JP2003037319A - 間欠型沃素吸収線オフセットロックＨｅ−Ｎｅレーザー装置および制御方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】間欠型オフセットロックレーザーにおいて沃素
安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザーの点灯時に使用する沃素の吸
収線に発振線を合わせる手段と間欠オフセット動作手順
を制御する手段を与えることにより、長時間に亘って連
続運転可能な高精度周波数基準レーザーを実用化する。 【構成】沃素安定化レーザーの沃素吸収線の検索は、被
オフセットレーザーの発振線を基準として、沃素安定化
レーザーと被オフセットロックレーザーの差周波数を用
いて行う。沃素吸収線の選択は、沃素安定化Ｈｅ−Ｎｅ
レーザーと被オフセットロックレーザーの差周波数を任
意の周波数と比較し、さらに沃素吸収線の安定化制御領
域を検出する手段で行う。間欠動作制御は、沃素安定化
Ｈｅ−Ｎｅレーザーの点灯および消灯、被オフセットロ
ックレーザーのスレーブ動作および独立動作、沃素安定
化レーザーの沃素吸収線スキャン動作の開始および停止
の順序を制御する手段により行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は沃素の飽和吸収を用
いた絶対周波数基準レーザーに関するものであり、長時
間に亘って周波数精度のよい間欠型沃素吸収線オフセッ
トロックレーザーに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】沃素安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザーは光の絶
対周波数の基準として用いられるが、出力強度が極めて
低い、寿命が短い、出力光周波数が変調されている等の
欠点を持つ。そのため、別の高出力Ｈｅ−Ｎｅレーザー
を沃素安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザーと任意の周波数だけ離
れた周波数に制御するオフセットロックを行い、この被
オフセットロックレーザーの出力光を絶対周波数基準と
して用いる手法や、さらに被オフセットロックレーザー
のオフセットロックがかかった後、沃素安定化Ｈｅ−Ｎ
ｅレーザーを消灯して被オフセットロックレーザーを独
立運転する期間を設けることで沃素安定化Ｈｅ−Ｎｅレ
ーザーの寿命を延ばす間欠的オフセットロックの手法が
提案されている。しかしながら間欠型オフセットロック
レーザーでは沃素安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザーを点灯する
毎に十数本存在する沃素吸収線のうち使用する特定の吸
収線を探索してそれに発振線を合わせる作業が必要であ
った。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】間欠型オフセットロッ
クレーザーにおいて沃素安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザーの点
灯時に使用する沃素の吸収線に発振線を合わせる手段と
間欠オフセット動作手順を制御する手段を与え、人手で
沃素吸収線を合わせることなく使用可能な間欠型オフセ
ットロックレーザーを実現する。

【０００４】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
沃素安定化レーザーの沃素吸収線の検索を被オフセット
レーザーの発振線を基準として行うことを特徴とする。

【０００５】請求項２記載の発明は、沃素吸収線の選択
は沃素安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザーと被オフセットロック
レーザーの差周波数を任意の周波数と比較することによ
って行い、さらに沃素吸収線の安定化制御領域を検出す
る手段で行うことを特徴とする。

【０００６】請求項３記載の発明は、沃素安定化Ｈｅ−
Ｎｅレーザーの点灯および消灯、被オフセットロックレ
ーザーのスレーブ動作および独立動作、さらに沃素安定
化レーザーの吸収線スキャン動作の開始および停止の順
序を制御する手段により行うことを特徴とする。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を、沃素
吸収線の３次微分信号を安定化に用いた沃素安定化Ｈｅ
−Ｎｅレーザーと周波数引き寄せ効果を用いた周波数安
定化Ｈｅ−Ｎｅレーザーとでオフセットロックレーザー
を構成する場合の実施例について説明する。図１は本発
明の実施例を示すブロック図である。

【０００８】沃素安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザー２はＨｅ−
Ｎｅレーザー管９と沃素セル１０を囲む外部共振器ミラ
ー１１、１２をピエゾ素子１３、１４で位置制御して任
意の沃素吸収線の周波数に発振線を安定化する。沃素安
定化Ｈｅ−Ｎｅレーザー２は、連続的に共振周波数を変
動させて沃素吸収線を検索するスキャン動作と、沃素吸
収線の３次微分信号を用いて安定化を行う安定化動作の
２つの動作モードを有する。沃素吸収線のスキャン動作
はスキャン電圧発生器１９で生成されるスキャン電圧を
一方の外部共振器ミラー１１に取り付けられたピエゾ素
子１３に印加して行う。スキャン電圧発生器１９はスキ
ャン電圧発生器制御信号３７の開始指示により初期電圧
から単調変化する電圧を生成開始し、停止指示により電
圧を保持しスキャン動作を終了する。次に安定化動作に
ついて説明する。発振器１６は周波数ｆおよび３ｆの正
弦信号を生成する。周波数ｆの値は通常数ＫＨｚであ
る。外部共振器ミラー１２に取り付けられたピエゾ素子
１４を発振器１６で発生した周波数ｆで振動させること
により変調されたレーザー出力光を検知器１８で検出し
位相敏感検出器（ＰＳＤ）２０において発振器１６で生
成した周波数３ｆにより同期検波することにより沃素吸
収線の３次微分信号２１を得る。３次微分信号２１から
沃素レーザー制御信号生成回路２２によって生成された
安定化制御信号で外部共振器ミラー１１を制御すること
により安定化を行う。沃素レーザー制御信号生成回路２
２は、３次微分信号２１の安定化制御に使用する部分の
信号をレーザー制御信号に変換するもので、比例制御を
行う場合は増幅器で構成される。従来の沃素安定化Ｈｅ
−Ｎｅレーザーではスキャン動作中の検知器１８の出力
や３次微分信号２１からオシロスコープなどで沃素吸収
線の形状を観測し使用する吸収線を選択して安定化動作
に切り替えていた。

【０００９】図１において被オフセットロックレーザー
１は周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザーであり、外部信号
で発振周波数制御されるスレーブモードと、一定の周波
数に安定化制御される独立モードを有する。本実施例に
おいて前記被オフセットロックレーザー１は、内部共振
器型Ｈｅ−Ｎｅレーザー３のモード間ビート信号を光検
知器３０で検知し包絡線信号検出回路３１で検出した信
号の周波数が安定化基準信号２９の周波数と一致するよ
うにレーザー共振器長を制御する周波数安定化Ｈｅ−Ｎ
ｅレーザーである。

【００１０】次にオフセットロックの方法について説明
する。沃素安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザー２と被オフセット
ロックレーザー１の出力光の一部はガラス板４で重ね合
わされ、光検出器５で２つの出力光の差周波数成分を持
つビート信号を検出し、被オフセットロックレーザー１
がスレーブモードにある時はビート信号の周波数が一定
になるように被オフセットロックレーザー１を制御する
ことにより、沃素安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザー２の発振線
を基準としたオフセットロックを実現する。実施例おけ
る構成を詳細に説明する。沃素安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザ
ー２の出力光は周波数ｆで変調幅±３ＭＨｚ程度の周波
数変調がかかっているため、検出される信号も同じ周波
数ｆで変調されている。変調されたビート信号６から変
調の影響を除去するため、平均化回路７によりビート信
号周波数の平均化をおこなう。図２に平均化回路７の回
路例を示す。変調されたビート信号６は正弦信号１７の
１周期の間カウンタ４１で積算された後、積算値がラッ
チ４２にとりこまれる。ラッチ４２の値をＤ−Ａコンバ
ータ４３で電圧値に変換し、さらに電圧−周波数変換器
４４で周波数値に変換することにより正弦信号１７の１
周期毎のビート周波数の平均値に相関する平均ビート信
号８を生成する。平均ビート信号８の周波数は被オフセ
ットロックレーザー１の同期型周波数差検出器（ＳＦ
Ｄ）２４で水晶発振器２５の周波数Ｆｒｅｆ１と比較さ
れる。ＳＦＤは２つの入力信号の周波数差が正であれば
出力端子Ｕに、負であれば出力端子Ｄに、差周波数のパ
ルスレートでパルスを出力する。スレーブモードではス
イッチ２６が閉じており端子Ｕ、Ｄの出力パルスは分周
器２８に導かれる。被オフセットロックＨｅ−Ｎｅレー
ザー１の安定化基準信号２９は発振器２７の周波数を分
周器２８でＮ分周して生成しているが、ＳＦＤ２４の出
力端子Ｕ、ＤのパルスはこのＮの値をそれぞれインクリ
メントまたはディクリメントする。この結果、平均ビー
ト信号８が水晶発振器２５で与えられる周波数Ｆｒｅｆ
１と等しくなるようなＮの値に設定されることにより被
オフセットロックレーザー１は沃素安定化Ｈｅ−Ｎｅレ
ーザー２にオフセットロックされる。被オフセットロッ
クレーザー１の独立モードではスイッチ２６は開かれ分
周器２８のＮの値は保持されるため、安定化基準信号２
９の周波数は固定される。スイッチ２６が開かれた直後
において被オフセットロックレーザー１は沃素安定化Ｈ
ｅ−Ｎｅレーザー２の発振線に対してオフセット周波数
Ｆｏｆｆだけ離れた周波数を保持するが、長時間に亘っ
ては環境の変化などにより周波数ドリフトを生じる。

【００１１】第一の発明は、被オフセットロックレーザ
ーの周波数を基準とすることでスキャン動作時の信号を
直接観測することなく使用する吸収線を検知するもので
ある。図５（ａ）に沃素吸収線の３次微分信号を示す。
図５（ｂ）に示すように、被オフセットロックレーザー
がスレーブモードにある時は沃素安定化Ｈｅ−Ｎｅレー
ザーと被オフセットロックレーザーの周波数差すなわち
オフセット周波数はＦｏｆｆに一定で、この状態から被
オフセットロックレーザーが独立モードに切り替わった
後、経過時間とともに発振線はわずかにドリフトし図５
（ｃ）のようになる。再び沃素安定化レーザーを点灯
し、スキャン動作中に図５（ｄ）に示すように沃素安定
化レーザーの発振線が変化する場合、周波数差は次第に
減少し被オフセットロックレーザーとの周波数差が一定
の周波数ΔＦに達したことを検知して使用する吸収線を
判定する。隣り合う沃素吸収線の間隔は数十ＭＨｚであ
るのでドリフト量ｆｄがこれより十分小さい時にはこの
ようなΔＦを決めることができる。被オフセットロック
レーザーの発振線は沃素安定化レーザーより低周波側に
オフセットロックされる場合もあるがスキャン動作方向
を変える方法などにより同様のことが実現できる。本発
明は被オフセットロックレーザーとしてドリフト量の小
さい周波数安定化レーザーを用い、独立モードで一定時
間運転した後に、被オフセットロックレーザーの発振線
からの周波数を基準に使用する沃素吸収線を検知し選択
するものである。

【００１２】第二の発明である沃素吸収線の選択および
安定化制御領域の検出について説明する。これは沃素安
定化Ｈｅ−Ｎｅレーザーのスキャン動作中に数本存在す
る沃素の吸収線から使用する吸収線を特定し、さらにこ
の吸収線の制御可能な領域内であることを検出するもの
で、図１の吸収線検出回路３３で示されるブロックで行
われる。吸収線検出回路３３は平均ビート信号８と吸収
線の３次微分信号２１を入力とし吸収線検出信号を間欠
運転制御回路３４に出力する。図３に構成例を示すよう
に、吸収線検出回路３３は、使用している吸収線を判別
する吸収線判別回路４５と、３次微分信号のうち制御可
能な領域を検知する制御領域検知回路４７よりなる。ア
ンドゲート４８により、吸収線判別回路４５と制御領域
検知回路４７が同時にオンとなる時に吸収線検出信号を
出力する。吸収線判別回路４５は平均ビート信号８と水
晶発振器４６の周波数Ｆｒｅｆ２と比較しスキャン動作
にともなって単調に変化する平均ビート信号８がＦｒｅ
ｆ２を下回るあるいは上回る時にオン状態となる。Ｆｒ
ｅｆ２を図５のΔＦのビート信号に相当する値に設定す
ることにより使用する吸収線を検出できる。制御領域検
知回路４７は、３次微分信号２１の安定化制御可能な領
域を検知する。安定化制御領域は沃素安定化Ｈｅ−Ｎｅ
レーザーの安定化制御方式によって異なるため、制御領
域検知回路４７は各々の方式に適した構成にする必要が
ある。安定化制御が比例制御方式である場合は、３次微
分信号８の極大−極小値間が制御領域であるので、制御
領域検知回路４７は極値検出回路で構成すればよい。ま
た安定化制御領域の幅は数ＭＨｚ以下であるが、この値
よりドリフト量が十分に小さく、吸収線判別回路４５で
検出された領域が安定化制御領域内である場合は制御領
域検知回路４７を省略してもよい。

【００１３】前記変調されたビート信号３８の変調幅は
通常およそ±３ＭＨｚであるので、水晶発振器４６の周
波数Ｆｒｅｆ２がこの変調幅より十分に大きい場合は、
吸収線検出回路３３の入力信号として、変調されたビー
ト信号６を直接用いてもよい。また被オフセットロック
レーザーへの信号も周波数安定化方式や必要とする安定
度によっては平均ビート信号８に代えて変調されたビー
ト信号６を用いてもよい。平均ビート信号８を使用しな
い場合は前記ビート信号平均化回路７はなくてよい。

【００１４】第三の発明であるオフセットロックレーザ
ーの間欠運転制御について説明する。図１において間欠
動作制御回路３４により間欠動作を制御する。図４に間
欠動作制御回路の構成例を示す。間欠動作制御回路３４
は吸収線検出回路３３の吸収線検出信号によって起動さ
れるタイマ４９とタイマ４９の信号によって起動される
タイマ５０よりなり各々時間ＴＳ、ＴＩが設定されてい
る。入力信号および両タイマの状態によりオフセットロ
ックレーザーモード制御信号３５にスレーブモードか独
立モード、沃素安定化レーザー制御信号３６に沃素安定
化レーザーの点灯か消灯、スキャン電圧制御信号３７に
スキャンの開始か停止を各々設定して出力とする。本発
明のシステムの間欠動作手順を図６に示す。図６（ａ）
は沃素安定化レーザーの動作モードを図６（ｂ）は被オ
フセットロックレーザーの動作モードである。初期動作
では沃素安定化レーザーは従来手法を用いて使用する沃
素吸収線に発振線を安定化させる。被オフセットロック
レーザー１のスイッチ２６を閉じ被オフセットロックレ
ーザーをスレーブモードとし、タイマ４９をセットする
と、あらかじめ設定されたスレーブモード時間ＴＳが経
過した後、タイマ４９がオン状態になり、オフセットロ
ック制御信号３５が独立モードになってスイッチ２６を
開いて被オフセットロックレーザーをスレーブモードか
ら独立モードに切り替え、沃素安定化レーザー制御信号
３６が消灯となって沃素安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザーを消
灯し、タイマ５０を起動する。あらかじめ設定された独
立運転時間ＴＩが経過した後、タイマ５０がオン状態に
なり、沃素安定化制御信号３６が点灯となって沃素安定
化Ｈｅ−Ｎｅレーザーを再点灯し、スキャン電圧制御信
号３７が開始となってスキャン動作を開始し使用する沃
素吸収線の検出を行う。使用する沃素吸収線が検出され
かつ制御領域にあると判別されると、吸収線検出回路３
３はオン状態になり、スキャン電圧制御信号３７は停止
状態となってスキャン電圧発生器１９はスキャン電圧を
保持し沃素レーザー制御信号生成回路２２の安定化制御
信号により沃素安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザーの安定化が行
われ、被オフセットロックレーザー制御信号はスレーブ
モードとなって被オフセットロックレーザーのスイッチ
２６を閉じスレーブモードとするとともに、タイマ４９
を起動する。時間ＴＳ経過後、再び被オフセットロック
レーザーは独立モードになり、以下同様の動作を繰り返
すことにより、沃素吸収線オフセットレーザーの間欠動
作を連続的に行う。

【００１５】間欠動作制御においてタイマの設定値Ｔ
Ｉ、ＴＳはあらかじめ被オフセットロックレーザーの運
転時間とドリフト量および沃素安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザ
ーの安定化時間を考慮して設定するが、これらのうち特
にドリフト量は温度変化などの動作環境に影響されるの
で実用にあたっては想定外の環境変動を察知してタイマ
設定値の変更や状態の通知を行う手段を設けるとよい。
また本システムの出力の絶対周波数は常に一定値以内に
あるが、スレーブモード動作時には短時間での変動が大
きい場合があるのでこの期間での利用を制限するために
スレーブ運転状態を通知する手段を設けるとよい。

【００１６】周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザーに周波数
引き寄せ現象を利用しゲインカーブの中央付近に発振線
を安定化する制御方式を用いた場合は、室温の環境で１
０日の連続運転でドリフト幅が±１ＭＨｚ以内の周波数
安定化レーザーが得られる。また被オフセットロックレ
ーザーは数分から数十分のスレーブモード動作で十分に
オフセットロックされる。このことからＴＩを数日にＴ
Ｓを数十分程度に設定することにより、沃素安定化Ｈｅ
−Ｎｅレーザーを数日につき数十分だけ運転することで
絶対周波数の誤差が±１ＭＨｚ以下である、長寿命の高
精度光源が実現できる。

【００１７】

【発明の効果】本発明により高出力長寿命で周波数精度
の高いレーザーを実現でき、周波数基準レーザーとして
精密加工分野の測長装置や光通信分野における高精度の
波長計などへの工業的利用による貢献が期待される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る間欠型沃素吸収線オフセ
ットロックレーザー装置を示す構成図である。

【図２】ビート信号平均化回路の構成例を示す図であ
る。

【図３】吸収線検出回路の構成例を示す図である。

【図４】動作シーケンス制御回路の構成例を示す図であ
る。

【図５】本発明における沃素安定化レーザーおよび被オ
フセットロックレーザーの発振線の挙動を示す図であ
る。

【図６】本発明の動作手順を示す図である。

【符号の説明】

１ 被オフセットロックＨｅ−Ｎｅレーザー ２ 沃素安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザー ３ 内部共振器型Ｈｅ−Ｎｅレーザー管 ４ ガラス板 ５ 光検知器 ６ ビート信号 ７ ビート信号平均化回路 ８ 平均化ビート信号 ９ Ｈｅ−Ｎｅレーザー管 １０ 沃素セル １１、１２ 外部共振器ミラー １３、１４ ピエゾ素子 １６ 発振器 １７ 周波数ｆの正弦信号 １８ 光検知器 １９ スキャン電圧発生器 ２０ 位相敏感検出器（ＰＳＤ） ２１ 沃素吸収線の３次微分信号 ２２ 沃素レーザー制御信号生成回路 ２３ 信号加算器 ２４、３２ 同期型周波数差検出器（ＳＦＤ） ２５ 水晶発振器 ２６ スイッチ ２７ 発振器 ２８ 分周期 ２９ 安定化基準信号 ３０ 光検知器 ３１ 包絡線信号検出回路 ３３ 吸収線検出回路 ３４ 間欠運転制御回路 ３５ 被オフセットロックレーザーモード制御信号 ３６ 沃素レーザー制御信号 ３７ スキャン電圧制御信号 ４１ カウンタ ４２ ラッチ ４３ Ｄ−Ａコンバータ ４４ 電圧−周波数変換器 ４５ 吸収線判別回路 ４６ 水晶発振器 ４７ 制御領域検知回路 ４８ アンドゲート ４９、５０ タイマ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被オフセットロックレーザーの出力光の周
   波数を基準として用い沃素安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザーの
   沃素吸収線の選択を行うことを特徴とする沃素吸収線オ
   フセットロックレーザー装置およびその制御方式。
2. 【請求項２】請求項１の発明において、沃素吸収線の選
   択は沃素安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザーと被オフセットロッ
   クレーザーの差周波数を任意の周波数と比較することに
   よって行い、さらに沃素吸収線の安定化制御領域を検出
   する手段を有することを特徴とする沃素吸収線オフセッ
   トロックレーザー装置およびその制御方式。
3. 【請求項３】請求項１の発明において、沃素安定化Ｈｅ
   −Ｎｅレーザーの点灯および消灯、被オフセットロック
   レーザーのスレーブ動作および独立動作、沃素安定化レ
   ーザーの沃素吸収線スキャンの開始および停止の順序を
   制御する手段を有することを特徴とする沃素吸収線オフ
   セットロックレーザー装置およびその制御方式。