JP2012004426A

JP2012004426A - 無変調安定化レーザ装置

Info

Publication number: JP2012004426A
Application number: JP2010139439A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Horikawa; 俊朗堀川
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2010-06-18
Filing date: 2010-06-18
Publication date: 2012-01-05

Abstract

【課題】高精度化と安定度の向上を図りながら、国際度量衡委員会（ＣＩＰＭ）の勧告値に沿った無変調レーザ光の出力が可能となる。
【解決手段】レーザ光の周波数が安定化された無変調安定化レーザ装置１００において、無変調のレーザ光を発生させるレーザ光源１０２と、周波数基準となる原子時計１０６からの出力に同期した周波数間隔ｆｒに従い周波数軸上で櫛状に並んだ複数のモード（光周波数コム）を発生させる光周波数コム発生器１０８と、を備え、光周波数コムのうちの１のスペクトル成分とレーザ光とが混合されることで光ヘテロダインが行われてビート信号が生成され、原子時計１０６からの出力を計数基準としてビート信号が計数され、計数された値が特定の一定値となるようにレーザ光源１０２が制御される。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光の周波数が安定化された無変調安定化レーザ装置に係り、特に高精度化と安定度の向上を図りながら、無変調レーザ光の出力が可能な無変調安定化レーザ装置に関する。

従来、レーザ光の周波数が安定化された安定化レーザ装置が提案されている（例えば特許文献１、２）。特許文献１、２では、レーザ光に波長（周波数）変調を掛けることで、例えば、吸収セル内の原子または分子の飽和吸収線近傍を波長（周波数）変動させている。そして、特許文献１、２では、そのときの吸収セルによる光信号の変動を電気信号に変換し同期検波回路で検波することで、波長を固定・安定化している。

特開平４−１１１４８５号公報特開２０００−１２９４９号公報

しかしながら、周波数変調されたレーザ光に吸収セルと同期検波回路を用いる方式では、固定される波長（周波数）に偏差が出てしまう。たとえ偏差が出ないようにしても、吸収セルに光を通過させ、吸収線の周波数（位置）を検出する方法で得られる現状の周波数精度（１＊１０^−８〜１＊１０^−１２）に限定され、精度や安定度をより向上させることは困難であった。

即ち、特許文献１では、無変調のレーザ光が出力可能とされているが、上述の如く偏差の生ずるおそれや精度向上の困難性などが考えられる。更に、特許文献２ではレーザ光が変調の掛かった状態で出力されている。即ち、特許文献２では、出力されるレーザ光が周波数変調されていることで、瞬時周波数の安定性がない。

本発明は、前記問題点を解消するべくなされたもので、高精度化と安定度の向上を図りながら、無変調レーザ光の出力が可能な無変調安定化レーザ装置を提供することを課題とする。

本願の請求項１に係る発明は、レーザ光の周波数が安定化された無変調安定化レーザ装置において、無変調の前記レーザ光を発生させるレーザ光源と、周波数基準となる原子時計からの出力に同期した周波数間隔に従い周波数軸上で櫛状に並んだ複数のスペクトル成分を発生させる光周波数コム発生器と、を備え、該櫛状に並んだ複数のスペクトル成分のうちの１のスペクトル成分と前記レーザ光とを混合することで光ヘテロダインを行いビート信号を生成し、前記原子時計からの出力を計数基準として該ビート信号を計数し、該計数された値を特定の一定値とするように前記レーザ光源を制御したことにより、前記課題を解決したものである。

本願の請求項２に係る発明は、更に、前記櫛状に並んだ複数のスペクトル成分の拡がる帯域を１オクターブ以上とし、該櫛状に並んだ複数のスペクトル成分から求められるオフセット周波数を前記原子時計からの出力に同期させたものである。

本願の請求項３に係る発明は、前記原子時計を、協定世界時により校正するようにしたものである。

本願の請求項４に係る発明は、前記原子時計を外部に設け、該原子時計からの出力をＧＰＳ受信機を介して得るようにしたものである。

本願の請求項５に係る発明は、周波数の異なる前記レーザ光源を複数台備え、前記光周波数コム発生器を兼用としたものである。

本願の請求項６に係る発明は、前記レーザ光源が、ゼーマン効果により複数周波数のレーザ光を発生するようにしたものである。

本発明によれば、高精度化と安定度の向上を図りながら、無変調レーザ光の出力が可能となる。

本発明の第１実施形態に係る無変調安定化レーザ装置の一例の概略を示す模式図レーザ光の時間軸における様子で、無変調の場合（Ａ）と変調された場合（Ｂ）の模式図レーザ光の周波数軸における様子で、無変調の場合（Ａ）と変調された場合（Ｂ）の模式図同じく無変調安定化レーザ装置の光周波数コム発生器で発生する周波数軸上における櫛状に等間隔に並んだ複数のスペクトル成分を示す模式図本発明の第１実施形態に係る無変調安定化レーザ装置の光周波数コム発生器で発生する周波数軸上で櫛状に等間隔に並んだ複数のスペクトル成分とレーザ光とを示す模式図本発明の第２実施形態に係る無変調安定化レーザ装置の一例の概略を示す模式図周波数の異なる２つのレーザ光を用いた際の利点を説明する模式図本発明の第３実施形態に係る無変調安定化レーザ装置の一例の概略を示す模式図

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施形態の一例について詳細に説明する。

本発明の第１実施形態に係わる無変調安定化レーザ装置について図１〜図５を用いて以下に説明する。

本実施形態の無変調安定化レーザ装置１００は、レーザ光の周波数ｆｉが安定化されており、図１に示す如く、レーザ光源１０２と、ビームスプリッタ（ＢＳ）１０４と、原子時計１０６と、光周波数コム発生器１０８と、ビームコンバイナ（ＢＣ）１１０と、光電変換器１１４と、計数器１１６と、制御器１１８とを備える。

前記レーザ光源１０２は、図２（Ａ）、図３（Ａ）に示すような無変調のレーザ光を発生させる。なお、図２（Ａ）、図３（Ａ）に対比して、変調されたレーザ光の様子を図２（Ｂ）、図３（Ｂ）に示しておく（図３（Ｂ）における符号Ｆは変調されたレーザ光の占有帯域を概略的に示したものである）。ここで、図２、図３はあくまでも模式図であり、このような波形が直接的に観測されるわけではない。レーザ光源１０２では、後述する制御器１１８によりその周波数ｆｉなどが制御される。レーザ光源１０２としては、レーザ管、半導体レーザ、レーザダイオード励起固体（ＤＰＳＳ）レーザなどを、要求される波長帯域や出射出力などで適宜選択することができる。なお、本実施形態では、レーザ光源１０２の周波数ｆｉは、国際度量衡委員会（ＣＩＰＭ）の勧告値にすることを目的に制御されている。

前記ビームスプリッタ１０４は、図１に示す如く、レーザ光源１０２から出射されたレーザ光を２つに分岐する。ビームスプリッタ１０４を透過したレーザ光は、無変調安定化レーザ装置１００の出力として外部に導かれる。

前記原子時計１０６は、例えばセシウム（^１３３Ｃ_Ｓ）などの特定の原子や分子のスペクトルにおける吸収線あるいは輝線を用いた時計であり、周波数基準となり周波数を出力する。原子時計１０６は、国際原子時（ＴＡＩ）に同期している協定世界時（ＵＴＣ）により校正されている。このため、原子時計１０６は、単体の原子時計の精度（１＊１０^−１２〜１＊１０^−１３）に比べて、極めて高精度（１＊１０^−１５レベル）とされている。原子時計１０６としては、より精度の高い（１＊１０^−１５〜１＊１０^−１８）光格子時計などを用いてもよい。なお、協定世界時（ＵＴＣ）とは、世界各国の原子時計約３００台の相互比較結果ならびに数機関の一次周波数標準器の評価結果を元に計算される国際原子時（ＴＡＩ）に対してうるう秒調節を実施して、世界時（ＵＴ１、地球の自転の観測から決められる）との差が０．９秒以内に維持されている時系である（出展；産総研光周波数コム 2009年7月16日発表「長さの国家標準」が新方式に -光周波数コム装置を利用し「波長」を高精度化-）。

前記光周波数コム発生器１０８は、図１に示す如く、原子時計１０６に直接的に接続されている。光周波数コム発生器１０８は、原子時計１０６からの（周波数）出力に同期した周波数間隔ｆｒに従い周波数軸上で櫛状に等間隔に並んだ複数のスペクトル成分（モード）を発生させる（図４）。光周波数コム発生器１０８には、例えばモード周期レーザがあり、時間軸上で超短光パルスを発生させることができる。図４に示す如く、この周波数間隔ｆｒのまま周波数がゼロのところまで仮想的に延長されたときのオフセット周波数（櫛状に並んだ複数のスペクトル成分から求められるオフセット周波数）はキャリア・エンベロープ・オフセット周波数ｆｃｅｏと称される。本実施形態では、例えばフォトニック結晶ファイバなどがその構成要素として用いられることで、光周波数コム発生器１０８による周波数軸上で櫛状に等間隔に並んだ複数のモード（光周波数コムと称する）の拡がる帯域は１オクターブ以上とされている。このため、本実施形態では、例えば低周波帯域のｎ番目のモードを切り出して２次高調波を発生させ、２ｎ番目のモードとのビート周波数ｆｆをとっている（自己参照系）。即ち、このビート周波数ｆｆは、キャリア・エンベロープ・オフセット周波数ｆｃｅｏとなる。以下の式（１）〜式（３）で、これらの関係を示す。
ｆ（ｎ）＝ｎ＊ｆｒ＋ｆｃｅｏ（１）
ｆ（２ｎ）＝２ｎ＊ｆｒ＋ｆｃｅｏ（２）
ｆｆ＝２＊ｆ（ｎ）−ｆ（２ｎ）＝ｆｃｅｏ（３）

つまり、このビート周波数ｆｆ（＝ｆｃｅｏ）を、原子時計１０６と同期させている。このため、周波数間隔ｆｒとキャリア・エンベロープ・オフセット周波数ｆｃｅｏとは、原子時計１０６と同じ精度とされ、極めて正確である。即ち、式（４）で示すＮ番目のモードの周波数ｆ（Ｎ）を高精度に制御することができる。
ｆ（Ｎ）＝Ｎ＊ｆｒ＋ｆｃｅｏ（４）

光周波数コム発生器１０８で発生する光周波数コムは、要求されるレーザ光源１０２（たとえば、国際度量衡委員会の勧告内容）に従い、最適に選択される。光周波数コム発生器１０８には、固体レーザ（例えばチタンサファイヤレーザ）や光ファイバにエルビウムをドープしたファイバレーザなどが用いられてもよい。

前記ビームコンバイナ１１０は、図１に示す如く、ビームスプリッタ１０４で反射分岐されたレーザ光と光周波数コム発生器１０８で発生した光周波数コムとを混合する。そして、レーザ光と光周波数コムのうちの１のスペクトル成分とで光ヘテロダインを行い電波帯域のビートを生成する。ビートの周波数ｆｂは、図５に示す如く、光周波数コムのうちのレーザ光の周波数ｆｉに一番近いモード（１のスペクトル成分）の周波数ｆ（Ｎ）とレーザ光の周波数ｆｉとの差として求めることができる（なお、周波数ｆｂ自体は、周波数軸上では周波数０Ｈｚに近いｆｂＨｚで観測される）。それは、レーザ光の周波数に一番近いモードで得られるビートの電波強度が一番大きく検出されるからである。

前記光電変換器１１４は、図１に示す如く、ビームコンバイナ１１０で混合されて生成されたビートを受信する。そして、光電変換器１１４は、ビートを電気信号（ビート信号）に変換する。

前記計数器１１６は、図１に示す如く、光電変換器１１４に接続され、ビートを計数する。その際に、計数器１１６は、原子時計１０６からの出力を計数基準とする。このため、ビート（ビート信号）の周波数ｆｂは、原子時計１０６の精度で高精度に求められる。

前記制御器１１８には、図１に示す如く、計数器１１６で得られたビート信号の計数値と、所望するレーザ光の周波数から計算上求められるビート信号の周波数ｆｒｅｑによる値との差分とが入力される。その差分値により、制御器１１８は、レーザ光源１０２の周波数ｆｉを変更する。言い換えれば、その差分値が常にゼロとなるように、制御器１１８は、レーザ光源１０２を制御する（ｆｂ＝ｆｒｅｑ）。即ち、計数器１１６の出力から制御器１１８までで、計数器１１６で計数された値が特定の一定値（周波数ｆｒｅｑによる値）となるようにレーザ光源１０２が制御される。

このように、本実施形態では、吸収セルなどの周波数弁別素子の同期検波回路を用いずに、光周波数コム発生器１０８と光へテロダインとを組み合わせている。そして、光周波数コム発生器１０８の周波数間隔ｆｒ及びキャリア・エンベロープ・オフセット周波数ｆｃｅｏは、原子時計１０６の周波数に同期して高精度である。このため、従来の吸収セルなどの周波数弁別素子を用いて同期検波する場合や原子時計を用いずに単に光周波数コム発生器と光へテロダインとを組み合わせた場合とは異なり、光周波数コム発生器１０８自体が、周波数基準となり高い精度を備えることができる。

同時に、原子時計１０６に基づく信号で、光へテロダインで生成されるビート（周波数）が計数される。更に、計数された値が特定の一定値（周波数ｆｒｅｑによる値）となるように制御される。

ここで、モードの周波数ｆ（Ｎ）の次数Ｎは、周波数間隔ｆｒを変化(Δｆ)させることで、求めることができる。例えば変化周波数Δｆのとき、周波数ｆ（Ｎ）の周波数変化はＮ＊Δｆとなる。したがって、周波数間隔ｆｒの変化前後（ｆｂ、ｆｂ１）におけるビートの周波数差をとることで、式（５）に示す如く、次数Ｎが求められる。
ｆｂ−ｆｂ１＝Ｎ＊Δｆ
Ｎ＝（ｆｂ−ｆｂ１）／Δｆ（５）

したがって、式（４）のモードの周波数ｆ（Ｎ）は高精度に把握でき、これにより、式（６）で示されるレーザ光の周波数ｆｉを、自在に定めることができるともに、原子時計１０６の精度で安定して制御することができる。
ｆｉ＝ｆｃｅｏ＋Ｎ＊ｆｒ＋ｆｂ（６）

また、本実施形態では、電気信号で処理するのは光ヘテロダイン以降である。そこでは同期検波回路や発振器の切換えなどが不要とされているので、構成及び制御を簡単にすることができる。

更に、原子時計１０６が、協定世界時（ＵＴＣ）で校正されているので、単体の原子時計の精度に比べても、更に高精度で、安定した周波数とすることができる。結果的には、周波数弁別素子で周波数を固定する場合（１＊１０^−８から１＊１０^−１２）に比べて、３桁以上精度を向上させることができる。そして、レーザ光源１０２と光周波数コム発生器１０８とを適切に選択することで、国際度量衡委員会（ＣＩＰＭ）が勧告する多くの周波数に適用することができる（たとえば、１．５μｍ帯、６３３ｎｍ帯、５４３ｎｍ帯、５３２ｎｍ帯など）。

即ち、本実施形態においては、高精度化と安定度の向上を図りながら、国際度量衡委員会（ＣＩＰＭ）の勧告値に沿った無変調レーザ光の出力が可能となる。

本発明について第１実施形態を挙げて説明したが、本発明は第１実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の要旨を逸脱しない範囲においての改良並びに設計の変更が可能なことはいうまでもない。

第１実施形態においては、レーザ光源１０２が１台であったが、本発明はこれに限定されない。例えば、図６で示す第２実施形態の如く、周波数の異なるレーザ光源２０２Ａ、２０２Ｂが２台備えられ、原子時計２０６と光周波数コム発生器２０８が兼用とされていてもよい。

第２実施形態に係わる無変調安定化レーザ装置２００では、原子時計２０６と光周波数コム発生器２０８とが兼用され、それ以外の構成要素はそれぞれ、第１実施形態の場合の２倍の数とされている。光周波数コム発生器２０８から出射される光周波数コムは、ビームスプリッタ２０９Ａで分岐され、一方が反射ミラー２０９Ｂで反射されて、ビームコンバイナ２１０Ａで、レーザ光源２０２Ａからのレーザ光と混合される。他の一方は、ビームコンバイナ２１０Ｂで、レーザ光源２０２Ｂからのレーザ光と混合される。これ以降の各構成要素の機能は、第１実施形態と同一なので説明を省略する。

本実施形態において、２波長のレーザ光を用いる理由を以下に説明する。

例えば、第１実施形態で示した１波長のレーザ光の場合に測長用の干渉計を構成した際には、図７（Ａ）に示す如く、波長λの周期内で位置を割り出すことができる。しかし、何番目の波長λの位置なのかが事前に確定していなければ、波長単位でずれた値を間違って測長してしまうこととなる。このため、測長用の干渉計では、前もってブロックゲージの比較測定機（コンパレータ）を用いて測長近似値を出しておいてから測長用の干渉計で測定を行う必要がある。たとえば、波長６３３ｎｍのレーザ光源を用いた場合には、当該近似値は６３３ｎｍより高い精度で得ておかなければならい。

これに対して、本実施形態の如く、２波長のレーザ光であれば、図７（Ｂ）のように波長の異なるλａとλｂを用いると波長の変化によって位置を確定できる範囲Ｌを大幅に長くすることができる（図７（Ｂ）では、図７（Ａ）のλの範囲に比べて、５〜６倍になっている）。このように、本実施形態では、２つの波長のレーザ光を用いることで、たとえば、ブロックゲージの場合であれば、予備測定を簡略化することができる。なお、測長用の干渉計は、ブロックゲージだけでなく様々な測定に用いられるが、どの測定でも２波長化はより精密な測定を可能とする。また、本実施形態では、レーザ光の２波長は自在に独立して定めることができるので、例えば、上記測長用の干渉計では、位置を確定できる範囲Ｌを自在に設定することができる。なお、このような利点は、２波長だけに限定されず、２波長以上であれば有することができる。

また、第２実施形態においては、原子時計２０６と光周波数コム発生器２０８を除いて、それぞれの構成要素が２倍の数とされていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、２波長のレーザ光だけでなく、それ以上の異なる波長のレーザ光を無変調安定化レーザ装置は出力するようにしてもよい。あるいは、図８で示される第３実施形態の如く、レーザ光源３０２がゼーマン効果により、複数周波数のレーザ光を発生するようにしてもよい。その場合には、レーザ光源３０２において磁場をかけて、縮退しているレーザ光のスペクトル線を複数のスペクトル線に分裂（ゼーマン分裂）させることができる。このため、第２実施形態の如く構成要素を複数備える必要がなく、複数周波数のレーザ光を出力しても、第１実施形態と同様に構成要素を簡素化できるので、第２実施形態に比べて小型化や低コスト化が促進できる。同時に、一方のレーザ光の周波数を定めると、他のレーザ光の波長は磁場の強さに従い正確に定めることができる。

また、上記実施形態では、光周波数コム発生器に直接的に原子時計が接続されることで、後述のＧＰＳ受信機を介する際の、ＧＰＳ衛星の原子時計の精度、あるいは精度調整による影響を受けずに、無変調安定化レーザ装置の高精度化がなされていたが、本発明はこれに限定されない。たとえば、原子時計を（ＧＰＳ衛星などの）無変調安定化レーザ装置の外部に設け、原子時計からの出力を無変調安定化レーザ装置に設けたＧＰＳ受信機を介して得るようにしてもよい。この場合には、原子時計を直接的に無変調安定化レーザ装置に設けないので、無変調安定化レーザ装置の小型化はもちろん、なによりも低コスト化が可能である。

また、上記実施形態では、櫛状に並んだ複数のスペクトル成分（光周波数コム）の拡がる帯域は１オクターブ以上とされ、光周波数コムから求められるオフセット周波数（キャリア・エンベロープ・オフセット周波数ｆｃｅｏ）が原子時計からの出力に同期していたが、本発明はこれに限定されない。たとえば、光周波数コムの拡がる帯域は１オクターブより小さくてもよい。その場合でも光周波数コムは原子時計からの出力に同期した周波数間隔で出力されるので、スペクトル間隔の精密さは同等であり、２次高調波を発生させる構成を不要としながらも、相応に本発明の効果を奏することができる。

本発明の無変調安定化レーザ装置は、高精度化と安定度の向上を図りながら無変調レーザ光の出力が可能であるので、長さ原器などを構成することや、長さの基準として距離や直角度などの測長用の干渉計などに広く適用することが可能である。

１００、２００、３００…無変調安定化レーザ装置
１０２、２０２Ａ、２０２Ｂ、３０２…レーザ光源
１０４、２０４Ａ、２０４Ｂ、２０９Ａ、３０４…ＢＳ（ビームスプリッタ）
１０６、２０６、３０６…原子時計
１０８、２０８、３０８…光周波数コム発生器
１１０、２１０Ａ、２１０Ｂ、３１０…ＢＣ（ビームコンバイナ）
１１４、２１４Ａ、２１４Ｂ、３１４…光電変換器
１１６、２１６Ａ、２１６Ｂ、３１６…計数器
１１８、２１８Ａ、２１８Ｂ、３１８…制御器
２０９Ｂ…反射ミラー

Claims

レーザ光の周波数が安定化された無変調安定化レーザ装置において、
無変調の前記レーザ光を発生させるレーザ光源と、周波数基準となる原子時計からの出力に同期した周波数間隔に従い周波数軸上で櫛状に並んだ複数のスペクトル成分を発生させる光周波数コム発生器と、を備え、
該櫛状に並んだ複数のスペクトル成分のうちの１のスペクトル成分と前記レーザ光とが混合されることで光ヘテロダインが行われてビート信号が生成され、前記原子時計からの出力を計数基準として該ビート信号が計数され、該計数された値が特定の一定値となるように前記レーザ光源が制御されることを特徴とする無変調安定化レーザ装置。
更に、前記櫛状に並んだ複数のスペクトル成分の拡がる帯域は１オクターブ以上とされ、該櫛状に並んだ複数のスペクトル成分から求められるオフセット周波数は前記原子時計からの出力に同期されていることを特徴とする請求項１に記載の無変調安定化レーザ装置。
前記原子時計は、協定世界時により校正されていることを特徴とする請求項１または２に記載の無変調安定化レーザ装置。
前記原子時計は外部に設けられ、該原子時計からの出力はＧＰＳ受信機を介して得られることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の無変調安定化レーザ装置。
周波数の異なる前記レーザ光源が複数台備えられ、前記光周波数コム発生器が兼用とされていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の無変調安定化レーザ装置。
前記レーザ光源が、ゼーマン効果により複数周波数のレーザ光を発生させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の無変調安定化レーザ装置。