JP2014090092A - レーザー光源装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】レーザー光源装置は、共振器の共振器長を変化させてレーザー光の発振周波数を変化させる駆動アクチュエーターと、駆動アクチュエーターを制御するオフセットレーザー制御手段32と、を備え、オフセットレーザー制御手段32は、レーザー光の発振周波数を広範囲に亘って走査する粗動信号を出力する粗動制御部46と、レーザー光の発振周波数を微小変化させる微動信号を出力する微動制御部44と、を備え、粗動信号及び微動信号を加算した制御信号を駆動アクチュエーターに印加する。
【選択図】図3
Description
この特許文献1に記載のレーザー光源装置は、励起光を射出する光源と、共振器とを備えている。共振器内部には、励起光で励起され基本波光を出力するレーザー媒体、基本波光を共振させる共振器ミラー、共振器ミラーの位置を変化させるアクチュエーター、エタロン等が設けられている。また、共振器や共振器内部の光学素子の温度を制御する温度制御部が設けられている。
ここで、探索・誘導工程では、共振器長を広範囲に変化させる必要があり、ロック工程では、共振器長を高分解能で変化させる必要がある。また、レーザー周波数をロックした後においても、レーザー光源装置の設置環境の変化(室温変化等)の影響により、共振器長がドリフトするため、その補正のために共振器長を広範囲に変化させる構成が必要となる。
しかしながら、このような構成では、温度制御部により、共振器の温度を変化させると、共振器内部の各光学素子の特性が変化したり、機械的アライメントに変化が生じたりし、これらの対策が必要となり、また、装置構成も複雑化する。
したがって、本発明では、複数の周波数変更手段を設ける必要がなく、単一の周波数変更手段のみの簡素な構成で、レーザー周波数を広範囲かつ高分解能で走査することができる。
これに対して、本発明では、微動電圧制限部により、微動信号を粗動制御器の前段に出力することで、その分、粗動制御器により生成される粗動信号が大きくなり、微動信号の信号レベルを小さくすることができる。したがって、微動信号の信号レベルを狭い電圧範囲内に抑えることができ、これにより、高分解能で周波数変更手段を駆動させることができる。
本発明では、微動電圧制限部は、周波数変更手段に対応したゲインを有する。つまり、微動電圧制限部は、微動信号を周波数変更手段に出力した際の周波数変化量を示す周波数変動信号を粗動制御器に出力することができる。このため、粗動制御器は、目標値に基づいた目標信号と周波数変動信号とが加算された信号に基づいて、粗動信号を出力することになり、効果的に微動信号を低減させることができるとともに、目標値と微動信号に基づいて生成される粗動信号で精度よく周波数変更手段を駆動させることができる。
本発明では、粗動制御部及び微動制御部は、周波数変更手段の駆動により変化する制御量に基づいたフィードバック信号に基づいて、粗動信号及び微動信号を適切に設定することができ、共振器から出力されるレーザー光の発振周波数を高精度に目標とする周波数に安定化させることができる。
図1は、本実施形態のレーザー光源装置の概略構成を示す模式図である。
図1に示すように、レーザー光源装置1は、レーザーヘッド部2と、コントローラー部3と、を備え、コントローラー部3によりレーザーヘッド部2を制御することで、所望の周波数に安定化されたレーザー光(オフセットレーザー光)を外部に出射する。
基準レーザー光源22は、出射されるレーザー光(基準レーザー光)の中心周波数が高度に安定化されたレーザー光源である。この基準レーザー光源22において、基準レーザー光の前記中心周波数が所定周波数となる各設定条件(例えば共振器長、共振器温度、出力電圧等)は予め測定されており、例えばコントローラー部3の記憶手段(図示略)に記憶されている。そして、コントローラー部3は、この設定条件を読み出して基準レーザー光源22を駆動させることで、上記のような所定周波数(fR)の基準レーザー光を出射させる。
第二ビームスプリッター24は、第一ビームスプリッター23により反射された一部のオフセットレーザー光を、基準レーザー光の光進行方向に反射させ、基準レーザー光源22から出射された基準レーザー光を透過させる。
ディテクター25は、ビート干渉計であり、オフセットレーザー光及び基準レーザー光の干渉光からビート信号(ビート周波数)を検出し、コントローラー部3に出力する。なお、ディテクター25により検出されるビート周波数が、本発明の制御量となる。
図2は、オフセットロックレーザー光源21の概略構成を示す図である。
オフセットロックレーザー光源21は、図2に示すように、電流入力により励起光を出力する励起光源210と、共振器211と、共振器211から出射された光を出力する出射レンズ212と、を備える。
励起光源210は、光源213及びコリメーターレンズ214を備える。光源213は、コントローラー部3の制御に基づいて電圧が印加されることで、励起光を出射する。
コリメーターレンズ214は、光源213から出射された励起光を平行化し、共振器211に向かって出力する。
集光レンズ215は、励起光源210からの励起光をレーザー媒質216に集光させる。
レーザー媒質216は、励起光を受けて所定周波数のレーザー光を発振する。
エタロン217は、複数の縦モードで発振しているレーザー光のうち、所定の周波数の縦モードのレーザー光のみを透過させる。すなわち、マルチモードで発振されるレーザー光をシングルモードに変換する。
共振器ミラー218は、レーザー媒質216の端面に設けられた反射ミラー(図示略)との間で、レーザー光を共振させる。また、共振器ミラー218は、共振により強め合った所定周波数(レーザー周波数)のレーザー光の一部を透過させる。
コントローラー部3は、本発明の制御手段を構成し、図1に示すように、基準レーザー光源22を制御する基準レーザー制御手段31と、オフセットロックレーザー光源21を制御するオフセットレーザー制御手段32と、を備えている。また、図示は省略するが、コントローラー部3は、所定の周波数で高度に安定化された基準レーザー光を射出させるための、基準レーザー光源22の各種条件等を記憶する記憶手段を備えている。
基準レーザー制御手段31は、記憶手段に記憶された各種条件に基づいて、基準レーザー光源22から基準レーザー光を出射させる。
図3は、オフセットレーザー制御手段32のシステム構成を示す構成図である。
図3に示すように、オフセットレーザー制御手段32は、基準周波数源41と、第一分周器42と、フィードバック制御部43と、微動制御部44と、微動電圧制限部45と、粗動制御部46と、信号合成部47と、を備えている。
第一分周器42は、所定の分周数B(Bは整数)で、基準周波数源41から出力される基準周波数frを分周し、後述する微動制御部44の微動用周波数カウンター441、及び粗動制御部46の粗動用周波数カウンター460が動作可能な周波数帯域の信号に変換する。なお、第一分周器42から出力される信号波形は、矩形波状となっている。
第二分周器431は、ディテクター25から出力されるビート信号(ビート周波数fB)を第一分周器42と同じ分周数Bで分周する。第二分周器431を通過した信号の信号波形は矩形波状となっており、各ビート周波数カウンター432,433でパルス数を計数することで周波数カウント値Nb,Nb2が得られる。
微動用ビート周波数カウンター432におけるカウント値Nbは、微動制御部44に出力され、粗動用ビート周波数カウンター433におけるカウント値Nb2は、粗動制御部46に出力される。
微動用周波数カウンター441は、第一分周器42を通過した信号(矩形波状)のパルス数を計数し、カウント値Nrを出力する。
微動用比較演算部442は、微動用周波数カウンター441のカウント値Nrと、微動用ビート周波数カウンター432のカウント値Nbとの差(Nr−Nb)を算出する。
微動用周波数変換部443は、微動用比較演算部442より算出された周波数カウント値の差(Nr−Nb)に対して所定のゲインHをかけ合せ、周波数差(fr−fb)に変換する。なお、微動制御部44では、この周波数差(fr−fb)が、小さくなるように駆動アクチュエーター219を制御する。
微動用増幅器445は、微動制御器444から入力される微動電圧信号Vf(微動信号)を所定の微動用ゲインGfにより増幅する。
DAC446は、微動用増幅器445から入力される微動電圧信号Vf(デジタル)をアナログ信号に変換する。
微動用LPF447は、周波数帯域を所定帯域以下に制限することで、ノイズを低減する。なお、微動用LPF447の帯域設定により、駆動アクチュエーター219の応答性を適切な値に設定することができる。
微動用減衰器448は、微動用増幅器445により増幅された微動電圧信号Vfの電圧レベルを1/Gf倍し、小さくする。これにより、狭い電圧範囲(例えば1〜10V程度)の微動電圧信号Vfが出力されることになり、量子化誤差の影響を低減でき、高分解能での微動制御が実施可能となる。
具体的には、この微動電圧制限部45は、所定のゲインO(定数)を有するアンプであり、微動制御器444から出力された微動電圧信号Vfが、ゲインOとかけ合わされて粗動制御部46の粗動制御器464の前段に出力される。このゲインOとしては、例えば駆動アクチュエーター219に相当するゲインに設定されていることが好ましい。この場合、微動電圧制限部45を疑似的な駆動アクチュエーター219のモデルとして機能させることができ、微動電圧信号Vfを駆動アクチュエーター219に印加した際の周波数変化を示す周波数変動信号fsが出力される。
つまり、微動制御部44では、駆動アクチュエーター219を微動駆動させることで、高分解能でレーザー光の発振周波数を変化させる。したがって、微動制御部44において出力される微動電圧信号Vfは、粗動制御部46により出力される粗動電圧信号Vcに比べて小さい信号となり、許容される微動電圧信号Vfの電圧範囲も狭くなる。したがって、微動電圧信号Vfは、この電圧範囲内に抑える必要がある。
本実施形態では、微動電圧制限部45が設けられることで、微動制御器444から粗動制御部46に周波数変動信号fsが入力され、粗動制御部46における出力が増加される。これにより、微動制御部44における微動電圧信号Vfが所定の電圧範囲内となるように制限することができる。
粗動用周波数カウンター460は、第一分周器42を通過した信号(矩形波状)のパルス数を計数し、カウント値Nr2を出力する。
粗動用比較演算部461は、粗動用周波数カウンター460のカウント値Nr2と、粗動用ビート周波数カウンター433のカウント値Nb2との差(Nr2−Nb2)を算出する。
粗動用周波数変換部462は、粗動用比較演算部461より算出された周波数カウント値の差(Nr2−Nb2)に対して所定のゲインH2をかけ合せ、周波数差(fr2−fb2)に変換する。なお、粗動制御部46においても、この周波数差(fr2−fb2)が、小さくなるように駆動アクチュエーター219を制御する。
粗動制御器464は、微動信号合成部463から出力される信号値に対して制御演算を実施し、電圧信号Vc1(粗動信号)を算出する。ここで、粗動制御器464のパラメーターの設定により、駆動アクチュエーター219の応答性等を適宜設定することができる。
また、この周波数粗動走査において、オフセットレーザー光の周波数が基準周波数近傍の値になると、つまり、周波数差(fr2−fb2)が所定の閾値以下となると、オフセット信号をロックし、以降、ロックしたオフセット信号Voffを出力し続ける。これにより、粗動制御器464から出力される粗動信号Vc1と、オフセット信号Voffとが加算器465Aにより加算され、粗動電圧信号Vcとして粗動用減衰器466に出力される。
DAC467は、粗動用減衰器466から入力される粗動電圧信号Vc(デジタル)をアナログ信号に変換する。
粗動用LPF468は、周波数帯域を所定帯域以下に制限することで、ノイズを低減する。なお、粗動用LPF468の帯域設定により、駆動アクチュエーター219の応答性を適切な値に設定することができる。
粗動用増幅器469は、粗動用減衰器466により減衰された粗動電圧信号Vcの電圧レベルをGc倍する。これにより、広範囲の駆動電圧(例えば1V〜100V)の設定ができ、周波数粗動走査における駆動アクチュエーター219の駆動量を広げることができ、レーザー周波数を広い範囲で走査させることができる。また、微動制御においても、温度変化等による共振器長のドリフトに対応することができる。
次に、上述したレーザー光源装置1におけるオフセットレーザー光の周波数安定化処理について、図面に基づいて説明する。
図4は、レーザー光源装置1におけるオフセットレーザー光の周波数安定化処理を示すフローチャートである。
図5は、周波数粗動走査前におけるオフセットロックレーザー光源21から出射されるオフセットレーザー光と、基準レーザー光源22から出射される基準レーザー光の周波数を示す図である。
図6は、オフセットレーザー光の光周波数値が、基準レーザー光の光周波数値から基準周波数値だけ離れた周波数値付近にまで走査された状態を示す図である。
図7は、オフセットレーザー光が基準周波数に安定化された状態のオフセットレーザー光の周波数を示す図である。
本実施形態のレーザー光源装置1は、図5に示すようなオフセットレーザー光の周波数を、目標である基準周波数frに設定して周波数ロックを行い、オフセットレーザー光の周波数安定化を行う。
このステップS1では、基準レーザー制御手段31は、基準レーザー光源22を駆動させ、基準レーザー光源22から周波数fRの基準レーザー光を出射させる。
また、オフセットレーザー制御手段32は、基準周波数源41から基準周波数frを出力させるとともに、微動制御器444及び粗動制御器464からの出力信号(Vf,Vc1)を「0」に設定する。そして、オフセットレーザー制御手段32は、オフセット信号出力部465から出力されるオフセット信号により駆動アクチュエーター219を粗動駆動させる。つまり、レーザー周波数を広範囲に亘って粗動走査させる。
そして、オフセットレーザー制御手段32は、粗動用周波数変換部462により算出される周波数差(fr2−fb2)が第一閾値以下であるか否かを判定する(ステップS2)。
そして、ステップS2において、周波数差(fr2−fb2)が第一閾値より大きい場合、ステップS1に戻り、周波数粗動走査を継続させる。
一方、ステップS2において、周波数差(fr2−fb2)が第一閾値以下であると判定されると、オフセット信号出力部465は、オフセット信号Voffを一定値に保つ(ステップS3)。これにより、図6に示すように、オフセットレーザー光の周波数が、目標値近傍のオフセット周波数foff付近になる。
これには、まず、オフセットレーザー制御手段32は、微動制御器444及び粗動制御器464の出力値(Vf,Vc1)を有効にする(ステップS4)。これにより、微動制御器444及び粗動制御器464は、フィードバック制御部43により検出されるビート周波数fB、及び基準周波数frに基づいたフィードバック制御を行い、レーザー周波数を高分解能で微動走査させる(ステップS5)。
このステップS5では、オフセットレーザー制御手段32は、粗動用周波数変換部462により算出される周波数差(fr2−fb2)(または、微動用周波数変換部443により算出される周波数差(fr−fb))を監視し、この周波数差が「0」に近づくようにフィードバック制御を行う。
次に、上述したステップS5のレーザー周波数の微動走査において、オフセットレーザー制御手段32から出力される電圧信号について説明する。
上述したように、本実施形態のオフセットロックレーザー光源21は、微動制御部44から出力される微動電圧信号Vfと、粗動制御部46から出力される粗動電圧信号Vcとを加算した制御信号Vに基づいて、駆動アクチュエーター219が駆動され、これにより周波数が変化する。ここで、微動電圧制限部45により、微動制御部44及び粗動制御部46が接続されている。
このため、微動制御部44から出力される微動電圧信号(Vf)、及び粗動制御部46から出力される粗動電圧信号(Vc)は、それぞれ以下に示す式(1)及び式(2)の値となる。
式(2)に示すように、本実施形態では、微動電圧信号Vfが、粗動電圧信号Vcに影響を与えており、これにより、微動制御部44から出力される微動電圧信号の電圧値が小さくなるように機能している。このため、フィードバック制御中において、微動電圧信号が出力可能範囲を超えて、ロックが外れるという不都合が生じない。
また、オフセットレーザー光の出力周波数foは、基準レーザー光の周波数fRと、ビート周波数fBとを用いて以下の式(3)となる。式(1)〜(3)より式(4)が導かれる。なお、式(4)において、「K」は、駆動アクチュエーター219への電圧入力とビート周波数fBの変化とを関係づける伝達関数であり、「D」は、DAC446,467のゲイン、Lfは、微動用LPF447のゲイン、Lcは、粗動用LPF468のゲインである。
図8は、周波数微動走査でのビート周波数の変化を示す図である。図9は、周波数微動走査での微動電圧信号Vfの変化を示す図である。図10は、周波数微動走査での粗動制御器464から出力される粗動信号Vc1の変化を示す図である。これらの図8から図10は、時刻t=0に単位ステップ(fr=1)の目標を与えた場合のビート周波数fB、微動電圧信号Vf、粗動信号Vc1の変化を示している。
図8から図10に示すように、検出されるビート周波数に対して、微動制御部44の微動制御器444は、粗動制御部46の粗動制御器464よりも速く応答し、十分な時間が経過すると微動制御器444からの微動電圧信号Vfが低下し、その分、粗動信号Vc1が大きくなる。そして、最終的に、ビート周波数fBが基準周波数frに一致するようになると、微動電圧信号Vfはほぼ0となり、粗動信号Vc1、及び粗動電圧信号Vc(=Voff+Vc1)は、略一定値に保たれる。
なお、実際には、フィードバック制御中において外乱が入るため、これを抑制するように、両電圧(微動電圧信号Vf及び粗動電圧信号Vc)は常に変動する。
本実施形態では、微動制御部44の応答速度を高速(広帯域)にし、粗動制御部46の応答速度を低速(狭帯域)にすることが好ましい。
この場合、オフセットロックレーザー光源21の目標周波数(基準周波数fr)へのロックや、高速な外乱への対応に対して、主に微動制御部44が応答し、高分解能で共振器長を制御することができる。一方、温度変化等による共振器長のドリフトなど、低速な外乱への対応に対して、主に粗動制御部46が応答し、微動制御部44の出力(微動電圧信号Vf)を0に近付けるように機能する。
また、粗動制御部46は、広い電圧出力範囲(例えば、1〜100V)で粗動電圧信号Vcを出力できるので、微動制御部44の微動電圧信号Vfの出力電圧範囲(例えば、1〜10V)が狭い場合でも飽和せず、安定した周波数ロックを維持することができる。さらに、微動制御部44は、微動電圧信号Vfの出力電圧範囲を狭くできるため、高分解能かつ高精度な微動駆動を実現できる。粗動制御部46は、粗い電圧出力であるが、微動制御部44がより高速で動作することで、粗動制御部46の誤差出力を微動制御部44により補正することができる。
本実施形態では、1つの駆動アクチュエーター219に対して、微動制御部44による高分解能な駆動制御と、粗動制御部46による広範囲に亘る駆動制御との双方の制御を実施できる。
つまり、通常、共振器長を単一のアクチュエーターで制御する場合、広範囲に亘ってレーザー周波数を変化させるためには、アクチュエーターに入力する信号レベルを増幅する必要があり、信号のSN比や分解能の低下により、レーザー周波数を高精度に制御することが困難となる。これに対して、本実施形態では、上記のように、広い電圧出力範囲で粗動電圧信号Vcを出力する粗動制御部46と、狭範囲で高分解能な制御が可能な微動電圧信号Vfを出力する微動制御部44とにより、駆動アクチュエーター219の駆動が制御される。このため、駆動アクチュエーター219を、粗動駆動時において広範囲に亘って駆動させることができ、かつ、微動駆動時に高分解能な駆動制御を行うことができる。つまり、レーザー周波数を広範囲かつ高分解能で走査することができる。
また、広範囲な駆動制御を行うためのアクチュエーターと、高分解能な駆動制御を行うためのアクチュエーターとの双方を備える構成に比べ、単一の駆動アクチュエーター219を駆動させる構成となるため、共振器211の構成の簡略化、小型化を図ることができる。また、駆動アクチュエーター219を駆動させるためのドライバー等も1つでよく、レーザー光源装置1の構成の簡略化、低コスト化を実現できる。また、共振器211の構成を簡略化できるため、故障要因が減り、信頼性が高いレーザー光源装置1を実現できる。
したがって、オフセットレーザー制御手段32では、微動制御部44からの微動電圧信号Vfを0に近づけるように機能し、微動電圧信号Vfの信号レベルを低減させることができる。このため、微動電圧信号Vfが設定された出力範囲外となる不都合を回避でき、これにより、微動制御部44による高分解能な駆動アクチュエーター219の駆動制御を適切に実現できる。
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
上記実施形態では、レーザー光源装置1として、オフセットロックレーザー光源21から発振されるオフセットレーザー光を、基準レーザー光源22から発振される周波数fRの基準レーザー光と干渉させ、そのビート周波数fbを基準周波数(目標値)frにロックすることで、オフセットレーザー光の周波数安定化を図ったが、本発明における周波数安定化方法としては、これに限定されない。
例えば、ヨウ素等の分子吸収線を利用し、分子吸収線に周波数を安定化させたり、光周波数コム装置から発振される光コムとの干渉光に基づいて周波数を安定化させたりしてもよい。いずれの場合においても、上述したようなステップS1の周波数粗動走査を実施した後、ステップS5の周波数微動走査を実施する。したがって、周波数粗動走査における駆動アクチュエーター219の粗動駆動、及び周波数微動走査における駆動アクチュエーター219の微動駆動、周波数ロック中における周波数ドリフトに対する制御を上記のようなオフセットレーザー制御手段32により制御することで、周波数を広範囲に亘って、かつ高分解能で走査することができる。
この場合でも、これらのアクチュエーターを駆動させる制御手段として、オフセットレーザー制御手段32を用いることで、各アクチュエーターの駆動量を広範囲かつ高分解能で駆動制御することができる。
Claims (4)
- 共振器の共振器長を変化させてレーザー光の発振周波数を変化させる周波数変更手段と、
前記周波数変更手段を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記レーザー光の発振周波数を広範囲に亘って走査する粗動信号を出力する粗動制御部と、前記レーザー光の発振周波数を微小変化させる微動信号を出力する微動制御部と、を備え、前記粗動信号及び前記微動信号を加算した制御信号を前記周波数変更手段に印加する
ことを特徴とするレーザー光源装置。 - 請求項1に記載のレーザー光源装置において、
前記粗動制御部は、入力された目標値に基づいて前記粗動信号を生成する粗動制御器を備え、
前記微動制御部は、入力された目標値に基づいて前記微動信号を生成する微動制御器を備え、
前記制御手段は、前記微動制御器により生成された前記微動信号を、前記粗動制御器の前段に出力する微動電圧制限部を備える
ことを特徴とするレーザー光源装置。 - 請求項2に記載のレーザー光源装置において、
前記微動電圧制限部は、前記周波数変更手段に対応したゲインを有し、前記微動信号に対して前記ゲインを乗算した周波数変動信号を前記粗動制御器の前段に出力する
ことを特徴とするレーザー光源装置。 - 請求項1から請求項3のいずれかに記載のレーザー光源装置において、
前記制御手段は、前記周波数変更手段による前記共振器長の変化に基づいた制御量を検出し、当該制御量に基づいたフィードバック信号を前記粗動制御部及び前記微動制御部に出力するフィードバック制御部を備え、
前記粗動制御部及び前記微動制御部は、前記フィードバック信号に基づいたフィードバック制御を実施する
ことを特徴とするレーザー光源装置。
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