JP2009130347A - 直接ロック方法を適用したレーザーパルスの絶対位相安定化装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】長期的にレーザーパルスの絶対位相（ＣＥＰ）安定化をもたらすことができる改善された直接ロック方法を適用したレーザーパルスの絶対位相安定化装置を提供する。
【解決手段】レーザーパルスを生成するモードロックされたレーザーを含むレーザー発振器４１０と、前記生成されたレーザーパルスから第１周波数成分及び第２周波数成分を含むレーザーパルスを生成し、時間的及び空間的に重畳される第１干渉信号及び第２干渉信号を生成する干渉計４３０と、前記第１干渉信号及び前記第２干渉信号を提供され、前記第２干渉信号の位相を実質的に１８０度反転させて各々第３干渉信号及び第４干渉信号に出力する検出部４５０と、前記第３干渉信号及び前記第４干渉信号によって得た絶対位相信号を実質的に相殺させるように制御する二重フィードバック部４６０により、外部の未知のノイズを能動的に相殺させ、純粋な絶対位相（ＣＥＰ）信号を得る。
【選択図】図４

Description

本発明は、レーザーパルスの絶対位相安定化装置及び方法に関し、より詳細には、直接ロック方法を適用したレーザーパルスの絶対位相安定化装置及び方法に関する。

１９９０年代後半以後、フェムト秒レーザーパルス（ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅｓ）の絶対位相（ｃａｒｒｉｅｒ−ｅｎｖｅｌｏｐｅ ｐｈａｓｅ、ＣＥＰ）安定化技術が高精密度周波数計測学（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ）において重要な技術として研究されており、モード−ロック（ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ）フェムト秒レーザーでの絶対位相（ＣＥＰ）安定化技術は、超高速（ｕｌｔｒａｆａｓｔ）レーザー科学者らによって最初に提案された。
最近の絶対位相（ＣＥＰ）安定化技術は、高エネルギー及び高強度の絶対位相（ＣＥＰ）安定化されたパルスを生成するためのチャープパルス増幅（ｃｈｉｒｐｅｄ−ｐｕｌｓｅ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ＣＰＡ）レーザーシステムに成功裏に適用された。前記絶対位相（ＣＥＰ）安定化されたレーザーは、革命的な光源として認められ、前記絶対位相（ＣＥＰ）安定化されたＣＰＡレーザーは、分子及び原子での超高速電子力学（ｕｌｔｒａｆａｓｔ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｄｙｎａｍｉｃｓ）を証明することができる再生産可能なアト秒（ａｔｔｏｓｅｃｏｎｄ）ＸＵＶパルスのための重要な手段になった。

前記絶対位相（ＣＥＰ）安定化技術を安定的に応用するためには、低い位相雑音（ｐｈａｓｅ ｎｏｉｓｅ）及び優れた長期安定性（ｌｏｎｇ−ｔｅｒｍ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ）が非常に重要な問題であり、絶対位相（ＣＥＰ）安定化されたフェムト秒トレーザーにおいて前記位相雑音及び長期安定性のようなパラメーターを改善するため多くの努力が払われてきた。
レーザーパルス幅を短くする技術が飛躍的に発展するに伴って、レーザーパルス幅がレーザー発振波長を僅かに二つの振動波長に対応するようにパルス幅を低減したモードロックレーザー（ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｌａｓｅｒ）が開発され、モードロックレーザーに対するレーザーパルス形状が再生産可能（ｒｅｐｒｏｄｕｃｉｂｌｅ）であるかに対して関心が高くなった。

図１は、モードロックレーザーから発生するパルス列を示す図である。図１を参照すれば、モードロックレーザーは、時間的にパルス列（ｐｕｌｓｅ ｔｒａｉｎ）の形態に発振される。パルス間の時間間隔（τ）は、レーザーの共振器（ｃａｖｉｔｙ）内部で光が往復するのにかかる時間（２Ｌ／ｃ、Ｌは共振器長さ、ｃは光の速度）であって、繰り返し率（ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ）ｆ_ｒｅｐの逆数と同一である。
レーザーパルスの搬送波（ｃａｒｒｉｅｒ ｗａｖｅ）のピーク（ｐｅａｋ）と包絡線（ｅｎｖｅｌｏｐ）のピーク間の位相差を絶対位相（Ｃａｒｒｉｅｒ−ｅｎｖｅｌｏｐ ｐｈａｓｅ、以下ＣＥＰという）と言う。すなわち、絶対位相は、レーザーパルスでの包絡線の峰と搬送波の峰間の位相差を示す。

モードロックレーザーのパルス形状については、図１に示されたように、レーザー共振器（ｌａｓｅｒ ｃａｖｉｔｙ）内部でレーザーパルスの包絡線（ｅｎｖｅｌｏｐｅ）は、パルス間に変わらない。しかし、レーザー共振器内部の分散（ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ）によってパルス間に群速度（ｇｒｏｕｐ ｖｅｌｏｃｉｔｙ）と位相速度（ｐｈａｓｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ）が異なるので、レーザーパルスの包絡線の峰とレーザーパルスの搬送波の峰が各々のパルス間に毎度異なるようになり、絶対位相が時間によってφ１、φ２、φ３、φ４などに変わるようになる。
図１の場合、各々のパルスの１つが有する絶対位相（ＣＥＰ）は、φ１、φ２、φ３、φ４であり、各々のパルス間の相対的な位相差異は、絶対位相オフセット（Ｃａｒｒｉｅｒ−ｅｎｖｅｌｏｐ ｐｈａｓｅ ｏｆｆｓｅｔ、以下ＣＥＯという）であって、Δφｃｅｐである。絶対位相オフセット（ＣＥＯ）がゼロなら、モードロックレーザーから発生するパルスの絶対位相（ＣＥＰ）は、常に同じ値を有し、絶対位相オフセット（ＣＥＯ）が π／４なら、モードロックレーザーから発生するパルスの絶対位相（ＣＥＰ）は、８番目パルス毎に同一の値を有する。

図２は、絶対位相オフセット（ＣＥＯ）が一定の定数値を有する場合、絶対位相（ＣＥＰ）が続いて変わるレーザーパルスを時間領域（Ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ）で示すものであり、図３は、絶対位相オフセット（ＣＥＯ）が一定の定数値を有する場合、絶対位相（ＣＥＰ）が続いて変わるレーザーパルスを周波数領域（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ）で示すものである。
図２に示されたように、時間領域で一定の値を有する絶対位相オフセット（ＣＥＯ）Δφｃｅｐによって図３の周波数領域でレーザーパルスの光周波数は、繰り返し率ｆ_ｒｅｐの整数倍周波数（点線表示）から絶対位相オフセット周波数（Ｃａｒｒｉｅｒ−ｅｎｖｅｌｏｐ ｏｆｆｓｅｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）δ（またはｆｃｅｏ）だけシフト（ｓｈｉｆｔ）される。

従来のモードロックレーザーでは、絶対位相オフセット（ＣＥＯ）が一定せず、絶えず変わりながらレーザーパルスが発生するので、レーザー周波数が安定的ではなく、不安定に搖れて現れるという問題点がある。
２００５年ノーベル物理学賞受賞者であるヘンスィ博士の米国特許第６、７２４、７８８号明細書（“ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＤＥＶＩＣＥ ＦＯＲ ＧＥＮＥＲＡＴＩＮＧ ＲＡＤＩＡＴＩＯＮ ＷＩＴＨ ＳＴＡＢＩＬＩＺＥＤ ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ）と共同ノーベル物理学賞受賞者であるゾーンホール博士の米国公開特許第２００４／００１７８３３号（ＭＯＤＥ−ＬＯＣＫＥＤ ＰＵＬＳＥＤ ＬＡＳＥＲ ＳＹＳＴＥＭ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ）では、絶対位相オフセット（ＣＥＯ）を制御してレーザー周波数を安定的に制御する。前記米国特許第６、７２４、７８８号明細書及び米国公開特許第２００４／００１７８３３号明細書に開示された絶対位相（ＣＥＰ）安定化概念を利用した革命的なレーザー周波数安定化技術を通じて、時間と空間と質量の測定精密度を数千倍以上向上させることができ、測定方式が非常に単純化された。

前記絶対位相（ＣＥＰ）安定化技術によって、時間の精密度を小数点１８桁まで表現して宇宙の年１４０億年に誤差が１秒しか出ない精密度を有する時計を開発することができるようになった。
前記絶対位相（ＣＥＰ）安定化技術は、最近、物理学以外の他の分野にも適用され始め、アト秒（ａｔｔｏ−ｓｅｃｏｎｄ：１０^−１８）パルスを発生させることにも適用された。非常に短いパルスを気体に集束してプラズマを発生させれば、レーザー振動する形状が毎回異なるため、絶対位相効果によってプラズマ発生程度が異なるようになり、このようなプラズマ現象で絶対位相（ＣＥＰ）を正確に制御すれば、プラズマから非常に特殊な光、すなわちアト秒（ａｔｔｏ−ｓｅｃｏｎｄ）パルスを発生させることができる。これは、極めて短い時間に写真を撮ることができる超高速フラッシュランプを発生させるもので、原子内で電子が回っている電子の運動を写真で撮ることができる。実際に２００３年からネイチャー（Ｎａｔｕｒｅ）誌に絶対位相（ＣＥＰ）制御されたレーザーを気体に照射させてプラズマを発生させた後、アト秒パルスを得、これを利用して原子内の電子が動く動画撮影に成功した論文が発表されたことがあり、全世界的に前述のような研究のためのプロジェクトに多くの努力を集中している。

米国特許第６、７２４、７８８号明細書及び米国公開特許第２００４／００１７８３３号明細書に開示された従来の絶対位相（ＣＥＰ）安定化技術は、絶対位相オフセット周波数（ｃａｒｒｉｅｒ ｅｎｖｅｌｏｐｅ ｏｆｆｓｅｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を基準ＲＦ信号に安定化させるＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ）技法に基づくものである。
前記米国特許第６、７２４、７８８号明細書及び米国公開特許第２００４／００１７８３３号明細書に開示された絶対位相（ＣＥＰ）安定化技術は、絶対位相（ＣＥＰ）を一定の値を有するように安定化したものでなく、絶対位相オフセット（ＣＥＯ）Δφｃｅｐを一定の値を有するように安定化させてレーザー周波数だけを安定化させた。
したがって、図２及び図３に示されたように、レーザー周波数が時間領域で絶対位相オフセットΔφｃｅｐによって周波数領域で絶対位相オフセット周波数δという量だけシフトされて安定化される。

すなわち、米国特許第６、７２４、７８８号明細書及び米国公開特許第２００４／００１７８３３号明細書に開示された従来の絶対位相（ＣＥＰ）安定化技術は、レーザーパルスが有する絶対位相（ＣＥＰ）が毎回異なるように現れるので、時間的にレーザーパルスの形状が異なるように見える。その結果、レーザープラズマ実験をする場合、前述のような問題によっていくつかのレーザーパルスのうち絶対位相（ＣＥＰ）が同じパルスだけを選択して実験を行わなければならない短所がある。

最近、ＯＰＴＩＣＳ Ｅｘｐｒｅｓｓで発表された論文（“Ｎｏｖｅｌ ｍｅｔｈｏｄｆｏｒ ｃａｒｒｉｅｒ−ｅｎｖｅｌｏｐｅ ｐｈａｓｅ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅｓ”、１９６９−１９７６、２００５年４月１８日）では、直接ロック（Ｄｉｒｅｃｔ Ｌｏｃｋｉｎｇ、以下、ＤＬという）技法に基づく絶対位相（ＣＥＰ）安定化技術が前記従来のＰＬＬ技法に基づく絶対位相（ＣＥＰ）安定化技術の代替方法として提案された。

前記直接ロック技法（以下、単純直接ロック技法という）は、従来のＰＬＬ技法と比べていくつかの特徴を有している。第一に、フィードバック信号が簡単なＤＣ基準（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）を使用して時間領域でｆ〜２ｆビート信号（ｂｅａｔ ｓｉｇｎａｌ）から直接的に生成されるので、基準ＲＦ信号を必要としない。したがって、具現するための電子回路が相対的に簡単である。第二に、絶対位相（ＣＥＰ）変化が常にゼロ（ｚｅｒｏ）にロックされて（ｌｏｃｋｅｄ）いる。第三に、絶対位相（ＣＥＰ）値が成形化された外部信号（ｓｈａｐｅｄ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｓｉｇｎａｌ）を使用して電子的な方法で直観的で且つ容易に変調されることができる。

しかし、前述のような優秀な特徴にもかかわらず、前記単純直接ロック（ＤＬ）セットアップ（ｓｅｔｕｐ）時に、バックグラウンドＤＣ騒音を除去するためのディテクションバランシングプロセス（ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ）から由来する絶対位相（ＣＥＰ）歪が発生し、フィードバック信号の低速遷移（ｓｌｏｗ ｄｒｉｆｔ）に起因してレーザーパルスの出力に影響を与え、それにより、レーザーパルスの出力と絶対位相オフセット周波数δまたは絶対位相（ＣＥＰ）の間にクロストーク（ｃｒｏｓｓ ｔａｌｋ）が発生し、次第にフィードバックの循環環が壊れるようになるので、長期的な絶対位相（ＣＥＰ）安定化を妨害する可能性がある。
したがって、本発明の第１目的は、長期的にレーザーパルスの絶対位相（ＣＥＰ）安定化をもたらすことができる、改善された直接ロック方法を適用したレーザーパルスの絶対位相安定化装置を提供することにある。
また、本発明の第２目的は、長期的にレーザーパルスの絶対位相（ＣＥＰ）安定化をもたらすことができる改善された直接ロック方法を適用したレーザーパルスの絶対位相安定化方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る直接ロック方式のレーザーパルスの絶対位相安定化装置は、レーザーパルスを生成するモードロックされたレーザーを含むレーザー発振器と、生成されたレーザーパルスから第１周波数成分及び第２周波数成分を含むレーザーパルスを生成し、時間的及び空間的に実質的に重畳される第１干渉信号及び第２干渉信号を生成する干渉計と、第１干渉信号及び第２干渉信号が提供され、第２干渉信号の位相を実質的に１８０度反転させて各々第３干渉信号及び第４干渉信号に出力する検出部と、第３干渉信号及び第４干渉信号によって得た絶対位相信号を利用してモードロックされたレーザーから生成されたレーザーパルスの絶対位相（ＣＥＰ）が時間によって一定の値を有するようにレーザー発振器を制御する二重フィードバック部と、を含む 。干渉計は、第１周波数成分を所定時間だけ遅延させて第２周波数成分と時間的に重畳させる時間遅延器と、第２周波数成分を２倍の周波数を有するように変更させる周波数２倍器と、を含むことができる。干渉計は、第１周波数成分をＳ−ｐｏｌ（偏光）及びＰ−ｐｏｌ（偏光）成分に実質的に５０：５０の同一の比率で分離するように調節する第１偏光調節器と、第２周波数成分をＳ−ｐｏｌ（偏光）及びＰ−ｐｏｌ（偏光）成分に実質的に５０：５０の同一の比率で分離するように調節する第２偏光調節器と、第１偏光器及び第２偏光調節器によって調節された第１周波数成分及び第２周波数成分を空間的に重畳させて第１干渉信号と第２干渉信号を出力するビーム結合器と、をさらに含むことができる。検出部は、第１干渉信号が入力され、光電変換する第１検出部と、第２干渉信号の位相を実質的に１８０度反転させる偏光位相遅延器と、偏光位相遅延器の出力が入力され、光電変換する第２検出部とを含むことができる。第１検出部及び第２検出部は、第１干渉信号と第２干渉信号の偏光方向を、同一の方向になるようにする第３偏光調節器及び第４偏光調節器を各々含むことができる。二重フィードバック部は、第３干渉信号及び第４干渉信号のノイズ成分を相殺させ、モードロックされたレーザーから生成されるレーザーパルスの出力を制御するための高速フィードバック信号を生成する第１フィードバック部と、高速フィードバック信号が入力され、レーザー発振器のプリズムの挿入深さを制御するための低速フィードバック信号を生成する第２フィードバック部とを含むことができる。 二重フィードバック部は、高速フィードバック信号に基づいて音響−光学変調器（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）を利用してモードロックされたレーザーから生成されるレーザーパルスの出力を制御し、低速フィードバック信号に基づいてＰＺＴ（ｐｉｅｚｏ−ｔｒａｎｓｌａｔｏｒ）コントロールを利用してレーザー発振器のプリズムの挿入深さを制御することができる。 二重フィードバック部は、高速フィードバック信号に基づいてモードロックされたレーザーから生成されるレーザーパルスの出力を変化させることによって、レーザー発振器から発生したレーザーパルスの絶対位相オフセット周波数を変化させ、低速フィードバック信号に基づいてプリズムの挿入深さを増加させることによって、レーザー発振器から発生したレーザーパルスの絶対位相オフセット周波数を変化させることができる。第１フィードバック部は、第３干渉信号及び前記第４干渉信号のノイズ成分を実質的に相殺させる差動増幅器を含むことができる。前記第３干渉信号及び前記第４干渉信号によって得た絶対位相信号は、前記差動増幅器の出力になることができる。
また、本発明の他の態様に係る直接ロック方式のレーザーパルスの絶対位相安定化方法は、レーザー発振器のモードロックレーザーから発生したレーザーパルスから第１周波数成分及び第２周波数成分を含むレーザーパルスを生成し、時間的及び空間的に重畳される第１干渉信号及び第２干渉信号を生成する段階と、第１干渉信号及び第２干渉信号を提供され、第２干渉信号の位相を実質的に１８０度反転させて各々第３干渉信号及び第４干渉信号を生成する段階と、第３干渉信号及び第４干渉信号によって得た絶対位相信号を利用してモードロックされたレーザーから生成されたレーザーパルスの絶対位相（ＣＥＰ）が時間によって一定の値を有するように制御するための高速フィードバック信号及び低速フィードバック信号を生成する段階と、高速フィードバック信号及び低速フィードバック信号に基づいてモードロックレーザーから発生したレーザーパルスの絶対位相を安定化させる段階と、を含む。時間的及び空間的に重畳される第１干渉信号及び第２干渉信号を生成する段階は、第１周波数成分を所定時間だけ遅延させる段階を含むことができる。時間的及び空間的に重畳される第１干渉信号及び第２干渉信号を生成する段階は、遅延された第１周波数成分をＳ−ｐｏｌ（偏光）及びＰ−ｐｏｌ（偏光）成分に実質的に５０：５０の同一の比率で分離するように調節する段階と、第２周波数成分をＳ−ｐｏｌ（偏光）及びＰ−ｐｏｌ（偏光）成分に実質的に５０：５０の同一の比率で分離するように調節する段階と、調節された第１周波数成分及び調節された第２周波数成分を空間的に重畳させて第１干渉信号と第２干渉信号を生成する段階と、を含むことができる。第１干渉信号と第２干渉信号の偏光方向を同一の方向になるように調節する段階をさらに含むことができる。第３干渉信号及び第４干渉信号によって得た絶対位相信号を利用してモードロックされたレーザーから生成されたレーザーパルスの絶対位相（ＣＥＰ）が時間によって一定の値を有するように制御するための高速フィードバック信号及び低速フィードバック信号を生成する段階は、第３干渉信号及び第４干渉信号のノイズ成分を相殺させ、モードロックレーザーから発生したレーザーパルスの出力を制御するための高速フィードバック信号を生成する段階と、高速フィードバック信号に基づいてレーザー発振器の共振器内部でレーザーパルスが進行する距離を調節するためのプリズムの挿入深さを制御するための低速フィードバック信号を生成する段階と、を含むことができる。高速フィードバック信号及び低速フィードバック信号に基づいてモードロックレーザーから発生したレーザーパルスの絶対位相を安定化させる段階は、高速フィードバック信号に基づいてモードロックレーザーから発生したレーザーパルスの出力を制御する段階と、低速フィードバック信号に基づいてプリズムの挿入深さを調節し、レーザー発振器の共振器内部でレーザーパルスが進行する距離を調節する段階と、を含むことができる。高速フィードバック信号に基づいてレーザーパルスの出力を変化させることによって、モードロックレーザーから発生したレーザーパルスの絶対位相オフセット周波数を変化させ、低速フィードバック信号に基づいてプリズムの挿入深さを増加させることによって、モードロックレーザーから発生したレーザーパルスの絶対位相オフセット周波数を変化させることができる。高速フィードバック信号及び低速フィードバック信号に基づいてモードロックレーザーから発生したレーザーパルスの絶対位相を安定化させる段階は、高速フィードバック信号及び低速フィードバック信号に基づいてモードロックレーザーから発生したレーザーパルスの絶対位相を時間によって一定の値を有するように制御することができる。

以上説明したように、本発明の一実施例による改善された直接ロック方法を適用したモードロックレーザーパルスの絶対位相安定化装置及び方法によれば、モードロックレーザーから発生したレーザーパルスに含まれた外部の未知のノイズ（ｎｏｉｓｅ）成分を能動的に相殺させ、純粋な絶対位相（ＣＥＰ）信号を得ることができ、得られた純粋な絶対位相（ＣＥＰ）信号をフィードバックさせて絶対位相オフセット周波数をゼロ（ｚｅｒｏ）に作り、モードロックレーザーから発生するレーザーパルスの絶対位相（ＣＥＰ）を一定の値に作ることができる。
したがって、モードロックレーザーから発生したレーザーパルスの絶対位相ノイズ（ｐｈａｓｅ ｎｏｉｓｅ）を減少させることができ、長期的な観点からモードロックレーザーから発生するレーザーパルスの絶対位相（ＣＥＰ）安定化を向上させることができる。
前記本発明の一実施例による直接ロック方法を適用したレーザーパルスの絶対位相安定化装置は、絶対位相（ＣＥＰ）安定化された数サイクルの極超短高出力レーザーの安定したシードビーム（ｓｅｅｄ ｂｅａｍ）を提供するための光源として使われることができる。

本発明は、多様な変更を加えることができ、様々な実施例を有することができるところ、特定の実施例を図面に例示し、詳細な説明に詳細に説明する。しかし、これは、本発明を特定の実施形態に限定しようとするものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるすべての変更、均等物乃至代替物を含むものとして理解しなければならない。各図面を説明しながら類似の参照符号を類似の構成要素に対して使った。

第１、第２、Ａ、Ｂなどの用語は、多様な構成要素を説明するのに使われ得るができるが、前記構成要素は、前記用語によって限定されてはならない。前記用語は、１つの構成要素を他の構成要素から区別する目的だけで使われる。例えば、本発明の権利範囲を逸脱しない範囲で第１構成要素は第２構成要素として命名されることができ、同様に第２構成要素も第１構成要素として命名されることができる。及び／またはという用語は、複数の関連して記載された項目の組合または複数の関連して記載された項目のいずれかの項目を含む。
或る構成要素が他の構成要素に“連結され”ているか、“接続され”ていると言及された時には、その他の構成要素に直接的に連結されているか、または接続されていることもできるが、中間に他の構成要素が存在することもできるものと理解しなければならない。一方、或る構成要素が他の構成要素に“直接連結され”ているか、“直接接続され”ていると言及された時には、中間に他の構成要素が存在しないものと理解しなければならない。
本出願で使用した用語は、ただ特定の実施例を説明するために使われたもので、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は、文脈上明白に異なるように意味しない限り、複数の表現を含む。本出願で、“含む”または“有する”などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするもので、１つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものなどの存在または付加可能性をあらかじめ排除しないものと理解しなければならない。
異なるように定義されない限り、技術的又は科学的な用語を含んでここで使われるすべての用語は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者によって一般的に理解されるものと同一の意味を有している。一般的に使われる事前に定義されているもののような用語は、関連技術の文脈上有する意味と一致する意味を有するものと解釈しなければならないし、本出願で明白に定義しない限り、理想的又は過度に形式的な意味に解釈しない。

以下、本発明の好ましい実施例を添付した図面を参照して詳しく説明する。本発明を説明するにあたって、全体的な理解を容易にするために図面番号に関係なく同一の手段については同一の参照番号を使用する。
図４は、本発明の一実施例による改善された直接ロック（ＤＬ）技法を適用したレーザーパルスの絶対位相安定化装置を示すブロック図であり、図５は、本発明の一実施例による直接ロック技法を適用したレーザーパルスの絶対位相安定化装置の具体的な具現例を示し、図６は、図４の帯域幅拡張部の出力であるｆ_ｎ周波数成分及びｆ_２ｎ周波数成分を含むオクターブスパニングスペクトル（ｏｃｔａｖｅ ｓｐａｎｎｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒｕｍ）を示すグラフである。図７は、本発明の一実施例によるレーザーパルスの出力と絶対位相オフセット周波数（Ｃａｒｒｉｅｒ−ｅｎｖｅｌｏｐ ｏｆｆｓｅｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）ｆｃｅｏとの関係を示すグラフであり、図８は、本発明の一実施例によるレーザー発振器内のプリズムの挿入深さと絶対位相オフセット周波数ｆｃｅｏとの関係を示すグラフである。

図４を参照すれば、本発明の一実施例によるレーザーパルスの絶対位相安定化装置は、モードロックレーザー４１０、干渉計４３０、検出部４５０、二重フィードバック部４６０及び絶対位相（ＣＥＰ）安定化制御部４７０を含む。検出部４５０は、ホモダインバランスディテクション（Ｈｏｍｏｄｙｎｅ ｂａｌａｎｃｅｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ、以下ＨＢＤという）動作を行い、第１検出部４４５及び第２検出部４４０を含む。
モードロックレーザー４１０は、所定の繰り返し率を有するレーザーパルスを生成する。

干渉計４３０は、帯域幅拡張部（Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｂｒｏａｄｅｒ）４２０、調和ビーム分配器（ｈａｒｍｏｎｉｃ ｂｅａｍ ｓｐｌｉｔｔｅｒ）４２２、時間遅延器（ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙ）４２５、周波数２倍器（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｕｂｌｅｒ）４２６及びビーム結合器（ｂｅａｍ ｃｏｍｂｉｎｅｒ）４３８を含む。干渉計４３０は、空間的にモードロックレーザー４１０から出るレーザーパルスの絶対位相（ＣＥＰ）を観測するためにｆ_ｎ周波数成分及びｆ_２ｎ周波数成分を含むレーザーパルスを生成し、時間的及び空間的に実質的に重畳される第１干渉信号４３１及び第２干渉信号４３３を発生させる。
帯域幅拡張部４２０は、レーザーパルス４０３を入力され、絶対位相（ＣＥＰ）を観測するためにｆ_ｎ周波数成分及びｆ_２ｎ周波数成分を含むオクターブスピンニングスペクトル（ｏｃｔａｖｅ ｓｐａｎｎｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒｕｍ）を生成する。

図６を参照すれば、帯域幅拡張部４２０に入力されたレーザーパルス４０３は、帯域幅拡張部４２０からｆ_ｎ周波数成分及びｆ_２ｎ周波数成分を含むオクターブスパンニングスペクトルとして出力されることが分かる。
調和ビーム分配器（ｈａｒｍｏｎｉｃ ｂｅａｍ ｓｐｌｉｔｔｅｒ）４２２は、ｆ_ｎ周波数成分とｆ_２ｎ周波数成分を空間的に分離するための光学部品であって、ｆ_ｎ周波数成分４２５は、周波数２倍器４２６に、ｆ_２ｎ周波数成分４２３は、時間遅延器４２４に入力される。
周波数２倍器（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｕｂｌｅｒ）４２６は、前記生成されたｆ_ｎ周波数成分４２５を２倍の周波数を有する２ｆ_ｎ周波数成分４２９に変更させる。
時間遅延器４２４は、前記生成されたｆ_２ｎ周波数成分４２３を所定時間だけ遅延させる。これは、検出部４５０で干渉信号を最大化するために２ｆ_ｎ周波数成分のレーザーパルスとｆ_２ｎ周波数成分のレーザーパルスを時間的に正確に重畳をさせるためのものである。

偏光調節器（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）４３２は、ｆ_２ｎ周波数成分４２７がＳ−ｐｏｌ（偏光）及びＰ−ｐｏｌ（偏光）成分が５０：５０で同一の割合になるようにすることによって、ビーム結合器４３８を通じて正確に５０：５０で各々の第１検出部４４５と第２検出部４４０とに分離されるようにする。
偏光調節器４３４は、Ｓ−ｐｏｌ（偏光）及びＰ−ｐｏｌ（偏光）成分が５０：５０で同一の割合になるようにすることによって、２ｆ_ｎ周波数成分４２９がビーム結合器４３８を通じて正確に５０：５０で各々の第１検出部４４５と第２検出部４４０とに分離されるようにする。

ビーム結合器（ｂｅａｍ ｃｏｍｂｉｎｅｒ）４３８は、２ｆ_ｎ周波数成分のレーザーパルスとｆ_２ｎ周波数成分のレーザーパルスが空間的に正確に重畳されるようにする。ビーム結合器４３８は、モードロックレーザー４１０から出るレーザーパルスの絶対位相（ＣＥＰ）を観測するために前記時間遅延器４２４、偏光調節器４３２及び偏光調節器４３４によって時間的及び空間的に重畳されるように調節された第１干渉信号４３１及び第２干渉信号４３３が各々第１検出部４４５と第２検出部４４０側に分離されるようにする。

検出部４５０は、第１検出部４４５、第２検出部４４０及び偏光位相遅延器（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｅｒ）４３９を含む。
時間遅延器４２４、偏光調節器４３２、偏光調節器４３４及びビーム結合器４３８によって２×ｆ_ｎ周波数成分とｆ_２ｎ周波数成分が時間的及び空間的に正確に重畳される時、検出部４５０では、ノイズ（ｎｏｉｓｅ）成分と絶対位相（ＣＥＰ）信号が混合されている干渉信号を得ることができ、第１フィードバック部４６２で前記ノイズ成分を相殺させることによって、純粋な絶対位相信号を得ることができる。

図４の第１検出部４４５は、図５の偏光子５５３及び第１光検出器５５５を含み、図４の第２検出部４４０は、図５の偏光子５５９及び第２光検出器５６１を含むことができる。第１光検出器５５５及び第２光検出器５６１は、入力された光信号を電気信号に変換して出力する。
偏光位相遅延器４３９は、第２検出部４４０内の第２光検出器５６１の干渉信号の位相を実質的に１８０度反転させるように動作する。偏光位相遅延器４３９の主軸（ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｘｉｓ）をＳ−偏光またはＰ−偏光方向に設定することによって、偏光の回転が無くてもπ−位相遅延器 （π −ｐｈａｓｅ ｒｅｔａｒｄｅｒ）としての役目を行うようにすることができる。
図５の第１光検出器５５５及び第２光検出器５６１の出力信号から低周波変動ノイズ成分と絶対位相（ＣＥＰ）信号が混合された干渉信号を観測することができる。

レーザーパルスのノイズ成分を除去するための方法として本発明の一実施例によるＨＢＤ方法を使用して第１光検出器５５５の干渉信号と第２光検出器５６１の干渉信号の差異が純粋な絶対位相（ＣＥＰ）信号になるようにする。
第１光検出器５５５の干渉信号と第２光検出器５６１の干渉信号の差異が純粋な絶対位相（ＣＥＰ）信号になるためには、２つの条件が必要である。
第１条件は、偏光調節器４３４を通じてビーム結合器４３８で２ｆ_ｎ周波数成分４２９が５０：５０で各々の第１検出部４４５と第２検出部４４０とに分離され、同時にｆ_２ｎ周波数成分４２７も偏光調節器４３２を通じて５０：５０で各々の第１検出部４４５と第２検出部４４０に入るようにする。第１条件を満足するようになれば、第１検出部４４５と第２検出部４４０の干渉信号の大きさは、正確に同一になり、第１検出部４４５の干渉信号４４１と第２検出部４４０の干渉信号４４３の差異は、常に０になる。

また、第１光検出器５５５の干渉信号と第２光検出器５６１の干渉信号の２つの干渉信号の差異が純粋な絶対位相信号になるようにする第２条件は、２つのうち１つの光検出器に干渉信号の位相を１８０度転換させる偏光位相遅延器４３９を挿入して第２検出部４４０内の第２光検出器５６１の干渉信号の位相を１８０度転換し、絶対位相（ＣＥＰ）信号の位相を１８０度反転させるが、ノイズ成分はそのまま維持させて、最終的に第１フィードバック部４６２で純粋な絶対位相（ＣＥＰ）信号を得るようにする。

二重フィードバック部４６０は、第１フィードバック部４６２及び第２フィードバック部４６５を含む。二重フィードバック部４６０は、第１フィードバック部４６２及び第２フィードバック部４６５を組み合わせることによって、絶対位相（ＣＥＰ）安定化動作を行う。二重フィードバック部４６０は、高速制御信号４６１のような高速フィードバック信号及び低速制御信号４６７のような低速フィードバック信号を生成し、レーザーパルス各々の相対的な位相差が除去されるように動作し、絶対位相（ＣＥＰ）が同一の値を有するように制御する。

第１フィードバック部４６２は、図５の差動増幅器５７１及び高速サーボ５７３を含むことができる。第１フィードバック部４６２は、差動増幅器５７１を通じて純粋な絶対位相信号を得、レーザーの出力を調整するための高速制御信号４６１を生成する。
第２フィードバック部４６５は、図５の低速サーボ５７５を含むことができる。第２フィードバック部４６５は、レーザー共振器５１１、５１３、５２６内にレーザーが進行する距離を調節するためにプリズム５１９の挿入量を調節するための低速制御信号４６７を生成する。

絶対位相（ＣＥＰ）安定化制御部４７０は、第１絶対位相（ＣＥＰ）安定化制御部４７２及び第２絶対位相（ＣＥＰ）安定化制御部４７４を含む。
第１絶対位相（ＣＥＰ）安定化制御部４７２は、高速制御信号４６１によってモードロックレーザー４１０で絶対位相（ＣＥＰ）を調整するためにレーザーの出力を調整する。第１絶対位相（ＣＥＰ）安定化制御部４７２は、例えば音響−光学変調器（Ａｃｏｕｓｔｏ−ｏｐｔｉｃｓ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ、ＡＯＭ）を利用してレーザーの出力を調整することができる。
第２絶対位相（ＣＥＰ）安定化制御部４７４は、低速制御信号４６７によってプリズム５１９の挿入量（ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ ｄｅｐｔｈ）を調節することによって、レーザー共振器内にレーザーパルスが進行する距離を調節する。

本発明の一実施例によるレーザーパルスの絶対位相安定化装置は、２つの検出器、すなわち第１検出器（部）４４５と第２検出器（部）４４０を含むホモダインバランスディテクション（Ｈｏｍｏｄｙｎｅ ｂａｌａｎｃｅｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ＨＢＤ）方式を使用して検出部４５０の出力である第１検出信号４４１と題２検出信号４４３の差異を測定することによって、直接的に絶対位相信号を得ることができる。その結果、絶対位相の変化を直ちにモニタリングすることができる。
モードロックレーザー４１０でレーザーパルス各々の絶対位相（ＣＥＰ）を調整するために、第１絶対位相制御部４７２を利用してレーザーの出力パワーを調整するか、または第２絶対位相制御部４７４を利用してレーザー共振器内にレーザーが進行する距離を調節するプリズム５１９の挿入量を調節する。

第１絶対位相制御部４７２は、図５に示すように、ＡＯＭ（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）５０３を含むことができる。ＡＯＭ５０３は、クリスタル（ｃｒｙｓｔａｌ）を含むことができる。所定のボルト−例えば０乃至１ボルト−の高速フィードバック信号が第１駆動部５７８に入力されれば、第１駆動部５７８は、所定のＲＦパワーをＡＯＭ５０３に提供し、ＡＯＭ５０３に入力されるＲＦパワーレベルによって超音波出力の強さを調節する。ＡＯＭ５０３の超音波出力が大きいほどレーザーパルスの出力パワーが減少する。すなわち、高速フィードバック信号を利用して第１絶対位相制御部４７２からＡＯＭ５０３に入力されるＲＦパワーレベルを調節してＡＯＭ５０３の超音波出力を調節することによって、レーザーパルスの出力パワーを調節することができる。
プリズム５１９は、例えばイントラ共振器プリズム（ｉｎｔｒａｃａｖｉｔｙ ｐｒｉｓｍ）で実現することができる。外部で電圧を印加すれば、体積が膨脹するＰＺＴ（ｐｉｅｚｏ−ｔｒａｎｓｌａｔｏｒ）コントロールを利用して、第２絶対位相制御部４７４を用いて電圧を変化させながらプリズム５１９の挿入量を調節することができる。

ＡＯＭ５０３を通じてレーザーパルスの出力パワーを調節することによって絶対位相（ＣＥＰ）を調節する方式は、ＰＺＴ（ｐｉｅｚｏ−ｔｒａｎｓｌａｔｏｒ）コントロールを利用して絶対位相（ＣＥＰ）を調節する方式に比べて相対的に高速で制御することができる。
レーザーパルスの絶対位相オフセット周波数（Ｃａｒｒｉｅｒ−ｅｎｖｅｌｏｐ ｏｆｆｓｅｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）ｆｃｅｏが０である場合、レーザーパルスの絶対位相（ＣＥＰ）は常に一定の値を有するので、レーザーパルスの絶対位相オフセット周波数ｆｃｅｏは、０になるように制御されることが好ましい。
したがって、第１絶対位相制御部４７２を利用してレーザーの出力パワーを調整するか、または第２絶対位相制御部４７４を利用してレーザー共振器内にレーザーが進行する距離を調節するプリズム５１９の挿入量を調節することによって、モードロックレーザー４１０でレーザーパルスの絶対位相オフセット周波数を０になるように調整することができる。

図７を参照すれば、横軸のパルスエネルギー（ｐｕｌｓｅ ｅｎｅｒｇｙ）は、レーザーパルスの出力に対応し、縦軸は、絶対位相オフセット周波数ｆｃｅｏに対応する。図７の縦軸の周波数が４８５ＭＨｚの場合、実質的に絶対位相オフセット周波数ｆｃｅｏ０に該当することができる。図７に示されたように、レーザーパルスの出力が増加するほど絶対位相オフセット周波数ｆｃｅｏは減少することが分かる。

図８を参照すれば、横軸の挿入深さ（ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ ｄｅｐｔｈ）は、プリズムの挿入深さを示し、縦軸は、絶対位相オフセット周波数ｆｃｅｏに対応する。図８に示されたように、プリズムの挿入深さが増加するほど絶対位相オフセット周波数ｆｃｅｏも増加することが分かる。
絶対位相（ＣＥＰ）を調整するための反応速度を考慮してＡＯＭ５０３を使用する場合、ＡＯＭ５０３に過度なＲＦパワーを印加すれば、レーザー出力に変化を与え、これは、さらに第１フィードバック部４６２のエラー信号がますますバイアス（ｂｉａｓ）を増加させる原因になる。このため、１時間以上絶対位相安定化を維持することが難しい。
一方、プリズムの挿入量を調節して絶対位相（ＣＥＰ）を調整する方式は、レーザー出力パワーに影響を与えない長所があり、またＡＯＭを利用して絶対位相（ＣＥＰ）を調整する方式は、さらに広い動作領域を有する。しかし、ＰＺＴ（ｐｉｅｚｏ−ｔｒａｎｓｌａｔｏｒ）の反応速度が遅いため、絶対位相（ＣＥＰ）を安定的に制御し得ない短所がある。
したがって、本発明の一実施例では、二重フィードバック部４６０でこれらの２つの長所のみを結合して、反応速度の速いＡＯＭが絶対位相（ＣＥＰ）を迅速に安定化するようにし、ここで発生するレーザー出力パワーの変化を逆にしてＰＺＴを使用して絶対位相（ＣＥＰ）を緩やかに回復させる方法を使用する。したがって、レーザーパルスの絶対位相を長時間安定化させながら温度や湿度その他の外部環境の大きい変化にもよく耐えることができるようになる。

以下、本発明の一実施例による直接ロック技法を適用したレーザーパルスの絶対位相安定化装置の具体例である図５を参照して本発明の一実施例によるレーザーパルスの絶対位相安定化装置について説明する。
図５を参照すれば、本発明の一実施例によるレーザーパルスの絶対位相安定化装置は、レーザー発振器５１０、裏側反射防止部５０２、分散補償部５１５、干渉計５３０、検出部５５０及び二重フィードバック部５７０を含む。

レーザー発振器５１０は、レーザーパルスを生成するＮｄ：ＹＶＯ４レーザー５０１、レーザー共振器５１１、５１３、５２６、鏡５０５、５０７、５２３、レンズ５０９、プリズム５１９、５２１、出力カプラー（ｏｕｔｐｕｔ ｃｏｕｐｌｅｒ）５２５などの光学素子を含む。プリズム（ｗｅｄｇｅ ｐｒｉｓｍ）５１９は、例えばイントラ共振器プリズム（ｉｎｔｒａｃａｖｉｔｙ ｐｒｉｓｍ）で実現することができる。
レーザー発振器５１０は、第１駆動部５７８、第１駆動部５７８の制御下にレーザー出力を調整するための音響−光学変調器（Ａｃｏｕｓｔｏ−ｏｐｔｉｃｓ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）ＡＯＭ５０３、プリズム（ｗｅｄｇｅ ｐｒｉｓｍ）５１９の挿入量（ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ ｄｅｐｔｈ）を調節することによって、共振器内にレーザーが進行する距離を調節するための第２駆動部５１７をさらに含むことができる。

Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザー５０１によってポンピングされるミラー−分散制御（ｍｉｒｒｏｒ−ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ）ＫｅｒｒレンズモードロックＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザーは、例えば７５ＭＨｚの繰り返し率を有するｓｕｂ−１０ｆｓフェムト秒レーザーパルスを生成する。
レーザー発振器５１０から生成されたフェムト秒レーザーパルス５２７は、帯域幅拡張部４２０に対応するＭＳＦ（ｍｉｃｒｏ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｆｉｂｅｒ）５３５からの裏側反射（ｂａｃｋ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）を避けるために、裏側反射防止部５０２を設置する。裏側反射防止部５０２は、ファラデーアイソレータ（ｆａｒａｄａｙ ｉｓｏｌａｔｏｒ）５０２で実現することができる。

裏側反射防止部５０２が有する分散のため、レーザーパルスが伸びるようになるので、このため、帯域幅拡張部４２０で非線形効果が効果的に発生せず、ｆ_ｎとｆ_２ｎ周波数成分を発生しにくい。したがって、分散補償部５１５は、裏側反射防止部５０２が有する分散のため、伸びたレーザーパルスを元々のパルス形状に補償する。分散補償部５１５は、例えばプリズム５１２、５１４及び反射鏡５０８、５１６で構成され、レーザー共振器５１１、５１３、５２６と干渉計５３０の間に位置し、裏側反射防止部５０２の出力を反射鏡５０４を経って入力され、ファラデーアイソレータに対する分散補償（ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ）を行う。

干渉計５３０は、ＭＳＦ（ｍｉｃｒｏ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｆｉｂｅｒ）５３５、非線形結晶５４５及び時間遅延器（ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙ）４２４を含む。非線形結晶５４５は、例えばＫＴＰ（ｐｏｔａｓｓｉｕｍ ｔｉｔａｎｉｕｍ ｏｘｉｄｅ ｐｈｏｓｐｈａｔｅ）クリスタルを利用して実現することができる。時間遅延器は４２４は、例えば複数の反射鏡５３４、５３６、５３８、５４０を利用して実現することができる。
ＭＳＦ５３５は、ビーム分配器５１８の出力を偏光調節器（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）５３１及びレンズ５３３を経って入力され、ｆ_ｎ（１０６４ｎｍ）及びｆ_２ｎ（５３２ｎｍ）成分を同時に含んでいるオクターブ−スピンニングスペクトル（ｏｃｔａｖｅ ｓｐａｎｎｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒｕｍ）を発生させる。この時、偏光調節器５３１を通じてオクターブ−スピンニングスペクトルを最適化させることができる。
前記発生したｆ_ｎ周波数成分及びｆ_２ｎ周波数成分は、レンズ５３７及び反射鏡５３９を経って調和ビーム分配器（Ｈａｒｍｏｎｉｃ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｍｉｒｒｏｒ、ＨＳ）５４１で分離する。ｆ_ｎ周波数成分は、レンズ５４３を経って１ｍｍ厚さのＫＴＰクリスタル５４５で２倍の周波数を有する２ｆ_ｎの周波数成分に変更された後、レンズ５４７、帯域通過フィルター５４８、偏光調節器５４９及び反射鏡５４６を経って偏光ビームスプリッタ（Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ ｂｅａｍ ｓｐｌｉｔｔｅｒ、ＰＢＳ）５５１に提供される。ｆ_２ｎ周波数成分は、反射鏡５３２、５３６、５３４、５３８、５４０を経て遅延された後、帯域通過フィルター５４２及び偏光調節器５４４を経って偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）５５１に提供される。偏光調節器５４４を調節して偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）５５１でｆ_２ｎ周波数成分が５０：５０で各々の第１検出部４４５と第２検出部４４０に分離されて入るようにすることができる。偏光調節器５４９を調節して偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）５５１で２ｆ_ｎ周波数成分が５０：５０で各々の第１検出部４４５と第２検出部４４０に分離されて入るようにすることができる。

偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）は、２×ｆ_ｎ周波数成分とｆ_２ｎ周波数成分を再結合（ｍｅｒｇｅ）させるビーム結合器（ｂｅａｍ ｃｏｍｂｉｎｅｒ）の役目を行う。
検出部５５０は、図４の検出部４５０に対応し、ホモダインバランスディテクションブ（Ｈｏｍｏｄｙｎｅ ｂａｌａｎｃｅｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ、以下ＨＢＤという）動作を行う。
検出部５５０は、第１偏光子（ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）５５３、第１光検出器５５５、ＨＷＰ（ｈａｌｆ ｗａｖｅ ｐｌａｔｅ）５５７、第２偏光子（ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）５５９及び第２光検出器５６１を含む。第１光検出器５５５及び第２光検出器５６１は、例えばＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）で実現することができる。

干渉計５３０からの２ｆ_ｎ及びｆ_２ｎ周波数成分は、空間的及び時間的に重畳されるように偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）５５１で再結合された後、前記ＨＢＤ動作のために２つの干渉信号に分離される。
分離された２つの干渉信号２ｆ_ｎ及びｆ_２ｎが干渉を起こすためには、空間的及び時間的に正確に重畳されながら同時に偏光が同じ方向にならなければならない。もし分離された２つの干渉信号の偏光方向が互いに垂直であれば、干渉現象が生じなくなる。第１偏光子５５３及び第２偏光子５５９は、偏光軸を４５度にあらかじめ整列し、前記分離された２つの干渉信号が互いに同一の偏光方向を有するようにすることができる。したがって、前記分離された２つの干渉信号は、第１偏光子５５３及び第２偏光子５５９を経ながら互いに同一の偏光方向を有するようになり、干渉が起こるようになるので、第１光検出器５５５及び第２光検出器５６１で干渉信号として同時に検出することができる。

下記の数式１は、各々第１光検出器５５５の干渉信号及び第２光検出器５６１の干渉信号を示す。

ここで、Ｖ_１（ｔ）及びＶ_２（ｔ）は、各々第１光検出器５５５の入力５５４及び第２光検出器５６１の入力５５６を示し、Ｖ_１（ｔ）及びＶ_２（ｔ）は、互いに異なるノイズ成分を有する干渉信号である。数式１及び２の各々の右辺で、最初２つの成分Ｖ^Ｓ _ｆ２ｎ（ｔ）＋Ｖ^Ｐ _２ｆｎ（ｔ）、Ｖ^Ｐ _ｆ２ｎ（ｔ）＋Ｖ^Ｓ _２ｆｎ（ｔ）は、変動するノイズ成分を示し、最後のＡＣ成分は、絶対位相信号を示す。

偏光調節器５４４、偏光調節器５４９及びＨＷＰ５５７が偏光ビームスプリッタ５５１の周辺に配置され、第１光検出器５５５及び第２光検出器５６１から出力される２つの干渉信号の正確なバランシングのために使用される。２つの偏光調節器５４４、５４９を調節して第１光検出器５５５と第２光検出器５６１で同一の大きさの干渉信号が検出されるように調整する。すなわち、第１光検出器５５５の出力及び第２光検出器５６１の出力が差動増幅器５７１で正確に相殺され、差動増幅器出力信号が０になるように均衡（ｂａｌａｎｃｉｎｇ）させる。
また、本発明の一実施例によるＨＢＤ検出方法では、追加的に偏光位相遅延器として動作するＨＷＰ５５７が第２光検出器５６１の前段に設置され、第２光検出器５６１の干渉信号が第１光検出器５５５の干渉信号の強さと同一になるようにする。

次に、下記の数式３に示されたように、偏光位相遅延器として動作するＨＷＰ５５７を通じて第２光検出器５６１の出力信号でノイズ成分はそのまま維持しながら絶対位相成分だけを位相を１８０度反転させる。

すなわち、ＨＷＰ５５７の主軸（ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｘｉｓ）をＳ−偏光またはＰ−偏光方向に設定することによって、偏光の回転無くてもπ−位相遅延器（π−ｐｈａｓｅ ｒｅｔａｒｄｅｒ）として役目を行うことによって、第１光検出器５５５と第２光検出器５６１の低周波ノイズ（ｌｏｗ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｎｏｉｓｅ）を除去することができる。

Ｖ_ｆ２ｎ（ｔ）及びＶ_２ｆｎ（ｔ）は、各々干渉計５３０のｆ_２ｎ−アーム（ａｒｍ）及び２ｆ_ｎ−アーム（ａｒｍ）に該当する。Ｖ_ｆ２ｎ（ｔ）は、偏光方向によってＶ^Ｓ _ｆ２ｎ（ｔ）及びＶ^Ｐ _２ｆｎ（ｔ）に分けられ、Ｖ_２ｆｎ（ｔ）は、またＶ^Ｓ _２ｆｎ（ｔ）及びＶ^Ｐ _２ｆｎ（ｔ）に分けられる。
−アーム（ａｒｍ）及び２ｆ_ｎ−アーム（ａｒｍ）で２つの偏光調節器５４４、５４９を使用することによって、Ｓ−ｐｏｌ（偏光）及びＰ−ｐｏｌ（偏光）成分が５０：５０で同一の割合になるようにすることができる。いずれか一方のアームを遮断したまま、干渉計５３０に存在する２つの偏光調節器５４４、５４９を調節して、第１光検出器５５５及び第２光検出器５６１の干渉信号が互いに同一になるようにすることができる。第１光検出器５５５及び第２光検出器５６１の各々の利得及びオフセットもまた同一の値を有するように設定されることができる。
したがって、第１光検出器５５５及び第２光検出器５６１で検出された信号の強さは、互いに同一になることができる。
その結果、差動増幅器５７１の出力５７２は、下記数式４に示されたように求められ、低周波変動ノイズ（ｌｏｗ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｎｏｉｓｅ）のようなノイズ成分が除去されることによって、第１光検出器５５５の出力である第３干渉信号及び第２光検出器５６１の出力である第４干渉信号間の差異が既存の単純直接ロック方式より二倍大きい絶対位相信号を発生させる。

二重フィードバックループ５７０は、差動増幅器（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）５７１及び高速サーボ５７３を含む第１フィードバック部４６２と、低速サーボ５７５を含む第２フィードバック部４６５と、を含む。
差動増幅器５７１は、第１光検出器５５５の出力干渉信号を非反転入力端子を通じて入力され、第２光検出器５６１の出力干渉信号を反転入力端子に入力され、２つの干渉信号のレベルを互いに同一に調節された場合、２つの干渉信号を相殺させて差動増幅器の出力信号が０になる。

高速サーボ５７３は、ＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）制御回路で実現することができる。高速サーボ５７３は、例えば積分器だけで実現することができ、この場合、絶対位相（ＣＥＰ）安定化動作を安定的に行うことができる。高速サーボ５７３は、差動増幅器５７１の出力５７２を入力されて積分し、第１駆動部５７８を駆動するための高速フィードバック信号５７７として電圧信号を出力することができる。第１駆動部５７８は、高速サーボ５７３の出力電圧によって出力信号のＲＦパワーレベルを調節してＡＯＭ５０３に提供する。

低速サーボ５７５は、ＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）制御回路で実現することができる。低速サーボ５７５は、例えば積分器及び比例器で実現することができる。低速サーボ５７５は、高速サーボ５７３の出力を入力されて第２駆動部５１７を駆動するための低速フィードバック信号５７９として電圧信号を出力することができる。第２駆動部５１７は、低速サーボ５７５の出力電圧を電圧増幅してプリズム５１９の挿入深さを制御する。

下記の数式５及び数式６は、従来ＯＰＴＩＣＳ Ｅｘｐｒｅｓｓで発表された論文“Ｎｏｖｅｌ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｃａｒｒｉｅｒ−ｅｎｖｅｌｏｐｅ ｐｈａｓｅ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅｓ”、１９６９−１９７６、２００５年４月１８日での単純直接ロック技法に基礎した絶対位相（ＣＥＰ）安定化技術と本発明の改善された直接ロックＤＬ技法とを比較するために前記単純直接ロック技法に対する論文の図１に示されたＡＰＤ１及びＡＰＤ２で検出された干渉信号を示すものである。

ここで、Ｇは、前記論文の図１に示されたＡＰＤ１及びＡＰＤ２での利得（ｇａｉｎ）を示し、Ｖは、前記論文の図１に示されたＡＰＤ１及びＡＰＤ２の出力信号の強さを示す。添え字１、２は、各々前記論文の図１に示されたＡＰＤ１及びＡＰＤ２を示し、添え字Ｓ、Ｐは、偏光状態を示す。Φｃｅｐ（ｔ）は、検出された絶対位相（ＣＥＰ）の時間的な変化を示す。特に、Ｖ_２（ｔ）は、レーザー出力の不安定と絶対位相信号を検出する干渉計５３０で発生するノイズ成分を示し、ｃｏｓ^２（π／４）は、前記論文の図１に示されたＡＰＤ１の前段に位置する偏光子の偏光軸の角度に起因した成分である。

ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ）技法に基礎した米国特許第６、７２４、７８８号明細書及び米国公開特許第２００４／００１７８３３号明細書に開示された従来の絶対位相（ＣＥＰ）安定化技術は、絶対位相オフセット周波数（ｃａｒｒｉｅｒ ｅｎｖｅｌｏｐｅ ｏｆｆｓｅｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）ｆ_ｃｅｏがｆ_ｒｅｐ／Ｎ（ここで、ｆ_ｒｅｐは、繰り返し率）に固定された値を有する。絶対位相オフセット周波数ｆ_ｃｅｏ が固定された値を有することは、絶対位相オフセット（ＣＥＯ）ΔΦｃｅｐ（ｔ） ＝（２π・ｆ_ｃｅｏ ／ｆ_ｒｅｐ）が一定の定数値を有することを意味する。時間領域で一定の値を有する絶対位相オフセットＣＥＯΔΦｃｅｐが意味することは、モードロックレーザーから発生するパルスは、同一のパルスでなく、Ｎ番目パルス毎に同一のパルスが繰り返されることを意味する。

直接ロック（ＤＬ）技法で、数式５の左辺は、干渉信号を示し、右辺の１番目の項は、ノイズ成分を示し、右辺の２番目の項である純粋なＡＣ成分、すなわちｓｉｎφｃｅｐ（ｔ）は、絶対位相信号を示す。右辺の２番目の項である絶対位相信号でサイン関数は、π ／２から−π／２区間で非線形であるが、０近くの小さい範囲では、線形的に見なされることができ、フィードバックのために線形エラー信号を生成することができる。
干渉信号から純粋なＡＣ成分である絶対位相信号のみを抽出するためには、前記論文の図１に示されたＡＰＤ２を利用して個別的にＤＣ成分を測定する。

本発明の一実施例によるレーザーパルスの絶対位相安定化装置は、図５の差動増幅器５７１を利用して第１光検出器５５５のＶ_１信号のノイズ成分を除去することによって、前記従来論文に開示された単純直接ロック技法の電気的位相検出器を使用せず、干渉信号から絶対位相信号を直接的に抽出することができる。
干渉信号であるＶ_２とＶ_１の２つの信号を利用してノイズを除去し、絶対位相信号を抽出することが本発明の絶対位相（ＣＥＰ）ロック方法において核心的な過程である。第１光検出器５５５の前段の偏光子５５３によってＶ_２の信号強さは、Ｖ_１の信号強さの半分なので、第１光検出器５５５及び第２光検出器５６１での利得パラメーター、Ｇ１、Ｇ２は、ＤＣ変動Ｖ^Ｓ _ｆ２ｎ（ｔ）＋Ｖ^Ｐ _２ｆｎ（ｔ）を除去するように調節される。すなわち、Ｇ１は、信号バランシングのためにＧ２値の二倍になるように調節されなければならない。しかし、ＡＰＤからなる光検出器は、非線形飽和領域で動作し、電気信号（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｉｇｎａｌ）を増大させるので、Ｇ１値は、Ｇ２値の正確な二倍ではなく、応答曲線が相互間に少しずつ差異がある。このような不正確性がフィードバック過程での小さいエラーを発生させることができる。

また、他の問題点として、Ｖ_ｆ２ｎ（ｔ）及びＶ_２ｆｎ（ｔ）（∝｜Ｖ_ｆｎ（ｔ）｜^２）の関係は、時間領域で線形的ではないので、従来の単純な直接ロック技法で前記論文の図１に示されたＡＰＤ１及びＡＰＤ２間の利得調節だけではノイズ信号を完全に除去することが難しい。なぜなら、Ｖ_２ｆｎ（ｔ）は、Ｖ_ｆ２ｎ（ｔ）の二次ハモニックプロセス（ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓ）に関連されているからである。前記論文の図１に示されたＡＰＤ１及びＡＰＤ２の単純な電気信号の増幅率を調整して、まるで調整したその瞬間はノイズが除去されることのように見えられるが、時間が経過すれば、ノイズがまるで絶対位相信号のように見えるようになる。図９の実験結果がこれを裏付ける。

図９は、本発明のＨＢＤ技法を適用しない従来の単純直接ロック（ＤＬ）技法での歪曲されたエラー信号のイルイェを示すグラフである。
絶対位相が観測されないように干渉計４３０の時間遅延器４２４を間違った位置におけば、ノイズ信号と絶対位相信号の和である干渉信号にはノイズだけが観測される。もし第１検出器４４５と第２検出器４４０の均衡が正確であれば、干渉信号は、ノイズ信号に関係なく、常に０にならなければならないが、前述した問題によって図９のように歪曲された信号が発生する。
したがって、図９のような絶対位相信号歪曲による問題点を解決するために、本発明の一実施例によるホモダインバランシング検出（ＨＢＤ）検出方法を導入した。

本発明の一実施例による改善された直接ロック（ＤＬ）技法を適用したレーザーパルスの絶対位相安定化装置は、偏光調節器４３４を通じて２ｆ_ｎ周波数成分４２９が５０：５０で各々の第１光検出器５５５と第２光検出器５６１に分離されるようにし、同時にｆ_２ｎ周波数成分４２７も５０：５０で各々の第１光検出器５５５と第２光検出器５６１に入るようにし、第２検出部４４０の前段に偏光位相遅延器４３９を挿入して第２光検出器５６１の干渉信号の位相を１８０度転換させて絶対位相（ＣＥＰ）信号の位相を１８０度反転させるが、ノイズ成分はそのまま維持させて、最終的に第１フィードバック部４６２の差動増幅器（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）５７１を利用して第１光検出器５５５のＶ_１信号のノイズ成分を除去することによって、干渉信号から純粋な絶対位相信号ｓｉｎφｃｅｐ（ｔ）を直接的に抽出することができる。

図１０は、本発明の一実施例による改善された直接ロック方法を適用して光学的にバランスされた、第１光検出器及び第２光検出器の干渉信号からのエラー信号を示すグラフである。前記エラー信号は、差動増幅器５７１の出力信号を示す。純粋な干渉信号は、非常に高い周波数を有しているので、ＡＰＤの帯域幅制限によってフィルタリングされるので、図１０には現われない。
図１０を参照すれば、２つの光検出器５５５、５６１の電気的利得は、同一の値に設定されているので、図９に比べてほぼ完全にノイズによる位相歪曲が除去されたことを示す。
さらに、数式４に示されたように、絶対位相信号の大きさは、従来の論文に開示された単純な直接ロック（ＤＬ）技法に比べて二倍の大きさを有する。したがって、信号対雑音比（ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ）をさらに増加させ、ロッキング条件（ｌｏｃｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）においてさらに良い絶対位相（ＣＥＰ）安定度を得ることができる。

本発明の一実施例によるＨＢＤ検出方式に基づき上記のような予測を、実験を通じて確認することができる。第１光検出器５５５及び第２光検出器５６１から出力される干渉信号の絶対位相（ＣＥＰ）を観察し、例えばイントラ共振器プリズム（ｉｎｔｒａｃａｖｉｔｙ ｐｒｉｓｍ）５１９を手動で調整することによって、絶対位相オフセット周波数ｆ_ｃｅｏ をゼロ（ｚｅｒｏ）に近いようにチューニングした。絶対位相オフセット周波数ｆ_ｃｅｏ が動作範囲（ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｒａｎｇｅ）（１００ｋＨｚ以内）未満になったとき、直接ロックループが動作を開始する。

図１１は、本発明の一実施例による改善された直接ロック方法で、直接ロックループを活性化させる前と活性化させた後の第１フィードバック部の差動増幅器５７１の出力の短期間の時間変化を示す。ロックされない場合の振動構造は消滅され、ロックされた場合のＤＣ信号に変わる。
高速サーボ５７３の高速フィードバック動作によるＡＯＭ駆動だけが１秒未満の時間範囲で絶対位相（ＣＥＰ）ロックと関連されている。

従来のＰＬＬに基いた絶対位相安定化方法に比べて、本発明の一実施例による改善された直接ロック技法は、デジタルオシロスコープを用いて差動増幅器５７１の出力端で絶対位相（ＣＥＰ）情報を直接的に提供することができる。安定化された絶対位相（ＣＥＰ）の場合、ｒｍｓ電圧を測定することによって、絶対位相（ＣＥＰ）変動を推正することができ、純粋な絶対位相（ＣＥＰ）の時間変化（ｔｉｍｅ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）の場合、ピーク−ピーク間電圧を測定することによって、絶対位相（ＣＥＰ）変動を簡単に判断することができる。

図１１の右側に示された絶対位相（ＣＥＰ）ヒストグラムは、安定化された絶対位相（ＣＥＰ）の特徴を明確に示す。図１１のグラフで計算されたｒｍｓ位相ジッター（ｐｈａｓｅ ｊｉｔｔｅｒ）は、時間上、１３アト秒（ａｔｔｏｓｅｃｏｎｄｓ）に相当する２９ｍｒａｄである。

図１２は、第１フィードバック部の差動増幅器５７１の出力である絶対位相（ＣＥＰ）ロック状態の絶対位相信号から算出されたパワースペクトル密度（Ｐｏｗｅｒ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｄｅｎｓｉｔｙ；ＰＳＤ）曲線及び蓄積された位相ノイズ（ｐｈａｓｅ ｎｏｉｓｅ）を示すグラフである。
図１２を参照すれば、数ｍｓ乃至１秒までの範囲で位相ノイズは約３０ｍｒａｄであり、これは、図１１の値と一致する結果である。前記単純直接ロック技法に対する従来論文では、内部ループ（ｉｎ−ｌｏｏｐ）位相ノイズは、５０ｍｒａｄであると報告された。前記従来の単純直接ロック技法と本発明の改善された直接ロック方法を比較すれば、数式５から予測することができるように、位相ノイズが二倍程度減少することが分かる。前記減少された位相ノイズは、ＨＢＤ方法を採用することによって、直接ロック技法の動作を改善させることができることを示す。

本発明では、長期的（ｌｏｎｇ−ｔｅｒｍ）絶対位相（ＣＥＰ）安定化のために二重フィードバック方式を導入した。単純に音響−光学変調器（ＡＯＭ）のみを利用したポンプパワー変調方式は、長期的安定性の側面から短所がある。長期間の動作の間に発生する相当な絶対位相オフセット周波数ｆ_ｃｅｏ ドリフト（ｄｒｉｆｔ）は、ポンプレーザーの出力パワーを大きく変更させることができ、その結果、レーザー発振器のモードロックをターンオフ（ｔｕｒｎ ｏｆｆ）させて中止させることができる。絶対位相オフセット周波数ｆ_ｃｅｏ は、従来の単純直接モードロック方法では、ｆ_ｃｅｏ ＝０に固定され、従来のＰＬＬ方法では、ｆ_ｃｅｏ＝ｆ_ｒｅｐ／Ｎなどのように特定の値に固定されるので、このような絶対位相オフセット周波数ｆ_ｃｅｏドリフト（ｄｒｉｆｔ）による問題点は、従来の単純直接モードロック方法及び従来のＰＬＬ方法でも現われる。モードロックがない場合、蓄積されたパルス−パルス間絶対位相（ＣＥＰ）変化（Δφｃｅｐ＝２ｆ_ｃｅｏ ／ｆ_ｒｅｐ）は、数ラジアン（ｒａｄｉａｎｓ）の値を有し、ひどいポンプパワーの変調によって絶対位相（ＣＥＰ）ロックのためのフィードバック過程は、モードロックを中止させることができる。

上記のような問題点を解決するために、本発明の一実施例では、図５に示されたように、プリズム（ｗｅｄｇｅ ｐｒｉｓｍ）５１９の挿入深さを変更するためのＰＺＴ（ｐｉｅｚｏ−ｔｒａｎｓｌａｔｏｒ）を駆動する低速サーボ５７５を設置する。
前記プリズム５１９は、ポンプレーザーの出力パワーを変化させることなく、又は分散の変化が充分に小さければ、モードロック条件に影響を与えることなく、パルス−パルス間絶対位相（ＣＥＰ）変化Δφｃｅｐを調節することができる。したがって、低速フィードバック方法としての前記プリズムの挿入深さの調節は、絶対位相（ＣＥＰ）ドリフトの高いダイナミック範囲の動作が可能にし、長期間の動作に適している。

前記高速サーボ５７３及び低速サーボ５７５を組み合わせることによって、長期間にわたる絶対位相（ＣＥＰ）安定化動作を大きく向上させることができる。本発明の一実施例による二重フィードバック方法を実現するために、単純に減算回路５７１以後に互いに異なるカットオフ周波数を有する２つの集積回路を使用することができる。例えば、高速サーボ５７３のためのカットオフ周波数は、３０ｋＨｚであるのに対し、低速サーボ５７５のためのカットオフ周波数は、約０．３Ｈｚを使用することができる。したがって、低速フィードバックループは、１秒以上の時間スケールだけで動作する。

図１３は、低速フィードバックループが動作しない場合のシミュレーション結果であり、図１４は、低速フィードバックループが動作する場合のシミュレーション結果である。
図１３を参照すれば、絶対位相（ＣＥＰ）ロックは、ＡＯＭだけによって保存され、ＡＯＭ信号の低速ドリフトは、結果的に制御範囲を超えて４分以後には絶対位相（ＣＥＰ）ロックを破る。図１３に示すように、ＡＯＭ５０３に提供される平均ＲＦ（ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）パワーが遅くシフトされる場合、ＡＯＭ５０３の温度変化によってポンプ−ビーム−ポインティング（ｐｕｍｐ−ｂｅａｍ−ｐｏｉｎｔｉｎｇ）は、緩やかにシフトされ、前記ポンプ−ビーム−ポインティングシフトは、フェムト秒（ｆｓ）レーザー発振器を不安定にする。その結果、絶対位相（ＣＥＰ）ロックは、これ以上維持することができない。図１３の場合には、絶対位相（ＣＥＰ）ロックを４分以上維持しにくい。

一方に、図１４に示されたように、ポンプ−ビーム−ポインティングの遅いドリフトがＰＺＴによって制御される場合には、長期間の動作は一層成功的である。
図１４を参照すれば、図１３の場合に比べてＡＯＭ５０３に入力される平均ＲＦパワードリフトは、一層小さいものとして現われ、その結果、レーザー発振器は、ＡＯＭ５０３の温度変化に起因した深刻なポンプ−ビーム−ポインティングドリフト無しに、より安定的な方法で動作することができる。３０秒以内の低速フィードバック信号の規則的な遅い変調が観測される。このような低周波ノイズソース（ｌｏｗ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｎｏｉｓｅ ｓｏｕｒｃｅ）を注意深く確認して見た結果、前記時間区間の間に前記ポンプレーザーを冷却させる冷却器（ｃｈｉｌｌｅｒ）の温度変動によるポンプパワーの変動は、非常に小さい変動を有することが発見された。それにもかかわらず、絶対位相（ＣＥＰ）ロックのために上記のようなポンプパワーのドリフトの存在は、長期間の安定した動作のための二重フィードバックループ技法が必要であることを示す。

絶対位相（ＣＥＰ）ロック動作は、悪条件下でも本発明の一実施例による二重フィードバックループによって数分から数時間に向上した。
図１５は、本発明の一実施例による二重フィードバックループを使用するシミュレーション結果である。
図１５を参照すれば、図１４のシミュレーション時に使用したレーザーパルスの絶対位相安定化装置に比べてさらに小さい温度変動を有する冷却器に代替し、向上された絶対位相（ＣＥＰ）安定化のための改善された熱伝導度を有するＡＯＭを設置した以後、図１５に示されたように、１２時間以上の長期間の絶対位相（ＣＥＰ）ロック動作を得ることができた。二重フィードバック技法を適用した絶対位相（ＣＥＰ）安定化時間は、ＰＺＴサーボのダイナミックレンジ（ｄｙｎａｍｉｃ ｒａｎｇｅ）の欠如で９時間であった。その結果、ＡＯＭ上にＲＦポンプパワードリフトを起こし、図１５に示されたように、平均レーザーパワーの変化をもたらす。その結果、絶対位相（ＣＥＰ）ロックは、ＡＯＭ熱問題の存在によって中断された。しかし、絶対位相（ＣＥＰ）ロックは、向上されたＡＯＭの設置に起因して相変らず３時間維持された。絶対位相（ＣＥＰ）ロックは、低速フィードバックループがＰＺＴサーボの範囲内にある間には維持されることができる。
本発明の一実施例によるＨＢＤ方法は、絶対位相（ＣＥＰ）ノイズを２倍低減することができ、本発明の一実施例による二重フィードバック方式は、１２時間以上の長期間の間に絶対位相（ＣＥＰ）安定化動作が可能にすることができる。

上記した本発明の好ましい実施例は、例示の目的のために開示されたもので、本発明に対して通常の知識を有する当業者なら本発明の思想と範囲内で多様な修正、変更、付加が可能であり、このような修正、変更及び付加は、下記の特許請求範囲に属するものとして解すべきである。

モードロックレーザーから発生するパルス列を示す図である。 絶対位相オフセット（ＣＥＯ）が一定の定数値を有する場合、絶対位相（ＣＥＰ）が続いて変わるレーザーパルスを時間領域（Ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ）で示すグラフである。 絶対位相オフセット（ＣＥＯ）が一定の定数値を有する場合、絶対位相（ＣＥＰ）が続いて変わるレーザーパルスを周波数領域（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ）で示すグラフである。 本発明の一実施例による改善された直接ロック（ＤＬ）技法を適用したレーザーパルスの絶対位相安定化装置を示すブロック図である。 本発明の一実施例による直接ロック技法を適用したレーザーパルスの絶対位相安定化装置の具体例を示す図である。 図４の帯域幅拡張部の出力であるｆ_ｎ周波数成分及びｆ_２ｎ周波数成分を含むオクターブスピンニングスペクトル（ｏｃｔａｖｅ ｓｐａｎｎｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒｕｍ）を示すグラフである。 本発明の一実施例によるレーザーパルスの出力と絶対位相オフセット周波数（Ｃａｒｒｉｅｒ−ｅｎｖｅｌｏｐ ｏｆｆｓｅｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）ｆｃｅｏとの関係を示すグラフである。 本発明の一実施例によるプリズムの挿入深さと絶対位相オフセット周波数ｆｃｅｏとの関係を示すグラフである。 従来の単純直接ロック（ＤＬ）技法での歪曲された位相エラー信号の一例を示すグラフである。 本発明の一実施例による改善された直接ロック方法を適用して光学的にバランスされた第１光検出器及び第２光検出器の干渉信号からのエラー信号を示すグラフである。 本発明の一実施例による改善された直接ロック方法で直接ロックループを活性化させる前と活性化させた後の第１フィードバック部の差動増幅器出力の短期間の時間変化を示すグラフである。 第１フィードバック部の差動増幅器５７１の出力である絶対位相（ＣＥＰ）ロック状態のビート信号から算出されたパワースペクトル密度（Ｐｏｗｅｒ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｄｅｎｓｉｔｙ；ＰＳＤ）曲線及び蓄積された位相ノイズ（ｐｈａｓｅ ｎｏｉｓｅ）を示すグラフである。 本発明の一実施例による改善された直接ロック方法の場合、低速フィードバックループが動作しない場合のシミュレーション結果である。 本発明の一実施例による改善された直接ロック方法の場合、低速フィードバックループが動作する場合のシミュレーション結果である。 本発明の一実施例による二重フィードバックループを使うシミュレーション結果である。

符号の説明

４１０・・・モードロックパルスレーザー、４３０、５３０・・・干渉計、４３２、４３４、５４４、５４９・・・偏光調節器、、４３９、５５７・・・偏光位相遅延器、４４０・・・第２検出部、４４５・・・第１検出部、４６２・・・第１フィードバック部、４６５・・・第２フィードバック部、

Claims (18)

1. レーザーパルスを生成するモードロックされたレーザーを含むレーザー発振器と、
   前記生成されたレーザーパルスから第１周波数成分及び第２周波数成分を含むレーザーパルスを生成し、時間的及び空間的に実質的に重畳される第１干渉信号及び第２干渉信号を生成する干渉計と、
   前記第１干渉信号及び前記第２干渉信号が提供され、前記第２干渉信号の位相を実質的に１８０度反転させて各々第３干渉信号及び第４干渉信号に出力する検出部と、
   前記第３干渉信号及び前記第４干渉信号によって得た絶対位相信号を利用して、前記モードロックされたレーザーから生成されたレーザーパルスの絶対位相（ＣＥＰ）が時間によって一定の値を有するように、前記レーザー発振器を制御する二重フィードバック部と、を含む直接ロック方式のレーザーパルスの絶対位相安定化装置。
2. 前記干渉計は、
   前記第１周波数成分を所定時間だけ遅延させて前記第２周波数成分と時間的に重畳させる時間遅延器と、
   前記第２周波数成分を２倍の周波数を有するように変更させる周波数２倍器と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の直接ロック方式のレーザーパルスの絶対位相安定化装置。
3. 前記干渉計は、
   前記第１周波数成分をＳ−ｐｏｌ（偏光）及びＰ−ｐｏｌ（偏光）成分に実質的に５０：５０の同一の比率で分離するように調節する第１偏光調節器と、
   前記第２周波数成分をＳ−ｐｏｌ（偏光）及びＰ−ｐｏｌ（偏光）成分に実質的に５０：５０の同一の比率で分離するように調節する第２偏光調節器と、
   前記第１偏光器及び前記第２偏光調節器によって調節された第１周波数成分及び第２周波数成分を空間的に重畳させて前記第１干渉信号と前記第２干渉信号を出力するビーム結合器と、
   をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の直接ロック方式のレーザーパルスの絶対位相安定化装置。
4. 前記検出部は、
   前記第１干渉信号が入力され、光電変換する第１検出部と、
   前記第２干渉信号の位相を実質的に１８０度反転させる偏光位相遅延器と、
   前記偏光位相遅延器の出力が入力され、光電変換する第２検出部とを含むことを特徴とする請求項１に記載の直接ロック方式のレーザーパルスの絶対位相安定化装置。
5. 前記第１検出部及び前記第２検出部は、前記第１干渉信号と前記第２干渉信号の偏光方向を、同一の方向になるようにする第３偏光調節器及び第４偏光調節器を各々含むことを特徴とする請求項４に記載の直接ロック方式のレーザーパルスの絶対位相安定化装置。
6. 前記二重フィードバック部は、
   前記第３干渉信号及び前記第４干渉信号のノイズ成分を相殺させ、前記モードロックされたレーザーから生成されるレーザーパルスの出力を制御するための高速フィードバック信号を生成する第１フィードバック部と、
   前記高速フィードバック信号が入力され、前記レーザー発振器のプリズムの挿入深さを制御するための低速フィードバック信号を生成する第２フィードバック部とを含むことを特徴とする請求項１に記載の直接ロック方式のレーザーパルスの絶対位相安定化装置。
7. 前記二重フィードバック部は、
   前記高速フィードバック信号に基づいて音響−光学変調器（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）を利用して前記モードロックされたレーザーから生成されるレーザーパルスの出力を制御し、
   前記低速フィードバック信号に基づいてＰＺＴ（ｐｉｅｚｏ−ｔｒａｎｓｌａｔｏｒ）コントロールを利用して前記レーザー発振器のプリズムの挿入深さを制御することを特徴とする請求項６に記載の直接ロック方式のレーザーパルスの絶対位相安定化装置。
8. 前記二重フィードバック部は、
   前記高速フィードバック信号に基づいて前記モードロックされたレーザーから生成されるレーザーパルスの出力を変化させることによって、前記レーザー発振器から発生したレーザーパルスの絶対位相オフセット周波数を変化させ、
   前記低速フィードバック信号に基づいて前記プリズムの挿入深さを増加させることによって、前記レーザー発振器から発生したレーザーパルスの絶対位相オフセット周波数を変化させることを特徴とする請求項６に記載の直接ロック方式のレーザーパルスの絶対位相安定化装置。
9. 前記第１フィードバック部は、前記第３干渉信号及び前記第４干渉信号のノイズ成分を実質的に相殺させる差動増幅器を含むことを特徴とする請求項６に記載の直接ロック方式のレーザーパルスの絶対位相安定化装置。
10. 前記第３干渉信号及び前記第４干渉信号によって得た絶対位相信号は、前記差動増幅器の出力であることを特徴とする請求項９に記載の直接ロック方式のレーザーパルスの絶対位相安定化装置。
11. レーザー発振器のモードロックレーザーから発生したレーザーパルスから第１周波数成分及び第２周波数成分を含むレーザーパルスを生成し、時間的及び空間的に重畳される第１干渉信号及び第２干渉信号を生成する段階と、
    前記第１干渉信号及び前記第２干渉信号が提供され、前記第２干渉信号の位相を実質的に１８０度反転させて各々第３干渉信号及び第４干渉信号を生成する段階と、
    前記第３干渉信号及び前記第４干渉信号によって得た絶対位相信号を利用して前記モードロックされたレーザーから生成されたレーザーパルスの絶対位相（ＣＥＰ）が時間によって一定の値を有するように制御するための高速フィードバック信号及び低速フィードバック信号を生成する段階と、
    前記高速フィードバック信号及び前記低速フィードバック信号に基づいて前記モードロックレーザーから発生したレーザーパルスの絶対位相を安定化させる段階と、を含む直接ロック方式のレーザーパルスの絶対位相安定化方法。
12. 前記時間的及び空間的に重畳される第１干渉信号及び第２干渉信号を生成する段階は、前記第１周波数成分を所定時間だけ遅延させる段階を含むことを特徴とする請求項１１に記載の直接ロック方式のレーザーパルスの絶対位相安定化方法。
13. 前記時間的及び空間的に重畳される第１干渉信号及び第２干渉信号を生成する段階は、
    前記遅延された第１周波数成分をＳ−ｐｏｌ（偏光）及びＰ−ｐｏｌ（偏光）成分に実質的に５０：５０の同一の比率で分離するように調節する段階と、
    前記第２周波数成分をＳ−ｐｏｌ（偏光）及びＰ−ｐｏｌ（偏光）成分に実質的に５０：５０の同一の比率で分離するように調節する段階と、
    前記調節された第１周波数成分及び前記調節された第２周波数成分を空間的に重畳させて前記第１干渉信号と前記第２干渉信号を生成する段階と、を含むことを特徴とする請求項１２に記載の直接ロック方式のレーザーパルスの絶対位相安定化方法。
14. 前記第１干渉信号と前記第２干渉信号の偏光方向を、同一の方向になるように調節する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の直接ロック方式のレーザーパルスの絶対位相安定化方法。
15. 前記第３干渉信号及び前記第４干渉信号によって得た絶対位相信号を利用して前記モードロックされたレーザーから生成されたレーザーパルスの絶対位相（ＣＥＰ）が時間によって一定の値を有するように制御するための高速フィードバック信号及び低速フィードバック信号を生成する段階は、
    前記第３干渉信号及び前記第４干渉信号のノイズ成分を相殺させ、前記モードロックレーザーから発生したレーザーパルスの出力を制御するための高速フィードバック信号を生成する段階と、
    前記高速フィードバック信号に基づいて前記レーザー発振器の共振器内部でレーザーパルスが進行する距離を調節するためのプリズムの挿入深さを制御するための低速フィードバック信号を生成する段階と、を含むことを特徴とする請求項１１に記載の直接ロック方式のレーザーパルスの絶対位相安定化方法。
16. 前記高速フィードバック信号及び前記低速フィードバック信号に基づいて前記モードロックレーザーから発生したレーザーパルスの絶対位相を安定化させる段階は、
    前記高速フィードバック信号に基づいて前記モードロックレーザーから発生したレーザーパルスの出力を制御する段階と、
    前記低速フィードバック信号に基づいて前記プリズムの挿入深さを調節し、前記レーザー発振器の共振器内部でレーザーパルスが進行する距離を調節する段階と、を含むことを特徴とする請求項１１に記載の直接ロック方式のレーザーパルスの絶対位相安定化方法。
17. 前記高速フィードバック信号に基づいて前記レーザーパルスの出力を変化させることによって、前記モードロックレーザーから発生したレーザーパルスの絶対位相オフセット周波数を変化させ、前記低速フィードバック信号に基づいて前記プリズムの挿入深さを増加させることによって、前記モードロックレーザーから発生したレーザーパルスの絶対位相オフセット周波数を変化させることを特徴とする請求項１６に記載の直接ロック方式のレーザーパルスの絶対位相安定化方法。
18. 前記高速フィードバック信号及び前記低速フィードバック信号に基づいて前記モードロックレーザーから発生したレーザーパルスの絶対位相を安定化させる段階は、前記高速フィードバック信号及び前記低速フィードバック信号に基づいて前記モードロックレーザーから発生したレーザーパルスの絶対位相を時間によって一定の値を有するように制御することを特徴とする請求項１６に記載の直接ロック方式のレーザーパルスの絶対位相安定化方法。

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