半導体リングレーザー装置
【課題】 本発明はＳＲＬの有する諸利点に加え、リング共振器内のレーザー発光媒体として、従来の外部励起光源や集光レンズ系を必要としない装置を提供することにより、装置の更なる小型化、長寿命化、低消費電力化、コスト低減化などを図ると共に、安定発振を実現するリングレーザー装置を提供することにある。
【解決手段】 本発明の半導体リングレーザー装置は、一つの基盤上で構成するリング共振器の光路内に、両端面に反射防止膜を施した半導体レーザー素子を配置すると共に、半導体レーザー素子の駆動電源を備えるようにし、該駆動電源によって直接レーザー発振させる構成を採用した。
【解決手段】 本発明の半導体リングレーザー装置は、一つの基盤上で構成するリング共振器の光路内に、両端面に反射防止膜を施した半導体レーザー素子を配置すると共に、半導体レーザー素子の駆動電源を備えるようにし、該駆動電源によって直接レーザー発振させる構成を採用した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体リングレーザー装置に関し、更にはそれを用いたリングレーザージャイロ、特に航空機やロケット等の姿勢制御や飛行制御システムにおける角速度・姿勢角度センサーとしての使用に適した半導体リングレーザージャイロに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のリングレーザー装置はレーザー発光媒体として、Ｈｅ−Ｎｅガスなどを使用するガスリングレーザー装置(ＧＲＬ)と固体レーザー素子を使用する固体リングレーザー装置(ＳＲＬ)に大別できる。ＧＲＬは現在実用段階にあるが、装置が大型であること、真空技術が必要であること、短寿命であり、高電圧が励起に必要なため消費電力が大きい等の問題がある。これに対し、ＳＲＬは現在研究開発段階にあり、装置の小型化、長寿命化、低消費電力化、信頼性向上などが期待できる利点があるが、リング共振器内のレーザー固体素子を励起するために半導体レーザー等の励起光源や励起光を固体素子に集光させるためのレンズ系が必要となる。また励起光を吸収して生じるレーザー固体素子内の誘導放射光源の安定性は励起光の安定性に依存し、誘導放射光源の安定性はリングレーザー発振の安定性に影響を与えるなどの問題があり、装置の調整が複雑である。図５はＳＲＬの模式図である。図中２は基盤であって、その上に２枚の全反射ミラーＭ１、Ｍ２と一部透過ミラー(出力ミラー)Ｍ３とで三角の閉ループ光路となるように構成されたリング共振器１と、全反射ミラーＭ２と一部透過ミラーＭ３間位置に固体レーザー素子３ａと、前記三角の閉ループ光路外に固体レーザー素子の励起光源４ａと、やはり前記三角の閉ループ光路外に該励起光源４ａからの光を、全反射ミラーＭ１を介して固体レーザー素子３ａに集光させる励起光集光レンズ系５が配置され、前記固体レーザー素子の励起光源４ａには外部電源６から電力が供給される構成となっている。
【０００３】
そのため、従来のリングレーザー装置では、固体レーザー素子に集光させる励起光集光レンズ系を配置することが必要であり、装置が大型化してしまう問題の他、長寿命化、低消費電力化、高信頼性化、コスト低減化などの実現が難しい。また、励起光を吸収して生じるレーザー固体素子内の誘導放射光源の安定性は励起光の安定性に依存し、誘導放射光源の安定性はリングレーザー発振の安定性に影響を与えるなどの問題があり、装置の調整が複雑である。
なお、従来のリングレーザー装置には上記したような３個以上の鏡面で共振器を構成するものの他、光ファイバーと光分岐器とで構成するもの（特許文献１参照）や光導波路と反射面で構成するもの（特許文献２参照）などがある。
【０００４】
従来のリングレーザージャイロについては前述したリングレーザー装置の問題と同様の問題がそのまま持ち込まれる。すなわち、光励起リングレーザージャイロ（ＳＲＬＧ）は現在研究開発段階にあり、装置の小型化、長寿命化、低消費電力化、信頼性向上などの利点があるが、リング共振器内のレーザー固体素子を励起するために半導体レーザーや発光ダーオード等の外部光源が必要である。図６は本発明者らが提示した特許文献３の「光励起リングレーザージャイロ」の模式図である。角速度検出部のレーザー発振効率を高めると共に小型化ができ、且つ厳しい電磁干渉環境下に設置しても、電磁干渉を全く受けず、耐電磁干渉処置を必要としない耐電磁干渉性にすぐれた光励起リングレーザージャイロを得ることを目的としたもので、図中のＡは基盤２上にリング共振器１と光学式角速度情報読取装置７が配置された角速度検出部であり、Ｂは励起光源／信号処理部を構成する光学系、そしてＣは励起光源部１０と信号処理部１１を備えた光励起エネルギー／光信号伝送部である。リング共振器１は一部透過ミラーＭ１、全反射ミラーＭ２、Ｍ３とからなり、そのミラーＭ３は固体レーザー素子自身にリング共振器１におけるミラー機能をもたせるようにしたものである。光学式角速度情報読取装置７は全反射ミラーＭ４、Ｍ５と光線干渉器ＢＳとで構成されている。角速度検出部Ａと光励起エネルギー／光信号伝送部Ｃを純光学部品で構成し、角速度検出部Ａを電気系で構成される励起光源／信号処理部Ｂと、光ファイバーを介して接続することにより、電気的に分離したものである。しかし、リング共振器１内のレーザー固体素子を励起するために、レンズ系ＦＬが、励起光源部１０から光ファイバーを介して伝送される励起光を全反射ミラー／固体レーザー素子Ｍ３に集光させるように構成され、前述のリングレーザー装置と同様に、電源６によって駆動される半導体レーザーや発光ダーオード等の外部励起光源１０が必要であり、装置が複雑となる。また固体リングレーザー発振の安定性は固体素子を励起する外部光源の安定性や固体レーザー素子内に生じる誘導放射光源の安定性に依存し、固体リングレーザージャイロの出力性能に影響を与えるなどの問題があった。
【特許文献１】特開平６−２４９７５０号公報 「光パルス試験器」 平成６年９月９日公開
【特許文献２】特開２００２−３５０５２３号公報 「半導体リングレーザーを用いた磁界検出装置」 平成１４年１２月４日公開
【特許文献３】特開２０００−２７５０４８号公報 「光励起リングレーザージャイロ」 平成１２年１０月６日公開
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記したＳＲＬの有する諸利点に加え、リング共振器内のレーザー発光媒体として、従来の外部励起光源や集光レンズ系を必要としない装置を提供することにより、装置の更なる小型化、長寿命化、低消費電力化、コスト低減化などを図ると共に、安定発振を実現するリングレーザー装置を提供することにある。
また、リング共振器内のレーザー発光媒体として、従来の外部励起光の集光レンズ系を必要としない装置を提供することにより、装置の更なる小型化、長寿命化、低消費電力化、コスト低減化などを図り、かつ安定発振を実現してリングレーザージャイロ装置としての安定性を高めることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の半導体リングレーザー装置は、２枚以上の全反射ミラーと一部透過ミラーにより、一つの基盤上で構成するリング共振器内に、両端面に反射防止膜を施した半導体レーザー素子を配置すると共に、半導体レーザー素子の駆動電源を備えるようにした。
また、本発明の他の半導体リングレーザー装置は、リング共振器を光ファイバーと光分岐器で構成すると共に、リング共振器内に両端面に反射防止膜を施した半導体レーザー素子を配置し、半導体レーザー素子の駆動電源を備えるようにした。
【０００７】
本発明の半導体リングレーザージャイロは、リング共振器内に、両端面に反射防止膜を施した半導体レーザー素子を備えた前記半導体リングレーザー装置と、その半導体リングレーザー装置から出力される光信号から角速度情報を取り出す光学式角速度情報取り出し装置とで角速度検出部を構成し、リングレーザーのサニャック効果を利用して角速度を検出するようにした。
本発明の半導体リングレーザージャイロにおける光学式角速度情報取り出し装置は、２枚の全反射ミラー、２つの直線偏向素子(λ／２素子、λ：波長)、直線偏向光線結合器、非偏向光線分岐器及び２つの光位相切り出し器(λ／４素子)から構成されるようにした。
本発明の半導体リングレーザージャイロは、角速度検出部の他に、光信号伝送器(２本のコネクタ付き光ファイバーコード)と光／電気信号処理器(２つの光／電気変換器と２つの周波数カウンター及び加減算器)から構成する信号処理部及び半導体レーザー駆動電源から構成されるようにした。
また、本発明の半導体リングレーザージャイロの角速度検出部は、前記構成部品を一つの基盤上で組付けて構成するようにした。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の半導体リングレーザー装置は、リング共振器内のレーザー発光媒体として従来の固体レーザー素子に換え両端面に高反射防止膜を施した半導体レーザー素子を使用することにより、前記固体リングレーザーでは必要である外部励起光源と励起光集光レンズ系を省略することが可能となって、リングレーザー装置の更なる小型・軽量化・低消費電力化、材料費の低コスト化などを図ることが出来る。また、ソリッドステート(全固体形態)に製作でき、真空技術が不要なため、信頼性が高められ、寿命の面でも長期化が図られる。
また、リング共振器内の両端面高反射防止膜付き半導体レーザー素子を直接駆動することにより、安定した誘導放射光源を作り、リングレーザーの安定発振が得られる。
【０００９】
本発明の半導体リングレーザージャイロは、リング共振器内のレーザー発光媒体として両端面に反射防止膜を施した半導体レーザー素子を使用し、前記固体リングレーザーでは必要である外部光源を省略することにより、ジャイロの更なる小型・軽量化、低消費電力化、材料費の低コスト化などを図ることが出来、航空機等に使用されるジャイロとして大きなメリットがある。また、ソリッドステートに製作でき、真空技術が不要なため、信頼性が高められ、寿命の面でも長期化が図られる。
また、リング共振器内の両端面高反射防止膜付き半導体レーザー素子を直接駆動することにより、安定した誘導放射光源とし、リングレーザーの安定発振を実現して安定した動作のリングレーザージャイロが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の半導体リングレーザー装置は、ＳＲＬの基本構成において、リング共振器内のレーザー発光媒体として、従来の固体レーザー素子の代わりに、両端面に高反射防止膜を施した半導体レーザー素子を使用することにより、外部励起光の集光レンズ系を必要としない装置を提供するようにしたことに基本思想がある。
本発明は、上記課題を解決するための１つの形態として、３個以上の高反射ミラーで構成するリング共振器内に、両端面に高反射防止膜を施した半導体レーザー素子を備え、半導体素子を電気的に動作させることにより、その両端面から自然光を出力させ、片方の端面から出た光がリング共振器内を周回し他方の端面から半導体素子に入り、その発光部を通過することにより、誘導放射を得るものであり、また逆方向に周回する光も同様に誘導放射を得る半導体リングレーザー装置を構成する。図１に示すものは２個の全反射ミラーＭ１、Ｍ２と１個の一部透過ミラー(出力ミラー)Ｍ３とでリング共振器１を構成し、両端面高反射防止膜付き半導体レーザー素子３を前記２個の全反射ミラーＭ１、Ｍ２間の光路内に配置する。これらの構成要素はすべて基盤２の上に固定して設置され、半導体レーザー素子駆動電源８は基盤２外に設置する構成を採っている。リング共振器１内を伝播する光は時計方向周りＣＷと反時計方向周りの光ＣＣＷが存在し、これらの光は一部透過ミラーＭ３に至って反射すると共に一部が透過しリング共振器１外へ出射される。
【００１１】
図２に本発明による半導体リングレーザー装置の他の一実施形態例として８字型半導体リングレーザー装置を示す。本実施形態の半導体レーザー装置は３枚の全反射率ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ４及び一部透過ミラー(出力ミラー)Ｍ３から８字型光路を描く８字型リング共振器１を基盤２上で構成し、その内部に両端面に高反射防止膜を施した半導体レーザー素子３を配置して、その発光軸を共振器１の光路軸に一致させ、半導体レーザー素子３を駆動電源８により作動させれば、半導体レーザー素子の左側から放出される光はリング共振器１内を右周り(ＣＷ)に周回し、右側端面に戻り、その端面から半導体レーザー素子内に入り、発光部を通過することにより発振しＣＷの誘導放射光(ＣＷレーザー光)はＭ３を介して外部へ取り出される。同様に、右端面から放出された光は左周り(ＣＣＷ)にリング共振器内を周回し、左側端面から半導体レーザー素子に入り、発光部を通過することにより発振し、ＣＣＷの誘導放射光(ＣＣＷレーザー光)もＭ３を介して外部へ取り出される。
【００１２】
本発明による半導体リングレーザー装置は、図３に模式図で示すように、全反射率ミラーＭ１、Ｍ２及び一部透過ミラー(出力ミラー)Ｍ３からリング共振器１を基盤２上で構成し、その内部に両端面に高反射防止膜を施した半導体レーザー素子(ＬＤ)３を配置して、その発光軸を共振器内の光路軸に一致させる。この半導体レーザー素子３を駆動させる電源８が備えられ、半導体リングレーザー装置１２が構成される。半導体レーザー素子駆動電源８をＯＮして作動させれば、半導体レーザー素子３の左側から放出される光はリング共振器１内を時計方向周り(ＣＷ)に周回し、右側端面から半導体レーザー素子３内に入り、発光部を通過することにより共振し、ＣＷ光の誘導放射(ＣＷレーザー光)は一部透過ミラーＭ３を介してリング共振器１外へ取り出される。同様に、右端面から放出された光は反時計方向周り(ＣＣＷ)にリング共振器１内を周回し、左側端面から半導体レーザー素子に入り、発光部を通過することにより共振し、ＣＣＷ光の誘導放射(ＣＣＷレーザー光)は一部透過ミラーＭ３を介して取り出される。サニャック効果を生じている２つの光信号は光学式角速度情報取出し装置７を経て信号処理部１１で電子的に処理されて２つの光信号の周波数差Δｆを出力する。このΔｆは角速度Ωに比例した量である。
【実施例】
【００１３】
図４に本発明の半導体リングレーザー装置を採用した１軸型半導体リングレーザージャイロの実施例を示す。本実施形態のジャイロは角速度検出部Ａ、信号処理部１１及び半導体レーザー素子駆動電源８から構成されている。角速度検出部Ａは、半導体リングレーザー装置１２と光学式角速度情報取り出し措置７から構成される。半導体リングレーザー装置１２は全反射率ミラーＭ１、Ｍ２及び一部透過ミラー(出力ミラー)Ｍ３とからリング共振器１を構成し、その内部に両端面に反射防止膜を施した半導体レーザー素子３を配置して構成し、半導体レーザー素子３を前記駆動電源８により作動させれば、リングレーザー発振を実現できる。
光学式角速度情報取り出し装置７は、２枚の全反射ミラーＭ４、Ｍ５、２つの直線偏向素子(λ/２素子、λ：波長)Ｐ１、Ｐ２、直線偏向光線結合器ＰＢＳ、非偏向光線分岐器ＮＢＳ及び２つの光位相切り出し器(λ/４素子)ＰＣ１、ＰＣ２とから構成されている。その機能は半導体リングレーザー装置の出力：ＣＷ光、ＣＣＷ光をそれぞれＭ４、Ｍ５で光軸を変更し、２つの直線偏向素子(λ/２素子)により、それぞれ直線偏向光線ｐ波及びｓ波にし、それらを直線偏向光線結合器ＰＢＳによりＣＣＷ光の電気ベクトルが紙面に垂直方向の直線偏向光線であるｐ波と、ＣＷ光の電気ベクトルが紙面に平行方向の直線偏向光線であるｓ波の光線を合成し、さらにその合成光線を非偏向光線分岐器ＮＢＳにより二分し、それらをそれぞれ光位相切り出し器(λ/４素子)ＰＣ１とＰＣ２により相対位相が９０度になるように処理し、リングレーザーのサニャック効果による入力角速度に比例した角速度情報を含む光信号Ｎ１，Ｎ２を出力する。この光信号Ｎ１は光学式角速度情報取出し装置から出力される、ｐ波の位相に対して４５度異なる合成波の光パルス信号(△ｆに相当)であり、光信号Ｎ２は光学式角速度情報取出し装置から出力される、ｐ波の位相に対して１３５度異なる合成波の光パルス信号である。Ｎ１−Ｎ２は＞０または＜０によって角速度の極性すなわち、回転方向を示す。
【００１４】
信号処理部１１は、光信号伝送器１３と光／電気信号処理器１４から構成され、光学式角速度情報取り出し装置７の出力信号Ｎ１、Ｎ２を電気信号に変換し、加減算処理により、入力角速度に対応する角速度情報(大きさ：Ｎ１と極性：Ｎ１−Ｎ２)を出力する。光信号伝送器１３は２本のコネクタ付き光ファイバーコードＯＦで構成し、光学式角速度情報取り出し装置７の出力信号Ｎ１、Ｎ２を、光ファイバーコードＯＦを介して光／電気信号処理器１４に伝送する。光／電気信号処理器１４は２つの光／電気変換器と２つの周波数カウンター及び加減算器から構成し、Ｎ１、Ｎ２を電気信号に変換し、加減算処理により、入力角速度に対応する角速度情報の大きさと向き情報(極性)を出力する。
【００１５】
本発明による角速度検出の原理は次式に基づくものである。
△ｆ＝(４Ａ／Ｌλ)Ω
ここに、△ｆ：半導体リングレーザー装置の出力ＣＷ光とＣＣＷ光のビート周波数(Ｎ１)
Ａ： 図４におけるミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３によるリング共振器のリング光路が 囲む面積
Ｌ： リング光路長
λ： リングレーザー発振波長
Ω： Ａ面の垂直軸まわりの入力角速度
したがって、本リングレーザージャイロは△ｆを測定することにより、Ωを求めることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の固体リングレーザー装置の模式図である。
【図２】本発明の８字型半導体リングレーザー装置の模式図である。
【図３】本発明の半導体リングレーザージャイロの模式図である。
【図４】本発明の固体リングレーザー装置の実施例を示す図である。
【図５】従来の固体リングレーザー装置の模式図である。
【図６】従来の半導体リングレーザージャイロの模式図である。
【符号の説明】
【００１７】
１ リング共振器 ２ 基盤
３ 両端面高反射防止膜付き半導体レーザー素子 ３ａ 固体レーザー素子
４ａ 固体レーザー素子の励起光源 ５ 励起光集光レンズ系（ＦＬ）
６ 電源 ７ 光学式角速度情報取出し装置
８ 半導体レーザー素子駆動電源 １１ 信号処理部
１２ 半導体リングレーザー装置 １３ 光信号伝送器
１４ 光／電気信号処理器 Ａ 角速度検出部
Ｂ 励起光源／信号処理部 Ｃ 光励起エネルギー／光信号伝送部
Ｍ１,Ｍ２,Ｍ３,Ｍ４,Ｍ５ ミラー
ＣＷ 時計回りの光 ＣＣＷ 反時計回りの光
ＯＦ 光ファイバ Ｐ１,Ｐ２ 直線偏向器(λ/２素子)
ＰＢＳ 直線偏向光線結合器 ＮＢＳ 非偏向光線分岐器
ＢＳ 光線干渉器 Ω 入力角速度
ＰＣ１,ＰＣ２ 光位相切り出し器(λ/４素子)
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体リングレーザー装置に関し、更にはそれを用いたリングレーザージャイロ、特に航空機やロケット等の姿勢制御や飛行制御システムにおける角速度・姿勢角度センサーとしての使用に適した半導体リングレーザージャイロに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のリングレーザー装置はレーザー発光媒体として、Ｈｅ−Ｎｅガスなどを使用するガスリングレーザー装置(ＧＲＬ)と固体レーザー素子を使用する固体リングレーザー装置(ＳＲＬ)に大別できる。ＧＲＬは現在実用段階にあるが、装置が大型であること、真空技術が必要であること、短寿命であり、高電圧が励起に必要なため消費電力が大きい等の問題がある。これに対し、ＳＲＬは現在研究開発段階にあり、装置の小型化、長寿命化、低消費電力化、信頼性向上などが期待できる利点があるが、リング共振器内のレーザー固体素子を励起するために半導体レーザー等の励起光源や励起光を固体素子に集光させるためのレンズ系が必要となる。また励起光を吸収して生じるレーザー固体素子内の誘導放射光源の安定性は励起光の安定性に依存し、誘導放射光源の安定性はリングレーザー発振の安定性に影響を与えるなどの問題があり、装置の調整が複雑である。図５はＳＲＬの模式図である。図中２は基盤であって、その上に２枚の全反射ミラーＭ１、Ｍ２と一部透過ミラー(出力ミラー)Ｍ３とで三角の閉ループ光路となるように構成されたリング共振器１と、全反射ミラーＭ２と一部透過ミラーＭ３間位置に固体レーザー素子３ａと、前記三角の閉ループ光路外に固体レーザー素子の励起光源４ａと、やはり前記三角の閉ループ光路外に該励起光源４ａからの光を、全反射ミラーＭ１を介して固体レーザー素子３ａに集光させる励起光集光レンズ系５が配置され、前記固体レーザー素子の励起光源４ａには外部電源６から電力が供給される構成となっている。
【０００３】
そのため、従来のリングレーザー装置では、固体レーザー素子に集光させる励起光集光レンズ系を配置することが必要であり、装置が大型化してしまう問題の他、長寿命化、低消費電力化、高信頼性化、コスト低減化などの実現が難しい。また、励起光を吸収して生じるレーザー固体素子内の誘導放射光源の安定性は励起光の安定性に依存し、誘導放射光源の安定性はリングレーザー発振の安定性に影響を与えるなどの問題があり、装置の調整が複雑である。
なお、従来のリングレーザー装置には上記したような３個以上の鏡面で共振器を構成するものの他、光ファイバーと光分岐器とで構成するもの（特許文献１参照）や光導波路と反射面で構成するもの（特許文献２参照）などがある。
【０００４】
従来のリングレーザージャイロについては前述したリングレーザー装置の問題と同様の問題がそのまま持ち込まれる。すなわち、光励起リングレーザージャイロ（ＳＲＬＧ）は現在研究開発段階にあり、装置の小型化、長寿命化、低消費電力化、信頼性向上などの利点があるが、リング共振器内のレーザー固体素子を励起するために半導体レーザーや発光ダーオード等の外部光源が必要である。図６は本発明者らが提示した特許文献３の「光励起リングレーザージャイロ」の模式図である。角速度検出部のレーザー発振効率を高めると共に小型化ができ、且つ厳しい電磁干渉環境下に設置しても、電磁干渉を全く受けず、耐電磁干渉処置を必要としない耐電磁干渉性にすぐれた光励起リングレーザージャイロを得ることを目的としたもので、図中のＡは基盤２上にリング共振器１と光学式角速度情報読取装置７が配置された角速度検出部であり、Ｂは励起光源／信号処理部を構成する光学系、そしてＣは励起光源部１０と信号処理部１１を備えた光励起エネルギー／光信号伝送部である。リング共振器１は一部透過ミラーＭ１、全反射ミラーＭ２、Ｍ３とからなり、そのミラーＭ３は固体レーザー素子自身にリング共振器１におけるミラー機能をもたせるようにしたものである。光学式角速度情報読取装置７は全反射ミラーＭ４、Ｍ５と光線干渉器ＢＳとで構成されている。角速度検出部Ａと光励起エネルギー／光信号伝送部Ｃを純光学部品で構成し、角速度検出部Ａを電気系で構成される励起光源／信号処理部Ｂと、光ファイバーを介して接続することにより、電気的に分離したものである。しかし、リング共振器１内のレーザー固体素子を励起するために、レンズ系ＦＬが、励起光源部１０から光ファイバーを介して伝送される励起光を全反射ミラー／固体レーザー素子Ｍ３に集光させるように構成され、前述のリングレーザー装置と同様に、電源６によって駆動される半導体レーザーや発光ダーオード等の外部励起光源１０が必要であり、装置が複雑となる。また固体リングレーザー発振の安定性は固体素子を励起する外部光源の安定性や固体レーザー素子内に生じる誘導放射光源の安定性に依存し、固体リングレーザージャイロの出力性能に影響を与えるなどの問題があった。
【特許文献１】特開平６−２４９７５０号公報 「光パルス試験器」 平成６年９月９日公開
【特許文献２】特開２００２−３５０５２３号公報 「半導体リングレーザーを用いた磁界検出装置」 平成１４年１２月４日公開
【特許文献３】特開２０００−２７５０４８号公報 「光励起リングレーザージャイロ」 平成１２年１０月６日公開
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記したＳＲＬの有する諸利点に加え、リング共振器内のレーザー発光媒体として、従来の外部励起光源や集光レンズ系を必要としない装置を提供することにより、装置の更なる小型化、長寿命化、低消費電力化、コスト低減化などを図ると共に、安定発振を実現するリングレーザー装置を提供することにある。
また、リング共振器内のレーザー発光媒体として、従来の外部励起光の集光レンズ系を必要としない装置を提供することにより、装置の更なる小型化、長寿命化、低消費電力化、コスト低減化などを図り、かつ安定発振を実現してリングレーザージャイロ装置としての安定性を高めることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の半導体リングレーザー装置は、２枚以上の全反射ミラーと一部透過ミラーにより、一つの基盤上で構成するリング共振器内に、両端面に反射防止膜を施した半導体レーザー素子を配置すると共に、半導体レーザー素子の駆動電源を備えるようにした。
また、本発明の他の半導体リングレーザー装置は、リング共振器を光ファイバーと光分岐器で構成すると共に、リング共振器内に両端面に反射防止膜を施した半導体レーザー素子を配置し、半導体レーザー素子の駆動電源を備えるようにした。
【０００７】
本発明の半導体リングレーザージャイロは、リング共振器内に、両端面に反射防止膜を施した半導体レーザー素子を備えた前記半導体リングレーザー装置と、その半導体リングレーザー装置から出力される光信号から角速度情報を取り出す光学式角速度情報取り出し装置とで角速度検出部を構成し、リングレーザーのサニャック効果を利用して角速度を検出するようにした。
本発明の半導体リングレーザージャイロにおける光学式角速度情報取り出し装置は、２枚の全反射ミラー、２つの直線偏向素子(λ／２素子、λ：波長)、直線偏向光線結合器、非偏向光線分岐器及び２つの光位相切り出し器(λ／４素子)から構成されるようにした。
本発明の半導体リングレーザージャイロは、角速度検出部の他に、光信号伝送器(２本のコネクタ付き光ファイバーコード)と光／電気信号処理器(２つの光／電気変換器と２つの周波数カウンター及び加減算器)から構成する信号処理部及び半導体レーザー駆動電源から構成されるようにした。
また、本発明の半導体リングレーザージャイロの角速度検出部は、前記構成部品を一つの基盤上で組付けて構成するようにした。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の半導体リングレーザー装置は、リング共振器内のレーザー発光媒体として従来の固体レーザー素子に換え両端面に高反射防止膜を施した半導体レーザー素子を使用することにより、前記固体リングレーザーでは必要である外部励起光源と励起光集光レンズ系を省略することが可能となって、リングレーザー装置の更なる小型・軽量化・低消費電力化、材料費の低コスト化などを図ることが出来る。また、ソリッドステート(全固体形態)に製作でき、真空技術が不要なため、信頼性が高められ、寿命の面でも長期化が図られる。
また、リング共振器内の両端面高反射防止膜付き半導体レーザー素子を直接駆動することにより、安定した誘導放射光源を作り、リングレーザーの安定発振が得られる。
【０００９】
本発明の半導体リングレーザージャイロは、リング共振器内のレーザー発光媒体として両端面に反射防止膜を施した半導体レーザー素子を使用し、前記固体リングレーザーでは必要である外部光源を省略することにより、ジャイロの更なる小型・軽量化、低消費電力化、材料費の低コスト化などを図ることが出来、航空機等に使用されるジャイロとして大きなメリットがある。また、ソリッドステートに製作でき、真空技術が不要なため、信頼性が高められ、寿命の面でも長期化が図られる。
また、リング共振器内の両端面高反射防止膜付き半導体レーザー素子を直接駆動することにより、安定した誘導放射光源とし、リングレーザーの安定発振を実現して安定した動作のリングレーザージャイロが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の半導体リングレーザー装置は、ＳＲＬの基本構成において、リング共振器内のレーザー発光媒体として、従来の固体レーザー素子の代わりに、両端面に高反射防止膜を施した半導体レーザー素子を使用することにより、外部励起光の集光レンズ系を必要としない装置を提供するようにしたことに基本思想がある。
本発明は、上記課題を解決するための１つの形態として、３個以上の高反射ミラーで構成するリング共振器内に、両端面に高反射防止膜を施した半導体レーザー素子を備え、半導体素子を電気的に動作させることにより、その両端面から自然光を出力させ、片方の端面から出た光がリング共振器内を周回し他方の端面から半導体素子に入り、その発光部を通過することにより、誘導放射を得るものであり、また逆方向に周回する光も同様に誘導放射を得る半導体リングレーザー装置を構成する。図１に示すものは２個の全反射ミラーＭ１、Ｍ２と１個の一部透過ミラー(出力ミラー)Ｍ３とでリング共振器１を構成し、両端面高反射防止膜付き半導体レーザー素子３を前記２個の全反射ミラーＭ１、Ｍ２間の光路内に配置する。これらの構成要素はすべて基盤２の上に固定して設置され、半導体レーザー素子駆動電源８は基盤２外に設置する構成を採っている。リング共振器１内を伝播する光は時計方向周りＣＷと反時計方向周りの光ＣＣＷが存在し、これらの光は一部透過ミラーＭ３に至って反射すると共に一部が透過しリング共振器１外へ出射される。
【００１１】
図２に本発明による半導体リングレーザー装置の他の一実施形態例として８字型半導体リングレーザー装置を示す。本実施形態の半導体レーザー装置は３枚の全反射率ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ４及び一部透過ミラー(出力ミラー)Ｍ３から８字型光路を描く８字型リング共振器１を基盤２上で構成し、その内部に両端面に高反射防止膜を施した半導体レーザー素子３を配置して、その発光軸を共振器１の光路軸に一致させ、半導体レーザー素子３を駆動電源８により作動させれば、半導体レーザー素子の左側から放出される光はリング共振器１内を右周り(ＣＷ)に周回し、右側端面に戻り、その端面から半導体レーザー素子内に入り、発光部を通過することにより発振しＣＷの誘導放射光(ＣＷレーザー光)はＭ３を介して外部へ取り出される。同様に、右端面から放出された光は左周り(ＣＣＷ)にリング共振器内を周回し、左側端面から半導体レーザー素子に入り、発光部を通過することにより発振し、ＣＣＷの誘導放射光(ＣＣＷレーザー光)もＭ３を介して外部へ取り出される。
【００１２】
本発明による半導体リングレーザー装置は、図３に模式図で示すように、全反射率ミラーＭ１、Ｍ２及び一部透過ミラー(出力ミラー)Ｍ３からリング共振器１を基盤２上で構成し、その内部に両端面に高反射防止膜を施した半導体レーザー素子(ＬＤ)３を配置して、その発光軸を共振器内の光路軸に一致させる。この半導体レーザー素子３を駆動させる電源８が備えられ、半導体リングレーザー装置１２が構成される。半導体レーザー素子駆動電源８をＯＮして作動させれば、半導体レーザー素子３の左側から放出される光はリング共振器１内を時計方向周り(ＣＷ)に周回し、右側端面から半導体レーザー素子３内に入り、発光部を通過することにより共振し、ＣＷ光の誘導放射(ＣＷレーザー光)は一部透過ミラーＭ３を介してリング共振器１外へ取り出される。同様に、右端面から放出された光は反時計方向周り(ＣＣＷ)にリング共振器１内を周回し、左側端面から半導体レーザー素子に入り、発光部を通過することにより共振し、ＣＣＷ光の誘導放射(ＣＣＷレーザー光)は一部透過ミラーＭ３を介して取り出される。サニャック効果を生じている２つの光信号は光学式角速度情報取出し装置７を経て信号処理部１１で電子的に処理されて２つの光信号の周波数差Δｆを出力する。このΔｆは角速度Ωに比例した量である。
【実施例】
【００１３】
図４に本発明の半導体リングレーザー装置を採用した１軸型半導体リングレーザージャイロの実施例を示す。本実施形態のジャイロは角速度検出部Ａ、信号処理部１１及び半導体レーザー素子駆動電源８から構成されている。角速度検出部Ａは、半導体リングレーザー装置１２と光学式角速度情報取り出し措置７から構成される。半導体リングレーザー装置１２は全反射率ミラーＭ１、Ｍ２及び一部透過ミラー(出力ミラー)Ｍ３とからリング共振器１を構成し、その内部に両端面に反射防止膜を施した半導体レーザー素子３を配置して構成し、半導体レーザー素子３を前記駆動電源８により作動させれば、リングレーザー発振を実現できる。
光学式角速度情報取り出し装置７は、２枚の全反射ミラーＭ４、Ｍ５、２つの直線偏向素子(λ/２素子、λ：波長)Ｐ１、Ｐ２、直線偏向光線結合器ＰＢＳ、非偏向光線分岐器ＮＢＳ及び２つの光位相切り出し器(λ/４素子)ＰＣ１、ＰＣ２とから構成されている。その機能は半導体リングレーザー装置の出力：ＣＷ光、ＣＣＷ光をそれぞれＭ４、Ｍ５で光軸を変更し、２つの直線偏向素子(λ/２素子)により、それぞれ直線偏向光線ｐ波及びｓ波にし、それらを直線偏向光線結合器ＰＢＳによりＣＣＷ光の電気ベクトルが紙面に垂直方向の直線偏向光線であるｐ波と、ＣＷ光の電気ベクトルが紙面に平行方向の直線偏向光線であるｓ波の光線を合成し、さらにその合成光線を非偏向光線分岐器ＮＢＳにより二分し、それらをそれぞれ光位相切り出し器(λ/４素子)ＰＣ１とＰＣ２により相対位相が９０度になるように処理し、リングレーザーのサニャック効果による入力角速度に比例した角速度情報を含む光信号Ｎ１，Ｎ２を出力する。この光信号Ｎ１は光学式角速度情報取出し装置から出力される、ｐ波の位相に対して４５度異なる合成波の光パルス信号(△ｆに相当)であり、光信号Ｎ２は光学式角速度情報取出し装置から出力される、ｐ波の位相に対して１３５度異なる合成波の光パルス信号である。Ｎ１−Ｎ２は＞０または＜０によって角速度の極性すなわち、回転方向を示す。
【００１４】
信号処理部１１は、光信号伝送器１３と光／電気信号処理器１４から構成され、光学式角速度情報取り出し装置７の出力信号Ｎ１、Ｎ２を電気信号に変換し、加減算処理により、入力角速度に対応する角速度情報(大きさ：Ｎ１と極性：Ｎ１−Ｎ２)を出力する。光信号伝送器１３は２本のコネクタ付き光ファイバーコードＯＦで構成し、光学式角速度情報取り出し装置７の出力信号Ｎ１、Ｎ２を、光ファイバーコードＯＦを介して光／電気信号処理器１４に伝送する。光／電気信号処理器１４は２つの光／電気変換器と２つの周波数カウンター及び加減算器から構成し、Ｎ１、Ｎ２を電気信号に変換し、加減算処理により、入力角速度に対応する角速度情報の大きさと向き情報(極性)を出力する。
【００１５】
本発明による角速度検出の原理は次式に基づくものである。
△ｆ＝(４Ａ／Ｌλ)Ω
ここに、△ｆ：半導体リングレーザー装置の出力ＣＷ光とＣＣＷ光のビート周波数(Ｎ１)
Ａ： 図４におけるミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３によるリング共振器のリング光路が 囲む面積
Ｌ： リング光路長
λ： リングレーザー発振波長
Ω： Ａ面の垂直軸まわりの入力角速度
したがって、本リングレーザージャイロは△ｆを測定することにより、Ωを求めることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の固体リングレーザー装置の模式図である。
【図２】本発明の８字型半導体リングレーザー装置の模式図である。
【図３】本発明の半導体リングレーザージャイロの模式図である。
【図４】本発明の固体リングレーザー装置の実施例を示す図である。
【図５】従来の固体リングレーザー装置の模式図である。
【図６】従来の半導体リングレーザージャイロの模式図である。
【符号の説明】
【００１７】
１ リング共振器 ２ 基盤
３ 両端面高反射防止膜付き半導体レーザー素子 ３ａ 固体レーザー素子
４ａ 固体レーザー素子の励起光源 ５ 励起光集光レンズ系（ＦＬ）
６ 電源 ７ 光学式角速度情報取出し装置
８ 半導体レーザー素子駆動電源 １１ 信号処理部
１２ 半導体リングレーザー装置 １３ 光信号伝送器
１４ 光／電気信号処理器 Ａ 角速度検出部
Ｂ 励起光源／信号処理部 Ｃ 光励起エネルギー／光信号伝送部
Ｍ１,Ｍ２,Ｍ３,Ｍ４,Ｍ５ ミラー
ＣＷ 時計回りの光 ＣＣＷ 反時計回りの光
ＯＦ 光ファイバ Ｐ１,Ｐ２ 直線偏向器(λ/２素子)
ＰＢＳ 直線偏向光線結合器 ＮＢＳ 非偏向光線分岐器
ＢＳ 光線干渉器 Ω 入力角速度
ＰＣ１,ＰＣ２ 光位相切り出し器(λ/４素子)
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２枚以上の全反射ミラーと一部透過ミラーにより、一つの基盤上で構成するリング共振器内に、両端面に反射防止膜を施した半導体レーザー素子を配置すると共に、半導体レーザー素子の駆動電源を備えた半導体リングレーザー装置。
【請求項２】
リング共振器を光ファイバーと光分岐器で構成すると共に、リング共振器内に両端面に反射防止膜を施した半導体レーザー素子を配置し、半導体レーザー素子の駆動電源を備えた半導体リングレーザー装置。
【請求項３】
リング共振器内に、両端面に反射防止膜を施した半導体レーザー素子を備えた半導体リングレーザー装置と、その半導体リングレーザー装置から出力される光信号から角速度情報を取り出す光学式角速度情報取出し装置とで角速度検出部を構成し、リングレーザーのサニャック効果を利用して角速度の大きさと極性を検出することを特徴とする半導体リングレーザージャイロ。
【請求項４】
前記光学式角速度情報取り出し装置は、２つの直線偏光素子(λ/２素子)、直線偏向光線結合器、非偏向光線分岐器及び２つの光位相切り出し器(λ/４素子)とを備えたものであって、半導体リングレーザー装置の出力であるＣＷ光、ＣＣＷ光を前記２つの直線偏向素子により、それぞれ直線偏光光線ｐ波及びｓ波にし、それらを前記直線偏向光線結合器によりｐ波とｓ波の光に合成し、さらにその合成光線を前記非偏向光線分岐器により二分し、それらをそれぞれ前記光位相切り出し器により、相対位相が９０度になるように処理し、リングレーザーのサニャック効果による入力角速度に比例した角速度情報を含む光信号を出力する請求項３に記載の半導体リングレーザージャイロ。
【請求項５】
前記信号処理部は、光信号伝送器と光／電気信号処理器とを備えたものであって、該光／電気信号処理器において前記光学式角速度情報取出し装置の出力信号Ｎ１，Ｎ２を電気信号に変換すると共に、加減算処理により入力角速度情報の大きさと極性を出力する請求項３または４に記載の半導体リングレーザージャイロ。
【請求項６】
角速度検出部は前記構成部品を一つの基盤上で組付けて構成する請求項３乃至５のいずれかに記載の半導体リングレーザージャイロ。
【請求項１】
２枚以上の全反射ミラーと一部透過ミラーにより、一つの基盤上で構成するリング共振器内に、両端面に反射防止膜を施した半導体レーザー素子を配置すると共に、半導体レーザー素子の駆動電源を備えた半導体リングレーザー装置。
【請求項２】
リング共振器を光ファイバーと光分岐器で構成すると共に、リング共振器内に両端面に反射防止膜を施した半導体レーザー素子を配置し、半導体レーザー素子の駆動電源を備えた半導体リングレーザー装置。
【請求項３】
リング共振器内に、両端面に反射防止膜を施した半導体レーザー素子を備えた半導体リングレーザー装置と、その半導体リングレーザー装置から出力される光信号から角速度情報を取り出す光学式角速度情報取出し装置とで角速度検出部を構成し、リングレーザーのサニャック効果を利用して角速度の大きさと極性を検出することを特徴とする半導体リングレーザージャイロ。
【請求項４】
前記光学式角速度情報取り出し装置は、２つの直線偏光素子(λ/２素子)、直線偏向光線結合器、非偏向光線分岐器及び２つの光位相切り出し器(λ/４素子)とを備えたものであって、半導体リングレーザー装置の出力であるＣＷ光、ＣＣＷ光を前記２つの直線偏向素子により、それぞれ直線偏光光線ｐ波及びｓ波にし、それらを前記直線偏向光線結合器によりｐ波とｓ波の光に合成し、さらにその合成光線を前記非偏向光線分岐器により二分し、それらをそれぞれ前記光位相切り出し器により、相対位相が９０度になるように処理し、リングレーザーのサニャック効果による入力角速度に比例した角速度情報を含む光信号を出力する請求項３に記載の半導体リングレーザージャイロ。
【請求項５】
前記信号処理部は、光信号伝送器と光／電気信号処理器とを備えたものであって、該光／電気信号処理器において前記光学式角速度情報取出し装置の出力信号Ｎ１，Ｎ２を電気信号に変換すると共に、加減算処理により入力角速度情報の大きさと極性を出力する請求項３または４に記載の半導体リングレーザージャイロ。
【請求項６】
角速度検出部は前記構成部品を一つの基盤上で組付けて構成する請求項３乃至５のいずれかに記載の半導体リングレーザージャイロ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００６−３１９１０４（Ｐ２００６−３１９１０４Ａ）
【公開日】平成１８年１１月２４日（２００６．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１３９７０１（Ｐ２００５−１３９７０１）
【出願日】平成１７年５月１２日（２００５．５．１２）
【出願人】（５０３３６１４００）独立行政法人 宇宙航空研究開発機構 (453)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１１月２４日（２００６．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月１２日（２００５．５．１２）
【出願人】（５０３３６１４００）独立行政法人 宇宙航空研究開発機構 (453)
【Ｆターム（参考）】
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