JP5042781B2 - 周波数安定化レーザ装置及びレーザ周波数安定化方法 - Google Patents

Description

本発明は、周囲温度の変化等に対する安定性を向上させた周波数安定化レーザ装置及びレーザ周波数安定化方法に関する。

半導体レーザによって励起されるＮｄ：ＹＡＧ結晶などを利得媒質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。実際にレーザの波長を用いて測定を行うためには、レーザが単一周波数、すなわち単一縦モードで発振している必要がある。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、発振周波数は任意に選択可能でなければならない。

レーザ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周知である。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ーにより、透過するレーザの周波数を選択し、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装置では、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（例えば、特許文献１、２）。

レーザ光の発振周波数の制御は、レーザ共振器の共振器長を制御することで行う。例えば、レーザ共振器の筐体を温度制御して、筐体の寸法変化を抑えるとともに、発振周波数が飽和吸収信号の中心になるように、反射鏡を取り付けたアクチュエータの変位を制御することで、共振器長を制御している。

しかし、周囲空気温度の変動などによる筐体寸法の変化や、アクチュエータ駆動回路やアクチュエータ制御部での電気信号のドリフトなどがある場合には、アクチュエータの印加電圧が変化してしまう。この変化がアクチュエータの印加電圧の範囲内であれば、共振器長の制御は可能であるが、アクチュエータの印加電圧が飽和してしまうと、共振器長の制御が出来なくなり、飽和吸収信号の中心に周波数を安定化することが不可能となる。

一方、アクチュエータの印加電圧の範囲を増やすことでアクチュエータの印加電圧の飽和を回避しアクチュエータの最大変位量を増やす方法が考えられる。しかし、この方法では印加電圧範囲の増加に伴い、変位のノイズ成分を対策前と同等にするためにアクチュエータの駆動回路や電源のＳ／Ｎ比を向上させる必要が生じる。

また、印加電圧あたりの変位量が大きいアクチュエータを使用することでアクチュエータの最大変位量を増やす方法も考えられる。しかし、この方法では、アクチュエータの駆動回路のＳ／Ｎ比が対策前と同等の場合には相対的に変位のノイズ成分が大きくなり、変位のノイズ成分を対策前と同等にするためには駆動回路のＳ／Ｎ比を向上させる必要がある。また、電気信号のドリフトを低減する必要もある。
特開２００１−２７４４９５号公報 特開２０００−２６１０９２号公報

本発明は、周囲温度の変化等に対してアクチュエータの印加電圧の飽和を回避し、安定動作を確保することができる周波数安定化レーザ装置及びレーザ周波数安定化方法を提供することを目的とする。

本発明のひとつの態様に係る周波数安定化レーザ装置は、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、前記レーザ光を吸収セルに照射して光出力信号を得ると共に共振器長を変化させて前記光出力信号に含まれる特定の飽和吸収線の中心に前記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装置において、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に変位を与える電圧を印加するアクチュエータ駆動部と、前記共振器の温度を検出する温度検出器と、前記共振器を加熱又は冷却する変温装置と、予め与えられた指令温度と前記温度検出器で検出された前記共振器の温度とに基づいて前記変温装置を制御すると共に前記共振器の温度が安定化したかどうかを判定する共振器温度制御部と、前記アクチュエータへの印加電圧がほぼ一定になるように前記共振器温度制御部に与える指令温度を補正する指令温度補正部と、前記共振器温度制御部にて前記共振器の温度が安定化したと判定された後に、前記レーザの発振周波数が前記飽和吸収線の中心となる前記アクチュエータの印加電圧を観測するアクチュエータ制御部とを備えたことを特徴とする。

本発明の他の態様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、前記レーザ光を吸収セルに照射して光出力信号を得ると共に共振器長を変化させるアクチュエータの印加電圧を制御することにより、前記光出力信号のレーザ発振周波数を、前記光出力信号に含まれる特定の飽和吸収線の中心に安定化させるレーザ周波数安定化方法において、前記レーザ発振周波数が前記飽和吸収線の中心となる前記アクチュエータの印加電圧を観測する工程と、観測された前記アクチュエータの印加電圧に基づいて前記アクチュエータの印加電圧がほぼ一定となるように前記共振器に対する指令温度を補正する工程と、前記補正された指令温度に基づいて前記共振器の温度を制御する工程と、前記共振器の温度が安定化したかどうかを判定する判定工程とを備え、前記アクチュエータの印加電圧を観測する工程は、前記判定工程で前記共振器の温度が安定化したと判定された後に実行されることを特徴とする。

本発明によれば、周囲温度の変化等に対してアクチュエータの印加電圧の飽和を回避し、安定動作を確保することができる周波数安定化レーザ装置及びレーザ周波数安定化方法を提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る周波数安定化レーザ装置の概略図である。周波数安定化レーザ装置は、励起用レーザ発生部１、レーザ共振器２、レーザ検出部３、駆動制御部４、及びレーザ共振器温度制御部５を備える。

励起用レーザ発生部１は、励起用半導体レーザ１１、複数の光学部材により構成された集光系１２、励起用半導体レーザ１１を加熱または冷却する励起用レーザ加熱冷却部１３を備える。励起用レーザ発生部１において、励起用半導体レーザ１１に駆動電流を与えることにより、波長８０８ｎｍのレーザ光Ｌ１が放射される。この放射されたレーザ光Ｌ１は集光系１２により集光されレーザ共振器２に導光される。

レーザ共振器２のレーザ光Ｌ１の入射側（図１のレーザ共振部２の左側）には、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶２１ａ、ＫＴＰ結晶２２ａがレーザ光路上に順に配置されている。Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶２１ａ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２１ａのレーザ光Ｌ１の入射側の側面には、波長１０６４ｎｍの光を反射するようにコーティングが施されている。ＫＴＰ結晶２２ａ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２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２１ａとＫＴＰ結晶２２ａ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２１ｂとＫＴＰ結晶ホルダ２２ｂに取り付けられている。

レーザ共振器２のレーザ光路上には、第１エタロン２３ａ及び第２エタロン２３ｂが配置されている。第１エタロン２３ａは光路に対して垂直に配置され、第２エタロン２３ｂは光路に対して所定の角度をもって配置されている。これらのエタロン２３ａ、２３ｂはレーザ光の特定周波数のみを透過する特性を有する。

レーザ共振器２のレーザ光の出射側には、レーザ光路上に反射鏡２４、アクチュエータ２５が順に備えられている。尚、レーザ共振器２を構成するこれらの部材は、筐体２６内に格納されている。反射鏡２４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施されている。したがって、波長１０６４ｎｍの光に対してのみＮｄ：ＹＶＯ４結晶２１ａと反射鏡２４によって共振器が構成される。アクチュエータ２５は、ピエゾ素子から成り、電圧を印加することにより変形し、レーザ光路上に沿って反射鏡２４の位置を変位させることができる。以下で詳細に説明するように、アクチュエータ２５に印加する電圧を一定に保つようにレーザ共振器２の温度を制御することにより、アクチュエータ２５の印加電圧が飽和することなくレーザ装置の周波数安定化動作を維持することができる。

レーザ共振器２の励起用レーザ発生部１側端面から入射し、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶２１ａ、ＫＴＰ結晶２２ａを通過した光は、５３２ｎｍ、８０８ｎｍ、１０６４ｎｍの波長を含む光Ｌ２となる。そして、レーザ共振器２により、光Ｌ２が、増幅及び波長選択されて、波長１０６４ｎｍ及び波長５３２ｎｍの単一縦モードのレーザ光Ｌ３が得られる。

次に、レーザ検出部３について詳細に説明する。

レーザ検出部３は、高調波分離器３１、偏光板３２ａ、二つの偏光ビームスプリッタ３３ａ、３３ｂ、λ／４板３２ｂ、ヨウ素セル３４、反射板３５及び光検出器３６を備える。

高調波分離器３１は、波長１０６４ｎｍと波長５３２ｎｍのレーザ光Ｌ３を分割し、その結果、波長１０６４ｎｍのレーザ光Ｌ４と波長５３２ｎｍのレーザ光Ｌ５が得られる。

波長５３２ｎｍのレーザ光Ｌ５は偏光板３２ａにより偏光されるが、そのうちｐ偏光の光は偏光ビームスプリッタ３３ａを透過してレーザ光Ｌ６となり、ｓ偏光の光は偏光ビームスプリッタ３３ａで反射してレーザ光Ｌ７となる。レーザ光Ｌ７は、本周波数安定化装置の出力光となり、測長等に使用される。レーザ光Ｌ６は、その後、偏光ビームスプリッタ３３ｂ、λ／４板３２ｂ、ヨウ素セル３４を通過して、反射板３５により反射されて、再びヨウ素セル３４、λ／４板３２ｂを通過した後、偏光ビームスプリッタ３３ｂで反射されてレーザ光Ｌ８となる。

ｐ偏光のレーザ光Ｌ６は、ヨウ素セル３４において特定波長が吸収され、λ／４板３２ｂを二度通過し、ｐ偏光からｓ偏光に偏光され、レーザ光Ｌ８となる。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３３ｂにより反射され、光検出器３６に入力される。光検出器３６は例えばフォトディテクタなどの光電変換素子から成り、レーザ光Ｌ８を光電変換して信号Ｓ１を出力する。以下で詳細に説明するように、信号Ｓ１はレーザ光の周波数安定化制御の参照用として使用される。

次に、駆動制御部４について詳細に説明する。

駆動制御部４は、変復調用信号発生器４１、３次微分用ロックインアンプ４２、アクチュエータ制御部４３、アクチュエータ駆動部４４、及び指令温度補正部４５を備える。

変復調用信号発生器４１は、３次微分用ロックインアンプ４２及びアクチュエータ駆動部４４に接続されている。３次微分用ロックインアンプ４２はアクチュエータ制御部４３に接続され、アクチュエータ制御部４３はアクチュエータ駆動部４４に接続されている。指令温度補正部４５は、以下で説明する共振器温度制御器５４に接続されている。

変復調用信号発生器４１は、周波数１ｆＨｚの信号をアクチュエータ駆動部４４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４２に出力する。３次微分用ロックインアンプ４２は、レーザ光Ｌ８を光電変換したレーザ光出力信号Ｓ１を受信し、変復調用信号発生器４１からの周波数３ｆＨｚの信号により復調して得られた３次微分信号Ｓ２をアクチュエータ制御部４３に出力する。

アクチュエータ制御部４３は、３次微分信号Ｓ２に基づき、アクチュエータ駆動部４４にアクチュエータ２５に印加すべき電圧を生成するよう制御信号Ｓ３を出力する。また、アクチュエータ制御部４３は、以下で詳細に説明するように、指令温度補正部４５に対して、温度予測信号Ｓ４を送信する。

アクチュエータ駆動部４４は、アクチュエータ制御部４３より出力された制御信号Ｓ３に変復調用信号発生器４１から入力された周波数１ｆＨｚの信号を加えたアクチュエータ駆動信号Ｓ５を出力しアクチュエータ２５を駆動させ、共振器長を変化させることによりレーザ光Ｌ８の発振周波数を制御する。

指令温度補正部４５は、以下で詳細に説明するように、共振器温度制御器５４に接続し、レーザ共振器２の温度制御のための指令信号を補正する補正信号Ｓ６を出力する。

尚、アクチュエータ制御部４３、指令温度補正部４５は、その一部又は全部がプログラムを格納したメモリ及びそのプログラムを実行するＣＰＵ等により構成されたコンピュータ（図示せず）により実現することができる。

次に、レーザ共振器温度制御部５について説明する。レーザ共振器温度制御部５は、温度検出器５１、ペルチェ素子５２、放熱器５３及び共振器温度制御器５４を備える。

温度検出器５１は、レーザ共振器２の温度を測定する。共振器温度制御器５４は、温度検出器５１から得たレーザ共振器２の温度からペルチェ素子５２に印加するべき電圧に対応する制御信号Ｓ７を出力する。ペルチェ素子５２は、この制御信号Ｓ７に対応する印加電圧及び極性に応じて、レーザ共振部２の筐体２６を冷却または加熱する。また、ペルチェ素子５２の外側には放熱器５３が設置されている。

次に、本実施形態に係る周波数安定化レーザ装置の発振周波数の安定化の原理について図面を参照しながら詳細に説明する。

図２は、上記したレーザ共振器２及びレーザ共振器温度制御部５を拡大して示したものである。説明の都合上、いくつかの構成要素については省略して示してある。

光路に沿って、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶２１ａの半導体レーザ光Ｌ１の入射面と、反射鏡２４の反射面との間の距離を共振器長Ｘとする。光路に沿ったアクチュエータ２５の寸法をＸ１、光路に沿った筐体２６の寸法をＸ２とする。レーザ光の光路付近の共振器温度をＴｘ、温度検出器５１の検出する検出温度をＴｄ、レーザ共振器２の筐体２６の周囲温度（外気温度）をＴａとする。共振器長Ｘは以下の式により定義することができる。

Ｘ＝Ｘ２−Ｘ１ （１）
アクチュエータ制御信号Ｓ３に変復調用信号発生部４１からの周波数１ｆＨｚの信号を加えたアクチュエータ駆動信号Ｓ５によって、アクチュエータ２５が変形し、アクチュエータ寸法Ｘ１が変化する。それにより、共振器長Ｘが変化して、レーザ光Ｌ３の発振周波数が変調される。そのため、レーザ検出部３内のレーザ光Ｌ３〜８は変調された光となり、レーザ光Ｌ８を光電変換した光出力信号Ｓ１も変調された信号となる。この光出力信号Ｓ１をロックインアンプ４２で復調することで３次微分信号が得られる。３次微分信号には、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のピーク及びバレーが複数箇所検出される。この飽和吸収線の中から任意の飽和吸収線を選択し、発振周波数が常に選択した飽和吸収線の中心になるように、共振器長Ｘを制御することでレーザ光の共振周波数の安定化を実現することができる。この点について、図面を使って詳細に説明する。

図３から図５は、周波数安定化の原理を説明するための、アクチュエータ印加電圧に対するレーザ光出力信号Ｓ１とその３次微分信号Ｓ２との関係を示したグラフである。図３は、共振器温度制御器５４の指令温度ＴｄｃをＴｄｃ＝Ｔとして、レーザ共振器２の温度が安定した後に、アクチュエータ２５の印加電圧をＶ１からＶ２まで走査したときの、レーザ光出力信号Ｓ１とその３次微分信号Ｓ２の観測結果の一例を示す。周波数幅で１ＧＨｚ程度の間に、ヨウ素分子の飽和吸収線が１５本（ａ１〜ａ１５）観測された。ここで、例えば１５本の飽和吸収線の中で飽和吸収線ａ１０を選択し、レーザ共振周波数が飽和吸収線ａ１０の中心となるアクチュエータ２５の印加電圧をＶａ１０とする。

図４は、共振器温度制御器５４の指令温度ＴｄｃをＴｄｃ＝Ｔ＋ΔＴとしたときのレーザ光出力信号Ｓ１とその３次微分信号Ｓ２の観測結果の一例を示す。レーザ共振器２の温度がΔＴだけ上昇すると、筐体２６の熱膨張により筐体寸法Ｘ２が増加する。アクチュエータ駆動電圧が同じ場合、筐体寸法Ｘ２の増加により共振器長Ｘも長くなるため、レーザ共振周波数が低くなる。したがって、図３と同様にアクチュエータ２５の印加電圧をＶ１からＶ２まで走査したとき、飽和吸収線ａ１０の中心となるアクチュエータ２５の印加電圧Ｖａ１０は右側にΔＶだけシフトする。

図５は、共振器温度制御器５４の指令温度ＴｄｃをＴｄｃ＝Ｔ−ΔＴとしたときのレーザ光出力信号Ｓ１とその３次微分信号Ｓ２の観測結果の一例を示す。レーザ共振器２の温度がΔＴだけ下降すると、筐体２６が収縮することにより筐体寸法Ｘ２が減少する。アクチュエータ駆動電圧が同じ場合、筐体寸法Ｘ２の減少により共振器長Ｘも短くなるため、レーザ共振周波数が高くなる。したがって、図３と同様にアクチュエータ２５の印加電圧をＶ１からＶ２まで走査したとき、飽和吸収線ａ１０の中心となるアクチュエータ２５の印加電圧Ｖａ１０は左側にΔＶだけシフトする。

レーザ共振器２にΔＴの温度変化が生じた際、筐体寸法Ｘ２が変化するが、レーザ周波数の安定化制御を行っていれば、アクチュエータの印加電圧がΔＶだけ変化することによりアクチュエータ２５の寸法Ｘ１も変化するため、結果として共振器長Ｘは不変となり、レーザ光の共振周波数の安定性が維持される。

ここで、共振器の温度変化ΔＴに対する、アクチュエータの印加電圧Ｖａの変化ΔＶの比を変化率ｋとして以下のように定義する。

ｋ＝ΔＶ／ΔＴ （２）
この変化率ｋを予め求めておけば、印加電圧の変化ΔＶから共振器の温度変化ΔＴを予測することができる。

次に、レーザ共振器２について、熱回路モデルを使って、さらに詳細に説明する。図６は、レーザ共振器２の熱回路モデルと、共振器温度制御部５及び指令温度補正部４５のブロック図を概略的に示したものである。共振器温度制御器５４の指令温度をＴｄｃ、温度検出器５１の検出温度をＴｄ、周囲温度（外気温度）をＴａ、レーザ共振器２内部の光路部の温度をＴｘとし、レーザダイオード１１からの発熱量をＱＬＤとする。レーザダイオード１１からレーザ共振器２への熱抵抗をＲ１、温度検出器５１から光路部への熱抵抗をＲ２、光路部から周囲（外気）への熱抵抗をＲ３、ペルチェ素子５２から周囲（外気）への熱抵抗をＲ４、ペルチェ素子５２からレーザ共振器２への熱抵抗をＲ５とする。温度検出器５１の検出温度Ｔｄ及び周囲温度Ｔａに関する熱方程式は以下のように表される。

Ｔｄ−Ｔａ＝ＱＬＤ×｛Ｒ４×（Ｒ２＋Ｒ３）／（Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４）｝ （３）
共振器温度制御器５４は、例えば熱電対などから成る温度検出器５１により検出された温度Ｔｄをフィードバックして制御しているため、温度検出器５１の温度は指令温度Ｔｄｃに等しくなる（すなわち、Ｔｄ＝Ｔｄｃ）。温度検出器５１がペルチェ素子５２と離れていると温度制御が安定しない可能性があるため、多くの場合、温度検出器５１はペルチェ素子５２に近接して配置されている。光路部の温度Ｔｘは図６の熱回路モデルより以下のように表される。

Ｔｘ＝Ｔｄ−｛Ｒ２／（Ｒ２＋Ｒ３）｝×（Ｔｄ−Ｔａ） （４）
レーザ共振器２の温度は、共振器温度制御器５４により制御されるが、実際の温度検出器５１の位置と、レーザ光路部の位置は一致しないため、熱抵抗Ｒ２に起因してＴｄとＴｘは等しくならない（すなわち、Ｔｄ≠Ｔｘ）。

Ｔｄ＝Ｔｄｃに制御されている場合でも、上記した式（４）に示すように、Ｔａが変化するとＴｘが変動してしまう。すなわち、Ｔｘの変動ΔＴｘにより、筐体寸法Ｘ２が変化し、アクチュエータ２５の印加電圧Ｖａ（レーザ周波数が特定の飽和吸収線の中心となるアクチュエータの印加電圧）はΔＶだけ変化することになる。

以上の考察より、周囲温度Ｔａの変化によって、Ｖａが変化することがわかる。逆に言えば、周囲温度Ｔａの変化に起因する光路部の温度Ｔｘの変動を補償するように指令温度Ｔｄｃを補正すれば、アクチュエータの印加電圧範囲内にＶａを固定することができる。そうすれば、レーザ共振器２の温度変化を監視して、逐次、アクチュエータ２５の印加電圧Ｖａを変化させる必要がなくなり、ロバストな周波数安定化レーザを得ることが可能となる。

そこで、上記した式（２）により算出した変化率ｋを用いて、Ｔｄｃを補正する。具体的には、以下の式（５）及び式（６）を使って補正指令温度Ｔｄｃ’を算出する。

Ｔ’＝ＴｄＦ−ΔＶ／ｋ （５）
Ｔｄｃ’＝Ｔｄｃ＋Ｔ’ （６）
ここで、ＴｄＦは、周囲（外気）温度Ｔａ＝２０℃とした場合に、アクチュエータの印加電圧ＶａがＶａ＝Ｖｃ（Ｖｃは印加電圧範囲の中心値（＝Ｖｍｉｎ＋（Ｖｍａｘ−Ｖｍｉｎ）／２）となるような指令温度Ｔｄｃとする。

Ｔｄｃの補正は次のようにして行う。まず、周囲温度Ｔａの変動によりアクチュエータの印加電圧ＶａがΔＶだけ変化した場合、式（５）よりＴ’を算出する。次に、式（６）を使ってＴｄｃを補正し、補正後の指令温度Ｔｄｃ’により共振器温度制御器５４にて共振器２の温度制御を行う。

このように、周囲空気温度Ｔａの変動により、共振器の筐体寸法Ｘ２が変化した場合でも、共振器温度制御器５４の指令温度Ｔｄｃを補正することにより、アクチュエータの印加電圧Ｖａを一定とすることができ、アクチュエータの印加電圧が飽和することなく、レーザ共振周波数を安定化させることが可能となる。

次に、本実施形態に係る周波数安定化レーザの温度制御方法について図面を参照しながら説明する。

図７は、レーザ共振器２の周波数安定化動作前の温度制御工程を説明するフローチャートである。

まず、ステップＳ７０においてレーザ共振器２の電源をＯＮにして動作を開始する。初期条件として、ステップＳ７１において、共振器温度制御器５４において指令温度をＴｄｃ＝ＴｄＦに設定する。

次に、ステップＳ７２において、レーザ共振器２の温度が安定化したか否かを判定する。この判定方法については後述する。レーザ共振器２の温度が安定化したと判定されれば、ステップＳ７３の、アクチュエータ２５の走査工程に進む。レーザ共振器２の温度がまだ安定化しないと判定されれば、安定化するまで次のステップＳ７３には進まない。

ステップＳ７３において、変復調用信号発生器４１によりアクチュエータ２５に印加する電圧を印加電圧範囲の最小値から最大値まで連続的に走査する。

続いて、ステップＳ７４において、３次微分信号を観測して、レーザ発振周波数がヨウ素セル３４の特定の飽和吸収線の中心となるアクチュエータ２５の印加電圧Ｖａ（図３参照）を観測する。

次に、ステップＳ７５において、補正温度制御部４５で、ΔＶ＝Ｖａ−Ｖｃとして、式（５）より補正温度Ｔ’を算出する。ここで、Ｖｃは印加電圧範囲の中心値である。

次に、ステップＳ７６において、補正温度制御部４５で、補正温度Ｔ’を使って式（６）より、補正した指令温度Ｔｄｃ’を算出し、共振器温度制御器５４からペルチェ素子５２に補正した指令温度Ｔｄｃ’信号を出力する。

次に、ステップＳ７７において、再び、レーザ共振器２の温度が安定化したか否かの判定を行う。安定化したと判定された場合には、ステップＳ７８に進み、アクチュエータ制御部４３でＶａが特定の飽和吸収線の中心になるように共振器長Ｘを制御するよう周波数安定化動作を開始する。

このように指令温度Ｔｄｃを補正することにより、レーザ光路部の温度Ｔｘの変動が補償され、アクチュエータ２５の印加電圧Ｖａが印加電圧範囲の中心値Ｖｃとなるように制御されることになる。

図８は、レーザ共振器２の周波数安定化動作後の温度制御工程を説明するフローチャートである。

まず、ステップＳ８０において、レーザ共振器２の共振器長Ｘが制御されていることを確認した後、ステップＳ８１において、アクチュエータ２５の初期印加電圧Ｖ（０）をメモリに記憶させて保存する。

次に、ステップＳ８２において、アクチュエータ制御部４３でアクチュエータ２５に印加する電圧のサンプリング間隔ｓｔ１を決定し、順番Ｎを１とする。ここで、Ｎは自然数である。

次に、ステップＳ８３において、Ｎ番目にアクチュエータ２５に印加した電圧Ｖ（Ｎ）をアクチュエータ制御部４３で観測する。

次に、ステップＳ８４において、アクチュエータ制御部４３で観測したＮ番目のアクチュエータの印加電圧Ｖ（Ｎ）とアクチュエータ２５の初期電圧Ｖ（０）との差の絶対値｜Ｖ（Ｎ）−Ｖ（０）｜を計算し、所定の閾値電圧Ｖｔｈ１と比較する。比較の結果、｜Ｖ（Ｎ）−Ｖ（０）｜＜Ｖｔｈ１ならば、周囲温度Ｔａの変動による影響は無視できると判定され、Ｔｄｃの補正は行われず、ステップＳ８５において順番Ｎを１つだけ繰り上げる。比較の結果、｜Ｖ（Ｎ）−Ｖ（０）｜≧Ｖｔｈ１ならば、周囲温度Ｔａの変動によりレーザ光路部の温度Ｔｘが有意に変動し、筐体寸法Ｘ２が変化したと判定され、指令温度Ｔｄｃの補正を行う。

まず、ステップＳ８６において、補正温度制御部４５で、ΔＶ＝Ｖ（Ｎ）−Ｖ（０）として、式（５）より補正温度Ｔ’を算出する。

次に、ステップＳ８７において、補正温度制御部４５で、補正温度Ｔ’を使って式（６）より、補正した指令温度Ｔｄｃ’を算出し、共振器温度制御器５４からペルチェ素子５２に補正した指令温度Ｔｄｃ’信号を出力する。

次に、ステップＳ８８において、レーザ共振器２の温度が安定化したか否かの判定を行う。レーザ共振器２の温度が安定化したと判定されれば、ステップＳ８２に戻る。

このように、指令温度Ｔｄｃを補正することにより、レーザ光路部の温度Ｔｘの変動が補償され、アクチュエータ２５の印加電圧Ｖ（Ｎ）がＶ（０）に制御される。周波数安定化動作直後は、Ｖ（０）≒Ｖｃであることから、結果として、アクチュエータの印加電圧Ｖ（Ｎ）はＶｃと略同一となる。

ここで、閾値電圧レベルＶｔｈ１について説明する。共振器温度制御器５４の指令温度Ｔｄｃの補正は、アクチュエータ２５の印加電圧Ｖ（Ｎ）がその印加電圧範囲を超える前に行う必要がある。Ｖ（０）≒Ｖｃであることを考慮すれば、閾値電圧レベルＶｔｈ１は以下の式（７）を満たすように設定する。

Ｖｔｈ１＜（Ｖｍａｘ−Ｖｃ）＝（Ｖｍａｘ−Ｖｍｉｎ）／２ （７）
実際には、Ｔｄｃを補正した後に、共振器の温度が安定化されるまでの過渡状態において、アクチュエータ２５の印加電圧Ｖ（Ｎ）が飽和しない程度に上記式（７）の範囲でＶｔｈ１を設定する。

アクチュエータ２５の印加電圧Ｖ（Ｎ）の変化が周囲（外気）温度Ｔａの変化ではなく、電気信号のドリフトによるものである場合であっても、共振器温度制御器５４の指令温度Ｔｄｃを上記のように補正することにより、レーザ光路部の温度Ｔｘの変動が補償されて、アクチュエータ２５の印加電圧がＶ（０）に制御されるため、アクチュエータ２５の印加電圧Ｖ（Ｎ）の飽和が防止され、周波数安定化状態を保持することができる。

続いて、上記したステップＳ７２、Ｓ７７、Ｓ８８で使用される共振器２の温度安定化の判定方法について説明する。

上記した式（４）に示すように、温度検出器５１はペルチェ素子５２に近接配置されているため、周囲（外気）温度Ｔａと指令温度Ｔｄｃが異なれば、温度検出器５１の温度Ｔｄとレーザ光路部の温度Ｔｘとは異なる。図９は、周囲空気温度Ｔａ、温度検出器５１による検出温度Ｔｄ、レーザ光路部の温度Ｔｘの時間変化の様子を示したものである。

図９に示すように、電源起動後や周囲温度Ｔａに変動が生じた場合において、温度検出部５１の温度Ｔｄとレーザ光路部の温度Ｔｘとでは、温度が収束するのに要する時間が異なる。すなわち過度状態においてＴｄはＴｘに比べ速く収束する。これは、レーザ共振器２の熱容量の影響によるものである。したがって、温度検出器５１の温度Ｔｄが収束していても、レーザ光路部の温度Ｔｘが収束していない可能性があるため、Ｔｄの値のみで温度安定化の判定をすることはできない。仮に、レーザ光路部の温度Ｔｘが収束していない状態でのアクチュエータ印加電圧Ｖａを用いて指令温度Ｔｄｃの補正を行うと、Ｔｘは安定せず、振動的になる可能性がある。

そこで、特定の飽和吸収線の中心となるアクチュエータ２５の印加電圧Ｖａを観測することで、レーザ光路部の温度Ｔｘの安定度を判定する。以下、温度安定化の判定方法について図面を参照して説明する。図１０は温度安定化の判定方法を説明するフローチャートである。

まず、ステップＳ１０１において、レーザ共振器２の動作状態を判断し、周波数安定化動作中であれば、ステップＳ１０８に進み、周波数安定化動作前であれば、ステップＳ１０２に進む。

周波数安定化動作前であれば、ステップＳ１０２において、アクチュエータ制御部４３で、サンプリング間隔ｓｔ２を決定し、Ｋ＝１とする。ここで、Ｋは自然数である。

次に、ステップＳ１０３において、アクチュエータ２５の印加電圧を走査する。

ステップＳ１０４において、上記走査の過程で３次微分信号Ｓ２を観測し、レーザ発振周波数が、ヨウ素セル３４の特定の飽和吸収線の中心となるアクチュエータ２５の印加電圧Ｖａ（Ｋ）を観測する。

次に、ステップＳ１０５において、前回サンプリング時の観測値と今回サンプリング時の観測値との差分｜Ｖａ（Ｋ）−Ｖａ（Ｋ−１）｜を算出し、所定の閾値電圧Ｖｔｈ２と比較する。｜Ｖａ（Ｋ）−Ｖａ（Ｋ−１）｜＜Ｖｔｈ２であれば、レーザ光路部の温度Ｔｘが収束したものと判断し、ステップＳ１０７にてレーザ共振器２の温度が安定化したと判定する。｜Ｖａ（Ｋ）−Ｖａ（Ｋ−１）｜≧Ｖｔｈ２であれば、レーザ光路部の温度Ｔｘが収束せず変化している状態なのでステップＳ１０６に進みＫを１つだけ繰り上げて再びステップＳ１０３に戻る。

ここで、閾値電圧レベルＶｔｈ２について説明する。例えば、温度上昇により筐体寸法Ｘ２が増加している場合、筐体寸法Ｘ２の変化の速度が、アクチュエータ２５の走査速度ｖ［Ｖ／ｍ］よりも速いと、アクチュエータ２５をプラス方向に走査してアクチュエータ２５の寸法Ｘ１を増加させても、上記式（１）より共振器長Ｘは増加方向にしか変化しない。筐体寸法Ｘ２の変化の速度は｛Ｖａ（Ｋ）−Ｖａ（Ｋ−１）｝／ｓｔ２と表すことができる。したがって、｛Ｖａ（Ｋ）−Ｖａ（Ｋ−１）｝／ｓｔ２＜ｖであれば共振器長Ｘを増減させることが可能となる。よってＴｘの収束を判定する電圧レベルＶｔｈ２は、以下の関係を満たすように設定する。

Ｖｔｈ２／ｓｔ２＜ｖ （８）
一方、周波数安定化動作中であれば、ステップＳ１０８において、アクチュエータ制御部４３で、サンプリング間隔ｓｔ３を決定し、Ｍ＝１とする。ここで、Ｍは自然数である。

次に、ステップＳ１０９において、アクチュエータ制御部４３でアクチュエータの印加電圧Ｖ（Ｍ）を観測する。周波数安定化動作中は、指令温度Ｔｄｃが補正されると、レーザ光路部の温度Ｔｘが変化する。共振器長Ｘは一定に制御されているためアクチュエータ２５の印加電圧Ｖ（Ｍ）が変化する。したがって、印加電圧Ｖ（Ｍ）の変化を調べることによりレーザ光路部の温度Ｔｘの安定化を判断することができる。

次に、ステップＳ１１０において、アクチュエータ制御部４３で、｜Ｖ（Ｍ）−Ｖ（Ｍ−１）｜を算出し、所定の閾値電圧Ｖｔｈ３と比較する。｜Ｖ（Ｍ）−Ｖａ（Ｍ−１）｜＜Ｖｔｈ３であれば、レーザ光路部の温度Ｔｘが収束したものと判断し、ステップＳ１０７にてレーザ共振器２の温度が安定化したと判定する。｜Ｖ（Ｍ）−Ｖ（Ｍ−１）｜≧Ｖｔｈ３であれば、レーザ光路部の温度Ｔｘが収束せず変化している状態なのでステップＳ１１１に進みＭを１つだけ繰り上げて再びステップＳ１０９に戻る。

閾値電圧レベルＶｔｈ３については、Ｖｔｈ２と同様の観点から設定すればよい。

以上のようにして、アクチュエータ２５の印加電圧の変化を観測することでレーザ光路部の温度Ｔｘが安定化されたか否かを判定することができる。

本発明の実施の形態に係る周波数安定化レーザ装置の概略図である。 本発明の実施の形態に係る周波数安定化レーザ装置の共振器部分の拡大概略図である。 本発明の実施の形態に係る周波数安定化レーザ装置によるヨウ素分子の飽和吸収線を示す３次微分信号と光強度信号との関係を表すグラフである。 本発明の実施の形態に係る周波数安定化レーザ装置によるヨウ素分子の飽和吸収線を示す３次微分信号と光強度信号との関係を表すグラフである。 本発明の実施の形態に係る周波数安定化レーザ装置によるヨウ素分子の飽和吸収線を示す３次微分信号と光強度信号との関係を表すグラフである。 本発明の実施の形態に係る周波数安定化レーザ装置の熱回路を示す。 本発明の実施の形態に係る周波数安定化レーザ装置の温度制御方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る周波数安定化レーザ装置の温度制御方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る周波数安定化レーザ装置の共振器内部の温度Ｔｄとレーザ光路上の温度Ｔｘとの時間的変化を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る周波数安定化レーザ装置の温度安定化判定方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１・・・励起用レーザ発生部、 ２・・・レーザ共振器、 ３・・・レーザ検出部、 ４・・・駆動制御部、 ５・・・レーザ共振器温度制御部、 １１・・・励起用半導体レーザ、 １２・・・集光系、 １３・・・励起用半導体レーザ加熱冷却部、 ２１ａ・・・Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶、 ２１ｂ・・・Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶ホルダ、 ２２ａ・・・ＫＴＰ結晶、 ２２ｂ・・・ＫＴＰ結晶ホルダ、 ２３ａ・・・第１エタロン、 ２３ｂ・・・第２エタロン、 ２４・・・反射鏡、 ２５・・・アクチュエータ、 ２６・・・筐体、 ３１・・・高調波分離器、 ３２ａ・・・偏光板、 ３２ｂ・・・λ／４板、 ３３ａ・・・偏光ビームスプリッタ、 ３３ｂ・・・偏光ビームスプリッタ、 ３４・・・ヨウ素セル、 ３５・・・反射鏡、 ４１・・・変復調用信号発生器、 ４２・・・３次微分用ロックインアンプ、 ４３・・・アクチュエータ制御部、 ４４・・・アクチュエータ駆動部、 ４５・・・指令温度補正部、 ５１・・・温度検出器、 ５２・・・ペルチェ素子、 ５３・・・放熱器、 ５４・・・共振器温度制御器。

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、前記レーザ光を吸収セルに照射して光出力信号を得ると共に共振器長を変化させて前記光出力信号に含まれる特定の飽和吸収線の中心に前記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装置において、
   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に変位を与える電圧を印加するアクチュエータ駆動部と、
   前記共振器の温度を検出する温度検出器と、
   前記共振器を加熱又は冷却する変温装置と、
   予め与えられた指令温度と前記温度検出器で検出された前記共振器の温度とに基づいて前記変温装置を制御すると共に前記共振器の温度が安定化したかどうかを判定する共振器温度制御部と、
   前記アクチュエータへの印加電圧がほぼ一定になるように前記共振器温度制御部に与える指令温度を補正する指令温度補正部と、
   前記共振器温度制御部にて前記共振器の温度が安定化したと判定された後に、前記レーザの発振周波数が前記飽和吸収線の中心となる前記アクチュエータの印加電圧を観測するアクチュエータ制御部と
   を備えたことを特徴とする周波数安定化レーザ装置。
2. 前記指令温度補正部は、
   前記アクチュエータへの印加電圧が前記アクチュエータの印加電圧範囲のほぼ中心値に追従するように前記共振器温度制御部に与える指令温度を補正する
   ことを特徴とする請求項１記載の周波数安定化レーザ装置。
3. 前記指令温度補正部は、
   前記アクチュエータへの印加電圧の変化が所定の範囲を超えたら前記変化を吸収するように前記共振器温度制御部に与える指令温度を補正する
   ことを特徴とする請求項１記載の周波数安定化レーザ装置。
4. 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、前記レーザ光を吸収セルに照射して光出力信号を得ると共に共振器長を変化させるアクチュエータの印加電圧を制御することにより、前記光出力信号のレーザ発振周波数を、前記光出力信号に含まれる特定の飽和吸収線の中心に安定化させるレーザ周波数安定化方法において、
   前記レーザ発振周波数が前記飽和吸収線の中心となる前記アクチュエータの印加電圧を観測する工程と、
   観測された前記アクチュエータの印加電圧に基づいて前記アクチュエータの印加電圧がほぼ一定となるように前記共振器に対する指令温度を補正する工程と、
   前記補正された指令温度に基づいて前記共振器の温度を制御する工程と、
   前記共振器の温度が安定化したかどうかを判定する判定工程とを備え、
   前記アクチュエータの印加電圧を観測する工程は、前記判定工程で前記共振器の温度が安定化したと判定された後に実行される
   ことを特徴とするレーザ周波数安定化方法。
5. 周波数安定化動作前においては、
   前記アクチュエータの印加電圧を観測する工程は、
   前記アクチュエータへの印加電圧を印加電圧範囲内で連続的に変化させる走査工程と、
   この走査工程でレーザ発振周波数が前記特定の飽和吸収線の中心となる前記アクチュエータの印加電圧を観測する工程とを含み、
   前記指令温度を補正する工程は、前記レーザ発振周波数が前記特定の飽和吸収線の中心となるアクチュエータの印加電圧が、前記アクチュエータの印加電圧範囲のほぼ中心の電圧値となるように前記指令温度を補正する工程である
   ことを特徴とする請求項４記載のレーザ周波数安定化方法。
6. 周波数安定化動作後においては、
   前記アクチュエータの印加電圧を観測する工程は、所定のサンプリング周期で前記アクチュエータの印加電圧を観測する工程であり、
   前記指令温度を補正する工程は、前記アクチュエータの印加電圧の変化が所定の範囲を超えたときに前記指令温度を補正する工程である
   ことを特徴とする請求項４または５記載のレーザ周波数安定化方法。
7. 周波数安定化動作前においては、
   前記判定工程は、所定のサンプリング周期で、
   前記アクチュエータへの印加電圧を印加電圧範囲内で連続的に変化させる走査工程と、
   この走査工程でレーザ発振周波数が前記特定の飽和吸収線の中心となる前記アクチュエータの印加電圧を観測する工程と、
   この工程で観測されたアクチュエータの印加電圧と前回のサンプリングで観測されたアクチュエータの印加電圧との差分値が、所定値を下回るかどうかを判定する工程と
   を繰り返し、
   前記差分値が所定値を下回ったと判定されたときに前記共振器の温度が安定化したと判定する工程である
   ことを特徴とする請求項４から６のいずれか１項記載のレーザ周波数安定化方法。
8. 周波数安定化動作後においては、
   前記判定工程は、所定のサンプリング周期で、
   前記アクチュエータの印加電圧を観測する工程と、
   この工程で観測されたアクチュエータの印加電圧と前回のサンプリングで観測されたアクチュエータの印加電圧との差分値が、所定値を下回るかどうかを判定する工程と
   を繰り返し、
   前記差分値が所定値を下回ったと判定されたときに前記共振器の温度が安定化したと判定する工程である
   ことを特徴とする請求項４から６のいずれか１項記載のレーザ周波数安定化方法。

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