JP7464393B2

JP7464393B2 - Laser frequency stabilization device and laser frequency stabilization method

Info

Publication number: JP7464393B2
Application number: JP2020007485A
Authority: JP
Inventors: 敏晋松浦; 和彦川▲崎▼; 知隆 ▲高▼橋
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2020-01-21
Filing date: 2020-01-21
Publication date: 2024-04-09
Anticipated expiration: 2040-01-21
Also published as: JP2021114579A

Description

本発明は、レーザ周波数安定化装置およびレーザ周波数安定化方法に関する。 The present invention relates to a laser frequency stabilization device and a laser frequency stabilization method.

従来、気体分子の吸収線を周波数基準として用いることによってレーザ光の周波数を安定化させるレーザ周波数安定化装置が知られており、このようなレーザ周波数安定化装置の代表例として、ヨウ素安定化ヘリウムネオンレーザが存在する（例えば特許文献１参照）。
一般に、ヨウ素安定化ヘリウムネオンレーザでは、ヨウ素セルを通過するレーザ光の光強度に基づいて、ヨウ素分子の吸収線に現れる飽和吸収線（ラムディップ）を検出し、検出されたラムディップを周波数基準としてレーザ光の周波数をフィードバック制御することにより、レーザ光の周波数を安定化させている。 Conventionally, laser frequency stabilization devices have been known that stabilize the frequency of laser light by using an absorption line of a gas molecule as a frequency standard. A representative example of such a laser frequency stabilization device is an iodine-stabilized helium-neon laser (see, for example, Patent Document 1).
In general, in an iodine-stabilized helium-neon laser, a saturated absorption line (Lamb dip) that appears in the absorption lines of iodine molecules is detected based on the light intensity of the laser light passing through an iodine cell, and the frequency of the laser light is stabilized by feedback controlling the frequency of the laser light using the detected Lamb dip as a frequency reference.

特開２０１７－１８３７６０号公報JP 2017-183760 A

しかし、前述のヨウ素安定化ヘリウムネオンレーザでは、周波数基準となるラムディップの周波数幅が数ＭＨｚであるため、外乱によってレーザ光の周波数が変動した場合には周波数基準を見失い易い。すなわち、特許文献１に記載のレーザ周波数安定化装置では、フィードバック制御可能な周波数範囲が狭いことにより、外乱に対するロバスト性が低い。 However, in the above-mentioned iodine-stabilized helium neon laser, the frequency width of the Lamb dip that serves as the frequency reference is several MHz, so the frequency reference is easily lost when the frequency of the laser light fluctuates due to disturbances. In other words, the laser frequency stabilization device described in Patent Document 1 has low robustness against disturbances because the frequency range that can be feedback-controlled is narrow.

本発明は、ロバスト性が向上されたレーザ周波数安定化装置およ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。 The present invention aims to provide a laser frequency stabilization device and a laser frequency stabilization method with improved robustness.

本発明のレーザ周波数安定化装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射した前記レーザ光を第１レーザ光と第２レーザ光とに分割する光分割部と、
入射光の周波数に応じて透過率が変化する透過スペクトルを示すガスが封入されたガスセルと、
前記ガスセルを透過した前記第１レーザ光を受光し、前記第１レーザ光の光強度を示す第１光強度信号を出力する第１光検出部と、
前記第２レーザ光の周波数をシフトさせる周波数シフト部と、
前記周波数シフト部によって周波数をシフトされた後に前記ガスセルを透過した前記第２レーザ光を受光し、前記第２レーザ光の光強度を示す第２光強度信号を出力する第２光検出部と、
前記第１光強度信号と前記第２光強度信号との比が一定になるように前記レーザ光源から出射される前記レーザ光の周波数を制御する制御部と、を備え、
前記ガスセルに入射する前記第１レーザ光の周波数と、前記ガスセルに入射する前記第２レーザ光の周波数とは、前記透過スペクトルにおける前記透過率の傾きが互いに異なる周波数に設定されていることを特徴とする。 The laser frequency stabilization device of the present invention includes: a laser light source that emits laser light;
a light splitting unit that splits the laser light emitted from the laser light source into a first laser light and a second laser light;
a gas cell filled with a gas exhibiting a transmission spectrum in which the transmittance changes depending on the frequency of incident light;
a first light detection unit that receives the first laser light that has passed through the gas cell and outputs a first light intensity signal that indicates a light intensity of the first laser light;
a frequency shift unit that shifts the frequency of the second laser light;
a second light detection unit that receives the second laser light that has been frequency shifted by the frequency shift unit and then transmitted through the gas cell, and outputs a second light intensity signal that indicates the light intensity of the second laser light;
a control unit that controls a frequency of the laser light emitted from the laser light source so that a ratio between the first light intensity signal and the second light intensity signal is constant,
The frequency of the first laser light incident on the gas cell and the frequency of the second laser light incident on the gas cell are set to frequencies such that the slopes of the transmittance in the transmission spectra are different from each other.

本発明のレーザ周波数安定化装置では、外乱などによりレーザ光源の発振周波数が変動した場合、ガスセルを透過する第１レーザ光の透過率と、ガスセルを透過する第２レーザ光の透過率とが互いに異なる変化を示し、第１光強度信号と第２光強度信号との比（光強度比）が変動する。よって、この光強度比が一定になるようにレーザ光の周波数を制御することで、レーザ光の周波数を安定化させることができる。
また、ガスセルに振動などの外乱が生じた場合には、第１光強度信号および第２光強度信号に同様の誤差が生じるため、第１光強度信号と第２光強度信号との比（光強度比）を用いて制御を行うことにより、当該誤差の影響を低減することができる。
さらに、ガスセルに封入されたガス（封入ガス）は、分子または原子に固有の吸収線を示すものであり、封入ガスが示す透過スペクトルでは、１つの吸収線に対応して透過率が変化する周波数範囲が１ＧＨｚほどの広がりを持っている。本発明では、この周波数範囲における透過率の傾きを制御に利用することができるため、ヨウ素吸収線のラムディップを利用した従来の制御と比べて、制御可能な周波数範囲が広くなる。
したがって、本発明によれば、ロバスト性が向上されたレーザ周波数安定化装置が提供される。 In the laser frequency stabilization device of the present invention, when the oscillation frequency of the laser light source fluctuates due to disturbances or the like, the transmittance of the first laser light passing through the gas cell and the transmittance of the second laser light passing through the gas cell show different changes, and the ratio (light intensity ratio) between the first light intensity signal and the second light intensity signal fluctuates. Therefore, by controlling the frequency of the laser light so that this light intensity ratio is constant, the frequency of the laser light can be stabilized.
Furthermore, when a disturbance such as vibration occurs in the gas cell, a similar error occurs in the first light intensity signal and the second light intensity signal. Therefore, the influence of the error can be reduced by performing control using the ratio between the first light intensity signal and the second light intensity signal (light intensity ratio).
Furthermore, the gas filled in the gas cell (filled gas) exhibits absorption lines specific to molecules or atoms, and in the transmission spectrum of the filled gas, the frequency range in which the transmittance changes corresponding to one absorption line is about 1 GHz. In the present invention, the slope of the transmittance in this frequency range can be used for control, so the controllable frequency range is wider than that of conventional control using the Lamb dip of the iodine absorption line.
Thus, the present invention provides a laser frequency stabilization apparatus with improved robustness.

本発明のレーザ周波数安定化装置において、前記ガスセルに入射する前記第１レーザ光の周波数と、前記ガスセルに入射する前記第２レーザ光の周波数とは、前記透過スペクトルにおいて前記透過率の傾きの正負が互いに異なる周波数に設定されていることが好ましい。
このような構成では、外乱などによりレーザ光源の発振周波数が変動した場合に光強度比が変動する割合を大きくすることができ、この光強度比が一定になるようにレーザ光源を制御することで、レーザ光の周波数をより高精度に安定化させることができる。 In the laser frequency stabilization device of the present invention, it is preferable that the frequency of the first laser light incident on the gas cell and the frequency of the second laser light incident on the gas cell are set to frequencies such that the positive and negative slopes of the transmittance in the transmission spectrum are different from each other.
In such a configuration, the rate at which the light intensity ratio fluctuates when the oscillation frequency of the laser light source fluctuates due to external disturbances or the like can be increased, and by controlling the laser light source so that this light intensity ratio remains constant, the frequency of the laser light can be stabilized with higher precision.

本発明のレーザ周波数安定化装置において、前記ガスセルに入射する前記第１レーザ光の周波数と、前記ガスセルに入射する前記第２レーザ光の周波数とは、それぞれ、前記透過スペクトルにおいて前記透過率が負ピークに対して所定の比率となる周波数に設定されていることが好ましい。
このような構成では、レーザ光源の発振周波数が変動した場合において、第１レーザ光および第２レーザ光の各透過率の傾きに正負の切り替わりが生じることを抑制できる。これにより、レーザ周波数安定化装置のロバスト性をより向上させることができる。 In the laser frequency stabilization device of the present invention, it is preferable that the frequency of the first laser light incident on the gas cell and the frequency of the second laser light incident on the gas cell are each set to a frequency at which the transmittance in the transmission spectrum is a predetermined ratio to a negative peak.
In this configuration, when the oscillation frequency of the laser light source fluctuates, the gradient of the transmittance of the first laser light and the gradient of the second laser light can be prevented from switching between positive and negative, thereby improving the robustness of the laser frequency stabilization device.

本発明のレーザ周波数安定化装置において、前記第１レーザ光の周波数を前記レーザ光の周波数からシフトさせる補助周波数シフト部をさらに備えることが好ましい。
このような構成では、レーザ光源の発振周波数の調整可能な範囲が、透過スペクトルにおいて透過率が変化する周波数範囲から外れている場合であっても、第１レーザ光の周波数を、当該周波数範囲内に設定することができる。これにより、様々な仕様のレーザ光源を利用してレーザ光の周波数を高精度に安定化させることができる。 In the laser frequency stabilization device of the present invention, it is preferable that the laser frequency stabilization device further comprises an auxiliary frequency shifter that shifts the frequency of the first laser light from the frequency of the laser light.
In this configuration, even if the adjustable range of the oscillation frequency of the laser light source is outside the frequency range in which the transmittance changes in the transmission spectrum, the frequency of the first laser light can be set within the frequency range, thereby making it possible to stabilize the frequency of the laser light with high accuracy by using laser light sources of various specifications.

本発明のレーザ周波数安定化方法は、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射した前記レーザ光を第１レーザ光と第２レーザ光とに分割する光分割部と、入射光の周波数に応じて透過率が変化する透過スペクトルを示すガスが封入されたガスセルと、前記ガスセルを透過した前記第１レーザ光を受光し、前記第１レーザ光の光強度を示す第１光強度信号を出力する第１光検出部と、前記第２レーザ光の周波数をシフトさせる周波数シフト部と、前記周波数シフト部によって周波数をシフトされた後に前記ガスセルを透過した前記第２レーザ光を受光し、前記第２レーザ光の光強度を示す第２光強度信号を出力する第２光検出部と、を備えたレーザ周波数安定化装置におけるレーザ周波数安定化方法であって、前記ガスセルに入射する前記第１レーザ光の周波数と、前記ガスセルに入射する前記第２レーザ光の周波数とを、前記透過スペクトルにおける前記透過率の傾きが互いに異なる周波数に設定する設定ステップと、前記第１光強度信号と前記第２光強度信号との比が一定になるように前記レーザ光源から出射される前記レーザ光の周波数を制御する制御ステップと、を含むことを特徴とする。
本発明によれば、前述したレーザ周波数安定化装置の効果と同様の効果を奏することができる。 A laser frequency stabilization method of the present invention is a laser frequency stabilization method in a laser frequency stabilization device including a laser light source that emits laser light, a light splitting unit that splits the laser light emitted from the laser light source into a first laser light and a second laser light, a gas cell filled with a gas that exhibits a transmission spectrum in which the transmittance changes depending on the frequency of incident light, a first light detection unit that receives the first laser light that has passed through the gas cell and outputs a first light intensity signal that indicates the light intensity of the first laser light, a frequency shift unit that shifts the frequency of the second laser light, and a second light detection unit that receives the second laser light that has passed through the gas cell after being frequency shifted by the frequency shift unit and outputs a second light intensity signal that indicates the light intensity of the second laser light, the method comprising the steps of: setting the frequency of the first laser light incident on the gas cell and the frequency of the second laser light incident on the gas cell to frequencies at which the slopes of the transmittance in the transmission spectrum are different from each other; and a control step of controlling the frequency of the laser light emitted from the laser light source so that the ratio between the first light intensity signal and the second light intensity signal is constant.
According to the present invention, it is possible to achieve the same effects as those of the laser frequency stabilization device described above.

本発明の一実施形態に係るレーザ周波数安定化装置を示す模式図。1 is a schematic diagram showing a laser frequency stabilization device according to an embodiment of the present invention; 前記実施形態のレーザ周波数安定化装置の制御部を示すブロック図。FIG. 2 is a block diagram showing a control unit of the laser frequency stabilization device according to the embodiment. 封止ガスの透過スペクトルの例を示すグラフ。4 is a graph showing an example of a transmission spectrum of a sealing gas. 前記実施形態のレーザ周波数安定化装置における初期設定方法を説明するフローチャート。5 is a flowchart illustrating an initial setting method in the laser frequency stabilization device according to the embodiment. 図３に示す透過スペクトルの一部を拡大して示すグラフ。4 is a graph showing an enlarged portion of the transmission spectrum shown in FIG. 3 . 前記実施形態のレーザ周波数安定化方法を説明するフローチャート。4 is a flowchart illustrating a laser frequency stabilization method according to the embodiment. 図３に示す透過スペクトルの一部を拡大して示すグラフ。4 is a graph showing an enlarged portion of the transmission spectrum shown in FIG. 3 . 前記実施形態のレーザ周波数安定化装置の変形例を示す模式図。FIG. 4 is a schematic diagram showing a modified example of the laser frequency stabilization device of the embodiment. 封止ガスの透過スペクトルの例を示すグラフ。4 is a graph showing an example of a transmission spectrum of a sealing gas.

本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
〔レーザ周波数安定化装置の構成〕
図１において、レーザ周波数安定化装置１は、所定周波数に安定化されたレーザ光を出射する装置であり、レーザ光源２、ビームスプリッタ３１，３２、第１光学系４１、第２光学系４２、ガスセル５、周波数シフト部６、第１光検出部７１、第２光検出部７２、制御部８、レーザ駆動部９を備えている。 An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[Configuration of laser frequency stabilization device]
In FIG. 1, the laser frequency stabilization device 1 is a device that emits laser light stabilized at a predetermined frequency, and includes a laser light source 2, beam splitters 31, 32, a first optical system 41, a second optical system 42, a gas cell 5, a frequency shift unit 6, a first optical detection unit 71, a second optical detection unit 72, a control unit 8, and a laser driving unit 9.

レーザ光源２は、例えば半導体レーザなどのシングルモードレーザである。レーザ光源２は、レーザ駆動部９から与えられる駆動電流または駆動電圧により発振して所定周波数のレーザ光Ｌｏを出射する。 The laser light source 2 is a single mode laser such as a semiconductor laser. The laser light source 2 oscillates with a drive current or drive voltage provided by the laser driver 9 and emits laser light Lo of a predetermined frequency.

ビームスプリッタ３１は、レーザ光源２から出射されたレーザ光Ｌｏを反射光と透過光に分割する。ビームスプリッタ３１で反射された反射光は、外部で利用するレーザ光としてレーザ周波数安定化装置１から外部に出射される。ビームスプリッタ３１を透過した透過光は、ビームスプリッタ３２に入射する。 The beam splitter 31 splits the laser light Lo emitted from the laser light source 2 into reflected light and transmitted light. The reflected light reflected by the beam splitter 31 is emitted from the laser frequency stabilization device 1 to the outside as laser light to be used externally. The transmitted light that passes through the beam splitter 31 is incident on the beam splitter 32.

ビームスプリッタ３２は、本発明の光分割部に相当し、ビームスプリッタ３１の透過光（レーザ光Ｌｏ）を、２つのレーザ光Ｌ１，Ｌ２に分割する。ビームスプリッタ３２を透過したレーザ光Ｌ１は、第１光学系４１によって導かれ、ビームスプリッタ３２で反射されたレーザ光Ｌ２は、第２光学系４２によって導かれる。
なお、本実施形態において、レーザ光Ｌ１は、本発明の第１レーザ光に相当し、レーザ光Ｌ２は、本発明の第２レーザ光に相当する。 The beam splitter 32 corresponds to a light splitting section of the present invention, and splits the transmitted light (laser light Lo) of the beam splitter 31 into two laser lights L1 and L2. The laser light L1 transmitted through the beam splitter 32 is guided by a first optical system 41, and the laser light L2 reflected by the beam splitter 32 is guided by a second optical system 42.
In this embodiment, the laser light L1 corresponds to a first laser light of the present invention, and the laser light L2 corresponds to a second laser light of the present invention.

第１光学系４１は、レーザ光Ｌ１がガスセル５を往復するようにレーザ光Ｌ１を導き、ガスセル５を往復したレーザ光Ｌ１を取り出して、第１光検出部７１に入射させる。具体的には、第１光学系４１は、偏光ビームスプリッタ４１１、１／４波長板４１２およびミラー４１３を含む。 The first optical system 41 guides the laser light L1 so that the laser light L1 travels back and forth through the gas cell 5, extracts the laser light L1 that has traveled back and forth through the gas cell 5, and makes it incident on the first optical detection unit 71. Specifically, the first optical system 41 includes a polarizing beam splitter 411, a quarter-wave plate 412, and a mirror 413.

偏光ビームスプリッタ４１１は、ビームスプリッタ３２から入射されたレーザ光Ｌ１のうち、Ｐ偏光を透過させる。偏光ビームスプリッタ４１１を透過したレーザ光Ｌ１（Ｐ偏光）は、１／４波長板４１２を通過した後、ミラー４１３を介してガスセル５を同一光路で往復し、１／４波長板４１２を再通過する。レーザ光Ｌ１（Ｐ偏光）は、１／４波長板４１２を２回通過することで、レーザ光Ｌ１（Ｓ偏光）となる。
偏光ビームスプリッタ４１１は、１／４波長板４１２から入射されたレーザ光Ｌ１（Ｓ偏光）を反射させ、第１光検出部７１に入射させる。 The polarizing beam splitter 411 transmits P-polarized light out of the laser light L1 incident from the beam splitter 32. The laser light L1 (P-polarized light) transmitted through the polarizing beam splitter 411 passes through a quarter-wave plate 412, then travels back and forth through the gas cell 5 via the mirror 413 along the same optical path, and passes through the quarter-wave plate 412 again. The laser light L1 (P-polarized light) becomes laser light L1 (S-polarized light) by passing through the quarter-wave plate 412 twice.
The polarizing beam splitter 411 reflects the laser light L 1 (S-polarized light) incident from the quarter-wave plate 412 , and causes it to enter the first optical detection unit 71 .

第２光学系４２は、レーザ光Ｌ２がガスセル５を往復するようにレーザ光Ｌ２を導き、ガスセル５を往復したレーザ光Ｌ２を取り出して、第２光検出部７２に入射させる。具体的には、第２光学系４２は、ミラー４２１、偏光ビームスプリッタ４２２、１／４波長板４２３およびミラー４２４を含んでおり、ミラー４２１と偏光ビームスプリッタ４２２との間に周波数シフト部６が配置されている。 The second optical system 42 guides the laser light L2 so that the laser light L2 travels back and forth through the gas cell 5, extracts the laser light L2 that has traveled back and forth through the gas cell 5, and makes it incident on the second optical detection unit 72. Specifically, the second optical system 42 includes a mirror 421, a polarizing beam splitter 422, a quarter-wave plate 423, and a mirror 424, and the frequency shift unit 6 is disposed between the mirror 421 and the polarizing beam splitter 422.

ミラー４２１は、ビームスプリッタ３２から入射したレーザ光Ｌ２を反射させて周波数シフト部６に導く。後述するように、周波数シフト部６を通過したレーザ光Ｌ２の周波数は、所定量だけシフトする。 The mirror 421 reflects the laser light L2 incident from the beam splitter 32 and guides it to the frequency shift unit 6. As described below, the frequency of the laser light L2 that passes through the frequency shift unit 6 is shifted by a predetermined amount.

偏光ビームスプリッタ４２２は、周波数シフト部６を通過したレーザ光Ｌ２のうち、Ｐ偏光を透過させる。偏光ビームスプリッタ４２２を透過したレーザ光Ｌ２（Ｐ偏光）は、１／４波長板４２３を通過した後、ミラー４２４を介してガスセル５を同一光路で往復し、１／４波長板４２３を再通過する。レーザ光Ｌ２（Ｐ偏光）は、１／４波長板４２３を２回通過することで、レーザ光Ｌ２（Ｓ偏光）となる。
偏光ビームスプリッタ４２２は、１／４波長板４２３から入射されたレーザ光Ｌ２（Ｓ偏光）を反射させ、第２光検出部７２に入射させる。 The polarizing beam splitter 422 transmits P-polarized light out of the laser light L2 that has passed through the frequency shift unit 6. The laser light L2 (P-polarized light) that has passed through the polarizing beam splitter 422 passes through a quarter-wave plate 423, then travels back and forth through the gas cell 5 via the mirror 424 along the same optical path, and passes through the quarter-wave plate 423 again. The laser light L2 (P-polarized light) becomes laser light L2 (S-polarized light) by passing through the quarter-wave plate 423 twice.
The polarizing beam splitter 422 reflects the laser light L 2 (S-polarized light) incident from the quarter-wave plate 423 , and causes it to enter the second photodetector 72 .

ガスセル５は、入射光の周波数に応じて透過率が変化する透過スペクトルを示すガスを封入した光吸収セルである。本実施形態では、ガスセル５の封入ガスとしてルビジウムガスを用いる。 The gas cell 5 is an optical absorption cell filled with a gas that exhibits a transmission spectrum in which the transmittance changes depending on the frequency of the incident light. In this embodiment, rubidium gas is used as the gas filled in the gas cell 5.

周波数シフト部６は、例えば音響光学素子であって、レーザ光Ｌ２の周波数を所定量（シフト量ΔＦ）だけシフトさせる。なお、周波数シフト部６は、複数の音響光学素子によって構成されてもよい。 The frequency shift unit 6 is, for example, an acousto-optical element, and shifts the frequency of the laser light L2 by a predetermined amount (shift amount ΔF). Note that the frequency shift unit 6 may be composed of multiple acousto-optical elements.

第１光検出部７１および第２光検出部７２は、例えばフォトダイオードである。
第１光検出部７１は、ガスセル５を往復したレーザ光Ｌ１を受光し、レーザ光Ｌ１の光強度に応じた大きさの第１光強度信号Ｓｄ１を出力する。
第２光検出部７２は、周波数シフト部６を経由してガスセル５を往復したレーザ光Ｌ２を受光し、レーザ光Ｌ２の光強度に応じた大きさの第２光強度信号Ｓｄ２を出力する。 The first light detection section 71 and the second light detection section 72 are, for example, photodiodes.
The first light detector 71 receives the laser light L1 that has traveled back and forth through the gas cell 5, and outputs a first light intensity signal Sd1 having a magnitude according to the light intensity of the laser light L1.
The second light detection unit 72 receives the laser light L2 that has traveled back and forth through the gas cell 5 via the frequency shift unit 6, and outputs a second light intensity signal Sd2 having a magnitude corresponding to the light intensity of the laser light L2.

制御部８は、例えばコンピュータにより構成され、記憶部および演算部等を含んで構成されている。記憶部は、メモリまたはハードディスク等により構成されたデータ記録装置であり、レーザ周波数安定化装置１を制御するためのプログラムが記録されている。演算部は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算回路およびＲＡＭ（Random Access Memory）等の記録回路により構成される。
具体的には、図２に示すように、制御部８は、演算部８１が記憶部８２に記録されたプログラムを読み込み実行することで、データ取得部８１１、光強度比算出部８１２、周波数制御部８１３および設定部８１４として機能する。なお、演算部８１の各機能は、専用のハードウェアにより実現されてもよい。 The control unit 8 is configured, for example, by a computer, and includes a storage unit, an arithmetic unit, etc. The storage unit is a data recording device configured by a memory or a hard disk, etc., and stores a program for controlling the laser frequency stabilization device 1. The arithmetic unit is configured by an arithmetic circuit such as a CPU (Central Processing Unit) and a recording circuit such as a RAM (Random Access Memory).
2, the control unit 8 functions as a data acquisition unit 811, a light intensity ratio calculation unit 812, a frequency control unit 813, and a setting unit 814 by the calculation unit 81 reading and executing a program recorded in the storage unit 82. Note that each function of the calculation unit 81 may be realized by dedicated hardware.

データ取得部８１１は、第１光検出部７１から入力される第１光強度信号Ｓｄ１および第２光検出部７２から入力される第２光強度信号Ｓｄ２をそれぞれ所定周期で取得する。 The data acquisition unit 811 acquires the first light intensity signal Sd1 input from the first light detection unit 71 and the second light intensity signal Sd2 input from the second light detection unit 72 at a predetermined period.

光強度比算出部８１２は、データ取得部８１１により取得された第１光強度信号Ｓｄ１および第２光強度信号Ｓｄ２に基づいて、第１光強度信号Ｓｄ１と第２光強度信号Ｓｄ２との比である光強度比Ｒｐを算出する。本実施形態において、光強度比Ｒｐ＝第１光強度信号Ｓｄ１／第２光強度信号Ｓｄ２であるが、第１光強度信号Ｓｄ１と第２光強度信号Ｓｄ２との関係は逆であってもよい。 The light intensity ratio calculation unit 812 calculates a light intensity ratio Rp, which is the ratio between the first light intensity signal Sd1 and the second light intensity signal Sd2, based on the first light intensity signal Sd1 and the second light intensity signal Sd2 acquired by the data acquisition unit 811. In this embodiment, the light intensity ratio Rp = first light intensity signal Sd1/second light intensity signal Sd2, but the relationship between the first light intensity signal Sd1 and the second light intensity signal Sd2 may be reversed.

周波数制御部８１３は、レーザ駆動部９に対して制御信号Ｓｃを出力する。レーザ駆動部９は、周波数制御部８１３から入力された制御信号Ｓｃに従って、レーザ光源２に注入する駆動電流または駆動電圧を調整する。これにより、レーザ光源２の発振周波数が制御される。すなわち、周波数制御部８１３は、レーザ光源２から出射されるレーザ光Ｌｏの周波数を制御する。
また、周波数制御部８１３は、レーザ周波数安定化装置１の稼働中、光強度比Ｒｐが一定値になるように制御信号Ｓｃを出力する。
設定部８１４は、後述するように、レーザ周波数安定化装置１の初期設定を行う。 The frequency control unit 813 outputs a control signal Sc to the laser driving unit 9. The laser driving unit 9 adjusts the driving current or driving voltage to be injected into the laser light source 2 in accordance with the control signal Sc input from the frequency control unit 813. This controls the oscillation frequency of the laser light source 2. In other words, the frequency control unit 813 controls the frequency of the laser light Lo emitted from the laser light source 2.
Furthermore, the frequency control unit 813 outputs a control signal Sc so that the light intensity ratio Rp becomes a constant value while the laser frequency stabilizer 1 is in operation.
The setting unit 814 performs initial settings for the laser frequency stabilizing device 1, as described later.

〔初期設定〕
図３は、本実施形態における封入ガス（ルビジウムガス）の透過スペクトルを示している。図３には、８ＧＨｚほどの周波数範囲内において、それぞれ１ＧＨｚほどの広がりを有する３つの吸収線Ｎ１～Ｎ３が観察される。
以下、ガスセル５の封入ガス（ルビジウムガス）が示す吸収線Ｎ１～Ｎ３のうち、任意の１つである吸収線Ｎ２を利用する場合について説明する。〔Initial setting〕
Fig. 3 shows the transmission spectrum of the filled gas (rubidium gas) in this embodiment. Three absorption lines N1 to N3, each having a spread of about 1 GHz, are observed in a frequency range of about 8 GHz.
Hereinafter, a case will be described in which an arbitrary absorption line N2 among the absorption lines N1 to N3 exhibited by the gas filled in the gas cell 5 (rubidium gas) is used.

レーザ周波数安定化装置１の初期設定方法について、図４に示すフローチャートを参照しながら説明する。
図４において、制御部８は、封入ガスの吸収線Ｎ２を探索する（ステップＳ１）。具体的には、周波数制御部８１３が、レーザ光源２の発振周波数を所定範囲で走査すると共に、データ取得部８１１が第１光強度信号Ｓｄ１および第２光強度信号Ｓｄ２を取得する。 The method for initial setting of the laser frequency stabilization device 1 will be described with reference to the flow chart shown in FIG.
4, the control unit 8 searches for an absorption line N2 of the filled gas (step S1). Specifically, the frequency control unit 813 scans the oscillation frequency of the laser light source 2 in a predetermined range, and the data acquisition unit 811 acquires the first light intensity signal Sd1 and the second light intensity signal Sd2.

図５は、図３に示す透過スペクトルの一部を拡大したものであり、ステップＳ１におけるレーザ光Ｌ１，Ｌ２の各周波数の走査範囲を示している。ここで、第１光強度信号Ｓｄ１は、レーザ光Ｌ１の周波数に対応する透過率の比例値を示し、第２光強度信号Ｓｄ２は、レーザ光Ｌ２の周波数に対応する透過率の比例値を示す。すなわち、ステップＳ１における第１光強度信号Ｓｄ１および第２光強度信号Ｓｄ２は、それぞれ、図５に示すような封入ガスの透過スペクトルを描く。
ステップＳ１において、設定部８１４は、第１光強度信号Ｓｄ１が示す負ピーク（透過率の負ピーク）の１つを封入ガスの吸収線（吸収線Ｎ２）として検出する。なお、吸収線Ｎ２の検出には、記憶部８２に記憶された封入ガスの透過スペクトルのデータを利用してもよい。 5 is an enlarged view of a portion of the transmission spectrum shown in FIG. 3, showing the scanning ranges of the frequencies of the laser beams L1 and L2 in step S1. Here, the first light intensity signal Sd1 indicates a proportional value of the transmittance corresponding to the frequency of the laser beam L1, and the second light intensity signal Sd2 indicates a proportional value of the transmittance corresponding to the frequency of the laser beam L2. That is, the first light intensity signal Sd1 and the second light intensity signal Sd2 in step S1 each depict the transmission spectrum of the enclosed gas as shown in FIG. 5.
In step S1, the setting unit 814 detects one of the negative peaks (negative peaks of transmittance) indicated by the first light intensity signal Sd1 as an absorption line (absorption line N2) of the filler gas. Note that the detection of the absorption line N2 may utilize data on the transmission spectrum of the filler gas stored in the storage unit 82.

次に、設定部８１４は、レーザ光源２の発振周波数を、ステップＳ１で検出された吸収線Ｎ２に基づいて設定する（ステップＳ２；設定ステップ）。
具体的には、設定部８１４は、第１光強度信号Ｓｄ１の負ピーク（吸収線Ｎ２）に対応する周波数範囲のうち、第１光強度信号Ｓｄ１の傾き（透過率の傾き）が負となる周波数範囲Ｒｆ１内に、レーザ光源２の発振周波数を設定する。この周波数範囲Ｒｆ１は、第１光強度信号Ｓｄ１が単純減少している範囲であり、かつ、ディップを含まない範囲である。
特に、本実施形態において、レーザ光源２の発振周波数は、周波数範囲Ｒｆ１のうち、第１光強度信号Ｓｄ１の負ピークに対して所定の比率、例えば負ピーク高さＨの１／２となる周波数ｆｓ１に設定される。
これにより、レーザ光源２の発振周波数、すなわちガスセル５に入射するレーザ光Ｌ１の周波数は、周波数ｆｓ１に設定される。 Next, the setting unit 814 sets the oscillation frequency of the laser light source 2 based on the absorption line N2 detected in step S1 (step S2; setting step).
Specifically, the setting unit 814 sets the oscillation frequency of the laser light source 2 within a frequency range Rf1 in which the slope (slope of the transmittance) of the first light intensity signal Sd1 is negative, within the frequency range corresponding to the negative peak (absorption line N2) of the first light intensity signal Sd1. This frequency range Rf1 is a range in which the first light intensity signal Sd1 simply decreases and does not include a dip.
In particular, in this embodiment, the oscillation frequency of the laser light source 2 is set to a frequency fs1 that is a predetermined ratio, for example, 1/2 of the negative peak height H, of the negative peak of the first light intensity signal Sd1 within the frequency range Rf1.
As a result, the oscillation frequency of the laser light source 2, that is, the frequency of the laser light L1 incident on the gas cell 5, is set to the frequency fs1.

なお、上述のステップＳ２によれば、ガスセル５に入射するレーザ光Ｌ２の周波数は、周波数ｆｓ１からシフト量ΔＦずれた周波数ｆｓ２に設定される。
ここで、本実施形態のシフト量ΔＦは、封入ガスの吸収線Ｎ２の半値幅に相当する値に設定されている。
このため、ガスセル５に入射するレーザ光Ｌ２の周波数は、第２光強度信号Ｓｄ２の負ピーク（透過率の負ピーク）に対応する周波数範囲のうち、第２光強度信号Ｓｄ２の傾き（透過率の傾き）が正となる周波数範囲Ｒｆ２内に設定される。この周波数範囲Ｒｆ２は、第２光強度信号Ｓｄ２が単純減少している範囲である。
特に、本実施形態では、ガスセル５に入射するレーザ光Ｌ２の周波数は、周波数範囲Ｒｆ２のうち、第２光強度信号Ｓｄ２の負ピークに対して所定の比率、例えば負ピーク高さＨの１／２となる周波数ｆｓ２に設定される。 According to step S2 described above, the frequency of the laser light L2 incident on the gas cell 5 is set to a frequency fs2 that is shifted from the frequency fs1 by the shift amount ΔF.
Here, the shift amount ΔF in this embodiment is set to a value corresponding to the half-width of the absorption line N2 of the enclosed gas.
For this reason, the frequency of the laser light L2 incident on the gas cell 5 is set within a frequency range Rf2 in which the slope of the second light intensity signal Sd2 (slope of the transmittance) is positive, within the frequency range corresponding to the negative peak of the second light intensity signal Sd2 (negative peak of the transmittance). This frequency range Rf2 is a range in which the second light intensity signal Sd2 simply decreases.
In particular, in this embodiment, the frequency of the laser light L2 incident on the gas cell 5 is set to a frequency fs2 within the frequency range Rf2 that is a predetermined ratio to the negative peak of the second light intensity signal Sd2, for example, 1/2 of the negative peak height H.

次に、設定部８１４は、レーザ光源２の発振周波数が周波数ｆｓ１である場合の第１光強度信号Ｓｄ１と第２光強度信号Ｓｄ２との比を、目標光強度比Ｒｉとして記憶部８２に記憶させる（ステップＳ３）。
以上により、レーザ周波数安定化装置１の初期設定が終了する。 Next, the setting unit 814 stores the ratio between the first light intensity signal Sd1 and the second light intensity signal Sd2 when the oscillation frequency of the laser light source 2 is the frequency fs1 in the storage unit 82 as the target light intensity ratio Ri (step S3).
With the above, the initial setting of the laser frequency stabilization device 1 is completed.

〔周波数安定化方法〕
次に、レーザ周波数安定化装置１の周波数安定化方法について、図６に示すフローチャートを参照しながら説明する。レーザ周波数安定化装置１が稼働開始すると、図６に示すフローチャートが開始する。なお、レーザ周波数安定化装置１の稼働開始時、レーザ光源２は、前述の初期設定で設定された周波数ｆｓ１に制御されたレーザ光Ｌｏを出射する。 [Frequency stabilization method]
Next, a frequency stabilization method of the laser frequency stabilization device 1 will be described with reference to the flowchart shown in Fig. 6. When the laser frequency stabilization device 1 starts operating, the flowchart shown in Fig. 6 starts. When the laser frequency stabilization device 1 starts operating, the laser light source 2 emits laser light Lo controlled to the frequency fs1 set by the above-mentioned initial setting.

まず、データ取得部８１１は、第１光強度信号Ｓｄ１および第２光強度信号Ｓｄ２をそれぞれ取得し、光強度比算出部８１２は、第１光強度信号Ｓｄ１と第２光強度信号Ｓｄ２との比である光強度比Ｒｐを算出する（ステップＳ１１）。 First, the data acquisition unit 811 acquires the first light intensity signal Sd1 and the second light intensity signal Sd2, and the light intensity ratio calculation unit 812 calculates the light intensity ratio Rp, which is the ratio between the first light intensity signal Sd1 and the second light intensity signal Sd2 (step S11).

周波数制御部８１３は、目標光強度比Ｒｉに対する光強度比Ｒｐの変化（低下または上昇）を監視する（ステップＳ１２）。光強度比Ｒｐが変化していない場合、周波数制御部８１３は、レーザ光源２の発振周波数が安定していると判定し、フローはステップＳ１１に戻る。 The frequency control unit 813 monitors the change (decrease or increase) in the light intensity ratio Rp relative to the target light intensity ratio Ri (step S12). If the light intensity ratio Rp has not changed, the frequency control unit 813 determines that the oscillation frequency of the laser light source 2 is stable, and the flow returns to step S11.

一方、光強度比Ｒｐが変化している場合、周波数制御部８１３は、光強度比Ｒｐの変化方向、すなわち光強度比Ｒｐが増加または減少のいずれに変化しているかを判定し（ステップＳ１３）、判定結果に応じてレーザ光源２の発振周波数を減少（ステップＳ１４）または増加（ステップＳ１５）させる。 On the other hand, if the light intensity ratio Rp is changing, the frequency control unit 813 determines the direction of change in the light intensity ratio Rp, i.e., whether the light intensity ratio Rp is increasing or decreasing (step S13), and decreases (step S14) or increases (step S15) the oscillation frequency of the laser light source 2 depending on the determination result.

例えば、図７に示すように、レーザ光源２の温度変化等によりレーザ光源２の発振周波数が上昇し、レーザ光Ｌ１，Ｌ２の周波数ｆｓ１，ｆｓ２がそれぞれΔｆだけ上昇した場合、レーザ光Ｌ１の透過率が低下すると共にレーザ光Ｌ２の透過率が上昇する。すなわち、第１光強度信号Ｓｄ１が減少すると共に、第２光強度信号Ｓｄ２が増加する。このため、光強度比Ｒｐ（第１光強度信号Ｓｄ１／第２光強度信号Ｓｄ２）は減少する。この場合、周波数制御部８１３は、レーザ光源２の発振周波数を減少させるように制御信号Ｓｃを出力する（ステップＳ１４）。 For example, as shown in FIG. 7, when the oscillation frequency of the laser light source 2 increases due to a temperature change of the laser light source 2 or the like, and the frequencies fs1 and fs2 of the laser beams L1 and L2 increase by Δf, the transmittance of the laser beam L1 decreases and the transmittance of the laser beam L2 increases. That is, the first light intensity signal Sd1 decreases and the second light intensity signal Sd2 increases. Therefore, the light intensity ratio Rp (first light intensity signal Sd1/second light intensity signal Sd2) decreases. In this case, the frequency control unit 813 outputs a control signal Sc to decrease the oscillation frequency of the laser light source 2 (step S14).

一方、図７に示す場合とは逆に、レーザ光源２の発振周波数が減少した場合、レーザ光Ｌ１の透過率が上昇すると共にレーザ光Ｌ２の透過率が低下する。すなわち、第１光強度信号Ｓｄ１が増加すると共に、第２光強度信号Ｓｄ２が減少する。このため、光強度比Ｒｐ（第１光強度信号Ｓｄ１／第２光強度信号Ｓｄ２）は増加する。この場合、周波数制御部８１３は、レーザ光源２の発振周波数を増加させるように制御信号Ｓｃを出力する（ステップＳ１５）。 On the other hand, in contrast to the case shown in FIG. 7, when the oscillation frequency of the laser light source 2 decreases, the transmittance of the laser light L1 increases and the transmittance of the laser light L2 decreases. That is, the first light intensity signal Sd1 increases and the second light intensity signal Sd2 decreases. Therefore, the light intensity ratio Rp (first light intensity signal Sd1/second light intensity signal Sd2) increases. In this case, the frequency control unit 813 outputs a control signal Sc to increase the oscillation frequency of the laser light source 2 (step S15).

よって、上述のステップＳ１４またはＳ１５において、周波数制御部８１３は、目標光強度比Ｒｉに対する光強度比Ｒｐの差が０となる方向にレーザ光源２の発振周波数を変化させる制御信号Ｓｃを出力する。レーザ駆動部９は、周波数制御部８１３から入力された制御信号Ｓｃに従ってレーザ光源２に注入する駆動電流または駆動電圧を制御し、レーザ光源２の振周波数を変化させる。 Therefore, in the above-mentioned step S14 or S15, the frequency control unit 813 outputs a control signal Sc that changes the oscillation frequency of the laser light source 2 in a direction in which the difference between the light intensity ratio Rp and the target light intensity ratio Ri becomes 0. The laser driving unit 9 controls the driving current or driving voltage injected into the laser light source 2 according to the control signal Sc input from the frequency control unit 813, and changes the oscillation frequency of the laser light source 2.

その後、制御部８の処理はステップＳ１１に戻る。制御部８は、以上の処理の繰り返しにより、光強度比Ｒｐが目標光強度比Ｒｉで安定するように、レーザ光源２の振周波数をフィードバック制御する。以上のステップＳ１１～Ｓ１５は、本発明の制御ステップに相当する。
なお、フィードバック制御に関して、目標光強度比Ｒｉに対する光強度比Ｒｐの差を０にするような制御方法に限られず、当該差が所定の閾値よりも小さくなるような制御方法であってもよい。 Thereafter, the process of the control unit 8 returns to step S11. By repeating the above process, the control unit 8 feedback-controls the oscillation frequency of the laser light source 2 so that the light intensity ratio Rp is stabilized at the target light intensity ratio Ri. The above steps S11 to S15 correspond to the control steps of the present invention.
The feedback control is not limited to a control method that makes the difference between the light intensity ratio Rp and the target light intensity ratio Ri zero, but may be a control method that makes the difference smaller than a predetermined threshold value.

〔効果〕
以上に説明したように、本実施形態では、外乱などによりレーザ光源２の発振周波数が変動した場合、ガスセル５を透過するレーザ光Ｌ１の透過率と、ガスセル５を透過するレーザ光Ｌ２の透過率とが互いに異なる変化を示し、第１光強度信号Ｓｄ１と第２光強度信号Ｓｄ２との比である光強度比Ｒｐが変動する。よって、この光強度比Ｒｐが一定になるようにレーザ光源２の発振周波数を制御することで、レーザ光Ｌｏの周波数を安定化させることができる。
また、ガスセル５に振動などの外乱が生じて透過スペクトルが変化した場合には、第１光強度信号Ｓｄ１および第２光強度信号Ｓｄ２に同様の誤差が生じるため、第１光強度信号Ｓｄ１と第２光強度信号Ｓｄ２との比である光強度比Ｒｐに対する誤差の影響を低減することができる。
さらに、本実施形態で利用するルビジウムなどの封入ガスは、分子または原子に固有の吸収線を示すものであり、封入ガスが示す透過スペクトルでは、１つの吸収線に対応して透過率が変化する周波数範囲が１ＧＨｚほどの広がりを持っている。本実施形態では、この周波数範囲における透過率の傾きを制御に利用することができるため、ヨウ素吸収線のラムディップを利用した従来の制御と比べて、制御可能な周波数範囲が広くなる。
したがって、本実施形態によれば、ロバスト性が向上されたレーザ周波数安定化装置１が提供される。〔effect〕
As described above, in this embodiment, when the oscillation frequency of the laser light source 2 fluctuates due to disturbances or the like, the transmittance of the laser light L1 passing through the gas cell 5 and the transmittance of the laser light L2 passing through the gas cell 5 show different changes, and the light intensity ratio Rp, which is the ratio between the first light intensity signal Sd1 and the second light intensity signal Sd2, fluctuates. Therefore, by controlling the oscillation frequency of the laser light source 2 so that the light intensity ratio Rp is constant, the frequency of the laser light Lo can be stabilized.
Furthermore, when a disturbance such as vibration occurs in the gas cell 5 and causes a change in the transmission spectrum, a similar error occurs in the first light intensity signal Sd1 and the second light intensity signal Sd2. Therefore, it is possible to reduce the effect of the error on the light intensity ratio Rp, which is the ratio between the first light intensity signal Sd1 and the second light intensity signal Sd2.
Furthermore, the filled gas such as rubidium used in this embodiment exhibits absorption lines specific to molecules or atoms, and in the transmission spectrum of the filled gas, the frequency range in which the transmittance changes corresponding to one absorption line is about 1 GHz. In this embodiment, the slope of the transmittance in this frequency range can be used for control, so the controllable frequency range is wider than that of conventional control using the Lamb dip of the iodine absorption line.
Therefore, according to this embodiment, a laser frequency stabilization device 1 with improved robustness is provided.

本実施形態において、ガスセル５に入射するレーザ光Ｌ１の周波数と、ガスセル５に入射するレーザ光Ｌ２の周波数とは、透過スペクトルにおける透過率の傾きの正負が互いに異なる。これにより、レーザ光源２の発振周波数が変動した場合に光強度比Ｒｐが変動する割合を大きくすることができ、この光強度比Ｒｐが一定になるようにレーザ光源２を制御することで、レーザ光Ｌｏの周波数をより高精度に安定化させることができる。 In this embodiment, the frequency of the laser light L1 incident on the gas cell 5 and the frequency of the laser light L2 incident on the gas cell 5 have different positive and negative transmittance slopes in the transmission spectrum. This makes it possible to increase the rate at which the light intensity ratio Rp fluctuates when the oscillation frequency of the laser light source 2 fluctuates, and by controlling the laser light source 2 so that this light intensity ratio Rp is constant, the frequency of the laser light Lo can be stabilized with higher precision.

本実施形態において、ガスセル５に入射する第１レーザ光の周波数、および、前記ガスセルに入射する前記第２レーザ光の周波数は、それぞれ、透過率が負ピークに対して所定の比率（例えば１／２）となる周波数に設定されている。これにより、レーザ光源２の発振周波数が変動した場合において、レーザ光Ｌ１，Ｌ２の各透過率の傾きに正負の切り替わりが生じることを抑制でき、その結果、ロバスト性をより向上させることができる。 In this embodiment, the frequency of the first laser light incident on the gas cell 5 and the frequency of the second laser light incident on the gas cell are each set to a frequency at which the transmittance is a predetermined ratio (e.g., 1/2) to the negative peak. This makes it possible to prevent the slope of the transmittance of each of the laser lights L1 and L2 from switching between positive and negative when the oscillation frequency of the laser light source 2 fluctuates, thereby further improving robustness.

なお、従来のヨウ素安定化ヘリウムネオンレーザでは、ヨウ素吸収線のラムディップを検出した状態を保つために、共振器長を調整するピエゾ素子を常に正弦波駆動させる必要がある。このため、従来のヨウ素安定化ヘリウムネオンレーザでは、ピエゾ素子を原因とした故障が生じやすい。また、従来のヨウ素安定化ヘリウムネオンレーザは、ピエゾ素子を正弦波駆動することでレーザ光の中央周波数を制御しているが、レーザ光の瞬時の周波数が一定していないため、レーザ光の用途が限られてしまう。
このような従来技術に対して、本実施形態のレーザ周波数安定化装置１は、ピエゾ素子を有する必要がないため、故障になり難い。また、レーザ光Ｌｏの瞬時の周波数が一定になるため、レーザ光Ｌｏの用途が従来技術よりも広くなる。 In addition, in the conventional iodine-stabilized helium-neon laser, the piezoelectric element that adjusts the resonator length must be constantly driven in a sine wave in order to maintain the detection of the Lamb dip of the iodine absorption line. For this reason, the conventional iodine-stabilized helium-neon laser is prone to failure due to the piezoelectric element. In addition, the conventional iodine-stabilized helium-neon laser controls the central frequency of the laser light by driving the piezoelectric element in a sine wave, but the instantaneous frequency of the laser light is not constant, which limits the applications of the laser light.
In contrast to such conventional techniques, the laser frequency stabilization device 1 of the present embodiment does not require a piezoelectric element, and is therefore less susceptible to failure. In addition, since the instantaneous frequency of the laser light Lo is constant, the range of uses of the laser light Lo is wider than that of the conventional techniques.

〔変形例〕
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などは本発明に含まれる。 [Modifications]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes modifications within the scope of the present invention that can achieve the object of the present invention.

例えば、前記実施形態において、レーザ周波数安定化装置１は、第１光強度信号Ｓｄ１または第２光強度信号Ｓｄ２の少なくとも一方を増幅させる増幅器を有していてもよい。これにより、レーザ光源２の発振周波数が変動した場合に光強度比Ｒｐが変動する割合を大きくすることができ、この光強度比Ｒｐが一定になるようにレーザ光源２を制御することで、レーザ光Ｌｏの周波数をより高精度に安定化させることができる。 For example, in the above embodiment, the laser frequency stabilization device 1 may have an amplifier that amplifies at least one of the first light intensity signal Sd1 or the second light intensity signal Sd2. This makes it possible to increase the rate at which the light intensity ratio Rp fluctuates when the oscillation frequency of the laser light source 2 fluctuates, and by controlling the laser light source 2 so that this light intensity ratio Rp is constant, the frequency of the laser light Lo can be stabilized with higher precision.

前記実施形態では、ガスセル５に入射するレーザ光Ｌ１が周波数範囲Ｒｆ１内に設定され、ガスセル５に入射するレーザ光Ｌ２の周波数が周波数範囲Ｒｆ２内に設定されるが、これらの組み合わせは逆であってもよい。この場合、前記実施形態の周波数安定化方法において、ステップＳ１３の判定結果に対するステップＳ１４，Ｓ１５の関係を逆にすればよい。 In the above embodiment, the frequency of the laser light L1 incident on the gas cell 5 is set within the frequency range Rf1, and the frequency of the laser light L2 incident on the gas cell 5 is set within the frequency range Rf2, but these combinations may be reversed. In this case, in the frequency stabilization method of the above embodiment, the relationship between the determination result of step S13 and steps S14 and S15 may be reversed.

図８に示すように、変形例に係るレーザ周波数安定化装置１Ａは、ビームスプリッタ３２により分割されたレーザ光Ｌ１の周波数をシフトさせる補助周波数シフト部６Ａをさらに備えてもよい。このような構成では、レーザ光源２の発振周波数の調整可能な範囲が周波数範囲Ｒｆ１，Ｒｆ２から外れている場合であっても、レーザ光Ｌ１の周波数を、周波数範囲Ｒｆ１内または周波数範囲Ｒｆ２内に設定することができる。これにより、様々な仕様のレーザ光源２を利用してレーザ光Ｌｏの周波数を高精度に安定化させることができる。 As shown in FIG. 8, the laser frequency stabilization device 1A according to the modified example may further include an auxiliary frequency shifter 6A that shifts the frequency of the laser light L1 split by the beam splitter 32. In this configuration, even if the adjustable range of the oscillation frequency of the laser light source 2 is outside the frequency ranges Rf1 and Rf2, the frequency of the laser light L1 can be set within the frequency range Rf1 or Rf2. This makes it possible to stabilize the frequency of the laser light Lo with high precision by using laser light sources 2 with various specifications.

前記実施形態では、ガスセル５に入射するレーザ光Ｌ１，Ｌ２の周波数を、１つの吸収線（吸収線Ｎ２）に対応する周波数範囲（周波数範囲Ｒｆ１，Ｒｆ２）内に設定しているが、本発明はこれに限られない。すなわち、封入ガスの透過スペクトルが複数の吸収線を有する場合、ガスセル５に入射するレーザ光Ｌ１，Ｌ２の周波数を、互いに異なる吸収線に対応する周波数範囲内に設定してもよい。
例えば、図９では、本実施形態の封止ガスの透過スペクトルにおいて、透過率が負ピークのピーク高さの半分になる周波数Ｆ１～Ｆ６を例示している。レーザ周波数安定化装置１の各構成、例えばレーザ光源２の発振周波数の調整可能範囲や周波数シフト部６によるシフト量などに応じて、ガスセル５に入射するレーザ光Ｌ１，Ｌ２の各周波数を、周波数Ｆ１～Ｆ６の任意の組み合わせに設定することができる。 In the above embodiment, the frequencies of the laser beams L1 and L2 incident on the gas cell 5 are set within a frequency range (frequency ranges Rf1 and Rf2) corresponding to one absorption line (absorption line N2), but the present invention is not limited to this. In other words, when the transmission spectrum of the filled gas has multiple absorption lines, the frequencies of the laser beams L1 and L2 incident on the gas cell 5 may be set within frequency ranges corresponding to different absorption lines.
9 illustrates frequencies F1 to F6 at which the transmittance is half the peak height of the negative peak in the transmission spectrum of the sealing gas of this embodiment. Depending on each configuration of the laser frequency stabilization device 1, for example, the adjustable range of the oscillation frequency of the laser light source 2 and the shift amount by the frequency shift unit 6, the frequencies of the laser beams L1 and L2 incident on the gas cell 5 can be set to any combination of frequencies F1 to F6.

また、レーザ光Ｌ１，Ｌ２の各周波数は、透過スペクトルの透過率の傾きが正または負となる周波数に設定されることに限られず、透過率の傾きが互いに異なる周波数であればよい。例えば、レーザ光Ｌ１，Ｌ２の一方の周波数が、透過スペクトルにおいて透過率が一定となる周波数範囲内に設定され、レーザ光Ｌ１，Ｌ２の他方の周波数が、透過率の傾きが正または負となる周波数に設定されてもよい。このような場合であっても、光強度比Ｒｐに基づいてレーザ光Ｌｏの周波数を安定化させることができる。 Furthermore, the frequencies of the laser beams L1 and L2 are not limited to being set to frequencies where the slope of the transmittance in the transmission spectrum is positive or negative, as long as the slopes of the transmittance are different from each other. For example, the frequency of one of the laser beams L1 and L2 may be set within a frequency range where the transmittance in the transmission spectrum is constant, and the frequency of the other of the laser beams L1 and L2 may be set to a frequency where the slope of the transmittance is positive or negative. Even in such a case, the frequency of the laser beam Lo can be stabilized based on the light intensity ratio Rp.

前記実施形態において、ガスセル５の封入ガスは、ルビジウムガス以外であってもよい。具体的には、少なくとも１つの吸収線の周波数領域と、ガスセル５に入射するレーザ光Ｌ１，Ｌ２の少なくとも一方の周波数とが重なるように調整可能な範囲で、種々の封入ガスを利用することができる。
前記実施形態では、本発明の光分割部がビームスプリッタ３２であるが、偏光ビームスプリッタなど、他の光学部材であってもよい。 In the above embodiment, the gas filled in the gas cell 5 may be other than rubidium gas. Specifically, various gases can be used as long as the frequency range of at least one absorption line overlaps with the frequency of at least one of the laser beams L1 and L2 incident on the gas cell 5.
In the above embodiment, the light splitting section of the present invention is the beam splitter 32, but it may be another optical member such as a polarizing beam splitter.

前記実施形態では、レーザ光源２に入力する駆動電流または駆動電圧を制御することで、レーザ光源２の発振周波数を制御しているが、本発明はこれに限られない。
例えば、レーザ光源２に温度調整手段が設けられている場合、周波数制御部８１３は、当該温度調整手段を制御することで、レーザ光源２の発振周波数を制御してもよい。
また、レーザ光源２が共振器の一端部を移動させる移動機構を有する場合、周波数制御部８１３は、当該移動機構を制御することで、レーザ光源２の発振周波数を制御してもよい。 In the above embodiment, the oscillation frequency of the laser light source 2 is controlled by controlling the drive current or drive voltage input to the laser light source 2, but the present invention is not limited to this.
For example, in the case where the laser light source 2 is provided with a temperature adjustment means, the frequency control unit 813 may control the oscillation frequency of the laser light source 2 by controlling the temperature adjustment means.
Furthermore, in the case where the laser light source 2 has a moving mechanism for moving one end of the resonator, the frequency control unit 813 may control the oscillation frequency of the laser light source 2 by controlling the moving mechanism.

前記実施形態のレーザ周波数安定化装置１は、所望の波長のレーザ光を出射できる波長可変レーザ周波数安定化装置として構成されてもよい。
例えば、レーザ光Ｌ１の周波数が周波数範囲Ｒｆ１に位置し、かつ、レーザ光Ｌ２の周波数が周波数範囲Ｒｆ２内に位置する範囲内で、レーザ光源２の発振周波数と光強度比Ｒｐとの対応関係を示すテーブルを作成し、記憶部８２に記憶させる。そして、制御部８は、所望の波長が入力された場合、当該波長を周波数に変換し、当該周波数に対応する光強度比Ｒｐの値（参照値）をテーブルから取得する。周波数制御部８１３は、光強度比Ｒｐが参照値を保つようにレーザ光源２の発振周波数を制御する。これにより、レーザ周波数安定化装置１は、所望の波長のレーザ光Ｌｏを出射することができる。 The laser frequency stabilizer 1 of the above embodiment may be configured as a wavelength-tunable laser frequency stabilizer capable of emitting laser light of a desired wavelength.
For example, a table showing the correspondence between the oscillation frequency of the laser light source 2 and the light intensity ratio Rp is created within a range in which the frequency of the laser light L1 is located in the frequency range Rf1 and the frequency of the laser light L2 is located in the frequency range Rf2, and is stored in the storage unit 82. When a desired wavelength is input, the control unit 8 converts the wavelength into a frequency and obtains the value (reference value) of the light intensity ratio Rp corresponding to the frequency from the table. The frequency control unit 813 controls the oscillation frequency of the laser light source 2 so that the light intensity ratio Rp maintains the reference value. This allows the laser frequency stabilization device 1 to emit a laser light Lo of a desired wavelength.

１，１Ａ…レーザ周波数安定化装置、２…レーザ光源、３１…ビームスプリッタ、３２…ビームスプリッタ、４１…第１光学系、４１１…偏光ビームスプリッタ、４１２…１／４波長板、４１３…ミラー、４２…第２光学系、４２１…ミラー、４２２…偏光ビームスプリッタ、４２３…１／４波長板、４２４…ミラー、５…ガスセル、６…周波数シフト部、６Ａ…補助周波数シフト部、７１…第１光検出部、７２…第２光検出部、８…制御部、８１…演算部、８１１…データ取得部、８１２…光強度比算出部、８１３…周波数制御部、８１４…設定部、８２…記憶部、９…レーザ駆動部、Ｌ１…レーザ光（第１レーザ光）、Ｌ２…レーザ光（第２レーザ光）、Ｌｏ…レーザ光、Ｒｆ１，Ｒｆ２…周波数範囲、Ｓｃ…制御信号、Ｓｄ１…第１光強度信号、Ｓｄ２…第２光強度信号。 1, 1A...laser frequency stabilization device, 2...laser light source, 31...beam splitter, 32...beam splitter, 41...first optical system, 411...polarizing beam splitter, 412...quarter-wave plate, 413...mirror, 42...second optical system, 421...mirror, 422...polarizing beam splitter, 423...quarter-wave plate, 424...mirror, 5...gas cell, 6...frequency shift unit, 6A...auxiliary frequency shift unit, 71 ...First light detection unit, 72...Second light detection unit, 8...Control unit, 81...Calculation unit, 811...Data acquisition unit, 812...Light intensity ratio calculation unit, 813...Frequency control unit, 814...Setting unit, 82...Memory unit, 9...Laser drive unit, L1...Laser light (first laser light), L2...Laser light (second laser light), Lo...Laser light, Rf1, Rf2...Frequency range, Sc...Control signal, Sd1...First light intensity signal, Sd2...Second light intensity signal.

Claims

A laser light source that emits laser light;
a light splitting unit that splits the laser light emitted from the laser light source into a first laser light and a second laser light;
a gas cell filled with a gas exhibiting a transmission spectrum in which the transmittance changes depending on the frequency of incident light;
a first light detection unit that receives the first laser light that has passed through the gas cell and outputs a first light intensity signal that indicates a light intensity of the first laser light;
a frequency shift unit that shifts the frequency of the second laser light;
a second light detection unit that receives the second laser light that has been frequency shifted by the frequency shift unit and then transmitted through the gas cell, and outputs a second light intensity signal that indicates the light intensity of the second laser light;
an amplifier that amplifies either the first light intensity signal or the second light intensity signal;
a control unit that controls a frequency of the laser light emitted from the laser light source so that a ratio between one of the first light intensity signal and the second light intensity signal amplified by the amplifier and the other signal that is not amplified becomes a target light intensity ratio;
a frequency of the first laser light incident on the gas cell and a frequency of the second laser light incident on the gas cell are set to frequencies such that slopes of the transmittance in the transmission spectra are different from each other.

A laser light source that emits laser light;
a light splitting unit that splits the laser light emitted from the laser light source into a first laser light and a second laser light;
a gas cell filled with a gas that exhibits a transmission spectrum in which the transmittance changes depending on the frequency of incident light and has a plurality of absorption lines;
a first light detection unit that receives the first laser light that has passed through the gas cell and outputs a first light intensity signal that indicates a light intensity of the first laser light;
a frequency shift unit that shifts the frequency of the second laser light;
a second light detection unit that receives the second laser light that has been frequency shifted by the frequency shift unit and then transmitted through the gas cell, and outputs a second light intensity signal that indicates the light intensity of the second laser light;
a control unit that controls a frequency of the laser light emitted from the laser light source so that a ratio between the first light intensity signal and the second light intensity signal becomes a target light intensity ratio,
a frequency of the first laser light incident on the gas cell and a frequency of the second laser light incident on the gas cell are within frequency ranges corresponding to different absorption lines, and a slope of the transmittance in the transmission spectrum is set to a different frequency.

A laser light source that emits laser light;
a light splitting unit that splits the laser light emitted from the laser light source into a first laser light and a second laser light;
a gas cell filled with a gas exhibiting a transmission spectrum in which the transmittance changes depending on the frequency of incident light;
a first light detection unit that receives the first laser light that has passed through the gas cell and outputs a first light intensity signal that indicates a light intensity of the first laser light;
a frequency shift unit that shifts the frequency of the second laser light;
a second light detection unit that receives the second laser light that has been frequency shifted by the frequency shift unit and then transmitted through the gas cell, and outputs a second light intensity signal that indicates the light intensity of the second laser light;
a control unit that controls a frequency of the laser light emitted from the laser light source so that a ratio between the first light intensity signal and the second light intensity signal becomes a target light intensity ratio,
a frequency of the first laser light incident on the gas cell and a frequency of the second laser light incident on the gas cell are set to frequencies such that slopes of the transmittance in the transmission spectra are different from each other,
a frequency of one of the first laser light and the second laser light is set within a frequency range in which the transmittance is constant in the transmission spectrum, and a frequency of the other of the first laser light and the second laser light is set within a frequency range in which the slope of the transmittance is positive or negative in the transmission spectrum;
1. A laser frequency stabilization device comprising:

A laser light source that emits laser light;
a light splitting unit that splits the laser light emitted from the laser light source into a first laser light and a second laser light;
a gas cell filled with a gas exhibiting a transmission spectrum in which the transmittance changes depending on the frequency of incident light;
a first light detection unit that receives the first laser light that has passed through the gas cell and outputs a first light intensity signal that indicates a light intensity of the first laser light;
a frequency shift unit that shifts the frequency of the second laser light;
a second light detection unit that receives the second laser light that has been frequency shifted by the frequency shift unit and then transmitted through the gas cell, and outputs a second light intensity signal that indicates the light intensity of the second laser light;
an amplifier that amplifies either the first light intensity signal or the second light intensity signal,
a setting step of setting a frequency of the first laser light incident on the gas cell and a frequency of the second laser light incident on the gas cell to frequencies at which slopes of the transmittance in the transmission spectrum are different from each other;
a control step of controlling a frequency of the laser light emitted from the laser light source so that a ratio between one of the first light intensity signal and the second light intensity signal amplified by the amplifier and the other signal that is not amplified becomes a target light intensity ratio.