JP6154657B2 - レーザ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ装置に関する。
半導体レーザにより励起するＮｄ：ＹＡＧ結晶などを利得媒体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、レーザ光の波長を用いて測長を行うためには、レーザ光が単一周波数、すなわち単一縦モードで発振する必要がある。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、発振周波数が任意に選択可能でなければならない。例えば、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（特許文献１）。
ヨウ素分子の飽和吸収信号を含む光出力信号の微分信号を利用した周波数探索の原理は、既に知られている（非特許文献１）。
特開２００８−１３０８４８号公報
石川 純、「誰でも作れて携行できる長さの国家標準器」、Synthesiology、独立行政法人産業技術総合研究所、２００９年１１月、Ｖｏｌ．２、Ｎｏ．４、ｐｐ２７６−２８７
ところが、発明者は、上述の手法には、以下に示す問題点が有ることを見出した。上述の手法では、駆動電流を監視し、レーザの経時劣化を検出している。しかし、レーザ装置は、周囲の運用環境による振動等の外乱が加わることが考え得る。高い周波数安定度が要求されるレーザ装置に外乱が加わると、レーザ光の周波数が所定の周波数から一時的にずれてしまう現象が生じ、要求される周波数安定度を満たせなくなる。例えば、要求される周波数安定度が満たせない状態でレーザ光を測長等に用いれば、信頼性のある測長結果は得られない。したがって、レーザ光の周波数が所定の周波数から一時的にずれてしまう現象を検出することが求められる。しかし、上述の手法では、レーザの駆動電流を監視するだけなので、レーザ光の周波数が所定の周波数から一時的にずれてしまう現象を検出することができない。
本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、本発明の目的は、レーザ装置において、外乱などの影響によりレーザ光の周波数が一時的に所定の周波数からずれる現象を検出することである。
本発明の第１の態様であるレーザ装置は、周波数を調整可能なレーザ光を出力するレーザ光発生部と、ヨウ素セルに前記レーザ光を照射し、前記ヨウ素セルを通過した前記レーザ光を光電変換して第１の光出力信号を出力するレーザ光検出部と、前記第１の光出力信号の微分信号を生成する微分信号生成部と、前記レーザ光発生部に所定の範囲で前記レーザ光の周波数を変化させ、前記微分信号に生じる前記飽和吸収線に対応する振幅を検出し、前記レーザ光の周波数を所定値に安定させる周波数固定部と、前記微分信号に生じた飽和吸収線に対応する振幅が所定値よりも大きい場合に第１のエラー信号を出力するエラー検出部と、を備えるものである。これにより、レーザ装置が出力するレーザ光の周波数が、外乱などの影響により一時的に所定の周波数からずれる現象を検出することができる。
本発明の第２の態様であるレーザ装置は、上記のレーザ装置であって、入力される駆動状態制御信号に応じて、前記周波数固定部の前記レーザ光の周波数の安定制御の開始及び停止を制御する駆動状態制御部を更に備えるものである。これにより、レーザ装置が出力するレーザ光の周波数が、外乱などの影響により一時的に所定の周波数からずれる現象を検出することができる。
本発明の第３の態様であるレーザ装置は、上記のレーザ装置であって、前記第１のエラー信号が出力された場合に、前記周波数固定部の前記レーザ光の周波数の安定制御を停止するように、前記駆動状態制御部へ前記駆動状態制御信号を出力する停止判断部を更に備えるものである。これにより、レーザ装置が出力するレーザ光の周波数が、外乱などの影響により一時的に所定の周波数からずれた場合に、自動的にレーザ光の出力を停止することができる。
本発明の第４の態様であるレーザ装置は、上記のレーザ装置であって、第２の光出力信号に応じて前記レーザ光発生部から出力される前記レーザ光の光強度を制御するレーザ駆動制御部を更に備え、前記レーザ光検出部は、前記レーザ光を光電変換して前記第２の光出力信号を出力し、前記駆動状態制御部は、前記駆動状態制御信号に応じて、前記レーザ駆動制御部の前記レーザ光の光強度制御の開始及び停止を制御するものである。これにより、レーザ光発生部から出力されるレーザ光の光強度を調整することができる。
本発明の第５の態様であるレーザ装置は、上記のレーザ装置であって、前記レーザ光発生部は、光源であるレーザを備え、前記レーザ駆動制御部は、前記第２の光出力信号に基づいて、前記レーザに駆動電流を供給するものである。これにより、レーザ光発生部から出力されるレーザ光の光強度を調整することができる。
本発明の第６の態様であるレーザ装置は、上記のレーザ装置であって、前記エラー検出部は、前記駆動電流が所定値よりも大きい場合に第２のエラー信号を出力するものである。これにより、レーザ装置の光源の経時劣化の場合など、部品交換や修理を要する不具合を検出することができる。
本発明の第７の態様であるレーザ装置は、上記のレーザ装置であって、前記停止判断部は、前記第２のエラー信号が出力された場合に、前記周波数固定部が前記レーザ光の周波数の安定制御を停止し、前記レーザ駆動制御部が前記レーザ光の光強度制御を停止するように、前記駆動状態制御部へ前記駆動状態制御信号を出力するものである。これにより、レーザ装置の光源の経時劣化の場合など、部品交換や修理を要する不具合が生じたときに、自動的にレーザ光の出力を停止することができる。
本発明の第８の態様であるレーザ装置は、上記のレーザ装置であって、前記停止判断部は、リセットにより前記第１のエラー信号及び前記第２のエラー信号が出力されない状態となった場合に、前記周波数固定部が前記レーザ光の周波数の安定制御を開始し、前記レーザ駆動制御部が前記レーザ光の光強度制御を開始するように、前記駆動状態制御部へ前記駆動状態制御信号を出力するものである。これにより、レーザ光の出力を停止した後に、不具合の解消に伴い、レーザ光の出力を再開することができる。
本発明の第９の態様であるレーザ装置は、上記のレーザ装置であって、前記第１のエラー信号が入力され、かつ、エラーリセット禁止信号が入力されてない場合に、前記エラー検出部に前記第１のエラー信号をリセットさせるリセット動作を実行するエラーリセット部を更に備えるものである。これにより、レーザ光の出力を停止した後に、不具合の解消に伴い、レーザ光の出力を自動的に再開することができる。
本発明の第１０の態様であるレーザ装置は、上記のレーザ装置であって、前記エラーリセット部は、前記リセット動作を所定回数行った後に前記エラー検出部から前記第１のエラー信号が出力される場合には、前記リセット動作を実行しないものである。これにより、不具合が予期せず継続した場合に、リセット動作が不必要に繰り返されることを防止できる。
本発明によれば、レーザ装置において、外乱などの影響によりレーザ光の周波数が一時的に所定の周波数からずれる現象を検出することができる。
本発明の上述及び他の目的、特徴、及び長所は以下の詳細な説明及び付随する図面からより完全に理解されるだろう。付随する図面は図解のためだけに示されたものであり、本発明を制限するためのものではない。
実施の形態１にかかるレーザ装置１００の基本構成を模式的に示すブロック図である。 実施の形態１にかかるレーザ装置１００の構成をより詳細に示すブロック図である。 レーザ光発生部１の構成を模式的示す構成図である。 レーザ光検出部２の構成を模式的示す構成図である。 周波数固定部３３の構成例を模式的に示すブロック図である。 レーザ駆動制御部３４の構成例を模式的に示すブロック図である。 実施の形態１にかかるレーザ装置１００の動作を示すフローチャートである。 実施の形態２にかかるレーザ装置２００の構成を模式的に示すブロック図である。 実施の形態２にかかるレーザ装置２００の動作を示すフローチャートである。 実施の形態３にかかるレーザ装置３００の構成を模式的に示すブロック図である。 エラーリセット部５の構成を模式的に示すブロック図である。 実施の形態３にかかるレーザ装置３００の動作を示すフローチャートである。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。
実施の形態１
実施の形態１にかかるレーザ装置１００について説明する。レーザ装置１００は、発振するレーザ光の周波数を所定値に安定させることができる周波数安定化機能を有するレーザ装置として構成される。また、レーザ装置１００は、外乱等に起因してレーザ光の周波数が一時的に所定値からずれる現象を検出する周波数安定化不能状態検出動作を行う構成を有する。
図１に示すように、レーザ装置１００は、レーザ光発生部１、レーザ光検出部２及び駆動制御部３を有する。
レーザ光発生部１は、周波数１ｆ[Ｈｚ]の変調信号に基づき変調したレーザ光Ｌ３を出力する構成を有する。レーザ光Ｌ３は、例えば、波長１０６４ｎｍの光と、波長１０６４ｎｍの光の第２高調波である波長５３２ｎｍの光とを含む。図３に示すように、レーザ光発生部１は、半導体レーザ１１、集光光学系１２、半導体レーザ加熱冷却部１３、レーザ光共振部１４を有する。
半導体レーザ１１は、駆動電流が入力されることで、波長８０８ｎｍのレーザ光Ｌ１を出力する。半導体レーザ１１から出力されたレーザ光Ｌ１は、集光光学系１２により集光された後、レーザ光共振部１４に導光される。なお、集光光学系１２は、単一の光学部材で構成されてもよいし、複数の光学部材で構成されてもよい。半導体レーザ加熱冷却部１３は、半導体レーザ１１に近接又は接触して設けられ、制御信号ＳＩＧ３に応じて半導体レーザ１１を加熱又は冷却する。
レーザ光共振部１４は、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶１４１、ＫＴＰ結晶１４２、エタロン１４３、反射鏡１４４、アクチュエータ１４５及び共振器筐体１４６を有する。Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶１４１、ＫＴＰ結晶１４２、エタロン１４３、反射鏡１４４及びアクチュエータ１４５は、共振器筐体１４６内に格納されている。
ＹＶＯ４結晶１４１及びＫＴＰ結晶１４２は、レーザ光Ｌ１が入射する側に、この順で配置される。例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶１４１とＫＴＰ結晶１４２は、それぞれ比較的に線膨張率の大きな黄銅製のホルダ（不図示）に取り付けられている。
ＹＶＯ４結晶１４１は、レーザ光Ｌ１の照射によりＮｄ（ネオジム）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、レーザ光Ｌ１が入射する側のＮｄ：ＹＶＯ４結晶１４１の面には、波長１０６４ｎｍの光を反射するコーティング（不図示）が施されている。
ＫＴＰ結晶１４２は、非線形光学結晶であり、誘導輻射による波長１０６４ｎｍの光の一部を第２高調波である５３２ｎｍの光に変換する。ここで、波長１０６４ｎｍの光が単一縦モードであれば、第２高調波である波長５３２ｎｍの光も単一縦モードである。
レーザ光共振部１４の中央には、エタロン１４３が配置されている。エタロン１４３は、レーザ光の特定周波数のみを透過させる特性を有する。
レーザ光共振部１４のレーザ光出射側には、反射鏡１４４及びアクチュエータ１４５が配置されている。
反射鏡１４４は、波長１０６４ｎｍの光を反射し、波長５３２ｎｍの光を透過するコーティングが施されている。よって、レーザ光共振部１４では、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶１４２と反射鏡１４４とが、波長１０６４ｎｍの光に対する光共振器を構成する。
アクチュエータ１４５は、ピエゾ素子であって、電圧を印加されることにより変形し、反射鏡１４４の位置を変化させることが可能である。
上記のレーザ光共振部１４の構成から、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶１４１、ＫＴＰ結晶１４２を透過した光は、５３２ｎｍ、８０８ｎｍ、１０６４ｎｍの波長を含むレーザ光Ｌ２となる。そして、レーザ光共振部１４でレーザ光Ｌ２が増幅および波長選択されることにより、波長１０６４ｎｍ及び５３２ｎｍの単一縦モードのレーザ光Ｌ３が得られる。
また、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶１４１のＫＴＰ結晶１４２側の面、及び、ＫＴＰ結晶１４２の両面に反射防止コーティングが施されている場合、施されたコーティングは周波数フィルタとして働く。よって、施されたコーティングを透過するのは特定周波数の光のみとなる。
レーザ光検出部２は、レーザ光Ｌ３から波長５３２ｎｍの光の強度を検出し、検出結果に応じた光出力信号Ｓｏｐｔ１及びＳｏｐｔ２を出力する。レーザ光検出部２は、レーザ光Ｌ３に含まれる波長５３２ｎｍのレーザ光にヨウ素セルを通過させ、通過した光を光電変換した信号を、光出力信号Ｓｏｐｔ１として出力する。また、レーザ光検出部２は、レーザ光Ｌ３に含まれる波長５３２ｎｍのレーザ光を、ヨウ素セルを通過させることなく光電変換した信号を、光出力信号Ｓｏｐｔ２として出力することもできる。
図４に示すように、レーザ光検出部２は、高調波分離器２１、偏光板２２、偏光ビームスプリッタ２３、偏光ビームスプリッタ２４、λ／４板２５、ヨウ素セル２６、反射板２７、ビームスプリッタ２８、第１の光検出器２９ａ及び第２の光検出器２９ｂを有する。
高調波分離器２１は、波長１０６４ｎｍと波長５３２ｎｍとを含むレーザ光Ｌ３を、波長１０６４ｎｍのレーザ光Ｌ４と波長５３２ｎｍのレーザ光Ｌ５とに分光する。
波長５３２ｎｍのレーザ光Ｌ５は、偏光板２２により偏光され、ｐ偏光の光は偏光ビームスプリッタ２３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２３で反射してレーザ光Ｌ７となる。
その後、レーザ光Ｌ６は、偏光ビームスプリッタ２４、λ／４板２５、ヨウ素セル２６を通過して反射板２７で反射される。反射された光は、再びヨウ素セル２６、λ／４板２５を通過する。つまり、ｐ偏光のレーザ光Ｌ６は、ヨウ素セル２６において特定波長が吸収され、λ／４板２５を２度通過してｐ偏光からｓ偏光に偏光され、レーザ光Ｌ８となる。レーザ光Ｌ８は、偏光ビームスプリッタ２４で反射され、第１の光検出器２９ａに入射する。第１の光検出器２９ａは、レーザ光Ｌ８の光電変換結果を光出力信号Ｓｏｐｔ１として出力する。
一方、ｓ偏光のレーザ光Ｌ７は、ビームスプリッタ２８で２分岐される。分岐された一方のレーザ光Ｌ７は、第２の光検出器２９ｂに入射する。第２の光検出器２９ｂは、レーザ光Ｌ７の光電変換結果を光出力信号Ｓｏｐｔ２として出力する。また、分岐された他方のレーザ光Ｌ７は、レーザ装置１００の出力レーザ光として外部に出力され、測長等に用いられる。
図２に示すように、駆動制御部３は、光出力信号Ｓｏｐｔ１の３次微分信号Ｓ＿Ｄ３の信号レベルの変動に応じて、エラー信号を出力する。駆動制御部３は、３次微分用ロックインアンプ３１、エラー検出部３２、周波数固定部３３、レーザ駆動制御部３４及び駆動状態制御部３５を有する。
３次微分用ロックインアンプ３１は、光出力信号Ｓｏｐｔ１の３次微分信号Ｓ＿Ｄ３を生成する。光出力信号Ｓｏｐｔ１を周波数３ｆ[Ｈｚ]の変調信号Ｓ＿３ｆで復調し、３次微分信号Ｓ＿Ｄ３を生成する。３次微分用ロックインアンプ３１は、生成した３次微分信号Ｓ＿Ｄ３を、エラー検出部３２及び周波数固定部３３へ出力する。なお、周波数３ｆ[Ｈｚ]の変調信号Ｓ＿３ｆは、３次微分用ロックインアンプ３１の内部で生成されてもよいし、外部から供給されてもよい。以下の実施の形態では、周波数３ｆ[Ｈｚ]の変調信号Ｓ＿３ｆは、周波数固定部３３の変復調用信号発生部３３１から供給されるものとして説明する。
エラー検出部３２は、３次微分信号Ｓ＿Ｄ３を監視し、３次微分信号Ｓ＿Ｄ３の信号レベル（電圧）が閾値Ｖｔｈ以上となった場合に、エラー信号Ｅｒｒ＿１を出力する。
周波数固定部３３は、レーザ光発生部１から出力されるレーザ光Ｌ２の周波数をある範囲内で変化させた場合に上述のヨウ素セルの飽和吸収線に対応して３次微分信号Ｓ＿Ｄ３に現れる振幅を検出する。そして、周波数固定部３３は、３次微分信号Ｓ＿Ｄ３がゼロポイントを維持するように、アクチュエータ駆動電圧Ｖａｃｔによりレーザ光発生部１を制御し、レーザ光発生部１が出力するレーザ光の周波数を所定値に安定化させる。
図５に示すように、周波数固定部３３は、変復調用信号発生部３３１、アクチュエータ制御部３３２及びアクチュエータ駆動部３３３を有する。
変復調用信号発生部３３１は、周波数１ｆ［Ｈｚ］の変調信号Ｓ＿１ｆをアクチュエータ駆動部３３３に出力し、周波数３ｆ［Ｈｚ］の変調信号Ｓ＿３ｆを３次微分用ロックインアンプ３１に出力する。
アクチュエータ制御部３３２には、３次微分用ロックインアンプ３１から３次微分信号Ｓ＿Ｄ３が供給される。アクチュエータ制御部３３２は、３次微分信号Ｓ＿Ｄ３がゼロポイントを維持するようにアクチュエータ駆動部３３３に制御信号ＳＩＧ１（アクチュエータ駆動電圧生成用の制御信号）を出力し、レーザ光の周波数を所定値に安定させるように制御する。また、アクチュエータ制御部３３２での周波数安定制御は、駆動状態制御部３５からの動作信号ＣＯＮ１（アクチュエータ駆動制御用の動作信号）により制御される。なお、アクチュエータ制御部３３２は、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により実現することができる。
アクチュエータ駆動部３３３は、制御信号ＳＩＧ１に基づき、変復調用信号発生部３３１から入力された周波数１ｆ［Ｈｚ］の変調信号で変調したアクチュエータ駆動電圧Ｖａｃｔをアクチュエータ１４５へ出力し、レーザ光Ｌ３を変調する。つまり、アクチュエータ制御部３３２は、アクチュエータ駆動部３３３からアクチュエータ１４５へアクチュエータ駆動電圧Ｖａｃｔを出力させることで、レーザ光Ｌ３の発振周波数を制御し、周波数を所定値に安定させる。
レーザ駆動制御部３４は、半導体レーザ１１及び半導体レーザ加熱冷却部１３を制御する。図６に示すように、レーザ駆動制御部３４は、レーザ駆動電流制御部３４１、レーザ駆動電流生成部３４２及びレーザ温度制御部３４３を有する。
レーザ駆動電流制御部３４１は、光出力信号Ｓｏｐｔ２に基づき、レーザ駆動電流生成部３４２に駆動電流を発生させるための制御信号ＳＩＧ２（レーザ駆動電流生成用の制御信号）を出力する。これにより、半導体レーザ１１に供給されるレーザ駆動電流Ｉが制御される。レーザ駆動電流制御部３４１でのレーザ駆動電流制御は、駆動状態制御部３５からの動作信号ＣＯＮ２（レーザ駆動電流制御用の動作信号）により制御される。
レーザ駆動電流生成部３４２は、制御信号ＳＩＧ２に基づき半導体レーザ１１にレーザ駆動電流Ｉを供給して、レーザ光Ｌ１を発生させる。また、上述のエラー検出部３２は、レーザ駆動電流Ｉを参照し、レーザ駆動電流Ｉが予め設定した所定値を越えた場合、エラー信号Ｅｒｒ＿２を出力することもできる。
レーザ温度制御部３４３は、半導体レーザ加熱冷却部１３により半導体レーザ１１の温度を制御するための制御信号ＳＩＧ３（半導体レーザ加熱冷却用の制御信号）を出力する。これにより、半導体レーザ１１の温度が制御される。レーザ温度制御部３４３でのレーザ温度制御は、駆動状態制御部３５からの動作信号ＣＯＮ３（レーザ温度制御用の動作信号）により制御される。
レーザ駆動電流制御部３４１及びレーザ温度制御部３４３は、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により実現することができる。
駆動状態制御部３５は、外部から入力される駆動状態制御信号Ｓｃｏｎに応じて、レーザ装置１００でのレーザ駆動電流制御、レーザ温度制御及びレーザ周波数安定制御の開始／停止を、動作信号ＣＯＮ１〜ＣＯＮ３により制御する。
ここで、レーザ装置１００の周波数安定化不能状態検出について説明する。レーザ装置１００では、レーザ発振周波数を安定化させるため、発振周波数を一定にするための周波数固定が行われる。また、半導体レーザに供給する駆動電流を監視し、半導体レーザの経年劣化を検出することができる（特許文献１）。しかし、レーザ装置１００では、レーザ光発生部１やレーザ光検出部２に外部から衝撃などが加わることにより、３次微分信号Ｓ＿Ｄ３の信号レベル（電圧）に変化が生じる。この場合、３次微分信号Ｓ＿Ｄ３を参照して行っているレーザ周波数の安定化が正常に行えなくなる。
このため、レーザ装置１００では、衝撃などによりレーザ光の周波数が一時的に変動することによる、レーザ発振周波数の安定化が不能な状態を検出する。図７は、実施の形態１にかかるレーザ装置１００の動作を示すフローチャートである。
ステップＳ１
駆動状態制御部３５は、駆動状態制御信号Ｓｃｏｎが「０」であるかを確認する。
ステップＳ２
駆動状態制御信号Ｓｃｏｎが「０」である場合には、駆動状態制御部３５は、レーザ駆動電流制御部３４１にレーザ駆動電流制御を開始させ、レーザ温度制御部３４３にレーザ温度制御を開始させ、アクチュエータ制御部３３２にレーザ周波数安定制御を開始させる。
ステップＳ３
アクチュエータ制御部３３２は、３次微分信号Ｓ＿Ｄ３が所定の値になるように、アクチュエータ駆動部３３３を制御する。
ステップＳ４
エラー検出部３２は、レーザ駆動電流Ｉが閾値Ｉｔｈ以上であるかを判定する。
ステップＳ５
レーザ駆動電流Ｉが閾値Ｉｔｈ以上である場合（Ｉ≧Ｉｔｈ）には、エラー検出部３２は、エラー信号Ｅｒｒ＿２を出力し、処理を終了する。
ステップＳ１０
レーザ駆動電流Ｉが閾値Ｉｔｈよりも小さい場合（Ｉ＜Ｉｔｈ）には、周波数安定化不能状態検出動作であるステップＳ１０のステップＳ１０１へ進む。
ステップＳ１０１
エラー検出部３２は、３次微分信号Ｓ＿Ｄ３が閾値Ｖｔｈ以上であるかを判定する。
ステップＳ１０２
３次微分信号Ｓ＿Ｄ３が閾値Ｖｔｈ以上である場合（Ｓ＿Ｄ３≧Ｖｔｈ）には、エラー検出部３２は、エラー信号Ｅｒｒ＿１を出力する。
以上の通り、エラー信号Ｅｒｒ＿１は、外乱等に起因してレーザ光の周波数が一時的に所定値からずれた場合に出力される。しかし、ある程度の時間が経過すれば外乱等の影響がなくなり、解消する場合が有る。そのため、エラー信号Ｅｒｒ＿１が出力される不具合状態を、軽故障と称する。
また、エラー信号Ｅｒｒ＿２は、レーザ駆動電流Ｉが閾値Ｉｔｈを超えた場合に出力される。これは、半導体レーザ１１の経時劣化などによるものであり、部品交換などの措置を必要とする重篤な不具合である。そのため、エラー信号Ｅｒｒ＿２が出力される不具合状態を、重故障と称する。
以上、本構成によれば、レーザ装置１００での周波数安定化を行いつつ、外部から衝撃などが加わることによりレーザ光の周波数安定化が不能になる状態を検出することが可能となる。その結果、レーザ装置１００での経時劣化以外の外乱等に起因する周波数安定化動作の不能状態をも検出することが可能となる。
実施の形態２
実施の形態２にかかるレーザ装置２００について説明する。図８に示すように、レーザ装置２００は、実施の形態１にかかるレーザ装置１００の駆動制御部３を、駆動制御部６に置換した構成を有する。駆動制御部４は、駆動制御部３に停止判断部４を追加した構成を有する。
停止判断部４は、ＯＲ回路４１及び４２を有する。ＯＲ回路４１は、エラー信号Ｅｒｒ＿１とエラー信号Ｅｒｒ＿２との論理和ＬＤ１を出力する。ＯＲ回路４２は、ＯＲ回路４１が出力する論理和ＬＤ２と駆動状態制御信号Ｓｃｏｎとの論理和ＬＤ２を、駆動状態制御信号として駆動状態制御部３５に出力する。
図９は、実施の形態２にかかるレーザ装置２００の動作を示すフローチャートである。
ステップＳ２１
駆動状態制御部３５、駆動状態制御信号である論理和ＬＤ２が「０」であるかを確認する。レーザ駆動の開始時においては、エラー検出部３２は異常を検出していないので、エラー信号Ｅｒｒ＿１及びＥｒｒ＿２はともに「０」となる。したがって、駆動状態制御信号Ｓｃｏｎが「０」であれば、論理和ＬＤ２も「０」となり、レーザ装置２００は動作を開始する。
ステップＳ２〜Ｓ５、Ｓ１０
ステップＳ２〜Ｓ５、Ｓ１０については、図７と同様であるので、説明を省略する。
ステップＳ２２
エラー信号Ｅｒｒ＿１及びエラー信号Ｅｒｒ＿２の一方又は両方が「１」の場合、ＯＲ回路４１は、論理和ＬＤ１として「１」を出力する。よって、ＯＲ回路４２が出力する論理和ＬＤ２も「１」となる。したがって、駆動状態制御部３５は、論理和ＬＤ２が「１」となることにより、レーザ装置２００の動作を停止する。つまり、レーザ駆動電流制御部３４１でのレーザ駆動電流制御、レーザ温度制御部３４３でのレーザ温度制御、アクチュエータ制御部３３２での周波数安定制御が停止する。その結果、レーザ光発生部１からのレーザ光Ｌ３の出力が停止する。
本構成によれば、エラー検出部３２で異常が検出された場合に、レーザ光発生部１からのレーザ光の出力を自動的に停止することができる。これにより、周波数安定化が不能になった場合でも、レーザ装置の運用が継続されてしまう事態を確実に防止することができる。
なお、エラー検出部３２が発したエラー信号Ｅｒｒ＿１及びＥｒｒ２は、例えば外部からエラー検出部３２にリセット信号を与えることにより、「０」にリセットすることが可能である。
実施の形態３
実施の形態３にかかるレーザ装置３００について説明する。図１０に示すように、レーザ装置３００は、実施の形態２にかかるレーザ装置２００の駆動制御部６を、駆動制御部７に置換した構成を有する。駆動制御部７は、駆動制御部６に、エラーリセット部５を追加した構成を有する。
図１１は、エラーリセット部５の構成を模式的に示すブロック図である。エラーリセット部５は、ＮＯＴ回路５１、ＡＮＤ回路５２、エラーリセット制御部５３及びカウンタ５４を有する。
ＡＮＤ回路５２の一方の入力にはエラー信号Ｅｒｒ＿１が入力され、他方の入力にはＮＯＴ回路５１を介してエラー信号Ｅｒｒ＿２の反転信号が入力される。よって、ＡＮＤ回路５２は、エラー信号Ｅｒｒ＿１とエラー信号Ｅｒｒ＿２の反転信号との論理積ＬＣ１を出力する。すなわち、エラー信号Ｅｒｒ＿１が「０」、エラー信号Ｅｒｒ＿２が「１」の場合に、論理積ＬＣ１として「１」を出力する。
エラーリセット制御部５３は、論理積ＬＣ１の値の変化に応じて、カウンタ５４に格納されるカウント値Ｎに「１」を加算し、又は、カウンタ５４からカウント値Ｎを読み出す。
図１２は、実施の形態３にかかるレーザ装置３００の動作を示すフローチャートである。
ステップＳ２〜Ｓ５、Ｓ１０、Ｓ２１、Ｓ２２
ステップＳ２〜Ｓ５、Ｓ１０、Ｓ２１、Ｓ２２については、図９と同様であるので、説明を省略する。
ステップＳ３０
エラーリセット動作であるステップＳ３０について説明する。
ステップＳ３０１
エラーリセット制御部５３は、ＡＮＤ回路５２が出力する論理積ＬＣ１が「１」であるかを判断する。論理積ＬＣ１が「０」である場合には、そのまま処理を終了する。すなわち、エラー信号Ｅｒｒ＿２が「１」である場合には、エラーリセット動作は行わず、レーザ装置３００は停止状態のままで維持される。
ステップＳ３０２
論理積ＬＣ１が「１」である場合には、すなわちエラー信号Ｅｒｒ＿１が「１」、エラー信号Ｅｒｒ＿２が「０」の場合には、エラーリセット制御部５３は、カウンタ５４のカウント値Ｎ（Ｎは整数）に「１」を加算する。カウント値Ｎは、初期状態では例えば「０」に設定される。
ステップＳ３０３
エラーリセット制御部５３は、カウンタ５４のカウント値Ｎを参照し、カウント値Ｎがエラーリセット制限回数Ｎｔｈよりも小さいかを判断する。カウント値Ｎがエラーリセット制限回数Ｎｔｈ以上の場合（Ｎ≧Ｎｔｈ）には、そのまま処理を終了する。すなわち、カウント値Ｎがエラーリセット制限回数Ｎｔｈ以上の場合（Ｎ≧Ｎｔｈ）には、エラーリセット動作は行われず、レーザ装置３００は停止状態のままで維持される。
ステップＳ３０４
カウント値Ｎがエラーリセット制限回数Ｎｔｈよりも小さい場合（Ｎ＜Ｎｔｈ）には、エラーリセット制御部５３は、所定時間Δｔの経過後、エラー検出部３２にエラーリセット信号Ｓｒを出力する。これにより、エラー検出部３２は、エラー信号Ｅｒｒ＿１及びＥｒｒ＿２を、エラー不検出を示す「０」にリセットする。これにより、レーザ装置３００の動作は、ステップＳ２に戻ることとなる。その結果、レーザ装置３００はレーザ出力を再開する。
本構成によれば、エラー信号Ｅｒｒ＿１が示す軽故障が発生した場合にのみ、所定時間Δｔの経過後、レーザ装置３００はレーザ出力を自動的に再開することができる。
また、ステップＳ２からステップＳ３０に至るループ処理の結果、エラーリセット制限回数Ｎｔｈの範囲内でエラーリセットを繰り返した時点で軽故障が解消していない場合、エラーリセットは行わず、レーザ装置３００を停止状態に維持できる。これにより、軽故障として検出されつつも、短時間で解消しない故障が生じた場合に、レーザ装置の運用を停止することができる。
更に、本構成では、エラー信号Ｅｒｒ＿２が示す重故障が発生した場合には、軽故障の有無にかかわらず、エラーリセット動作は行われない。つまり、エラー信号Ｅｒｒ＿２は、エラーリセット禁止信号としての働きを有することが理解できる。これにより、修理や部品交換等を行わなければ復旧できない重故障が生じた場合に、確実にレーザ装置を停止させることがきる。
その他の実施の形態
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上述のレーザ光発生部１、レーザ光検出部２の構成が例示にすぎず、同様の機能を発揮し得る限り、適宜他の構成とすることができる。
上述の実施の形態では、各信号のレベルが「１」または「０」となるものとして説明したが、信号レベルが「１」の場合には信号が出力されており、信号レベルが「０」の場合には信号が出力されていない状態と理解してもよい。
上述で用いた光の波長は例示にすぎず、適宜他の波長の光を用いたレーザ装置を構成することが可能であることは勿論である。
上述では、光出力信号Ｓｏｐｔ１から３次微分信号を生成する場合について説明したが、２次微分信号又は４次以上の高次の微分信号を生成して用いてもよい。また、周波数固定部３３に供給される微分信号の次数と、エラー検出部３２に供給される微分信号の次数とは、同じでもよいし、異なっていてもよい。
１ レーザ光発生部
２ レーザ光検出部
３、６、７ 駆動制御部
４ 停止判断部
５ エラーリセット部
１１ 半導体レーザ
１２ 集光光学系
１３ 半導体レーザ加熱冷却部
１４ レーザ光共振部
２１ 高調波分離器
２２ 偏光板
２３、２４ 偏光ビームスプリッタ
２５ λ／４板
２６ ヨウ素セル
２７ 反射板
２８ ビームスプリッタ
２９ａ 第１の光検出器
２９ｂ 第２の光検出器
３１ ３次微分用ロックインアンプ
３２ エラー検出部
３３ 周波数固定部
３４ レーザ駆動制御部
３５ 駆動状態制御部
４１、４２ ＯＲ回路
５１ ＮＯＴ回路
５２ ＡＮＤ回路
５３ エラーリセット制御部
５４ カウンタ
１００、２００、３００ レーザ装置
１４１ Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶
１４２ ＫＴＰ結晶
１４３ エタロン
１４４ 反射鏡
１４５ アクチュエータ
１４６ 共振器筐体
３３１ 変復調用信号発生部
３３２ アクチュエータ制御部
３３３ アクチュエータ駆動部
３４１ レーザ駆動電流制御部
３４２ レーザ駆動電流生成部
３４３ レーザ温度制御部
ＣＯＮ１〜ＣＯＮ３ 動作信号
Ｅｒｒ＿１、Ｅｒｒ＿２ エラー信号
Ｉ レーザ駆動電流
Ｌ１〜Ｌ８ レーザ光
ＬＣ１ 論理積
ＬＤ１、ＬＤ２ 論理和
ＳＩＧ１〜ＳＩＧ３ 制御信号
Ｓｃｏｎ 駆動状態制御信号
Ｓｏｐｔ１、Ｓｏｐｔ２ 光出力信号
Ｓ＿Ｄ３ ３次微分信号
Ｓｒ エラーリセット信号
Ｓ＿１ｆ 周波数１ｆ［Ｈｚ］の変調信号
Ｓ＿３ｆ 周波数３ｆ［Ｈｚ］の変調信号
Ｖａｃｔ アクチュエータ駆動電圧

Claims (8)

  1. 周波数を調整可能なレーザ光を出力するレーザ光発生部と、
    ヨウ素セルに前記レーザ光を照射し、前記ヨウ素セルを通過した前記レーザ光を光電変換して第１の光出力信号を出力するレーザ光検出部と、
    前記第１の光出力信号の微分信号を生成する微分信号生成部と、
    前記レーザ光発生部に所定の範囲で前記レーザ光の周波数を変化させ、前記微分信号に生じる飽和吸収線に対応する振幅を検出し、前記レーザ光の周波数を所定値に安定させる周波数固定部と、
    前記微分信号に生じた前記飽和吸収線に対応する振幅が所定値よりも大きい場合に第１のエラー信号を出力するエラー検出部と、
    入力される駆動状態制御信号に応じて、前記周波数固定部の前記レーザ光の周波数の安定制御の開始及び停止を制御する駆動状態制御部と、
    前記第１のエラー信号が出力された場合に、前記周波数固定部の前記レーザ光の周波数の安定制御を停止するように、前記駆動状態制御部へ前記駆動状態制御信号を出力する停止判断部と、を備える、
    レーザ装置。
  2. 第２の光出力信号に応じて前記レーザ光発生部から出力される前記レーザ光の光強度を制御するレーザ駆動制御部を更に備え、
    前記レーザ光検出部は、入力される前記レーザ光を第１のレーザ光と第２のレーザ光とに分岐し、前記第１のレーザ光を前記ヨウ素セルに照射し、前記ヨウ素セルを通過した前記第１のレーザ光を光電変換して第１の光出力信号を出力し、前記第２のレーザ光を光電変換して前記第２の光出力信号を出力し、
    前記駆動状態制御部は、前記駆動状態制御信号に応じて、前記レーザ駆動制御部の前記レーザ光の光強度制御の開始及び停止を制御する、
    請求項１に記載のレーザ装置。
  3. 前記レーザ光発生部は、光源であるレーザを備え、
    前記レーザ駆動制御部は、前記第２の光出力信号に基づいて、前記レーザに駆動電流を供給する、
    請求項２に記載のレーザ装置。
  4. 前記エラー検出部は、前記駆動電流が所定値よりも大きい場合に第２のエラー信号を出力する、
    請求項３に記載のレーザ装置。
  5. 前記停止判断部は、前記第２のエラー信号が出力された場合に、前記周波数固定部が前記レーザ光の周波数の安定制御を停止し、前記レーザ駆動制御部が前記レーザ光の光強度制御を停止するように、前記駆動状態制御部へ前記駆動状態制御信号を出力する、
    請求項４に記載のレーザ装置。
  6. 前記停止判断部は、リセットにより前記第１のエラー信号及び前記第２のエラー信号が出力されない状態となった場合に、前記周波数固定部が前記レーザ光の周波数の安定制御を開始し、前記レーザ駆動制御部が前記レーザ光の光強度制御を開始するように、前記駆動状態制御部へ前記駆動状態制御信号を出力する、
    請求項５に記載のレーザ装置。
  7. 前記第１のエラー信号が入力され、かつ、前記第２のエラー信号が入力されてない場合に、前記エラー検出部に前記第１のエラー信号をリセットさせるリセット動作を実行するエラーリセット部を更に備える、
    請求項６に記載のレーザ装置。
  8. 前記エラーリセット部は、前記リセット動作を所定回数行った後に前記エラー検出部から前記第１のエラー信号が出力される場合には、前記リセット動作を実行しない、
    請求項７に記載のレーザ装置。
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