JP4792530B2 - レーザ光パルスの位相制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光パルスの位相の制御に関する。

従来より、２台のレーザの出力する光パルスの位相差を検出し、その検出結果に基づき、２台のレーザのうちのいずれかの出力する光パルスの位相を制御することが知られている（例えば、特許文献１の図１３、特許文献２の図２を参照）。

特開平１０−９６６１０号公報 独国実用新案第２０２００８００９０２１号明細書

本発明は、２台のレーザの出力する光パルスの位相差の検出結果によらないで、レーザの出力する光パルスの位相を制御することを課題とする。

本発明にかかる第一のレーザ光パルスの位相制御装置は、レーザ光パルスを出力するレーザと、所定の周波数の基準電気信号の電圧と、所定の電圧とを比較し、その結果を出力する基準比較器と、前記レーザ光パルスの光強度に基づく電圧および前記所定の周波数を有する測定電気信号の電圧と、位相制御信号の電圧とを比較し、その結果を出力する測定比較器と、前記基準比較器の出力と、前記測定比較器の出力との位相差を検出する位相差検出器と、前記位相差検出器の出力の高周波成分を除去するループフィルタと、を備え、前記位相制御信号の電圧は、前記所定の電圧とは異なり、前記レーザは、前記ループフィルタの出力に応じて、前記レーザ光パルスの位相を変化させるように構成される。

上記のように構成された第一のレーザ光パルスの位相制御装置によれば、レーザは、レーザ光パルスを出力する。基準比較器は、所定の周波数の基準電気信号の電圧と、所定の電圧とを比較し、その結果を出力する。測定比較器は、前記レーザ光パルスの光強度に基づく電圧および前記所定の周波数を有する測定電気信号の電圧と、位相制御信号の電圧とを比較し、その結果を出力する。位相差検出器は、前記基準比較器の出力と、前記測定比較器の出力との位相差を検出する。ループフィルタは、前記位相差検出器の出力の高周波成分を除去する。さらに、前記位相制御信号の電圧は、前記所定の電圧とは異なる。しかも、前記レーザは、前記ループフィルタの出力に応じて、前記レーザ光パルスの位相を変化させる。

なお、本発明にかかる第一のレーザ光パルスの位相制御装置は、前記所定の電圧が、接地電位であるようにしてもよい。

なお、本発明にかかる第一のレーザ光パルスの位相制御装置は、前記レーザの共振器長が、前記ループフィルタの出力に応じて、変化するようにしてもよい。

なお、本発明にかかる第一のレーザ光パルスの位相制御装置は、前記レーザが、ピエゾ素子を有し、前記ピエゾ素子に、前記ループフィルタの出力が与えられ、前記ピエゾ素子の伸縮により、前記レーザの共振器長が変化するようにしてもよい。

なお、本発明にかかる第一のレーザ光パルスの位相制御装置は、前記レーザ光パルスを受ける光電変換部と、前記光電変換部の出力の高周波成分を除去するローパスフィルタと、を備え、前記測定電気信号は、前記ローパスフィルタの出力に基づくようにしてもよい。

なお、本発明にかかる第一のレーザ光パルスの位相制御装置は、前記位相制御信号が、任意波形発生器から出力されるようにしてもよい。

なお、本発明にかかる第一のレーザ光パルスの位相制御装置は、基準レーザ光パルスを出力する基準レーザと、前記基準レーザ光パルスを受ける基準光電変換部と、前記基準光電変換部の出力の高周波成分を除去する基準ローパスフィルタと、をさらに備え、前記基準電気信号は、前記基準ローパスフィルタの出力に基づくようにしてもよい。

本発明にかかる第二のレーザ光パルスの位相制御装置は、レーザ光パルスを出力するレーザと、所定の周波数の基準電気信号の電圧と、所定の電圧とを比較し、その結果を出力する基準比較器と、前記レーザ光パルスの光強度に基づく電圧および前記所定の周波数を有する測定電気信号の電圧と、前記所定の電圧とを比較し、その結果を出力する測定比較器と、前記基準比較器の出力と、前記測定比較器の出力との位相差を検出する位相差検出器と、前記位相差検出器の出力の高周波成分を除去するループフィルタと、を備え、前記測定電気信号の電圧を変化させ、前記レーザは、前記ループフィルタの出力に応じて、前記レーザ光パルスの位相を変化させるように構成される。

上記のように構成された第二のレーザ光パルスの位相制御装置によれば、レーザが、レーザ光パルスを出力する。基準比較器が、所定の周波数の基準電気信号の電圧と、所定の電圧とを比較し、その結果を出力する。測定比較器が、前記レーザ光パルスの光強度に基づく電圧および前記所定の周波数を有する測定電気信号の電圧と、前記所定の電圧とを比較し、その結果を出力する。位相差検出器が、前記基準比較器の出力と、前記測定比較器の出力との位相差を検出する。ループフィルタが、前記位相差検出器の出力の高周波成分を除去する。さらに、前記測定電気信号の電圧を変化させる。しかも、前記レーザは、前記ループフィルタの出力に応じて、前記レーザ光パルスの位相を変化させる。

なお、本発明にかかる第二のレーザ光パルスの位相制御装置は、前記レーザを励起する励起光のパワーを変化させることにより、前記測定電気信号の電圧を変化させるようにしてもよい。

なお、本発明にかかる第二のレーザ光パルスの位相制御装置は、前記レーザ光パルスを減衰させることにより、前記測定電気信号の電圧を変化させ、前記減衰の程度が可変であるようにしてもよい。

なお、本発明にかかる第二のレーザ光パルスの位相制御装置は、前記所定の電圧が、接地電位であるようにしてもよい。

なお、本発明にかかる第二のレーザ光パルスの位相制御装置は、前記レーザの共振器長が、前記ループフィルタの出力に応じて、変化するようにしてもよい。

なお、本発明にかかる第二のレーザ光パルスの位相制御装置は、前記レーザが、ピエゾ素子を有し、前記ピエゾ素子に、前記ループフィルタの出力が与えられ、前記ピエゾ素子の伸縮により、前記レーザの共振器長が変化するようにしてもよい。

なお、本発明にかかる第二のレーザ光パルスの位相制御装置は、前記レーザ光パルスを受ける光電変換部と、前記光電変換部の出力の高周波成分を除去するローパスフィルタと、を備え、前記測定電気信号は、前記ローパスフィルタの出力に基づくようにしてもよい。

なお、本発明にかかる第二のレーザ光パルスの位相制御装置は、前記測定電気信号の電圧が、位相制御信号に基づき変化し、前記位相制御信号は、任意波形発生器から出力されるようにしてもよい。

本発明にかかる第三のレーザ光パルスの位相制御装置は、レーザ光パルスを出力するレーザと、所定の周波数の基準電気信号の電圧と、位相制御信号の電圧とを比較し、その結果を出力する基準比較器と、前記レーザ光パルスの光強度に基づく電圧および前記所定の周波数を有する測定電気信号の電圧と、所定の電圧とを比較し、その結果を出力する測定比較器と、前記基準比較器の出力と、前記測定比較器の出力との位相差を検出する位相差検出器と、前記位相差検出器の出力の高周波成分を除去するループフィルタと、を備え、前記位相制御信号の電圧は、前記所定の電圧とは異なり、前記レーザは、前記ループフィルタの出力に応じて、前記レーザ光パルスの位相を変化させるように構成される。

上記のように構成された第三のレーザ光パルスの位相制御装置によれば、レーザが、レーザ光パルスを出力する。基準比較器が、所定の周波数の基準電気信号の電圧と、位相制御信号の電圧とを比較し、その結果を出力する。測定比較器が、前記レーザ光パルスの光強度に基づく電圧および前記所定の周波数を有する測定電気信号の電圧と、所定の電圧とを比較し、その結果を出力する。位相差検出器が、前記基準比較器の出力と、前記測定比較器の出力との位相差を検出する。ループフィルタが、前記位相差検出器の出力の高周波成分を除去する。さらに、前記位相制御信号の電圧は、前記所定の電圧とは異なる。しかも、前記レーザは、前記ループフィルタの出力に応じて、前記レーザ光パルスの位相を変化させる。

なお、本発明にかかる第三のレーザ光パルスの位相制御装置は、前記所定の電圧は、接地電位であるようにしてもよい。

なお、本発明にかかる第三のレーザ光パルスの位相制御装置は、前記レーザの共振器長が、前記ループフィルタの出力に応じて、変化するようにしてもよい。

なお、本発明にかかる第三のレーザ光パルスの位相制御装置は、前記レーザが、ピエゾ素子を有し、前記ピエゾ素子に、前記ループフィルタの出力が与えられ、前記ピエゾ素子の伸縮により、前記レーザの共振器長が変化するようにしてもよい。

なお、本発明にかかる第三のレーザ光パルスの位相制御装置は、前記レーザ光パルスを受ける光電変換部と、前記光電変換部の出力の高周波成分を除去するローパスフィルタと、を備え、前記測定電気信号は、前記ローパスフィルタの出力に基づくようにしてもよい。

なお、本発明にかかる第三のレーザ光パルスの位相制御装置は、前記位相制御信号が、任意波形発生器から出力されるようにしてもよい。

本発明の第一の実施形態にかかるレーザ光パルスの位相制御装置１の構成を示す機能ブロック図である。 第一の実施形態にかかる基準比較器２２の出力電圧の波形（図２（ａ））、測定比較器１５の出力電圧の波形（位相変動前）（図２（ｂ））、アンプ１８の出力電圧の波形（位相変動後）（図２（ｃ））を示す図である。 第一の実施形態の変形例にかかるレーザ光パルスの位相制御装置１の構成を示す機能ブロック図である。 本発明の第二の実施形態にかかるレーザ光パルスの位相制御装置１の構成を示す機能ブロック図である。 第二の実施形態にかかる基準比較器２２の出力電圧の波形（図５（ａ））、測定比較器１５の出力電圧の波形（位相変動前）（図５（ｂ））、アンプ１８の出力電圧の波形（位相変動後）（図５（ｃ））を示す図である。 第二の実施形態の変形例にかかるレーザ光パルスの位相制御装置１の構成を示す機能ブロック図である。 本発明の第三の実施形態にかかるレーザ光パルスの位相制御装置１の構成を示す機能ブロック図である。 第三の実施形態にかかる基準比較器２２の出力電圧の波形（図８（ａ））、測定比較器１５の出力電圧の波形（位相変動前）（図８（ｂ））、アンプ１８の出力電圧の波形（位相変動後）（図８（ｃ））を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。

第一の実施形態
図１は、本発明の第一の実施形態にかかるレーザ光パルスの位相制御装置１の構成を示す機能ブロック図である。図２は、第一の実施形態にかかる基準比較器２２の出力電圧の波形（図２（ａ））、測定比較器１５の出力電圧の波形（位相変動前）（図２（ｂ））、アンプ１８の出力電圧の波形（位相変動後）（図２（ｃ））を示す図である。

第一の実施形態にかかるレーザ光パルスの位相制御装置１は、レーザ１２、第一位相制御信号源１３、光カプラ１４、測定比較器１５、フォトダイオード（光電変換部）１６、ローパスフィルタ１７、アンプ１８、基準電気信号源２１、基準比較器２２、位相比較器（位相差検出器）３２、ループフィルタ３４、ピエゾドライバ３６を備える。

レーザ１２は、レーザ光パルスを出力する。なお、レーザ光パルスの繰り返し周波数は、基準電気信号源２１の出力する基準電気信号の周波数（例えば、50MHz）にほぼ等しい。

レーザ１２は、ピエゾ素子１２ｐを有する。ピエゾ素子１２ｐは、ループフィルタ３４の出力の電圧が、ピエゾドライバ３６により増幅されて印加されることにより、Ｘ方向（図１における横方向）に伸縮する。ピエゾ素子１２のＸ方向の伸縮によって、レーザ１２のレーザ共振器長が変化する。レーザ共振器長の変化により、レーザ光パルスの繰り返し周波数が変化し、レーザ光パルスの位相が変化する。

光カプラ１４は、レーザ１２の出力するレーザ光パルスを受け、例えば、パワー比にして、１：９の割合で、フォトダイオード１６と外部に出力する。例えば、フォトダイオード１６に与えられるレーザ光パルスの光パワーが、レーザ１２の出力するレーザ光パルスの光パワーの１０％ということになる。

フォトダイオード（光電変換部）１６は、光カプラ１４からレーザ光パルスを受け、電気信号に変換する。レーザ光パルスの繰り返し周波数は50MHz程度である。しかも、ピエゾ素子１２ｐの伸縮による繰り返し周波数の変動は微小であるため、レーザ光パルスの繰り返し周波数は50MHzとみなすことができる。よって、この電気信号は、周波数50MHzの成分（基準電気信号の周波数の成分）と、高周波成分（周波数が50MHzよりもはるかに高い）とを有することになる。

ローパスフィルタ１７は、フォトダイオード１６の出力の高周波成分を除去する。ローパスフィルタ１７のカットオフ周波数は、例えば70MHzである。よって、ローパスフィルタ１７が、フォトダイオード１６の出力を受けると、高周波成分が除去され、周波数50MHzの成分（基準電気信号の周波数の成分）が通過することになる。なお、「除去」といった場合、必ずしも完全な除去のみを意味するわけではなく、わずかに高周波成分が残ってしまっても「除去」に該当する。これ以降の「除去」も同じ意味である。

アンプ１８は、ローパスフィルタ１７の出力を増幅する。アンプ１８の出力を、測定電気信号という。測定電気信号を得ることが、レーザ光パルスの光強度を測定することに相当する。

測定電気信号は、フォトダイオード１６の出力を、アンプ１８で増幅したものなので、レーザ光パルスの光強度に基づく電圧を有する。しかも、測定電気信号は、ローパスフィルタ１７を通過したものなので、所定の周波数（基準電気信号の周波数）を有する。

なお、ローパスフィルタ１７とアンプ１８とを入れ替え、フォトダイオード１６の出力を、アンプ１８を介して、ローパスフィルタ１７に与えるようなことも考えられる。この場合は、測定電気信号は、ローパスフィルタ１７の出力である。いずれにせよ、測定電気信号が、ローパスフィルタ１７の出力に基づくものであることには、変わりは無い。

基準電気信号源２１は、所定の周波数（例えば、50MHz）の基準電気信号を出力する。

基準比較器２２は、基準電気信号の電圧と、所定の電圧とを比較し、その結果を出力する。なお、所定の電圧は、例えば、接地電位である。図１を参照して、基準比較器２２の二個の入力端は、一方が基準電気信号源２１の出力に接続され、他方が接地されている。基準比較器２２の二個の入力端に入力される電圧の大小関係に応じて、基準比較器２２が出力する信号が定められる。

例えば、図２（ａ）を参照して、基準電気信号源２１の出力の電圧＞接地電位（＝０[V]）であれば、基準比較器２２が出力する信号の電圧が所定の正の値である。基準電気信号源２１の出力の電圧≦接地電位（＝０[V]）であれば、基準比較器２２が出力する信号の電圧が０[V]である。

第一位相制御信号源１３は、位相制御信号を出力する。位相制御信号の電圧は、所定の電圧（接地電位）とは異なる。例えば、図２（ｂ）の時間ｔ１+Δｔの近傍を参照して、位相制御信号の電圧ΔＶは、接地電位０[V]とは異なる。なお、第一位相制御信号源１３は、例えば、任意波形発生器である。例えば、任意波形発生器により位相制御信号を生成することで、位相制御信号を、時間ｔ１+Δｔにおいて電圧ΔＶ、時間ｔ１+２Δｔにおいて電圧２ΔＶ、…といったようにすることができる。また、図２（ｂ）において、ΔＶ＞０であるが、ΔＶ＜０とすることも可能である。この場合、Δｔ＜０となる。

測定比較器１５は、測定電気信号の電圧と、位相制御信号の電圧とを比較し、その結果を出力する。すなわち、測定比較器１５は、アンプ１８の出力と、第一位相制御信号源１３の出力とを受け、両者を比較し、その結果を出力する。

例えば、図２（ｂ）の時間ｔ１+Δｔの近傍を参照して、アンプ１８の出力の電圧＞第一位相制御信号源１３の出力の電圧ΔＶ、であれば、測定比較器１５が出力する信号の電圧が所定の正の値である。アンプ１８の出力の電圧≦第一位相制御信号源１３の出力の電圧ΔＶであれば、測定比較器１５が出力する信号の電圧が０[V]である。

位相比較器（位相差検出器）３２は、基準比較器２２の出力と、測定比較器１５の出力との位相差を検出して出力する。

ループフィルタ３４は、位相比較器３２の出力の高周波成分を除去する。

ピエゾドライバ３６は、例えば、パワーアンプであり、ループフィルタ３４の出力を増幅する。ピエゾドライバ３６の出力は、ピエゾ素子１２ｐに与えられる。これにより、ピエゾ素子１２ｐがＸ方向に伸縮する。ただし、位相比較器３２の検出する位相差が一定値（例えば、０度、９０度または−９０度）になるように、ピエゾ素子１２ｐを伸縮させるものとする。これにより、レーザ光パルスの繰り返し周波数を、正確に、基準電気信号の周波数（例えば、50MHz）に合わせることができる。

次に、第一の実施形態の動作を説明する。

図２（ａ）を参照して、基準電気信号源２１からは、所定の周波数（例えば、50MHz）の基準電気信号が出力されている。また、基準比較器２２からは、基準電気信号の電圧と、接地電位（＝０[V]）との比較結果が出力される。よって、繰り返し周波数が50MHzのパルスが、基準比較器２２から出力されている。ここで、基準比較器２２から出力される、あるパルスの立ち上がり時間をｔ１とする。

ここで、時間ｔ１＋Δｔよりも前の時間において、測定比較器１５の一方の入力端が、第一位相制御信号源１３の出力に接続されているのではなく、接地されているものとする（図１の測定比較器１５に向かう点線の矢印を参照）。ただし、測定比較器１５の他方の入力端は、アンプ１８に接続されているものとする。

この場合、レーザ光パルスの位相制御装置１の動作は、通常のＰＬＬ回路と同様なものとなる。すなわち、レーザ光パルスの繰り返し周波数が50MHzになる（図２（ｂ）のアンプ１８の出力を参照）。

より詳細に説明すると、図１を参照して、レーザ１２の出力するレーザ光パルスは光カプラ１４によりその一部がフォトダイオード１６に導かれ、光電変換され、さらにローパスフィルタ１７を通過することにより高周波成分が除去される。さらに、ローパスフィルタ１７の出力はアンプ１８により増幅され、測定比較器１５により、位相制御信号の電圧＝接地電位（＝０[V]）と比較される。

位相比較器３２は、測定比較器１５の出力の位相と、基準比較器２２の出力の位相とを比較し、両者の位相差を検出して出力する。位相比較器３２の出力は、ループフィルタ３４により高周波成分が除去され、ピエゾドライバ３６により増幅されて、ピエゾ素子１２ｐに与えられる。位相比較器３２の検出する位相差が一定値（例えば、０度、９０度または−９０度）になるように、ピエゾ素子１２ｐが伸縮する。これにより、レーザ光パルスの繰り返し周波数を、正確に、基準電気信号の周波数50MHzに合わせることができる。

図２（ｂ）においては、位相比較器３２の検出する位相差が０度になるように制御されている例を図示している。なお、アンプ１８の出力の最後の１／４周期が点線になっているのは、その点線に対応する時間になれば、アンプ１８の出力波形が実際には点線の位置から移動してしまうことを示すものである。図２（ｂ）においては、時間ｔ１＋Δｔから、およそ１／４周期（周波数50MHz）程度で、アンプ１８の出力波形が移動することを想定している。ただし、１／４周期程度で、アンプ１８の出力波形が移動するということは単なる一例であり、それよりも短い時間または長い時間かけて、アンプ１８の出力波形が移動することもある。

さらに、図２（ｂ）を参照して、時間ｔ１＋Δｔの近傍において、測定比較器１５の一方の入力端を接地することを止め、測定比較器１５の一方の入力端に第一位相制御信号源１３の出力する位相制御信号（電圧ΔＶ（＞０[V]））を与えたとする。すると、測定比較器１５の出力するパルスの立ち上がり時間が、ｔ１＋Δｔとなる。これにより、基準比較器２２から出力されるパルスの立ち上がり時間ｔ１と、測定比較器１５の出力するパルスの立ち上がり時間ｔ１＋Δｔとの間に差異が生じる。

この場合も、位相比較器３２の検出する位相差が０度になるように制御される。すなわち、測定比較器１５の出力するパルスが左側にΔｔだけ移動するように、アンプ１８の出力波形が左側にΔｔだけ移動するように制御される。

図２（ｃ）には、アンプ１８の出力波形が左側にΔｔだけ移動したときの、アンプ１８の出力波形が図示されている。アンプ１８の出力の最初の１／４周期が点線になっているのは、その点線に対応する時間では、アンプ１８の出力波形が移動しきっていないことを示すものである。すなわち、アンプ１８の出力の最初の１／４周期の点線は、アンプ１８の出力波形が左側にΔｔだけ移動しきったときの波形を時間ｔ１−Δｔまで延長した仮想的なものである。

図２（ｂ）および図２（ｃ）を参照して、Ｔ／４程度の時間で、アンプ１８の出力波形の位相が、Δｔ／Ｔだけ移動することがわかる（ただし、Ｔは、アンプ１８の出力波形の周期）。よって、レーザ光パルスの位相もまた、Ｔ／４程度の時間で、Δｔ／Ｔだけ移動することがわかる。

第一の実施形態によれば、２台のレーザの出力する光パルスの位相差の検出結果によらないで、レーザ１２の出力するレーザ光パルスの位相を制御することができる。

なお、第一の実施形態においては、基準電気信号源２１が、基準電気信号を出力するものとして説明してきた。しかし、他にも、基準電気信号を出力するための構成があるので、第一の実施形態の変形例として説明する。

図３は、第一の実施形態の変形例にかかるレーザ光パルスの位相制御装置１の構成を示す機能ブロック図である。

第一の実施形態の変形例にかかるレーザ光パルスの位相制御装置１は、レーザ１２、第一位相制御信号源１３、光カプラ１４、測定比較器１５、フォトダイオード（光電変換部）１６、ローパスフィルタ１７、アンプ１８、基準比較器２２、基準レーザ２３、光カプラ２４、フォトダイオード（基準光電変換部）２６、基準ローパスフィルタ２７、アンプ２８、位相比較器（位相差検出器）３２、ループフィルタ３４、ピエゾドライバ３６を備える。

第一の実施形態の変形例にかかるレーザ光パルスの位相制御装置１は、第一の実施形態にかかる基準電気信号源２１（図１参照）のかわりに、基準レーザ２３、光カプラ２４、フォトダイオード（基準光電変換部）２６、基準ローパスフィルタ２７、アンプ２８を備えたものである。他の部分は、第一の実施形態と同様であり説明を省略する。

基準レーザ２３は、基準レーザ光パルスを出力する。なお、基準レーザ光パルスの繰り返し周波数は、基準電気信号の周波数（例えば、50MHz）に等しい。

光カプラ２４は、基準レーザ２３の出力する基準レーザ光パルスを受け、例えば、パワー比にして、１：９の割合で、フォトダイオード２６と外部に出力する。例えば、フォトダイオード２６に与えられる基準レーザ光パルスの光パワーが、基準レーザ２３の出力する基準レーザ光パルスの光パワーの１０％ということになる。

フォトダイオード（基準光電変換部）２６は、光カプラ２４から基準レーザ光パルスを受け、電気信号に変換する。この電気信号は、周波数50MHzの成分（基準電気信号の周波数の成分）と、高周波成分（周波数が50MHzよりもはるかに高い）とを有する。

基準ローパスフィルタ２７は、フォトダイオード２６の出力の高周波成分を除去する。基準ローパスフィルタ２７のカットオフ周波数は、例えば70MHzである。よって、基準ローパスフィルタ２７が、フォトダイオード２６の出力を受けると、高周波成分が除去され、周波数50MHzの成分が通過することになる。

アンプ２８は、基準ローパスフィルタ２７の出力を増幅する。アンプ２８の出力が、基準電気信号となる。

なお、基準ローパスフィルタ２７とアンプ２８とを入れ替え、フォトダイオード２６の出力を、アンプ２８を介して、基準ローパスフィルタ２７に与えるようなことも考えられる。この場合は、基準電気信号は、基準ローパスフィルタ２７の出力である。いずれにせよ、基準電気信号が、基準ローパスフィルタ２７の出力に基づくものであることには、変わりは無い。

第二の実施形態
第二の実施形態にかかるレーザ光パルスの位相制御装置１は、フォトダイオード（光電変換部）１６に与えられるレーザ光パルスの光強度を変えて、レーザ１２の出力するレーザ光パルスの位相を制御する点が、第一の実施形態にかかるレーザ光パルスの位相制御装置１と異なる。

図４は、本発明の第二の実施形態にかかるレーザ光パルスの位相制御装置１の構成を示す機能ブロック図である。図５は、第二の実施形態にかかる基準比較器２２の出力電圧の波形（図５（ａ））、測定比較器１５の出力電圧の波形（位相変動前）（図５（ｂ））、アンプ１８の出力電圧の波形（位相変動後）（図５（ｃ））を示す図である。

第二の実施形態にかかるレーザ光パルスの位相制御装置１は、レーザ１２、第二位相制御信号源１３２、光カプラ１４、測定比較器１５、フォトダイオード（光電変換部）１６、ローパスフィルタ１７、アンプ１８、励起用ＬＤドライバ１９、基準電気信号源２１、基準比較器２２、位相比較器（位相差検出器）３２、ループフィルタ３４、ピエゾドライバ３６を備える。以下、第一の実施形態と同様な部分は、同一の番号を付して説明を省略する。

ピエゾ素子１２ｐ、光カプラ１４、フォトダイオード（光電変換部）１６、ローパスフィルタ１７、アンプ１８、基準電気信号源２１、基準比較器２２、位相比較器（位相差検出器）３２、ループフィルタ３４、ピエゾドライバ３６は、第一の実施形態と同様であり、説明を省略する。

レーザ１２は、図示省略した励起用ＬＤ(Laser Diode)を有する。励起用ＬＤはレーザ１２を励起する励起光を出力するレーザダイオードである。なお、それ以外は、レーザ１２は、第一の実施形態と同様であり、説明を省略する。

第二位相制御信号源１３２は、位相制御信号を出力し、励起用ＬＤドライバ１９に与える。なお、第二位相制御信号源１３２は、例えば、任意波形発生器である。励起用ＬＤドライバ１９は、位相制御信号に基づき、励起用ＬＤの出力する励起光のパワーを変化させる。励起光のパワーの変化により、レーザ光パルスの光パワーも変化し、測定電気信号の電圧も変化する。

測定比較器１５の二個の入力端は、一方がアンプ１８の出力（測定電気信号）に接続され、他方が接地される。測定比較器１５は、測定電気信号の電圧と、接地電位（＝０[V]）とを比較し、その結果を出力する。

例えば、図５（ｂ）の時間ｔ１+Δｔの近傍を参照して、アンプ１８の出力の電圧＞接地電位（＝０[V]）、であれば、測定比較器１５が出力する信号の電圧が所定の正の値である。アンプ１８の出力の電圧≦接地電位（＝０[V]）、であれば、測定比較器１５が出力する信号の電圧が０[V]である。

次に、第二の実施形態の動作を説明する。

図５（ａ）を参照して、基準電気信号源２１からは、所定の周波数（例えば、50MHz）の基準電気信号が出力されている。また、基準比較器２２からは、基準電気信号の電圧と、接地電位（＝０[V]）との比較結果が出力される。よって、繰り返し周波数が50MHzのパルスが、基準比較器２２から出力されている。ここで、基準比較器２２から出力される、あるパルスの立ち上がり時間をｔ１とする。

ここで、時間ｔ１よりも前の時間において、アンプ１８の出力（測定電気信号）の平均の電圧を０[V]にしておく。この場合、レーザ光パルスの位相制御装置１の動作は、通常のＰＬＬ回路と同様なものとなる。すなわち、レーザ光パルスの繰り返し周波数が50MHzになる（図５（ｂ）のアンプ１８の出力を参照）。通常のＰＬＬ回路の動作は、第一の実施形態でも説明したとおりであり、説明を省略する。

さらに、時間ｔ１（図５（ｂ）を参照）において、第二位相制御信号源１３２が位相制御信号を出力し、励起用ＬＤドライバ１９に与える。励起用ＬＤドライバ１９は、位相制御信号に基づき、励起用ＬＤの出力する励起光のパワーを変化させる。励起光のパワーの変化により、レーザ光パルスの光パワーも変化し、アンプ１８の出力（測定電気信号）の電圧も変化する。

なお、図５（ｂ）において、アンプ１８の出力の最後の１／４周期が点線になっているのは、その点線に対応する時間になれば、アンプ１８の出力波形が実際には点線の位置から移動してしまうことを示すものである（第一の実施形態と同様）。

ここで、図５（ｂ）を参照して、アンプ１８の出力（測定電気信号）の平均の電圧を−ΔＶ[V]にするように、励起光のパワーを変化させたものとする。ただし、ΔＶの値は、第一の実施形態と同じものとする。すると、測定比較器１５の出力するパルスの立ち上がり時間が、ｔ１＋Δｔとなる。ただし、Δｔの値は、第一の実施形態と同じものとする。これにより、基準比較器２２から出力されるパルスの立ち上がり時間ｔ１と、測定比較器１５の出力するパルスの立ち上がり時間ｔ１＋Δｔとの間に差異が生じる。

この場合も、位相比較器３２の検出する位相差が０度になるように制御される。すなわち、測定比較器１５の出力するパルスが左側にΔｔだけ移動するように、アンプ１８の出力波形が左側にΔｔだけ移動するように制御される。

図５（ｃ）には、アンプ１８の出力波形が左側にΔｔだけ移動したときの、アンプ１８の出力波形が図示されている。アンプ１８の出力の最初の１／４周期が点線になっているのは、その点線に対応する時間では、アンプ１８の出力波形が移動しきっていないことを示すものである。すなわち、アンプ１８の出力の最初の１／４周期の点線は、アンプ１８の出力波形が左側にΔｔだけ移動しきったときの波形を時間ｔ１−Δｔまで延長した仮想的なものである。

図５（ｂ）および図５（ｃ）を参照して、Ｔ／４程度の時間で、アンプ１８の出力波形の位相が、Δｔ／Ｔだけ移動することがわかる（ただし、Ｔは、アンプ１８の出力波形の周期）。よって、レーザ光パルスの位相もまた、Ｔ／４程度の時間で、Δｔ／Ｔだけ移動することがわかる。

第二の実施形態によれば、２台のレーザの出力する光パルスの位相差の検出結果によらないで、レーザ１２の出力するレーザ光パルスの位相を制御することができる。

なお、第二の実施形態においては、励起光のパワーを変化させることにより、アンプ１８の出力（測定電気信号）の平均電圧を変化させるものとして説明してきた。しかし、レーザ光パルスを減衰させて、フォトダイオード（光電変換部）１６に与えても、アンプ１８の出力（測定電気信号）の平均電圧を変化させることができるので、第二の実施形態の変形例として説明する。

図６は、第二の実施形態の変形例にかかるレーザ光パルスの位相制御装置１の構成を示す機能ブロック図である。

第二の実施形態の変形例にかかるレーザ光パルスの位相制御装置１は、可変光減衰器１１、レーザ１２、第三位相制御信号源１３４、光カプラ１４、測定比較器１５、フォトダイオード（光電変換部）１６、ローパスフィルタ１７、アンプ１８、基準電気信号源２１、基準比較器２２、位相比較器（位相差検出器）３２、ループフィルタ３４、ピエゾドライバ３６を備える。

第二の実施形態の変形例にかかるレーザ光パルスの位相制御装置１は、第二位相制御信号源１３２および励起用ＬＤドライバ１９にかえて、第三位相制御信号源１３４および可変光減衰器１１を備えたものである。他の部分は、第二の実施形態と同様であり説明を省略する。

第三位相制御信号源１３４は、位相制御信号を出力し、可変光減衰器１１に与える。なお、第三位相制御信号源１３４は、例えば、任意波形発生器である。可変光減衰器１１は、光カプラ１４からレーザ光パルスを受け、位相制御信号に基づき、レーザ光パルスの光強度を減衰させる程度を変えて（減衰させる程度は可変）、フォトダイオード１６に与える。これにより、測定電気信号の電圧も変化する。

第三の実施形態
第三の実施形態にかかるレーザ光パルスの位相制御装置１は、第一の実施形態にかかるレーザ光パルスの位相制御装置１における測定比較器１５の入力の一方および基準比較器２２の入力の一方を変更したものである。

図７は、本発明の第三の実施形態にかかるレーザ光パルスの位相制御装置１の構成を示す機能ブロック図である。図８は、第三の実施形態にかかる基準比較器２２の出力電圧の波形（図８（ａ））、測定比較器１５の出力電圧の波形（位相変動前）（図８（ｂ））、アンプ１８の出力電圧の波形（位相変動後）（図８（ｃ））を示す図である。

第三の実施形態にかかるレーザ光パルスの位相制御装置１は、レーザ１２、第四位相制御信号源１３６、光カプラ１４、測定比較器１５、フォトダイオード（光電変換部）１６、ローパスフィルタ１７、アンプ１８、基準電気信号源２１、基準比較器２２、位相比較器（位相差検出器）３２、ループフィルタ３４、ピエゾドライバ３６を備える。以下、第一の実施形態と同様な部分は、同一の番号を付して説明を省略する。

レーザ１２、ピエゾ素子１２ｐ、光カプラ１４、フォトダイオード（光電変換部）１６、ローパスフィルタ１７、アンプ１８、基準電気信号源２１、位相比較器（位相差検出器）３２、ループフィルタ３４、ピエゾドライバ３６は、第一の実施形態と同様であり、説明を省略する。

第四位相制御信号源１３６は、位相制御信号を出力する。位相制御信号の電圧は、所定の電圧（接地電位）とは異なる。例えば、図８（ａ）の時間ｔ１+Δｔの近傍を参照して、位相制御信号の電圧ΔＶは、接地電位０[V]とは異なる。なお、第四位相制御信号源１３６は、例えば、任意波形発生器である。例えば、任意波形発生器により位相制御信号を生成することで、位相制御信号を、時間ｔ１+Δｔにおいて電圧ΔＶ、時間ｔ１+２Δｔにおいて電圧２ΔＶ、…といったようにすることができる。また、図８（ａ）において、ΔＶ＞０であるが、ΔＶ＜０とすることも可能である。この場合、Δｔ＜０となる。

基準比較器２２は、基準電気信号の電圧と、位相制御信号の電圧とを比較し、その結果を出力する。図７を参照して、基準比較器２２の二個の入力端は、一方が基準電気信号源２１の出力に接続され、他方が第四位相制御信号源１３６の出力に接続されている。基準比較器２２の二個の入力端に入力される電圧の大小関係に応じて、基準比較器２２が出力する信号が定められる。

例えば、図８（ａ）の時間ｔ１+Δｔの近傍を参照して、基準電気信号源２１の出力の電圧＞第四位相制御信号源１３６の出力の電圧ΔＶ、であれば、基準比較器２２が出力する信号の電圧が所定の正の値である。基準電気信号源２１の出力の電圧≦第四位相制御信号源１３６の出力の電圧ΔＶであれば、基準比較器２２が出力する信号の電圧が０[V]である。

測定比較器１５は、測定電気信号の電圧と、所定の電圧とを比較し、その結果を出力する。なお、所定の電圧は、例えば、接地電位である。すなわち、測定比較器１５は、アンプ１８の出力電圧と、接地電位０[V]とを比較し、その結果を出力する。

例えば、図８（ｂ）を参照して、アンプ１８の出力の電圧＞接地電位０[V]、であれば、測定比較器１５が出力する信号の電圧が所定の正の値である。アンプ１８の出力の電圧≦接地電位０[V]、であれば、測定比較器１５が出力する信号の電圧が０[V]である。

次に、第三の実施形態の動作を説明する。

図８（ａ）を参照して、基準電気信号源２１からは、所定の周波数（例えば、50MHz）の基準電気信号が出力されている。ここで、時間ｔ１＋Δｔよりも前の時間において、基準比較器２２の一方の入力端が、第四位相制御信号源１３６の出力に接続されているのではなく、接地されているものとする（図７の基準比較器２２に向かう点線の矢印を参照）。ただし、基準比較器２２の他方の入力端は、基準電気信号源２１に接続されているものとする。

この場合、レーザ光パルスの位相制御装置１の動作は、通常のＰＬＬ回路と同様なものとなる。すなわち、レーザ光パルスの繰り返し周波数が50MHzになる（図８（ｂ）のアンプ１８の出力を参照）。通常のＰＬＬ回路の動作は、第一の実施形態でも説明したとおりであり、説明を省略する。

なお、アンプ１８の出力の周波数が50MHzとなる。また、図８（ｂ）を参照して、測定比較器１５からは、アンプ１８の出力の電圧と、接地電位（＝０[V]）との比較結果が出力される。よって、繰り返し周波数が50MHzのパルスが、測定比較器１５から出力されている。ここで、測定比較器１５から出力される、あるパルスの立ち上がり時間をｔ１とする。

さらに、図８（ａ）を参照して、時間ｔ１＋Δｔの近傍において、基準比較器２２の一方の入力端を接地することを止め、第四位相制御信号源１３６の出力する位相制御信号（電圧ΔＶ（＞０[V]））を与えたとする。すると、基準比較器２２の出力するパルスの立ち上がり時間が、ｔ１＋Δｔとなる。これにより、測定比較器１５から出力されるパルスの立ち上がり時間ｔ１と、基準比較器２２の出力するパルスの立ち上がり時間ｔ１＋Δｔとの間に差異が生じる。

この場合も、位相比較器３２の検出する位相差が０度になるように制御される。すなわち、測定比較器１５の出力するパルスが右側にΔｔだけ移動するように、アンプ１８の出力波形が右側にΔｔだけ移動するように制御される。

図８（ｃ）には、アンプ１８の出力波形が右側にΔｔだけ移動したときの、アンプ１８の出力波形が図示されている。アンプ１８の出力の最初の１／４周期が点線になっているのは、その点線に対応する時間では、アンプ１８の出力波形が移動しきっていないことを示すものである。すなわち、アンプ１８の出力の最初の１／４周期の点線は、アンプ１８の出力波形が右側にΔｔだけ移動しきったときの波形を時間ｔ１＋Δｔまで延長した仮想的なものである。

図８（ｂ）および図８（ｃ）を参照して、Ｔ／４程度の時間で、アンプ１８の出力波形の位相が、Δｔ／Ｔだけ移動することがわかる（ただし、Ｔは、アンプ１８の出力波形の周期）。よって、レーザ光パルスの位相もまた、Ｔ／４程度の時間で、Δｔ／Ｔだけ移動することがわかる。

第三の実施形態によれば、２台のレーザの出力する光パルスの位相差の検出結果によらないで、レーザ１２の出力するレーザ光パルスの位相を制御することができる。

Ｔ アンプ１８の出力波形の周期
ΔＶ 位相制御信号の電圧
１１ 可変光減衰器
１２ レーザ
１３ 第一位相制御信号源
１３２ 第二位相制御信号源
１３４ 第三位相制御信号源
１３６ 第四位相制御信号源
１４ 光カプラ
１５ 測定比較器
１６ フォトダイオード（光電変換部）
１７ ローパスフィルタ
１８ アンプ
１９ 励起用ＬＤドライバ
２１ 基準電気信号源
２２ 基準比較器
２３ 基準レーザ
２４ 光カプラ
２６ フォトダイオード（基準光電変換部）
２７ 基準ローパスフィルタ
２８ アンプ
３２ 位相比較器（位相差検出器）
３４ ループフィルタ
３６ ピエゾドライバ

Claims (21)

1. レーザ光パルスを出力するレーザと、
   所定の周波数の基準電気信号の電圧と、所定の電圧とを比較し、その結果を出力する基準比較器と、
   前記レーザ光パルスの光強度に基づく電圧および前記所定の周波数を有する測定電気信号の電圧と、位相制御信号の電圧とを比較し、その結果を出力する測定比較器と、
   前記基準比較器の出力と、前記測定比較器の出力との位相差を検出する位相差検出器と、
   前記位相差検出器の出力の高周波成分を除去するループフィルタと、
   を備え、
   前記位相制御信号の電圧は、前記所定の電圧とは異なり、
   前記レーザは、前記ループフィルタの出力に応じて、前記レーザ光パルスの位相を変化させる、
   レーザ光パルスの位相制御装置。
2. 請求項１に記載のレーザ光パルスの位相制御装置であって、
   前記所定の電圧は、接地電位である、
   レーザ光パルスの位相制御装置。
3. 請求項１に記載のレーザ光パルスの位相制御装置であって、
   前記レーザの共振器長が、前記ループフィルタの出力に応じて、変化する、
   レーザ光パルスの位相制御装置。
4. 請求項３に記載のレーザ光パルスの位相制御装置であって、
   前記レーザは、ピエゾ素子を有し、
   前記ピエゾ素子に、前記ループフィルタの出力が与えられ、
   前記ピエゾ素子の伸縮により、前記レーザの共振器長が変化する、
   レーザ光パルスの位相制御装置。
5. 請求項１に記載のレーザ光パルスの位相制御装置であって、
   前記レーザ光パルスを受ける光電変換部と、
   前記光電変換部の出力の高周波成分を除去するローパスフィルタと、
   を備え、
   前記測定電気信号は、前記ローパスフィルタの出力に基づく、
   レーザ光パルスの位相制御装置。
6. 請求項１に記載のレーザ光パルスの位相制御装置であって、
   前記位相制御信号は、任意波形発生器から出力される、
   レーザ光パルスの位相制御装置。
7. 請求項１に記載のレーザ光パルスの位相制御装置であって、
   基準レーザ光パルスを出力する基準レーザと、
   前記基準レーザ光パルスを受ける基準光電変換部と、
   前記基準光電変換部の出力の高周波成分を除去する基準ローパスフィルタと、
   をさらに備え、
   前記基準電気信号は、前記基準ローパスフィルタの出力に基づく、
   レーザ光パルスの位相制御装置。
8. レーザ光パルスを出力するレーザと、
   所定の周波数の基準電気信号の電圧と、所定の電圧とを比較し、その結果を出力する基準比較器と、
   前記レーザ光パルスの光強度に基づく電圧および前記所定の周波数を有する測定電気信号の電圧と、前記所定の電圧とを比較し、その結果を出力する測定比較器と、
   前記基準比較器の出力と、前記測定比較器の出力との位相差を検出する位相差検出器と、
   前記位相差検出器の出力の高周波成分を除去するループフィルタと、
   を備え、
   前記測定電気信号の電圧を変化させ、
   前記レーザは、前記ループフィルタの出力に応じて、前記レーザ光パルスの位相を変化させる、
   レーザ光パルスの位相制御装置。
9. 請求項８に記載のレーザ光パルスの位相制御装置であって、
   前記レーザを励起する励起光のパワーを変化させることにより、前記測定電気信号の電圧を変化させる、
   レーザ光パルスの位相制御装置。
10. 請求項８に記載のレーザ光パルスの位相制御装置であって、
    前記レーザ光パルスを減衰させることにより、前記測定電気信号の電圧を変化させ、
    前記減衰の程度が可変である、
    レーザ光パルスの位相制御装置。
11. 請求項８ないし１０のいずれか一項に記載のレーザ光パルスの位相制御装置であって、
    前記所定の電圧は、接地電位である、
    レーザ光パルスの位相制御装置。
12. 請求項８ないし１０のいずれか一項に記載のレーザ光パルスの位相制御装置であって、
    前記レーザの共振器長が、前記ループフィルタの出力に応じて、変化する、
    レーザ光パルスの位相制御装置。
13. 請求項１２に記載のレーザ光パルスの位相制御装置であって、
    前記レーザは、ピエゾ素子を有し、
    前記ピエゾ素子に、前記ループフィルタの出力が与えられ、
    前記ピエゾ素子の伸縮により、前記レーザの共振器長が変化する、
    レーザ光パルスの位相制御装置。
14. 請求項８ないし１０のいずれか一項に記載のレーザ光パルスの位相制御装置であって、
    前記レーザ光パルスを受ける光電変換部と、
    前記光電変換部の出力の高周波成分を除去するローパスフィルタと、
    を備え、
    前記測定電気信号は、前記ローパスフィルタの出力に基づく、
    レーザ光パルスの位相制御装置。
15. 請求項８ないし１０のいずれか一項に記載のレーザ光パルスの位相制御装置であって、
    前記測定電気信号の電圧が、位相制御信号に基づき変化し、
    前記位相制御信号は、任意波形発生器から出力される、
    レーザ光パルスの位相制御装置。
16. レーザ光パルスを出力するレーザと、
    所定の周波数の基準電気信号の電圧と、位相制御信号の電圧とを比較し、その結果を出力する基準比較器と、
    前記レーザ光パルスの光強度に基づく電圧および前記所定の周波数を有する測定電気信号の電圧と、所定の電圧とを比較し、その結果を出力する測定比較器と、
    前記基準比較器の出力と、前記測定比較器の出力との位相差を検出する位相差検出器と、
    前記位相差検出器の出力の高周波成分を除去するループフィルタと、
    を備え、
    前記位相制御信号の電圧は、前記所定の電圧とは異なり、
    前記レーザは、前記ループフィルタの出力に応じて、前記レーザ光パルスの位相を変化させる、
    レーザ光パルスの位相制御装置。
17. 請求項１６に記載のレーザ光パルスの位相制御装置であって、
    前記所定の電圧は、接地電位である、
    レーザ光パルスの位相制御装置。
18. 請求項１６に記載のレーザ光パルスの位相制御装置であって、
    前記レーザの共振器長が、前記ループフィルタの出力に応じて、変化する、
    レーザ光パルスの位相制御装置。
19. 請求項１８に記載のレーザ光パルスの位相制御装置であって、
    前記レーザは、ピエゾ素子を有し、
    前記ピエゾ素子に、前記ループフィルタの出力が与えられ、
    前記ピエゾ素子の伸縮により、前記レーザの共振器長が変化する、
    レーザ光パルスの位相制御装置。
20. 請求項１６に記載のレーザ光パルスの位相制御装置であって、
    前記レーザ光パルスを受ける光電変換部と、
    前記光電変換部の出力の高周波成分を除去するローパスフィルタと、
    を備え、
    前記測定電気信号は、前記ローパスフィルタの出力に基づく、
    レーザ光パルスの位相制御装置。
21. 請求項１６に記載のレーザ光パルスの位相制御装置であって、
    前記位相制御信号は、任意波形発生器から出力される、
    レーザ光パルスの位相制御装置。

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