JP2008513804A - モード選択同調器からの光フィードバック - Google Patents

Abstract

離散ビーム周波数可変レーザと関連して用いられるモードモニタリング装置は、レーザの調節のためまたはレーザの使用にともなうその他の処理のために用いることができる、光フィードバックを提供する。例えば、一層正確な干渉データの収集または処理をサポートするために、周波数偏移干渉計のための周波数可変源の出力をモニタすることができる。測定ビームの相異なる部分が進行する光路長差の所望の測定値をとるための第１の干渉計を測定ビーム自体の測定値をとるための第２の干渉計と連結することができる。追加の干渉データをビームの周波数及び強度の尺度を与えるために発明にしたがって解釈することができる。

Description

本発明は、コヒーレントビーム源の出力を調節するためまたは測定ビームの特性に関係付けられる干渉データを処理するために情報を収集するためのビームモニタを備える、光フィードバック装置に関する。例えば、別の干渉データに見られる位相変化の測定値から、測定ビームの周波数及び強度の情報を収集できる。本発明は特に周波数偏移干渉計の可同調源による周波数及び強度の情報の使用に適用できる。

干渉計、特に周波数偏移干渉計は、干渉情報の解釈に対して測定ビーム周波数に関する仮定に依存している。例えば、干渉パターンは一般に、強度情報を測定ビームの干渉部分間の２πを法とする位相オフセットに変換することにより、ピクセル毎ベースで解釈される。次いで、位相角の尺度が測定ビーム波長の整分数倍としての距離の尺度に変換される。

周波数偏移干渉計は、様々な測定ビーム周波数において一連の干渉パターンをつくることにより、干渉パターンの強度情報を距離の尺度に変換する。ピクセル強度データは、測定ビーム周波数の変化にしたがって、測定ビームの干渉部分間の距離オフセットに対応する様々なレートで変動する。計算は一般に一連の干渉パターンが等間隔測定ビーム周波数でつくられるという仮定の下で行われ、測定値の確度はこの仮定の妥当性に依存する。測定値の確度は、様々な測定ビームの全強度が不変であるという仮定にも依存する。

本発明の課題は、周波数偏移干渉計において正確な距離の尺度を与えるために測定ビームの周波数及び強度をモニタする手段を提供することである。

本発明は、好ましい実施形態の１つまたはそれより多くにおいて、正確な干渉データの収集または処理をサポートするために、干渉計の測定ビームをモニタする。測定ビームの様々な部分が進行する光路長差の所望の測定値をとるための第１の干渉計に加えて、本発明にしたがい、測定ビーム自体の測定値をとるために第２の干渉計を用いることができる。追加の干渉データは、本発明にしたがい、第１の干渉計による干渉データの収集または処理をサポートするために用いることができる、ビーム周波数及びビーム強度の尺度を与えるように解釈することができる。

第１の干渉計は測定ビーム周波数の漸進変化の干渉効果が距離の尺度として解釈される周波数偏移干渉計とすることができ、第２の干渉計は距離の漸進変化の干渉効果がビーム周波数の尺度として解釈される距離偏移干渉計とすることができる。本発明によって、一連の測定ビーム周波数にわたって同調可能なコヒーレント光源を有するそのような周波数偏移干渉計とともに用いるための特定の利益が得られる。例えば、本出願と同一日付で出願され、本発明とともに譲渡された、題名を「モード選択周波数同調装置（MODE-SELECTIVE FREQUENCY TUNING SYSTEM）」とする米国特許出願明細書は、レーザ発振共振器の共振モードの中からの選択に相当する一連の測定ビーム周波数にわたる同調が可能なレーザ光源を開示している。距離偏移干渉計は測定ビームの様々な部分を時間的に隔てるための測定キャビティまたはその他の構造をもって構成することができる。測定キャビティは、一連の測定ビーム周波数をモニタするために、コヒーレント光源のレーザ発振共振器との定められた関係を有することができる。

例えば、本発明にしたがい、共通経路干渉計（例えばフィゾー干渉計）を用いてビーム周波数を測定することができる。干渉計の測定キャビティは測定ビームのコヒーレンス長の範囲内で隔てられた２つの半反射性基準面を有する。距離偏移機能を実行するために１つまたはそれより多くの干渉縞をつくるため、一方の基準面は他方の基準面から通常の態様で（例えば他方に対して若干傾けられて）離して配置される。２つの基準面からの反射の重畳に基づく干渉縞パターンが、センサアレイ上のような、検出器上に結像される。キャビティの基準面は、面間に相対傾きがある（すなわち、平行から若干外れた）条件の下で、干渉パターンが平行干渉縞パターンとして現れるように、平面であることが好ましく、検出器アレイは干渉縞の位置の変化をモニタするために干渉縞の変化の方向に配向される。

測定キャビティは、測定キャビティによってつくられる干渉縞の位相オフセットがレーザ発振共振器の意図された周波数モードにおいて測定ビームに対して一定のままであるように、レーザ発振共振器に整合させることができる。意図された周波数モードからの測定ビームのいかなるずれも、ビーム周波数変化の尺度に変換することができる、位相シフトとして見える。測定キャビティの自由スペクトルレンジに相当する測定キャビティの寸法は、多義測定値を分解するためまたは所望の測定確度を達成するために、レーザ発振共振器の自由スペクトルレンジにも相当するレーザ発振共振器モード間の周波数間隔に関係付けて設定することができる。

レーザ用モードモニタリング装置としての本発明の一実施形態は、増幅を受ける一連の公称ビーム周波数モードを定める第１の光路長を有するレーザのレーザ発振共振器を備える。同調器は公称ビーム周波数モードの間でレーザ出力を増分変化させる。レーザ発振共振器に光接続される測定キャビティは、公称ビーム周波数モード間の意図される周波数間隔に関係付けられる自由スペクトルレンジを定める第２の光路長を挟んで公称上隔てられる基準面を有する。検出器はレーザからのビーム周波数出力間の位相オフセット変化を検出するための干渉パターンの形態で測定キャビティから出力を受け取る。

レーザ発振共振器の第１の光路長及び測定キャビティの第２の光路長は整倍数で関係付けられることが好ましい。１つまたはそれより多くのビーム周波数モードの間のビーム周波数偏移を測定するための同調器及び検出器のいずれからも情報を受け取るようにプロセッサを構成することができる。同調器からの情報に依存して近似周波数偏移を（すなわち方向及び近似絶対値のいずれをも）決定するため、測定キャビティの自由スペクトルレンジを公称ビーム周波数モード間の周波数の等分割として設定して周波数測定値の確度を最適化することができる。あるいは、周波数偏移の方向または近似絶対値におけるいかなる多義性も分解するためにより広い自由スペクトルレンジをもつ、測定キャビティまたは、好ましくは第２の測定キャビティを、配置することができる。

光フィードバックをもつ干渉法測定装置としての本発明の別の実施形態は周波数偏移干渉計及び距離偏移干渉計のいずれをも備える。周波数偏移干渉計は試験面上及び基準面上の対応する点間の高さ変化を複数の測定ビーム周波数においてそれぞれの点についての干渉データを収集することによって測定する。距離偏移干渉計は複数の測定ビーム周波数間の周波数変化を２つの基準面上の複数の対応する点におけるそれぞれの周波数についての干渉データを収集することによって測定する。プロセッサがそれぞれの周波数について干渉データをビーム周波数変化の尺度に変換し、このビーム周波数変化の尺度を、それぞれの点についての干渉データを試験面及び基準面の対応する点間の高さ変化の尺度に変換するための手続きに組み込む。

さらに、周波数のそれぞれについての同じ干渉データをビーム強度変化の尺度に変換するため及び、このビーム強度変化の尺度を、それぞれの点についての干渉データを試験面及び基準面の対応する点間の高さ変化の尺度に変換するための手続きに組み込むために、プロセッサを構成することができる。例えば、ピクセル強度データを様々な測定ビーム周波数間で規格化するために、ビーム強度変化の尺度を用いることができる。

モード選択同調器用ビームモニタリング装置としての本発明のまた別の実施形態は様々な周波数モードにおいてモード選択同調器から出力される複数の測定ビームのそれぞれの一部を転向させるためのビームスプリッタを備える。様々な周波数モードのそれぞれにおいて干渉パターンをつくるための距離偏移干渉計は、（ａ）転向された測定ビーム部分の干渉部分間の公称光路長差及び（ｂ）干渉パターンのほぼ少なくとも１つの干渉縞の間隔をおいた２つの基準面上の対応する点間の公称光路長差の変化を確立する一対の基準面を有する。検出器が２つの基準面上の対応する点における干渉パターンをサンプリングし、プロセッサが干渉パターンの変化をビーム周波数変化の尺度に変換する。

検出器は干渉パターン内の干渉縞変化の方向に配向することができるセンサアレイを有することが好ましい。センサ間隔は、様々な測定ビームについての位相オフセットの尺度に変換することができる強度情報を収集するために干渉縞の整数分の１に定められる。例えば、プロセッサはセンサからの強度情報を位相オフセットの尺度に変換するために通常の位相偏移アルゴリズムを用いることが好ましい。センサアレイは位相オフセットの尺度への強度情報の変換を補助するために検出器間で干渉縞間隔を調節できるように回転可能であることが好ましい。

プロセッサは、様々な周波数モード間のビーム周波数偏移の一意的な尺度を与えるために、検出器からの情報に加えてモード選択同調器から情報を収集することができる。プロセッサは、モード選択同調器の周波数出力を調節するためにモード選択同調器にフィードバックを与えるように構成することもできる。

光フィードバックをもつ干渉法測定装置１０が２つの干渉計１２及び１４の組合せとして図１に示される。干渉計１２は、基準面１６及び試験面１８上の対応する点の間の高さの変化を複数の測定ビーム周波数においてそれぞれの点について干渉データを収集することによって測定する周波数偏移干渉計である。干渉計１４は、２つの基準面２０及び２２上の複数の対応する点においてそれぞれの周波数について干渉データを収集することによって複数の測定ビーム周波数間の周波数変化を測定する距離偏移干渉計である。

干渉計１２及び１４のいずれについても好ましいコヒーレント光源は、レーザ発振共振器２６及びフィードバック共振器２８を有するモード選択周波数可変レーザ２４である。レーザ発振共振器２６は、増幅を受ける一連の公称ビーム周波数モードを定める第１の光路長Ｄ_１を有する。レーザ発振共振器２６の自由スペクトルレンジ（ＦＳＲ）は、下式：

で与えられる、公称ビーム周波数モード間の周波数間隔Δν_１に対応する。ここでｃは光の速度である。

角度調節可能な回折格子３０として示される周波数調節器がフィードバック共振器２８の一端を形成し、周波数可変レーザ２４からの出力に対して公称ビーム周波数モードの中から選択するためにある範囲の角度θにわたって旋回軸３２を中心にして調節可能である。角度調節可能な回折格子３０は、受ける損失が最小のレーザ発振周波数に影響を与えるために一次回折光を後方反射してレーザ発振共振器２６に戻す。様々な周波数が回折格子３０の傾角θの関数としてレーザ発振共振器２６に戻される。周波数偏移干渉計１２のデータ処理作業を簡単にする目的のため、回折格子３０は、モード間隔Δν_１の１つまたはそれより多くの増分によって周波数可変レーザ２４の周波数出力を変えるためにレーザ発振共振器２６で優先される公称ビーム周波数モードの中から選択するための位置間で軸旋回することができる。回折格子３０からのゼロ次反射は、周波数可変レーザ２４の出力として、別の方向に測定ビーム３４を反射する。折返しミラー（図示せず）が、測定ビームに対して単一出力方向を維持するために回折格子３０とともに動く。そのような折返しミラーは、本明細書に参照として含まれる、題名を「可調節外部振器を有する周波数可変レーザ装置（TUNABLE LASER SYSTEM HAVING AN ADJUSTABLE EXTERNAL CAVITY）」とする米国特許第６６９０６９０号明細書に示されている。

そのような周波数可変レーザのさらなる詳細は、本明細書に参照として含まれる、本出願と同一日付で出願され、本発明とともに譲渡された、題名を「モード選択周波数同調装置（MODE-SELECTIVE FREQUENCY TUNING SYSTEM）」とする米国特許出願明細書に与えられている。複数の離散ビーム周波数を出力するように構成することができる連続周波数可変レーザを含むその他の周波数可変レーザも本発明にしたがって用いることができる。

ビームスプリッタ３６がモード選択周波数可変レーザ２４から放射される測定ビーム３４を、周波数偏移干渉計１２内を伝搬する第１測定ビーム３８及び距離偏移干渉計１４内を伝搬する第２測定ビーム４０に分割する。光のほとんどがビームスプリッタ３６を透過して第１測定ビーム３８として周波数偏移干渉計１２に向かうことが好ましく、ビームスプリッタ３６で反射して第２測定ビーム４０として距離偏移干渉計１４に向かう光の分量は少ないことが好ましい。傾けられたガラス板またはその他の半反射器をこの目的のために用いることができる。測定ビーム３４の同様の分割を提供しながら、ビームスプリッタ３６の反射機能及び透過機能を反転させることができよう。

あるいは、例えば試験面１８に近い干渉計１２の視野内で光を集めることにより、測定ビーム３４からの光を周波数偏移干渉計１２内から引き出すことができよう。そのような光は、基準面１６及び試験面１８からの反射の間で干渉が形成される共通領域の外側の測定ビーム３４の横断部分から引き出されることが好ましいであろう。実際に、試験面１８の実測定にかかわらない測定ビーム３４の横断領域のどこからでも周波数偏移干渉計１２内で光を引き出すことができる。

周波数偏移干渉計１２は、対物鏡４４上に形成された基準面１６への共通経路に沿って第１測定ビーム３８を伝搬させるための共通経路干渉計（例えばフィゾー干渉計）の形態をとる。第１測定ビーム３８の一部は基準ビームとして基準面１６から反射し、第１測定ビーム３８の別の一部は基準面１６を透過して、試験ビームとして試験面１８から反射する。第１測定ビーム３８が基準面１６及び試験面１８に向かう経路に備えられる別のビームスプリッタ４６が、戻ってくる基準ビーム及び試験ビームを、基準ビームと試験ビームの間の干渉パターンを試験面１８の像として記録するカメラ４８に向ける。周波数可変レーザ２４から放射される複数の測定ビーム周波数のそれぞれについて、個別の干渉パターンが記録される。

距離偏移干渉計１４も公称上第２の光路長Ｄ_２を挟んで隔てられた２つの基準面２０及び２２によって境界が定められた測定キャビティ５２に向かう共通経路に沿って第２測定ビーム４０を伝搬させるための共通経路干渉計の形態をとる。基準面２０及び２２はいずれも、第２測定ビーム４０の異なる部分を戻すために少なくともある程度反射性である。しかし、基準面２０は光をキャビティ５２内に通すため及び光をキャビティ５２から出すためにある程度透過性である。基準面２０は第２測定ビーム４０の一部を第１の基準ビームとして反射する。基準面２２は第２測定ビーム４０の別の一部を第２の基準ビームとして反射する。２つの基準ビームは第２の光路長Ｄ_２のほぼ２倍によって時間的にオフセットされ、相互に干渉して２つの基準面２０及び２２の間の比較を形成する。

２つの基準面２０及び２２への第２測定ビーム４０の進行を可能にするビームスプリッタ５０は、キャビティ５２から戻ってくる、干渉している基準ビームを結像光学系５４を通して検出器６０に向ける。基準面２０及び２２はいずれも、直線で平行な干渉縞のパターンをつくるために基準面２２が基準面２０に相対的に傾けられていることを除き、平坦であるかそうではなくとも形が同様であることが好ましい。しかし、周波数偏移干渉計１２とは異なり、距離偏移干渉計１４の結像干渉パターンでは、表面間の差の測定ではなく、測定ビーム３４の特性の変化の測定が目的とされている。

検出器６０はリニアセンサアレイの形態をとることが好ましい。例えば、検出器６０の４本の密に束ねられたファイバ６２，６４，６６及び６８があらかじめ定められた間隔で干渉パターン内のデータ点をサンプリングするために光を収集する。図２はある幅の２本の干渉縞を有するそのような干渉パターン７０を示す。基準面２０及び２２はファイバ６２，６４，６６及び６８のリニアアレイがほぼ干渉縞１本分の幅にわたるように相対的に傾けられることが好ましい。さらに、ファイバ６２，６４，６６及び６８のリニアアレイは、４本のファイバが増加的干渉及び減殺的干渉の１周期にわたってπ/２ラジアン（９０°）の等間隔で並ぶ（すなわち、１干渉縞間隔を等分割する）ことができるように、角αにわたって角度調節可能である。

干渉縞パターン７０が受ける周波数変化（すなわち、干渉縞間隔の変化）は測定ビーム周波数の変化への応答が緩慢であるが、干渉縞パターンが受ける位相変化（すなわち、干渉縞パターン内の干渉縞の位置の変化）はかなり迅速である。２つの基準面２０及び２２の間の差（すなわち、基準面の相対傾き）を表す干渉縞パターン７０は、パターン７０の一端から他端にかけて距離（すなわち、基準面２０と２２の間隔）の規則的変化の関数として位相の規則的変化を受ける。パターン７０内のいずれかの１つのデータ点からの強度データは、パターン７０内のデータ点の相対位相を決定するため、パターン７０内の一様間隔でとられる別のデータ点に対して直ちに参照することができる。位相決定は１つの干渉縞を４つの等間隔分割点をサンプリングすることによって簡単にすることができる。これは事実上、１つの干渉縞間隔と等価な範囲にわたって距離を規則的に変える従来の位相偏移手法から得られるであろう情報と同じ情報である。

第２測定ビーム４０の周波数の変化で生じる干渉位相の変化は、様々なビーム周波数によって形成される干渉パターン内の強度変化を比較することによって測定することができる。与えられた干渉パターン内のデータ点の位相は、従来の位相偏移アルゴリズムにしたがい、完全な１干渉周期（すなわち、１干渉縞間隔）にわたって等間隔に分布するデータ点の強度を評価することによって測定することができる。

干渉縞パターンのサンプリング長にわたる光の等分布を仮定すれば、干渉パターン内の選ばれた点の位相φは次式：

にしたがって決定することができる。ここで、Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３及びＩ_４は、１干渉縞間隔の４等分割点として、０，π/２，π、及び３π/２ラジアンの位相で隔てられたデータ点の強度である。４つの強度はπ/２位相間隔で検出器６０のファイバ６２，６４，６６及び６８によって収集される。干渉縞パターン内の個別の位置における強度データを収集するために、リニアセンサアレイまたはその他の組合せのセンサを用いることができよう。相異なる干渉パターンにおける共通データ点の位相φは位相オフセットとして比較することができる。位相オフセット比較は公称光路長Ｄ_２で隔てられた基準面２０及び２２のデータ点間でなされることが好ましい。そのような位相オフセットは、３つのような少ないデータ点を用いて不等間隔でサンプリングされたデータを含む別のサンプリングデータ点配列から決定することもできるであろうが、計算は一層複雑になる。干渉データを位相オフセットの尺度に変換するその他のアルゴリズムは、本明細書に参照として含まれる、ジェイ・イー・グリーベンカンプ（J. E. Greivenkamp），「ヘテロダイン干渉法のための一般化データ低減（Generalized Data Reduction for Heterodyne Interferometry）」，Optical Engineering，１９８４年７/８月，第２３巻，第４号，ｐ.３５０〜３５２，に説明されている。

キャビティ５２は基準面２０と基準面２２を隔てる公称光路長Ｄ_２に基づく自由スペクトルレンジΔν_２：

を有する。

レーザ発振共振器２６のモード間の周波数間隔（ＦＳＲ）Δν_１を挟む測定ビーム周波数の変化は、測定キャビティ５０によってつくられる干渉パターン７０の位相オフセットの変化Δφ：

を生じさせると期待できる。ここで、位相オフセットの変化Δφは、強度の局所変化から得られる位相の尺度は２πに等しい角度区間内でしか一意的ではないから、２πを法とする関数と見なされる。

置換により、位相オフセットの期待される変化Δφは、次式：

のように、レーザ発振共振器２６の自由スペクトルレンジと測定キャビティ５２の自由スペクトルレンジの比として書き直すこともできることに注意されたい。

したがって、自由スペクトルレンジΔν_１及びΔν_２が互いに等しいかまたは一方が他方の整数倍であれば、Δν_１またはΔν_１の整数倍を挟む、意図した測定ビーム周波数偏移に対する位相オフセットの期待される変化Δφはゼロに等しい。例えば、レーザ発振共振器２６の自由スペクトルレンジ（すなわち、周波数間隔）Δν_１が測定キャビティ５２の自由スペクトルレンジΔν_２の整数倍であれば、Δν_１を挟む増分周波数偏移毎の測定キャビティ５０内の位相変化は生じないと期待することができる。同様に、Δν_２がΔν_１の整数倍であれば、そのようなΔν_１の整数倍毎の位相変化はゼロとなると期待することができる。

実際には、レーザ入力、環境条件及び製造許容度を含む多くの変数が、それぞれのモードにともなう、レーザ発振共振器２６内で増幅されるビーム周波数に影響を与え得る。レーザ発振共振器２６の様々な周波数モードの中からの選択するために同調が利用できるとしても、周波数可変レーザ源２４からの特定の周波数出力は限られた範囲内で変わり得る。測定キャビティ５２の自由スペクトルレンジΔν_２は、それぞれのモードの公称周波数に対して出力ビーム周波数がその範囲を挟んで変わると考え得る、限られた範囲と少なくとも同じ広さであるかあるいはそれより広いことが好ましい。

レーザ発振共振器モード間の意図された周波数間隔Δν_１の整数倍からずれるビーム周波数偏移には、測定キャビティ５２内の非ゼロの位相変化Δφがともなう。非ゼロの位相変化Δφは、次式：

または置換により：

のように、ビーム周波数の期待される偏移からのずれとして生じる、ビーム周波数誤差ν_Ｅの尺度に変換することができる。

したがって、基準面２０と基準面２２の間の公称距離Ｄ_２または測定キャビティ５２の自由スペクトルレンジΔν_２を知ることによって、検出された位相変化Δφを周波数間隔Δν_１を挟む測定ビーム周波数の期待される偏移からのビーム周波数ずれν_Ｅの尺度に変換することができる。後者の式を詳しく見れば、ビーム周波数のずれν_Ｅを２πより小さい位相変化として一意的に測定するためには、自由スペクトルレンジΔν_２がビーム周波数ずれν_Ｅより大きくなければならないことも明らかである。

したがって、一意的なビーム周波数ずれν_Ｅの測定を行うためにはレーザ発振共振器２４の間隔Ｄ_１の整数倍であることが好ましい測定キャビティの間隔Ｄ_２は、下の不等式：

を満足するべきである。

間隔Ｄ_２は、検出された位相変化Δφがビーム周波数変化の最も精細な尺度を与えるように、上記の一意性拘束条件内で可能な限り大きいことが好ましい。しかし、回折格子３０の傾角の変化によって実行される実周波数偏移の決定には、ビーム周波数ずれν_Ｅの尺度に加えて、ビーム周波数の変化の方向、それを挟んで変更がなされるモードの数及びモード間の公称周波数間隔Δν_１を知っている必要がある。これらの情報を供給するため、周波数可変レーザ２４の較正を回折格子３０の傾角またはその他の周波数調節器のモニタリングとともに用いることができる。例えば、回折格子制御装置７４からプロセッサ７６へのフィードバックまたはプロセッサ７６から回折格子制御装置７４への命令を、意図された周波数偏移の方向を、それを挟む偏移が意図されたモードの数とともに決定するために解釈することができる。

あるいは、より広い自由スペクトルレンジを有するより小さなキャビティ５２または、さらに好ましくは、図３に示されるようにビームスプリッタ７８及び８０によって第１の測定キャビティと結合された第２の測定キャビティ８２を、それを挟んで測定ビーム周波数が偏移される方向及びモードの数をともに測定するために用いることができる。基準面８４及び８６を隔てる公称光路長Ｄ_３は、それぞれの周波数モードをそれぞれに最も近い隣の２つのモードから隔てる少なくとも２つの周波数間隔Δν_１に対応する周波数範囲を一意的に測定するために：

または置換により：

のように、選ばれることが好ましい。

周波数の測定に加えて、同じ干渉情報を第２測定ビーム４０の総強度変化を測定するために用いることができる。一般に、様々な周波数出力の間ではビームの横断寸法にわたって同じ強度変化が見られると仮定される。強度情報は干渉縞の振幅を測定することによって干渉縞パターン７０から引き出すことができる。測定ビームの同じ横断場所内での干渉縞の振幅の変化は第２測定ビーム４０の様々な測定周波数間の強度変化の尺度として用いることができる。

第２測定ビーム４０から収集された周波数及び強度の情報は周波数偏移干渉計１２の動作に影響を与えるためにプロセッサ７６に送ることができる。例えば、周波数及び強度の情報は回折格子３０の角方位を調節するための制御装置７４へのフィードバック信号として用いることができる。あるいは、周波数及び強度の情報はカメラ４８によって収集された干渉結果をより良く解釈するために用いることができる。

一連の等間隔（例えば、Δν_１またはΔν_１の整数倍）測定ビーム周波数にわたって測定ビーム３４を一段ずつ切り換えることによってコンピュータ処理が簡略化される。しかし、規則性からのずれ（例えばν_Ｅ）が知られていれば、不規則段階切換えビームで同等の結果を得ることができる。様々なビーム周波数において収集された強度データを規格化するために総ビーム強度変化の尺度を用いることができる。周波数偏移干渉計における不規則段階切換ビーム周波数のコンピュータ処理の例が、本明細書に参照として含まれる、本発明とともに譲渡され、本出願と同一日付で出願された、題名を「周波数偏移干渉法のための位相分解測定（PHASE-RESOLVED MEASUREMENT FOR FREQUENCY-SHIFTING INTERFEROMETRY）」とする、米国特許出願明細書にさらに詳細に開示されている。

上述した干渉計１２及び１４はいずれも共通経路干渉計であり、それが好ましいが、マイケルソン干渉計及びマッハ−ツェンダー干渉計を含む別のタイプの干渉計を用いることもできる。好ましい測定キャビティ５２は後方反射条件下で作動するが、さらに干渉基準ビームを透過させるために作動させることもできよう。本発明は特に、同調を様々な手段で達成することができる、周波数増分可変レーザとともに用いるに適用可能である。本発明の教示にしたがえば、当業者には上記及びその他の変形も明らかであろう。

距離を測定するための周波数偏移干渉計をビーム周波数を測定するための距離偏移干渉計と組み合せた干渉法測定装置の概略図 距離偏移干渉計の測定キャビティによってつくられる干渉パターンを干渉縞の等分割において強度をサンプリングするためのリニアセンサアレイとともに示す図 距離偏移干渉計のための別のキャビティ配置を示す概略図

符号の説明

１０ 干渉法測定装置
１２ 周波数偏移干渉計
１４ 距離偏移干渉計
１６，２０，２２ 基準面
１８ 試験面
２４ モード選択周波数可変レーザ
２６ レーザ発振共振器
２８ フィードバック共振器
３０ 回折格子
３２ 旋回軸
３４，３８，４０ 測定ビーム
３６，４６，５０ ビームスプリッタ
４４ 対物鏡
４８ カメラ
５２ 測定キャビティ
５４ 結像光学系
６０ 検出器
６２，６４，６６，６８ ファイバ
７０ 干渉パターン
７４ 回折格子制御装置
７６ プロセッサ
Ｄ_１，Ｄ_２ 光路長

Claims (12)

1. レーザ用モードモニタリング装置において、
   増幅を受ける一連の公称ビーム周波数モードを定める第１の光路長を有する前記レーザのレーザ発振共振器、
   前記公称ビーム周波数モード間で前記レーザの出力を増分変化させるための同調器、
   前記レーザ発振共振器に光接続され、前記公称ビーム周波数モード間の意図された周波数間隔に関係付けられる自由スペクトルレンジを定める第２の光路長を挟んで公称上隔てられる基準面を有する、測定キャビティ、及び
   前記レーザからの前記ビーム周波数出力間の位相オフセット変化を検出するために干渉パターンの形態で前記測定キャビティから出力を受け取る検出器、
   を備えることを特徴とする装置。
2. 前記レーザ発振共振器の前記第１の光路長及び前記測定キャビティの前記第２の光路長が整倍数で関係付けられ、前記公称ビーム周波数モード間の前記周波数間隔が前記自由スペクトルレンジの整数倍であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記測定ビーム周波数の偏移が前記自由スペクトルレンジの整数倍に相当し、前記同調器からの情報が前記自由スペクトルレンジの対応する整数倍の全数を決定するために処理され、前記検出器からの情報が、前記測定ビーム周波数がそれを挟んで偏移させられる前記自由スペクトルレンジの残余整分数倍部分を決定するために用いられることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. （ａ）前記測定キャビティの前記基準面が、公称測定ビーム波長の少なくとも１/２にほぼ等しい距離変化範囲にわたり干渉縞パターンをつくるために相対的に傾けられ、
   （ｂ）前記検出器が、公称測定ビーム波長の少なくとも１/２のほぼ等しい前記基準面間の距離変化の範囲をサンプリングするために配向されたセンサアレイを有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記センサアレイから収集されたデータを前記レーザからの個々のビーム周波数出力の位相オフセットの尺度に変換するためのプロセッサをさらに備え、前記プロセッサが、前記レーザからの前記ビーム周波数出力の前記公称周波数モード間の前記意図された周波数間隔からのずれを測定するための前記レーザからの前記ビーム周波数出力の前記位相オフセット間の比較を行うために構成されることを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記プロセッサが前記センサアレイから収集された前記データを前記レーザからの前記個々のビーム周波数出力の総強度の尺度に変換するに必要な手段も備えることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記測定キャビティが相異なる自由スペクトルレンジを定めるための相異なる光路長で隔てられた基準面を有する複数の測定キャビティの内の第１の測定キャビティであり、前記第１の測定キャビティが第１の自由スペクトルレンジを有し、前記複数の測定キャビティの内の第２の測定キャビティがより広い範囲にわたるビーム周波数変化を測定するための第２の自由スペクトルレンジを有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 光フィードバックを有する干渉法測定装置において、
   試験面及び基準面上の対応する点の間の高さ変化を、複数の測定ビーム周波数において前記点のそれぞれについての干渉データを収集することによって測定する周波数偏移干渉計、
   前記複数の測定ビーム周波数の間の周波数変化を、２つの基準面上の複数の対応する点において前記周波数のそれぞれについての干渉データを収集することによって測定する距離偏移干渉計、及び
   前記周波数のそれぞれについての前記干渉データを前記ビーム周波数変化の尺度に変換し、前記点のそれぞれについての前記干渉データを前記試験面及び前記基準面の前記対応する点の間の前記高さ変化の尺度に変換するための手続きに組み入れるプロセッサ、
   を備えることを特徴とする装置。
9. （ａ）前記周波数偏移干渉計が、公称測定ビーム周波数モード間の周波数間隔に相当する自由スペクトルレンジを有するレーザ発振振器を備える周波数可変レーザを有し、
   （ｂ）前記距離偏移干渉計が、前記周波数偏移干渉計の前記ビーム周波数変化を測定するための前記レーザ発振共振器の前記自由スペクトルレンジに関係付けられる自由スペクトルレンジを有する測定キャビティを有する、
   ことを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. （ａ）前記測定キャビティが前記基準面間に形成され、前記２つの基準面が前記複数の対応する点にわたって互いに相対的に傾けられ、
    （ｂ）前記複数の対応する点が前記測定ビーム周波数のそれぞれについて前記距離偏移干渉計によって形成された干渉パターンの少なくとも１つの干渉縞にほぼ等しい範囲の高さ変化にわたって互いに対して変化する、
    ことを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 前記プロセッサが、前記周波数のそれぞれについての前記干渉データをビーム強度変化の尺度に変換し、前記ビーム強度変化の前記尺度を、前記点のそれぞれについての前記干渉データを前記試験面及び前記基準面の前記対応する点の間の前記高さ変化の尺度に変換するための前記手続きに組み入れることを特徴とする請求項８に記載の装置。
12. 前記周波数偏移干渉計の測定ビームを前記周波数偏移干渉計の前記試験面と前記基準表面の間で干渉パターンを形成する第１ビーム及び前記距離偏移干渉計の前記基準面の間で干渉パターンを形成する第２ビームに分けるビームスプリッタをさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の装置。

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