-
QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
-
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 1. November 2017 eingereichten
japanischen Anmeldung Nr. 2017-212034 , deren Offenbarung hierin ausdrücklich durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laservorrichtung und ein Laserstabilisierungsverfahren.
-
Beschreibung des Standes der Technik
-
Herkömmlicherweise ist eine Laservorrichtung bekannt, bei der eine Oszillationsfrequenz eines Resonators auf eine spezifische gesättigte Absorptionslinie einer Absorptionszelle stabilisiert wird (siehe z.B. die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2008-141054). Um eine Oszillationsfrequenz zu stabilisieren enthält eine solche Laservorrichtung einen Antriebscontroller, der eine Resonatorlänge basierend auf einem Lichtausgangssignal durch von einem Resonator emittiertes Laserlicht steuert bzw. regelt.
-
Insbesondere ändert der Antriebscontroller zunächst die Resonatorlänge innerhalb eines vorbestimmten Bereichs und sucht nach der gesättigten Absorptionslinie basierend auf einem Differenzsignal zweiter Ordnung und einem Differenzsignal dritter Ordnung des Lichtausgangssignals (Gesättigte-Absorptionslinien-Suchprozess). In dem Prozess der Suche nach gesättigten Absorptionslinien zeigen das Differenzsignal zweiter Ordnung und das Differenzsignal dritter Ordnung Wellenformen wie in 10 gezeigt. Der Antriebscontroller bestimmt, dass die gesättigte Absorptionslinie beobachtet wurde, wenn ein Ausgangswert des Differenzsignals zweiter Ordnung gleich einem oder höher als ein vorbestimmter Spannungswert Vth ist und der Ausgangswert des Differenzsignals dritter Ordnung nahe 0 V liegt (siehe 11).
-
Durch Erreichen der Resonatorlänge, bei der die spezifische gesättigte Absorptionslinie beobachtet wurde, sperrt als nächstes der Antriebscontroller die Oszillationsfrequenz auf eine Frequenz, die der spezifischen gesättigten Absorptionslinie entspricht (Frequenzsperrprozess). Dann verwendet der Antriebscontroller den Ausgangswert des Differenzsignals dritter Ordnung als einen Index und steuert bzw. regelt die Resonatorlänge derart, dass der Ausgangswert des Differenzsignals dritter Ordnung nahe 0 V liegt. Dementsprechend wird die Oszillationsfrequenz in der Nähe einer Mittenfrequenz der spezifischen gesättigten Absorptionslinie stabilisiert (Frequenzstabilisierungssteuerung bzw. -regelung).
-
Bei der Frequenzstabilisierungssteuerung bzw. -regelung durch die herkömmliche Laservorrichtung wird, wie oben beschrieben, die Resonatorlänge auf einem Zielwert Lo gehalten, indem die Resonatorlänge derart gesteuert bzw. geregelt wird, dass der Ausgangswert des Differenzsignals dritter Ordnung nahe 0 V liegt (siehe 12).
-
Wenn jedoch eine äußere Störung oder dergleichen, wie eine Vibration, in bzw. an einem Resonatorgehäuse auftritt, kann der Ausgangswert einen Steuer- bzw. Regelbereich Rc aufgrund einer plötzlichen Änderung der Resonatorlänge überschreiten. Wie in 12 gezeigt ist, liegt beispielsweise, wenn die Resonatorlänge einen Wert L1 oder L2 außerhalb des Steuer- bzw. Regelbereichs Rc aufweist, der Ausgangswert des Differenzsignals dritter Ordnung nahe 0 V, obwohl die Resonatorlänge gegenüber dem Zielwert Lo wesentlich geändert wird. In diesem Fall kann die Resonatorlänge nicht basierend auf dem Ausgangswert des Differenzsignals dritter Ordnung gesteuert bzw. geregelt werden und die Frequenzstabilisierungssteuerung bzw. -regelung kann nicht fortgesetzt werden. Daher erfordert es Zeit und Mühe, die Laservorrichtung neu zu starten und dergleichen.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Die vorliegende Erfindung stellt eine Laservorrichtung und ein Laserstabilisierungsverfahren bereit, die es ermöglichen, dass eine stabile Frequenzstabilisierungssteuerung bzw. -regelung fortgesetzt wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Besondere Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Gemäß einem Aspekt wird eine Laservorrichtung bereitgestellt, die eine Anregungslichtquelle, einen Resonator, der Anregungslicht von der Anregungslichtquelle empfängt und Laserlicht erzeugt, eine Absorptionszelle, an die das Laserlicht emittiert wird, einen Lichtwandler, der das durch die Absorptionszelle hindurchtretende Laserlicht in ein Lichtausgangssignal umwandelt, einen Differenzsignalgenerator, der ein Differenzsignal dritter Ordnung des Lichtausgangssignals erzeugt, einen Rückkehrcontroller, der, wenn eine spezifizierte (vorbestimmte oder vorbestimmbare) Wellenform des Differenzsignals dritter Ordnung detektiert wird, eine Rückkehrrichtung einer Resonatorlänge basierend auf der spezifizierten (vorbestimmten oder vorbestimmbaren) Wellenform bestimmt, und einen Resonatorlängencontroller enthält, der die Resonatorlänge zu der bzw. in die Rückkehrrichtung ändert.
-
Ähnlich wie bei einer herkömmlichen Technik kann demnach innerhalb eines Bereichs der Resonatorlänge (Steuer- bzw. Regelbereich), in dem eine spezifizierte (vorbestimmte oder vorbestimmbare) gesättigte Absorptionslinie erscheint, die Resonatorlänge auf einen Zielwert basierend auf dem Differenzsignal dritter Ordnung gesteuert bzw. geregelt werden (Frequenzstabilisierungssteuerung bzw. -regelung). Dementsprechend wird eine Oszillationsfrequenz des Laserlichts auf die spezifische gesättigte Absorptionslinie stabilisiert. In diesem Beispiel zeigt das Differenzsignal dritter Ordnung eine spezifizierte (vorbestimmte oder vorbestimmbare) Wellenform in dem Moment, wenn die Resonatorlänge aufgrund einer plötzlichen Änderung durch eine externe Störung oder dergleichen von dem Steuer- bzw. Regelbereich abweicht. Die spezifizierte (vorbestimmte oder vorbestimmbare) Wellenform des Differenzsignals dritter Ordnung enthält beispielsweise eine Spitzensignalform, die gleich oder größer als der spezifizierte (vorbestimmte oder vorbestimmbare) Bereich ist, und eine Form der Wellenform unterscheidet sich abhängig davon, ob die Änderung des Resonatorlänge aufgrund der äußeren Störung oder dergleichen in einer zunehmenden Richtung oder einer abnehmenden Richtung ist. In Anbetracht des Vorstehenden kann in der vorliegenden Offenbarung der Rückkehrcontroller die Rückkehrrichtung zum ZuRückkehren der Resonatorlänge in einen ursprünglichen Zustand basierend auf der detektierten Wellenform des Differenzsignals dritter Ordnung bestimmen. Der Resonatorlängencontroller ändert die Resonatorlänge in die Rückkehrrichtung, und dadurch kann die Resonatorlänge in den ursprünglichen Steuer- bzw. Regelbereich zurückgeführt werden, in dem die spezifische gesättigte Absorptionslinie erscheint. Daher kann gemäß der vorliegenden Offenbarung die Frequenzstabilisierungssteuerung bzw. -regelung auf stabile Weise fortgesetzt werden, selbst wenn die äußere Störung oder dergleichen auftritt.
-
Vorzugsweise bestimmt der Rückkehrcontroller die Rückkehrrichtung der Resonatorlänge basierend auf einem Anfangsspitzenwert, der positiv oder negativ ist, wenn das Differenzsignal dritter Ordnung die spezifizierte (vorbestimmte oder vorbestimmbare) Wellenform angibt. Somit kann die Rückkehrrichtung der Resonatorlänge leicht bestimmt werden.
Vorzugsweise durchsucht der Resonatorlängencontroller durch Ändern der Resonatorlänge die gesättigte Absorptionslinie der Absorptionszelle zumindest basierend auf dem Differenzsignal dritter Ordnung.
Ferner vorzugsweise stellt der Resonatorlängencontroller die Resonatorlänge auf einen Wert ein, der der Mittenwellenlänge der spezifischen gesättigten Absorptionslinie entspricht.
Ferner vorzugsweise wird eine Oszillationsfrequenz des Resonators in der Nähe einer Mittenfrequenz der spezifischen gesättigten Absorptionslinie gesperrt oder festgelegt. Ferner vorzugsweise steuert bzw. regelt der Resonatorlängencontroller die Resonatorlänge, um den Ausgangswert des Differenzsignals dritter Ordnung nahe 0 V zu halten.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Laserstabilisierungsverfahren bereitgestellt, das eine Laservorrichtung verwendet, die eine Anregungslichtquelle, einen Resonator, der Anregungslicht von der Anregungslichtquelle empfängt und Laserlicht erzeugt, eine Absorptionszelle, an die das Laserlicht emittiert wird, einen Lichtwandler, der das durch die Absorptionszelle hindurchtretende Laserlicht in ein Lichtausgangssignal umwandelt, und einen Differenzsignalgenerator enthält, der ein Differenzsignal dritter Ordnung des Lichtausgangssignals erzeugt. Wenn eine spezifizierte (vorbestimmte oder vorbestimmbare) Wellenform des Differenzsignals dritter Ordnung detektiert wird, bestimmt das Verfahren eine Rückkehrrichtung der Resonatorlänge basierend auf der Wellenform und ändert die Resonatorlänge zu der bzw. in die Rückkehrrichtung. Dementsprechend kann die Frequenzstabilisierungssteuerung bzw. -regelung ähnlich zu dem oben beschriebenen Aspekt auf stabile Weise fortgesetzt werden, selbst wenn die äußere Störung oder dergleichen auftritt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Rückkehrrichtung der Resonatorlänge basierend auf einem Anfangsspitzenwert bestimmt, der positiv oder negativ ist, wenn das Differenzsignal dritter Ordnung die spezifizierte Wellenform angibt.
Vorzugsweise wird durch Ändern der Resonatorlänge die gesättigte Absorptionslinie der Absorptionszelle zumindest basierend auf dem Differenzsignal dritter Ordnung durchsucht.
Vorzugsweise wird die Resonatorlänge auf einen Wert eingestellt, der der Mittenwellenlänge der spezifischen gesättigten Absorptionslinie entspricht.
-
Dementsprechend können die Laservorrichtung und das Laserstabilisierungsverfahren der vorliegenden Offenbarung die Frequenzstabilisierungssteuerung bzw. -regelung auf stabile Weise fortsetzen.
-
Figurenliste
-
Die vorliegende Erfindung wird in der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die erwähnte Vielzahl von Zeichnungen anhand von nicht einschränkenden Beispielen exemplarischer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weiter beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen ähnliche Teile in den mehreren repräsentieren Ansichten der Zeichnungen darstellen. Es versteht sich, dass, obwohl Ausführungsformen separat beschrieben werden, einzelne Merkmale daraus zu zusätzlichen Ausführungsformen kombiniert werden können.
- 1 ist eine schematische Ansicht einer Laservorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 ist ein Blockdiagramm, das einen Controller der Laservorrichtung in der Ausführungsform darstellt;
- 3 ist ein Flussdiagramm, das einen FrequenzRückkehrprozess in der Ausführungsform darstellt;
- 4 ist ein Graph, der eine Änderung eines Differenzsignals dritter Ordnung in Bezug auf eine Resonatorlänge darstellt;
- 5 ist ein Graph, der die Änderung des Differenzsignals dritter Ordnung in Bezug auf die Resonatorlänge darstellt;
- 6 ist ein Graph, der eine Wellenform des Differenzsignals dritter Ordnung in einem Moment darstellt, wenn die Resonatorlänge von einem Steuer- bzw. Regelbereich abweicht;
- 7 ist ein Graph, der die Änderung des Differenzsignals dritter Ordnung in Bezug auf die Resonatorlänge darstellt;
- 8 ist ein Graph, der die Wellenform des Differenzsignals dritter Ordnung in einem Moment darstellt, wenn die Resonatorlänge von dem Steuer- bzw. Regelbereich abweicht;
- 9 ist ein Graph, der die Änderung des Differenzsignals dritter Ordnung in Bezug auf die Resonatorlänge darstellt;
- 10A und 10B sind erläuternde Diagramme einer herkömmlichen Technik, wobei 10A eine Änderung eines Differenzsignals zweiter Ordnung in Bezug auf die Resonatorlänge darstellt und 10B eine Änderung eines Differenzsignals dritter Ordnung in Bezug auf die Resonatorlänge darstellt;
- 11A und 11B sind erläuternde Diagramme der herkömmlichen Technik, wobei 11A die Änderung des Differenzsignals zweiter Ordnung in Bezug auf die Resonatorlänge darstellt und 11B die Änderung des Differenzsignals dritter Ordnung in Bezug auf die Resonatorlänge darstellt; und
- 12 ist ein erläuterndes Diagramm einer Herausforderung bzw. Aufforderung der vorliegenden Erfindung, das die Änderung des Differenzsignals dritter Ordnung in Bezug auf die Resonatorlänge darstellt.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Die hierin gezeigten Angaben sind nur beispielhaft und dienen nur der Erörterung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und werden aus Gründen der Bereitstellung dessen dargelegt, was als nützlichste und am leichtesten verständliche Beschreibung der Prinzipien und konzeptionellen Aspekte der vorliegenden Erfindung angesehen wird. In dieser Hinsicht wird kein Versuch unternommen, strukturelle Details der vorliegenden Erfindung detaillierter zu zeigen, als es für das grundlegende Verständnis der vorliegenden Erfindung erforderlich ist, wobei die Beschreibung anhand der Zeichnungen für den Fachmann ersichtlich macht, wie die Formen der vorliegenden Erfindung in der Praxis ausgeführt werden können.
-
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
-
Konfiguration der Laservorrichtung
-
Wie in 1 gezeigt, enthält eine Laservorrichtung 1 einen Lasergenerator 10, einen Laserlichtdetektor 20 und einen Antriebscontroller 30.
-
Der Lasergenerator 10 enthält eine Anregungslichtquelle 11 und einen Resonator 12. Die Anregungslichtquelle 11 emittiert insbesondere ein Anregungslicht La1 in der Nähe von 808 nm, beispielsweise durch Fließen bzw. Fließenlassen eines Antriebs- bzw. Ansteuerstroms.
-
Der Resonator 12 enthält ein Festkörperlasermedium 121, einen nichtlinearen optischen Kristall 122, ein Etalon 123, einen Resonatorspiegel 124, einen Aktor 125 und/oder ein Gehäuse 126, in dem diese zumindest teilweise untergebracht sind. Das Festkörperlasermedium 121 ist insbesondere beispielsweise ein Nd:YVO4-Kristall und dergleichen und emittiert Licht mit einer Wellenlänge in der Nähe von 1064 nm (Grundwellenlicht), das durch das Anregungslicht La1 angeregt wird. Ferner ist auf einer Fläche bzw. Oberfläche des Festkörperlasermediums 121 auf einer Seite, auf die das Anregungslicht La1 einfällt, eine Beschichtung aufgebracht, die das Anregungslicht La1 durchlässt und das Grundwellenlicht reflektiert. Der nichtlineare optische Kristall 122 ist insbesondere beispielsweise ein KTP-Kristall und dergleichen und wandelt das von dem Festkörperlasermedium 121 emittierte Grundwellenlicht in Licht mit einer Wellenlänge in der Nähe von 532 nm (Licht zweiter Harmonischer bzw. Oberwelle) um. Das Etalon 123 versetzt das Grundwellenlicht und das Licht zweiter Oberwelle in einen einzigen Modus, indem es Licht mit einer vorbestimmten Wellenlänge durchlässt.
-
Der Resonatorspiegel 124 ist über den Aktor 125, beispielsweise ein Piezoelement, insbesondere an dem Gehäuse 126 angebracht. Auf eine Fläche bzw. Oberfläche der Seite des Etalons 123 des Resonatorspiegels 124 ist eine Beschichtung aufgebracht, die das Grundwellenlicht reflektiert und durch das Licht zweiter Oberwelle durchlässt. Der Resonatorspiegel 124 bewegt sich entlang einer Richtung der optischen Achse des Resonators 12 gemäß einer an den Aktor 125 angelegten Spannung Va oder wird entlang dieser verlagert. Mit anderen Worten ist der Aktor 125 so konfiguriert, dass er eine Resonatorlänge L des Resonators 12 ändert.
-
In dem Resonator 12 bewegt sich das von dem Festkörperlasermedium 121 emittierte Grundwellenlicht zwischen dem Festkörperlasermedium 121 und dem Resonatorspiegel 124 hin und her und wird durch den nichtlinearen optischen Kristall 122 in das Licht zweiter Oberwelle umgewandelt. Das Licht zweiter Oberwelle, das durch den nichtlinearen optischen Kristall 122 umgewandelt wird, durchläuft den Resonatorspiegel 124 und wird als Laserlicht La2 von dem Resonator 12 emittiert.
-
Der Laserlichtdetektor 20 enthält eine 1/2-Wellenplatte 21, einen ersten polarisierten Strahlteiler 22, einen zweiten polarisierten Strahlteiler 23, eine 1/4-Wellenplatte 24, eine Absorptionszelle 25 wie eine Jodzelle, einen reflektierenden Spiegel 26 und/oder ein optischer Wandler 27 (als ein bestimmter Lichtwandler).
-
Bei dem Laserlichtdetektor 20 trifft (oder fällt) das von dem Resonator 12 emittierte Laserlicht La2 auf den ersten polarisierten Strahlteiler 22, indem es eine durch die 1/2-Wellenplatte 21 eingestellte Polarisationsrichtung aufweist. Das einfallende Licht von dem ersten polarisierten Strahlteiler 22 ist in durchgelassenes Licht von P-polarisiertem Licht und reflektiertes Licht von S-polarisiertem Licht unterteilt. Von diesen wird das reflektierte Licht von S-polarisiertem Licht (Laserlicht La3) zu einer Außenseite der Laservorrichtung 1 emittiert und wird insbesondere bei der Längenmessung und dergleichen verwendet.
-
Das durch den ersten polarisierten Strahlteiler 22 geteilte durchgelassene Licht von P-polarisiertem Licht (Laserlicht La4) durchläuft hingen den zweiten polarisierten Strahlteiler 23 und wird an der Absorptionszelle 25 über die 1/4-Welle gefeuert. Das durch die Absorptionszelle 25 hindurchtretende Licht wird von dem reflektierenden Spiegel 26 reflektiert und tritt durch die Absorptionszelle 25 und die 1/4-Wellenplatte 24 und trifft (oder fällt) erneut auf den zweiten polarisierten Strahlteiler 23. An diesem Punkt ist das einfallende Licht, das wieder auf den zweiten polarisierten Strahlteiler 23 tritt, das Licht von S-polarisiertem Licht, indem es zweimal durch die 1/4-Wellenplatte 24 läuft, und wird daher von dem zweiten polarisierten Strahlteiler 23 reflektiert und trifft (oder fällt) auf den optischen Wandler 27. Der optische Wandler 27 gibt ein Lichtausgangssignal Sd1 entsprechend der Intensität des einfallenden Lichts an den Antriebscontroller 30 aus.
-
Der Antriebscontroller 30 enthält einen Demoduliertes-Signal-Generator 31, einen differentiellen Lock-In-Verstärker 33 zweiter Ordnung, einen differentiellen Lock-In-Verstärker 32 dritter Ordnung, eine Aktorantriebsschaltung 34 und/oder einen Controller 40. Der Demoduliertes-Signal-Generator 31 gibt modulierte Signale 1f, 2f und 3f der Frequenzen 1fHz, 2fHz und 3fHz aus. Der differentielle Lock-In-Verstärker 33 zweiter Ordnung demoduliert das Lichtausgangssignal Sd1 mit dem modulierten Signal 2f und generiert ein Differenzsignal Sd2 zweiter Ordnung. Der differentielle Lock-In-Verstärker 32 dritter Ordnung ist ein bestimmter Differenzsignalgenerator und demoduliert das Lichtausgangssignal Sd1 mit dem modulierten Signal 3f und generiert ein Differenzsignal Sd3 dritter Ordnung. Die Aktorantriebsschaltung 34 gibt die mit dem modulierten Signal 1f demodulierte Spannung Va basierend auf einem von dem Controller 40 eingegebenen Steuersignal Sv an den Aktor 125 aus.
-
Wie in 2 gezeigt ist, ist der Controller 40 insbesondere durch Kombinieren eines Speichers, einer CPU (zentrale Verarbeitungseinheit oder Prozessor) und dergleichen konfiguriert und dient als oder ist konfiguriert, einen Resonatorlängencontroller 41 und einen Rückkehrcontroller 42 zu verkörpern, insbesondere durch Lesen und Ausführen eines in dem Speicher gespeicherten Programms. Der Resonatorlängencontroller 41 gibt das Steuer- bzw. Regelsignal Sv an die Aktorantriebsschaltung 34 aus und steuert bzw. regelt dadurch die an den Aktor 125 angelegte Spannung Va. Dementsprechend wird oder kann die Resonatorlänge L des Resonators 12 gesteuert bzw. geregelt werden. Wenn in der folgenden Beschreibung der Resonatorlängencontroller 41 die Spannung Va mit dem Steuersignal Sv steuert bzw. regelt, kann dies einfach als Steuerung bzw. Regelung der Resonatorlänge L beschrieben werden. Der Rückkehrcontroller 42 bestimmt eine Rückkehrrichtung der Resonatorlänge L, wenn die Resonatorlänge L von einem Steuer- bzw. Regelbereich Rc abweicht. Darüber hinaus enthält der Controller 40 insbesondere einen Speicher 43, der das von dem differentiellen Lock-In-Verstärker 32 dritter Ordnung ausgegebene Differenzsignal Sd3 dritter Ordnung chronologisch speichert.
-
Betrieb des Controllers 40
-
Bei dem Controller 40 führen der Resonatorlängencontroller 41 und der Rückkehrcontroller 42 die folgenden Operationen aus, um die Oszillationsfrequenz des Resonators 12 auf die spezifizierte (vorbestimmte oder vorbestimmbare) gesättigte Absorptionslinie der Absorptionszelle 25 zu stabilisieren. Zunächst sucht der Resonatorlängencontroller 41 durch Ändern der Resonatorlänge L nach der gesättigten Absorptionslinie der Absorptionszelle 25 basierend auf dem Differenzsignal Sd2 zweiter Ordnung und dem Differenzsignal Sd3 dritter Ordnung (Gesättigte-Absorptionslinien-Suchprozess).
-
Die gesättigte Absorptionslinie der Absorptionszelle 25 erscheint als Spitze des Lichtausgangssignals Sd1. Daher zeichnet der Resonatorlängencontroller 41 die Resonatorlänge L als den Wert auf, bei dem die gesättigte Absorptionslinie detektiert wird, wobei die Resonatorlänge L gebildet wird, bei der der Ausgangswert des Differenzialsignals Sd2 zweiter Ordnung gleich oder größer als der vorbestimmte Spannungswert ist und der Ausgangswert des Differenzsignals dritter Ordnung Sd3 insbesondere nahe 0 V liegt.
-
Als Nächstes stellt der Resonatorlängencontroller 41 die Resonatorlänge L auf einen Wert entsprechend der Mittenwellenlänge der spezifischen gesättigten Absorptionslinie (Zielwert Lo) ein (siehe 4). Dementsprechend wird die Oszillationsfrequenz des Resonators 12 in der Nähe einer Mittenfrequenz der spezifischen gesättigten Absorptionslinie gesperrt oder eingestellt (Frequenzsperrprozess).
-
Dann steuert bzw. regelt der Resonatorlängencontroller 41 die Resonatorlänge L dahingehend, den Ausgangswert des Differenzsignals Sd3 dritter Ordnung nahe 0 V in dem Bereich der Resonatorlänge L (Steuer- bzw. Regelbereich Rc) zu halten, in dem die spezifische gesättigte Absorptionslinie erscheint, und zwar unter Verwendung des Ausgangswerts des Differenzsignals dritter Ordnung Sd3 als ein Indikator (Frequenzstabilisierungssteuerung bzw. -regelung, siehe 4). In dem Steuer- bzw. Regelbereich Rc der vorliegenden Ausführungsform nimmt das Differenzsignal Sd3 dritter Ordnung zu, wenn die Resonatorlänge L zunimmt. Wenn daher bei der Frequenzstabilisierungssteuerung bzw. -regelung der Ausgangswert des Differenzsignals Sd3 dritter Ordnung in bzw. auf der positiven Seite von der 0 V Umgebung liegt, wird die Resonatorlänge L verringert; und wenn der Ausgangswert des Differenzsignals dritter Ordnung Sd3 in bzw. auf der negativen Seite von der 0 V Umgebung liegt, wird die Resonatorlänge L erhöht. Dementsprechend wird die Resonatorlänge L an dem Zielwert Lo stabilisiert, so dass die Oszillationsfrequenz des Resonators 12 in der Nähe der Mittenfrequenz der spezifischen gesättigten Absorptionslinie stabilisiert wird.
-
Nachfolgend werden Operationen der Frequenzstabilisierungssteuerung bzw. - regelung unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm von 3 beschrieben. Nachdem die Frequenzstabilisierungssteuerung bzw. -regelung gestartet ist, beginnt der Rückkehrcontroller 42, den Ausgangswert des Differenzsignals dritter Ordnung Sd3 zu erhalten, und/oder überwacht den erhaltenen Ausgangswert des Differenzsignals dritter Ordnung Sd3 (Schritt S1). Während dieser Zeit speichert der Speicher 43 den Ausgangswert des Differenzsignals Sd3 dritter Ordnung für eine spezifizierte (vorbestimmte oder vorbestimmbare) Zeit zusammen mit der Zeit, die er zum Erhalten benötigt hat, und aktualisiert sich regelmäßig.
-
Als nächstes bestimmt der Rückkehrcontroller 42, ob eine spezifizierte (vorbestimmte oder vorbestimmbare) Wellenform des Differenzsignals Sd3 dritter Ordnung detektiert wird, und zwar basierend auf einem Übergang des Differenzsignals Sd3 dritter Ordnung (Schritt S2). In diesem Beispiel ist die spezifizierte (vorbestimmte oder vorbestimmbare) Wellenform des Differenzialsignals dritter Ordnung Sd3 insbesondere eine Wellenform, die in dem Moment erscheint, in dem sich die Resonatorlänge L plötzlich aufgrund einer äußeren Störung oder dergleichen ändert und von dem Steuer- bzw. Regelbereich Rc abweicht. Wie in 5 gezeigt, wenn die Resonatorlänge L größer als der Steuer- bzw. Regelbereich Rc ist (beispielsweise wenn sich die Resonatorlänge L von Lo zu L1 ändert), liegt beispielsweise der Ausgangswert des Differenzsignals dritter Ordnung Sd3 in der Nähe von 0 V nach einem schnellen Anstieg und einer steilen Abnahme, wie durch einen Pfeil M11 veranschaulicht. Mit anderen Worten ändert sich das Differenzsignal Sd3 dritter Ordnung, um in positiver Richtung zu übersteigen, und zeigt eine erste Wellenform W1, wie in 6 dargestellt. Ferner, wie in 7 gezeigt, wenn die Resonatorlänge L insbesondere kleiner als der Steuer- bzw. Regelbereich Rc ist (beispielsweise wenn sich die Resonatorlänge L von Lo zu L2 ändert), liegt der Ausgangswert des Differenzsignals Sd3 dritter Ordnung in der Nähe von 0 V nach der steilen Abnahme und dem schnellen Anstieg, wie durch einen Pfeil M21 veranschaulicht. Mit anderen Worten ändert sich das Differenzsignal Sd3 dritter Ordnung, um in negativer Richtung zu übersteigen, und zeigt eine zweite Wellenform W2, wie in 8 dargestellt.
-
In Schritt S2 bestimmt der Rückkehrcontroller 42, dass die erste Wellenform W1 detektiert wird, wenn das Differenzsignal Sd3 dritter Ordnung nach Erreichen des positiven Spitzenwerts P1 als anfänglichem Spitzenwert nahe 0 V ist. Außerdem bestimmt der Rückkehrcontroller 42, dass die zweite Wellenform W2 detektiert wird, wenn das Differenzsignal Sd3 dritter Ordnung nach Erreichen des negativen Spitzenwerts P2 als anfänglichem Spitzenwert nahe 0 V ist. In diesem Beispiel sind P1 und P2 Ausgangswerte des Differenzsignals dritter Ordnung Sd3, das einem oberen Grenzwert und einem unteren Grenzwert des Steuer- bzw. Regelbereichs Rc der Resonatorlänge L entspricht. Dabei wird ein Beispiel des Detektierens des Differenzsignals dritter Ordnung Sd3 beschrieben, das unmittelbar nach Erreichen des Spitzenwerts P1 oder P2 in die Nähe von 0 V zurückkehrt. Anstelle der Spitzenwerte P1 und P2 können jedoch Schwellenwerte Pt1 und Pt2 definiert werden, bei denen ein spezifizierter (vorbestimmter oder vorbestimmbarer) Spielraum zu P1 und P2 hinzugefügt wird. Genauer gesagt kann der Rückkehrcontroller 42 insbesondere bestimmen, dass die erste Wellenform W1 detektiert wird, wenn das Differenzsignal Sd3 dritter Ordnung in die Nähe von 0 V zurückkehrt, unmittelbar nachdem das Differenzsignal Sd3 dritter Ordnung den positiven Schwellenwert Pt1 erreicht; und/oder kann insbesondere bestimmen, dass die zweite Wellenform W2 detektiert wird, wenn das Differenzsignal Sd3 dritter Ordnung in die Nähe von 0 V zurückgeführt wird, unmittelbar nachdem das Differenzsignal Sd3 dritter Ordnung den negativen Schwellenwert Pt2 erreicht.
-
Wenn die spezifizierte (vorbestimmte oder vorbestimmbare) Wellenform des Differenzsignals dritter Ordnung Sd3 detektiert wird (Schritt S2: Ja), veranlasst der Rückkehrcontroller 42 den Resonatorlängencontroller 41, die Frequenzstabilisierungssteuerung bzw. -regelung vorübergehend zu stoppen (Schritt S3). Wenn dagegen die vorbestimmte Wellenform des Differenzsignals Sd3 dritter Ordnung nicht detektiert wird (Schritt S2: Nein), wiederholt der Rückkehrcontroller 42 den Schritt S2.
-
Als nächstes bestimmt der Rückkehrcontroller 42 die Rückkehrrichtung der Resonatorlänge L basierend auf der spezifizierten (vorbestimmten oder vorbestimmbaren) Wellenform (erste Wellenform W1 oder zweite Wellenform W2) des Differenzsignals dritter Ordnung Sd3 (Schritt S4). Wenn in Schritt S4 die detektierte Wellenform die erste Wellenform W1 ist (Schritt S4: „W1“, siehe 6), bestimmt der Rückkehrcontroller 42 die Rückkehrrichtung der Resonatorlänge L als eine Abnahmerichtung (Schritt S5). Wenn jedoch die detektierte Wellenform die zweite Wellenform W2 ist (Schritt S4: „W2“, siehe 8), bestimmt der Rückkehrcontroller 42 die Rückkehrrichtung der Resonatorlänge L als eine Zunahmerichtung (Schritt S6). Mit anderen Worten, wenn das Differenzsignal Sd3 dritter Ordnung das Signal ist, das in der positiven Richtung übersteigt (der anfängliche Spitzenwert ist positiv), wird die Rückkehrrichtung als die Abnahmerichtung bestimmt; und/oder wenn das Differenzsignal Sd3 dritter Ordnung das Signal ist, das in der negativen Richtung übersteigend (der anfängliche Spitzenwert ist negativ), wird die Rückkehrrichtung als die Zunahmerichtung bestimmt. In einem Fall, in dem die Schwellenwerte Pt1 und Pt2 insbesondere verwendet werden, kann, wenn detektiert wird, dass das Differenzsignal Sd3 dritter Ordnung den positiven Schwellenwert Pt1 überschritten hat, die Rückkehrichtung als die Anahmenrichtung bestimmt werden; und wenn detektiert wird, dass das Differenzsignal Sd3 dritter Ordnung den negativen Schwellenwert Pt2 überschritten hat, kann die Rückkehrrichtung als die Zunahmerichtung bestimmt werden.
-
Dann beginnt der Resonatorlängencontroller 41 basierend auf der durch den Rückkehrcontroller 42 bestimmten Rückkehrrichtung insbesondere, die Spannung Va zu durchlaufen bzw. zu sweepen und ändert die Resonatorlänge L (Schritt S7). Wenn beispielsweise die Resonatorlänge L aufgrund der äußeren Störung oder dergleichen auf L1 geändert wird, die größer als der Steuer- bzw. Regelbereich Rc ist (siehe 5), beginnt die Resonatorlänge L abzunehmen, indem der Resonatorlängencontroller 41 veranlasst wird, die Spannung Va in Abnahmerichtung zu durchlaufen bzw. zu sweepen. Dementsprechend ändert sich das Differenzsignal Sd3 dritter Ordnung, wie durch einen Pfeil M12 gezeigt. Wenn jedoch die Resonatorlänge L aufgrund der äußeren Störung oder dergleichen insbesondere auf L2 geändert wird, die kleiner als der Steuer- bzw. Regelbereich Rc ist (siehe 7), beginnt die Resonatorlänge L zuzunehmen, indem der Resonatorlängencontroller 41 veranlasst wird, die Spannung Va in Zunahmerichtung zu durchlaufen bzw. zu sweepen. Dementsprechend ändert sich das Differenzsignal Sd3 dritter Ordnung, wie durch einen Pfeil M22 gezeigt.
-
Als nächstes bestimmt der Rückkehrcontroller 42, ob die spezifizierte (vorbestimmte oder vorbestimmbare) Wellenform des Differenzsignals dritter Ordnung Sd3 erneut detektiert wird (Schritt S8). Die spezifizierte (vorbestimmte oder vorbestimmbare) Wellenform, die in Schritt S8 detektiert wird, stammt von der Änderung, bei der die Resonatorlänge L zu dem anfänglichen Steuer- bzw. Regelbereich Rc zurückkehrt, und das spezifische Verfahren zum Detektieren der vorbestimmten Wellenform durch den Rückkehrcontroller 42 ist das gleiche wie Schritt S2.
-
Wenn der Rückkehrcontroller 42 die spezifizierte (vorbestimmte oder vorbestimmbare) Wellenform detektiert (Schritt S8: Ja), kehrt die Resonatorlänge L zu dem Steuer- bzw. Regelbereich Rc zurück. Daher veranlasst der Rückkehrcontroller 42 den Resonatorlängencontroller 41, das Durchlaufen bzw. Sweepen der Spannung zu stoppen (Schritt S9), um die Frequenzstabilisierungssteuerung bzw. -regelung erneut zu starten (Schritt S10), und kehrt dann zu Schritt S2 zurück. Wenn der Rückkehrcontroller 42 die vorbestimmte Wellenform insbesondere nicht detektiert (Schritt S8: Nein), kehrt die Resonatorlänge L nicht wieder zu dem Steuer- bzw.
-
Regelbereich Rc zurück. Dementsprechend wiederholt der Rückkehrcontroller 42 Schritt S8, bis die spezifizierte (vorbestimmte oder vorbestimmbare) Wellenform detektiert wird. Der oben erwähnte Prozess wird kontinuierlich durchgeführt, während die Frequenzstabilisierungssteuerung bzw. -regelung ausgeführt wird.
-
Effekt der Ausführungsform
-
Wenn gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Resonatorlänge L aufgrund der äußeren Störung oder dergleichen auf einen Wert außerhalb des Steuer- bzw. Regelbereichs Rc geändert wird, wird die Rückkehrrichtung der Resonatorlänge L bestimmt, und durch Ändern der Resonatorlänge L in Rückkehrrichtung bzw. auf die Rückkehrrichtung kann die Resonatorlänge L innerhalb des Steuer- bzw. Regelbereichs Rc zurückkehren. Daher kann die Laservorrichtung 1 die Frequenzstabilisierungssteuerung bzw. -regelung fortsetzen, ohne den Neustart und dergleichen auszuführen. Ferner kann bei der vorliegenden Ausführungsform die Rückkehrrichtung der Resonatorlänge L leicht auf der Grundlage dessen bestimmt werden, dass der Anfangsspitzenwert positiv oder negativ ist, wenn das Differenzsignal Sd3 dritter Ordnung die vorbestimmte Wellenform angibt.
-
Dementsprechend enthält eine Laservorrichtung eine Anregungslichtquelle, einen Resonator, der Anregungslicht von der Anregungslichtquelle empfängt und Laserlicht erzeugt, eine Absorptionszelle, an die das Laserlicht emittiert wird, einen Lichtwandler, der das durch die Absorptionszelle hindurchtretende Laserlicht in ein Lichtausgangssignal umwandelt, einem differentiellen Lock-In-Verstärker dritter Ordnung, der ein Differenzsignal dritter Ordnung des Lichtausgangssignals erzeugt, und einen Controller. Wenn eine spezifizierte (vorbestimmte oder vorbestimmbare) Wellenform des Differenzsignals dritter Ordnung detektiert wird, bestimmt ein Rückkehrcontroller eine Rückkehrrichtung einer Resonatorlänge basierend auf der spezifizierten (vorbestimmten oder vorbestimmbaren) Wellenform, und ein Resonatorlängencontroller ändert die Resonatorlänge in Rückkehrrichtung bzw. auf die Rückkehrrichtung.
-
Modifikation
-
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt und kann Modifikationen und Verbesserungen innerhalb eines Schutzbereichs enthalten, der die Vorteile der vorliegenden Erfindung erreichen kann.
-
Die vorliegende Ausführungsform stellt ein Beispiel dar, bei dem der positive Spitzenwert P1 in dem Differenzsignal Sd3 dritter Ordnung erscheint, wenn die Resonatorlänge L zunahm (das Differenzsignal Sd3 dritter Ordnung überschreitet in positiver Richtung) und der negative Spitzenwert P2 in dem Differenzsignal Sd3 dritter Ordnung erscheint, wenn die Resonatorlänge L abnahm (das Differenzsignal Sd3 dritter Ordnung überschreitet in negativer Richtung). Abhängig von der Schaltungskonfiguration von dem Lichtwandler 27 zu dem Lock-In-Verstärker 32 dritter Ordnung kann jedoch das Differenzsignal Sd3 dritter Ordnung aufgrund der Zunahme der Resonatorlänge L in der negativen Richtung übersteigen und das Differenzsignal Sd3 dritter Ordnung kann aufgrund der Abnahme der Resonatorlänge L in positiver Richtung übersteigen. Wenn die detektierte Wellenform in Schritt S3 die erste Wellenform W1 ist, kann der Rückkehrcontroller 42 in einem solchen Fall die Rückkehrrichtung der Resonatorlänge L als die Zunahmerichtung bestimmen; und wenn die detektierte Wellenform die zweite Wellenform W2 ist, kann der Rückkehrcontroller 42 die Rückkehrrichtung der Resonatorlänge L als die Abnahmerichtung bestimmen.
-
In Schritt S2 kann ein Kriterium zum Beurteilen, ob die spezifizierte (vorbestimmte oder vorbestimmbare) Wellenform des Differenzsignals dritter Ordnung Sd3 detektiert wird, in geeigneter Weise modifiziert werden. Zum Beispiel kann der Rückkehrcontroller 42 bestimmen, dass die vorbestimmte Wellenform des Differenzialsignals Sd3 dritter Ordnung nur mit der Tatsache erfasst wird, dass der Spitzenwert (etwa gleich hoch wie bei P1 oder P2) des Differenzsignals dritter Ordnung detektiert wird.
-
In Schritt S4 kann ein Kriterium zum Beurteilen der Rückkehrichtung der Resonatorlänge L in geeigneter Weise modifiziert werden. Zum Beispiel umfassen die Wellenformen W1 und W2 des Differenzialsignals dritter Ordnung Sd3 insbesondere eine kleine Spitze in einer Rückwärtsrichtung nach der anfänglichen großen Spitze (siehe 6 und 8). In Anbetracht dessen kann der Rückkehrcontroller 42 die Rückkehrrichtung der Resonatorlänge L basierend auf dem zweiten Spitzenwert bestimmen, der in der vorbestimmten Wellenform des Differenzsignals dritter Ordnung Sd3 positiv oder negativ ist.
-
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird ein Beispiel genannt, bei dem das Differenzsignal Sd3 dritter Ordnung in der Nähe von 0 V liegt, indem die Resonatorlänge L so geändert wird, dass sie außerhalb des Steuer- bzw. Regelbereichs Rc liegt (siehe 5 und 7); die vorliegende Ausführungsform kann jedoch auch in anderen Fällen Wirkungen erzielen. Wie in 9 gezeigt, zum Beispiel in einem Fall, in dem die Resonatorlänge L zu L3 oder L4 geändert wird und das Differenzsignal Sd3 dritter Ordnung einen anderen Wert als 0 V aufweist, ist die Neigung, die die Änderung des Differenzsignals Sd3 dritter Ordnung in Bezug auf die Resonatorlänge L zeigt, umgekehrt im Vergleich zu einem Fall, in dem die Resonatorlänge L in dem Steuer- bzw. Regelbereich Rc liegt. Daher kann die Frequenzstabilisierungssteuerung bzw. -regelung in Abhängigkeit von der herkömmlichen Technologie nicht angemessen durchgeführt werden. Wenn sich gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Resonatorlänge L zu L3 oder L4 ändert, ähnlich wie in dem Fall, in dem sich die Resonatorlänge L zu L1 oder L2 geändert hat, detektiert der Rückkehrcontroller 42 die vorbestimmte Wellenform des Differenzsignals Sd3 dritter Ordnung Signal und ermöglicht der Resonatorlänge L, in den Steuer- bzw. Regelbereich Rc zurückzukehren. Daher kann die Frequenzstabilisierungssteuerung bzw. -regelung fortgesetzt werden, ohne den Neustart und dergleichen auszuführen.
-
In den Schritten S7 bis S9 ändert der Resonatorcontroller 41 die Resonatorlänge L, bis die spezifizierte (vorbestimmte oder vorbestimmbare) Wellenform des Differenzsignals sd3 dritter Ordnung angegeben wird. Die Resonatorlänge L kann jedoch geändert werden, bis das Differenzsignal Sd3 dritter Ordnung wieder nahe 0 V ist.
-
Die vorliegende Erfindung stellt eine Laservorrichtung, die eine stabile Frequenzstabilisierungssteuerung bzw. -regelung fortsetzen kann, und ein Laserstabilisierungsverfahren bereit.
-
Es ist anzumerken, dass die vorstehenden Beispiele lediglich zum Zwecke der Erläuterung bereitgestellt wurden und in keiner Weise als Einschränkung der vorliegenden Erfindung ausgelegt werden sollen. Während die vorliegende Erfindung mit Bezug auf exemplarische Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht es sich, dass die Wörter, die hierin verwendet wurden, Wörter der Beschreibung und der Veranschaulichung und keine beschränkenden Worte sind. Änderungen können innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche vorgenommen werden, wie sie gegenwärtig angegeben und in der geänderten Form sind, ohne von dem Umfang und dem Wesen der vorliegenden Erfindung in ihren Aspekten abzuweichen, wie sie in den Ansprüchen definiert sind. Obwohl die vorliegende Erfindung hierin unter Bezugnahme auf spezielle Strukturen, Materialien und Ausführungsformen beschrieben wurde, soll die vorliegende Erfindung nicht auf die hierin offenbarten Einzelheiten beschränkt sein; vielmehr erstreckt sich die vorliegende Erfindung auf alle funktionell äquivalenten Strukturen, Verfahren und Verwendungen, wie sie im Umfang der beigefügten Ansprüche enthalten sind.
-
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, und verschiedene Variationen und Modifikationen können möglich sein, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
