JP2008242270A

JP2008242270A - レーザ光発生装置

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Inventors: Hisashi Masuda; 久増田
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Abstract

【課題】複数の外部共振器を用いてＦＭサイドバンド法に従い所望のレーザ光を発生させる際、１つの変調信号を利用して安定したロッキングを実現する。
【解決手段】レーザ光発生装置１において、レーザ光源２、位相変調器４とこれに変調信号を印加するための信号発生部３、複数の外部共振器６，９を設ける。また、外部共振器６，９中に非線形光学素子７，１０を設けるとともに、各外部共振器６，９の光路長を変化させるための光路長可変手段１８を設ける。各外部共振器６，９からの光を受光する光検出器１４，１５の検出信号を用いて誤差信号を得て、ＦＭサイドバンド法に従って光路長可変手段１８を制御することで共振器長の制御に係る負帰還構成の制御回路１９を形成する。このとき、変調信号の周波数を、各外部共振器から得られる誤差信号のＳ／Ｎ比が平均化される値に設定することにより、各外部共振器の安定したロッキングを実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光源と複数の外部共振器を用いた構成において、単一の変調信号を利用して安定な共振状態（ロッキング）を実現するためのレーザ光発生装置に関する。

レーザ光発生装置における外部共振器の安定なロッキング方法として、ＦＭサイドバンド法（「Pound-Drever-Hall Locking」法）が知られており、外部共振器のロッキングに広く利用されている。このＦＭサイドバンド法では、誤差信号を発生させるために外部共振器の前段に配置された位相変調器を用いて側波（側帯波）を立てる必要があるが、特に紫外光を変調して側波を立てる場合には、透過率が高く、かつ動作電圧の低い、高性能な位相変調器が必要とされる。

紫外光をロッキングする場合、紫外光による位相変調器の損傷を避けるため、複数の外部共振器を用いてレーザ光発生装置を構成し、ＦＭサイドバンド法によってこれら複数の外部共振器を同時にロッキングし、多段階の波長変換を行うことが行われている。例えば２つの外部共振器を用いた場合、まず第１の外部共振器の前段に第１の位相変調器を配置してＦＭサイドバンド法によってロッキングを行い、次に第１の外部共振器で波長が変換された光（波長変換光）を第２の位相変調器に入射し、これを第２の外部共振器に入射してロッキングし、波長の変換を行う。

しかし、上記のように複数の外部共振器を用いた構成において各外部共振器を同時にロッキングする場合、各外部共振器の前段にそれぞれ位相変調器を配置するので外部共振器の数だけ位相変調器が必要である。また位相変調器は光学結晶（非線形光学素子）を使用するため一般に高価である。したがって、位相変調器が増えることは装置全体の大型化及びコスト上昇の一因となっていた。

また、波長変換後の出力光が紫外光である場合、紫外光に対応する位相変調器として透過率及び性能指数が優れたものが少なく、また高い動作電圧を要するため高電圧電源が必要であったり、紫外光による損傷を受けて寿命が短いなどの欠点があった。

こうした欠点を補うため、複数の変調信号（キャリア）を位相変調器に入力して多段階のロッキングを行う方法が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００２−３１１４６７号公報

しかしながら、特許文献１に記載された方法は、従来の欠点を補うことができる反面、複数の変調信号を用いるため、変調信号を発生させるための信号発生部が複数必要になる、あるいは信号処理が煩雑になるなどの問題があった。

しかるに、１つの変調信号で多段階の外部共振器のロッキングを行おうとした場合には、１段目の外部共振器で反射する変調光の割合を多くして誤差信号の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）を良くすることでロッキングを安定化することと、１段目の外部共振器ではなるべく多く変調光を透過させて次段階以下の外部共振器から検出される誤差信号のＳ／Ｎ比を良くしてロッキングを安定化することが求められる。ところが、各外部共振器において双方の条件を満たすことは二律背反（トレードオフ）の関係にある。したがって、設定初期において外部共振器全体が最適化されていない場合や、経時変化する共振器損失や変換効率により外部共振器の透過幅が変化した場合には、複数の外部共振器からなるシステムのロッキング（共振状態）が不安定な状態に陥るという問題があった。

また、波長変換の効率をよくしたり、高出力の波長変換光が必要なときなどには、外部共振器に高出力のレーザ光を照射し、該レーザ光の波長を変換する必要がある。このためには、高強度のレーザ光を位相変調器に入射する必要があるが、位相変調器の損傷が問題になるので、入射するレーザ光の強度を位相変調器の損傷限界までしか上げることができない。これを避けるために有効径の大きい位相変調器を使うと、位相変調に使用する光学結晶（非線形光学素子）のサイズも大きくなってコストが増大するという問題があった。そこで、低い強度のレーザ光を用いて安定して変調できることが望まれていた。

本発明は斯かる点に鑑みてなされたものであり、複数の外部共振器を用いてＦＭサイドバンド法に従い所望のレーザ光を発生させる際、１つの変調信号を利用して各外部共振器の安定したロッキングを実現することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のレーザ光発生装置は、レーザ光源と、第１の外部共振器及び当該外部共振器よりも後段に配置される第２の外部共振器を含む複数の外部共振器と、レーザ光源と第１の外部共振器との間の光路上に配置された一つの変調信号が印加される位相変調器と、位相変調器に印加する変調信号を生成する信号発生部と、各外部共振器内に配置され入射された光の波長変換を行う非線形光学素子と、各外部共振器の光路長をそれぞれ変化させるための光路長可変手段と、各外部共振器からの光をそれぞれ受光する光検出器と、該光検出器によって得られる検出信号及び変調信号から外部共振器毎に誤差信号を得て、当該誤差信号を用いたＦＭサイドバンド法に従って光路長可変手段を制御するために負帰還の構成を有する制御回路と、を備えている。上記変調信号の周波数が、外部共振器毎の誤差信号のＳ／Ｎ比が平均化される値に設定され、制御回路により外部共振器毎に光路長が制御されることで、これら複数の外部共振器が同時に共振状態に保たれることを特徴とする。
Ｓ／Ｎ比の平均化の一例として、外部共振器毎の誤差信号のＳ／Ｎ比の積が最大もしくは略最大となるように位相変調器に印加される変調信号の周波数を設定する。

上記構成によれば、各段の外部共振器からの誤差信号を検出して、各段の誤差信号のＳ／Ｎ比が平均化されるように変調信号の周波数を設定するようにしたので、全ての外部共振器を通じて安定したロッキングが可能になる。特に、誤差信号のＳ／Ｎ比の積が最大もしくは略最大となるように変調信号の周波数を設定した場合、複数の外部共振器が全体的に安定化する。

上記発明において、上記複数の外部共振器の透過幅の変化に起因する誤差信号を取得し、位相変調器に印加される変調信号の周波数を外部共振器毎の誤差信号のＳ／Ｎ比が平均化される値に設定する変調周波数設定手段、を備えることが好適である。

上記構成によれば、例えば経年変化等による透過幅の変動に応じて、外部共振器毎の誤差信号のＳ／Ｎ比が平均化されるように変調信号の周波数が設定されるので、経年変化に起因するロッキング条件の変化に対しても安定したロッキングが可能になる。

本発明によれば、複数の外部共振器を用いてＦＭサイドバンド法に従い所望のレーザ光を発生させる際、各段の外部共振器からの誤差信号を検出して、それぞれの誤差信号のＳ／Ｎ比が平均化されるように変調信号の周波数を設定するようにしたので、１つの変調信号を利用して各外部共振器の安定したロッキングが実現できる。

本発明は、連続発振（ＣＷ）可能なレーザ光源と、複数の外部共振器を用いたレーザ光発生装置に関するものであり、例えば、複数段階に亘る波長変換を行うのに好適なものである。以下、本発明の実施の形態の例について、添付図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
まず、図１〜図９を参照して、本発明の第１の実施形態に係るレーザ光発生装置を説明する。図１は、本発明の基本構成を概念的に説明するための図である。

図１において、レーザ光発生装置１は、単一周波数のレーザ光を出力するレーザ光源２を備えている。レーザ光源２から出射されたレーザ光は、位相変調器４、光学系５を経て複数の外部共振器６、９、・・・、１２に送られる。また、位相変調器４に印加する変調信号を生成するための信号発生部３（発振信号を発生させるための局部発振器を有する。）が設けられている。尚、光学系５には、モードマッチングのためのレンズ、プリズム、ミラー等の他、必要に応じて、次段の外部共振器に入射する光を選別して透過させるダイクロイックミラーや吸収フィルタ等を含める場合がある。

複数の外部共振器６、９、・・・、１２は縦列配置とされ、第１の外部共振器及び当該外部共振器よりも後段に配置される第２の外部共振器とを有する。以下、外部共振器６を第１の外部共振器とし、外部共振器９を第２の外部共振器として説明する。尚、第１の外部共振器を必ずしも初段の外部共振器６とする必要はなく、いずれの外部共振器でも構わないし、また、第２の外部共振器９についても、第１の外部共振器６よりも後段に位置されていれば、いずれの外部共振器でも構わない。但し、レーザ光源２と第１の外部共振器との間の光路上に一つの位相変調器４が配置されること、そして、第１の外部共振器から出力される光が、位相変調器４による位相変調を介することなく第２の外部共振器に入射されることを要する。

各外部共振器６、９、・・・、１２の内部には、非線形光学素子（あるいは非線形光学結晶）７、１０、・・・、１３が配置されている。非線形光学素子は、例えば、第２高調波発生や和周波発生等に係る波長変換用の素子が挙げられる。尚、非線形光学素子に代えて、外部共振器内部に利得増幅作用を持つレーザ媒質が配置されることもある。

各外部共振器のうち、少なくとも第１の外部共振器６及び第２の外部共振器９については、光路長をそれぞれ変化させるための光路長可変手段１８が設けられている。この光路長可変手段１８は、例えば、外部共振器の構成素子（ミラーや光学素子）の位置や姿勢を、ＶＣＭ（ボイスコイルモータ）等のアクチュエータ、圧電素子等を用いてサーボ制御し、あるいは結晶に電圧等を印加して光学的特性（屈折率等）を制御するものである。

尚、レーザ光源２と外部共振器との間や、連続する２つの外部共振器の間にはモードマッチング用の光学系５、８、・・・、１１が配置されているが、これらは必要な光を両者の間で効率良く結合させるものである。

光検出器１４、１５、・・・、１６は、各外部共振器６、９、・・・、１２からの光をそれぞれ受光するために設けられたものであり、例えば検出した光を電気信号に変換するフォトダイオードなどから構成される。尚、光検出器は、外部共振器の反射光を検出する形態と、外部共振器からの透過光を検出する形態が挙げられるが、検出信号の大きさの観点からは前者の形態が好ましい。

信号処理回路１７は、各光検出器１４、１５、・・・、１６によって得られる検出信号と、信号発生部３からの変調信号（所定周波数の発振信号）とを受けて、同期検波を行った後に誤差信号を得るための回路であり、その誤差信号を光路長可変手段１８に送出する。つまり、誤差信号を検出する信号処理回路１７と、当該誤差信号に基づきＦＭサイドバンド法に従って外部共振器の周回光路長を可変する光路長可変手段１８とから、負帰還構成の制御回路１９が形成されている。

上記構成において、レーザ光源２から出射されたレーザ光は、信号発生部３による変調信号が印加される位相変調器４に入射され、所定の周波数で位相変調を与えられてから光学系５を経た後で、第１の外部共振器６に入射される。そして、当該外部共振器６内の非線形光学素子７により発生される光が第２の外部共振器９に入射される。

第１の外部共振器６及び第２の外部共振器９からの光（反射光又は透過光）は、光検出器１４、１５によってそれぞれ検出される。そして、信号処理回路１７での検波処理によって得られるそれぞれの誤差信号に基いて光路長可変手段１８により外部共振器毎に光路長（周回光路長）がレーザ光波長の整数倍となるよう制御される。つまり、誤差信号がゼロとなるように各外部共振器の光路長が可変制御される。それによって、これら複数の外部共振器６、９、・・・、１２が同時に共振状態（所謂ロック状態）に保たれる。

図２は、１つの位相変調器４を用いて、２段階の外部共振器６、９をＦＭサイドバンド法で同時にロックできるように構成されたレーザ光発生装置１００を示している。図２において、レーザ光発生装置１００は、図１に示した各光検出器１４、１５、・・・、１６、信号処理回路１７及び光路長可変手段１８の記載は省略している。図２において、図１と対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。

本実施形態では、縦単一モードの赤外光（例えば、波長λ＝１０６４ｎｍ）を出力するレーザ光源２を用いており、その出力光ＬＴ０はただ１つの位相変調器４を透過する。尚、位相変調器４には、信号源の記号で示す信号発生部３で生成された単一の周波数ｆｃを持つ高周波信号が印加されるため、位相変調器４を透過した光は周波数ｆ_ｃで位相変調を受ける。

本実施形態の信号発生部３から出力される変調信号の一部は、第１の外部共振器６及び第２の外部共振器９を含む各外部共振器から得られる誤差信号を信号処理回路１７（図１参照）で復調する際の局部発信信号として使用される。最終段での外部共振器（例えば、外部共振器１２）の誤差信号のＳ／Ｎ比を充分大きく確保するために、図３に示すように位相変調器を両極駆動にすることが有効である。

図４は、両極駆動の位相変調器の回路例を示したものである。図４において、位相変調器４０は、第１の位相変調器と第２の位相変調器が絶縁状態で結合されて形成されている。

図４において、所定の駆動電圧Ｖ（例えば、Ｖ＝Ｖ_０ｓｉｎ（２ｆ_ｃｔ＋φ_０））を発生する電源部４５と電源部４６の一端がグラウンドに接続されるとともに、電源部４５の他端が第１の位相変調器の一方の電極４２に接続され、電源部４６の他端が第１の位相変調器の一方（電極４２と反対面）の電極４４に接続される。そして、第１の位相変調器の他方の電極４１と第２の位相変調器の電極４３が接触した状態で結合しており、電極４１、４３がそれぞれグラウンドに接続されている。これら第１の位相変調器及び第２の位相変調器の電極間距離は、それぞれ標準的な一つの位相変調器の電極間距離ｄの半分のｄ／２に形成されている。したがって、第１の位相変調器と第２の位相変調器が結合されてなる位相変調器４０の電極４２と電極４４との距離は、標準的な一つの位相変調器の電極間距離ｄと同じである。

ここで、電源部４５、４６からそれぞれ供給される電圧信号をＶとし、位相変調器４０の両電極４２、４４にグラウンドを挟んで極性の相反する同相の電圧信号＋Ｖと−Ｖを同時に印加すると、位相変調器４０の電極４２と電極４４との間の電位差は常に２Ｖとなる。そのため、位相変調器４０に通常の２倍の電界が発生し、位相変調量を２倍にすることができるので、誤差信号のＳ／Ｎ比が向上する。なお、図４において電源部４５、４６を記しているが、電圧信号Ｖを発生させる一つの電圧信号供給源（図示略）を用いて、極性の相反する同相の電圧信号を生成する回路を構成しそれぞれを位相変調器４０に供給するようにするようにしてもよい。

図２において、位相変調器４を透過した光は、レンズ等を含む光学系５を経て第１の外部共振器６に入射される。尚、このとき、入射光と第１の外部共振器６に想定される固有モードは良好に重なっているものとする（所謂モードマッチング）。

第１の外部共振器６については、入射ミラー２１と、必要に応じて使用される複数枚のミラー２２、２３、２４及び波長変換用の非線形光学素子２０で構成されている。つまり、図示のように、入射ミラー２１と出射ミラー２２が主光路上に配置され、両者の間に非線形光学素子２０が配置されている。そして、ミラー２３がミラー２１の側に位置され、ミラー２４がミラー２２の側に配置されていて、ミラー２１に入射されたレーザ光は、非線形光学素子２０を経た後、ミラー２２、２３、２４の順でそれぞれ反射されてからミラー２１に戻ることにより第１の外部共振器６が形成されている。入射ミラー２１はインピーダンスマッチングのために反射率が最適化されていることが望ましい。

本実施形態では、非線形光学素子２０として、第２高調波発生（ＳＨＧ）用に位相整合のとれた結晶、又は周期分極反転等の手段で位相整合のとれた結晶を用いている。この場合、レーザ光源２から出力された基本波の波長（例えば、λ＝１０６４ｎｍ）に対して半分の波長（例えば、λ＝５３２ｎｍ）に変換することができる。

尚、第１の外部共振器６の周回光路長についてはその可変制御が可能な構成となっており、第１の外部共振器６を構成するミラーのうちの少なくとも一つの位置や姿勢を、ＶＣＭ（ボイスコイルモータ）やステッピングモータ等の移動手段や、ＰＺＴ等の圧電現象を利用した駆動手段によって変化させる。また、第１の外部共振器６の周回光路長を可変制御する他の方法として、ミラー以外の光学要素、例えばプリズムやグレーティング等を移動させることも考えられる。この他、非線形光学素子や電気光学結晶に電圧を印加して周回光路長を変化させる方法もある。

第１の外部共振器６のミラー２４による反射光の一部は、ミラー２１を透過した後、光検出器１４により受光されて信号検出が行われる。

また、第１の外部共振器６には波長変換用の非線形光学素子２０が配置されているので、効率よく波長変換された出力光が、モードマッチング用の光学系８を経て第２の外部共振器９に入射される。第１の外部共振器６の出力光については、必要に応じて波長分離ミラー（図示略）等により波長変換されなかった光と分離するとよい。

第２の外部共振器９についても、例えば、第１の外部共振器６と同様に、入射ミラー３１と複数枚のミラー３２、３３、３４及び波長変換用の非線形光学素子３０を用いて構成されている。つまり、図示のように、入射ミラー３１と出射ミラー３２が主光路上に配置され、両者の間に非線形光学素子３０が配置されている。そして、ミラー３３がミラー３１の側に位置され、ミラー３４がミラー３２の側に配置されていて、光学系８から３１に入射されたレーザ光は、非線形光学素子３０を経た後、ミラー３２、３３、３４の順でそれぞれ反射されてからミラー３１に戻ることにより第２の外部共振器９が形成されている。入射ミラー３１はインピーダンスマッチングのために反射率が最適化されていることが望ましい。

本実施形態では、非線形光学素子３０として、第２高調波発生用に位相整合のとれた結晶、又は周期分極反転等の手段で位相整合のとれた結晶を用いている。この場合、第１の外部共振器６から出力された基本波の波長（例えば、λ＝５３２ｎｍ）に対して半分の波長（例えば、λ＝２６６ｎｍ）に変換することができる。

尚、第１の外部共振器６と同様に、第２の外部共振器９の周回光路長についてはその可変制御が可能な構成となっており、第２の外部共振器９を構成するミラーのうちの少なくとも一つの位置や姿勢を、ＶＣＭやステッピングモータ等による移動手段やＰＺＴ等の駆動手段によって変化させる。

第２の外部共振器９のミラー３４による反射光の一部は、ミラー３１を透過した後、光検出器１５により受光されて信号検出が行われる。

また、第２の外部共振器６は、内部に配置された非線形光学素子３０によって効率よく波長変換されミラー３２を透過して出射される光が、第２の外部共振器９の出力光ＬＴ１となって外部に照射される。

このように、第１の外部共振器６には入射されたレーザ光の波長を変換する非線形光学素子２０が主光路上に配置されており、効率よく波長変換された出力光が、光学系を介して次のステージである第２の外部共振器９に入射する。第１の外部共振器６と同様に、第２の外部共振器９においても、ＦＭサイドバンド法により第２の外部共振器９がロッキングされ、非線形光学素子３０により波長変換された出力光が取り出される。

図５は、位相変調器及び光検出器を含む制御系の基本構成例を示したものである。尚、第１及び第２外部共振器６、９について同様の回路構成とされるため、図には両回路に共通の部分を併せて示している。

信号発生部３により、周波数ｆｃの変調信号が発生され、当該変調信号が位相変調器４（図に示す「ＥＯＭ（Electro-Optic Modulator）」）に印加されて上記したようにレーザ光に位相変調がかけられる。

光検出器（図示の例では、第１の外部共振器６について光検出器１４、第２の外部共振器９について光検出器１５である。）による各外部共振器６、９からの反射光の検出信号と、局部発信信号としての変調信号（周波数ｆ_ｃの高周波信号）が検波部４７（図５には、マルチプライヤとして掛け算器で示す。）に送られて同期検波が行われ、これにより得られた誤差信号（これを「Ｅｒｒ」と記す。）がサーボ制御部４８に送られる。尚、この他、図示は省略するが、全光量モニタからの信号を基にロッキングを実行するか否かを判定する、所謂「Ｐｕｌｌ−ｉｎ」回路が付帯されてもよい。

サーボ制御部４８は誤差信号Ｅｒｒのレベルがゼロとなるように制御信号を生成して、当該制御信号によって外部共振器の光路長（周回光路長）がレーザ光波長の整数倍となるよう制御する。つまり、図２の例において、第１の外部共振器６ではミラー２３の位置や姿勢が制御され、第２の外部共振器９ではミラー３３の位置や姿勢が制御される。尚、ミラーの移動機構、駆動制御回路等については周知の機構を使用すればよいので、それ以上の説明は割愛する。また、信号処理に必要な回路、例えば、受光後の検出信号から高周波信号を取り出すのに必要なフィルタ等についての図示は省略して（あるいは光検出器等に含まれると考えればよい。）、処理の基本となる要素だけを示している。

外部共振器は、モードマッチングとインピーダンスマッチングが両立した状態にあり、かつ外部共振器の光路長がある値のときに共振し、さらにこの光路長がレーザ光の波長だけ変化するごとに共振状態となる。

外部共振器が空間的に良好に調整された状態で光路長可変手段１８を掃引する（周回光路長を変化させる）と、共振により外部共振器からの反射光が小さくなる範囲が周期的に発生する。レーザ光の波長をλ、外部共振器の周回光路長をＬ、外部共振器内を周回するレーザ光の位相遅れをδ、外部からレーザ光が入射されるミラー（例えば、ミラー２１）の反射率をＲ₁、外部共振器内のｊ番目のミラーの反射率をＲ_ｊ、ミラー以外でｊ番目の内蔵光学素子の透過率（非線形光学素子の線形損失、非線形損失などを含む）をＴ_ｊとしたときの実効反射率Ｒ（δ)は次式で与えられる。

非線形光学素子により波長変換された基本波成分も、基本波についての損失となることから、合成反射率Ｒ_ｍに関して波長変換効率も考慮して計算する必要がある（William Kozlovsky他, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.24, No.6, p.913(1988）)。合成反射率Ｒ_ｍは入射ミラーを除く周回透過率（入射ミラー以外のミラーの反射率の積と当該外部共振器内でレーザ光が通過する光学素子の透過率の積を掛け合わせたもの）として表され、本実施形態では入射光と共振器モードの空間モードの重なり（モードマッチング）効率をほぼ１として近似した。Ｒ₁＝Ｒ_ｍのとき、インピーダンスマッチング（整合）がとれた状態となる。

図６は、外部共振器の実効反射特性、すなわち周回光路長Ｌ（位相遅れδ）を掃引した時の実効反射率Ｒ（δ）の変化を示したものである。位相遅れδは本来大きな数字であるが、簡単のため、２πのある整数倍だけ引いた値δ’を使用することとし、横軸に位相遅れδ´、縦軸に実効反射率Ｒ（δ）をとって実効反射特性を表示している。尚、入射光と共振器モードの空間モードの重なり効率η_mは、通常の場合７０〜９５％に維持することは容易であるから、η_m＝１で近似した。また、簡単のため、外部共振器のインピーダンスマッチングが成り立っているものとし、Ｒ_１＝Ｒ_ｍ＝０.９５（９５％）とおいている。

式（１）に正弦関数ｓｉｎ（δ／２）の二乗項が含まれていることから分かるように、外部共振器のみかけの反射率（実効反射率）は「δ´＝ｐ・π」（ｐは偶数）のときに急激に低下して、ほとんどの入射光が外部共振器内に入射して内部を周回する光の光強度が大きくなる。これを「共振状態」と呼び、共振状態を保持させることを「ロックする」という。

振動や温度変化等の外乱に対して、周回光路長が「δ´＝２・π・Ｌ／λ＝ｐ・π」の条件を満たすように維持するためには、周回光路長Ｌを可変する制御手段が必要とされる。そのためには、ミラー（例えば、図２のミラー２３、３３を参照。）や非線形光学素子の位置等を変化させたり、あるいは電気光学素子を用いてその屈折率等を変化させたりすればよい。

図７は、第１の外部共振器６における実効反射特性と変調周波数との関係を示し、（Ａ）は図６に示した実効反射特性におけるδ´＝０の付近の拡大図、（Ｂ）は変調を受けて第１の外部共振器６に入射する光のスペクトラムである。（Ｂ）の横軸は周波数、すなわちδ´に換算された周波数差（光の周波数ｆ_Ｌからの差分値）を示す。側帯波の周波数ｆ_ｃがどの程度の位相遅れδ‘に相当するかは、通常「ｆ_ｃ＝ｃδ´／（２πＬ）」で与えられる。ｃは真空中の光の速さである。説明の便宜上、入射光の周波数ｆ_Ｌが外部共振器の透過帯域の中央に示されているが、これは正しくロッキングされた場合に相当する。入射光の周波数ｆ_Ｌと変調周波数ｆ_ｃとの和周波及び差周波を示しており、同期検波の際に用いる信号発生部３（局部発振器）の周波数を適宜選択することで、透過帯域に変調光が含まれる所望の変調周波数ｆ_ｃを選択することができることを示している。

位相遅れδ´が２πの整数倍で周期的に実効反射率が小さくなって反射光が極小になり、入射光の大部分が第１の外部共振器６の内部に入っていく。図７（Ａ）において、例えば位相遅れδ’が±０．２πでは反射率は９９．３％（透過率０．７％）程度であるが、位相遅れδ’が±０．０３πでは反射率が約７７％（透過率２３％）まで減少する。図７（Ａ）に示した例では、実効反射率がピーク値の５０％になる位相遅れδ´の範囲（半値全幅：以降「透過幅」と称する）δ´_０．５は約０．０３３πである。尚、これは外部共振器のみかけの透過率がピーク点での値の半分になるδ´からも求められる。

上記のとおり、第１の外部共振器６がロックしたとき実効反射率が低いので、大部分の入射光が第１の外部共振器６に入射される。例えば、非線形光学素子２０が第２高調波発生用光学結晶であるとし、基本波の波長に対してその半分の波長の光が発生する場合に、高い割合の位相変調成分についても第１の外部共振器６内に入射されて、波長変換を受けることになる。このとき光の周波数ｆ_Ｌ（＝ｃ／λ）と、変調信号の周波数ｆ_ｃとが干渉して、ｆ_Ｌの周囲にｆ_Ｌ±ｆ_ｃの側波が発生する。そして、これらが第２の外部共振器９において反射率の高い周波数であれば、当該第２の外部共振器９から当該成分を含む反射光を取り出して、誤差信号を得ることができる。すなわち、周波数ｆ_ｃについては、「ｆ_Ｌ±ｆ_ｃ」の光成分が第１の外部共振器６をほぼ透過するが、第２の外部共振器９では反射されるように設定されており、これを第２の外部共振器９のロックに用いることができる。

したがって、上記のように波長変換を行う場合に、レーザ光源２により出力されるレーザ光の波長を「第１の波長」とし、第１の外部共振器６内の非線形光学素子２０によって波長変換された光の波長を「第２の波長」として、当該第２の波長の光が第２の外部共振器９に入射されるとき、第１の波長の光についてはその反射光を利用して誤差信号を得て第１の外部共振器６をロックするとともに、第２の波長の光についてはその反射光を利用して誤差信号を得て第２の外部共振器９を同時にロックすることができる。

このように、レーザ光源２に対して、２段階の外部共振器６，９を設けるとともに、適切に設定された単一周波数ｆｃの変調信号を用いて、当該変調信号を位相変調器４に印加するように構成することで、ＦＭサイドバンド法を用いて各外部共振器を共振状態に保つことができ、しかも、そのために、各外部共振器の前段に位相変調器をそれぞれ配置させる必要がなく、第１の外部共振器６の前段に配置される一つの位相変調器４だけで済むことになる。但し、その際に望ましい変調周波数の割り当てに関して、変調を受けた光について、側波の一部が第１の外部共振器６で反射されること、そして、他の側波が第１の外部共振器６を透過し、かつ波長変換後に第２の外部共振器９で反射されるという条件を満たせばよい。

ＦＭサイドバンド法では、位相変調器を用いレーザ光を変調して側帯波を立て、外部共振器からの反射光に含まれる側帯波を基に誤差信号を得る。図５において、検波部４７に光検出器１４，１５による光検出信号を送るとともに、検波部１７には変調信号の周波数ｆｃと等しい周波数信号を信号発生部３（内の局部発振器）から供給して、両者の位相について同期検波を行えば、誤差信号Ｅｒｒが得られる。

図８は、光検出信号及び変調信号に基いて生成される誤差信号（Ｅｒｒ）のδ依存性の例を拡大して示したものであり、横軸に位相遅れδをとり、縦軸に信号レベルをとり示している。

誤差信号Ｅｒｒは、外部共振器６の共振周波数がレーザ光の周波数付近に近づいたときに、反射する両側帯波信号（両側波）のバランスに基づいて得られる信号であり、共振位置（一例としてδ´＝０）からのずれに関してその方向と大きさを示している。つまり、図８の右半面においては、δ´軸を正方向に進んでいくと値が上昇しての正のピーク値に達し、それから急に値が低下してδ´軸に漸近していく。また、図８の左半面においては、δ´軸を負方向に進んでいくと値が低下し、それから急に値が上昇してδ´軸に漸近していく。このように、グラフ曲線がδ´＝０の原点回りに１８０゜の回転対称性をほぼ有しているので、共振位置からのずれの方向と大きさを誤差信号から把握することができる。

入射光の周波数を変調周波数で変調して生成される側帯波は、上側帯波と下側帯波の極性が逆になっているため、共振点（反射率極小点）の付近では、共振器反射光に含まれる側帯波信号（高周波成分）を局部発振器（信号発生部３）からの局部発信信号で検波すると、側帯波信号のバランスに応じた誤差信号Ｅｒｒが得られる。局部発振器の位相を合わせて共振の中心と誤差信号のゼロ点を合わせた後に、サーボ制御部４８によりミラー等を通じて共振器周回長Ｌを調整して共振点にロックする（ＦＭサイドバンド法）。共振点にロックすると、外部共振器の見かけの反射率は著しく低下し、外部共振器への入射光の大部分が当該外部共振器内へ注入される。同時に外部共振器内には入射光よりもはるかに大きなパワーの光が周回することになり、外部共振器内に置かれた非線形光学素子２０の変換効率も高くすることができる。

第１の外部共振器６が共振状態にある場合、第１の外部共振器６内を巡回する強い光が非線形光学素子２０により別の波長（ＳＨＧでは１／２の波長）に変換されるとき、変換後の光の中心周波数２ｆ_Ｌから±ｆ_ｃだけ周波数の異なる上下側帯波が生成され、出力光として光学系８を経て第２の外部共振器２０に入射する。この側帯波が、次の段階に相当する第２の外部共振器２０のロッキングに使用される。さらに、第３の外部共振器のロッキングを行う場合には、側波の一部が第１の外部共振器６で反射されること、そして、残りの側波が第１の外部共振器６を透過し、かつ波長変換後に第２の外部共振器９で反射されるという条件を満たせばよい。

外部共振器の構成要素（ミラー等）の位置修正等を行うための負のフィードバック系を、上記制御回路１９において形成し、誤差がゼロとなるよう各外部共振器の周回光路長を制御すれば、その共振状態を保つことができる。このとき、反射光にサイドバンド（側波帯の成分）がなるべく多く含まれるようにすると、誤差信号Ｅｒｒの振幅が大きくなり、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）を一般に大きくすることができる。

Ｓ／Ｎ比の定義は種々考えられるが、例えば、図８に示す誤差信号（Ｓ字）のピーク間の電圧差２Ｖ_１の半分の値Ｖ_１（信号）を、ピーク間スロープにおいてオシロスコープ上で観察される線の幅もしくは太さの６分の１の数値（雑音）で除した値が考えられる。通常の場合、線の幅は変動の標準偏差σもしくは二乗平均平方根 (ＲＭＳ：Root Mean Square)の６倍（±３倍）であると考えてよいからである。

図２において、誤差信号のＳ／Ｎ比を高くするためには側帯波の周波数ｆ_ｃが第２の外部共振器９の透過幅に相当する周波数範囲に比べて充分大きいことが望ましい。一方、側帯波が第１の外部共振器６の透過幅に相当する周波数範囲より大きいと側帯波のほとんどは第１の外部共振器６により反射されて、共振器内部には僅かしか侵入しない。結果として第１の外部共振器６から第２の外部共振器９に入射する波長変換光の側帯波の量が減少し、第２の外部共振器９をロッキングするための誤差信号のＳ／Ｎ比が悪化するというトレードオフの関係がある。

したがって、変調信号の周波数ｆｃを設計段階で決める際には、システム安定度の１つの尺度として、各段階の外部共振器から得られるＳ／Ｎ比が適切な値、つまり平均化された値となるよう考慮することが望ましい。例えば、積Ｐを考え、この積Ｐの値が最大になるように考えることも有効である。ｊ番目の外部共振器から得られる誤差信号のＳ／Ｎ比を（Ｓ／Ｎ）_j（但し、ｊ＝１，２，・・・）とすると、積Ｐは次式で表される。

ｎ個の外部共振器から得られたｎ個の誤差信号のデータ（Ｓ／Ｎ比の値）を全て掛け合わせたもののｎ乗根を求めることで、ｎ個の外部共振器より得られる誤差信号のＳ／Ｎ比の幾何平均（相乗平均）が求められる。算出された幾何平均は（２）式の積Ｐが最大となるときの値である。

レーザ光発生装置の設計段階で、各種の条件に基づいてロッキングに最適なキャリア周波数（変調信号の周波数）を決定する。しかし、設計値と製品化された実際のレーザ光発生装置にずれが生じることがある。この設計値と実際のレーザ光発生装置（製品）の公差から発生するずれを小さくする手段として、各段階の外部共振器から得られるＳ／Ｎ比が平均化されるよう変調信号の周波数を初期設定できる手段を有することが望ましい。例えば、信号発生部３から発生する変調信号の周波数を利用者が手動で調整できるような構成とする。あるいは、信号発生部３とコンピュータ（図示略）間を相互にデータ伝送可能に接続し、利用者が入力装置を用いてコンピュータに最適な変調信号の周波数の値を入力すると、入力された変調信号の周波数のデータに基づいて信号発生部３から発信される変調信号の周波数が設定されるようにする。

一般に、第２の外部共振器９の透過幅を可能な範囲で第１の外部共振器６の透過幅と同等か、より小さくした方が有利である。また、側帯波の反射率はおよそ２０％から８０％程度であることが望ましいと考えられる。これらを考慮しながら式（１）を用いて計算すると、好適な側帯波の周波数ｆｃは、第１の外部共振器６の共振周波数を基点として当該第１の外部共振器６の透過幅周波数（半値半幅）の０．５倍から２倍の範囲にあり、かつ、第１の外部共振器６の共振周波数を基点として当該第２の外部共振器９の透過幅の０．５倍以上の範囲にあることが望ましいことになる。

ここで、第１の実施形態のレーザ光発生装置１００について、具体的な数値例を示す。単一周波数で発振するレーザ光源２として、例えば１０６４ｎｍで発振するリング共振器Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、又はこうしたレーザやファイバーＤＦＢ（Distributed Feedback Laser）レーザを増幅したファイバーレーザなどが用いられる。このレーザ光源２の出力を、ＫＴＰなどの電気光学結晶からなる位相変調器４に入射する。通常行われる１段階のＦＭサイドバンドロッキングの場合は、位相変調器４に印加される電圧は電気光学結晶の長さや有効な電気光学定数により決まる必要電界と、電極間距離により決められる。

例えばｒ_３３成分（ポッケルス係数成分）を使用した１２ｍｍの長さと３ｍｍの電極間距離の光透過面を有するＫＴＰ結晶では、およそ数ボルト（Ｖ）から２０ボルト（Ｖ）前後で充分である。本実施形態の場合、各外部共振器の周回光路長を調整して第１の外部共振器６による側帯波の反射率を約５０％、第２の外部共振器９の側帯波の反射率を７０％以上などにできれば同程度の電圧でも問題ない。しかし、共振する光の波長が長いときなど、場合によりそれ以上の電圧が必要になるときもある。その場合、電気増幅器を用いて信号発生部３で発生する変調信号を２０Ｖ〜１５０Ｖ程度に増幅するとロッキングが安定する。また、電源電圧を上げずにより効果的に変調するために、前述のように（図４を参照）位相変調器４の両極に逆相の電圧信号を印加して駆動させることも有効である。

レーザ光源２で発生した光を位相変調器４で位相変調し、光学系５を介して第１の外部共振器６に入射する。このときの入射光と共振器モードの空間重なりがモードマッチングと呼ばれ、最大１００％の効率になる。しかし、Ｍ２値、レーザ光の広がり角（ＢＰＰ）などで表されるビーム品質により実際には空間モードの重なり率は７０−９５％程度になることが多い。第１の外部共振器６の周回光路長が３８０ｍｍであるとすると、自由スペクトル領域（FSR；Free spectral range）は約８００ＭＨｚであるから、図７（Ａ）のδ’＝０．０５πは一波長の４０分の１として２０ＭＨｚに相当する。そこで、非線形光学素子２０としての電気光学結晶に印加される高周波信号の周波数を例えば２０ＭＨｚとする。２０ＭＨｚの高周波信号を位相変調器４に与えた場合の、実効反射率及び側帯波の様子は図７（Ａ），（Ｂ）に示したものとほぼ同様の形態となる（正しくロッキングされた場合に相当）。この場合、ロッキングされると第１の外部共振器６に入射した側帯波のおよそ９０％が入射ミラーで反射して光検出器に設けられたロッキングサーボ用フォトダイオードに入射し、残りの１０％が共振器内部に入射する。第１の外部共振器６内部に入った側帯波は共振器内を周回して定常状態に到達する。光の中心周波数ｆ_Ｌだけでなく側帯波でも同様である。外部共振器が定常状態にあるとき共振器内部を周回する光のパワーを周回パワーとすると、このときの周回パワーは入射光のパワーのおおよそ［１／（１−√（Ｒ_１Ｒ_ｍ））］倍に増幅される。

入射光のパワー２０ワット（Ｗ）、モード結合効率が略１００％、入射ミラーの反射率Ｒ_１及び外部共振器の合成反射率Ｒ_ｍが同一かつＲ_１＝Ｒ_ｍ＝９５％の場合、第１の外部共振器６に入射した光のパワーは約２０倍の４００Ｗに増幅される。仮にＲ_１＝Ｒ_ｍ＝９９．５％であればさらに大きくおよそ２００倍となるが、この値も実現可能である。４００Ｗの周回パワーを持つ光が非線形光学素子２０の例として長さ３０ｍｍ程度のＬＢＯ結晶に入射した場合、数ワットレベルの第２次高調波（５３２ｎｍ）の発生が期待できる。第１の外部共振器６から出力された波長５３２ｎｍの光を、光学系８を介して第２の外部共振器９に入射するものとする。簡単のため、第２の外部共振器９も周回光路長は３８０ｍｍであるとする。自由スペクトル領域（ＦＳＲ）は約８００ＭＨｚであるから、Ｒ_１＝Ｒ_ｍ＝９８％であれば透過幅（半値全幅）の周波数範囲δ’は０．０１３πであり、半値半幅で１６ＭＨｚに相当する。側帯波が２０ＭＨｚであれば、この周波数は第２の外部共振器９の透過幅の０．５倍以上の周波数となり、この場合第２の外部共振器９により入射光のおよそ６０％程度が反射されて、Ｓ／Ｎ比の高い誤差信号が得られる。

図９は、３段構成の外部共振器におけるロッキング時の実効反射率と誤差信号の一例を示したものである。（Ａ）は１０６４ｎｍから５３２ｎｍへの波長変換を行う１段目の外部共振器、（Ｂ）は５３２ｎｍから２６６ｎｍへの波長変換を行う２段目の外部共振器、（Ｃ）は２６６ｎｍから１９８ｎｍへの波長変換を行う２段目の外部共振器のものである。１段目よりは２段目、２段目より３段目の外部共振器の透過幅が狭くなっていることが実効反射特性の曲線から理解できる。これにより、３段目の外部共振器での反射率が上がり、Ｓ／Ｎ比の良好な誤差信号を得ることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、複数の外部共振器から構成されたロッキングシステムにおいて、位相変調器の使用個数を低減することができ、コスト削減効果が得られる。また、ロッキングシステムに用いられる位相変調器の種類が減るので、調達コスト及び混同リスクが低減される。

また、多段の外部共振器を備えた構成とすることで赤外光や可視光で位相変調するようにした場合、位相変調器が紫外光による損傷を受けないので、修理コストも削減することができ、また、位相変調器のための高電圧電源も不要とすることができる。

異なる複数の周波数の変調信号を使用するロッキング方法に対して、信号発生部が１つで済むなどシステム構成を簡素化できる効果がある。

１つの変調信号を用いて多段階の外部共振器を同時にロッキングする場合、各段階の外部共振器からの反射光より得られる誤差信号のＳ／Ｎ比の積を最大値に近い値に設定するなど、各外部共振器の誤差信号のＳ／Ｎ比が最適となるように初期設定することで、各外部共振器で反射する変調光の割合を全体最適化することができ、ロッキングシステムのロッキング動作を安定化することができる。

次に、本発明による第１の実施形態の変形例について説明する。図１０は、本発明の基本構成の変形例を概念的に説明するための図である。図１０に示すレーザ光発生装置１００Ａとレーザ光発生装置１（図１を参照）との相違点は、変調周波数設定手段４９を備えていることである。図１０において、図１と対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。

レーザ光発生装置の設計段階で、各種の条件に基づいてロッキングに最適な変調信号の周波数を決定することが望ましいことは既に説明したとおりである。しかしながら、初期設定後の経時変化によって共振器損失の増大や非線形光学素子の変換効率の低下などに起因する外部共振器の透過幅の変化に対して、変調信号の周波数を固定していると誤差信号のＳ／Ｎ比の積Ｐ（式（２））が最大値からはずれてくることが考えられる。その場合、ロッキングシステムが不安定にならないよう、Ｓ／Ｎ比の積Ｐが常に最大値もしくは最大値付近に維持されるようにすることが望ましい。そこで、信号処理回路１７から供給される誤差信号に基づいて、信号発生部３で発生する変調信号の周波数を変化させる変調周波数設定手段４９を設け、これを使用してレーザ光発生装置１００の安定化を図るようにする。変調周波数設定手段４９は検波位相を変化させることで、透過幅の変化に対応するようにしてもよい。

図１１は、位相変調器及び光検出器を含む制御系の基本構成の変形例を示したものである。尚、第１及び第２外部共振器６、９について同様の回路構成とされるため、図には両回路に共通の部分を併せて示している。また、図１１において、図５と対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。

まず、信号発生部３により、周波数ｆ_ｃに初期設定された変調信号が発生され、当該変調信号が位相変調器４（ＥＯＭ）に印加されてレーザ光に位相変調がかけられる。

光検出器（図示の例では、第１の外部共振器６について光検出器１４、第２の外部共振器９について光検出器１５である。）１４、１５による各外部共振器６、９からの反射光の検出信号と、局部発信信号としての変調信号（周波数ｆｃの高周波信号）が検波部４７に送られる。検波部４７が、光検出器１４、１５で検出された検出信号と、局部発信器（信号発生部３）からの周波数ｆ_ｃの局部発信信号により同期検波を行い、誤差信号Ｅｒｒを生成する。この誤差信号Ｅｒｒがサーボ制御部４８に送られるとともに、変調周波数設定手段４９に送られる。

サーボ制御部４８は誤差信号Ｅｒｒのレベルがゼロとなるように制御信号を生成して、当該制御信号によって外部共振器の光路長（周回光路長）がレーザ光波長の整数倍となるよう制御する。一方、変調周波数設定手段４９は、検波部４７から入力される誤差信号Ｅｒｒを監視しており、当該誤差信号Ｅｒｒに基づいて、信号発生部３が位相変調器４へ供給する変調信号の周波数又は検波位相を制御する。

このような構成により、上記第１の実施形態と同様の効果に加え、経時変化する共振器損失や変換効率により外部共振器の透過幅が変化したときでも、外部共振器の透過幅の変化に起因する誤差信号を取得し、位相変調器に印加される変調信号の周波数を外部共振器毎の誤差信号のＳ／Ｎ比が平均化される値に設定することができる。例えば誤差信号のＳ／Ｎ比の積が最大となるように維持するなどして、各外部共振器のＳ／Ｎ比が常に最適となるように制御することでロッキングシステムが不安定になることなく、常に安定が保たれる。

（第２の実施形態）
図１２は、本発明の第２の実施形態に係るレーザ光発生装置の構成例を示す図である。図１２において、図２と対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。最終段の外部共振器９での誤差信号のＳ／Ｎ比を充分大きく確保するために、位相変調器４と第１の外部共振器６との間に増幅作用を持つ素子などを入れることも有効である。そこで、図１２に示すレーザ光発生装置２００においては、第１の実施形態に係るレーザ光発生装置１００（図１を参照）に対して、位相変調器４と第１の外部共振器６との間の光路上に増幅器５０を配置しており、それ以外は第１の実施形態に係るレーザ光発生装置１００の構成と同等である。

図１２において、レーザ光源２で発生したレーザ光ＬＴ０が、位相変調器４により単一周波数の変調信号で位相変調を受けた後、光学系５、増幅器５０を経由し、さらに光学系５ａを介して第１の外部共振器６に入射される。その後の動作は、図１の例と同様であり、第１の外部共振器６で波長変換された光が後段の第２の外部共振器９に入射され、さらに第２の外部共振器９で波長変換された光ＬＴ２が外部に出力される。

仮に増幅器５０の後方に位相変調器４を配置した場合、増幅器５０で増幅された高出力の光が位相変調器４に損傷を与える恐れがある。したがって、レーザ光ＬＴ０を位相変調した後に増幅器５０で増幅し、その後で第１の外部共振器６に入射して波長変換をすることは、ロッキングシステムの簡素化と長寿命化に有効である。

増幅器５０の例としては、光ファイバー増幅器や、バルクのレーザ媒質による固体レーザ増幅器、半導体チップを用いた半導体レーザ増幅器などが考えられる。近年、ダブルクラッドファイバーの発展により、高ＮＡ値の開口数を持つクラッドに対して輝度の低い高出力半導体レーザなどからの励起光を同軸伝搬させて、コアに入射するレーザ光を増幅するファイバーレーザ増幅器が入手しやすくなっているが、本実施形態はこうした構成の増幅器５０にも好適である。

本実施形態によれば、増幅前の低出力で位相変調を行い、増幅後に波長変換を行う構成としたので、第１の実施形態が奏する効果に加え、位相変調器の損傷を防ぎ、波長変換後の光の出力や波長変換効率を同時に高く維持することができる。

（第３の実施形態）
図１３は、本発明の第３の実施形態に係るレーザ光発生装置の構成例を示す図である。図１３において、図２と対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。本実施形態のレーザ光発生装置３００は、第１の外部共振器６０と第２の外部共振器９Ａを備えている。第１の外部共振器６０には、例えば入射ミラー６１と複数枚のミラー６２〜６５、及びレーザ媒質６６を用いて構成されている。レーザ媒質６６はミラー６２とミラー６３の光路上に配置され、該レーザ媒質６６とミラー６３の延長線上に光学系６７と励起光源６８が配置されている。励起光源６８から出力された励起光は光学系６７を介してミラー６３に入射され、ミラー６３を透過した励起光がレーザ媒質６６に照射される構成となっている。レーザ光源２から出力されたレーザ光ＬＴ０は、位相変調器４により所定周波数の変調信号で位相変調を受けた後、光学系５を介して第１の外部共振器６０に入射される。第１の外部共振器６０に入射された光は、ミラー６１、６２、レーザ媒質６６を経て、さらにミラー６３、６４、６１、６５と順次反射して後段の第２の外部共振器９Ａに入射される。そして、第２の外部共振器９で波長変換された光ＬＴ３が外部に出力される。

レーザ光発生装置３００は、レーザ光源２からの出力光ＬＴ０を位相変調器４で単一周波数で位相変調した後、光学系５により第１の外部共振器６０に注入して増幅する方式であり、注入同期（インジェクションロッキング）と呼ばれる。この場合、第１の外部共振器６０の縦モード（共振周波数）と注入光ＬＴ０の周波数が合致すると、第１の外部共振器６０内に光が入ってレーザ媒質６６で増幅されるので、同期により第１の外部共振器６０の反射率が大きくなったように振る舞う。そこで、例えばミラー６５から反射光の一部を取り出し、それに含まれる側帯波を用いてＦＭサイドバンド法でロッキングすれば、入射光ＬＴ０より大きな出力の光を第１の外部共振器６０より抽出できる。この光を、光学系８を経て第２の外部共振器９Ａに入射し、非線形素子３０Ａで波長変換などを行う。第１の外部共振器６０では波長変換を行わないので、このときの第２の外部共振器９Ａにおけるロッキングには、第１の外部共振器６０のロッキングに使われたのと同じ周波数の光及び側帯波が用いられる。

本実施形態によれば、第１の外部共振器内にレーザ媒質を設けて注入光を増幅するように構成したので、システム構成の簡素化（省スペース化）が図れるとともに、パワーを高めた光を第２の外部共振器へ入射するので、第２の外部共振器での変換効率を向上させることができる。その他、第２の実施形態と同様の効果を奏する。

（第４の実施形態）
図１４は、本発明の第４の実施形態に係るレーザ光発生装置の構成例を示す図である。図１４において、図２及び図１３と対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。本実施形態のレーザ光発生装置４００は、第１の外部共振器７０と第２の外部共振器９を備えており、第３の実施形態における注入同期用の第１の外部共振器６０に波長変換結晶としての非線形光学素子２０を更に配置したものである。

第１の外部共振器７０は、例えば入射ミラー７１と複数枚のミラー７２〜７４、波長変換用の非線形光学素子２０、及びレーザ媒質６６を用いて構成されている。レーザ媒質６６はミラー７２とミラー７３の光路上に配置され、該レーザ媒質６６とミラー７３の延長線上に光学系６７と励起光源６８が配置されている。励起光源６８から出力された励起光は光学系６７を介してミラー７３に入射され、ミラー７３を透過した励起光がレーザ媒質６６に照射される構成となっている。

レーザ光源２から出力されたレーザ光ＬＴ０は、位相変調器４により単一周波数の変調信号で位相変調を受けた後、光学系５を介して第１の外部共振器７０に入射される。第１の外部共振器７０に入射された光は、ミラー７１、７２、レーザ媒質６６を経て、さらにミラー７３、７４、７１と順次反射してミラー７２から後段の第２の外部共振器９に入射される。そして、第２の外部共振器９で波長変換された光ＬＴ４が外部に出力される。第１の外部共振器７０のミラー７１の反射光と、第２の外部共振器９のミラー３１の反射光に含まれる側帯波から誤差信号を得、当該誤差信号に基いて各外部共振器７０，９のロッキングを行う。

本実施形態によれば、第３の実施形態で奏する効果に加え、第１の外部共振器で入射光を増幅しながら同時に極めて高い効率で波長変換を行うことができるという特徴がある。

（第５の実施形態）
図１５は、本発明の第５の実施形態に係るレーザ光発生装置の構成例を示す図である。図１５において、図２と対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。上記第１〜第４の実施形態では、１つの波長を入力して別の波長を出力する波長変換について主に説明した。本実施形態では第１の外部共振器６の出力光と、別のレーザ光入力光と、波長変換結晶を共有する第２の外部共振器８０と第３の外部共振器９０を用いて、２波長入力１波長出力を行う場合について説明する。

第２の外部共振器８０は、４枚のミラー８１〜８４、及び差周波混合用の非線形光学素子１１０が設けられている。すなわち、第１の外部共振器６からミラー８１に入射された光が、非線形光学素子１１０を経た後、ミラー８２、８３で順次反射されて、ミラー８１に戻る光路が形成されている。単一周波数のレーザ光源９６の出力光は、モードマッチング用光学系９５を経て第３の共振器９０に入射される。第３の外部共振器９０は、４枚のミラー９１〜９４、及び非線形光学素子１１０が設けられており、非線形光学素子１１０が第２の外部共振器８０との間で共有されている。レーザ光源９６からミラー９１に入射された光は、ミラー９２で反射され、非線形光学素子１１０を経た後、ミラー９３、９４で順次反射されて、ミラー９１に戻る光路が形成されている。

第１の外部共振器６と第２の外部共振器９に係るロッキングのための制御については、既に説明した方法と同様であって、例えば周波数ｆｃの変調信号を位相変調器４に印加するとともに、周波数ｆｃの信号による光の変調成分（側帯波）が第１の外部共振器６で反射されるようにし、残りの光の変調成分が第１の外部共振器６を透過して第２の外部共振器９で反射されるようにする。そして、レーザ光源９６からの光と第１の外部共振器６からの出力光が光混合用の非線形光学素子１１０において、周波数加算された結果、当該非線形光学素子１１０から出力光ＬＴ５が得られる。

例えば、レーザ光源２から出力される５３２ｎｍの光を第１の外部共振器６で２６６ｎｍに波長変換し、第２の外部共振器８０にロッキングすると同時に、別のレーザ出力を第３の外部共振器９０にロッキングして、両者の光が非線形光学素子１１０（波長変換結晶）内で和周波混合、差周波混合などを通じて、所望の波長に変換される。

波長変換には、第２次高調波発生、和周波発生、差周波発生などの他、ＯＰＯ（光パラメトリック共振器）などにより、長波長光を発生させる方式もあり、様々な変形例が考えられる。

以上説明したように、レーザ光源２から出力されたレーザ光は、変調信号が印加された位相変調器４を透過した後に、第１の外部共振器６内に配置された非線形光学素子２０によって波長変換され、その後に、他の位相変調器を経ることなく、複数の外部共振器（例えば、縦列配置とされた外部共振器）に順次に入射されるようにした構成を用いることができる。そして、この場合にも、変調信号及び各外部共振器に係る光検出信号から生成される誤差信号を用いたＦＭサイドバンド法により各外部共振器を同時に共振状態に保つことができる。

なお、外部共振器の安定したロッキングのためには、レーザ光源２からの出力光を変調して発生する側帯波又はそれらの和周波信号もしくは差周波信号の各々が、対応する変調信号の周波数（信号発生部３による発信周波数）に対して安定した位置関係にあることが必要である。そのためには、同期検定の際にそれぞれの側帯波に対して独立に位相遅延量を調整できるようにすることが望ましい。例えば、図５において、光検出器１４，１５と検波部１７との間に遅延回路を介挿して、光検出信号の位相遅延について調整を行えるように構成すればよい。

上述した各実施形態における非線形光学素子の使用材料としては、ＫＴｉＯＰＯ_４（ＫＴＰ）、β−ＢａＢ_２Ｏ_４（ＢＢＯ）、ＬｉＢ_３Ｏ_５（ＬＢＯ）、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３や、ＰＰ−ＫＴｉＯＰＯ_４、ＰＰ−ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３、ＰＰ−ＭｇＯ：Ｓ−ＬｉＮｂＯ_３、ＰＰ−Ｓ−ＬｉＴａＯ_３、ＰＰ−ＭｇＯ：Ｓ−ＬｉＴａＯ_３等の非線形光学材料が挙げられる。なお、ここで「ＰＰ」は「Periodical Poling（周期分極反転構造）」を意味し、非線形光学結晶に対し電圧印加等による周期分極制御により周期分極反転構造をもつ非線形光学素子が得られる。これらの材料は、使用波長に合わせて、位相整合条件を満たす適切な角度で加工され、あるいは適切な周期分極反転構造を作ることによって（擬似）位相整合条件が満たされる。「Ｓ」は「Stoichiometric（化学量論組成）」を意味する。また、非線形光学素子の大きさは、外部共振器内部での基本波及び変換波のビームサイズよりも適切量大きいサイズとすることが望ましい。尚、これらの光学結晶は、和周波発生、パラメトリック発振、第３高調波発生などの波長変換にも用いられる。

また、上述した各実施形態において、変換波長が同じ場合は、同一符合を付して同じ非線形光学素子（光学結晶）を用いている記載をしたが、別の光学結晶でもよい。変換波長が異なる場合は、同じ光学結晶であっても方位やコート波長が異なってくる。勿論変換波長ごとに使用する光学結晶を変えてもよい。

本発明は上述の実施形態例において説明した構成に限定されるものではなく、例えばレーザ光発生装置における共振器内の折り返し反射部や共振器間結合用のレンズ等における光学素子の部品点数、材料構成等、本発明構成を逸脱しない範囲において種々の変形、変更が可能である。また上述したように、波長変換用の非線形光学素子において生じる高調波は２次高調波に限定されるものではなく、３次以上の高調波でもよく、また和周波発生による高調波発生、パラメトリック発振による変換を行う場合にも適用可能である。

本発明の基本構成例を示す図である。本発明の第１の実施形態に係るレーザ光発生装置の構成例を示す図である。両極駆動の位相変調器の概略を示す斜視図である。図３に示した両極駆動の位相変調器の回路例を示す図である。位相変調器及び光検出器を含む制御系の構成例を示す図である。外部共振器の実効反射特性を示すグラフ図である。実効反射特性と変調周波数との関係を示すグラフ図である。誤差信号におけるＳ／Ｎの測定方法の説明に供する図である。各外部共振器におけるロッキング時の実効反射率と誤差信号との関係を示すグラフ図である。図１に示した基本構成の変形例を示す図である。図５に示した制御系の構成の変形例を示す図である。本発明の第２の実施形態に係るレーザ光発生装置の構成例を示す図である。本発明の第３の実施形態に係るレーザ光発生装置の構成例を示す図である。本発明の第４の実施形態に係るレーザ光発生装置の構成例を示す図である。本発明の第５の実施形態に係るレーザ光発生装置の構成例を示す図である。

符号の説明

１，１００，１００Ａ，２００，３００，４００，５００…レーザ光発生装置、２，６８，９６…レーザ光源、３…信号発生部、４…位相変調器、６，６０，７０…第１の外部共振器、７，１０，１３，２０，３０，３０Ａ，１１０…非線形光学素子、９，９Ａ，８０…第２の外部共振器、１４，１５，１６…光検出器、１７…信号処理部、１８…光路長可変手段、１９…制御回路、４７…検波部、４８…サーボ制御部、４９…変調周波数設定手段、９０…第３の外部共振器

Claims

レーザ光源と、
第１の外部共振器及び当該外部共振器よりも後段に配置される第２の外部共振器と、
前記レーザ光源と前記第１の外部共振器との間の光路上に配置された一つの変調信号が印加される位相変調器と、
前記位相変調器に印加する変調信号を生成する信号発生部と、
各外部共振器内に配置され入射された光の波長変換を行う非線形光学素子と、
各外部共振器の光路長をそれぞれ変化させるための光路長可変手段と、
各外部共振器からの光をそれぞれ受光する光検出器と、
前記光検出器によって得られる検出信号及び前記変調信号から外部共振器毎に誤差信号を得て、当該誤差信号を用いたＦＭサイドバンド法に従って前記光路長可変手段を制御するために負帰還の構成を有する制御回路と、を備え、
前記変調信号の周波数が、前記外部共振器毎の誤差信号のＳ／Ｎ比が平均化される値に設定され、前記制御回路により外部共振器毎に光路長が制御されることで、これら複数の外部共振器が同時に共振状態に保たれる
ことを特徴とするレーザ光発生装置。
レーザ光源と、
第１の外部共振器及び当該外部共振器よりも後段に配置される第２の外部共振器と、
前記レーザ光源と前記第１の外部共振器との間の光路上に配置された一つの変調信号が印加される位相変調器と、
前記位相変調器と前記第１の外部共振器との間の光路上に配置された増幅器と、
前記位相変調器に印加する変調信号を生成する信号発生部と、
各外部共振器内に配置され入射された光の波長変換を行う非線形光学素子と、
各外部共振器の光路長をそれぞれ変化させるための光路長可変手段と、
各外部共振器からの光をそれぞれ受光する光検出器と、
前記光検出器によって得られる検出信号及び前記変調信号から外部共振器毎に誤差信号を得て、当該誤差信号を用いたＦＭサイドバンド法に従って前記光路長可変手段を制御するために負帰還の構成を有する制御回路と、を備え、
前記変調信号の周波数が、前記外部共振器毎の誤差信号のＳ／Ｎ比が平均化される値に設定され、前記制御回路により外部共振器毎に光路長が制御されることで、これら複数の外部共振器が同時に共振状態に保たれる
ことを特徴とするレーザ光発生装置。
レーザ光源と、
その内部に利得媒質を有する第１の外部共振器と、
前記第１の外部共振器よりも後段に配置される第２の外部共振器と、
前記レーザ光源と前記第１の外部共振器との間の光路上に配置された一つの変調信号が印加される位相変調器と、
前記位相変調器に印加する変調信号を生成する信号発生部と、
前記第１の外部共振器を除く各外部共振器内に配置され入射された光の波長変換を行う非線形光学素子と、
各外部共振器の光路長をそれぞれ変化させるための光路長可変手段と、
各外部共振器からの光をそれぞれ受光する光検出器と、
前記光検出器によって得られる検出信号及び前記変調信号から外部共振器毎に誤差信号を得て、当該誤差信号を用いたＦＭサイドバンド法に従って前記光路長可変手段を制御するために負帰還の構成を有する制御回路と、を備え、
前記変調信号の周波数が、前記外部共振器毎の誤差信号のＳ／Ｎ比が平均化される値に設定され、前記制御回路により外部共振器毎に光路長が制御されることで、これら複数の外部共振器が同時に共振状態に保たれる
ことを特徴とするレーザ光発生装置。
レーザ光源と、
その内部に利得媒質を有する第１の外部共振器と、
前記第１の外部共振器よりも後段に配置される第２の外部共振器と、
前記レーザ光源と前記第１の外部共振器との間の光路上に配置された一つの変調信号が印加される位相変調器と、
前記位相変調器に印加する変調信号を生成する信号発生部と、
各外部共振器内に配置され入射された光の波長変換を行う非線形光学素子と、
各外部共振器の光路長をそれぞれ変化させるための光路長可変手段と、
各外部共振器からの光をそれぞれ受光する光検出器と、
前記光検出器によって得られる検出信号及び前記変調信号から外部共振器毎に誤差信号を得て、当該誤差信号を用いたＦＭサイドバンド法に従って前記光路長可変手段を制御するために負帰還の構成を有する制御回路と、を備え、
前記変調信号の周波数が、前記外部共振器毎の誤差信号のＳ／Ｎ比が平均化される値に設定され、前記制御回路により共振器毎に光路長が制御されることで、これら複数の外部共振器が同時に共振状態に保たれる
ことを特徴とするレーザ光発生装置。
前記位相変調器の一の面と該一の面と反対面にそれぞれ形成された電極に極性の相反する同相の電圧信号が印加される
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ光発生装置。
前記レーザ光を位相変調して生成される側帯波の周波数は、前記第１の外部共振器の共振周波数を基点として透過幅の半値半幅に相当する周波数範囲の０．５倍以上かつ２倍以下、及び前記第２の外部共振器の共振周波数を基点として透過幅の半値半幅に相当する周波数範囲の０．５倍以上に設定される
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ光発生装置。
前記複数の外部共振器の透過幅の変化に起因する誤差信号を取得し、前記位相変調器に印加される前記変調信号の周波数を前記外部共振器毎の誤差信号のＳ／Ｎ比が平均化される値に設定する変調周波数設定手段、を備える
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ光発生装置。
前記位相変調器に印加される前記変調信号の周波数は、前記外部共振器毎の誤差信号のＳ／Ｎ比の積が最大もしくは略最大となる値に設定される
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ光発生装置。
前記レーザ光を位相変調して生成される側帯波の一部が前記第１の外部共振器で反射され、他の側帯波が前記第１の外部共振器を透過し、かつ第２の外部共振器９で反射される
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ光発生装置。