CN104428963B - 脉冲光源以及稳定地控制脉冲激光的相位差的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的脉冲光源(1)具备：主激光器(112)，其输出重复频率被控制成预定值的主激光脉冲；辅激光器(212)，其输出辅激光脉冲；相位比较器(232)，其检测预定值的频率的电信号与基于辅激光脉冲的光强度的电信号的相位差；环路滤波器(234)；加法器(235)，其对环路滤波器(234)的输出相加具有恒定的重复周期的重复频率控制信号；以及相位比较器(306)，其对主激光脉冲与辅激光脉冲的相位差即脉冲间相位差进行测定。辅激光脉冲的重复频率根据加法器(235)的输出而变化。对重复频率控制信号的大小进行控制，以便使测定出的脉冲间相位差与脉冲间相位差的目标值一致。

Description

脉冲光源以及稳定地控制脉冲激光的相位差的方法
技术领域
本发明涉及一种激光脉冲的重复频率的控制。
背景技术
一直以来，公知有通过使辅激光器的重复频率上下变动，使主激光器的重复频率恒定，来使两台激光器的重复频率的差变动的装置(例如，参照专利文献1(日本特许第4786767号公报))。
在该装置中，辅激光器具有压电元件，对提供给用于驱动该压电元件的压电驱动器的电压附加使其上下变动的成分(例如，正弦波的电压)(参照专利文献1的图1、图3)。
发明内容
然而，即使向提供给压电驱动器的电压附加正弦波的电压，辅激光器的重复频率也并不一定是正弦波。例如，辅激光器的重复频率根据压电元件的位移而变动，但即使向压电元件提供的电压相同，压电元件的位移也会根据压电元件的周围温度而发生变化。因此，由于压电元件的周围温度的变动，有时辅激光器的重复频率也不会是正弦波的情况。
因此，本发明的课题是准确控制两台激光器的重复频率的差。
本发明的脉冲光源根据两个脉冲激光的相位差，来对重复频率控制信号源的重复频率控制信号进行反馈控制。
另外，在本发明的脉冲光源中，输出所述两个脉冲激光的激光器是输出重复频率被控制成预定值的主激光脉冲的主激光器；以及输出辅激光脉冲的辅激光器，脉冲光源具备：相位差检测器，其检测所述预定值的频率的电信号与基于所述辅激光脉冲的光强度的电信号的相位差；环路滤波器，其去除所述相位差检测器的输出的高频成分；加法器，其对所述环路滤波器的输出相加从所述重复频率控制信号源输出且具有恒定的重复周期的重复频率控制信号；以及脉冲间相位差检测器，其对所述主激光脉冲与所述辅激光脉冲的相位差即脉冲间相位差进行测定，所述辅激光脉冲的重复频率根据所述加法器的输出而变化，对所述重复频率控制信号的大小进行控制，以便使测定出的所述脉冲间相位差与所述脉冲间相位差的目标值一致。
另外，在本发明的脉冲光源中，所述辅激光器的谐振腔长度可以根据所述加法器的输出而变化。
另外，在本发明的脉冲光源中，所述辅激光器具有压电元件，向所述压电元件提供所述加法器的输出，所述辅激光器的谐振腔长度可以根据所述压电元件的伸缩而变化。
另外，在本发明的脉冲光源中，可以具备：主侧相位差检测器，其检测所述预定值的频率的电信号与基于所述主激光脉冲的光强度的电信号的相位差；以及主侧环路滤波器，其去除所述主侧相位差检测器的输出的高频成分，所述主激光脉冲的重复频率根据所述主侧环路滤波器的输出而变化。
本发明是在光采样装置或太赫兹成像装置中，稳定地控制脉冲激光的相位差的方法。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的脉冲光源1的结构的功能框图。
图2是表示重复频率控制信号源238的输出(图2(a))、加法器235的输出(图2(b))、周围温度恒定时的辅激光器212的重复频率(图2(c))、周围温度变动时的辅激光器212的重复频率的假设例(图2(d))的图。
图3是表示周围温度变动时的目标值输出部240的输出(图3(a))、相位比较器306的输出(图3(b))、重复频率控制信号源238的输出(图3(c))、加法器235的输出(图3(d))的图。
图4是表示重复频率控制信号的输出的变形例的图，是表示重复频率控制信号源238的输出(图4(a))、加法器235的输出(图4(b))、周围温度恒定时的辅激光器212的重复频率(图4(c))、周围温度变动时的辅激光器212的重复频率的假设例(图4(d))的图。
图5是表示重复频率控制信号的输出的变形例的图，是表示周围温度变动时的目标值输出部240的输出(图5(a))、相位比较器306的输出(图5(b))、重复频率控制信号源238的输出(图5(c))、加法器235的输出(图5(d))的图。
图6是表示使用THz光的测定装置的结构的框图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
图1是表示本发明的实施方式的脉冲光源1的结构的功能框图。
本发明的实施方式的脉冲光源1具备：主激光器112、光耦合器114、光电二极管116、基准电信号源121、相位比较器(主侧相位差检测器)132、环路滤波器(主侧环路滤波器)134、压电驱动器136、辅激光器212、光耦合器214、光电二极管216、相位比较器(相位差检测器)232、环路滤波器234、加法器235、压电驱动器236、重复频率控制信号源238、目标值输出部240、误差检测部242、带通滤波器302、304以及相位比较器(脉冲间相位差检测器)306。
脉冲光源1根据两个脉冲激光(主激光脉冲以及辅激光脉冲)的相位差，对重复频率控制信号源238进行反馈控制。
主激光器112输出主激光脉冲。另外，将主激光脉冲的重复频率控制成预定值。该预定值与基准电信号源121输出的基准电信号的频率(例如，50MHz)相同。
主激光器112具有压电元件112p。将环路滤波器134的输出电压通过压电驱动器136进行放大后施加，由此压电元件112p在X方向(图1中的横方向)伸缩。主激光器112的激光谐振腔长度发送根据压电元件112p在X方向的伸缩而变化。主激光脉冲的重复频率根据激光谐振腔长度的变化而变化。
光耦合器114接受主激光器112输出的主激光脉冲后，例如以功率比1:9的比率，输出给光电二极管116和外部。例如，赋予光电二极管116的主激光脉冲的光功率成为主激光器112输出的主激光脉冲的10％。
光电二极管(主侧光电转换部)116从光耦合器114接受主激光脉冲后，将其转换成电信号。将主激光脉冲的重复频率控制成50MHz。
基准电信号源121输出预定值的频率(例如50MHz)的基准电信号。
相位比较器(主侧相位差检测器)132检测并输出基准电信号源121的输出与光电二极管116的输出的相位差。另外，光电二极管116的输出是基于主激光脉冲的光强度的电信号。
环路滤波器(主侧环路滤波器)134去除相位比较器132的输出的高频成分。
压电驱动器136例如是功率放大器，对环路滤波器134的输出进行放大。将压电驱动器136的输出提供给压电元件112p。由此，压电元件112p在X方向伸缩。其中，为使相位比较器132检测出的相位差成为恒定值(例如，0度、90度或-90度)而使压电元件112p进行伸缩。由此，能够使主激光脉冲的重复频率准确地与基准电信号的频率(例如，50MHz)一致。
辅激光器212输出辅激光脉冲。
辅激光器212具有压电元件212p。将加法器235的输出电压通过压电驱动器236进行放大后施加，由此压电元件212p在X方向(图1中的横方向)伸缩。通过压电元件212p在X方向的伸缩，辅激光器212的激光谐振腔长度发生变化。辅激光脉冲的重复频率根据激光谐振腔长度的变化而变化。
光耦合器214是与光耦合器114相同的部件，接受辅激光器212输出的辅激光脉冲，例如以功率比1:9的比率，输出给光电二极管216和外部。
光电二极管(光电转换部)216是与光电二极管116相同的部件，从光耦合器214接受辅激光脉冲，将其转换成电信号。将辅激光脉冲的重复频率控制成对50MHz相加了与重复频率控制信号对应的值后的值(参照图2(c))。
相位比较器(相位差检测器)232是与相位比较器132相同的部件，检测并输出基准电信号源121的输出与光电二极管216的输出的相位差。另外，光电二极管216的输出是基于辅激光脉冲的光强度的电信号。
环路滤波器234是与环路滤波器134相同的部件，去除相位比较器232的输出的高频成分。
压电驱动器236是与压电驱动器136相同的部件，对加法器235的输出进行放大。将压电驱动器236的输出提供给压电元件212p。由此，压电元件212p在X方向伸缩。其中，为使相位比较器232检测出的相位差成为恒定值(例如，0度、90度或-90度)而使压电元件212p伸缩。由此，能够使辅激光脉冲的重复频率与对50MHz(基准电信号的频率)相加了对应于重复频率控制信号的值而得的值(可以称为50MHz近旁)一致。
加法器235对环路滤波器234的输出相加重复频率控制信号后进行输出。
重复频率控制信号源238例如是任意波形发生器，输出重复频率控制信号。重复频率控制信号具有恒定的重复周期。将时间设成横轴时，例如可以考虑通过正弦波对重复频率控制信号进行图示(参照图2(a))，或者考虑重复频率控制信号重复直线性地增加以及减少(参照图4(a))。另外，重复频率控制信号例如是250Hz左右的重复频率的信号。
带通滤波器302是取出光电二极管116输出的50MHz(基准电信号的频率)或50MHz的高次谐波(100MHz、150MHz、……)近旁的成分的滤波器。
带通滤波器304是取出光电二极管216输出的50MHz(基准电信号的频率)或50MHz的高次谐波(100MHz、150MHz、……)近旁的成分的滤波器。
相位比较器(脉冲间相位差检测器)306检测并输出带通滤波器302的输出与带通滤波器304的输出之间的相位差。带通滤波器302的输出与带通滤波器304的输出之间的相位差是主激光脉冲与辅激光脉冲的相位差(脉冲间相位差)。
目标值输出部240输出脉冲间相位差的目标值。
误差检测部242检测目标值输出部240输出的脉冲间相位差的目标值与相位比较器306的输出(测定出的脉冲间相位差)之间的差(误差)，并将其提供给重复频率控制信号源238。
重复频率控制信号源238根据由误差检测部242检测出的误差来控制重复频率控制信号的大小，以便使相位比较器306的输出(测定出的脉冲间相位差)(测定值)与脉冲间相位差的目标值一致。例如，当目标值大于测定值时(误差为负)，使重复频率控制信号变得更大。当目标值小于测定值时(误差为正)，使重复频率控制信号变得更小。
接着，对本发明的实施方式的动作进行说明。
(1)输出重复频率控制信号前
此时，脉冲光源1的动作与通常的PLL电路相同。即，主激光脉冲以及辅激光脉冲的重复频率成为50MHz。
以下，对主激光脉冲的重复频率成为50MHz的动作进行说明。对于辅激光脉冲的重复频率也同样。
相位比较器132比较光电二极管116输出的相位与基准电信号源121输出的相位，检测并输出两者的相位差。相位比较器132的输出通过环路滤波器134来去除高频成分，通过压电驱动器136进行放大后提供给压电元件112p。压电元件112p进行伸缩，以便使相位比较器132检测出的相位差成为恒定值，(例如，0度、90度或-90度)。由此，能够使主激光脉冲的重复频率准确地与基准电信号的频率50MHz一致。
使主激光脉冲以及辅激光脉冲的重复频率与预定值f0(＝50MHz)一致后，假设没有干扰时，如果使向压电元件112p、212p施加的电压保持恒定，则可以使主激光脉冲以及辅激光脉冲的重复频率继续保持预定值。
图2是表示重复频率控制信号源238的输出(图2(a))、加法器235的输出(图2(b))、周围温度恒定时的辅激光器212的重复频率(图2(c))、周围温度变动时的辅激光器212的重复频率的假设例(图2(d))的图。
在图2中示出了在时间0～t0间，使加法器235的输出保持V0，使辅激光脉冲的重复频率保持预定值f0的图(参照图2(b)～(d))。此外，同样地，在时间0～t0间，使主激光脉冲的重复频率保持预定值f0。
在此，在时间t0，开始重复频率控制信号的输出。
(2)输出重复频率控制信号后(周围温度恒定时)
当横轴表示时间时，例如通过正弦波表示重复频率控制信号源238输出的重复频率控制信号(参照图2(a))。
于是，加法器235的输出也在V0上下变动(参照图2(b))。
如果加法器235的输出增加(减少)，则向压电元件212p施加的电压变高(变低)，压电元件212p伸长(收缩)。在此，设计成压电元件212p伸长(收缩)时，辅激光器212的激光谐振腔长度变短(变长)。那么，辅激光器212的重复频率增大(减少)。
因此，与加法器235的输出同样地，辅激光器212的重复频率也上下变动(参照图2(c))。辅激光器212的重复频率的上下变动值是与重复频率控制信号对应的值。
另一方面，特别是主激光脉冲的重复频率不变动。
即，辅激光器212的重复频率上下变动，而主激光器112的重复频率恒定，因此可以变动两台激光器的重复频率的差。
另外，带通滤波器302取出光电二极管116输出的50MHz(基准电信号的频率)或50MHz的高次谐波(100MHz、150MHz、……)近旁的成分。带通滤波器304取出光电二极管216输出的50MHz(基准电信号的频率)或50MHz的高次谐波(100MHz、150MHz、……)近旁的成分。相位比较器306检测并输出带通滤波器302的输出与带通滤波器304的输出之间的相位差(脉冲间相位差)。
作为干扰考虑周围温度的变动时，如果周围温度恒定，则脉冲间相位差与目标值一致，没有误差。即，目标值输出部240的输出与相位比较器306的输出一致，误差检测部242的输出为0。由于误差为0，因此重复频率控制信号源238直接将该输出设成正弦波。
(3)输出重复频率控制信号后(周围温度变动时)
然而，当周围温度变动时，脉冲间相位差与目标值不一致，产生误差。这基于以下的理由。
一般的压电元件的位移，即使向压电元件提供的电压相同，也会根据压电元件的周围温度而变动。例如，当压电元件的周围温度较高(较低)时，压电元件的位移增大(减小)。此外，根据压电元件212p的位移的大小来决定辅激光脉冲的重复频率，进而决定脉冲间相位差。因此，如果压电元件212p的位移的大小根据周围温度的变动而变动时，则脉冲间相位差变动。因此，当周围温度变动时，脉冲间相位差从目标值变动，与目标值不一致，产生误差。
图2(d)是表示周围温度变动时的辅激光器212的重复频率的假设例的图。记载成“假设例”表示将重复频率控制信号源238的输出还是假设成正弦波。另外，在图2(d)中，通过虚线曲线示出了周围温度恒定时的辅激光器212的重复频率。
假设，从时间t0至t1为止周围温度为低温，t1以后周围温度为高温。此时，从时间t0至t1为止，与周围温度恒定的情况相比，频率的变动减小。时间t1以后，与周围温度恒定的情况相比，频率的变动增大。
因此，重复频率控制信号源238根据由误差检测部242检测出的误差，来改变重复频率控制信号的大小，使辅激光器212的重复频率接近图2(c)示出的状态。
图3是表示周围温度变动时的目标值输出部240的输出(图3(a))、相位比较器306的输出(图3(b))、重复频率控制信号源238的输出(图3(c))、加法器235的输出(图3(d))的图。
参照图3(a)，目标值输出部240的输出为正弦波。目标值输出部240的输出表示辅激光器212的重复频率是图2(c)所示的正弦波，而主激光器112的重复频率为恒定时的双方的激光器的脉冲光的相位差。然而，相位比较器306的输出是将相位差置换成电压的值(例如，将相位差180度表示成1.8V)，因此，与此对应地，目标值输出部240的输出也是将相位差置换成电压的值。
参照图3(b)，从时间t0至t1为止，与周围温度恒定的情况相比，频率的变动减小，因此相位比较器306输出的振幅在从时间t0至t1为止小于目标值输出部240输出的振幅。此外，时间t1以后，与周围温度恒定的情况相比，频率的变动增大，因此相位比较器306输出的振幅在时间t1以后大于目标值输出部240输出的振幅。
误差检测部242检测目标值输出部240输出的脉冲间相位差的目标值与相位比较器306的输出(测定出的脉冲间相位差)之间的差(误差)，并将其提供给重复频率控制信号源238。
参照图3(c)，重复频率控制信号源238根据由误差检测部242检测出的误差来控制重复频率控制信号的大小。
例如，如果目标值大于测定值(误差为负)，则使重复频率控制信号变得更大。如果目标值小于测定值(误差为正)，则使重复频率控制信号变得更小。由此，重复频率控制信号源238在从时间t0至t1为止，增加重复频率控制信号的振幅，t1以后，减小重复频率控制信号的振幅。
参照图3(d)，加法器235的输出是对图3(c)所示的电压增加V0后的值。
从时间t0至t1为止周围温度为低温，因此辅激光器212的重复频率的振幅也变小。但是，重复频率控制信号的振幅变大，因此增大辅激光器212的重复频率的振幅，从而能够接近周围温度恒定时的辅激光器212的重复频率。
时间t1以后周围温度为高温，因此辅激光器212的重复频率的振幅也变大。但是，重复频率控制信号的振幅变小，因此减小辅激光器212的重复频率的振幅变小，从而能够接近周围温度恒定时的辅激光器212的重复频率。
根据本发明的实施方式，即使有干扰(例如，周围温度的变动)，也可以使主激光脉冲光以及辅激光脉冲光的相位差(或者频率差)保持目标值。
另外，在以下示出了重复频率控制信号的输出的变形例。
图4是表示重复频率控制信号的输出的变形例的图，是表示重复频率控制信号源238的输出(图4(a))、加法器235的输出(图4(b))、周围温度恒定时的辅激光器212的重复频率(图4(c))、周围温度变动时的辅激光器212的重复频率的假设例(图4(d))的图。
当横轴表示时间时，也可以考虑重复频率控制信号重复直线性的增加以及减少(参照图4(a))，此时的加法器235的输出(参照图4(b))、辅激光器212的重复频率(参照图4(c)、(d))也是同样的。
图5是表示重复频率控制信号的输出的变形例的图，是表示周围温度变动时的、目标值输出部240的输出(图5(a))、相位比较器306的输出(图5(b))、重复频率控制信号源238的输出(图5(c))、加法器235的输出(图5(d))的图。
目标值输出部240的输出(参照图5(a))、相位比较器306的输出(参照图5(b))、重复频率控制信号源238的输出(参照图5(c))以及加法器235的输出(参照图5(d))在横轴表示时间时，也可以考虑重复直线性的增加以及减少。
另外，也可以将脉冲光源1用于使用THz光的测定装置(光采样装置)。图6是表示使用THz光的测定装置的结构的框图。该测定装置具备：脉冲光源1；光耦合器12、22；THz光发生器14；THz光检测器24；触发产生器32；I/V放大器34；PC(个人电脑)36以及数据取得部38。
例如，将主激光脉冲提供给THz光发生器14(例如，光传导开关)，产生THz光后，向被测定物2照射。将透过了被测定物2，或者由被测定物2反射的THz光提供给THz光检测器24(例如，光传导开关)。在此，通过向THz光检测器24提供辅激光脉冲，能够检测出THz光。主激光脉冲以及辅激光脉冲的重复频率存在差，因此能够观察透过被测定物2，或者由被测定物2反射的THz光的波形的多个点(光采样)。THz光检测器24检测出THz波后输出电流。
另外，为了光采样，从光耦合器12、22分支主激光脉冲以及辅激光脉冲的部分后，提供给触发产生器32。触发产生器32在接受主激光脉冲以及辅激光脉冲双方的时刻，输出触发信号。此外，I/V放大器34从THz光检测器24接受电流，将其转换成电压后进行放大。PC(个人电脑)36具有数据取得部38，数据取得部38将从触发产生器32接收触发信号的时刻设成起点后取得I/V放大器34的输出。
此外，也可以将数据取得部38的取得结果进行某种图像显示(太赫兹成像装置)。

Claims (4)

1.一种脉冲光源，根据两个脉冲激光的相位差，来对重复频率控制信号源的重复频率控制信号进行反馈控制，其特征在于，
输出所述两个脉冲激光的激光器是：
主激光器，其输出重复频率被控制成预定值的主激光脉冲；以及
辅激光器，其输出辅激光脉冲，
所述脉冲光源具备：
相位差检测器，其检测所述预定值的频率的电信号与基于所述辅激光脉冲的光强度的电信号的相位差；
环路滤波器，其去除所述相位差检测器的输出的高频成分；
加法器，其对所述环路滤波器的输出相加从所述重复频率控制信号源输出且具有恒定的重复周期的重复频率控制信号；
脉冲间相位差检测器，其对所述主激光脉冲与所述辅激光脉冲的相位差即脉冲间相位差进行测定；以及
误差检测部，其检测所述脉冲间相位差的目标值与所述脉冲间相位差检测器的输出之间的差，并将该差提供给所述重复频率控制信号源，
所述辅激光脉冲的重复频率根据所述加法器的输出而变化，
对所述重复频率控制信号的大小进行控制，以便使测定出的所述脉冲间相位差与所述脉冲间相位差的目标值一致。
2.根据权利要求1所述的脉冲光源，其特征在于，
所述辅激光器的谐振腔长度根据所述加法器的输出而变化。
3.根据权利要求2所述的脉冲光源，其特征在于，
所述辅激光器具有压电元件，
向所述压电元件提供所述加法器的输出，
所述辅激光器的谐振腔长度根据所述压电元件的伸缩而变化。
4.根据权利要求1所述的脉冲光源，其特征在于，具备：
主侧相位差检测器，其检测所述预定值的频率的电信号与基于所述主激光脉冲的光强度的电信号的相位差；以及
主侧环路滤波器，其去除所述主侧相位差检测器的输出的高频成分，
所述主激光脉冲的重复频率根据所述主侧环路滤波器的输出而变化。
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