JP2013153111A - 飽和吸収線判定方法、及びレーザ周波数安定化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２次微分信号にノイズが重畳しているか否かを判定し、飽和吸収線を良好に認定できる飽和吸収線判定方法を提供する。
【解決手段】飽和吸収線判定方法は、光出力信号の出力値に基づいて、大小関係にある第１閾値及び第２閾値を設定する閾値設定工程ＳＴ２Ａ，ＳＴ２Ｄと、光出力信号の２次微分信号の出力値と第１閾値及び第２閾値とを比較し、共振器長が変化した際での２次微分信号の出力波形が、第２閾値未満から第１閾値以上となり、さらに第２閾値未満に変化する挙動を示したか否かを判定する波形判定工程ＳＴ２Ｂと、波形判定工程ＳＴ２Ｂの判定結果に基づいて、飽和吸収線であるか否かを判定する吸収線判定工程ＳＴ２Ｃ，ＳＴ２Ｅとを備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、飽和吸収線判定方法、及びレーザ周波数安定化装置に関する。

従来、レーザ光を吸収セルに照射して得られる光出力信号に含まれる飽和吸収線に基づき共振器長を変化させてレーザ光の発振周波数を特定の飽和吸収線に安定化させるレーザ周波数安定化装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図７は、従来のレーザ周波数安定化装置１００を示すブロック図である。
レーザ周波数安定化装置１００は、図７に示すように、レーザ発生部１０と、レーザ光検出部２０と、駆動制御部３０とを備える。
レーザ発生部１０は、波長808nmのレーザ光Ｌ１を放出する励起用半導体レーザ１１と、レーザ光Ｌ１を入力し、波長532nmのレーザ光Ｌ２を出力する共振波生成部１２とを備える。
共振波生成部１２は、誘導輻射から波長1064nmの光を発光するＮｄ：ＹＶＯ４結晶１２１、波長1064nmの光の一部を波長532nmの光とするＫＴＰ結晶（非線形光学結晶）１２２、レーザ光の特定周波数のみを透過させるエタロン１２３、波長1064nmの光を反射させ波長532nmの光を透過させる反射鏡１２４等の光学素子が共振器筐体１２５に収納された構成を有する。
そして、共振器筐体１２５内部にエタロン１２３を配設することで、シングルモードのレーザ光Ｌ２が得られる。
また、共振器筐体１２５内部には、電圧の印加により反射鏡１２４の位置を変更（共振器長を変更）するピエゾ素子等のアクチュエータ１２６が配設されている。

レーザ光検出部２０は、レーザ光Ｌ２を、λ／２板２１を透過させた後、第１偏光ビームスプリッタ２２で、測長等に使用するレーザ光Ｌ３と、後述する飽和吸収線探索処理（以下、探索処理）及びレーザ光発振周波数固定処理（以下、周波数固定処理）に使用するレーザ光Ｌ４に分離する。
また、レーザ光検出部２０は、レーザ光Ｌ４を、第２偏光ビームスプリッタ２３、λ／４板２４、及びヨウ素セル（吸収セル）２５を透過させた後、反射鏡２６にてヨウ素セル２５に向けて反射させる。
そして、レーザ光検出部２０は、レーザ光Ｌ４を、再度、ヨウ素セル２５及びλ／４板２４を通過させた後、第２偏光ビームスプリッタ２３にて変換装置としての光検出器２７に向けて反射させ、光検出器２７にて光電変換することで光出力信号Ｓ１を出力する。

図８は、光出力信号Ｓ１及び２次微分信号Ｓ２を示す図である。
なお、図８（Ａ）は、各信号Ｓ１，Ｓ２の出力値を縦軸とし、アクチュエータ１２６への出力電圧Ｖを横軸とし、出力電圧Ｖを変化させた場合（共振器長を変化させた場合）での各信号Ｓ１，Ｓ２の波形をそれぞれ示す図である。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）の領域Ａｒの２次微分信号Ｓ２を拡大した図である。
図８（Ａ）に示すように、出力電圧Ｖを幅広く走査すると、吸収線Ｍ１〜Ｍ４（以下、説明の便宜上、ピーク群Ｍ１〜Ｍ４と記載）が周期的に繰り返して観測されることがわかる。なお、ピーク群Ｍ１とピーク群Ｍ３とは同一のピーク群であり、ピーク群Ｍ２とピーク群Ｍ４とは同一のピーク群である。
ここで、ピーク群Ｍ１〜Ｍ４は、飽和吸収線群が束となったものである。例えば、ピーク群Ｍ２は、図８（Ｂ）に示すように、出力電圧Ｖの低い側から順に、飽和吸収線群Ｎ１（飽和吸収線ａ１）と、飽和吸収線群Ｎ２（飽和吸収線ａ２〜ａ５）と、飽和吸収線群Ｎ３（飽和吸収線ａ６〜ａ９）と、飽和吸収線群Ｎ４（飽和吸収線ａ１０）と、飽和吸収線群Ｎ５（飽和吸収線ａ１１〜ａ１４）と、飽和吸収線群Ｎ６（飽和吸収線ａ１５）とで構成されている。

駆動制御部３０は、光出力信号Ｓ１に基づいて、アクチュエータ１２６の動作を制御し（共振器長を調整し）、発振周波数を特定の飽和吸収線に安定化させる。
具体的に、駆動制御部３０では、自動ロック装置３１の制御信号により、アクチュエータ制御部３２がアクチュエータ駆動回路３３を制御する（アクチュエータ駆動回路３３に出力する電圧値Ｖ´を調整する）ことで、アクチュエータ１２６への出力電圧Ｖを変更する。
なお、駆動制御部３０は、上述した構成３１〜３３の他、周波数１ｆ、２ｆ、３ｆＨｚの信号を出力する変復調信号発生器３４と、アクチュエータ駆動回路３３にて周波数１ｆＨｚの信号に基づき変調されたレーザ光Ｌ２の励起により得られる光出力信号Ｓ１を周波数２ｆ、３ｆＨｚでそれぞれ変調し、２次，３次微分信号Ｓ２，Ｓ３をそれぞれ出力する生成装置としての２次，３次微分用ロックインアンプ３５，３６を備える。

自動ロック装置３１は、探索処理にて、一度、飽和吸収線を測定し（各ピーク群Ｍ１〜Ｍ４に属する飽和吸収線群の数、及び各飽和吸収線群に属する飽和吸収線の数を測定し）、周波数固定処理にて、再度、飽和吸収線を測定して、発振周波数を所望の飽和吸収線に固定する。
なお、自動ロック装置３１は、探索処理及び周波数固定処理において、出力電圧Ｖを変更しながら、２次微分信号Ｓ２の出力値が所定の電圧値Ｓth（図８（Ｂ））以上となった場合に、当該信号を飽和吸収線と認定している。

特開２００８−１４１０５４号公報

ところで、２次微分信号Ｓ２にはノイズが重畳する場合があり、当該ノイズの影響によっても、２次微分信号Ｓ２の出力値が所定の電圧値Ｓth以上となる場合がある。
特許文献１に記載のレーザ周波数安定化装置１００では、２次微分信号Ｓ２にノイズが重畳しているか否かを判定する構成を備えていない。このため、ノイズの影響により２次微分信号Ｓ２の出力値が電圧値Ｓth以上となった場合でも、当該信号を飽和吸収線と認定してしまい、飽和吸収線を良好に認定することが難しい、という問題がある。

本発明の目的は、２次微分信号にノイズが重畳しているか否かを判定し、飽和吸収線を良好に認定できる飽和吸収線判定方法、及びレーザ周波数安定化装置を提供することにある。

本発明の飽和吸収線判定方法は、レーザ光を吸収セルに照射して得られる光出力信号に含まれる飽和吸収線に基づき共振器長を変化させて前記レーザ光の発振周波数を特定の前記飽和吸収線に安定化させるレーザ周波数安定化装置の飽和吸収線判定方法であって、前記光出力信号の出力値に基づいて、大小関係にある第１閾値及び第２閾値を設定する閾値設定工程と、前記光出力信号の２次微分信号の出力値と前記第１閾値及び前記第２閾値とを比較し、前記共振器長が変化した際での前記２次微分信号の出力波形が、前記第２閾値未満から前記第１閾値以上となり、さらに前記第２閾値未満に変化する挙動を示したか否かを判定する波形判定工程と、前記波形判定工程の判定結果に基づいて、前記飽和吸収線であるか否かを判定する吸収線判定工程とを備えることを特徴とする。

ところで、飽和吸収線と認められる信号としては、共振器長が変化した際での２次微分信号の出力波形が以下の挙動を示す場合である。
すなわち、２次微分信号の出力波形は、大小関係にある２つの閾値のうち小さい方の閾値（上記第２閾値に相当）未満から大きい方の閾値（上記第１閾値に相当）以上となり、さらに小さい方の閾値未満に変化する挙動（以下、第１の挙動）を示す。
一方、２次微分信号にノイズが重畳している場合には、第１の挙動を示さない。

そして、本発明の飽和吸収線判定方法では、上記事項に着目し、以下に示すように、飽和吸収線を認定する。
すなわち、共振器長が変化した際に、２次微分信号の出力波形が第１の挙動を示したか否かを判定する（波形判定工程）。
そして、２次微分信号の出力波形が第１の挙動を示した場合には、飽和吸収線であると認定する（吸収線判定工程）。一方、２次微分信号の出力波形が第１の挙動を示していない場合、例えば、当該出力波形におけるピーク値が第１閾値以上であるが当該出力波形が第１の挙動を示していない場合には、飽和吸収線ではなく、２次微分信号にノイズが重畳していると認定する（吸収線判定工程）。
以上のように、本発明の飽和吸収線判定方法によれば、２次微分信号にノイズが重畳しているか否かを判定し、飽和吸収線を良好に認定できる。

ところで、例えば、レーザ周波数安定化装置を長期間使用し、励起用半導体レーザから放出されるレーザ光のレーザパワーが小さくなると、光検出器から出力される光出力信号の出力値（絶対値）も小さくなるものである。また、光出力信号の出力値（絶対値）が小さくなると、２次微分信号の出力値（絶対値）も光出力信号の出力値（絶対値）の変化に応じて小さくなる。
そして、例えば、レーザパワーの変化に拘らず、第１，第２閾値を一律に設定した場合には、以下の問題が生じる恐れがある。
先ず、所望のレーザパワーが得られている場合には、上述した波形判定工程及び吸収線判定工程により、飽和吸収線であると認定される２次微分信号の出力波形（第１の挙動を示す出力波形）を想定する。
そして、レーザパワーが所望のレーザパワーよりも小さくなった場合には、２次微分信号の出力値（絶対値）も小さくなってしまうため、上述したように想定した２次微分信号の出力波形におけるピーク値（プラス向きのピーク値）やバレー値（マイナス向きのピーク値）が第２閾値以上、第１閾値未満の範囲内の値になってしまうことが考えられる。
すなわち、上述したように想定した２次微分信号の出力波形が第１の挙動を示さず、飽和吸収線であるにも拘らず、飽和吸収線ではなく、２次微分信号にノイズが重畳していると認定されてしまう。

本発明では、飽和吸収線判定方法は、光出力信号の出力値に基づいて、第１，第２閾値を設定する閾値設定工程を備える。
このため、閾値設定工程により、光出力信号の出力値に基づいて、すなわち、レーザ周波数安定化装置の使用に応じたレーザパワーの変化に基づいて、適切な第１，第２閾値を設定できる。
したがって、波形判定工程において、閾値設定工程にて設定された第１，第２閾値を用いることで、飽和吸収線を適切に認定できる。

本発明の飽和吸収線判定方法では、前記閾値設定工程は、前記光出力信号の出力値の絶対値が小さくなるにしたがって、前記第１閾値及び前記第２閾値の少なくともいずれか一方の絶対値を小さく設定することが好ましい。
本発明では、閾値設定工程は、上述したように第１，第２閾値の少なくともいずれか一方の絶対値を設定する。
このことにより、光出力信号の出力値（絶対値）が小さくなると２次微分信号の出力値（絶対値）も小さくなるので、閾値設定工程にて上述したように第１，第２閾値を設定することで、上述したように想定した２次微分信号の出力波形も確実に第１の挙動を示す結果となる。
したがって、波形判定工程において、閾値設定工程にて設定された第１，第２閾値を用いることで、飽和吸収線をより適切に認定できる。

本発明の飽和吸収線判定方法では、前記閾値設定工程は、判定対象となる飽和吸収線毎に、前記第１閾値及び前記第２閾値の少なくともいずれか一方を異なる閾値に設定することが好ましい。
ところで、飽和吸収線が異なると、２次微分信号の出力波形におけるピーク値やバレー値も異なるものである（図８（Ｂ）参照）。
そして、例えば、全ての飽和吸収線について、第１，第２閾値を一律に設定した場合には、以下の問題が生じる恐れがある。
例えば、ピーク値やバレー値の絶対値が比較的に大きい飽和吸収線ａ１（図８（Ｂ））等に基づいて、比較的に大きい（絶対値が大きい）第１，第２閾値を設定した場合には、ピーク値やバレー値の絶対値が比較的に小さい飽和吸収線ａ６等を判定する際に、当該飽和吸収線ａ６等についての２次微分信号の出力波形におけるピーク値やバレー値が第２閾値以上、第１閾値未満の範囲内の値になってしまうことが考えられる。
すなわち、飽和吸収線ａ６等についての２次微分信号の出力波形が第１の挙動を示さず、飽和吸収線であるにも拘らず、飽和吸収線ではなく、２次微分信号にノイズが重畳していると認定されてしまう。

本発明では、閾値設定工程は、判定対象となる飽和吸収線毎に、第１，第２閾値の少なくともいずれか一方を異なる閾値に設定する。
このことにより、判定対象となる飽和吸収線毎に適切な第１，第２閾値を設定でき、飽和吸収線をより一層適切に認定できる。

本発明のレーザ周波数安定化装置は、レーザ光を吸収セルに照射して得られる光出力信号に含まれる飽和吸収線に基づき共振器長を変化させて前記レーザ光の発振周波数を特定の前記飽和吸収線に安定化させるレーザ周波数安定化装置であって、前記吸収セルを介したレーザ光を前記光出力信号に変換する変換装置と、前記変換装置にて変換された前記光出力信号の２次微分信号を生成する生成装置と、前記共振器長を変化させるアクチュエータと、前記アクチュエータの動作を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記変換装置から出力される前記光出力信号の出力値に基づいて、大小関係にある第１閾値及び第２閾値を設定する閾値設定手段と、前記２次微分信号の出力値と前記第１閾値及び前記第２閾値とを比較し、前記共振器長が変化した際での前記２次微分信号の出力波形が、前記第２閾値未満から前記第１閾値以上となり、さらに前記第２閾値未満に変化する挙動を示したか否かを判定する波形判定手段と、前記波形判定手段の判定結果に基づいて、前記飽和吸収線であるか否かを判定する吸収線判定手段とを備えることを特徴とする。
本発明のレーザ周波数安定化装置は、上述した飽和吸収線判定方法を実施する装置であるので、上述した飽和吸収線判定方法と同様の作用及び効果を享受できる。

本実施形態におけるレーザ周波数安定化装置を示すブロック図。 本実施形態における制御装置を示すブロック図。 本実施形態における探索処理及び周波数固定処理を説明するフローチャート。 本実施形態における飽和吸収線判定方法を説明するフローチャート。 本実施形態における閾値設定工程を説明するための図。 本実施形態における波形判定工程を説明するための図。 従来のレーザ周波数安定化装置を示すブロック図。 光出力信号及び２次微分信号を示す図。

以下、本発明の実施の一形態を図面に基づいて説明する。
〔レーザ周波数安定化装置の構成〕
図１は、本実施形態におけるレーザ周波数安定化装置１を示すブロック図である。
レーザ周波数安定化装置１は、図１に示すように、従来のレーザ周波数安定化装置１００と同様のレーザ発生部１０、レーザ光検出部２０、及び駆動制御部３０を備える。
なお、本実施形態のレーザ周波数安定化装置１は、従来のレーザ周波数安定化装置１００と比較して、探索処理及び周波数固定処理を実施するとともに、当該各処理において、２次微分信号Ｓ２にノイズが重畳しているか否かを判別しながら飽和吸収線を認定する機能を有する制御装置３７を備える点が異なる。
このため、以下では、従来のレーザ周波数安定化装置１００と同様の機能及び構成については同様の符号を付して説明を省略し、本願の要部である制御装置３７について詳細に説明する。

〔制御装置の構成〕
図２は、制御装置３７を示すブロック図である。
制御装置３７は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)や、メモリ３７４等を備え、メモリ３７４に記憶されたプログラムにしたがって、種々の処理を実行する。なお、制御装置３７の機能としては、従来の自動ロック装置３１と同様の機能については、説明を省略し、以下では、本願の要部である飽和吸収線を認定する機能についてのみ説明する。
この制御装置３７は、図２に示すように、閾値設定手段３７１と、波形判定手段３７２と、吸収線判定手段３７３と、メモリ３７４等を備える。

閾値設定手段３７１は、光検出器２７から出力される光出力信号Ｓ１の出力値に基づいて、大小関係にある第１，第２閾値Ｓth1，Ｓth2（図５、図６参照）を設定する。
波形判定手段３７２は、２次微分用ロックインアンプ３５からの２次微分信号Ｓ２の出力値と第１，第２閾値Ｓth1，Ｓth2とを比較し、出力電圧Ｖが変化した際（共振器長が変化した際）での２次微分信号Ｓ２の出力波形が所定の挙動（以下、第１の挙動と記載）を示したか否かを判定する。
そして、吸収線判定手段３７３は、波形判定手段３７２の判定結果に基づいて、飽和吸収線であるか否かを判定する。

〔レーザ周波数安定化装置の動作〕
次に、上述したレーザ周波数安定化装置１の動作について説明する。
なお、以下では、レーザ周波数安定化装置１の動作として、全体の動作（探索処理及び周波数固定処理）を説明した後、探索処理及び周波数固定処理において実施される吸収線判定方法について説明する。

〔探索処理及び周波数固定処理〕
図３は、探索処理及び周波数固定処理を説明するフローチャートである。
なお、本実施形態における探索処理及び周波数固定処理は、従来のレーザ周波数安定化装置１００にて実施される探索処理及び周波数固定処理と略同様であるため、以下では、説明を簡略化する。
また、以下では、説明の便宜上、目標とする飽和吸収線を飽和吸収線ａ４（当該飽和吸収線ａ４が属する飽和吸収線群及びピーク群がそれぞれＮ２，Ｍ２）とする。
先ず、制御装置３７は、アクチュエータ駆動回路３３の動作を制御し、アクチュエータ１２６に印加する出力電圧Ｖを最大電圧値に設定する（ステップＳＴ１Ａ）。

ステップＳＴ１Ａの後、制御装置３７は、出力電圧Ｖを最大電圧値から最小電圧値となるまで徐々に減少させながら、目標とするピーク群Ｍ２を探索する（ステップＳＴ１Ｂ）。
具体的に、ステップＳＴ１Ｂでは、制御装置３７は、以下に示す処理を実行する。
すなわち、制御装置３７は、後述する飽和吸収線判定方法により飽和吸収線を認定し、当該飽和吸収線が観測された際にアクチュエータ１２６に印加していた出力電圧Ｖの電圧値をメモリ３７４の第１電圧値記憶部３７４Ｂ（図２）に記憶させる。
また、制御装置３７は、第１電圧値記憶部３７４Ｂから電圧値Ｖnew，Ｖoldを読み出し、当該電圧値Ｖnew，Ｖoldの差分値を算出し、当該差分値と、ΔＶ，ΔＶ´とを比較する。

ここで、電圧値Ｖnewは、飽和吸収線が観測された際（最新で観測された際）の出力電圧Ｖの電圧値である。電圧値Ｖoldは、直前に飽和吸収線が観測された際の出力電圧Ｖの電圧値である。
また、ΔＶ，ΔＶ´は、飽和吸収線群に属する隣接する飽和吸収線間の各出力電圧Ｖの差分値Ｖa1〜Ｖa6の最大値をＶａ（図８（Ｂ））、隣接する飽和吸収線群間の各出力電圧Ｖの差分値Ｖb1〜Ｖb6の最小値をＶｂ（図８（Ｂ））及び最大値をＶｂ´（図８（Ｂ））、各ピーク群間の各出力電圧Ｖの差分値の最小値をＶｃ（図８（Ａ））とした場合に、Ｖａ＜ΔＶ＜Ｖｂ、Ｖｂ´＜ΔＶ´＜Ｖｃの関係を満たすように設定されている。

すなわち、制御装置３７は、電圧値Ｖnew，Ｖoldの差分値とΔＶとを比較することで、現時点で観測された飽和吸収線が直前に観測された飽和吸収線と同一の飽和吸収線群に属するか否かを判別する。（電圧値Ｖnew，Ｖoldの差分値）＜ΔＶであれば、現時点で観測された飽和吸収線は、直前に観測された飽和吸収線と同一の飽和吸収線群に属することになる。
また、制御装置３７は、電圧値Ｖnew，Ｖoldの差分値とΔＶ´とを比較することで、現時点で観測された飽和吸収線が直前に観測された飽和吸収線と同一のピーク群に属するか否かを判別する。（電圧値Ｖnew，Ｖoldの差分値）＜ΔＶ´であれば、現時点で観測された飽和吸収線は、直前に観測された飽和吸収線と同一のピーク群に属することになる。

制御装置３７は、上記判別により、属する飽和吸収線群の数が６（Ｎ１〜Ｎ６）であり、かつ、当該各飽和吸収線群に属する飽和吸収線の数が、出力電圧Ｖの小さい方から順に、１本（ａ１）、４本（ａ２〜ａ５）、４本（ａ６〜ａ９）、１本（ａ１０）、４本（ａ１１〜ａ１４）、１本（ａ１５）となるピーク群Ｍ２を探索する。

また、制御装置３７は、出力電圧Ｖを最大電圧値から最小電圧値へ減少させた際（ステップＳＴ１Ｂの際）に、光検出器２７から出力される光出力信号Ｓ１の最大出力値（絶対値）を、メモリ３７４の出力値記憶部３７４Ａ（図２）に記憶させる（ステップＳＴ１Ｃ）。
そして、制御装置３７は、ステップＳＴ１Ｃの後、ステップＳＴ１Ｂにおいてピーク群Ｍ２を探索できたか否かを判定する（ステップＳＴ１Ｄ）。
ステップＳＴ１Ｄにおいて、制御装置３７は、「ＮＯ」と判定した場合には、エラー処理を実行する（ステップＳＴ１Ｅ）。
ここで、エラー処理としては、例えば、ＬＥＤ(Light Emitting Diode)等の点灯制御、あるいは、音声による報知制御により、エラーが生じた旨を作業者に知らせる処理が挙げられる。

一方、ステップＳＴ１Ｄにおいて、「ＹＥＳ」と判定した場合には、制御装置３７は、出力電圧Ｖを、ピーク群Ｍ２に属する飽和吸収線群Ｎ１〜Ｎ６のうち、飽和吸収線ａ１５が観測される電圧値より若干、大きい電圧値Ｖ１（図８）に設定する（ステップＳＴ１Ｆ）。
ステップＳＴ１Ｆの後、制御装置３７は、出力電圧Ｖを電圧値Ｖ１から徐々に減少させながら、ステップＳＴ１Ｂと同様に、ピーク群Ｍ２を再度、探索する（ステップＳＴ１Ｇ）。
そして、制御装置３７は、出力電圧Ｖを減少させた結果、ピーク群Ｍ２を探索できたか否かを判定する（ステップＳＴ１Ｈ）。
ステップＳＴ１Ｈにおいて、制御装置３７は、「ＮＯ」と判定した場合には、ステップＳＴ１Ｅのエラー処理に移行する。

一方、制御装置３７は、「ＹＥＳ」と判定した場合には、ステップＳＴ１Ｆと同様に、出力電圧Ｖを電圧値Ｖ１に設定する（ステップＳＴ１Ｉ）。
ステップＳＴ１Ｉの後、制御装置３７は、以下に示すように、目標とする飽和吸収線ａ４を探索する（ステップＳＴ１Ｊ）。
先ず、制御装置３７は、後述する飽和吸収線判定方法による飽和吸収線の認定、及び上記判別を行いながら、最初に観測されるピーク群に属する飽和吸収線群が５回観測されるまで、出力電圧Ｖを減少させる。
なお、ステップＳＴ１Ｉにおいて、出力電圧Ｖを電圧値Ｖ１に設定しているため、上記最初に観測されるピーク群は、ピーク群Ｍ２である。また、当該ピーク群Ｍ２に属する飽和吸収線群として、１回目に観測される飽和吸収線群は、飽和吸収線群Ｎ６であり、５回目に観測される飽和吸収線群は、飽和吸収線群Ｎ２である。

次に、制御装置３７は、後述する飽和吸収線判定方法による飽和吸収線の認定、及び上記判別を行いながら、５回目に観測された飽和吸収線群Ｎ２に属する飽和吸収線が２回観測されるまで、出力電圧Ｖを減少させる。
なお、上記飽和吸収線群Ｎ２に属する飽和吸収線として、１回目に観測される飽和吸収線は、飽和吸収線ａ５であり、２回目に観測される飽和吸収線は、飽和吸収線ａ４である。
そして、制御装置３７は、出力電圧Ｖを減少させた結果、飽和吸収線ａ４を探索できたか否かを判定する（ステップＳＴ１Ｋ）。
ステップＳＴ１Ｋにおいて、制御装置３７は、「ＮＯ」と判定した場合には、ステップＳＴ１Ｅのエラー処理に移行する。

一方、ステップＳＴ１Ｋにおいて、制御装置３７は、「ＹＥＳ」と判定した場合には、出力電圧Ｖの減少を止め、２次微分信号Ｓ２の出力値が当該飽和吸収線ａ４のピーク値となるように出力電圧Ｖを制御する（ステップＳＴ１Ｌ）。
そして、ステップＳＴ１Ｌの処理により、レーザ光Ｌ２の発振周波数は、目標とする飽和吸収線ａ４に合致することとなる。
ステップＳＴ１Ｌの後、制御装置３７は、２次微分用ロックインアンプ３５からの２次微分信号Ｓ２の出力値と電圧値Ｓth（図８（Ｂ））とを比較し、２次微分信号Ｓ２の出力値が電圧値Ｓth以上に安定化しているか否かを常時、監視する（ステップＳＴ１Ｍ）。
すなわち、ステップＳＴ１Ｍの処理では、制御装置３７は、レーザ光Ｌ２の発振周波数が目標とする飽和吸収線ａ４に安定化しているか否かを監視している。
そして、制御装置３７は、ステップＳＴ１Ｍにおいて、「ＮＯ」と判定した場合には、ステップＳＴ１Ｅのエラー処理に移行する。

〔飽和吸収線判定方法〕
図４は、飽和吸収線判定方法を説明するフローチャートである。
次に、上述したステップＳＴ１Ｂ，ＳＴ１Ｇ，ＳＴ１Ｊにおいて実施される飽和吸収線を認定する際の飽和吸収線判定方法について説明する。
先ず、閾値設定手段３７１は、以下に示すように、大小関係にある第１，第２閾値Ｓth1，Ｓth2を設定する（ステップＳＴ２Ａ：閾値設定工程）。

図５は、閾値設定工程ＳＴ２Ａを説明するための図である。具体的に、図５は、２次微分信号Ｓ２の出力値を縦軸とし、出力電圧Ｖを横軸とし、出力電圧Ｖを変化させた場合（共振器長が変化した際）での２次微分信号Ｓ２の出力波形を示している。
なお、図５では、説明の便宜上、２次微分信号Ｓ２の出力波形として、飽和吸収線ａ１，ａ２のみを図示している。
また、図５（Ａ）〜図５（Ｄ）は、ステップＳＴ１Ｂで出力値記憶部３７４Ａに記憶された最大出力値が異なる場合での２次微分信号Ｓ２の出力波形をそれぞれ示している。
なお、図５（Ａ）〜図５（Ｄ）において、縦軸のスケールは、同一である。
具体的に、図５（Ａ）に示す出力波形は、ステップＳＴ１Ｂで出力値記憶部３７４Ａに記憶された最大出力値（絶対値）が出力値ＳAの場合での出力波形である。また、図５（Ｂ）〜図５（Ｄ）に示す各出力波形は、ステップＳＴ１Ｂで出力値記憶部３７４Ａに記憶された各最大出力値（絶対値）がそれぞれ出力値ＳB〜ＳDの場合での出力波形である。
なお、各出力値ＳA〜ＳDの関係は、ＳA＞ＳB＞ＳC＞ＳDである。

ところで、例えば、レーザ周波数安定化装置１を長期間使用し、励起用半導体レーザ１１から放出されるレーザ光Ｌ１のレーザパワーが小さくなると、光検出器２７から出力される光出力信号Ｓ１の出力値（絶対値）も小さくなるものである。また、光出力信号Ｓ１の出力値（絶対値）が小さくなると、図５（Ａ）〜図５（Ｄ）に示すように、２次微分信号Ｓ２の出力値（絶対値）も光出力信号Ｓ１の出力値（絶対値）の変化に応じて小さくなる。
そして、閾値設定手段３７１は、出力値記憶部３７４Ａに記憶された最大出力値（絶対値）が比較的に大きい場合には、図５（Ａ）に示すように、絶対値が比較的に大きい第１，第２閾値Ｓth1，Ｓth2を設定する。
また、閾値設定手段３７１は、出力値記憶部３７４Ａに記憶された最大出力値が小さくなるにしたがって、図５（Ａ）〜図５（Ｄ）に示すように、第１，第２閾値Ｓth1，Ｓth2の絶対値を小さく設定する。
さらに、閾値設定手段３７１は、図５（Ａ）〜図５（Ｄ）に示すように、飽和吸収線毎に、第１，第２閾値Ｓth1，Ｓth2を異なる閾値に設定する。

ここで、関数記憶部３７４Ｄには、第１閾値Ｓth1を算出するための特定の第１関数と、第２閾値Ｓth2を算出するための特定の第２関数とが予め記憶されている。
なお、上記第１，第２関数は、例えば、以下に示すように得られた関数である。
先ず、励起用半導体レーザ１１から放出されるレーザ光Ｌ１のレーザパワーをＰAに設定する。そして、出力電圧Ｖを最大電圧値から最小電圧値に減少させ、当該減少させた時に光検出器２７から出力される光出力信号Ｓ１の最大出力値（出力値ＳA）を取得する。
また、レーザ光Ｌ１のレーザパワーをＰB，ＰC，ＰD（ＰA＞ＰB＞ＰC＞ＰD）に順次、設定し、上記同様の処理を行うことで、レーザパワーがＰB，ＰC，ＰDでの光出力信号Ｓ１の各最大出力値（出力値ＳB，ＳC，ＳD）を取得する。
次に、レーザパワーをＰA〜ＰDに設定した場合での光出力信号Ｓ１の各最大出力値（出力値ＳA〜ＳD）と、当該各出力値ＳA〜ＳDで特定の飽和吸収線（例えば、飽和吸収線ａ１）についての２次微分信号Ｓ２の出力波形におけるピーク値の半値（例えば、半値Ｈp1A〜Ｈp1D（図５））と、バレー値の半値（例えば、半値Ｈv1A〜Ｈv1D（図５））を取得する。

そして、取得した各最大出力値（例えば、出力値ＳA〜ＳD）と半値（例えば、半値Ｈp1A〜Ｈp1D）との組から最小二乗法等により近似関数を算出し、当該近似関数を上記特定の飽和吸収線（例えば、飽和吸収線ａ１）についての第１関数とする。
同様に、取得した各最大出力値（例えば、出力値ＳA〜ＳD）と半値（例えば、半値Ｈv1A〜Ｈv1D）との組から最小二乗法等により近似関数を算出し、当該近似関数を上記特定の飽和吸収線（例えば、飽和吸収線ａ１）についての第２関数とする。
以上の方法により、全ての飽和吸収線についての第１，第２関数を算出する。
例えば、飽和吸収線ａ２についての第１関数は、取得した各最大出力値（例えば、出力値ＳA〜ＳD）と半値（例えば、半値Ｈp2A〜Ｈp2D）との組から最小二乗法等により算出された近似関数である。また、飽和吸収線ａ２についての第２関数は、取得した各最大出力値（例えば、出力値ＳA〜ＳD）と半値（例えば、半値Ｈv2A〜Ｈv2D）との組から最小二乗法等により算出された近似関数である。
そして、上記のように算出された各飽和吸収線についての第１，第２関数を飽和吸収線に関連付けて関数記憶部３７４Ｄに記憶させる。

ステップＳＴ２Ａでは、閾値設定手段３７１は、判定対象となる飽和吸収線に対応する第１，第２関数を関数記憶部３７４Ｄから読み出すとともに、出力値記憶部３７４Ａに記憶された出力値を読み出す。
そして、閾値設定手段３７１は、読み出した第１，第２関数を用いて、読み出した出力値に対応する第１，第２閾値Ｓth1，Ｓth2を算出し、当該第１，第２閾値Ｓth1，Ｓth2を第１，第２閾値記憶部３７４Ｅ，３７４Ｆにそれぞれ記憶する。
例えば、閾値設定手段３７１は、判定対象となる飽和吸収線が飽和吸収線ａ１で、かつ、読み出した出力値が出力値ＳAであった場合には、上記のように第１，第２閾値Ｓth1，Ｓth2を算出することで、第１，第２閾値Ｓth1，Ｓth2を半値Ｈp1A，Ｈv1Aに設定する。

ステップＳＴ２Ａの後、波形判定手段３７２は、ステップＳＴ２Ａにて設定された第１，第２閾値Ｓth1，Ｓth2を用いて、以下に示すように、２次微分用ロックインアンプ３５から出力された２次微分信号Ｓ２の出力波形が第１の挙動を示したか否かを判定する（ステップＳＴ２Ｂ：波形判定工程）。

図６は、波形判定工程ＳＴ２Ｂを説明するための図である。具体的に、図６は、２次微分信号Ｓ２の出力値を縦軸とし、出力電圧Ｖを横軸とし、出力電圧Ｖを変化させた場合（共振器長を変化させた場合）での２次微分信号Ｓ２の出力波形を模式的に示す図である。
すなわち、波形判定手段３７２は、２次微分用ロックインアンプ３５から所定のサンプリング間隔で順次、入力した２次微分信号Ｓ２の出力値と、第１，第２閾値記憶部３７４Ｅ，３７４Ｆに記憶された第１，第２閾値Ｓth1，Ｓth2とを比較する。
また、波形判定手段３７２は、当該入力した２次微分信号Ｓ２の出力値と、当該２次微分信号Ｓ２を入力した際にアクチュエータ１２６に印加されていた出力電圧Ｖの電圧値と、上記比較結果に応じた情報とを関連付けて、第２電圧値記憶部３７４Ｃに順次、記憶させる。

なお、上記比較結果に応じた情報は、第２閾値未満Ｓth2未満である旨の情報、第２閾値Ｓth2以上で、かつ、第１閾値Ｓth1未満である旨の情報、あるいは、第１閾値Ｓth1以上である旨の情報である。
そして、波形判定手段３７２は、第２電圧値記憶部３７４Ｃに記憶された情報に基づき、出力電圧Ｖが所定値Ｖ２（図６）だけ変化した際の２次微分信号Ｓ２の出力波形が、第２閾値Ｓth2未満から第１閾値Ｓth1以上となり、さらに第２閾値Ｓth2未満に変化する第１の挙動を示したか否かを判定する。

ステップＳＴ２Ｂにおいて、「ＹＥＳ」と判定された場合には、吸収線判定手段３７３は、第１の挙動を示す出力波形の２次微分信号Ｓ２を飽和吸収線であると認定する（ステップＳＴ２Ｃ：吸収線判定工程）。
例えば、吸収線判定手段３７３は、図６に示すように、所定値Ｖ２の範囲内で、第１の挙動を示す出力波形の２次微分信号Ｓ２（各ピークＰ）を飽和吸収線であると認定する。
そして、吸収線判定手段３７３は、第２電圧値記憶部３７４Ｃに記憶された情報に基づき、第１の挙動を示す出力波形の２次微分信号Ｓ２のピーク値（２次微分信号Ｓ２の出力値）を判別し、当該ピーク値に関連付けられた出力電圧Ｖの電圧値を、飽和吸収線が観測された際の出力電圧Ｖの電圧値として第１電圧値記憶部３７４Ｂに記憶させる。

ステップＳＴ２Ｃの後、閾値設定手段３７１は、第１，第２閾値記憶部３７４Ｅ，３７４Ｆに記憶された第１，第２閾値Ｓth1，Ｓth2を変更する（ステップＳＴ２Ｄ：閾値設定工程）。
すなわち、判定対象となる飽和吸収線が変わるため、閾値設定手段３７１は、上述したステップＳＴ２Ａと同様に、判定対象となる飽和吸収線に対応する第１，第２関数を用いて、出力値記憶部３７４Ａに記憶された出力値に対応する第１，第２閾値Ｓth1，Ｓth2を算出し、第１，第２閾値記憶部３７４Ｅ，３７４Ｆに記憶された第１，第２閾値Ｓth1，Ｓth2を、当該算出した第１閾値Ｓth1，Ｓth2に更新する。
ステップＳＴ２Ｄの後、制御装置３７は、変更された第１，第２閾値Ｓth1，Ｓth2を用いて、ステップＳＴ２Ｂの処理を再度、実行する。

一方、ステップＳＴ２Ｂにおいて、「ＮＯ」と判定された場合には、吸収線判定手段３７３は、飽和吸収線ではないと認定する（ステップＳＴ２Ｅ：吸収線判定工程）。
例えば、吸収線判定手段３７３は、図６に示すように、所定値Ｖ２の範囲内で、第１の挙動を示さない出力波形の２次微分信号Ｓ２（ピークＰＮ）については、飽和吸収線ではなく、ノイズが重畳された信号であると認定する。
ステップＳＴ２Ｅの後、制御装置３７は、ステップＳＴ２Ｄの処理を実行することなく、ステップＳＴ２Ｂの処理を再度、実行する。

上述した本実施形態によれば、以下の効果がある。
本実施形態では、「飽和吸収線と認められる信号としては、出力電圧Ｖが変化した際での２次微分信号Ｓ２の出力波形が第１の挙動を示す場合である。」点に着目し、ステップＳＴ２Ａ〜ＳＴ２Ｅの処理により、飽和吸収線であるか否かを判定している。
このことにより、２次微分信号Ｓ２にノイズが重畳しているか否かを判定し、飽和吸収線を良好に認定できる。
特に、ステップＳＴ２Ａ〜ＳＴ２Ｅの処理により飽和吸収線であるか否かを判定することで、ピーク群Ｍ１〜Ｍ４同士の間に限らず、同一のピーク群に属する飽和吸収線群同士の間や、同一の飽和吸収線群に属する飽和吸収線同士の間で、本来、観測されるはずのない飽和吸収線を誤って飽和吸収線であると認定することがない。
したがって、レーザ光Ｌ２の発振周波数を目標とする飽和吸収線ａ４に良好に合致させることができる。

ところで、励起用半導体レーザ１１から放出されるレーザ光Ｌ１のレーザパワーの変化に拘らず、第１，第２閾値Ｓth1，Ｓth2を一律に設定した場合には、以下の問題が生じる恐れがある。
先ず、所望のレーザパワーが得られている場合には、上述したステップＳＴ２Ｂ，ＳＴ２Ｃにより、飽和吸収線であると認定される２次微分信号Ｓ２の出力波形（第１の挙動を示す出力波形）を想定する。
そして、レーザパワーが所望のレーザパワーよりも小さくなった場合には、図５に示すように、２次微分信号Ｓ２の出力値（絶対値）も小さくなってしまうため、上述したように想定した２次微分信号Ｓ２の出力波形におけるピーク値やバレー値が第２閾値Ｓth2以上、第１閾値Ｓth1未満の範囲内の値になってしまうことが考えられる。
すなわち、上述したように想定した２次微分信号Ｓ２の出力波形が第１の挙動を示さず、飽和吸収線であるにも拘らず、飽和吸収線ではなく、２次微分信号Ｓ２にノイズが重畳していると認定されてしまう。

また、飽和吸収線判定方法は、閾値設定工程ＳＴ２Ａ，ＳＴ２Ｄを備える。
このため、閾値設定工程ＳＴ２Ａ，ＳＴ２Ｄにより、光出力信号Ｓ１の出力値に基づいて、すなわち、レーザ周波数安定化装置１の使用に応じたレーザパワーの変化に基づいて、適切な第１，第２閾値Ｓth1，Ｓth2を設定できる。
したがって、波形判定工程ＳＴ２Ｂにおいて、閾値設定工程ＳＴ２Ａ，ＳＴ２Ｄにて設定された第１，第２閾値Ｓth1，Ｓth2を用いることで、飽和吸収線を適切に認定できる。

ここで、閾値設定工程ＳＴ２Ａ，ＳＴ２Ｄは、出力電圧Ｖを最大電圧値から最小電圧値へ減少させた際に、光検出器２７から出力される光出力信号Ｓ１の最大出力値（絶対値）に基づいて、第１，第２閾値Ｓth1，Ｓth2を設定している。
すなわち、光検出器２７から出力される光出力信号Ｓ１が最も安定している、光出力信号Ｓ１の最大出力値（絶対値）に基づいて第１，第２閾値Ｓth1，Ｓth2を設定することで、レーザパワーの変化を良好に認識でき、レーザパワーに応じた適切な第１，第２閾値Ｓth1，Ｓth2を設定できる。

さらに、閾値設定工程ＳＴ２Ａ，ＳＴ２Ｄは、出力値記憶部３７４Ａに記憶された最大出力値（絶対値）が小さくなるにしたがって、第１，第２閾値Ｓth1，Ｓth2の絶対値を小さく設定する。
このことにより、光出力信号Ｓ１の最大出力値（絶対値）が小さくなると２次微分信号Ｓ２の出力値（絶対値）も小さくなるので、閾値設定工程ＳＴ２Ａ，ＳＴ２Ｄにて上述したように第１，第２閾値Ｓth1，Ｓth2を設定することで、上述したように想定した２次微分信号Ｓ２の出力波形も確実に第１の挙動を示す結果となる。
したがって、波形判定工程ＳＴ２Ｂにおいて、閾値設定工程ＳＴ２Ａ，ＳＴ２Ｄにて設定された第１，第２閾値Ｓth1，Ｓth2を用いることで、飽和吸収線をより適切に認定できる。
また、閾値設定工程ＳＴ２Ａ，ＳＴ２Ｄは、判定対象となる飽和吸収線毎に、第１，第２閾値Ｓth1，Ｓth2を異なる閾値に設定する。
このことにより、判定対象となる飽和吸収線毎に適切な第１，第２閾値Ｓth1，Ｓth2を設定でき、飽和吸収線をより一層適切に認定できる。

ところで、アクチュエータ１２６の印加電圧−ストローク特性は、ヒステリシスをもつものである。
すなわち、ステップＳＴ１Ｂ，ＳＴ１Ｇ，ＳＴ１Ｊにおいて、出力電圧Ｖの変化を統一せずに、例えば、ステップＳＴ１Ｂ，ＳＴ１Ｇでは出力電圧Ｖを増加させながら飽和吸収線等を探索し、ステップＳＴ１Ｊでは出力電圧Ｖを減少させながら飽和吸収線等を探索した場合には、上記ヒステリシスの影響により、所望の飽和吸収線を探索できない恐れがある。
本実施形態では、ステップＳＴ１Ｂ，ＳＴ１Ｇ，ＳＴ１Ｊにおいて、出力電圧Ｖの変化を統一し、出力電圧Ｖを減少させながら飽和吸収線等を探索している。
このことにより、上記ヒステリシスの影響を受けることなく、所望の飽和吸収線を探索することができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
前記実施形態では、閾値設定工程ＳＴ２Ａ，ＳＴ２Ｄは、出力値記憶部３７４Ａに記憶された出力値、及び判定対象となる飽和吸収線毎に、第１，第２閾値Ｓth1，Ｓth2の双方を異なる閾値に設定していたが、これに限らない。
例えば、第１，第２閾値Ｓth1，Ｓth2のいずれか一方の閾値を一律に設定し、他方の閾値を、出力値記憶部３７４Ａに記憶された出力値、及び判定対象となる飽和吸収線毎に異なる閾値に設定しても構わない。
また、例えば、出力値記憶部３７４Ａに記憶された出力値が変化した場合に第１，第２閾値Ｓth1，Ｓth2を変更し、判定対象となる飽和吸収線が変わっても同一の第１，第２閾値Ｓth1，Ｓth2を設定するように構成しても構わない。
前記実施形態では、ステップＳＴ１Ｂ，ＳＴ１Ｇ，ＳＴ１Ｊにおいて、出力電圧Ｖを減少させながら飽和吸収線等を探索していたが、出力電圧Ｖの変化を統一していれば、これに限らず、出力電圧Ｖを増加させながら飽和吸収線等を探索しても構わない。

本発明は、レーザ光を吸収セルに照射して得られる光出力信号に含まれる飽和吸収線に基づき共振器長を変化させてレーザ光の発振周波数を特定の飽和吸収線に安定化させるレーザ周波数安定化装置に利用できる。

１・・・レーザ周波数安定化装置
２５・・・ヨウ素セル（吸収セル）
２７・・・光検出器（変換装置）
３５・・・２次微分用ロックインアンプ（生成装置）
３７・・・制御装置
１２６・・・アクチュエータ
３７１・・・閾値設定手段
３７２・・・波形判定手段
３７３・・・吸収線判定手段
ＳＴ２Ａ，ＳＴ２Ｄ・・・閾値設定工程
ＳＴ２Ｂ・・・波形判定工程
ＳＴ２Ｃ，ＳＴ２Ｅ・・・吸収線判定工程

Claims (4)

1. レーザ光を吸収セルに照射して得られる光出力信号に含まれる飽和吸収線に基づき共振器長を変化させて前記レーザ光の発振周波数を特定の前記飽和吸収線に安定化させるレーザ周波数安定化装置の飽和吸収線判定方法であって、
   前記光出力信号の出力値に基づいて、大小関係にある第１閾値及び第２閾値を設定する閾値設定工程と、
   前記光出力信号の２次微分信号の出力値と前記第１閾値及び前記第２閾値とを比較し、前記共振器長が変化した際での前記２次微分信号の出力波形が、前記第２閾値未満から前記第１閾値以上となり、さらに前記第２閾値未満に変化する挙動を示したか否かを判定する波形判定工程と、
   前記波形判定工程の判定結果に基づいて、前記飽和吸収線であるか否かを判定する吸収線判定工程とを備える
   ことを特徴とする飽和吸収線判定方法。
2. 請求項１に記載の飽和吸収線判定方法において、
   前記閾値設定工程は、
   前記光出力信号の出力値の絶対値が小さくなるにしたがって、前記第１閾値及び前記第２閾値の少なくともいずれか一方の絶対値を小さく設定する
   ことを特徴とする飽和吸収線判定方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の飽和吸収線判定方法において、
   前記閾値設定工程は、
   判定対象となる飽和吸収線毎に、前記第１閾値及び前記第２閾値の少なくともいずれか一方を異なる閾値に設定する
   ことを特徴とする飽和吸収線判定方法。
4. レーザ光を吸収セルに照射して得られる光出力信号に含まれる飽和吸収線に基づき共振器長を変化させて前記レーザ光の発振周波数を特定の前記飽和吸収線に安定化させるレーザ周波数安定化装置であって、
   前記吸収セルを介したレーザ光を前記光出力信号に変換する変換装置と、
   前記変換装置にて変換された前記光出力信号の２次微分信号を生成する生成装置と、
   前記共振器長を変化させるアクチュエータと、
   前記アクチュエータの動作を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記変換装置から出力される前記光出力信号の出力値に基づいて、大小関係にある第１閾値及び第２閾値を設定する閾値設定手段と、
   前記２次微分信号の出力値と前記第１閾値及び前記第２閾値とを比較し、前記共振器長が変化した際での前記２次微分信号の出力波形が、前記第２閾値未満から前記第１閾値以上となり、さらに前記第２閾値未満に変化する挙動を示したか否かを判定する波形判定手段と、
   前記波形判定手段の判定結果に基づいて、前記飽和吸収線であるか否かを判定する吸収線判定手段とを備える
   ことを特徴とするレーザ周波数安定化装置。

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