JP2008141054A - レーザ周波数安定化装置、レーザ周波数安定化方法、及びレーザ周波数安定化プログラム - Google Patents

レーザ周波数安定化装置、レーザ周波数安定化方法、及びレーザ周波数安定化プログラム Download PDF

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Abstract

【課題】飽和吸収線の間隔を測定する精度を必要とせず、経時変化の大きなアクチュエータを用いても、その経時変化に発振周波数の固定を十分に追従させるレーザ周波数安定化装置、レーザ周波数安定化方法、及びレーザ周波数安定化プログラムを提供する。
【解決手段】自動ロック部36aは、測定した2次微分信号S2の出力が閾値電圧V2を越えた時、飽和吸収線であると認定し、判断した当該飽和吸収線の本数、及びその飽和吸収線の組み合わせ(飽和吸収線群)に基づき、予め設定した飽和吸収線にレーザ光の発振周波数を固定する。
【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レーザ周波数安定化装置、レーザ周波数安定化方法、及びレーザ周波数安定化プログラム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)。
通常、ヨウ素分子飽和吸収線は複数本存在し、ヨウ素安定化レーザでは、複数本のヨウ素分子飽和吸収線から希望する任意の飽和吸収線を探索し、発振周波数を固定(ロック)しなければならない。
このような必要性から、希望する任意の飽和吸収線へ発振周波数をロックする動作を自動で行う方法として、特許文献1には、飽和吸収線の間隔から飽和吸収線の特定を行う構成が開示されている。
特開2001−274495号公報 特開平10−163549号公報 特開2000−261092号公報
しかしながら、上記特許文献1の方式では、飽和吸収線の間隔を計測するので、その計測を可能とする計測手段が必要である。簡易的に、アクチュエータ(ピエゾ素子等)の指令値(ピエゾ素子への印可電圧)を用いることも可能だが、その場合には、アクチュエータのリニアリティが飽和吸収線の間隔測定に対して十分な精度を持たなければならない。すなわち、特許文献1のような方式を用いれば、その装置に高い測定精度が求められ、高価なものとなると共にその実現は困難であった。また、特許文献1のような方式で経時変化が大きなアクチュエータを用いた装置であれば、その経時変化に発振周波数の固定を、十分に追従させることはできなかった。
そこで、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、飽和吸収線の間隔を測定する精度を必要とせず、経時変化の大きなアクチュエータを用いても、その経時変化に発振周波数の固定を十分に追従させるレーザ周波数安定化装置、レーザ周波数安定化方法、及びレーザ周波数安定化プログラムを提供することを目的とする。
本発明に係るレーザ周波数安定化装置は、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含まれる飽和吸収線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固定し、安定化するレーザ周波数安定化装置であって、前記光出力信号を検出する光検出部と、前記光出力信号の微分信号を検出する微分信号検出部と、前記共振器長を変化させるアクチュエータと、前記アクチュエータを駆動させる駆動部と、前記微分信号に基づき前記駆動部を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記微分信号の出力に基づいて認定した飽和吸収線の本数、及び当該認定した飽和吸収線の組み合わせに基づき特定の飽和吸収線を選定し、該選定した特定の飽和吸収線に前記レーザ光の発振周波数を固定することを特徴とする。
このような構成により、本発明に係るレーザ周波数安定化装置は、飽和吸収線の本数を識別可能な測定精度であればよいので、容易に実現可能であると共に安価に製造可能である。また、このような構成により、経時変化の大きなアクチュエータを用いても、その経時変化に十分に追従して発振周波数を固定することが可能である。
また、前記制御部は、隣接する飽和吸収線について当該飽和吸収線を得た駆動部制御電圧の間隔が所定の閾値内であれば前記隣接する飽和吸収線が同一の飽和吸収線群に含まれるものとして飽和吸収線群を定めることで飽和吸収線の組み合わせを検出する構成としてもよい。
また、前記制御部は、前記飽和吸収線の組み合わせに基づき、前記アクチュエータの中心電圧近傍の組み合わせに含まれる前記飽和吸収線のいずれかを特定の飽和吸収線に選定する構成としてもよい。このような構成とすることにより、モードホップを特定することなく、特定の飽和吸収線を選定することが可能となる。さらには、特定の飽和吸収線は、アクチュエータの中心電圧近傍にて選定されるので、温度変化に対してさらにロバストとなる。
また、前記アクチュエータは、ピエゾ素子としてもよい。
また、前記飽和吸収線は、ヨウ素分子に基づくものとしてもよい。
また、前記微分信号は、前記光出力信号の2次微分信号或いは3次微分信号である構成としてもよい。
本発明に係るレーザ周波数安定化方法は、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の微分信号に含まれる飽和吸収線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固定し、安定化するレーザ周波数安定化方法であって、前記微分信号の出力に基づいて認定した飽和吸収線の本数、及び当該認定した飽和吸収線の組み合わせに基づき特定の飽和吸収線を選定する飽和吸収線選定ステップと、該選定した特定の飽和吸収線に前記レーザ光の発振周波数を固定する発振周波数固定ステップとを有することを特徴とする。
本発明に係るレーザ周波数安定化プログラムは、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の微分信号に含まれる飽和吸収線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固定することで安定化させるためのレーザ周波数安定化プログラムであって、コンピュータに、前記微分信号の出力に基づいて認定した飽和吸収線の本数、及び当該認定した飽和吸収線の組み合わせに基づき特定の飽和吸収線を選定する飽和吸収線選定ステップと、該選定した特定の飽和吸収線に前記レーザ光の発振周波数を固定する発振周波数固定ステップとを実行させるためのものである。
本発明によれば、飽和吸収線の間隔を測定する精度を必要とせず、経時変化の大きなアクチュエータを用いても、その経時変化に発振周波数の固定を十分に追従させるレーザ周波数安定化装置、レーザ周波数安定化方法、及びレーザ周波数安定化プログラムを提供できる。
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態係るレーザ周波数安定化装置について説明する。
[第1実施形態]
本発明の第1実施形態に係るレーザ周波数安定化装置の構成を説明する。
(レーザ周波数安定化装置の構成)
図1は、本発明の第1実施形態に係るレーザ周波数安定化装置の構成概略図である。図1に示すように、レーザ周波数安定化装置はレーザ発生部1、レーザ光検出部2、駆動制御部3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の光の一部を2次高調波である532nmの光とする。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である。
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に取り付けられている。
共振波生成部12のレーザ光出射側には、反射鏡123、アクチュエータ124が備えられている。なお、Nd:YVO4結晶121a〜アクチュエータ124はレーザ共振器筐体125内に格納される。
反射鏡123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123によって共振器が構成される。
アクチュエータ124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123の位置を変化させることが可能である。
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。そして、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。
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、レーザ光L8として、検出される。レーザ光検出部2は、高調波分離器21、λ/2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532nmのレーザ光L5は、λ/2板22aで偏向の向きが調整される。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、アクチュエータ制御部31、変復調用信号発生部32、アクチュエータ駆動部33、2次微分用ロックインアンプ34、3次微分用ロックインアンプ35、コンピュータ36を備える。なお、コンピュータ36は、自動ロック部36aと、メモリ36bを有する。自動ロック部36aは、例えばCPU等であり、メモリ36bに格納された制御プログラムに従って動作することで、レーザ光の発振周波数を固定する機能を有している。
アクチュエータ制御部31は、出力電圧S4を出力し、アクチュエータ駆動部33の制御を開始する。
変復調用信号発生器32は、周波数1fHzの信号をアクチュエータ駆動部33に出力し、周波数2fHzの信号を2次微分用ロックインアンプ34に出力し、周波数3fHzの信号を3次微分用ロックインアンプ35に出力する。
アクチュエータ駆動部33は、変復調用信号発生器32から入力された周波数1fHzの信号に基づき、アクチュエータ制御部31より出力された出力電圧S4により、アクチュエータ124を駆動させ、レーザ光L3を変調する。
2次微分用ロックインアンプ34は、1fHzの信号に基づき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2fHzで復調し、2次微分信号S2をコンピュータ36(自動ロック部36a)に入力する。
3次微分用ロックインアンプ35は、1fHzの信号に基づき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S3をアクチュエータ制御部31、及びコンピュータ36(自動ロック部36a)に入力する。
自動ロック部36aは、光出力信号S1の2次微分信号S2、3次微分信号S3に基づいてアクチュエータ制御部31に制御信号を出力する。アクチュエータ制御部31は、自動ロック部36aからの制御信号により、出力電圧S5を増加或いは減少させる動作、または、ロック動作のいずれかを行う。
メモリ36bは、自動ロック部36aにより得られた2次微分信号S2及び3次微分信号S3の情報を格納する。
(レーザ周波数安定化装置の発振周波数を固定する制御)
次に、本発明の一実施形態に係るレーザ周波数安定化装置の発振周波数を固定する制御について、図2〜図9を参照して説明する。
図2は、第1実施形態に係るレーザ周波数安定化装置により共振器長を変化させて、発振周波数を走査したときに得られる光出力信号S1の2次微分信号S2及び3次微分信号S3の波形の一例を示す図である。ここで、図2(a)は、2次微分信号S2の波形、図2(b)は、3次微分信号S3の波形を示す図である。また、図2(c)は、2次微分信号S2の領域Aを拡大した波形図、図2(d)は、3次微分信号S3の領域Bを拡大した波形図である。図2(a)に示すように、2次微分信号には、飽和吸収線が束になった飽和吸収線群が6群(符号N〜N)みられ、それぞれの飽和吸収線の本数及びその組み合わせは、低い発振周波数から順に1本(符号a)、4本(符号a〜a)、4本(符号a〜a)、1本(符号a10)、4本(符号a11〜a14)、1本(符号a15)となっている。また、図2(b)に示すように3次微分信号においても、2次微分信号と略同様の特徴を有する信号が観測される。
図3は、アクチュエータ124をフルストローク動作(可動範囲全域に動作)させた時の2次微分信号S2、及びその2次微分信号S2の拡大図を示している。
ここで、共振器長Lとレーザ波長λの関係を以下に示す。
Figure 2008141054
共振器内では上記(式1)の関係を満たすため、共振器長Lを変化させると発振周波数も変化するが、第1実施形態において共振器には希望の周波数を選択するための周波数フィルタが設けられている。この周波数フィルタにより共振器に存在できるλの範囲は限られるため、共振器長を広く変化させ続けると、図3(a)の符号Cに示すようにモードホップと呼ばれる発振周波数の急激な変化が発生する。また、共振器長を広く変化させ続けると、発振周波数は、周期的に繰り返されることになる。
本発明の第1実施形態に係るレーザ周波数安定化装置は、これら飽和吸収線群(符号N〜N)、飽和吸収線(符号a〜a15)、及びモードホップCを用いて、発振周波数を安定化させるものである。
以下、図3〜図9を参照して、飽和吸収線を探索して、当該飽和吸収線にレーザ光L3の発振周波数を固定する処理を説明する。図4に示すように、先ず、自動ロック部36aは、モードホップCを探索し、当該モードホップCの周波数にレーザ光L8の発振周波数が重なるように、アクチュエータ制御部31からの出力電圧S4を制御する(ステップS100)。次に、自動ロック部36aは、出力電圧S4を制御し、2次微分信号S2に基づき、飽和吸収線を探索する(ステップS200)。そして、自動ロック部36aは、探索した飽和吸収線の中から、所望の飽和吸収線にレーザ光L8の発振周波数を固定する(ステップS300)。以下において、ステップS100の処理をモードホップ探索処理、ステップS200の処理を飽和吸収線探索処理、ステップS300の処理をレーザ光発振周波数固定処理と呼ぶ。
次に、上記ステップS100の処理(モードホップ探索処理)について、図5を参照して、詳細に説明する。図5に示すように、まず、自動ロック部36aは、アクチュエータ駆動部33からの出力電圧S5がアクチュエータ124の中心電圧となるように、出力電圧S4を増減させる(ステップS101)。なお、アクチュエータ124の中心電圧とは、アクチュエータ124を全駆動範囲の中心の状態とさせる電圧である。
次に、自動ロック部36aは、出力電圧S4を所定値減少させる(ステップS102)。つづいて、自動ロック部36aは、出力電圧S4が、最小値になっているか否かを判断する(ステップS103)。ここで、自動ロック部36aが、出力電圧S4は最小値であると判断すると(ステップS103,Y)、後述するエラー検出処理が実行される(ステップS400)。一方、自動ロック部36aは、出力電圧S4が、最小値でないと判断すると(ステップS103,N)、2次微分信号S2及び3次微分信号S3の電圧を監視し、その電圧がモードホップ閾値V1以上であるか否かを判断する(ステップS104)。
ここで、自動ロック部36aは、2次微分信号S2或いは3次微分信号S3の電圧がモードホップ閾値V1未満であると判断すると(ステップS104,N)、再度ステップS102からの処理を実行し、出力電圧S4を減少させる。一方、自動ロック部36aは、2次微分信号S2或いは3次微分信号S3の電圧がモードホップ閾値V1以上であると判断すると(ステップS104,Y)、上記処理を終了する。
次に、図6を参照して、上記ステップS200の処理(飽和吸収線探索処理)について詳細に説明する。まず、自動ロック部36aは、出力電圧S4を増加させる(ステップS201)。次に、自動ロック部36aは、予め設定された所定条件の飽和吸収線を探索したか否かを判断する(ステップS202)。ここで、自動ロック部36aは、所定条件の飽和吸収線を探索したと判断すると(ステップS202,Y)、本フローを終了する。
一方、自動ロック部36aが、所定条件の飽和吸収線を探索していないと判断すると(ステップS202,N)、次の処理に移行する。つづいて、自動ロック部36aは、出力電圧S4が最大値であるか否かを判断する(ステップS203)。ここで、自動ロック部36aは、出力電圧S4が、最大値であると判断すると(ステップS203,Y)、後述するエラー検出処理を実行する(ステップS400)。
一方、自動ロック部36aは、出力電圧S4が、最大値でないと判断すると(ステップS203,N)、つづいて、2次微分信号S2の電圧が閾値V2以上であるか否かを判断する(ステップS204)。つまり、自動ロック部36aは、ステップS204にて、飽和吸収線と認定するか否かの判断を行う。ここで、自動ロック部36aは、2次微分信号S2の電圧が閾値V2未満であると判断すると(ステップS204,N)、再び、ステップ201からの処理を実行し、出力電圧S4を増加させる。
一方、自動ロック部36aは、2次微分信号S2の電圧が閾値V2以上であると判断すると(ステップS204,Y)、つづいて、メモリ36bに後述するVoldが格納されているか否かを判断する(ステップS205)。
ここで、自動ロック部36aが、メモリ36bにVoldが格納されていないと判断すると(ステップS205,N)、その出力電圧S4をVoldとしてメモリ36bに格納する(ステップS206)。続いて、自動ロック部36aは、その電圧Voldに関連づけて”N(N)=1”との情報を格納する(ステップS207)。なお、ここで”N(N)=1”の表記において、”N”は、アクチュエータ制御部31の低出力電圧側から電圧を上げ、一番目に観測される飽和吸収線群であることを示し、”N(N)=1”は、その飽和吸収線群に含まれる飽和吸収線の数を示す。続いて、自動ロック部36aは、ステップ201からの処理を繰り返し実行する。
一方、ステップS205において、自動ロック部36aが、メモリ36bにVoldが格納されていると判断すると(ステップS205,Y)、その出力電圧S4をVnewとしてメモリ36bに格納する(ステップS208)。つづいて、自動ロック部36aは、以下に示す(式2)の関係が満たされるか否かを判断する(ステップS209)。
Figure 2008141054
自動ロック部36aは、上記(式2)が満たされていると判断すると(ステップS209,Y)、N(N)に1を加算する(ステップS210)。例えば、N(N)=3であれば、N(N)=4とする。換言すると、飽和吸収線群に含まれる飽和吸収線の数を1つ加える。なお、ΔVについては、以下に示す(式3)の関係を予め定めておく。
Figure 2008141054
ここで、図3(b)に示すようにVaは、各飽和吸収線群内の飽和吸収線の電圧差の最大値であり、Vbは、各飽和吸収線群の電圧差の最小値である。例えば、Va=0.05V、Vb=0.25Vであれば、ΔV=0.15V等に定めておく。
続いて、自動ロック部36aは、VnewをVoldに変更し(ステップS211)、再びステップS201からの処理を実行する。
一方、自動ロック部36aは、上記(式2)が満たされていないと判断すると(ステップS209,N)、kに1を加算し、N(N)を1とする(ステップS212)。例えば、N(N)=4であれば、N(N)=1とする。換言すると、認定した飽和吸収線を新しい飽和吸収線群に含まれるものとする。続いて、自動ロック部36aは、上述したステップS211の処理を実行する。そして、上述したように、自動ロック部36aは、出力電圧S4を増加させ、所定条件の飽和吸収線の探索を終了したと判断すると(ステップS202,Y)、本フローを終了する。なお、上記処理を換言すると、自動ロック部36aは、ステップS205〜S212において、飽和吸収線群(飽和吸収線の組み合わせ)の認定を行っている。
次に、図7を参照して、上記ステップS300の処理(レーザ光発振周波数固定処理)について詳細に説明する。まず、自動ロック部36aは、出力電圧S4を減少させる(ステップS301)。次に、自動ロック部36aは、Vold’がメモリ36bに格納されており、k=k2であり、且つVold’−出力電圧S4>ΔVの条件を満たすか否かを判断する(ステップS302)。ここで、自動ロック部36aは、ステップS302における条件を満たさないと判断した場合(ステップS302、N)、2次微分信号S2が閾値V2以上であるか否かを判断する(ステップS303)。ここで、自動ロック部36aは、2次微分信号S2が閾値V2未満であると判断すると(ステップS303,N)、再びステップS301から処理を繰り返し実行する。
一方、自動ロック部36aは、2次微分信号S2が閾値V2以上であると判断すると(ステップS303,Y)、Vold’がメモリ36bに格納されているか否かを判断する(ステップS304)。ここで、自動ロック部36aは、メモリ36bにVold’が格納されていないと判断すると(ステップS304,N)、出力電圧S4をVold’としてメモリ36bに格納する(ステップS305)。つづいて、自動ロック部36aは、飽和吸収線探索処理(ステップS200)にて得られたアクチュエータ制御部31の最も高い出力電圧側の飽和吸収線群Nkmaxの飽和吸収線数N(Nkmax)を1として(ステップS306)、再びステップS301からの処理を繰り返し実行する。
一方、自動ロック部36aは、メモリ36bにVold’が格納されていると判断すると(ステップS303,Y)、出力電圧S4をVnew’としてメモリ36bに格納する(ステップS307)。
つづいて、自動ロック部36aは、以下に示す(式4)の関係が満たされるか否かを判断する(ステップS308)。
Figure 2008141054
ここで、自動ロック部36aは、上記(式4)の関係を満たしていないと判断すると(ステップS308、N)、kから1を減算し、N(N)を1とし(ステップS309)、Vnew’をVold’に書き換える(ステップS310)。そして、自動ロック部36aは、ステップS301からの処理を繰り返し実行する。
一方、自動ロック部36aは、上記(式3)の関係を満たしている場合(ステップS308、Y)、N(N)に1を加算し(ステップ311)、上述したステップS310の処理を実行する。
一方、自動ロック部36aは、上述したステップS302において、Vold’が格納されており、k=k2であり、且つVold’−出力電圧S4>ΔVの条件を満たすと判断した場合(ステップS302、Y)、飽和吸収線探索処理(ステップS200)において探索した所定数の飽和吸収線群(Nmax〜Nk2)を再び探索したか否かを判断する(ステップS312)。なお、符号Nk2は、希望する飽和吸収線に応じた定数である。ここで、自動ロック部36aは、所定数の飽和吸収線群を探索したと判断すると(ステップS312,Y)、2次微分信号S2が閾値V2を所定回数超えるまで、出力電圧S4を増加、或いは減少させる(ステップS313)。すなわち、ステップS313において、レーザ光L8の発振周波数は、所望の飽和吸収線にロックされる。
この飽和吸収線のロックに際して、例えば、メモリ36bには、図8に示すような各種パラメータが格納されている。図8に示す例であれば、ロックする飽和吸収線の名称(a〜a15)、k2の値(2〜6)、ステップS313における出力電圧S4の増減方向(減少或いは増加)、ステップS313における2次微分信号S2の閾値V2を越える所定回数(1或いは2)が、パラメータとして格納されている。なお、図8に示すパラメータ以外でも、希望する飽和吸収線を探索し、ロックできれば、パラメータはどのように設定してもよい。例えば、飽和吸収線a7にロックする場合、k2を4、増減方向を減少、所定回数を3としてもよい。
ロック動作(ステップS313)後、自動ロック部36aは、2次微分信号S2と3次微分信号S3とを観測し、2次微分信号S2が閾値電圧V2未満であるか否か、または、3次微分信号S3が零近傍からずれているか否かを判断する(ステップS314)。ここで、自動ロック部36aは、2次微分信号S2が閾値電圧V2未満、または、3次微分信号S3が零近傍からずれていると判断すると(ステップS314,Y)、ロックが外れたとしてエラーメッセージ等を出力し、エラー検出処理を実行する(ステップS400)。また、自動ロック部36aは、ステップS312において、所定数の飽和吸収線を探索していないと判断すると(ステップS312,N)、エラー検出処理を実行する(ステップS400)。なお、上記処理を換言すると、自動ロック部36aは、ステップS301〜S313において、選定した飽和吸収線の特定を行っている。
次に、図9を参照して、上記エラー検出処理を実行するステップ400について詳細に説明する。図9に示すように、先ず、自動ロック部36aは、エラー回数Errに1を加算する(ステップS401)。次に、自動ロック部36aは、加算したエラー回数Errが、エラー回数の閾値TErr以上であるか否かを判断する(ステップS402)。ここで、自動ロック部36aは、エラー回数Errが、閾値TErr未満であると判断すると(ステップS402,N)、モードホップ探索処理(ステップS100)を実行する。一方、自動ロック部36aは、エラー回数Errが、閾値TErr以上であると判断すると(ステップS402,Y)、レーザ光L8の異常であるとして、エラー検出処理を終了し、飽和吸収線探索処理(ステップS200)及びレーザ光発振周波数固定処理(ステップS300)を終了する。
以上のように本発明の第1実施形態に係るレーザ周波数安定化装置によれば、 飽和吸収線の本数を識別可能な測定精度であればよいので、容易に実現可能であると共に安価に製造可能である。また、このような構成により、経時変化の大きなアクチュエータを用いても、その経時変化に十分に追従して発振周波数を固定することが可能である。
また、上述したように本発明の第1実施形態に係るレーザ周波数安定化装置は、飽和吸収線探索処理(ステップS200)にて、一度、飽和吸収線を測定し、レーザ光発振周波数固定処理(ステップS300)にて、再度飽和吸収線を測定して、発振周波数をロックする。つまり、レーザ周波数安定化装置は、再度測定することにより、間違いなくユーザの所望とする飽和吸収線にレーザ光の発振周波数をロックすることができ、さらには、その発振周波数の精度を向上させることができる。
なお、上記第1実施形態においては、各飽和吸収線群の飽和吸収線の数、及びその組み合わせから飽和吸収線の特定を行っているが、単に、全体の飽和吸収線の数(例えば、図3においては、15本)から所望とする飽和吸収線を特定する構成であってもよい。
また、図3において、飽和吸収線a3と飽和吸収線a4、飽和吸収線a11と飽和吸収線a12、飽和吸収線a13と飽和吸収線a14はそれぞれ発生する周波数が略等しい為、本来2本ある飽和吸収線が1本しか検出できない場合がある。この場合に備えて、飽和吸収線群の判断基準をN(N)=1、3≦N(N)≦4、N(N)=4、N(N)=1、2≦N(N)≦4、かつ、N(N)=1としてもよい。
また、自動ロック部36aは、飽和吸収線の認定を2次微分信号から行っているが、これは3次微分信号から検出することも可能である。
[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態に係るレーザ周波数安定化装置の構成を説明する。
第2実施形態に係るレーザ周波数安定化装置は、図1に示す第1実施形態と略同様の構成を有する。第2実施形態に係るレーザ周波数安定化装置においては、アクチュエータ制御部31、及びアクチュエータ駆動部33によるアクチュエータ124の駆動可能な範囲が第1実施形態と異なる。また、コンピュータ36(自動ロック部36a)の機能が第1実施形態と異なる。また、共振器に設けられた希望の周波数を選択するための周波数フィルタが第1実施形態と異なる。なお、以下の第2実施形態の説明において、第1実施形態と同一の構成及び処理には、同一符号を付し、その説明を省略する。
まず、図10を参照して、第2実施形態に係るレーザ周波数安定化装置の制御時に検出する2次微分信号及び光出力信号を説明する。ここで、図10は、本発明の第2実施形態に係るレーザ周波数安定化装置の制御時に検出する2次微分信号及び光出力信号を示す図である。図10(a)は、2次微分信号及び光出力信号を示し、図10(b)は、図10(a)の領域Dを拡大した2次微分信号を示す図である。
図10(a)に示すように、第2実施形態に係るレーザ周波数安定化装置は、第1実施形態(図3)と比較して、レーザ光を幅広い出力電圧S4により制御可能である。このように、幅広く出力電圧S4を走査すると、周期的に繰り返して、光出力信号S1の吸収線の観測される電圧に、飽和吸収線群(飽和吸収線)が束となって観測されることがわかる。すなわち、図10に示す走査範囲内にて、4つの吸収線M〜Mに属する飽和吸収線が観測されている。ここで、吸収線Mと吸収線Mは、同一の吸収線であり、吸収線Mと吸収線Mは、同一の吸収線である。
また、図10(a)に示すように、モードホップEが観測されている。この第2実施形態において、モードホップEは、第1実施形態よりもその変動幅が小さい。つまり、飽和吸収線よりもその変動幅が小さいので、第1実施形態のように、モードホップ閾値V1を設けてモードホップEを特定することはできない。そこで、第2実施形態においては、モードホップEを検索することなく、レーザ光の発振周波数を固定する処理を行う構成となっている。なお、モードホップEの変動幅及びその形状は、第2実施形態の共振器内に設けた第1実施形態と異なる周波数フィルタの影響を受けている。
次に、図11を参照して、第2実施形態に係るレーザ周波数安定化装置による発振周波数を固定する制御について説明する。図11は、第2実施形態に係るレーザ周波数安定化装置の発振周波数探索固定処理を示すフローチャートである。図11に示すように、先ず、自動ロック部36aは、飽和吸収線を探索する飽和吸収線探索処理を行う(ステップS500)。その後、自動ロック部36aは、第1実施形態と同様のレーザ光発振周波数固定処理(ステップS300)を実行する。
次に、図12及び図13を参照して、第2実施形態における飽和吸収線探索処理(ステップS500)を説明する。図12に示すように、まず、自動ロック部36aは、アクチュエータ駆動部33からの出力電圧S5がアクチュエータ124の最大電圧となるように、出力電圧S4を増加させる(ステップS501)。なお、アクチュエータ124の最大電圧とは、アクチュエータ124を駆動範囲の最大の状態とさせる電圧である。つづいて、自動ロック部36aは、出力電圧S4を減少させる(ステップS502)。そして、自動ロック部36aは、メモリ36bにVold’’が格納されており、Vold’’−出力電圧S4>ΔV’、且つN(M)=iの条件を満たすか否かを判断する(ステップS503)。ここで”N(M)=i”の表記において、”M”は、アクチュエータ制御部31の高出力電圧側から電圧を下げ、k番目に観測される吸収線に属する飽和吸収線であることを示し、”N(M)=i”は、その吸収線に属する飽和吸収線がi本存在することを示す。
ステップS503において、自動ロック部36aは、ステップS503の条件を満たすと判断する場合(ステップS503、Y)、出力電圧S4をVgとしてメモリ36bに格納する(ステップS504)。続いて、自動ロック部36aは、出力電圧S4が最小値であるか否かを判断する(ステップS505)。なお、自動ロック部36aは、上記ステップS503において、条件を満たさないと判断した場合(ステップS503、N)、ステップS504を省略し、ステップS505の判断を行う。
ここで、自動ロック部36aは、出力電圧S4が最小値でないと判断すると(ステップS505,N)、2次微分信号S2が閾値V2以上であるか否かを判断する(ステップS506)。ここで、自動ロック部36aは、2次微分信号S2が閾値V2未満であると判断すると(ステップS506,N)、再びステップS502からの処理を繰り返し実行する。
一方、自動ロック部36aは、2次微分信号S2が閾値V2以上であると判断すると(ステップS506,Y)、メモリ36bに後述するVold’’が格納されているか否かを判断する(ステップS507)。ここで、自動ロック部36aは、Vold’’がメモリ36bに格納されていないと判断すると(ステップS507,N)、出力電圧S4をVold’’として格納する(ステップS508)。続いて、自動ロック部36aは、その電圧Vold’’に関連づけて”N(M)=1”との情報を格納する(ステップS509)。続いて、自動ロック部36aは、ステップS502からの処理を繰り返して実行する。
一方、ステップS507にて、自動ロック部36aは、Vold’’がメモリ36bに格納されていると判断すると(ステップS507,Y)、出力電圧S4をVnew’’としてメモリ36bに格納する(ステップS510)。つづいて、自動ロック部36aは、以下に示す(式5)の関係が満たされるか否かを判断する(ステップS511)。
Figure 2008141054
自動ロック部36aは、上記(式5)が満たされていると判断すると(ステップS511,Y)、N(M)に1を加算する(ステップS512)。例えば、N(M)=3であれば、N(M)=4とする。換言すると、ひとつの吸収線に含まれる飽和吸収線の数を1つ加える。なお、ΔV’については、以下に示す(式6)の関係を予め定めておく。
Figure 2008141054
ここで、図10(a)、図10(b)に示すように、Vbは、各飽和吸収線群の電圧差の最大値であり、Vcは隣接する吸収線に属する飽和吸収線の電圧差の最小値である。例えば、Vb=0.25V、Vc=5Vであれば、ΔV’=1V等に定めておく。
一方、自動ロック部36aは、上記(式6)が満たされていないと判断すると(ステップS511,N)、kに1を加算し、N(M)を1とする(ステップS513)。例えば、N(M)=4であれば、N(M)=1とする。換言すると、認定した飽和吸収線を異なる吸収線に含まれるものとする。ステップS512或いはステップS513に続き、自動ロック部36aは、Vnew’’をVold’’とし(ステップS514)、ステップS502からの処理を繰り返して実行する。
また、自動ロック部36aは、ステップS505において、出力電圧S4が最小電圧であると判断すると(ステップS503,Y)、メモリ36bにVgが格納されているか否かを判断する(ステップS515)。ここで、自動ロック部36aは、メモリ36bにVgが格納されていると判断すると(ステップS515,Y)、出力電圧S5がアクチュエータ124の中心電圧近傍のVgになるように出力電圧S4を増加させる(ステップS516)。例えば、図10(a)に示す例においては、15本の飽和吸収線を有する吸収線に対象に設定している場合、2つの同一の吸収線M2と吸収線M4が観測されるが、アクチュエータ124の中心電圧近傍である吸収線M2のVgに合わせるように出力電圧S4を増加させる。
つづいて、自動ロック部36aは、図13に示すステップS517〜S528の処理を実行する。なお、ステップS517〜S528の処理は、第1実施形態における飽和吸収線探索処理(ステップS200)のステップS201〜S212の処理と同様であるため、その説明を省略する。
一方、自動ロック部36aは、メモリ36bにVgが格納されていないと判断すると(ステップS515,N)、第1実施形態と同様のエラー検出処理を実行する(ステップS400)。
つまり、第2実施形態における飽和吸収線探索処理において、ステップS501〜S516にて飽和吸収線間の出力電圧S4を閾値V’で判断することにより飽和吸収線の属する吸収線を判断する。また、ステップS517〜ステップS530にて飽和吸収線間の出力電圧S4を閾値Vで判断することにより飽和吸収線の含まれる飽和吸収線群を判断する。
以上のように、第2実施形態に係るレーザ周波数安定化装置によれば、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第2実施形態に係るレーザ周波数安定化装置によれば、装置の個体差によるモードホップの波形の違いを考慮しなくとも良い。また、共振器長の全領域内で、希望する飽和吸収線が複数存在する場合、よりアクチュエータの中心電圧に近い飽和吸収線を選択するため、温度変化に対してよりロバストになる。つまり、共振器長の可動範囲の狭い飽和吸収線を選択してしまい、ロックが外れてしまう等の恐れはない。
本発明の第1実施形態に係るレーザ周波数安定化装置の構成概略図である。 本発明の第1実施形態に係るレーザ周波数安定化装置の制御時に検出する2次微分信号、3次微分信号を示す図である。 本発明の第1実施形態に係るレーザ周波数安定化装置の制御時に検出する2次微分信号を示す図である。 本発明の第1実施形態に係るレーザ周波数安定化装置の発振周波数探索固定処理を示すフローチャートである。 本発明の第1実施形態に係るレーザ周波数安定化装置のモードホップ探索処理を示すフローチャートである。 本発明の第1実施形態に係るレーザ周波数安定化装置の飽和吸収線探索処理を示すフローチャートである。 本発明の第1実施形態に係るレーザ周波数安定化装置のレーザ光発振周波数固定処理を示すフローチャートである。 本発明の第1実施形態に係るレーザ周波数安定化装置の飽和吸収線のロックに際して用いる各種パラメータを示す図である。 本発明の第1実施形態に係るレーザ周波数安定化装置のエラー検出処理を示すフローチャートである。 本発明の第2実施形態に係るレーザ周波数安定化装置の制御時に検出する光出力信号及び2次微分信号を示す図である。 本発明の第2実施形態に係るレーザ周波数安定化装置の発振周波数探索固定処理を示すフローチャートである。 本発明の第2実施形態に係る飽和吸収線探索処理を示すフローチャートである。 本発明の第2実施形態に係る飽和吸収線探索処理を示すフローチャートである。
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)、123…反射鏡、124…アクチュエータ、125…レーザ共振器筐体、2…レーザ光検出部、21…高調波分離器、22a…λ/2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、31…アクチュエータ制御部、32…変復調用信号発生部、33…アクチュエータ駆動部、34…2次微分用ロックインアンプ、35…3次微分用ロックインアンプ、36…コンピュータ、36a…自動ロック部、36b…メモリ。

Claims (8)

  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含まれる飽和吸収線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固定し、安定化するレーザ周波数安定化装置であって、
    前記光出力信号を検出する光検出部と、
    前記光出力信号の微分信号を検出する微分信号検出部と、
    前記共振器長を変化させるアクチュエータと、
    前記アクチュエータを駆動させる駆動部と、
    前記微分信号に基づき前記駆動部を制御する制御部とを備え、
    前記制御部は、前記微分信号の出力に基づいて認定した飽和吸収線の本数、及び当該認定した飽和吸収線の組み合わせに基づき特定の飽和吸収線を選定し、該選定した特定の飽和吸収線に前記レーザ光の発振周波数を固定する
    ことを特徴とするレーザ周波数安定化装置。
  2. 前記制御部は、隣接する飽和吸収線について当該飽和吸収線を得た駆動部制御電圧の間隔が所定の閾値内であれば前記隣接する飽和吸収線が同一の飽和吸収線群に含まれるものとして飽和吸収線群を定めることで飽和吸収線の組み合わせを検出する
    ことを特徴とする請求項1記載のレーザ周波数安定化装置。
  3. 前記制御部は、前記飽和吸収線の組み合わせに基づき、前記アクチュエータの中心電圧近傍の組み合わせに含まれる前記飽和吸収線のいずれかを特定の飽和吸収線に選定する
    ことを特徴とする請求項1又は2記載のレーザ周波数安定化装置。
  4. 前記アクチュエータは、ピエゾ素子であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載のレーザ周波数安定化装置。
  5. 前記飽和吸収線は、ヨウ素分子に基づくものであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載のレーザ周波数安定化装置。
  6. 前記微分信号は、前記光出力信号の2次微分信号或いは3次微分信号であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項記載のレーザ周波数安定化装置。
  7. 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の微分信号に含まれる飽和吸収線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固定し、安定化するレーザ周波数安定化方法であって、
    前記微分信号の出力に基づいて認定した飽和吸収線の本数、及び当該認定した飽和吸収線の組み合わせに基づき特定の飽和吸収線を選定する飽和吸収線選定ステップと、
    該選定した特定の飽和吸収線に前記レーザ光の発振周波数を固定する発振周波数固定ステップと
    を有することを特徴とするレーザ周波数安定化方法。
  8. 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の微分信号に含まれる飽和吸収線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固定することで安定化させるためのレーザ周波数安定化プログラムであって、
    コンピュータに、
    前記微分信号の出力に基づいて認定した飽和吸収線の本数、及び当該認定した飽和吸収線の組み合わせに基づき特定の飽和吸収線を選定する飽和吸収線選定ステップと、
    該選定した特定の飽和吸収線に前記レーザ光の発振周波数を固定する発振周波数固定ステップと
    を実行させるためのレーザ周波数安定化プログラム。
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