JP5859793B2 - 光出力信号の安定化判定方法、及びレーザ周波数安定化装置 - Google Patents
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Description
本発明は、光出力信号の安定化判定方法、及びレーザ周波数安定化装置に関する。
従来、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共振器長を変化させてレーザ光の発振周波数を特定の飽和吸収線に安定化させるレーザ周波数安定化装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
図４は、従来のレーザ周波数安定化装置１００を示すブロック図である。
レーザ周波数安定化装置１００は、図４に示すように、レーザ発生部１０と、レーザ光検出部２０と、駆動制御部３０とを備える。
レーザ発生部１０は、波長808nmのレーザ光Ｌ１を放出する励起用半導体レーザ１１と、レーザ光Ｌ１を入力し、波長532nmのレーザ光Ｌ２を出力する共振波生成部１２とを備える。
共振波生成部１２は、誘導輻射から波長1064nmの光を発光するＮｄ：ＹＶＯ４結晶１２１、波長1064nmの光の一部を波長532nmの光とするＫＴＰ結晶（非線形光学結晶）１２２、レーザ光の特定周波数のみを透過させるエタロン１２３、波長1064nmの光を反射させ波長532nmの光を透過させる反射鏡１２４等の光学素子が共振器筐体１２５に収納された構成を有する。
そして、共振器筐体１２５内部にエタロン１２３を配設することで、シングルモードのレーザ光Ｌ２が得られる。
また、共振器筐体１２５内部には、電圧の印加により反射鏡１２４の位置を変更（共振器長を変更）するピエゾ素子等のアクチュエータ１２６が配設されている。
レーザ周波数安定化装置１００は、図４に示すように、レーザ発生部１０と、レーザ光検出部２０と、駆動制御部３０とを備える。
レーザ発生部１０は、波長808nmのレーザ光Ｌ１を放出する励起用半導体レーザ１１と、レーザ光Ｌ１を入力し、波長532nmのレーザ光Ｌ２を出力する共振波生成部１２とを備える。
共振波生成部１２は、誘導輻射から波長1064nmの光を発光するＮｄ：ＹＶＯ４結晶１２１、波長1064nmの光の一部を波長532nmの光とするＫＴＰ結晶（非線形光学結晶）１２２、レーザ光の特定周波数のみを透過させるエタロン１２３、波長1064nmの光を反射させ波長532nmの光を透過させる反射鏡１２４等の光学素子が共振器筐体１２５に収納された構成を有する。
そして、共振器筐体１２５内部にエタロン１２３を配設することで、シングルモードのレーザ光Ｌ２が得られる。
また、共振器筐体１２５内部には、電圧の印加により反射鏡１２４の位置を変更（共振器長を変更）するピエゾ素子等のアクチュエータ１２６が配設されている。
レーザ光検出部２０は、レーザ光Ｌ２を、λ／２板２１を透過させた後、第１偏光ビームスプリッタ２２で、測長等に使用するレーザ光Ｌ３と、後述する飽和吸収線探索処理（以下、探索処理）及びレーザ光発振周波数固定処理（以下、周波数固定処理）に使用するレーザ光Ｌ４に分離する。
また、レーザ光検出部２０は、レーザ光Ｌ４を、第２偏光ビームスプリッタ２３、λ／４板２４、及びヨウ素セル（吸収セル）２５を透過させた後、反射鏡２６にてヨウ素セル２５に向けて反射させる。
そして、レーザ光検出部２０は、レーザ光Ｌ４を、再度、ヨウ素セル２５及びλ／４板２４を通過させた後、第２偏光ビームスプリッタ２３にて変換装置としての光検出器２７に向けて反射させ、光検出器２７にて光電変換することで光出力信号Ｓ１を出力する。
また、レーザ光検出部２０は、レーザ光Ｌ４を、第２偏光ビームスプリッタ２３、λ／４板２４、及びヨウ素セル（吸収セル）２５を透過させた後、反射鏡２６にてヨウ素セル２５に向けて反射させる。
そして、レーザ光検出部２０は、レーザ光Ｌ４を、再度、ヨウ素セル２５及びλ／４板２４を通過させた後、第２偏光ビームスプリッタ２３にて変換装置としての光検出器２７に向けて反射させ、光検出器２７にて光電変換することで光出力信号Ｓ１を出力する。
図５は、光出力信号Ｓ１及び２次微分信号Ｓ２を示す図である。
なお、図５（Ａ）は、各信号Ｓ１，Ｓ２の出力値を縦軸とし、アクチュエータ１２６への出力電圧Ｖを横軸とし、出力電圧Ｖを変化させた場合（共振器長を変化させた場合）での各信号Ｓ１，Ｓ２の波形をそれぞれ示す図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の領域Ａｒの２次微分信号Ｓ２を拡大した図である。
図５（Ａ）に示すように、出力電圧Ｖを幅広く走査すると、吸収線Ｍ１〜Ｍ４が周期的に繰り返して観測されることがわかる。なお、吸収線Ｍ１と吸収線Ｍ３とは同一の吸収線であり、吸収線Ｍ２と吸収線Ｍ４とは同一の吸収線である。
ここで、吸収線Ｍ１〜Ｍ４は、飽和吸収線群が束となったものである。例えば、吸収線Ｍ２は、図５（Ｂ）に示すように、出力電圧Ｖの低い側から順に、飽和吸収線群Ｎ１（飽和吸収線ａ１）と、飽和吸収線群Ｎ２（飽和吸収線ａ２〜ａ５）と、飽和吸収線群Ｎ３（飽和吸収線ａ６〜ａ９）と、飽和吸収線群Ｎ４（飽和吸収線ａ１０）と、飽和吸収線群Ｎ５（飽和吸収線ａ１１〜ａ１４）と、飽和吸収線群Ｎ６（飽和吸収線ａ１５）とで構成されている。
なお、図５（Ａ）は、各信号Ｓ１，Ｓ２の出力値を縦軸とし、アクチュエータ１２６への出力電圧Ｖを横軸とし、出力電圧Ｖを変化させた場合（共振器長を変化させた場合）での各信号Ｓ１，Ｓ２の波形をそれぞれ示す図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の領域Ａｒの２次微分信号Ｓ２を拡大した図である。
図５（Ａ）に示すように、出力電圧Ｖを幅広く走査すると、吸収線Ｍ１〜Ｍ４が周期的に繰り返して観測されることがわかる。なお、吸収線Ｍ１と吸収線Ｍ３とは同一の吸収線であり、吸収線Ｍ２と吸収線Ｍ４とは同一の吸収線である。
ここで、吸収線Ｍ１〜Ｍ４は、飽和吸収線群が束となったものである。例えば、吸収線Ｍ２は、図５（Ｂ）に示すように、出力電圧Ｖの低い側から順に、飽和吸収線群Ｎ１（飽和吸収線ａ１）と、飽和吸収線群Ｎ２（飽和吸収線ａ２〜ａ５）と、飽和吸収線群Ｎ３（飽和吸収線ａ６〜ａ９）と、飽和吸収線群Ｎ４（飽和吸収線ａ１０）と、飽和吸収線群Ｎ５（飽和吸収線ａ１１〜ａ１４）と、飽和吸収線群Ｎ６（飽和吸収線ａ１５）とで構成されている。
駆動制御部３０は、光出力信号Ｓ１に基づいて、アクチュエータ１２６の動作を制御し（共振器長を調整し）、発振周波数を特定の飽和吸収線に安定化させる。
具体的に、駆動制御部３０では、自動ロック装置３１の制御信号により、アクチュエータ制御部３２がアクチュエータ駆動回路３３を制御する（アクチュエータ駆動回路３３に出力する電圧値Ｖｃを調整する）ことで、アクチュエータ１２６への出力電圧Ｖを変更する。
なお、駆動制御部３０は、上述した構成３１〜３３の他、周波数１ｆ，２ｆ，３ｆＨｚの信号を出力する変復調信号発生器３４と、アクチュエータ駆動回路３３にて周波数１ｆＨｚの信号に基づき変調されたレーザ光Ｌ２の励起により得られる光出力信号Ｓ１を周波数２ｆ，３ｆＨｚでそれぞれ変調し、２次，３次微分信号Ｓ２，Ｓ３をそれぞれ出力する２次，３次微分用ロックインアンプ３５，３６を備える。
具体的に、駆動制御部３０では、自動ロック装置３１の制御信号により、アクチュエータ制御部３２がアクチュエータ駆動回路３３を制御する（アクチュエータ駆動回路３３に出力する電圧値Ｖｃを調整する）ことで、アクチュエータ１２６への出力電圧Ｖを変更する。
なお、駆動制御部３０は、上述した構成３１〜３３の他、周波数１ｆ，２ｆ，３ｆＨｚの信号を出力する変復調信号発生器３４と、アクチュエータ駆動回路３３にて周波数１ｆＨｚの信号に基づき変調されたレーザ光Ｌ２の励起により得られる光出力信号Ｓ１を周波数２ｆ，３ｆＨｚでそれぞれ変調し、２次，３次微分信号Ｓ２，Ｓ３をそれぞれ出力する２次，３次微分用ロックインアンプ３５，３６を備える。
自動ロック装置３１は、探索処理にて、一度、飽和吸収線を測定し（吸収線Ｍ１〜Ｍ４の数、各吸収線Ｍ１〜Ｍ４に属する飽和吸収線群の数、及び各飽和吸収線群に属する飽和吸収線の数を測定し）、周波数固定処理にて、再度、飽和吸収線を測定して、発振周波数を所望の飽和吸収線に固定する。
なお、自動ロック装置３１は、探索処理及び周波数固定処理において、出力電圧Ｖを変更しながら、２次微分信号Ｓ２の出力値が所定の電圧値Ｖｔｈ（図５（Ｂ））以上となった場合に、当該信号を飽和吸収線と認定している。
なお、自動ロック装置３１は、探索処理及び周波数固定処理において、出力電圧Ｖを変更しながら、２次微分信号Ｓ２の出力値が所定の電圧値Ｖｔｈ（図５（Ｂ））以上となった場合に、当該信号を飽和吸収線と認定している。
図６は、従来のレーザ周波数安定化装置１００の電源投入直後の光出力信号を示す図である。
なお、図６は、光出力信号Ｓ１の出力値を縦軸とし、電源投入してからの経過時間を横軸とし、共振器長を所定値に設定した状態での光出力信号Ｓ１の出力値の時間変化を示す図である。
ところで、光出力信号Ｓ１は、図６に示すように、レーザ周波数安定化装置１００の電源投入時から暫くの間（図６では、２７００秒程度）、不安定な状態が続き、その後、安定化するものである。言い換えれば、光出力信号Ｓ１を周波数２ｆＨｚで変調した２次微分信号Ｓ２も同様に、電源投入時から暫くの間、不安定な状態が続き、その後、安定化するものである。
すなわち、電源投入直後には、２次微分信号Ｓ２が不安定な状態であるため、探索処理及び周波数固定処理を実施しても飽和吸収線を精度良く測定できない。
このため、従来では、作業者は、電源投入時から一定時間が経過した後、すなわち、光出力信号Ｓ１（２次微分信号）が安定化するまで待った後、レーザ周波数安定化装置１００の使用（探索処理及び周波数固定処理）を開始していた。
しかしながら、作業者は、光出力信号Ｓ１が実際に安定化しているか否かを判別することが難しいものである。このため、レーザ周波数安定化装置１００の使用を開始した時点で未だ光出力信号Ｓ１が不安定な状態であったり、光出力信号Ｓ１が安定化しているにも拘らずレーザ周波数安定化装置１００の使用を待機したりすることとなり、レーザ周波数安定化装置１００の利便性の向上が図れない、という問題がある。
なお、図６は、光出力信号Ｓ１の出力値を縦軸とし、電源投入してからの経過時間を横軸とし、共振器長を所定値に設定した状態での光出力信号Ｓ１の出力値の時間変化を示す図である。
ところで、光出力信号Ｓ１は、図６に示すように、レーザ周波数安定化装置１００の電源投入時から暫くの間（図６では、２７００秒程度）、不安定な状態が続き、その後、安定化するものである。言い換えれば、光出力信号Ｓ１を周波数２ｆＨｚで変調した２次微分信号Ｓ２も同様に、電源投入時から暫くの間、不安定な状態が続き、その後、安定化するものである。
すなわち、電源投入直後には、２次微分信号Ｓ２が不安定な状態であるため、探索処理及び周波数固定処理を実施しても飽和吸収線を精度良く測定できない。
このため、従来では、作業者は、電源投入時から一定時間が経過した後、すなわち、光出力信号Ｓ１（２次微分信号）が安定化するまで待った後、レーザ周波数安定化装置１００の使用（探索処理及び周波数固定処理）を開始していた。
しかしながら、作業者は、光出力信号Ｓ１が実際に安定化しているか否かを判別することが難しいものである。このため、レーザ周波数安定化装置１００の使用を開始した時点で未だ光出力信号Ｓ１が不安定な状態であったり、光出力信号Ｓ１が安定化しているにも拘らずレーザ周波数安定化装置１００の使用を待機したりすることとなり、レーザ周波数安定化装置１００の利便性の向上が図れない、という問題がある。
本発明の目的は、光出力信号が安定化しているか否かを自動で判定でき、利便性の向上が図れる安定化判定方法、及びレーザ周波数安定化装置を提供することにある。
本発明の安定化判定方法は、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共振器長を変化させて前記レーザ光の発振周波数を特定の前記飽和吸収線に安定化させるレーザ周波数安定化装置に用いられる光出力信号の安定化判定方法であって、前記レーザ周波数安定化装置は、前記吸収セルを介したレーザ光を前記光出力信号に変換する変換装置と、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の動作を制御する制御装置とを備え、前記制御装置が、前記変換装置にて変換された前記光出力信号をメモリに記憶し、当該光出力信号を解析する信号解析ステップと、前記信号解析ステップの解析結果に基づいて、前記光出力信号が安定化しているか否かを判定する安定化判定ステップとを実行することを特徴とする。
本発明では、安定化判定方法は、レーザ周波数安定化装置を構成する制御装置にて実行される上述した信号解析ステップ及び安定化判定ステップを備える。
このことにより、光出力信号が安定化しているか否かを自動で判定できる。
このため、制御装置は、光出力信号が安定化していると判定した後、例えば、（１）レーザ周波数安定化装置が使用可能である旨を作業者に認識させる処理（ＬＥＤ(Light Emitting Diode)等の点灯制御、または、音声での報知制御等）、あるいは、（２）探索処理及び周波数固定処理に自動的に移行することができる。
したがって、レーザ周波数安定化装置の使用を開始した時点で未だ光出力信号が不安定な状態であったり、光出力信号が安定化しているにも拘らずレーザ周波数安定化装置の使用を待機したりすることがなく、レーザ周波数安定化装置の利便性の向上が図れる。
このことにより、光出力信号が安定化しているか否かを自動で判定できる。
このため、制御装置は、光出力信号が安定化していると判定した後、例えば、（１）レーザ周波数安定化装置が使用可能である旨を作業者に認識させる処理（ＬＥＤ(Light Emitting Diode)等の点灯制御、または、音声での報知制御等）、あるいは、（２）探索処理及び周波数固定処理に自動的に移行することができる。
したがって、レーザ周波数安定化装置の使用を開始した時点で未だ光出力信号が不安定な状態であったり、光出力信号が安定化しているにも拘らずレーザ周波数安定化装置の使用を待機したりすることがなく、レーザ周波数安定化装置の利便性の向上が図れる。
本発明の安定化判定方法では、前記制御装置が、前記安定化判定ステップにて前記光出力信号が安定化していないと判定した場合に、前記アクチュエータの動作を制御して前記共振器長を変化させる共振器長変更ステップを実行し、前記共振器長変更ステップの後、再度、前記信号解析ステップ及び前記安定化判定ステップを実行することが好ましい。
ところで、共振器長によっては、モードホップ（図５（Ａ）のモードホップＣを参照）と呼ばれるレーザ光の発振周波数が急激に変化する現象が発生する。
そして、光出力信号を検出する際に設定された共振器長でモードホップ現象が発生している場合には、当該光出力信号は、常時、不安定な状態となる。
すなわち、信号解析ステップ及び安定化判定ステップを実行する際の共振器長でモードホップ現象が発生している場合には、本来（モードホップ現象が発生しない共振器長で）、光出力信号が安定化しているにも拘らず、いつまで経っても、光出力信号が安定化していると判定することができない。
そして、光出力信号を検出する際に設定された共振器長でモードホップ現象が発生している場合には、当該光出力信号は、常時、不安定な状態となる。
すなわち、信号解析ステップ及び安定化判定ステップを実行する際の共振器長でモードホップ現象が発生している場合には、本来（モードホップ現象が発生しない共振器長で）、光出力信号が安定化しているにも拘らず、いつまで経っても、光出力信号が安定化していると判定することができない。
本発明では、安定化判定方法は、制御装置にて実行される上述した共振器長変更ステップを備える。
このことにより、制御装置は、モードホップ現象が発生しているために光出力信号が安定化していると判定できない場合に、共振器長をモードホップ現象が発生しない共振器長に変化させ、再度、信号解析ステップ及び安定化判定ステップを実行できる。
したがって、モードホップ現象が発生していることで光出力信号が不安定な状態となっているにも拘らず、レーザ周波数安定化装置が故障していると制御装置が誤って判断することを防止できる。
このことにより、制御装置は、モードホップ現象が発生しているために光出力信号が安定化していると判定できない場合に、共振器長をモードホップ現象が発生しない共振器長に変化させ、再度、信号解析ステップ及び安定化判定ステップを実行できる。
したがって、モードホップ現象が発生していることで光出力信号が不安定な状態となっているにも拘らず、レーザ周波数安定化装置が故障していると制御装置が誤って判断することを防止できる。
本発明の安定化判定方法では、前記制御装置が、当該安定化判定方法の開始時点から前記安定化判定ステップにて前記光出力信号が安定化していると判定するまでの時間を計測する計測ステップを実行することが好ましい。
ところで、安定化判定方法の開始時点（例えば、電源投入時点）から光出力信号が安定化するまでの時間は、レーザ周波数安定化装置の構成部材（例えば、エタロン）の劣化度合い等と関係があるものである。
本発明では、安定化判定方法は、制御装置にて実行される上述した計測ステップを備える。
このことにより、作業者は、計測ステップにて計測した時間を把握することで、レーザ周波数安定化装置の構成部材の交換時期等のメンテナンス時期を効率的に認識することができる。
ところで、安定化判定方法の開始時点（例えば、電源投入時点）から光出力信号が安定化するまでの時間は、レーザ周波数安定化装置の構成部材（例えば、エタロン）の劣化度合い等と関係があるものである。
本発明では、安定化判定方法は、制御装置にて実行される上述した計測ステップを備える。
このことにより、作業者は、計測ステップにて計測した時間を把握することで、レーザ周波数安定化装置の構成部材の交換時期等のメンテナンス時期を効率的に認識することができる。
本発明のレーザ周波数安定化装置は、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共振器長を変化させて前記レーザ光の発振周波数を特定の前記飽和吸収線に安定化させるレーザ周波数安定化装置であって、前記吸収セルを介したレーザ光を前記光出力信号に変換する変換装置と、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の動作を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記変換装置にて変換された前記光出力信号をメモリに記憶し、当該光出力信号を解析する信号解析手段と、前記信号解析手段の解析結果に基づいて、前記光出力信号が安定化しているか否かを判定する安定化判定手段とを備えることを特徴とする。
本発明のレーザ周波数安定化装置は、上述した安定化判定方法を実施する装置であるため、上述した安定化判定方法と同様の作用及び効果を享受できる。
本発明のレーザ周波数安定化装置は、上述した安定化判定方法を実施する装置であるため、上述した安定化判定方法と同様の作用及び効果を享受できる。
以下、本発明の実施の一形態を図面に基づいて説明する。
〔レーザ周波数安定化装置の構成〕
図１は、レーザ周波数安定化装置１を示すブロック図である。
レーザ周波数安定化装置１は、図１に示すように、従来のレーザ周波数安定化装置１００と同様のレーザ発生部１０、レーザ光検出部２０、及び駆動制御部３０を備える。
なお、本実施形態のレーザ周波数安定化装置１は、従来のレーザ周波数安定化装置１００と比較して、探索処理及び周波数安定化処理を実施する機能の他、光出力信号Ｓ１が安定化しているか否かを判定する機能を有する制御装置３７を備える点が異なる。
このため、以下では、従来のレーザ周波数安定化装置１００と同様の機能及び構成については同様の符号を付して説明を省略し、本願の要部である制御装置３７について詳細に説明する。
〔レーザ周波数安定化装置の構成〕
図１は、レーザ周波数安定化装置１を示すブロック図である。
レーザ周波数安定化装置１は、図１に示すように、従来のレーザ周波数安定化装置１００と同様のレーザ発生部１０、レーザ光検出部２０、及び駆動制御部３０を備える。
なお、本実施形態のレーザ周波数安定化装置１は、従来のレーザ周波数安定化装置１００と比較して、探索処理及び周波数安定化処理を実施する機能の他、光出力信号Ｓ１が安定化しているか否かを判定する機能を有する制御装置３７を備える点が異なる。
このため、以下では、従来のレーザ周波数安定化装置１００と同様の機能及び構成については同様の符号を付して説明を省略し、本願の要部である制御装置３７について詳細に説明する。
〔制御装置の構成〕
図２は、制御装置３７を示すブロック図である。
制御装置３７は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)や、メモリ３７６等を備え、メモリ３７６に記憶されたプログラムにしたがって、種々の処理を実行する。
この制御装置３７は、図１または図２に示すように、従来のレーザ周波数安定化装置１００と同様の自動ロック装置３１の他、信号解析手段３７１と、安定化判定手段３７２と、実施回数判定手段３７３と、共振器長変更手段３７４と、時間計測手段３７５と、メモリ３７６等を備える。
図２は、制御装置３７を示すブロック図である。
制御装置３７は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)や、メモリ３７６等を備え、メモリ３７６に記憶されたプログラムにしたがって、種々の処理を実行する。
この制御装置３７は、図１または図２に示すように、従来のレーザ周波数安定化装置１００と同様の自動ロック装置３１の他、信号解析手段３７１と、安定化判定手段３７２と、実施回数判定手段３７３と、共振器長変更手段３７４と、時間計測手段３７５と、メモリ３７６等を備える。
信号解析手段３７１は、光検出器２７からの光出力信号Ｓ１を入力し、当該光出力信号Ｓ１を解析する。
安定化判定手段３７２は、信号解析手段３７１の解析結果に基づいて、光出力信号Ｓ１が安定化しているか否かを判定する。
実施回数判定手段３７３は、信号解析手段３７１及び安定化判定手段３７２による処理の実施回数、並びに、共振器長変更手段３７４による処理の実施回数を計測し、当該計測した各実施回数が所定の回数を超えたか否かを判定する。
安定化判定手段３７２は、信号解析手段３７１の解析結果に基づいて、光出力信号Ｓ１が安定化しているか否かを判定する。
実施回数判定手段３７３は、信号解析手段３７１及び安定化判定手段３７２による処理の実施回数、並びに、共振器長変更手段３７４による処理の実施回数を計測し、当該計測した各実施回数が所定の回数を超えたか否かを判定する。
共振器長変更手段３７４は、アクチュエータ駆動回路３３の動作を制御し（アクチュエータ１２６に印加する電圧Ｖを調整し）、共振器長を変化させる。
時間計測手段３７５は、電源投入時から安定化判定手段３７２にて光出力信号Ｓ１が安定化していると判定されるまでの時間を計測する。
時間計測手段３７５は、電源投入時から安定化判定手段３７２にて光出力信号Ｓ１が安定化していると判定されるまでの時間を計測する。
〔安定化判定方法〕
図３は、安定化判定方法を説明するフローチャートである。
次に、上述した制御装置３７による安定化判定方法について説明する。
制御装置３７は、レーザ周波数安定化装置１に電源が投入されると、以下に示す安定化判定方法を実施する。
先ず、共振器長変更手段３７４は、アクチュエータ駆動回路３３の動作を制御し、共振器長を所定値に変化させる（ステップＳＴ１）。
図３は、安定化判定方法を説明するフローチャートである。
次に、上述した制御装置３７による安定化判定方法について説明する。
制御装置３７は、レーザ周波数安定化装置１に電源が投入されると、以下に示す安定化判定方法を実施する。
先ず、共振器長変更手段３７４は、アクチュエータ駆動回路３３の動作を制御し、共振器長を所定値に変化させる（ステップＳＴ１）。
次に、信号解析手段３７１は、一定時間、光出力信号Ｓ１を解析する（ステップＳＴ２：信号解析ステップ）。
具体的に、信号解析手段３７１は、所定のサンプリング間隔で、光検出器２７から出力される光出力信号Ｓ１の出力値を順次、メモリ３７６に記憶させる。
そして、信号解析手段３７１は、上記一定時間の経過後、メモリ３７６に記憶させた光出力信号Ｓ１の出力値を読み取り、標準偏差を計算する。
なお、上記一定時間としては、標準的なレーザ周波数安定化装置１において、電源投入時から光出力信号Ｓ１が安定化するまでに掛かると予想される時間（以下、予想安定時間）に対して、十分に短い時間である。
具体的に、信号解析手段３７１は、所定のサンプリング間隔で、光検出器２７から出力される光出力信号Ｓ１の出力値を順次、メモリ３７６に記憶させる。
そして、信号解析手段３７１は、上記一定時間の経過後、メモリ３７６に記憶させた光出力信号Ｓ１の出力値を読み取り、標準偏差を計算する。
なお、上記一定時間としては、標準的なレーザ周波数安定化装置１において、電源投入時から光出力信号Ｓ１が安定化するまでに掛かると予想される時間（以下、予想安定時間）に対して、十分に短い時間である。
ステップＳＴ２の後、安定化判定手段３７２は、信号解析手段３７１にて計算された標準偏差と所定の閾値とを比較し、標準偏差が所定の閾値未満であるか否か、すなわち、光出力信号Ｓ１が安定化しているか否かを判定する（ステップＳＴ３：安定化判定ステップ）。
ステップＳＴ３において、安定化判定手段３７２にて「Ｙ」と判定された場合には、制御装置３７は、安定化判定方法の実施を終了する。
ステップＳＴ３において、安定化判定手段３７２にて「Ｙ」と判定された場合には、制御装置３７は、安定化判定方法の実施を終了する。
一方、ステップＳＴ３において、安定化判定手段３７２にて「Ｎ」と判定された場合には、実施回数判定手段３７３は、計測していた信号解析手段３７１及び安定化判定手段３７２による処理の実施回数（信号解析ステップＳＴ２及び安定化判定ステップＳＴ３の実施回数）が所定の回数ｍを超えているか否かを判定する（ステップＳＴ４）。
なお、上記回数ｍとしては、上記予想安定時間を上記一定時間で除した数に近似した回数である。
すなわち、ステップＳＴ４では、電源投入時から一般的に光出力信号Ｓ１が安定するまでに掛かる上記予想安定時間が経過するまで、信号解析ステップＳＴ２及び安定化判定ステップＳＴ３を繰り返し実施したか否かを判定するものである。
ステップＳＴ４において、実施回数判定手段３７３にて「Ｎ」と判定された場合には、制御装置３７は、実施回数判定手段３７３にて「Ｙ」と判定されるまで、信号解析ステップＳＴ２及び安定化判定ステップＳＴ３を繰り返し実施する。
なお、上記回数ｍとしては、上記予想安定時間を上記一定時間で除した数に近似した回数である。
すなわち、ステップＳＴ４では、電源投入時から一般的に光出力信号Ｓ１が安定するまでに掛かる上記予想安定時間が経過するまで、信号解析ステップＳＴ２及び安定化判定ステップＳＴ３を繰り返し実施したか否かを判定するものである。
ステップＳＴ４において、実施回数判定手段３７３にて「Ｎ」と判定された場合には、制御装置３７は、実施回数判定手段３７３にて「Ｙ」と判定されるまで、信号解析ステップＳＴ２及び安定化判定ステップＳＴ３を繰り返し実施する。
一方、実施回数判定手段３７３は、ステップＳＴ４において、「Ｙ」と判定した場合には、計測していた共振器長変更手段３７４による処理の実施回数（後述するステップＳＴ６の実施回数）が所定の回数ｎを超えているか否かを判定する（ステップＳＴ５）。
ステップＳＴ５において、実施回数判定手段３７３にて「Ｎ」と判定された場合には、共振器長変更手段３７４は、アクチュエータ駆動回路３３の動作を制御し、共振器長を変化させる（ステップＳＴ６：共振器長変更ステップ）。
ステップＳＴ５において、実施回数判定手段３７３にて「Ｎ」と判定された場合には、共振器長変更手段３７４は、アクチュエータ駆動回路３３の動作を制御し、共振器長を変化させる（ステップＳＴ６：共振器長変更ステップ）。
そして、制御装置３７は、共振器長変更ステップＳＴ６で変化させた共振器長にて光検出器２７から出力される光出力信号Ｓ１に基づいて、当該光出力信号Ｓ１が安定化していると判定されるまで、ステップＳＴ２〜ＳＴ４の処理を繰り返し実施する。
また、制御装置３７は、上記ステップＳＴ２〜ＳＴ４の処理を繰り返し実施してもなお、光出力信号Ｓ１が安定化していると判定されない場合には、再度、共振器長変更ステップＳＴ６を実施し、上記ステップＳＴ２〜ＳＴ４の処理を繰り返し実施する。
また、制御装置３７は、上記ステップＳＴ２〜ＳＴ４の処理を繰り返し実施してもなお、光出力信号Ｓ１が安定化していると判定されない場合には、再度、共振器長変更ステップＳＴ６を実施し、上記ステップＳＴ２〜ＳＴ４の処理を繰り返し実施する。
そして、制御装置３７は、上記ステップＳＴ２〜ＳＴ６の処理を繰り返し実施した結果、ステップＳＴ５で「Ｙ」と判定した場合には、エラー処理を実施し（ステップＳＴ７）、安定化判定方法の実施を終了する。
ここで、エラー処理としては、例えば、ＬＥＤ等の点灯制御、あるいは、音声による報知制御により、レーザ周波数安定化装置１が故障している旨を作業者に知らせる処理が挙げられる。
ここで、エラー処理としては、例えば、ＬＥＤ等の点灯制御、あるいは、音声による報知制御により、レーザ周波数安定化装置１が故障している旨を作業者に知らせる処理が挙げられる。
なお、図３では図示を省略したが、時間計測手段３７５は、上述した安定化判定方法が実施されている際に、以下に示すように、時間を計測する（計測ステップ）。
時間計測手段３７５は、電源投入時（安定化判定方法の開始時）から、ステップＳＴ１〜ＳＴ４の処理において、光出力信号Ｓ１が安定化していると判定されるまでの時間を計測する。
そして、時間計測手段３７５は、当該計測した時間をメモリ３７６に記憶させる。
なお、時間計測手段３７５は、上述した安定化判定方法において、ステップＳＴ５〜ＳＴ７の処理のいずれかの処理が実施された場合には、計測した時間を初期化し、メモリ３７６に計測時間を記憶させない。
時間計測手段３７５は、電源投入時（安定化判定方法の開始時）から、ステップＳＴ１〜ＳＴ４の処理において、光出力信号Ｓ１が安定化していると判定されるまでの時間を計測する。
そして、時間計測手段３７５は、当該計測した時間をメモリ３７６に記憶させる。
なお、時間計測手段３７５は、上述した安定化判定方法において、ステップＳＴ５〜ＳＴ７の処理のいずれかの処理が実施された場合には、計測した時間を初期化し、メモリ３７６に計測時間を記憶させない。
上述した本実施形態によれば、以下の効果がある。
本実施形態では、安定化判定方法は、制御装置３７にて実行される信号解析ステップＳＴ２及び安定化判定ステップＳＴ３を備える。
このことにより、光出力信号Ｓ１が安定化しているか否かを自動で判定できる。
このため、制御装置３７は、光出力信号Ｓ１が安定化していると判定した後、（１）レーザ周波数安定化装置１が使用可能である旨を作業者に認識させる処理（ＬＥＤ等の点灯制御、音声での報知制御等）、あるいは、（２）探索処理及び周波数固定処理に自動的に移行することができる。
したがって、作業者は、レーザ周波数安定化装置１の使用を開始した時点で未だ光出力信号Ｓ１が不安定な状態であったり、光出力信号Ｓ１が安定化しているにも拘らずレーザ周波数安定化装置１の使用を待機したりすることがなく、レーザ周波数安定化装置１の利便性の向上が図れる。
本実施形態では、安定化判定方法は、制御装置３７にて実行される信号解析ステップＳＴ２及び安定化判定ステップＳＴ３を備える。
このことにより、光出力信号Ｓ１が安定化しているか否かを自動で判定できる。
このため、制御装置３７は、光出力信号Ｓ１が安定化していると判定した後、（１）レーザ周波数安定化装置１が使用可能である旨を作業者に認識させる処理（ＬＥＤ等の点灯制御、音声での報知制御等）、あるいは、（２）探索処理及び周波数固定処理に自動的に移行することができる。
したがって、作業者は、レーザ周波数安定化装置１の使用を開始した時点で未だ光出力信号Ｓ１が不安定な状態であったり、光出力信号Ｓ１が安定化しているにも拘らずレーザ周波数安定化装置１の使用を待機したりすることがなく、レーザ周波数安定化装置１の利便性の向上が図れる。
また、安定化判定方法は、制御装置３７にて実行される共振器長変更ステップＳＴ６を備える。
このことにより、制御装置３７は、モードホップ現象が発生しているために光出力信号Ｓ１が安定化していると判定できない場合に、共振器長をモードホップ現象が発生しない共振器長に変化させ、再度、信号解析ステップＳＴ２及び安定化判定ステップＳＴ３を実行できる。
したがって、モードホップ現象が発生していることで光出力信号Ｓ１が不安定な状態となっているにも拘らず、レーザ周波数安定化装置１に故障が生じていると制御装置３７が誤って判断することを防止できる。
このことにより、制御装置３７は、モードホップ現象が発生しているために光出力信号Ｓ１が安定化していると判定できない場合に、共振器長をモードホップ現象が発生しない共振器長に変化させ、再度、信号解析ステップＳＴ２及び安定化判定ステップＳＴ３を実行できる。
したがって、モードホップ現象が発生していることで光出力信号Ｓ１が不安定な状態となっているにも拘らず、レーザ周波数安定化装置１に故障が生じていると制御装置３７が誤って判断することを防止できる。
さらに、安定化判定方法は、制御装置３７にて実行される計測ステップを備える。
このことにより、作業者は、計測ステップにてメモリ３７６に記憶された時間を把握することで、レーザ周波数安定化装置１の構成部材（例えば、エタロン１２３等）の交換時期等のメンテナンス時期を効率的に認識することができる。
このことにより、作業者は、計測ステップにてメモリ３７６に記憶された時間を把握することで、レーザ周波数安定化装置１の構成部材（例えば、エタロン１２３等）の交換時期等のメンテナンス時期を効率的に認識することができる。
なお、本発明は、前記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。
前記実施形態では、信号解析ステップＳＴ２及び安定化判定ステップＳＴ３では、一定時間、検出した光出力信号Ｓ１の出力値の標準偏差に基づいて、光出力信号Ｓ１が安定化しているか否かを判定していたが、これに限らない。
例えば、光出力信号Ｓ１の出力値と所定の閾値とを比較し、当該比較結果に基づいて、光出力信号Ｓ１が安定化しているか否かを判定する方法を採用しても構わない。
すなわち、光出力信号Ｓ１を解析し、当該解析した結果に基づいて、光出力信号Ｓ１が安定化しているか否かを判定する方法であれば、いずれの方法でも構わない。
前記実施形態では、信号解析ステップＳＴ２及び安定化判定ステップＳＴ３では、一定時間、検出した光出力信号Ｓ１の出力値の標準偏差に基づいて、光出力信号Ｓ１が安定化しているか否かを判定していたが、これに限らない。
例えば、光出力信号Ｓ１の出力値と所定の閾値とを比較し、当該比較結果に基づいて、光出力信号Ｓ１が安定化しているか否かを判定する方法を採用しても構わない。
すなわち、光出力信号Ｓ１を解析し、当該解析した結果に基づいて、光出力信号Ｓ１が安定化しているか否かを判定する方法であれば、いずれの方法でも構わない。
本発明は、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共振器長を変化させてレーザ光の発振周波数を特定の飽和吸収線に安定化させるレーザ周波数安定化装置に利用できる。
１・・・レーザ周波数安定化装置
２５・・・ヨウ素セル（吸収セル）
２７・・・光検出器（変換装置）
３７・・・制御装置
１２６・・・アクチュエータ
３７１・・・信号解析手段
３７２・・・安定化判定手段
Ｓ１・・・光出力信号
ＳＴ２・・・信号解析ステップ
ＳＴ３・・・安定化判定ステップ
ＳＴ６・・・共振器長変更ステップ
２５・・・ヨウ素セル（吸収セル）
２７・・・光検出器（変換装置）
３７・・・制御装置
１２６・・・アクチュエータ
３７１・・・信号解析手段
３７２・・・安定化判定手段
Ｓ１・・・光出力信号
ＳＴ２・・・信号解析ステップ
ＳＴ３・・・安定化判定ステップ
ＳＴ６・・・共振器長変更ステップ
Claims (5)
- 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共振器長を変化させて前記レーザ光の発振周波数を特定の前記飽和吸収線に安定化させるレーザ周波数安定化装置に用いられる光出力信号の安定化判定方法であって、
前記レーザ周波数安定化装置は、
前記吸収セルを介したレーザ光を前記光出力信号に変換する変換装置と、
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の動作を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置が、
前記変換装置にて変換された前記光出力信号をメモリに記憶し、当該光出力信号を解析する信号解析ステップと、
前記信号解析ステップの解析結果に基づいて、前記光出力信号が安定化しているか否かを判定する安定化判定ステップと、を実行する
ことを特徴とする安定化判定方法。 - 請求項１に記載の安定化判定方法において、
前記安定化判定ステップは、前記光出力信号の出力値と、第１閾値との比較結果に基づいて、前記光出力信号が安定化しているか否かを判定する
ことを特徴とする安定化判定方法。 - 請求項１または請求項２に記載の安定化判定方法において、
前記信号解析ステップは、所定のサンプリング間隔で前記光出力信号を複数取得する
ことを特徴とする安定化判定方法。 - 請求項３に記載の安定化判定方法において、
前記信号解析ステップは、前記サンプリング間隔で取得された複数の前記光出力信号の出力値の標準偏差を算出し、
前記安定化判定ステップは、前記標準偏差と、第２閾値との比較結果に基づいて、前記光出力信号が安定化しているか否かを判定する
ことを特徴とする安定化判定方法。 - 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共振器長を変化させて前記レーザ光の発振周波数を特定の前記飽和吸収線に安定化させるレーザ周波数安定化装置であって、
前記吸収セルを介したレーザ光を前記光出力信号に変換する変換装置と、
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の動作を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記変換装置にて変換された前記光出力信号をメモリに記憶し、当該光出力信号を解析する信号解析手段と、
前記信号解析手段の解析結果に基づいて、前記光出力信号が安定化しているか否かを判定する安定化判定手段と、を備える
ことを特徴とするレーザ周波数安定化装置。
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