JP2007019361A - 周波数安定化レーザ - Google Patents

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Abstract

【課題】レーザ光の発振周波数を安定化する周波数安定化レーザを提供する。
【解決手段】参照用のレーザ光が吸収セルを透過して得られる光出力信号を検出する光検出装置２６と、光出力信号の３次微分信号を生成する３次微分信号検出装置３２，３３と、共振器長を変化させる第１アクチュエータ１２５と、第１アクチュエータ１２５を駆動させる第１駆動装置３１と、共振器長を変化させる第２アクチュエータ１２６と、第２アクチュエータ１２６を駆動させる第２駆動装置３６と、光出力信号に基づき第１アクチュエータを制御する第１制御装置３０と、３次微分信号に基づき第２アクチュエータにより共振器長を制御する第２制御装置３５を備える。そして、第１アクチュエータ１２５および第２アクチュエータ１２６により共振器長を制御し、発振周波数を安定化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光出力信号に基づき共振器長を変化させレーザ光の発振周波数を安定化させる周波数安定化レーザに関するものである。
半導体レーザにより励起するＮｄ：ＹＡＧ結晶などを利得媒体として用いた連続波発振の５３２ｎｍ領域の固体レーザの波長は、長さの標準として用いられる。実際に、レーザ光の波長を用いて測長を行うためには、レーザ光が単一周波数、すなわち単一縦モードで発振する必要がある。さらに、原子あるいは分子吸収線の分光技術を用いてレーザ光の周波数を安定化させるためには、発振周波数が任意に選択可能でなければならない。
レーザ光の発振モードを選択し、単一化する方法としては、共振器内にエタロンを用いる方法、共振器内に回折格子を用いる方法などが広く知られている。また、任意の発振周波数を選択するには、エタロンなどの光学素子による周波数フィルタにより、透過するレーザ光の周波数を選択し、さらに共振器長を制御することで、レーザ光の発振周波数を制御することができる。
レーザ光の波長を用いて測長を行う場合、測長の不確かさを低減するには、レーザ光の周波数安定度を高くする必要がある。ヨウ素分子の吸収線の分光技術を用いたヨウ素安定化レーザでは、飽和吸収信号の中心に発振周波数を制御することで、高い周波数安定度のレーザ光を得ることができる（特許文献１，２，３）。
特開２００１−２７４４９５ 特開平１０−１６３５４９ 特開２０００−２６１０９２
実際に、レーザ光を長さの標準器として任意の発振周波数を選択し、かつ１０−１０オーダの周波数安定度を可能とするには、共振器長を制御して、共振周波数を数ＧＨｚの幅に走査し、所望の周波数で５０ｋＨｚ程度の幅に制御する必要がある。
このため、共振器長を制御するアクチュエータ及びその駆動回路のダイナミックレンジを大きくする必要があり、発振周波数の安定化が困難であった。
本発明は、このような問題を鑑みてなされたものであって、レーザ光の周波数安定度を向上させる周波数安定化レーザを提供するものである。
本発明に係る周波数安定化レーザは、対向する位置に一対のミラーを配置してなる共振器により励起光を共振させてレーザ光を生成し、該レーザ光を吸収セルに照射して得られる光出力信号に基づき前記共振器長を変化させ前記レーザ光の発振周波数を安定化する周波数安定化レーザにおいて、前記光出力信号を検出する光検出装置と、前記光出力信号の３次微分信号を検出する３次微分信号検出装置と、前記共振器長を変化させる第１アクチュエータと、前記第１アクチュエータを駆動させる第１駆動装置と、前記共振器長を変化させる第２アクチュエータと、前記第２アクチュエータを駆動させる第２駆動装置と、前記光出力信号に基づき前記第１駆動装置を制御する第１制御装置と、前記３次微分信号に基づき前記第２駆動装置を制御する第２制御装置と、を備え、前記第１アクチュエータおよび前記第２アクチュエータにより前記共振器長を制御することによって前記発振周波数を制御することを特徴とする。
本発明によれば、光出力信号とその３次微分信号を検出し、共振器長を制御する第１および第２アクチュエータ.を組み合わせて用いることにより、個々のダイナミックレンジを上げることなく、全体のダイナミックレンジを上げることが可能となる。したがって、レーザ光の周波数安定度を向上させることが可能となる。
図１を参照して、本発明に係る一実施形態について説明する。図１は本発明の一実施形態に係る周波数安定化レーザの構成概略図である。図１に示すように、周波数安定化レーザはレーザ発生部１、レーザ光検出部２、駆動制御部３、コンピュータ４を備える。
レーザ発生部１は、励起用半導体レーザ１０、複数の光学部材により構成された集光系１１、特定波長の共振波を生成する共振波生成部１２、共振波生成部１２の温度制御を行う温度制御部１３を備える。
レーザ発生部１において、励起用半導体レーザ１０に所定電流を与えることにより波長８０８ｎｍのレーザ光Ｌ１が放出される。この放出されたレーザ光Ｌ１は集光系１１により集光され、共振波生成部１２に導光される。
共振波生成部１２のレーザ光入射側(図１の共振波生成部１２の左側部）には、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶１２１ａ、ＫＴＰ結晶（非線形光学結晶）１２２ａが配置されている。
Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶１２１ａは、ダイオードレーザ励起固体であり、レーザ光Ｌ１の照射により、Ｎｄ原子が励起され、誘導輻射から波長１０６４ｎｍの光を発光する。また、このＮｄ：ＹＶＯ４結晶１２１ａの集光系１１の側の面（図１左側）は、波長１０６４ｎｍの光を反射するようコーティングがなされている。
ＫＴＰ結晶１２２ａは、非線形光学結晶であり、誘導輻射による波長１０６４ｎｍの光の一部から２次高調波である５３２ｎｍの光を発光する。ここで、波長１０６４ｎｍの光が単一縦モードであれば、第二高調波の波長５３２ｎｍの光も単一縦モードを持つことになる。
これらＮｄ：ＹＶＯ４結晶１２１ａとＫＴＰ結晶１２２ａは、それぞれ比較的に線膨張率の大きな黄銅製のＮｄ：ＹＶＯ４結晶ホルダ１２１ｂとＫＴＰ結晶ホルダ１２２ｂ（非線形光学結晶格納部）に取り付けられている。
共振波生成部１２の中央部には、第１エタロン１２３ａ、第２エタロン１２３ｂが配置されている。これらエタロン１２３ａ、１２３ｂはレーザ光の特定周波数のみを透過する特性を有する。
共振波生成部１２のレーザ光出射側（図１の共振波生成部１２の右側部）には、反射鏡１２４、第１アクチュエータ１２５、第２アクチュエータ１２６が備えられている。なお、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶１２１ａ〜第２アクチュエータ１２６はレーザ共振器筐体１２７内に格納される。
反射鏡１２４は、波長１０６４ｎｍの光を反射し、波長５３２ｎｍの光を透過するようにコーティングがなされている。したがって、波長１０６４ｎｍの光に対してのみ、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶１２１ａと反射鏡１２４によって共振器が構成される。
第１、第２アクチュエータ１２５，１２６は、ピエゾ素子であって、電圧を印加されることにより、変形し、反射鏡１２４の位置を変化させることが可能である。また、第２アクチュエータ１２６は第１アクチュエータ１２５と比較し、電圧印加に対する形状変化は小さく設定されている。
温度制御部１３は、温度計１３０、ペルチェ素子１３１、放熱器１３２及び温度制御回路１３３を備える。
温度計１３０は、共振波生成部１２の温度を測定する。温度制御回路１３３は、温度計１３０から得た共振波生成部１２の温度からペルチェ素子１３１に印加する電圧を決定する。ペルチェ素子１３１は、この印加電圧の値、およびその極性に応じて、レーザ共振器筐体１２７を冷却または過熱することが可能となる。また、ペルチェ素子１３１の外側は、レーザ共振器筐体１２７とは逆に過熱または冷却されるが、放熱器１３２により温度変化が抑制されている。
上記の光学系の構成から、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶１２１ａ、ＫＴＰ結晶１２２ａを透過した光は、５３２ｎｍ、８０８ｎｍ、１０６４ｎｍの波長を含む光Ｌ２となる。第１エタロン１２３ａおよび第２エタロン１２３ｂの回転角を調整し、実質的なエタロンの光学長を変化させることによって、透過する光Ｌ２の周波数を調整することができる。このように、エタロン及び共振器により光Ｌ２が、増幅および波長選択されることにより、波長１０６４ｎｍと５３２ｎｍの単一縦モードのレーザ光Ｌ３が得られる。
また、たとえＮｄ：ＹＶＯ４結晶１２１ａのＫＴＰ結晶１２２ａ側およびＫＴＰ結晶１２２ａの両面に反射防止コーティングが施されていたとしても、これらはエタロンと同様に周波数フィルタとして働き、これらを透過するのは特定周波数の光のみとなる。
また、レーザ共振器筐体１２７の温度制御により、線膨張率の高いＮｄ：ＹＶＯ４結晶ホルダ１２１ａおよびＫＴＰ結晶ホルダ１２２ｂの位置が変化し、共振器長が変化するので、共振器の透過周波数を調整することができる。
次に、レーザ光検出部２について説明する。
レーザ発生部１より発生したレーザ光Ｌ３は、レーザ光検出部２により分光され、検出される。レーザ光検出部２は、高調波分離器２１、偏光板２２ａ、λ／４板２２ｂ、二つの偏光ビームスプリッタ２３ａ、２３ｂ、ヨウ素セル２４、反射板２５、光検出装置２６を備える。
この高調波分離器２１は、波長１０６４ｎｍと波長５３２ｎｍのレーザ光Ｌ３を分光し、波長１０６４ｎｍのレーザ光Ｌ４、波長５３２ｎｍのレーザ光Ｌ５が得られる。波長１０６４ｎｍのレーザ光Ｌ４は測長などに使用される。
波長５３２ｎｍのレーザ光Ｌ５は、偏光板２２ａでｐ偏光に偏光される。その後、ｐ偏光の光Ｌ６は、偏光ビームスプリッタ２３ａ、２３ｂ、λ／４板２２ｂ、ヨウ素セル２４を通過して反射板２５により反射され、再びヨウ素セル２４、λ／４板２２ｂを通過して偏光ビームスプリッタ２３ｂに達する。
ｓ偏光の光Ｌ７は、偏光ビームスプリッタ２３ａにより反射され、測長などに使用される。上記光学系の構成から、ｐ偏光のレーザ光Ｌ６は、ヨウ素セル２４において特定波長が吸収され、λ／４板２２ｂを２度通過し、ｐ偏光からｓ偏光に偏光される。このｓ偏光に偏光されたレーザ光Ｌ８は、偏光ビームスプリッタ２３ｂにより反射され、光検出装置２６により光電変換され、光出力信号Ｓ１として読み取られる。この光出力信号Ｓ１は、周波数安定化制御の参照用に使用される。
次に、駆動制御部３について説明する。
駆動制御部３は、第１制御装置３０、第１駆動装置３１、変復調用信号発生器３２、ロックインアンプ３３、周波数安定化制御装置３４、第２制御装置３５、及び第２駆動装置３６を備えている。なお、駆動制御部３は、コンピュータ４から出力される制御信号Ｓ３に基づき制御を実行する。
第１制御装置３０は、コンピュータ４からの制御信号Ｓ３により、制御信号Ｓ４を出力し、第１駆動装置３１の制御を開始する。第１駆動装置３１は、この制御信号Ｓ４に基づき、所定電圧を第１アクチュエータ１２５に出力し、共振器長を変化させる。
変復調用信号発生器３２は、周波数１ｆＨｚの信号を第２駆動装置３６に出力し、周波数３ｆＨｚの信号をロックインアンプ３３に出力する。第２駆動装置３６は第２アクチュエータ１２６を駆動させ、レーザ光Ｌ３を１ｆＨｚで変調する。ロックインアンプ３３は、この１ｆＨｚで変調されたレーザ光Ｌ３の励起により得られる光出力信号Ｓ１を周波数３ｆＨｚで復調し、３次微分信号Ｓ２を第２制御装置３５に出力する。このように、変復調用信号発生器３２及びロックインアンプ３３が光出力信号の３次微分信号を検出する３次微分信号検出装置として機能する。
周波数安定化制御装置３４は、生成部３４ａ、スイッチ部３４ｂを備えている。この生成部３４ａは、３次微分信号Ｓ２をフィードバックして、リファレンス０Ｖに対する偏差を０にするような周波数安定化制御信号Ｓ５を生成し出力する。また、コンピュータ４からの制御信号Ｓ３により、スイッチ部３４ｂはＯＮ／ＯＦＦ制御可能とされている。すなわち、周波数安定化制御装置３４は、周波数安定化制御信号Ｓ５を第２制御装置３５に出力するか否かを選択可能な構成に構成されているものである。
第２制御装置３５は、コンピュータ４からの制御信号Ｓ３により、制御信号Ｓ６を出力し、第２駆動装置３６の制御を開始する。第２駆動装置３６は、この制御信号Ｓ６に基づき、所定電圧を第２アクチュエータ１２６に出力し、共振器長を変化させる。
図２は、共振器長を変化させて、発振周波数を周波数幅で１．５ＧＨｚ程度走査したときに得られる光出力信号Ｓ１及びその３次微分信号Ｓ２の波形の一例を示す図である。ここで、光出力信号Ｓ１は、光検出装置２６により光電変換された信号を反転増幅しているため、電圧極性が反転している。
３次微分信号Ｓ２の波形においては、１．５ＧＨｚの周波数幅でヨウ素分子の共鳴吸収による飽和吸収信号がピーク及びバレーとして１０数箇所検出される。本実施の形態の周波数安定化レーザでは、これら複数のピーク及びバレーの１つが得られるように第１、第２アクチュエータ１２５、１２６が制御され、周波数が安定化される。
次に、本実施の形態の周波数安定化レーザにおける周波数安定化の制御を説明する。この周波数安定化レーザの初期状態としては、アクチュエータ１２５、１２６が静止した状態において、光検出装置によりレーザ光の周波数および強度を読み取りながら、第１エタロン１２３ａ、第２エタロン１２３ｂの回転角度と、レーザ共振器筐体１２７の温度を調整し、レーザ光の発振周波数を所望の周波数に近づけ、レーザ光の強度が大きくなるように設定されている。
まず、第１制御装置３０は、制御信号Ｓ３に基づき、第１駆動装置３１を制御して、第１アクチュエータ１２５の駆動を開始する。ここで、ヨウ素分子の吸収が起きる発振周波数の幅は１ＧＨｚであるので、その発信周波数の幅を走査可能なように第１アクチュエータ１２５の駆動範囲は、数ＧＨｚ程度とされている。これと同時に、３次微分信号Ｓ２は、ロックインアンプ３３から周波数安定化制御装置３４へ出力されている。コンピュータ４は、この３次微分信号Ｓ２を検知し、レーザ光Ｌ６の発振周波数が設定周波数における飽和吸収信号の中心と略一致したことを検知すると、第１制御装置３０に第１アクチュエータ１２５の駆動を停止するように制御信号Ｓ３を送信する。そして、第１制御装置３０は、停止した時点の発振周波数における光出力信号Ｓ１の電圧を目標値に設定し、その目標値が得られるように第１アクチュエータ１２５を駆動し、レーザ光を所望の周波数の近辺に制御する。
次に、第２制御装置３５は、第２駆動装置３６を制御して、第２アクチュエータ１２６を駆動する。すなわち、ピーク及びバレーと離れた周波数において走査を行うときには、周波数安定化制御装置３４のスイッチ部３４ｂをＯＦＦにして、所望の飽和吸収信号の中心付近（ピークとバレーの間）にあるときには、スイッチ部３４ｂをＯＮに切り替える。したがって、飽和吸収信号の中心では３次微分信号は０Ｖであるので、リファレンスを０Ｖとすることにより、飽和吸収信号の中心になるように周波数安定化制御を実行可能となる。これらの制御工程により、図２に示す光出力信号Ｓ１および3次微分信号Ｓ２の計測が可能となり、所望の周波数で１０−１０オーダの周波数安定度を得ることが出来る。なお、後述する図４を用いれば、スイッチ部３４ａのＯＦＦ・ＯＮ時に走査する周波数領域は、領域（ａ）・領域（ｂ）として表すことができる。
図３に発振周波数に対する光出力信号Ｓ１の波形を示す。図３より、相対周波数約１．５ＧＨｚの変化に対する光出力信号Ｓ１の変化幅は、電圧幅で１．５Ｖ程度であり、その中心部分の波形は２次曲線状となる。この２次曲線の両端の領域（１）、（３）では、相対周波数の幅６００ＭＨｚに対して、光出力信号Ｓ１の変化１．２〜１．４Ｖ程度である。一方、２次曲線の中央の領域（２）では、発振周波数の幅３００ＭＨｚに対して、光出力信号Ｓ１の変化幅は０．２Ｖ程度となる。
また、第１アクチュエータ１２５の駆動範囲としては、図３より、相対周波数で２ＧＨｚ程度の幅を走査できれば十分である。
ここで、第１アクチュエータ１２５により、光出力信号Ｓ１で電圧幅１０ｍＶ程度の幅になるように発振周波数を制御できるものとすると、発振周波数は図３の２次曲線状の波形の両端の領域（１），（３）では４〜５ＭＨｚ（＝６００ＭＨｚ／（１．２〜１．４Ｖ／０．０１Ｖ））程度の幅に制御できる。一方、２次曲線の中央の領域（２）では、光出力信号Ｓ１の傾きが小さくなるため、同様に光出力信号Ｓ１で電圧幅１０ｍＶ程度の幅になるように相対周波数を制御しても、発振周波数の幅は大きくなるが１５ＭＨｚ（＝３００ＭＨｚ／（０．２Ｖ／０．０１Ｖ））程度には制御できる。
第１アクチュエータ１２５の制御幅に対するダイナミックレンジは、領域（１）、（３）において約５２〜５４ｄＢ（＝２０ｌｏｇ（２ＧＨｚ／４〜５ＭＨｚ））、領域（２）において約４２ｄＢ（＝２０ｌｏｇ（２ＧＨｚ／１５ＭＨｚ）となる。従って、第１アクチュエータ１２５および、第１駆動装置３１のダイナミックレンジとしては、５０ｄＢであればよい。
図４に３次微分信号Ｓ２における飽和吸収信号を有するＡ部拡大図を示した波形を示す。図４より、飽和吸収信号のピークとバレーの間は、５ＭＨｚの周波数幅であって、３．５Ｖの電圧幅をもち、ほぼ直線的な波形となっている。上述したように、領域（ｂ）においてのみ周波数安定化制御が実行され、領域（ａ）においては、通常の走査が行われる。
また、第２アクチュエータ１２６の駆動範囲としては、図４より、発振周波数を１５ＭＨｚ程度走査できれば十分である。
ここで、第２アクチュエータ１２６により、飽和吸収信号が１０ｍＶ程度の幅になるように発振周波数を制御できるものとすると、発振周波数は１４ｋＨｚ（＝５ＭＨｚ／（３．５Ｖ／０．０１Ｖ）程度の幅に制御できる。
したがって、第２アクチュエータ１２６の制御幅に対する走査幅は、約６１ｄＢ（＝２０ｌｏｇ（１５ＭＨｚ／１４ｋＨｚ））となり、第２アクチュエータ１２６および、第２駆動装置３６のダイナミックレンジとしては、６０ｄＢ程度であればよい。
上記より、全体として１．５ＧＨｚ程度の周波数幅で走査して、所望の周波数で１０−１０オーダの周波数安定度が得られるような制御を行おうとする場合において、第１および第２アクチュエータ１２５、１２６の各々に必要なダイナミックレンジは６０ｄＢ程度で、容易に実現可能である。したがって、第１駆動装置３１や第２駆動装置３６の個々のダイナミックレンジは小さく抑えることが可能となり、発振周波数が安定したレーザ光を供給可能となる。
以上、発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、上記実施形態は、波長５３２ｎｍの光に対し、ヨウ素分子の飽和吸収信号を参照したが、レーザ光の発振周波数を変更した時、それに伴い、参照する分子又は原子を変更することも可能である。
本発明の一実施形態に係る周波数安定化レーザの構成概略図である。 本発明の一実施形態に係る周波数安定化レーザの制御時に検出する光出力信号、３次微分信号を示す図である。 本発明の一実施形態に係る周波数安定化レーザの制御時に検出する光出力信号を示す図である。 本発明の一実施形態に係る周波数安定化レーザに係る図２のＡ部拡大図である。
符号の説明
１…レーザ発生部
１０…励起用半導体レーザ
１１…集光系
１２…共振波生成部
１２１ａ…Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶
１２１ｂ…Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶ホルダ
１２２ａ…ＫＴＰ結晶（非線形光学結晶）
１２２ｂ…ＫＴＰ結晶ホルダ（非線形光学結晶格納部）
１２３ａ…第1エタロン
１２３ｂ…第２エタロン
１２４…反射鏡
１２５…第１アクチュエータ
１２６…第２アクチュエータ
１２７…レーザ共振器筐体
１３…温度制御部
１３０…温度計
１３１…ペルチェ素子
１３２…放熱器
１３３…温度制御回路
２…レーザ光検出部
２１…高調波分離器
２２ａ…偏光板
２２ｂ…λ／４板
２３ａ、２３ｂ…偏光ビームスプリッタ
２４…ヨウ素セル
２５…反射板
２６…光検出装置
３…駆動制御部
３０…第１制御装置
３１…第１駆動装置
３２…変復調用信号発生器
３３…ロックインアンプ
３４…周波数安定化制御装置
３５…第２制御装置
３６…第２駆動装置
４…コンピュータ

Claims (6)

  1. 対向する位置に一対のミラーを配置してなる共振器により励起光を共振させてレーザ光を生成し、該レーザ光を吸収セルに照射して得られる光出力信号に基づき前記共振器長を変化させ前記レーザ光の発振周波数を安定化する周波数安定化レーザにおいて、
    前記光出力信号を検出する光検出装置と、
    前記光出力信号の３次微分信号を検出する３次微分信号検出装置と、
    前記共振器長を変化させる第１アクチュエータと、
    前記第１アクチュエータを駆動させる第１駆動装置と、
    前記共振器長を変化させる第２アクチュエータと、
    前記第２アクチュエータを駆動させる第２駆動装置と、
    前記光出力信号に基づき前記第１駆動装置を制御する第１制御装置と、
    前記３次微分信号に基づき前記第２駆動装置を制御する第２制御装置と
    を備え、
    前記第１アクチュエータおよび前記第２アクチュエータにより前記共振器長を制御することによって前記発振周波数を制御することを特徴とする周波数安定化レーザ。
  2. 前記第１制御装置は、
    前記３次微分信号のピークおよびバレーを検出すると、前記第１駆動装置を制御して前記第１アクチュエータの駆動を停止し、
    前記第２制御装置は、
    前記第１アクチュエータの停止後、前記第２アクチュエータを前記３次微分信号のピークおよびバレーの中心となるように前記第２アクチュエータを駆動することを特徴とする請求項１記載の周波数安定化レーザ。
  3. 前記第１アクチュエータおよび前記第２アクチュエータはそれぞれ感度の異なるアクチュエータであることを特徴とする請求項１又は２記載の周波数安定化レーザ。
  4. 前記共振器間に複数のエタロンを備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の周波数安定化レーザ。
  5. 前記共振器間に前記レーザ光の２次高調波を発生させる非線形光学結晶を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の周波数安定化レーザ。
  6. 前記非線形光学結晶を格納する線膨張率の高い非線形光学結晶格納部と、
    前記非線形結晶格納部の温度制御を行う温度制御部と、
    を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の周波数安定化レーザ。
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