JP3632479B2

JP3632479B2 - 波長同調回路

Info

Publication number: JP3632479B2
Application number: JP01393799A
Authority: JP
Inventors: 康浩庄司; 嘉仁平野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-01-22
Filing date: 1999-01-22
Publication date: 2005-03-23
Anticipated expiration: 2019-01-22
Also published as: JP2000216466A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザレーダ光源の波長を安定化するための波長同調回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６に第１の従来例として、Ｊ．Ｃ．Ｂａｒｎｅｓｅｔａｌ．”ＩｎｊｅｃｔｉｏｎＳｅｅｄｉｎｇＩＩ：Ｔｉ：Ａｌ２Ｏ３Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ”，ＩＥＥＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＱＵＡＮＴＵＭＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ．ＶＯＬ．２９，ＮＯ．１０．ＯＣＴＯＲＢＥＲ１９９３，ｐｐ２６８４−２６９２に記載されているレーザレーダ光源に用いる波長同調回路の構成説明図を示す。図６において、１００は波長選択素子、１０１は出力用ミラー、１０２はレーザ媒質、１０３は高反射率ミラー（反射率９９％）、１０４は共振器長制御素子、１０５はインジェクション・シーディング装置、１０６は波長確認手段、１０７は波長制御手段、１０８は励起光源、１０９は励起光入射手段、１１０は出力光サンプル手段、１１１はアイソレータ、１１３は受光器、１１４はＱスイッチトリガ発振器である。
Ｑスイッチトリガ発振器１１４から出力されるトリガパルスに同期してパルス出力の励起光源１０８から励起光が出力され、この出力光は励起光入射手段１０９を介してレーザ媒質１０２を励起する。レーザ媒質１０２の両端面から出力されたレーザ光を出力用ミラー１０１と高反射率ミラー１０３で構成されたスタンディング・ウェーブ型共振器内でレーザ光パワーを増幅し、出力用ミラー１０１からパルスのレーザ光を出力する。また、発振波長を任意の波長に安定化した、シーディング光を高反射率ミラー１０３からスタンディング・ウェーブ型共振器内に光軸が一致するように注入する。このとき、高反射率ミラー１０３により反射されたシーディング光がインジェクション・シーディング装置１０５に戻るのを避けるためにアイソレータ１１１を設置している。スタンディング・ウェーブ型共振器内で立ち上がる波長は、スタンディング・ウェーブ型共振器内で立ち上がるはずの複数の波長の中でシーディング光の波長と最も近い波長に同調する。さらに、スタンディング・ウェーブ型共振器の出力光の発振波長をシーディング光に同調させるため、共振器長制御素子１０４により共振器長を制御する。
【０００３】
共振器長を制御するために、スタンディング・ウェーブ型共振器の出力光を出力光サンプル手段１１０により一部取り出す。波長確認手段１０６でＱスイッチトリガ発振器１１４から出力されるトリガパルスとスタンディング・ウェーブ型共振器の出力光のパルスとの時間間隔を測定する。インジェクション・シーディングを行った場合、シーディング光が種信号となり、この種信号に近いモードからパルスが立ち上がるため、最も早い時間でこのモードのパルスが出力される。この従来例では、波長確認手段１０６において、励起光源１０８から出力されるパルス光と出力用ミラー１０１から出力されるパルス光の時間間隔を確認し、この時間間隔が最も短くなるように波長制御手段１０７で共振器長制御素子１０４を制御する。
【０００４】
従来の波長確認手段１０６では励起光源１０８へ送信するＱスイッチトリガパルスと受光器１１３で受けた出力光のパルスとの間隔を測定しているために、出力光の波長がシーディング光と同調しているかどうかを知ることができない。
【０００５】
次に、図７に第２の従来例として、ＬｅｏｎｉｄＧ．Ｋａｚｏｖｓｋｙｅｔａｌ．”Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｌａｔｉｖｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆａｓｅｔｏｆｌａｓｅｒｓｕｓｉｎｇｏｐｔｉｃａｌｐｈａｓｅ−ｌｏｃｋｅｄｌｏｏｐｓ”，ＩＥＥＥＰＨＯＴＯＮＩＣＳＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＬＥＴＴＥＲＳ．ＶＯＬ．２，ＮＯ．７．ＪＵＬＹ１９９０，ｐｐ５１６−５１８に記載されているレーザレーダ光源に用いる波長同調回路の構成説明図を示す。図７において、１１５は連続波（ＣＷ）出力のスレーブレーザ、１１６はＣＷ出力のマスターレーザ、１１７は位相変調器、１１８はｐｈａｓｅ−ｌｏｃｋｅｄｌｏｏｐ（ＰＬＬ）回路である。マスターレーザ１１６の出力光を位相変調器１１７で位相変調し、多数のサイドバンドを立たせる。位相変調をかけたマスターレーザ１１６の出力光とスレーブレーザ１１５の出力光を合波手段１１９で合波し、合波した両レーザ光を受光器１１３で受光する。両レーザ光の位相差をＰＬＬ回路１１８で検出し、その位相差がゼロになるようにスレーブレーザ１１５内の共振器長制御素子にフードバックする。
【０００６】
本従来例では、スレーブレーザ１１５もＣＷ出力であるため、ＰＬＬ回路１１８は応答したが、スレーブレーザ１１５にパルス幅の短いパルスレーザを使用した場合、ＰＬＬ回路１１８がその応答速度に追従できない。
【０００７】
また、本従来例では、マスターレーザ１１６に位相変調を用いることにより多数のサイドバンドを立たせ、そのサイドバンドの中のいずれかの周波数にスレーブレーザ１１５の発振波長を安定化するため、相対的な周波数安定度は得られるが、絶対周波数への安定化はできない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来の波長同調回路では、波長確認手段として励起光源へ送信するＱスイッチトリガパルスと受光器で受けたスタンディング・ウェーブ型共振器の出力光のパルスとの時間間隔を基準信号としているため、出力光の波長がシーディング光と同調しているかどうか確認できないという問題点があった。
【０００９】
また、従来の波長同調回路では、マスターレーザおよびスレーブレーザにＣＷ波を用いているため、ＰＬＬ回路が使用できたが、スレーブレーザにパルス幅の短いパルスレーザを使用した場合、ＰＬＬ回路の応答が追従しないため、波長同調ができないという問題点があった。
【００１０】
さらに、従来の波長同調回路では、マスターレーザに位相変調を用いることにより多数のサイドバンドを立たせ、そのサイドバンドの中のいずれかの周波数にスレーブレーザの発振波長を安定化するため、相対的な周波数安定度は得られるが、絶対周波数への安定化ができないという問題点があった。
【００１１】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、レーザ発振器の出力光の波長がシーディング光に同調しているかどうかを確認して、波長制御を行うことが可能な波長同調回路を得ることを目的とする。
【００１２】
また、この発明は、パルス幅の短いパルスレーザの波長同調が可能な波長同調回路を得ることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る波長同調回路は、レーザ光を出力するレーザ媒質と、前記レーザ媒質を励起する励起光源と、前記励起光源の出力タイミングを決定するトリガ信号を出力するＱスイッチトリガ発振器と、前記励起光源の出射光を前記レーザ媒質に入射する励起光入射手段と、前記レーザ媒質をレーザ共振器内に所有するレーザ発振器と、シーディング光を出射するインジェクション・シーディング装置と、前記シーディング光を前記レーザ発振器内に入射するシーディング光注入手段と、前記レーザ共振器の共振器長を制御する共振器長制御素子と、前記レーザ共振器からレーザ光の一部を取り出す出力光サンプル手段と、一部取り出した前記レーザ光または一部取り出した前記シーディング光のどちらか一方の周波数をシフトする周波数シフト手段と、一部取り出した前記レーザ光と一部取り出した前記シーディング光を前記周波数シフト手段の出力側で合波する合波手段と、前記合波手段の出力光を受光し、ビート周波数を出力する受光器と、前記ビート周波数を周波数弁別するローパスフィルタおよびハイパスフィルタと、前記ローパスフィルタおよびハイパスフィルタそれぞれの出力信号をそれぞれ周波数−電圧変換する２つの検波回路と、前記２つの検波回路の出力信号の差分をとり前記レーザ共振器長を制御するための誤差信号を出力する減算器と、前記誤差信号に基づいて前記共振器長制御素子に波長制御信号を与えることにより当該共振器長制御素子を動作させる波長制御手段とを備え、前記ローパスフィルタおよびハイパスフィルタの減衰率の周波数特性は、前記周波数シフト手段でシフトする周波数に等しい周波数において減衰率が等しく、前記減算器から出力される誤差信号強度の周波数特性は、前記周波数シフト手段でシフトする周波数に等しい周波数においてゼロであり、その前後で符号が変化する形状を持つものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による波長同調回路を示す構成説明図である。なお、以下の説明において、上記従来技術において説明した構成部材と同一または相当する部材については同一符号を付して説明を省略または簡略化する。
図１において、２０１はレーザ発振器、２０３は周波数シフト手段、２０４，２０５は、周波数シフト手段２０３でシフトする周波数に等しい周波数における減衰率が等しいローパスフィルタとハイパスフィルタ、２０６は各フィルタの透過信号を周波数−電圧変換するための検波回路、２０７は減算器、２０８は合波手段である。
【００２１】
次に動作について説明する。
Ｑスイッチトリガ発振器１１４の出力パルスに同期して出力される励起光源１０８の出力光を励起光入射手段１０９を介してレーザ媒質１０２に入射し、これを励起する。レーザ媒質１０２から出力されたレーザ光はレーザ発振器２０１内で増幅され、外部に出力される。また、インジェクション・シーディング装置１０５から出射されたシーディング光をシーディング光注入手段１１２からレーザ発振器２０１内に注入する。
【００２２】
レーザ発振器２０１から出力されるレーザ光の一部を出力光サンプル手段１１０で取り出す。取り出したレーザ光の一部か、またはシーディング光の一部のどちらか一方を周波数シフト手段２０３（例えば音響光学周波数シフタ等）を通過させることで周波数をｆだけシフトさせ、合波手段２０８で両者を合波する。合波したレーザ光とシーディング光を受光器１１３で受光し、周波数シフトしたレーザ光とシーディング光とのビート周波数を観測する。受光器１１３の出力は、ローパスフィルタ２０４とハイパスフィルタ２０５に分岐された後、それぞれの検波回路２０６に入力され、周波数−電圧変換される。検波回路２０６から出力された両信号は減算器２０７に入力され、両者の差分信号を得る。ここで、ローパスフィルタ２０４とハイパスフィルタ２０５の周波数特性は上記したように周波数ｆにおいて減衰特性が等しいため減算器２０７の出力信号は周波数ｆにおいてゼロであり、その前後で符号が変化する形状を持つ。この信号を誤差信号として用いるとともに、波長制御手段１０７に入力し、その出力信号をレーザ発振器内の共振器長制御素子１０４にフィードバックしてレーザ光の波長を制御することにより、レーザ光とシーディング光の波長を同調することができる。なお、この例では、共振器長制御素子１０４により共振器長を調整することにより波長を可変するものである。また、ローパスフィルタ２０４とハイパスフィルタ２０５の周波数ｆでの減衰特性が等しくない場合には、可変減衰器などを挿入して調整しても良い。
【００２３】
上記において正確な波長同調を行うためには、検波回路において、両レーザ光のビートの位相状態に係わらず、周波数−電圧変換する必要がある。
そこで、検波回路に乗算検波回路を使用した場合について説明する。乗算検波回路内では入力信号を乗算（積算）するために、ローパスフィルタまたはハイパスフィルタから入力された信号の平均された信号を得ることができる。したがって、各フィルタからの信号に含まれる位相情報は消去することができる。
【００２４】
次に、検波回路にピーク検波回路を使用した場合について説明する。ピーク検波回路では、入力信号のプラス側とマイナス側のピーク値を検出し、両者の差分信号を出力することにより位相情報を消去し、周波数情報のみを得ることが可能である。また、市販の乗算検波素子を用いた乗算検波回路の場合、乗算検波素子の制限から、数十ｍＶ程度の出力信号しか得られないが、ピーク検波回路では数Ｖ程度の出力信号が得られるため、両者の雑音レベルが等しいならば、ピーク検波回路を用いた方がＳ／Ｎ比（ＳｉｇｎａｌｔｏＮｏｉｓｅＲａｔｉｏ）が良い特徴を持つ。
【００２５】
このようにローパスフィルタとハイパスフィルタを用いた周波数弁別器に乗算検波回路またはピーク検波回路を組み合わすことにより、入力信号の位相情報は消去され、必要な周波数情報のみを電圧信号で出力することができる。
【００２６】
以上のように、この実施の形態１によれば、レーザ発振器２０１から出力されるレーザ光の波長を確認してシーディング光に同調させることができる。
【００２７】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２による波長同調回路の構成説明図である。この実施の形態では、上記実施の形態１における周波数シフタの構成を示す。
周波数シフタの一例として音響光学周波数シフタを使用した場合について説明する。音響光学周波数シフタ２０３の入射側からレーザ光を入射すると、出射側から０次回折光（周波数シフト無し）、１次回折光（周波数ｆだけシフト）、２次回折光（周波数２ｆだけシフト）、・・・を出射する。この発明においては、音響光学周波数シフタ２０３の０次回折光の出射口または１次回折光の出射口からレーザ出力光の一部とシーディング光の一部をそれぞれ任意の側の出射口から入射し、音響光学周波数シフタ２０３の本来の入射口から両レーザ光を出射させる。つまり、音響光学周波数シフタの通常の出射口を入射口として使用し、通常の入射口を出射口として使用することにより、音響光学周波数シフタをレーザ光の一部とシーディング光の一部を合波する合波手段として兼用する。
【００２８】
以上のように、この実施の形態２によれば、音響光学周波数シフタをレーザ光の一部とシーディング光の一部の合波手段として兼用することにより、波長同調回路を小型化できる。
【００２９】
実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３による波長同調回路を示す構成説明図であり、上記実施の形態１または２においてピークホールド回路を使用した場合を示す。図３において、２０９は検波回路の出力を一定時間保持するピークホールド回路である。
【００３０】
次に動作について説明する。
励起光源１０８からのＱスイッチレーザ光のパルス幅は短いものになると１０ｎｓｅｃ程度になる。したがって、シーディング光とレーザ光のビート周波数が観測できるのは１０ｎｓｅｃ間のみである。しかし、波長制御を行うためにはできる限り長い時間信号が出力されていることが波長安定度のためにも望ましく、その最大時間は、レーザパルスが出力されてから、次のパルスが出力されるまでである。そこで、Ｑスイッチトリガ発振器１１４からの出力信号をピークホールド回路２０９に入力し、ピークホールド開始終了のトリガ信号として使用することにより、レーザパルスが出力されてから次のレーザパルスが出力されるまでの間、検波回路２０６の出力を保持することができる。
【００３１】
以上のように、この実施の形態３によれば、ピークホールド回路２０９を用いることにより、パルス幅の短いレーザ光の場合でも、安定な波長同調ができる。
【００３２】
実施の形態４．
図４はこの発明の実施の形態４による波長同調回路を示す構成説明図であり、ある一定の繰り返しでレーザ光の同調させたい波長が変化する場合の波長制御手段の構成を示し、同調させたい波長の数に等しい波長制御手段１０７を用意する。また、図４において、２１０（ａ）、２１０（ｂ）は複数の波長制御手段１０７の切り替えスイッチである。
【００３３】
次に動作について説明する。
ある一定の繰り返しで、レーザ光の同調させたい波長が変化する場合、同調させたい波長の数に等しい波長制御手段１０７を用意し、切り替えスイッチ２１０（ａ）、２１０（ｂ）の切り替え先の数も同調させたい波長の数に等しくする。例えば、同調させたい波長の数が３波（波長ａ、波長ｂ、波長ｃ）の場合、波長制御手段を３個（波長制御手段１０７（ａ）、波長制御手段１０７（ｂ）、波長制御手段１０７（ｃ））用意し、切り替えスイッチ２１０（ａ）、２１０（ｂ）も３方向切り替え可能なスイッチとする。ある時点で、Ｑスイッチトリガ発振器１１４からトリガパルスが出力された直後にレーザ発振器２０１から波長ａのレーザ光が出力され、次のトリガパルス直後には波長ｂのレーザ光が、また次のトリガパルス直後には波長ｃのレーザ光を出力させ、その後は、これを繰り返すものとする。波長ａのレーザ光が出力された直後では、波長ａの偏差を波長制御手段１０７（ａ）に入力するために切り替えスイッチ２１０（ａ）は波長制御手段１０７（ａ）に接続する。そして、波長ａのレーザ光が出力された次は波長ｂのレーザ光を出力するため、その時点で切り替えスイッチ２１０（ｂ）は先に波長制御手段１０７（ｂ）に接続し、次の波長ｂのレーザ光出力の波長制御の準備に入る。また、波長ｂのレーザ光が出力された直後は切り替えスイッチ２１０（ａ）は波長制御手段１０７（ｂ）に接続し、切り替えスイッチ２１０（ｂ）は次の波長ｃのレーザ光出力の波長に同調するため、波長制御手段１０７（ｃ）に接続する。即ち、切り替えスイッチ２１０（ｂ）は切り替えスイッチ２１０（ａ）よりも先に一つ後の波長制御手段１０７と接続するよう設定する。
【００３４】
以上のように、この実施の形態４によれば、同調させたい波長が複数ある場合、同調させたい波長と同数の波長制御手段と、同調させたい波長と同数の切り替え先を持ったスイッチを用いることにより、ローパスフィルタ２０４、ハイパスフィルタ２０５、検波回路２０６、減算器２０７、ピークホールド回路２０９などから形成される波長確認手段は一式だけで波長同調を行うことが可能であり、波長同調回路を小型化できる。
【００３５】
実施の形態５．
図５はこの発明の実施の形態５による波長同調回路を示す構成説明図であり、ここでは、実施の形態１で示した図１の構成を例示し、波長制御手段１０７と波長制御素子１０４との間に制御信号制限回路２１１を設けた構成を示す。
【００３６】
次に動作について説明する。
波長制御手段１０７から出力される信号が共振器長制御素子１０４のダイナミックレンジを越えた場合、共振器長制御素子１０４では制御不可能となる。その結果、この現象が生じた時点以降の波長安定度は悪くなる。
【００３７】
その場合、波長制御手段１０７の後段に制御信号制限回路２１１を設定し、波長制御手段１０７の出力信号の振幅値が共振器長制御素子１０４の制御可能な振幅値を越えた場合、出力信号をゼロに戻す作用を行う。この作用により、ダイナミックレンジの狭い共振器長制御素子１０４を使用した場合でも、早い繰り返しの制御が可能な波長同調回路を得られる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、レーザ発振器から出力されるレーザ光の波長がシーディング光に同調しているかどうかを確認して、波長制御を行うことが可能な波長同調回路を得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態１による波長同調回路を示す構成説明図である。
【図２】この発明の実施形態２による波長同調回路を示す構成説明図である。
【図３】この発明の実施形態３による波長同調回路を示す構成説明図である。
【図４】この発明の実施形態４による波長同調回路を示す構成説明図である。
【図５】この発明の実施形態５による波長同調回路を示す構成説明図である。
【図６】従来の波長同調回路１を示す構成説明図である。
【図７】従来の波長同調回路１を示す構成説明図である。
【符号の説明】
１００波長選択素子、１０１出力用ミラー、１０２レーザ媒質、
１０３高反射率ミラー、１０４共振器長制御素子、１０５インジェクション・シーディング装置、１０６波長確認手段、１０７波長制御手段、
１０８励起光源、１０９励起光入射手段、１１０出力光サンプル手段、
１１１アイソレータ、１１２シーディング光注入手段、１１３受光器、
１１４Ｑスイッチトリガ発振器、１１５スレーブレーザ、１１６マスターレーザ、１１７位相変調器、１１８ｐｈａｓｅ−ｌｏｃｋｅｄｌｏｏｐ（ＰＬＬ）回路、１１９合波手段、２０１レーザ発振器、２０３周波数シフト手段、２０４ローパスフィルタ、２０５ハイパスフィルタ、２０６検波回路、２０７減算器、２０８合波手段、２０９ピークホールド回路、
２１０切り替えスイッチ、２１１制御信号制限回路。

Claims

レーザ光を出力するレーザ媒質と、前記レーザ媒質を励起する励起光源と、前記励起光源の出力タイミングを決定するトリガ信号を出力するＱスイッチトリガ発振器と、前記励起光源の出射光を前記レーザ媒質に入射する励起光入射手段と、前記レーザ媒質をレーザ共振器内に所有するレーザ発振器と、シーディング光を出射するインジェクション・シーディング装置と、前記シーディング光を前記レーザ発振器内に入射するシーディング光注入手段と、前記レーザ共振器の共振器長を制御する共振器長制御素子と、前記レーザ共振器からレーザ光の一部を取り出す出力光サンプル手段と、一部取り出した前記レーザ光または一部取り出した前記シーディング光のどちらか一方の周波数をシフトする周波数シフト手段と、一部取り出した前記レーザ光と一部取り出した前記シーディング光を前記周波数シフト手段の出力側で合波する合波手段と、前記合波手段の出力光を受光し、ビート周波数を出力する受光器と、前記ビート周波数を周波数弁別するローパスフィルタおよびハイパスフィルタと、前記ローパスフィルタおよびハイパスフィルタそれぞれの出力信号をそれぞれ周波数−電圧変換する２つの検波回路と、前記２つの検波回路の出力信号の差分をとり前記レーザ共振器長を制御するための誤差信号を出力する減算器と、前記誤差信号に基づいて前記共振器長制御素子に波長制御信号を与えることにより当該共振器長制御素子を動作させる波長制御手段とを備え、前記ローパスフィルタおよびハイパスフィルタの減衰率の周波数特性は、前記周波数シフト手段でシフトする周波数に等しい周波数において減衰率が等しく、前記減算器から出力される誤差信号強度の周波数特性は、前記周波数シフト手段でシフトする周波数に等しい周波数においてゼロであり、その前後で符号が変化する形状を持つことを特徴とする波長同調回路。
上記検波回路に乗算検波回路を用いたことを特徴とする請求項１記載の波長同調回路。
上記検波回路にピーク検波回路を用いたことを特徴とする請求項１記載の波長同調回路。
上記２つの検波回路それぞれの後段にピークホールド回路を設置し、上記Ｑスイッチトリガ発振器からの出力信号をピークホールド開始終了のトリガ信号として用いて上記検波回路の出力を保持することにより、パルス幅の短いレーザ光に対する波長制御時間を延長したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の波長同調回路。
上記波長制御手段を、レーザ光の同調させたい波長の数と同数の複数の波長制御手段と、上記複数の波長制御手段への入出力端にそれぞれ設けられ、上記複数の波長制御手段から選択して所定の順序で切り替えて使用するように接続させる上記同調させたい波長の数と同数の切り替え先を有する切り替えスイッチから形成したことを特徴とする請求項４記載の波長同調回路。
上記波長制御手段からの波長制御信号が上記共振器長制御素子のダイナミックレンジを越えた場合に、上記波長制御手段からの出力を制限する制御信号制限回路を上記波長制御手段の後段に挿入設置したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の波長同調回路。