、
特定の機器の主モード３６及び３８）フ 間のロツクイン周波数に離調がどのように影響を及ぼす
かを示すグラフである。This gives rise to an oscillating effect in the φ term of the difference frequency equation. Similarly, the counterclockwise secondary mode 42 combines with the primary mode 38 to provide a vibratory effect. This effect of perturbation modes 40 and 42 is determined by the term CcOswt in the above equation. By adjusting the strength along the gain curves of modes 40 and 42 as well as the frequency at which they oscillate, C and W in the equations can be controlled to weaken the lock-in effect as explained in the discussion above. can be done. Figure 4 shows
3 is a graph showing how detuning affects the lock-in frequency between the main modes 36 and 38) of a particular instrument;

離調は主モードの光周波数が利得曲線の中心から変化さ
れるようにリングレーザの通路長を同調することと定義
される。第４図においては、ロツクインは主モードが利
得曲線の中心から１５０メカヘルツのところに空胴通路
長が離調される一つの場合において部分的に除去される
ことが判る。本発明の他の実施例が第５図に示されてい
る。Detuning is defined as tuning the path length of a ring laser such that the optical frequency of the main mode is changed from the center of the gain curve. In FIG. 4, it can be seen that the lock-in is partially eliminated in one case where the main mode is detuned with the cavity path length 150 mech from the center of the gain curve. Another embodiment of the invention is shown in FIG.

この実施例は、第１図に示されるリンクレーザジャイロ
スコープ同様の２モードリングレーザを含む。９０％の
ヘリウムと１０％のネオンを含む封止空胴５２が設けら
れ、これは陽極５４及び陰極５６間が電気的に励起され
たときレーザ利得媒体を構成する。This embodiment includes a two-mode ring laser similar to the link laser gyroscope shown in FIG. A sealed cavity 52 containing 90% helium and 10% neon is provided, which constitutes a laser gain medium when electrically excited between anode 54 and cathode 56.

空胴において逆方向に伝搬する２つの主波の部分は部分
的に透過性の誘電体鏡５８を介して組合せ器及び光検出
器組立体６０に進行されて、そこで信号が発生されてデ
ータ縮小及び論理回路６２に伝送される。空胴長制御回
路６６において発生される交流信号は、鏡７０を振動さ
せてジヤイロスコープの空胴長を振動させる圧電スタツ
ク６８に供給される。組合せ器及び光検出器組立体６０
からの強度信号はリード線６４を介して空胴長制御回路
６６に伝送される。圧電スタツク６８の振動による強度
信号の変動は空胴制御回路６６において処理される。リ
ード線７２を介して圧電スタツクに伝送される信号の直
流成分は空胴長をそこを逆方向に伝波する波の強度を最
大に最適化するように調整される。第１図について上述
した例と比べ、空胴長は共振モードが実質的に利得曲線
の中心において動作するように調整される。第５図の本
発明の実施例では、レーザジャイロの主共振モードと異
なる周波数の摂動している２次波が外部源から導入され
る。Portions of the two dominant waves propagating in opposite directions in the cavity are routed through a partially transparent dielectric mirror 58 to a combiner and photodetector assembly 60 where a signal is generated and data reduction is performed. and is transmitted to the logic circuit 62. The alternating current signal generated in cavity length control circuit 66 is applied to piezoelectric stack 68 which causes mirror 70 to vibrate, causing the cavity length of the gyroscope to oscillate. Combiner and photodetector assembly 60
The intensity signal from is transmitted via lead wire 64 to cavity length control circuit 66. Variations in the intensity signal due to vibrations of piezoelectric stack 68 are processed in cavity control circuit 66. The DC component of the signal transmitted to the piezoelectric stack via lead 72 is adjusted to optimize the cavity length to maximize the strength of the waves propagating back therethrough. Compared to the example described above with respect to FIG. 1, the cavity length is adjusted so that the resonant mode operates substantially at the center of the gain curve. In the embodiment of the invention of FIG. 5, a perturbing secondary wave of a different frequency than the laser gyro's main resonant mode is introduced from an external source.

この場合の外部源は２モード線型レーザ７４である。線
形レーザ７４において発生される２つの分離モードは分
散素子７６へ共軛状に進行、する。このような分散素子
は当該技術において周知で、異なる周波数を異なる量偏
向する（Ｄｅｆｒａｃｔｌｎｇ）ための格子を含みうる
。分散素子７６を通過した後、一方の２次モード７８は
誘電体鏡８０に向つて偏向され、そこで部分的に透過す
る鏡８２に向つて反射される。鏡８２を通過するに当つ
て、モード７８は時計方向にリングレーザ空胴５２に入
つて、空胴において発生されている時計方向の主モード
と結合する。２次モード８４は分散素子７６によつて鏡
８６に向つて偏向され、次に鏡８２を通過する。The external source in this case is a two-mode linear laser 74. The two separated modes generated in the linear laser 74 travel co-coupled to the dispersive element 76. Such dispersive elements are well known in the art and may include gratings for deflecting different frequencies by different amounts. After passing through the dispersive element 76, one secondary mode 78 is deflected towards a dielectric mirror 80 where it is reflected towards a partially transmitting mirror 82. Upon passing through mirror 82, mode 78 enters ring laser cavity 52 in a clockwise direction and combines with the clockwise dominant mode being generated in the cavity. Secondary mode 84 is deflected by dispersive element 76 towards mirror 86 and then passes through mirror 82.

それは空胴５２に入つて反時計方向に進行し、反時計方
向の主モードと結合する。再び、空胴に導入された２次
モードの摂動効果が項ＣｃＯｓｗｔによつて差周波数式
において与えられる。It enters cavity 52 and travels counterclockwise and combines with the counterclockwise dominant mode. Again, the perturbing effect of the second order mode introduced into the cavity is given in the difference frequency equation by the term CcOswt.

２次モード７８及び８４間の差周波数はＷによつて与え
られる。The difference frequency between secondary modes 78 and 84 is given by W.

振巾部ｃは信号７８及び８４の振巾と、空胴の２次及び
主モード間の差周波数の大きさとに比例する。従つて、
項ε及びＷは、鏡８２の透過率と線型レーザ７４におい
て発生される信号の周波数及び振巾とを制御することに
よつてロツクインを弱めるために取扱われうる。第６図
は本発明の第３の実施例を示す。この実施例は、第１図
及び第５図に示されるリングレーザと同様に、三角リン
クレーザジャイロスコープを含む。空胴長制御回路は圧
電スタツクを調整してリンクレーザジャイロスコープの
出力の強度を最大にする。通路２２に沿つて空胴中を伝
搬している２つの向い合つたモードは実質的に第２図及
び第３図のレーザ利得曲線４４の中心に同調された周波
数を有する。第６図で示された装置では、一方の摂動２
次モードはリングレーザ空胴において導入されて反時計
方向に伝搬しているモードと結合される。The amplitude c is proportional to the amplitude of the signals 78 and 84 and the magnitude of the difference frequency between the secondary and principal modes of the cavity. Therefore,
The terms ε and W can be manipulated to weaken lock-in by controlling the transmission of mirror 82 and the frequency and amplitude of the signal generated in linear laser 74. FIG. 6 shows a third embodiment of the invention. This embodiment includes a triangular link laser gyroscope similar to the ring laser shown in FIGS. 1 and 5. The cavity length control circuit adjusts the piezoelectric stack to maximize the intensity of the link laser gyroscope's output. The two opposing modes propagating through the cavity along path 22 have frequencies tuned substantially to the center of laser gain curve 44 of FIGS. 2 and 3. In the apparatus shown in FIG. 6, one perturbation 2
The next mode is introduced in the ring laser cavity and combines with the counterclockwise propagating mode.

２次モードを得るために、通路２２の反時計方向モード
の一部が部分透過誘電体鏡８８を通過する。To obtain the secondary mode, a portion of the counterclockwise mode of passage 22 passes through partially transmitting dielectric mirror 88 .

そしてこの透過波１０２は誘電体アイソレータ９０を通
過する。このような誘電体アイソレータは当該技術にお
いて周知であり、それを通過する進行波の分極角を変化
するように動作する。次にモード１０２は誘電体鏡９２
に衝突し、この鏡９２は圧電スタツク９４に取付けられ
ている。交流電圧が振動回路１０４から圧電スタツク９
４に選択された周波数で供給されて鏡９２を振動させる
。そしてこの振動はモード１０２の周波数をドツブラシ
フトし、その結果モード１０２が誘電体鏡９８から偏向
されて、部分透過鏡８８を通じてリングレーザ通路に再
導入された後、その周波数はそれが抽出された主モード
に対し変化される。通路２２に再進入することにより、
このドツブラシフトされたモードは上述したφによる非
ロツクイン振動効果を生じるよう反時計方向主モードと
結合する。空胴に再進入するドツブラシフトされた信号
１０２の振巾は差周波数式において立で表わされている
。This transmitted wave 102 then passes through the dielectric isolator 90. Such dielectric isolators are well known in the art and operate to change the polarization angle of a traveling wave passing through them. Next, the mode 102 is
This mirror 92 is attached to a piezoelectric stack 94. An alternating current voltage is transferred from the oscillating circuit 104 to the piezoelectric stack 9.
4 to cause the mirror 92 to vibrate. This oscillation then dot-shifts the frequency of mode 102 such that after mode 102 is deflected from dielectric mirror 98 and reintroduced into the ring laser path through partially transmitting mirror 88, its frequency is reduced to the main frequency from which it was extracted. Varies depending on the mode. By re-entering the passage 22,
This Dobbler-shifted mode combines with the counterclockwise dominant mode to produce the non-lock-in vibration effect due to φ mentioned above. The amplitude of the Doppler shifted signal 102 re-entering the cavity is represented by the vertical line in the difference frequency equation.

立項は１０２の振巾を制御することによつて制御されう
る。この振巾を制御する方法は部分透過誘電体鏡８８の
透過率を制御することを含む。差周波数式のｗ項の圧電
スタツク９４に伝送される振動周波数に相当する。この
項は回路１０４において発生される振動の周波数を簡単
に可変成いは制御することによつて容易に制御されうる
。従つで、モード１０２がレーザ空胴に再進入して反時
計方向主モードと結合したときのその振巾と振動周波数
を制御することによつて、ロツクインの作用が実質的に
弱められうる。偶然、モード１０２の通路に配置した分
極器９６が分極の一方向のビームを有効に通過させる一
方、異なる分極を有するビームを妨げる。The standing term can be controlled by controlling the amplitude of 102. A method of controlling this amplitude includes controlling the transmittance of the partially transmitting dielectric mirror 88. This corresponds to the vibration frequency transmitted to the piezoelectric stack 94 in the w term of the difference frequency equation. This term can be easily controlled by simply varying or controlling the frequency of the vibrations generated in circuit 104. Thus, by controlling the amplitude and vibrational frequency of mode 102 as it reenters the laser cavity and combines with the counterclockwise dominant mode, the effects of lock-in can be substantially weakened. As it happens, a polarizer 96 placed in the path of mode 102 effectively passes beams of one direction of polarization while blocking beams with a different polarization.

分極器９６はビーム１０２を通過させるように調整され
る。方向アイソレータ９０がモード１０２の分極の方向
を変化しているので、鏡８８を通過する時計方向主モー
ドの蔀分は異なる分極を有し、分極器９６によつて妨げ
られる。本発明に対する変形は本発明の範囲及び精神内
において行なわれうる。Polarizer 96 is adjusted to pass beam 102. Because directional isolator 90 is changing the direction of polarization of mode 102, the clockwise dominant mode portion passing through mirror 88 has a different polarization and is blocked by polarizer 96. Modifications to the invention may be made within the scope and spirit of the invention.

その変形の例は三角形状リングレーザ通路を使用するこ
と、誘電体鏡を振動するための圧電スタツク以外の手段
を使用すること、空胴表制御装置を使用しないこと、及
び回転情報を得るために主反対方向伝搬ビームを組合せ
かつ処理するための異なる手段を使用することを含むが
、これらに制限されるものではない。Examples of such variations are using a triangular ring laser path, using means other than a piezoelectric stack to vibrate the dielectric mirror, not using a cavity table controller, and to obtain rotational information. Including, but not limited to, using different means for combining and processing the main counter-propagating beams.

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

第１図は、２つの強力な主モードと２つの比較的弱い２
次モードとが利得媒体において発生されるように空胴長
制御回路が空胴長を調整する本発明の第１の実施例を示
す。 第２図及び第３図は、空胴の共振波がレーザ利得曲線上
の所望の点で動作するように共振空胴がどのように同調
されるかを示す。第４図は、比較的弱い２次モードを比
較的強力な主モードと結合させるためリングレーザを離
することによつてどのようにして２つの反対方向の主モ
ード間のロツクインが減ぜられるかを示す。第５図は２
次モードが外部レーザ源によつて発生されて反対方向の
主モードと結合す共振空胴内に注入される本発明の第２
の実示す。 第６図は一方の主モードの一部がリーザ共振空胴から抽
出され、周波数がドツブラシフトされ、その後主モード
と結合するために空胴に再注入される本発明の第３の実
施例を示す。Figure 1 shows two strong dominant modes and two relatively weak two modes.
1 shows a first embodiment of the present invention in which a cavity length control circuit adjusts the cavity length such that the following modes are generated in the gain medium. Figures 2 and 3 show how the resonant cavity is tuned so that the cavity's resonant wave operates at a desired point on the laser gain curve. Figure 4 shows how the lock-in between two opposing dominant modes is reduced by separating the ring laser to couple a relatively weak secondary mode with a relatively strong dominant mode. shows. Figure 5 is 2
In the second aspect of the invention, the second mode is generated by an external laser source and injected into the resonant cavity to couple with the oppositely directed main mode.
Demonstrate. FIG. 6 shows a third embodiment of the invention in which a portion of one of the principal modes is extracted from the laser resonant cavity, Dotsbra shifted in frequency, and then reinjected into the cavity to combine with the principal mode. .

Claims (1)

【特許請求の範囲】 １ 閉ループ光路を形成する反射面を含むリングレーザ
本体、該光路を伝播する少なくとも２つの相対向する方
向に伝播する主モードを発生して保持し、それにより該
主モード間の周波数差が該リングレーザ本体のうけた角
運動を表わすようにしている手段、該主モードの少なく
とも１つと結合し、該主モード間のロックイン効果を弱
めるか或いは除去するような周波数と振幅を有する少な
くとも１つの２次モードを該光路に注入する手段、及び
該主モード間の該周波数差から該リングレーザ本体の角
運動を表わす信号を発生する手段とからなるリングレー
ザジャイロスコープ。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載のリングレーザジャイ
ロスコープにおいて、前記主モードを発生して保持する
手段と少なくとも１つの２次モードを注入する手段とは
単一の構成であり、該構成は該主モードと２次モードと
を発生して増幅するための電気的に帯電したガスプラズ
マ利得媒体手段、及び少なくとも２つの比較的弱い相対
向する方向に伝播する２次モードと少なくとも２つの比
較的強い相対向する方向に伝播する主モードとを該利得
媒体手段内で発生して増幅するよう該光路の長さを調節
するため該光路の長さを制御する手段とからなり、それ
により該２次モードが該主モードと結合して該主モード
間のロックイン効果を弱めるようにしていることを特徴
とするリングレーザジャイロスコープ。 ３ 特許請求の範囲第１項に記載のリングレーザジャイ
ロスコープにおいて、該少なくとも１つの２次モードを
注入するための手段は、該主モードと異なる周波数を有
する少なくとも１つの２次モードを発生するための該リ
ングレーザ本体外の手段、及び該光路に該リングレーザ
本体外の手段からの１つ又は複数の外部モードを導入し
て少なくとも１つの主モードと結合させる手段とからな
り、それにより該２次モードと主モード間のロックイン
効果を減少させていることを特徴とするリングレーザジ
ャイロスコープ。 ４ 特許請求の範囲第１項記載のリングレーザジャイロ
スコープにおいて、該少なくとも１つの２次モードを注
入するための手段は、該閉ループ光路から該主モードの
少なくとも１方の一部を抽出するための手段、該抽出モ
ードの通路に配置され該抽出モードの周波数を変調する
ための振動周波数変調手段、及び該主モードの少なくと
も１つと結合するため該光路に前記周波数変調されたモ
ードを導入するための手段とからなり、それにより該結
合が該主モード間のロックイン効果を減する振動を生じ
させていることを特徴とするリングレーザジャイロスコ
ープ。 ５ 閉ループ光路を形成する反射面を含むリングレーザ
本体、該光路を伝播する少なくとも２つの相対向する方
向に伝播する主モードを発生して保持し、それにより該
主モード間の周波数差が該リングレーザ本体のうけた角
運動を表わすようにしている手段、該主モードの少なく
とも１つと結合し、該主モード間のロックイン効果を弱
めるか或いは除去するような周波数と振幅を有する少な
くとも１つの２次モードを該光路に注入する手段、及び
該主モード間の該周波数差から該リングレーザ本体の角
運動を表わす信号を発生する手段とからなるリングレー
ザジャイロスコープにおいて、該主モードの光周波数を
制御するように該光路長を調節するための該光路の長さ
を制御する手段を更に含むことを特徴とするリングレー
ザジャイロスコープ。[Scope of Claims] 1. A ring laser body including a reflective surface forming a closed-loop optical path, generating and maintaining at least two oppositely propagating principal modes propagating along the optical path, thereby creating a gap between the principal modes. means for coupling with at least one of the principal modes and attenuating or eliminating the lock-in effect between the principal modes, such that the frequency difference is representative of the experienced angular motion of the ring laser body; a ring laser gyroscope comprising: means for injecting into the optical path at least one secondary mode having a wavelength of at least one second order mode having a coefficient of 0; and means for generating a signal representative of the angular motion of the ring laser body from the frequency difference between the main modes. 2. In the ring laser gyroscope according to claim 1, the means for generating and holding the main mode and the means for injecting at least one secondary mode are of a single configuration, and the configuration is electrically charged gas plasma gain medium means for generating and amplifying the main mode and the secondary modes; and at least two relatively weak, oppositely propagating secondary modes and at least two relatively weak, oppositely propagating secondary modes. means for controlling the length of the optical path to adjust the length of the optical path so as to generate and amplify within the gain medium means a dominant mode propagating in strong opposite directions; A ring laser gyroscope characterized in that a next mode combines with the main mode to weaken a lock-in effect between the main modes. 3. In the ring laser gyroscope according to claim 1, the means for injecting the at least one secondary mode is for generating at least one secondary mode having a frequency different from the main mode. means external to the ring laser body, and means for introducing into the optical path one or more external modes from the means external to the ring laser body to couple with at least one main mode, thereby A ring laser gyroscope characterized in that the lock-in effect between the next mode and the main mode is reduced. 4. In the ring laser gyroscope according to claim 1, the means for injecting the at least one secondary mode includes means for extracting a portion of at least one of the main modes from the closed-loop optical path. means, vibrational frequency modulating means disposed in the path of the extraction mode for modulating the frequency of the extraction mode, and for introducing the frequency modulated mode into the optical path for coupling with at least one of the principal modes. means, whereby the coupling produces a vibration that reduces the lock-in effect between the principal modes. 5. A ring laser body including a reflective surface forming a closed loop optical path, generating and maintaining at least two oppositely propagating principal modes propagating in the optical path, such that the frequency difference between the principal modes is means adapted to represent the experienced angular motion of the laser body, at least one of the two main modes having a frequency and amplitude such as to couple with at least one of the main modes and to weaken or eliminate lock-in effects between the main modes; A ring laser gyroscope comprising means for injecting a secondary mode into the optical path, and means for generating a signal representative of the angular motion of the ring laser body from the frequency difference between the main modes. A ring laser gyroscope further comprising means for controlling the length of the optical path for controlling the length of the optical path.