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본래의 자이로스코프(Gyroscope)는 회전하는 ‘팽이’의 각운동량 보존 법칙을 이용하고, 비행체의 자세 변화를 계측하는 장치이다. 예전엔 이 기계식 자이로가 우주로켓에 사용되었지만, 최근 광학식 자이로가 실용화되었고, 이것이 현재의 주류가 되었다. 대표적인 광학식 자이로는 링 레이저 자이로(Ring Laser Gyro)이다. 그 당시 사용 예는 적었지만, 현재는 많은 우주로켓에 사용되고 있다.

링 레이저 자이로

작동 원리를 생각해보자. 고리(실제로는 삼각형 또는 사각형) 형태의 유리관 속에 헬륨과 네온의 혼합가스를 채우고 좌우 역으로 회전하는 (1대) 레이저 빛을 발진(發振) 전파한다. 레이저 빛은 기본 주파수에서 거울의 위치가 파동이 되도록 발진한다. 자이로가 회전하면 회전 좌표계에서 관측되는 빛의 전파 시간에 방향 의존성이 생긴다는 원리(사냑 효과, Sagnac Effect)로 왼쪽으로 우회전의 2개의 레이저 광선에는 광로(光路) 길이의 차이가 생기고, 이것이 파장(주파수)의 차이가 되어 나타난다. 이것을 측정하여 자이로의 회전각속도를 구한다.

그림과 같이 입사각을 조금 옮기면 2개의 빛을 간섭시키면, 간섭무늬(굴곡, 빛의 강약)가 나타난다. 간섭무늬의 굴곡(빛의 강약)으로 파장에 가로로 가는 것이 진행파(進行波), 그것을 진행 방향(정면)에서 관찰한 것이 정상파(定常波)이다. 정상파는 간섭이 강하다. (빛의 강도 변화가 큰) 위치와 간섭이 약한 (빛의 강도 변화가 작은) 위치가 있고, 그 위치는 움직이지 않고 빛의 강도만 연속적으로 변화한다. 입사하는 2개의 레이저 빛의 중간 방향을 축으로 하면, 자이로가 회전할 때 간섭무늬는 축 방향으로 진행된다.

진행파: 공간 안을 일정한 방향으로 진행하는 파동, 매질(媒質)에 따라 진행 속도가 결정된다.
정상파: 서로 반대 방향으로 진행하는 같은 진동수의 진행파가 겹쳐서, 매질(媒質) 가운데로 진행하지 않고 일정한 곳에서 진동하는 파. 진행파와 반사파가 서로 겹쳐 간섭 현상으로 인해 일어남.

간섭무늬의 진행 속도는 자이로의 회전 각속도(크기)에 비례하므로 단위 시간당(진행) 간섭무늬의 수를 빛 센서(PS1 또는 PS2)에서 카운트하고, 자이로의 회전 각속도 크기를 계측한다.

한편, 2개의 빛 센서(PS1과 PS2) 진행파의 위상차를 검출하고 자이로의 회전 방향을 판정한다. 즉, 간섭무늬의 굴곡 중 하나를 처음에 빛 센서 PS1이 측정하고, 좀 늦게 PS2가 이것을 측정하거나 그 반대로 되는가로 회전 방향을 판정한다.

※ 사냑 효과(Sagnac Effect)는 프랑스의 물리학자 조루주 사냑이 1913년의 실험에서 밝힌 것으로 엄밀하게 말하면 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 근거하여 설명할 수 있는 현상이다. 링 레이저 자이로는 ‘팽이’의 원리를 이용한 기계식 자이로보다 정확도가 매우 높고, 가동 부분이 적어 높은 신뢰성을 확보할 수 있다는 장점이 있다.