JPS63218830A - ヘテロダインレーザの即時周波数測定システム及びその測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈発明の技術分野〉 この発明は、ヘテロダインレーザの即時周波数測定シス
テム及びその測定方法に関する。

〈発明の背景〉 好ましい実施例において、この発明は、原子燕気谷フオ
トイオナイズ（ｐｈｏｔｏｉｏｎｉｚｉｎｑ　）するた
めにパルスレーザビームを利用する原子レーザ同位体分
離（Ａｔｏｍｉｃ　Ｖａｐｏｒ　Ｌａ５ｅｒ　ｌ５ｏｔ
ｏｐｅＳｅｐａｒａｔｉｏｎ　：　ＡＶＬＩＳ　）プロ
セスに用いられることを意図したものでおる。このＡＶ
ＬＩＳプロセスを最大限に動作させるためには、処理工
程において用いられるパルスレーザの周波数を精度高く
調整する必要がある。重い原子における同位体周波数の
シフト及び光学的遷移の超微細な分裂は典型的には０．
１と１０ＧＨｚの間である。超微細なスペクトル諸特性
は、熱源におけるＩＧＩ−１ｚより大きいのに対して、
原子ビームにおいては少なくとも１０ＭＨｚのライン幅
を持つことができる。このようなプロセスはしばしば、
この超微細なスペクトル諸特性の中心ラインにおけるレ
ーザ周波数を正確に置いたかにより依存し、また５　Ｍ
　ＨＺより少ない絶対周波数誤差が要求される。例えば
５００Ｔ　ＨＺの赤色光に対しては、１／１０８の最大
分別周波数誤差が相当する。

以上説明した背景より、パルスレーザビームの即時周波
数を正確に表示することのできる周波数測定システムを
提供することが望まれていることが理解できる。

〈発明の要約〉 この発明の目的は、即時周波数測定システムを提供する
ことにある。

この発明の他の目的は、レーザパルスの即時周波数を計
測しうるヘテロダインレーザ即時周波数測定システムを
提供することにある。

この発明の別の目的は、レーザパルスの平均周波数とこ
のパルス中における周波数のどんな変化“チャープ（ｃ
ｈｉｒｐ　）　”をも計測することのできるシステムを
提供することにある。

即ち、この発明では、その即時周波数が計測されるべき
第１のパルスレーザビームを発生させるための第１のパ
ルスレーザを含んでなるレーザビーム周波数微分システ
ムから構成される。

またこのシステムには、所定の周波数レンジを有する第
２のレーザビームを発生させるための第２の連続波（Ｃ
Ｗ）基準レーザを有している。

このシステムにはまた、上記の第１及び第２のレーザビ
ームをヘテロダイニング（ｈｅｔｅｒｏ　−ｄｙｎｉｎ
ｇ）　Ｌ／で、上記第１及び第２のの周波数の間の差を
表わずビート信号を形成するための手段を含んでいる。

このシステムには更に、上記のビート信号を処理して上
記の第１のレーザビームの即時周波数を計測するための
手段を有している。

以上説明した以外の、本発明の目的、長所及び新規な特
徴は、その一部は以下の説明中において述べられ、また
その他の部分は当業者にとっては以下の説明を参照した
りこの発明を実施したりすることにより明らかになろう
。また、これらの本発明の目的、長所、並びに特徴は、
請求の範囲にて指摘された手段並びにそれらの組合せか
ら理解され、あるいは得られるであろう。

〈実施例の説明〉 以下に添付図面に例示したこの発明の実施例について説
明する。ここで、この発明を以下の好適な実施例と関連
させて説明するが、この実施例にこの発明を限定するこ
とを意図したものではないことを理解されたい。それど
ころか、請求の範囲により限定される発明の思想及び範
囲内において包含される変形例、応用例及び同等例をも
含むことを意図したものでおる。

第１図は、この発明によるレーザヘテロダイン即時周波
数微分システムのブロックダイヤグラムを示したもので
ある。レーザヘテロダイン即時周波数微分システム１０
は、パルスレーザの絶対周波数のみならず、このパルス
（パルス幅が１０〜１００ナノ秒のもの）の間における
レーザの周波数変化も測定できる。このシステム１０は
、適当な既知のオフセット周波数において、パルスレー
ザとＣＷ基準レーザのヘテロダインビート信号をデジタ
ル的に記録する。そして、コンピュータは、このレーザ
パルスの間における時間対即時周波数を計算しまたプロ
ットするべく、このデータを分析する。このシステム１
０は５　Ｍ　ＨＺより良好な正確さで絶対周波数オフセ
ットを測定し、またこのパルスの間において約３ノ゛ノ
秒の間隔で発生する周波数変化を同程度の正確さで検出
することができる。

第１図に示したシステム１０において、グイマスター（
ｄｙｅ　ｍａｓｔｅｒ）発（辰器１２には、第１のレー
ザビーム１８を発生させるべく、銅蒸気レーザ１４が適
当に注入されている。この第１のレーザビーム１８の周
波数はこのシステム１０により計算されて計測される。

パルスレーザビーム１８は、２．ＯＮ　Ｄ　（Ｎｅｕ−
ｔｒａｌ　Ｄｅｎｓｉｔｙ：中立密度）フィルタを介し
て、適当なカプラ２０（例えば（３ｏｕｌｄ社のファイ
バカプラ）に結合した単モードファイバ１６に光学的に
連結されている。

銅蒸気レーザ１４にはまた、後述するように、トリガの
目的でリード６８上にトリガ出力が供給されている。

そして、第１のレーザビーム１８はカプラ２０によって
比例的に分離される。即ちその９１％は検出器５０に入
力され、またその９％は結合器３６に入力される。

このシステム１０はまた、所定の（予め定めた）オフセ
ット周波数を有する連続波（ＣＷ）レーザ３０を有して
いる。このＣＷレーザ３０からのレーザビームは偏光回
転子３２を介して単モードファイバカプラ３６に入力さ
れている。

パルスレーザ１２よりのパルスレーザビームとレーザ３
０よりのＣＷレーザビームは単モードファイバ４０上に
て結合する。偏光回転子３２は、最大のヘテロゲインビ
ート信号を達成すべく、上記２つのレーザビームが検出
器５２に照準を合わせるように調整される。

実施例によっては、パルスレーザビームの９１％がファ
イバ２４を経て強度パルス検出器５０に入力され、また
カプラ２０よりの上記結合されたパルス／ＣＷレーザは
ヘテロダインパルス検出器５２に入力される。

検出器５０．５２の出力は、信号結合器６４、リード６
６を介して、デジタイザ７０に入力されている。

第１図において、入力光強度と光−電流との間に直線的
な関係をもったシリコンダイオード検出器５２は、精度
及び即時周波数＝を算の時間分解能を増大させる。光学
的ヘテロダイン差−周波数は通常ＩＧＩ−１２より低く
、従って極度の高検出器周波数応答は、検出器出力電流
対光学強度の直線よりも重要なことではない。検出器５
２よりのヘテロダインビート信号と検出器５０よりのパ
ルスレーザの強度振幅波形は、デジタイザ７０（好まし
くは超高速のＴＯｋｔｒＯｎｉＸ社の７９１２ＡＤ瞬間
デジタイザ）により、分析されるレーザパルス毎に夫々
デジタル的に記録される。瞬間デジタイザ７０によって
即時にアナログからデジタルへと変換できるのはただの
１つの信号チャンネルでおるから、ヘテロダインビート
信号は、瞬間デジタイザ７０に入力される前に電気伝送
ないし光学的遅延ライン４２のいずれかにより遅延され
、その後にパルスレーザ全幅波形と同じ信号ライン６６
に結合される。必要に応じて、テスト信号及びヘテロダ
インビート信号用に独立したデジタイザを設けるように
してもよい。

瞬間デジタイザ７０によりアナログからデジタルへの変
換後、このデジタルデータは標準ＧＰＩＢバス７４によ
りコンピュータ８０（９るいはコントローラ）に移送さ
れる。コンピュータ８０では、この結合されたビート信
号及び全幅信号データを分析し、パルスレーザ１２とＣ
Ｗ基準レーザ３０との即時光学周波数差を計算する。

このヘテロダインデータはまず、上記パルスレーザ搬幅
データを用いて正規化される。その後、実数ビート信号
と仮定した一定周波数平均ビート信号との間の往信相が
パルスの期間中計算される。そして最後に、時間に対す
る往信相信号の微分が算出される。この結果は、時間に
対する即時光学的周波数をもたらすため、上記仮定した
ヘテロダイン周波数差、並びにＣＷ基準レーザの絶対周
波数に加えられる。このようにして、１つのパルス中で
生じる絶対パルスレーザ周波数及びパルスレーザ周波数
変化が得られる。パルスからパルスの間の周波数変化は
、追加のレーザパルスを繰り返し測定することで量子化
される。

２０ナノ秒の期間のレーザパルスにおける゛即日青光学
的周波数゛変化の光学的ヘテロダインシステムを用いて
得られたプロットを第２図Ｃに示した。また第２図Ａは
、第２図Ｃのプロットを１ｑるために、瞬間デジタイザ
７０によって捕えられた、パルスレーザ振幅及びヘテロ
ダインビート信号データとの混合物を示したものである
。第２図Ａにおいて、曲線８４は第１図における強度パ
ルス検出器５０からの単一パルスを表わし、また曲線８
６は第１図のヘテロダイン検出器５２よりの遅延ヘテロ
ダインビート信号を示している。このヘテロダイン信Ｍ
　は約４２ｎＳ（ナノ秒）だけ遅延されている。第２図
Ｂは、曲線８８で示したように、ＣＷ基準レーザ３０に
対するパルスレーザ１２の往信相変化を表わす中間コン
ピュータ結果のプロットである。第２図Ｇは、曲線９０
により示されるパルスレーザ１２の即時光学的周波数が
描かれており、第２図Ｂの導関数（微分）をとることに
より得られる。また、信号のノイズ改善のため、適当な
時間応答フィルタを追加してもよい。更に、別紙Ａは、
デジタル化したヘテロダインビート並びにパルスレーザ
強度信号データを処理して即時周波数プロプｌ〜を１ｑ
るためのコンピュータアルゴリズムの実行例を示したも
のである。

この例は、Ｍａｔｈｇｒａｆと呼ばれる商業上入手しう
るソフトウェアパッケージを用いた。

瞬間デジタイザバンド幅の技術レベルによってこのヘテ
ロダインビート周波数の実用上の上限は規制される。現
在この上限は約６ＧＨｚである。処理済のパルスレーザ
とＣＷレーザとの間の最大許容周波数差を広げるため、
第３図に示したように、レーザビーミル信号周波数を瞬
間デジタイザのバンド幅内に下方変換するマイクロ波局
所（ｌｏｃａｌ　）発振器と共に外部混合器を用いても
よい。

第３図において、基準レーザ１０２及びパルスレーザ１
００よりの出力はファイバカプラ１０６にて結合され、
ヘテロダイン検出器１１０へ向かっている。検出器１１
０よりのビート信号はバイパスフィルタ１１４を介して
フィルタされた後マイクロ波混合器１２０へ向かい、こ
こでこの信号はマイクロ波局所発振器１１６の出力と混
合される。

混合器１２０の出力はＯ〜１ＧＨｚ増幅器１２４を経て
第１図の瞬間デジタイザ７０に入力される。

これにより、第１図の瞬間デジタイザ７０の６ＧＨ２周
波数制限をこえる周波数オフセットにおいて、基準レー
ザ１０２を適当なスペクトル基準にロックすることがで
きる。また、この構成とすれば、仮のホモダイン信号（
ｓｐｕｒｉｏｕｓｈｏｍｏｄｙｎｅ　ｓｉｇｎａｌ　　
）と呼ばれる、可調ＣＷダイレーザに典型的なシステム
ノイズの源から生ずるノイズから信号を改善することが
できるという長所がおる。これらの仮のビート信号は、
基準レーザ１０２の低レベル二次的なモードとメインモ
ードとの間の中間変調物から生じ、またそれ故ホモダイ
ン信号と呼ばれている。基準レーザ１０２のみがそれら
の発生を必要とするからでおる。これらの信号は、その
時間領域内でランダムな位相にて現われ、またそれ故瞬
間デジタイザの入力信号の重大なノイズ源となる。上記
の二次的なモードはメインモードから高周波数オフセッ
トにおいて急に落下するので、これらの影響は、ヘテロ
ダイン検出器１１０と外部マイクロ波混合器１２０との
間にバイパスフィルタ１１４を設けることで省くことが
できる。

入力光を光学的検出器に結合するのにファイバー光学を
用いることで、代表的にはＡＶＬＩＳへの応用の際に用
いられる大型レーザシステムにおける計測を簡略化でき
る。計測は１つの位置において単一の計器を用いながら
、複合マスタ発（辰器、多数の増幅１ノーザシステム内
のいくつかの点においてなされる。１つの光学的検出器
、１つの基準レーザ、１つの瞬間デジタイザ並びにテス
ト下にある光学的信号の時間多重化を用いるのみで、シ
ステムの複雑化を大いに減じることができる。またこの
ファイバー光学により検出器の電気的絶縁が行なえ、パ
ルスレーザ゛に要求される極度に大きくパルス化された
力をもつ波形の即時の存在下において、光検出器からの
比較的低い信号レベルの記録の際に付随する多くの電磁
的干渉問題を減らすことができる。

ヘテロダイン技術はパルスレーザ光学的周波数の計測に
応用されてきた。パルスレーザ光学的周波数診断システ
ムは発達しつづけており、個々のレーザパルスの絶対レ
ーザが周波数の比較、ないし単一のパルスにおけるレー
ザ周波数の変化の検知をすることさえできるようになっ
ている。そして、このシステムにファイバー光学を用い
ることで複雑さが解消され、また多くの光学的整列並び
に電磁的干渉問題が解決しうる。

以上の好適な実施例はこの発明を例示しまた説明するた
めのものである。これらの実施例はこの発明のすべての
例を述べ尽したものではなく、またこの発明はこれらに
開示されたそのままの形態に限定されることを意図した
ものではない。この発明の技術思想に基づくその他の多
くの変形ないし変更例がおることは勿論である。

上記の実施例はこの発明の原理をよく説明するために用
いたものであり、当業者にとっては、意図した特別な用
途に最も適合するようこの発明を最大限に利用し、この
発明の特別な応用例を考えることは可能である。

例えば、パルス基準レーザは、これが分析下のパルスよ
り長い持続期間を有する場合に有用である。また、パル
ス分析レーザとパルス基準レーザは互いに同期させる必
要がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の測定システムの実施例を示したブロ
ックダイヤグラム、第２図Ａはパルスレーザ振幅とヘテ
ロダインビート信号データとのタイミング波形を示した
グラフ、第２図Ｂはパルスレーザの一定レーザ周波数か
らの往信相変化を示したグラフ、第２図Ｃはパルスレー
ザとＣＷ基準レーザとの間の即時光学的差周波数のタイ
ミング波形を示したグラフ、第３図はこの発明の光学的
ヘテロゲインビート信号のマ、イクロ波混合下方変換の
ブロックダイヤグラムである。 １０・・・ヘテロダイン即時周波数微分システム、１２
・・・グイマスター発（辰器、１８・・・レーザビーム
、２０・・・カプラ、５２・・・ヘテロダインパルス検
出器、７０・・・デジタイザ、８０・・・コンピュータ
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、その即時周波数を算出すべき第１のパルスレーザビ
   ームを発生するための第１のパルスレーザと、 所定の周波数を有する第２のレーザビーム を発生するための第２の基準レーザと、 前記第１及び第２のレーザの間の周波数の 差を表わすビート信号を形成するため、前記第１及び第
   ２のレーザビームをヘテロダイニングするための手段と
   、前記ビート信号を処理することで前記第１のレーザビ
   ームの即時周波数を算出する手段と を有してなることを特徴とするヘテロダインレーザの即
   時周波数測定システム。 ２、前記第２の基準レーザが連続波基準レーザであるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のシステム。 ３、前記第２の基準レーザがパルスレーザであることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載のシステム。 ４、前記ビート信号を正規化するための手段と、前記ビ
   ート信号と仮定された一定周波数平 均ビート信号との間の比位相を算出するための手段と、 前記比位相の時間に対する微分を算出する ための手段と を含んでなることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載のシステム。 ５、前記ビート信号を低周波数に変換するためのミキサ
   ー手段を含んでなることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載のシステム。 ６、前記ビート信号及び前記パルスレーザ強度信号を時
   間多重化する手段を含んでなることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載のシステム。 ７、所定の周波数を有する連続波レーザビームを発生す
   るための連続波基準レーザと、 前記第１及び第２のレーザの間の周波数の 差を表わすビート信号を形成するため、前記パルスレー
   ザビーム及び前記連続波レーザビームをヘテロダイニン
   グするための手段と、前記ビート信号を処理することで
   前記第１ のレーザビームの即時周波数を算出する手段と を有してなることを特徴とするパルスレーザビームの即
   時周波数を算出するためのヘテロダインレーザの即時周
   波数測定システム。 ８、その即時周波数を算出すべき第１のパルスレーザビ
   ームを発生するステップと、 所定の周波数を有する第２の連続レーザビ ームを発生するステップと、 前記第１及び第２のレーザビームの周波数 の間の差を表わすビート信号を形成するため、前記第１
   及び第２のレーザビームをヘテロダイニングするステッ
   プと、 前記ビート信号を処理して前記第１のレー ザビームの即時周波数を算出するステップとを有してな
   ることを特徴とするヘテロダインレーザの即時周波数の
   測定方法。