DE112013003959T5

DE112013003959T5 - Pulslichtquelle und Verfahren zum stabilen Steuern von Phasendifferenz zwischen Pulslaserlichtern

Info

Publication number: DE112013003959T5
Application number: DE201311003959
Authority: DE
Inventors: c/o Advantest Corporation Yamashita Tomoyu; c/o Advantest Corporation Irisawa Akiyoshi
Original assignee: Advantest Corp
Current assignee: Advantest Corp
Priority date: 2012-08-07
Filing date: 2013-07-19
Publication date: 2015-04-30
Also published as: US9190804B2; CN104428963B; JPWO2014024699A1; JP5974096B2; US20150194786A1; WO2014024699A1; CN104428963A

Abstract

Eine Pulslichtquelle (1) gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet: Einen Master-Laser (112), der ein Master-Laserlichtpuls dessen Wiederholungsfrequenz auf einen vordefinierten Wert geregelt wird ausgibt; Einen Slave-Laser (212), der ein Slave-Laserlichtpuls ausgibt; Einen Phasenvergleicher (232), der eine Phasendifferenz zwischen einem elektrischen Signal mit einer Frequenz des vordefinierten Werts und einem elektrischen Signal basierend auf einer Lichtintensität des Slave-Laserlichtpulses erkennt; Einen Schleifenfilter (234); Ein Addierglied (235), das ein Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal mit einem bestimmten Wiederholungszyklus an eine Ausgabe des Schleifenfilters (234) hinzufügt; und einen Phasenvergleicher (306), der eine Pulsphasendifferenz misst, die eine Phasendifferenz zwischen dem Master-Laserlichtpuls und dem Slave-Laserlichtpuls ist. Die Wiederholungsfrequenz des Slave-Laserlichtpulses schwankt abhängig von einer Ausgabe von dem Addierglied. Eine Stärke des Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignals wird gesteuert, so dass die gemessene Pulsphasendifferenz mit einem Zielwert der Pulsphasendifferenz übereinstimmt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Steuerung einer Pulswiederholungsfrequenz eines Laserlichtpulses.
STAND DER TECHNIK
Konventionell sind Vorrichtungen bekannt die durch vertikales Fluktuieren einer Wiederholungssequenz eines Slave-Lasers eine Differenz in der Wiederholungsfrequenz zwischen zwei Lasern ändern während eine Wiederholungfrequenz eines Master-Lasers konstant gehalten wird (siehe zum Beispiel Patent Veröffentlichungsnummer 4786767).
In dieser Vorrichtung beinhaltet der Slave-Laser ein piezoelektrisches Element. Die Vorrichtung ist dazu eingerichtet eine Komponente, welche vertikal fluktuiert (zum Beispiel eine sinusförmige Spannung) an eine Spannung hinzuzufügen, welche an einen Piezoantrieb zum Antreiben des piezoelektrischen Elements angelegt wird (siehe zum Beispiel 1 und 3 des Patentdokuments 1).
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Jedoch gestattet sogar das Anlegen der sinusförmigen Spannung an den Piezoantrieb nicht immer, dass die Wiederholungsfrequenz des Slave-Lasers ein Sinuswellen-ähnliches Muster vorweist. Zum Beispiel schwankt die Wiederholungsfrequenz des Slave-Lasers gemäß der Auslenkung des piezoelektrischen Elements. Die Auslenkung des piezoelektrischen Elements hängt von der Umgebungstemperatur des piezoelektrischen Elements ab, sogar unter derselben Spannung die an das piezoelektrische Element angelegt wird. In einigen Fällen weist die Wiederholungsfrequenz des Slave-Lasers aufgrund der Änderung der Umgebungstemperatur des piezoelektrischen Elements nicht die Sinuswelle auf.
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung eine Differenz in einer Wiederholungsfrequenz zwischen zwei Lasern präzise zu steuern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Pulslichtquelle dazu geeignet ein Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal von einer Widerholungsfrequenz-Steuerungssignal-Quelle in Übereinstimmung mit einer Phasendifferenz zwischen zwei Pulslaserlichtern zu regeln („feedback control”).
Gemäß der Pulslichtquelle der vorliegenden Erfindung können Laser, welche die zwei Pulslaserlichter ausgeben, beinhalten: einen Master-Laser, welcher ein Master-Laserlichtpuls ausgibt dessen Wiederholungsfrequenz auf einen vordefinierten Wert geregelt wird; und einen Slave-Laser, welcher einen Slave-Laserlichtpuls ausgibt, wobei die Pulslichtquelle beinhaltet: einen Phasendifferenzdetektor, der eine Phasendifferenz zwischen einem elektrischen Signal mit einer Frequenz des vordefinierten Werts und einem elektrischen Signal basierend auf einer Lichtintensität des Slave-Laserlichtpulses erkennt; einen Schleifenfilter („Loopfilter”), welcher eine Hochfrequenz-Wellenkomponente von einer Ausgabe des Phasendifferenzdetektors entfernt; ein Addierglied, das eine Widerholungsfrequenz-Steuerungssignal-Ausgabe von der Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal-Quelle an eine Ausgabe des Schleifenfilters hinzufügt und einen bestimmten Wiederholungszyklus aufweist; und einen Pulsphasendifferenzdetektor der eine Pulsphasendifferenz misst, welche eine Phasendifferenz zwischen dem Master-Laserlichtpuls und dem Slave-Laserlichtpuls ist, wobei die Wiederholungsfrequenz des Slave-Laserlichtpulses abhängig von einer Ausgabe von dem Addierglied schwankt und eine Stärke des Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignals gesteuert wird, so dass die gemessene Pulsphasendifferenz mit einem Zielwert der Pulsphasendifferenz übereinstimmt.
Gemäß der Pulslichtquelle der vorliegenden Erfindung kann sich eine Resonatorlänge des Slave-Lasers abhängig von der Ausgabe des Addierglieds ändern.
Gemäß der Pulslichtquelle der vorliegenden Erfindung kann der Slave-Laser ein piezoelektrisches Element beinhalten, wobei die Ausgabe des Addierglieds dem piezoelektrischen Element zugeführt wird und sich die Resonatorlänge des Slave-Lasers durch Ausdehnung und Kontraktion des piezoelektrischen Elements ändert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Pulslichtquelle weiterhin beinhalten: einen Master-seitigen Differenzdetektor, der eine Phasendifferenz zwischen einem elektrischen Signal mit der Frequenz des vordefinierten Werts und einem elektrischen Signal basierend auf einer Lichtintensität des Master-Laserlichtpulses erkennt; und einen Master-seitigen Schleifenfilter, der eine Hochfrequenz-Komponente der Ausgabe von dem Master-seitigen Phasendifferenzdetektor entfernt, wobei sich eine Wiederholungsfrequenz des Master-Laserlichtpulses in Übereinstimmung mit einer Ausgabe von dem Master-seitigen Schleifenfilter ändert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung steuert ein Verfahren stabil eine Phasendifferenz eines Pulslaserlichts in einer Lichtabtastvorrichtung oder einem Terahertz-Abbildungsvorrichtung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein funktionales Blockdiagramm der Konfiguration einer Pulslichtquelle 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; 2(a), 2(b), 2(c) und 2(d) sind Diagramme, die eine Ausgabe von der Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal-Quelle 238 (2(a)), eine Ausgabe von dem Addierglied 235 (2(b)), die Wiederholungsfrequenz des Slave-Lasers 212 bei konstanter Umgebungstemperatur (2(c)) und ein virtuelles Beispiel der Wiederholungsfrequenz des Slave-Lasers 212 bei sich ändernder Umgebungstemperatur (2(d)) zeigen.
3(a), 3(b), 3(c) und 3(d) sind Diagramme, die eine Ausgabe von einem Zielwertausgabebereich 240 (3(a)), eine Ausgabe von dem Phasenvergleicher 306 (3(b)), eine Ausgabe von der Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal-Quelle 238 (3(c)) und eine Ausgabe von dem Addierglied 235 (3(d)) bei sich ändernder Umgebungstemperatur zeigen.
4(a), 4(b), 4(c) und 4(d) sind Diagramme, die die modifizierten Beispiele der Ausgabe von dem Wiederholungsfrequenzsteuerungssignal zeigen, wobei 4(a) die Ausgabe von der Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal-Quelle 238 zeigt, 4(b) eine Ausgabe von dem Addierglied 235 zeigt, 4(c) die Wiederholungsfrequenz von dem Slave-Laser 212 bei konstanter Umgebungstemperatur zeigt und 4(d) ein virtuelles Beispiel der Wiederholungsfrequenz des Slave-Lasers 212 bei sich ändernder Umgebungstemperatur (4(d)) zeigt;
5(a), 5(b), 5(c) und 5(d) sind Diagramme, die die modifizierten Beispiele der Ausgaben des Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignals zeigen, wobei 5(a) eine Ausgabe von dem Zielwertausgabebereich 240 zeigt, 5(b) eine Ausgabe von dem Phasenvergleicher 306 zeigt, 5(c) eine Ausgabe von der Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal-Quelle 238 zeigt und 5(d) eine Ausgabe von dem Addierglied 235 bei sich ändernder Umgebungstemperatur zeigt; und 6 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration der Messvorrichtung zeigt, welches das THz-Licht verwendet.
Betriebsarten zum Ausführen der Erfindung
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt ein funktionelles Blockdiagramm der Konfiguration einer Pulslichtquelle 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Die Pulslichtquelle 1 in dieser Ausführungsform der Erfindung beinhaltet einen Master-Laser 112, einen Optokoppler 114, eine Photodiode 116, eine Referenz-elektrische Signal-Quelle 121, einen Phasenvergleicher (Master-seitiger Phasendifferenzdetektor) 132, einen Schleifenfilter (Master-seitiger Schleifenfilter) 134, einen Piezoantrieb 136, einen Slave-Laser 212, einen Optokoppler 214, eine Photodiode 216, einen Phasenvergleicher (Phasendifferenzdetektor) 232, einen Schleifenfilter 234, ein Addierglied 235, einen Piezoantrieb 236, eine Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal-Quelle 238, einen Zielwertausgabebereich 240, einen Fehlerdetektor 242, Bandfilter 302 und 304 und einen Phasenvergleicher (Pulsphasendifferenzdetektor) 306.
Die Pulslichtquelle 1 regelt die Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal-Quelle 238 gemäß einer Phasendifferenz zwischen zwei Pulslaserlichtern (Master-Laserlichtpuls und Slave-Laserlichtpuls).
Der Master-Laser 112 gibt den Master-Laserlichtpuls aus. Man beachte, dass die Wiederholungsfrequenz des Master-Laserlichtpulses auf einen vordefinierten Wert geregelt wird. Der vordefinierte Wert ist gleichgesetzt mit der Frequenz (zum Beispiel 50 MHz) einer Referenzelektrischen Signal-Ausgabe von der Referenz-elektrischen Signal-Quelle 121.
Der Master-Laser 112 hat ein piezoelektrisches Element 112p. Das piezoelektrische Element 112p ist dazu geeignet durch Verstärkung einer Spannung der Ausgabe von dem Schleifenfilter 134 durch den Piezoantrieb 136 und Anlegen der verstärkten Spannung an das piezoelektrische Element in die Richtung X (in Längsrichtung der 1) ausgedehnt und zusammengezogen zu werden. Die Ausdehnung und Kontraktion des piezoelektrischen Elements 112p in die Richtung X ändert eine Laserresonatorlänge des Master-Lasers 112. Die Änderung in der Laserresonatorlänge ändert die Wiederholungsfrequenz des Master-Laserlichtpulses.
Der Optokoppler 114 empfängt eine Master-Laserlichtpuls-Ausgabe von dem Master-Laser 112 und gibt den Puls jeweils an die Photodiode 116 und nach Außen mit einem Leistungsverhältnis von beispielsweise 1:9 ab. Insbesondere entspricht eine optische Leistung von dem Master-Laserlichtpuls, die an die Photodiode 116 angelegt wird, 10% derjenigen der Master-Laserlichtpuls-Ausgabe des Master-Lasers 112.
Die Photodiode (Master-seitiger photoelektrischer Umwandlungsabschnitt) 116 empfängt einen Master-Laserlichtpuls von dem Optokoppler 114, um den Master-Laserlichtpuls in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Die Wiederholungsfrequenz des Master-Laserlichtpulses wird auf 50 MHz geregelt.
Die Referenz-elektrische Signal-Quelle 121 gibt ein Referenz-elektrisches Signal mit einer Frequenz des vordefinierten Werts aus (zum Beispiel 50 MHz).
Der Phasenvergleicher (Master-seitiger Phasendifferenzdetektor) 132 erkennt und gibt eine Phasendifferenz zwischen einer Ausgabe von der Referenz-elektrischen Signal-Quelle 121 und einer Ausgabe von der Photodiode 116 aus. Man beachte, dass die Ausgabe von der Photodiode 116 ein elektrisches Signal basierend auf der Lichtintensität des Master-Laserlichtpulses ist.
Der Schleifenfilter (Master-seitiger Schleifenfilter) 134 entfernt eine Hochfrequenzkomponente von der Ausgabe des Phasenvergleichers 132.
Der Piezoantrieb 136 ist beispielsweise ein Leistungsverstärker und verstärkt die Ausgabe von dem Schleifenfilter 134. Die Ausgabe von dem Piezoantrieb 136 wird dem piezoelektrischen Element 112p zugeführt. Dadurch wird das piezoelektrische Element 112 ausgedehnt und zusammengezogen in die Richtung X. Man beachte, dass das piezoelektrische Element 112 ausgedehnt und zusammengezogen wird, so dass die Phasendifferenz, welche durch den Phasenvergleicher 132 erkannt wird, ein konstanter Wert wird (zum Beispiel 0 Grad, 90 Grad oder –90 Grad). Folglich kann die Wiederholungsfrequenz des Master-Laserlichtpulses präzise mit der Frequenz des Referenz-elektrischen Signals in Übereinstimmung gebracht werden (zum Beispiel 50 MHz).
Der Slave-Laser 212 gibt den Slave-Laserlichtpuls aus.
Der Slave-Laser 212 hat ein piezoelektrisches Element 212p. Das piezoelektrische Element 212 ist dazu geeignet durch Verstärkung einer Spannung der Ausgabe von dem Addierglied 235 durch den Piezoantrieb 136 und Anlegen der verstärkten Spannung an das piezoelektrische Element in die Richtung X (in Längsrichtung der 1) ausgedehnt und zusammengezogen zu werden. Die Ausdehnung und Kontraktion des piezoelektrischen Elements 212 in die Richtung X ändert eine Laserresonatorlänge des Slave-Lasers 212. Die Änderung der Laserresonatorlänge ändert die Wiederholungsfrequenz des Slave-Laserlichtpulses.
Der Optokoppler 214 ist im Wesentlichen die gleiche Komponente wie der Optokoppler 114 und empfängt eine Slave-Laserlichtpuls-Ausgabe von dem Slave-Laser 212 und gibt den Puls jeweils an die Photodiode 216 und nach Außen mit einem Leistungsverhältnis von beispielsweise 1:9 ab.
Die Photodiode (photoelektrischer Umwandlungsabschnitt) 216 ist im Wesentlichen die gleiche Komponente wie die Photodiode 116. Die Photodiode 216 empfangt ein Slave-Laserlichtpuls von dem Optokoppler 214 und wandelt den Slave-Laserlichtpuls in ein elektrisches Signal um. Die Wiederholungsfrequenz des Slave-Laserlichtpulses wird auf einen Wert geregelt, der durch Hinzufügen eines Werts erhalten wird, der dem Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal von 50 MHz entspricht (Frequenz des Referenz-elektrischen Signals) (siehe 2).
Der Phasenvergleicher (Phasendifferenzdetektor) 232 ist im Wesentlichen die gleiche Komponente wie der Phasenvergleicher 132 und erkennt und gibt eine Phasendifferenz zwischen einer Ausgabe von der Referenz-elektrischen Signal-Quelle 121 und einer Ausgabe von der Photodiode 216 aus. Man beachte, dass die Ausgabe von der Photodiode 215 ein elektrisches Signal basierend auf der Lichtintensität des Slave-Laserlichtpulses ist.
Der Schleifenfilter 234 ist im Wesentlichen die gleiche Komponente wie der Schleifenfilter 134 und entfernt eine Hochfrequenz-Komponente von der Ausgabe des Phasenvergleichers 232.
Der Piezoantrieb 236 ist im Wesentlichen die gleiche Komponente wie der Piezoantrieb 136 und verstärkt die Ausgabe von dem Addierglied 235. Die Ausgabe von dem Piezoantrieb 236 wird dem piezoelektrischen Element 212p zugeführt. Dadurch wird das piezoelektrische Element 212p in die Richtung X ausgedehnt und zusammengezogen. Das piezoelektrische Element 212p wird ausgedehnt und zusammengezogen, so dass die Phasendifferenz, welche durch den Phasenvergleicher 232 erkannt wird, ein konstanter Wert wird (zum Beispiel 0 Grad, 90 Grad oder –90 Grad). Folglich kann die Wiederholungsfrequenz des Slave-Laserlichtpulses mit einem Wert (ca. 50 MHz) in Übereinstimmung gebracht werden, der durch Hinzufügen eines Werts erhalten wird, der dem Wiederholungfrequenz-Steuerungssignal bis 50 MHz entspricht (Frequenz des Referenz-elektrischen Signals).
Das Addierglied 235 fügt das Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal an die Ausgabe des Schleifenfilters 234 hinzu, um das erhaltene Signal auszugeben.
Die Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal-Quelle 238 ist beispielsweise irgendein Wellenform-Generator und gibt das Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal aus. Das Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal hat einen bestimmten Wiederholungszyklus. Wenn die Zeit auf der Längsachse betrachtet wird, kann das Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal eine Sinuswelle aufweisen (siehe 2(a)) oder es kann auch wiederholt linear ansteigen und abnehmen (siehe 4(a)). Das Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal ist ein Signal mit einer Wiederholungsfrequenz von beispielsweise ca. 250 Hz.
Der Bandfilter 302 ist ein Filter, der eine Komponente der Ausgabe bei ca. 50 MHz (Frequenz des Referenz-elektrischen Signals) von der Photodiode 116 oder Nahe einer höherwertigen Oberwelle („harmonic”) (100 MHz, 150 MHz, etc.) von 50 MHz herausnimmt.
Der Bandfilter 304 ist ein Filter, der eine Komponente der Ausgabe von der Photodiode 216 bei ca. 50 MHz (Frequenz des Referenz-elektrischen Signals) oder Nahe einer höherwertigen Oberwelle (100 MHz, 150 MHz, etc.) von 50 MHZ herausnimmt.
Der Phasenvergleicher (Pulsphasendifferenzdetektor) 306 erkennt und gibt eine Phasendifferenz zwischen der Ausgabe von dem Bandfilter 302 und der Ausgabe von dem Bandfilter 304 aus. Die Phasendifferenz zwischen der Ausgabe von dem Bandfilter 302 und der Ausgabe von dem Bandfilter 304 ist eine Phasendifferenz zwischen dem Master-Laserlichtpuls und dem Slave-Laserlichtpuls (Pulsphasendifferenz).
Der Zielwertausgabebereich 240 gibt einen Zielwert der Pulsphasendifferenz aus.
Der Fehlerdetektor 242 erkennt eine Differenz (einen Fehler) zwischen dem Zielwert der Pulsphasendifferenzausgabe von dem Zielwertausgabebereich 240 und eine Ausgabe (gemessene Pulsphasendifferenz) von dem Phasenvergleicher 306, um die Differenz der Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal-Quelle 238 zuzuführen.
Die Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal-Quelle 238 steuert die Stärke des Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignals basierend auf dem Fehler, der durch den Fehlerdetektor 242 erkannt wird, so dass die Ausgabe (gemessene Pulsphasendifferenz) (gemessener Wert) von dem Phasenvergleicher 306 mit dem Zielwert der Pulsphasendifferenz in Übereinstimmung gebracht wird. Zum Beispiel, wenn der Zielwert größer als der gemessene Wert ist (das heißt, wenn der Fehler negativ ist), wird das Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal größer eingestellt. Wenn der Zielwert kleiner als der gemessene Wert ist (das heißt, wenn der Fehler positiv ist), wird das Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal kleiner eingestellt.
Als nächstes wird der Betrieb der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unten beschrieben.
(1) Vor dem Ausgeben des Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignals
In diesem Fall ist der Betrieb der Pulslichtquelle 1 im Wesentlichen der gleiche wie die normale PLL Schaltung. Das heißt die Wiederholungsfrequenz jedes des Master-Laserlichtpulses und des Slave-Laserlichtpulses ist 50 MHz.
Ein Betrieb zum Einstellen der Wiederholungsfrequenz des Master-Laserlichtpulses auf 50 MHz wird unten beschrieben. Das gleiche gilt für die Wiederholungsfrequenz des Slave-Laserlichtpulses.
Der Phasenvergleicher 132 vergleicht eine Phase der Ausgabe von der Photodiode 116 mit derjenigen von der Ausgabe von der Referenzelektrischen Signal-Quelle 121, um eine Phasendifferenz zwischen beiden Phasen zu erkennen und dabei die Phasendifferenz auszugeben. Die Ausgabe von dem Phasenvergleicher 132 hat ihre Hochfrequenz-Komponente, die durch den Schleifenfilter 134 entfernt wird und dann durch den Piezoantrieb 136 verstärkt wird, um dem piezoelektrischen Element 112p zugeführt zu werden. Das piezoelektrische Element 112p wird ausgedehnt und zusammengezogen, so dass die Phasendifferenz, die durch den Phasenvergleicher 132 erkannt wird, ein konstanter Wert wird (zum Beispiel 0 Grad, 90 Grad oder –90 Grad). Dadurch kann die Wiederholungsfrequenz des Master-Laserlichtpulses präzise mit der Frequenz des Referenz-elektrischen Signals, 50 MHz, in Übereinstimmung gebracht werden.
Angenommen, dass keine Störung auftritt, nachdem die Wiederholungsfrequenz sowohl der Master-Laserlichtpuls als auch der Slave-Laserlichtpuls mit einem vordefinierten Wert f0 (= 50 MHz) in Übereinstimmung gebracht werden, kann sowohl der Master-Laserlichtpuls als auch der Slave-Laserlichtpuls auf dem vordefinierten Wert gehalten werden, falls die Spannung, die an das piezoelektrische Element 112p und 212p angelegt wird, konstant gehalten wird.
2(a), 2(b), 2(c) und 2(d) sind Diagramme, die eine Ausgabe von der Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal-Quelle 238 (2(a)), eine Ausgabe von dem Addierglied 235 (2(b)), die Wiederholungsfrequenz des Slave-Lasers 212 bei konstanter Umgebungstemperatur (2(c)) und ein virtuelles Beispiel der Wiederholungsfrequenz des Slave-Lasers 212 bei sich ändernder Umgebungstemperatur (2(d)) zeigen.
Bezugnehmend auf die 2(a) bis 2(d) wird die Wiederholungsfrequenz des Slave-Laserlichtpulses auf einem vordefinierten Wert f0 gehalten während die Ausgabe von dem Addierglied 235 auf V0 gehalten wird in einer Zeitdauer von Zeit 0 bis Zeit t0 (siehe 2(b) bis 2(d)). Gleichermaßen wird die Wiederholungsfrequenz des Master-Laserlichtpulses auf einem vordefinierten Wert f0 gehalten in der Zeitdauer von Zeit 0 bis zu t0.
Bei der Zeit t0 wird die Ausgabe des Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignals gestartet.
(2) Nach dem Ausgeben des Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignals (bei konstanter Umgebungstemperatur)
Angenommen, dass die Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal-Ausgabe von der Widerholungsfrequenz-Steuerungssignal-Quelle 238 beispielsweise eine Sinuswelle aufweist, wenn die Zeit in der Längsachse gezeigt ist (siehe 2(a)).
Dann ändert sich die Ausgabe von dem Addierglied 235 vertikal von V0 (siehe 2(b)).
Wenn die Ausgabe von dem Addierglied 235 zunimmt (abnimmt), wird auch die Spannung, die an das piezoelektrische Element 212p angelegt wird, höher (niedriger), was die Ausdehnung (Kontraktion) des piezoelektrischen Elements 212p verursacht. Hierbei, wenn das piezoelektrische Element 212 ausgedehnt (zusammengezogen) wird, ist die Laserresonsatorlänge des Slave-Lasers 212 kürzer (länger) ausgestaltet. Dann nimmt die Wiederholungsfrequenz des Slave-Lasers 212 zu (ab).
Gleichermaßen ändert sich auch die Ausgabe von dem Addierglied 235, die Wiederholungsfrequenz des Slave-Lasers 212 vertikal (siehe 2(c)). Der Wert der Wiederholungsfrequenz des Slave-Lasers 212, der sich vertikal ändert, entspricht dem Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal.
Andererseits schwankt die Wiederholungsfrequenz des Master-Laserlichtpulses nicht im Besonderen.
Das heißt, die Wiederholungsfrequenz des Slave-Lasers 212 schwankt vertikal während die Wiederholungsfrequenz des Master-Lasers 112 konstant ist, die eine Differenz in der Wiederholungsfrequenz zwischen den zwei Lasern ändern kann.
Man beachte, dass der Bandfilter 302 eine Komponente der Ausgabe von der Photodiode 116 bei 50 MHz (Frequenz des Referenz-elektrischen Signals) oder Nahe einer höherwertigen Oberwelle (100 MHz, 150 MHz, etc.) von 50 MHz herausnimmt. Der Bandfilter 304 nimmt eine Komponente der Ausgabe von der Photodiode 216 bei 50 MHz (Frequenz des Referenz-elektrischen Signals) oder Nahe einer höherwertigen Oberwelle (100 MHz, 150 MHz, etc.) von 50 MHz heraus. Der Phasenvergleicher 306 erkennt und gibt eine Phasendifferenz (Pulsphasendifferenz) zwischen der Ausgabe von dem Bandfilter 302 und der Ausgabe von dem Bandfilter 304 aus.
Unter Berücksichtigung, dass Änderungen in der Umgebungstemperatur wie die Störung, unter konstanter Umgebungstemperatur, ist die Pulsphasendifferenz mit einem Zielwert ohne Fehler identisch. Das heißt, die Ausgabe von dem Zielwertausgabebereich 240 ist mit der Ausgabe von dem Phasenvergleicher 306 identisch, resultierend in eine Ausgabe von Null (0) von dem Fehlerdetektor 242. Die Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal-Quelle 238 hat keine Fehler und folglich ist ihre Ausgabe immer noch die Sinuswelle, wie gewöhnlich.
(3) Nach dem Ausgeben des Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignals (bei sich ändernder Umgebungstemperatur)
Man beachte, dass bei sich ändernder Umgebungstemperatur die Pulsphasendifferenz nicht identisch mit dem Zielwert ist, wodurch Fehler verursacht werden. Dies beruht auf den folgenden Gründen.
Im Allgemeinen ändert sich die Auslenkung des piezoelektrischen Elements abhängig von der Umgebungstemperatur des piezoelektrischen Elements sogar unter der gleichen Spannung, die an das piezoelektrische Element angelegt wird. Zum Beispiel, wenn die Umgebungstemperatur des piezoelektrischen Elements hoch (niedrig) ist, wird die Auslenkung des piezoelektrischen Elements größer (kleiner). Die Wiederholungsfrequenz des Slave-Laserlichtpulses wird durch die Stärke der Auslenkung des piezoelektrischen Elements 212p bestimmt, die ferner die Pulsphasendifferenz bestimmt. Falls sich die Auslenkung des piezoelektrischen Elements 212p aufgrund der Änderungen in der Umgebungstemperatur ändert, dann ändert sich die Pulsphasendifferenz. Folglich, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert, ändert sich die Phasendifferenz von dem Zielwert und ist nicht mit dem Zielwert identisch, wodurch Fehler verursacht werden.
2(d) ist ein Diagramm, das ein virtuelles Beispiel der Wiederholungsfrequenz des Slave-Lasers 212 zeigt, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert. Die Beschreibung als das „virtuelle Beispiel” basiert auf der Annahme, dass die Ausgabe von der Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal-Quelle 238 die Form einer Sinuswelle hat, wie gewöhnlich. Bezugnehmend auf 2(d), ist die Wiederholungsfrequenz des Slave-Lasers 212 durch eine Kurve mit einer gestrichelten Linie dargestellt, wenn die Umgebungstemperatur konstant ist.
Angenommen, dass die Umgebungstemperatur in der Zeitdauer von den Zeiten t0 bis t1 niedrig ist und die Umgebungstemperatur nach der Zeit t1 hoch ist. In diesem Fall, in der Zeitdauer von den Zeiten t0 bis t1, werden die Frequenzschwankungen klein im Vergleich zu dem Fall, bei dem die Umgebungstemperatur konstant ist. Nach der Zeit t1 werden die Frequenzschwankungen groß im Vergleich zu dem Fall, bei dem die Umgebungstemperatur konstant ist.
Die Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal-Quelle 238 ändert die Stärke des Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignals basierend auf dem Fehler, der durch den Fehlerdetektor 242 erkannt wird, wodurch verursacht wird, dass die Wiederholungsfrequenz des Slave-Lasers 212 den in 2(c) gezeigten Zustand annähert.
3(a), 3(b), 3(c) und 3(d) sind Diagramme, die eine Ausgabe von dem Zielwertausgabebereich 240 (3(a)), eine Ausgabe von dem Phasenvergleicher 306 (3(b)), eine Ausgabe von der Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal-Quelle 238 (3(c)) und eine Ausgabe von dem Addierglied 235 bei sich ändernder Temperatur (3(d)) zeigen.
Bezugnehmend auf 3(a), weist die Ausgabe von dem Zielwertausgabebereich 240 eine Sinuswelle auf. Wenn die Wiederholungsfrequenz des Slave-Lasers 212 in 2(c) gezeigt wird während die Wiederholungsfrequenz des Master-Lasers 112 konstant ist, zeigt die Ausgabe von dem Zielwertausgabebereich 240 eine Phasendifferenz zwischen beiden Laserpulslichtern an. Man beachte, dass die Ausgabe von dem Phasenvergleicher 306 eine ist, die durch Ersetzen der Phasendifferenz mit der Spannung erhalten wird (zum Beispiel ist die Phasendifferenz von 180 Grad angezeigt als 1.8 V). Zusammen mit diesem, ist die Ausgabe des Zielwertausgabebereichs 240 auch eine von denen, die durch Ersetzen der Phasendifferenz mit der Spannung erhalten werden.
Bezugnehmend auf 3(b), in der Zeitdauer von den Zeiten t0 bis t1, werden die Frequenzschwankungen klein im Vergleich zu dem Fall, bei dem die Umgebungstemperatur konstant ist. Folglich, in der Zeitdauer von den Zeiten t0 bis t1, ist die Amplitude der Ausgabe von dem Phasenvergleicher 306 kleiner als die der Ausgabe von dem Zielwertausgabebereich 240. Nach der Zeit t1, werden die Frequenzschwankungen groß im Vergleich zu dem Fall, bei dem die Umgebungstemperatur konstant ist. Folglich, nach der Zeit t1, ist die Amplitude der Ausgabe des Phasenvergleichers 306 größer als die der Ausgabe von dem Zielwertausgabebereich 240.
Der Fehlerdetektor 242 erkennt eine Differenz (einen Fehler) zwischen dem Zielwert der Pulsphasendifferenz-Ausgabe von dem Zielwertausgabebereich 240 und einer Ausgabe (gemessene Pulsphasendifferenz) von dem Phasenvergleicher 306, um die Differenz der Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal-Quelle 238 zuzuführen.
Bezugnehmend auf 3(c), steuert die Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal-Quelle 238 die Stärke des Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignals basierend auf dem Fehler, der durch den Fehlerdetektor 242 erkannt wird.
Zum Beispiel, wenn der Zielwert größer als der gemessene Wert ist (das heißt, wenn der Fehler negativ ist), wird das Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal größer eingestellt. Wenn der Zielwert kleiner als der gemessene Wert ist (das heißt, wenn der Fehler positiv ist), wird das Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal kleiner eingestellt. Folglich erhöht die Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal-Quelle 238 die Amplitude des Wiederholungsfrequenzsteuerungssignals in der Zeitdauer von den Zeiten t0 bis t1 und verringert die Amplitude des Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignals nach der Zeit t1.
Bezugnehmend auf 3(d), ist die Ausgabe von dem Addierglied 235 eine, die durch Hinzufügen einer Spannung V0 an die in 3(c) gezeigte Spannung erhalten wird.
Die Umgebungstemperatur ist in der Zeitdauer von den Zeiten t0 bis t1 niedrig, was die Amplitude der Wiederholungsfrequenz des Slave-Lasers 212 verringern könnte. Durch das Erhöhen der Amplitude des Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignals kann jedoch die Amplitude der Wiederholungsfrequenz des Slave-Lasers 212 erhöht werden, um sich einer Wiederholungsfrequenz des Slave-Lasers 212 anzunähern, die erhalten wird, wenn die Umgebungstemperatur konstant ist.
Nach der Zeit t1 ist die Umgebungstemperatur hoch, wodurch die Amplitude der Wiederholungsfrequenz des Slave-Lasers 212 erhöht werden könnte. Durch das Verringern der Amplitude des Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignals kann die Amplitude der Wiederholungsfrequenz des Slave-Lasers 212 jedoch verringert werden, um sich die Wiederholungsfrequenz des Slave-Lasers 212 anzunähern, die erhalten wird, wenn die Umgebungstemperatur konstant ist.
Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Phasendifferenz beibehalten (ferner eine Frequenzdifferenz) zwischen dem Master-Laserpulslicht und dem Slave-Laserpulslicht nach dem Zielwert, sogar wenn eine Störung auftritt (zum Beispiel Änderungen in der Umgebungstemperatur).
Man beachte, dass modifizierte Beispiele einer Ausgabe des Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignals unten beschrieben werden.
4(a), 4(b), 4(c) und 4(d) sind Diagramme, die die modifizierten Beispiele der Ausgabe von dem Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal zeigen, wobei 4(a) die Ausgabe von der Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal-Quelle 238 zeigt, 4(b) eine Ausgabe von dem Addierglied 235 zeigt, 4(c) die Wiederholungsfrequenz von dem Slave-Laser 212 bei konstanter Umgebungstemperatur zeigt und 4(d) ein virtuelles Beispiel der Wiederholungsfrequenz des Slave-Lasers 212 bei sich ändernder Umgebungstemperatur (4(d)) zeigt.
Wenn man die Zeit auf einer Längsachse betrachtet, wird das Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal als wiederholt linear zu- und abnehmend angesehen (siehe 4(a)). In diesem Fall sind die Ausgabe von dem Addierglied 235 (siehe 4(b)) und die Wiederholungsfrequenz des Slave-Lasers 212 (siehe 4(c) und 4(d) im Wesentlichen gleich wie oben.
5(a), 5(b), 5(c) und 5(d) sind Diagramme, die modifizierte Beispiele von Ausgaben des Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignals zeigen, wobei 5(a) eine Ausgabe von dem Zielwertausgabebereich 240 zeigt, 5(b) eine Ausgabe von dem Phasenvergleicher 306 zeigt, 5(c) eine Ausgabe von der Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal-Quelle 238 zeigt und 5(d) eine Ausgabe von dem Addierglied 235 bei sich ändernder Umgebungstemperatur zeigt.
Die Ausgabe von dem Zielwertausgabebereich 240 (siehe 5(a)), die Ausgabe von dem Phasenvergleicher 306 (siehe 5(b)), die Ausgabe von der Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal-Quelle 238 (siehe 5(c)) und die Ausgabe von dem Addierglied 235 (siehe 5(d)) als wiederholt linear zu- und abnehmend angesehen, wenn man die Zeit auf einer Längsachse betrachtet.
Man beachte, dass die Pulslichtquelle 1 für eine Messvorrichtung (Lichtabtastvorrichtung) unter Verwendung eines Terahertz (THz)-Lichts verwendet werden kann. 6 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration der Messvorrichtung unter Verwendung des THz-Lichts zeigt. Solch eine Messvorrichtung beinhaltet eine Pulslichtquelle 1, Optokoppler 12 und 22, ein THz-Lichtgenerator 14, ein THz-Lichtdetektor 24, ein Auslösegenerator 32, einen I/V Verstärker 34, einen PC (Personal Computer) 36 und einen Datenerhaltungsbereich 38.
Zum Beispiel wird der Master-Laserlichtpuls dem THz-Lichtgenerator 14 zugeführt (zum Beispiel ein photoleitender Schalter), um das THz-Licht zu erzeugen, welches ein Objekt 2 bestrahlt, das gemessen wird. Das THz-Licht, das das zu messende Objekt 2 durchstrahlt oder von dem zu messenden Objekt 2 reflektiert wird, wird dem THz-Lichtdetektor 24 zugeführt (zum Beispiel, ein photoleitender Schalter). Das THz-Licht kann durch das Zuführen des Slave-Laserlichtpulses zu dem THz-Lichtdetektor 24 erkannt werden. Da es eine Differenz in der Wiederholungsfrequenz zwischen dem Master-Laserlichtpuls und dem Slave-Laserlichtpuls gibt, können eine Mehrzahl von Punkten der Wellenform des THz-Lichts, die das zu messende Objekt 2 durchdringen oder von diesem reflektiert werden, beobachtet werden (als optische Probe („sample”) genommen). Der THz-Lichtdetektor 24 erkennt die THz-Welle, um einen elektrischen Strom auszugeben.
Um das Licht abzutasten werden Teile des Master-Laserlichtpulses und des Slave-Laserlichtpulses von den Optokopplern 12 und 11 abgezweigt, um dem Auslösegenerator 32 zugeführt zu werden. Wenn beide der Master-Laserlichtpuls und der Slave-Laserlichtpuls empfangen werden, gibt der Generator 32 ein Auslösesignal aus. Der I/V Verstärker 34 empfängt einen elektrischen Strom von dem THz-Lichtdetektor 24, konvertiert den elektrischen Strom in eine Spannung und verstärkt die Spannung. Der PC (Personal Computer 36) hat einen Datenerhaltungsbereich 38 und der Datenerhaltungsbereich 38 erhält die Ausgabe von dem I/V Verstärker 34, beginnend von der Zeit wenn das Auslösesignal von dem Auslösegenerator 32 empfangen wird.
Das Ergebnis, das von dem Datenerhaltungsbereich 38 erhalten wird, kann in der Form eines Bilds angezeigt werden (durch eine Terahertz-Abbildungsvorrichtung).

Claims

Eine Pulslichtquelle, die dazu geeignet ist ein Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal von einer Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal-Quelle in Übereinstimmung mit einer Phasendifferenz zwischen zwei Pulslaserlichtern zu regeln.
Die Pulslichtquelle gemäß Anspruch 1, wobei Laser, die zwei Pulslaserlichter ausgeben, aufweisen: Einen Master-Laser, der ein Master-Laserlichtpuls dessen Wiederholungsfrequenz auf einen vordefinierten Wert geregelt wird, ausgibt; und Einen Slave-Laser, der ein Slave-Laserlichtpuls ausgibt, wobei die Pulslichtquelle aufweist: Einen Phasendifferenzdetektor, der eine Phasendifferenz zwischen einem elektrischen Signal mit einer Frequenz des vordefinierten Werts und einem elektrischen Signal basierend auf einer Lichtintensität des Slave-Laserlichtpulses erkennt; Einen Schleifenfilter, der eine Hochfrequenz-Wellenkomponente einer Ausgabe von dem Phasendifferenzdetektor entfernt; Ein Addierglied, das eine Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal-Ausgabe von der Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignal-Quelle und mit einem bestimmten Wiederholungszyklus an eine Ausgabe des Schleifenfilters hinzufügt; und Einen Pulsphasendifferenzdetektor, der eine Pulsphasendifferenz misst, die eine Phasendifferenz zwischen dem Master-Laserlichtpuls und dem Slave-Laserlichtpuls ist, wobei Die Wiederholungsfrequenz des Slave-Laserlichtpulses abhängig von einer Ausgabe von dem Addierglied schwankt, und Eine Stärke des Wiederholungsfrequenz-Steuerungssignals gesteuert wird, so dass die gemessene Pulsphasendifferenz mit einem Zielwert der Pulsphasendifferenz übereinstimmt.
Die Pulslichtquelle gemäß Anspruch 2, wobei sich eine Resonatorlänge des Slave-Lasers abhängig von der Ausgabe des Addierglieds ändert.
Die Pulslichtquelle gemäß Anspruch 3, wobei der Slave-Laser ein piezoelektrisches Element beinhaltet, die Ausgabe des Addierglieds dem piezoelektrischen Element zugeführt wird und sich die Resonatorlänge des Slave-Lasers durch Ausdehnung und Kontraktion des piezoelektrischen Elements ändert.
Die Pulslichtquelle gemäß Anspruch 2, weiterhin aufweisend: Einen Master-seitigen Phasendifferenzdetektor, der eine Phasendifferenz zwischen einem elektrischen Signal mit der Frequenz des vordefinierten Werts und einem elektrischen Signal basierend auf einer Lichtintensität des Master-Laserlichtpulses erkennt; und Einen Master-seitigen Schleifenfilter, der eine Hochfrequenz-Komponente der Ausgabe von dem Master-seitigen Phasendifferenzdetektor entfernt, wobei sich eine Wiederholungsfrequenz des Master-Laserlichtpulses in Übereinstimmung mit einer Ausgabe von dem Master-seitigen Schleifenfilter ändert.
Ein Verfahren zum stabilen Steuern einer Phasendifferenz eines Pulslaserlichts in einer Lichtabtastvorrichtung oder einer Terahertz-Abbildungsvorrichtung.