JP2013505480A - 光キャビティの長さを安定化する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】非常に簡単で低いコストで実現できる光キャビティの鏡間の距離を調整する方法を提案する。
【解決手段】本発明は、光キャビティ（２）の２つの鏡（３、４）間の距離（Ｌ）を安定化する方法であって、入射光線を周波数コムでキャビティに入射するステップと、少なくとも２つの感知ゾーンを有するフォトダイオード（９）を用いて、キャビティによって放射または反射された光のスペクトルを観察するステップであって、フォトダイオードの少なくとも２つの感知ゾーンは、放射または反射された光に対して、スペクトルが調芯されたときフォトダイオードの２つの感知ゾーンが同等に照射されるよう配置される、ステップと、スペクトルが調芯された位置に関してスペクトルの任意のずれを解消するようキャビティ（２）の鏡（３、４）間の距離（Ｌ）を変更するステップと、を有する方法に関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ファブリ−ペロータイプの光キャビティの長さを安定化する方法に関する。

この光キャビティは、少なくとも２つの相対する鏡を有し、これらの鏡のうちの少なくとも１つが、鏡を移動して鏡間の距離を調整するアクチュエータ（一般に、このアクチュエータは圧電型である）に結合されることによって、キャビティに入射される複数の光源の波長に対応する。

この距離は、距離を制御不能にする（機械的振動、熱膨張などの）多様な要因の影響下で変動することがあるので、鏡の間の距離を所望の値に戻すために鏡の１つが移動可能であることが重要だと分かる。

このための第一の周知方法は、いわゆる（発明者の名前のPound, DreverおよびHallから命名された）「ＰＤＨ法」である。この方法は、入射光線の位相を変調することと、変調した信号をキャビティからの光線と混合することとで構成されており、（鏡間の距離と直接関連する）キャビティの周波数と光線の周波数との差を表す誤差信号を生成することができる。移動可能な鏡をサーボ制御することによって、誤差信号は解消される。この方法は、ドレバー他（Drever、Hall、Kowalski、Hough、Ford、Munley and Ward）による「光共振器を用いたレーザの位相および周波数の安定化（Laser phase and frequency stabilization using an optical resonator）」、応用物理Ｂ：レーザ光（Appl. Phys. B: Laser Opt.）、１９８３年、第３１巻、第２号、第９７〜１０５頁に記載されている。

しかしながら、一般に用いられる変調材料はパルスを変形するため、この方法をパルスレーザに用いるのは簡単ではない。しかも、この材料は高価である。

他の周知方法は、「ヘンシュ−クイヨー（Hansch-Couillaud）」法であり、入射光線を偏光してキャビティ内に干渉を発生させることで構成される。この干渉は検出器によって測定され、この検出器からの信号を用いて移動可能な鏡の位置をサーボ制御する。この調整方法は、非常に精度が高く、産業用との互換性はほとんどない。この方法は、ヘンシュ他（Hansch and Couillaud）による「反射参照キャビティの偏光分光法によるレーザの周波数の安定化（Laser frequency stabilization by polarization spectroscopy of a reflecting reference cavity）」、光通信（Opt. Commun.）、１９８０年、第３５巻、第３版、第４４１〜４４４頁に記載されている。

他の周知方法は、入射光線に小さな回折を起こしてキャビティを２つの横断モードで励起して干渉を生じさせることで構成される「チルトロック」法である。この干渉は、２つのゾーンの検出器によって測定され、検出器からの信号を用いて移動可能な鏡の位置をサーボ制御する。この方法は、シャドック他（Shaddock、Gray and McClelland）による「空間モード干渉によるレーザの光キャビティへの周波数ロック（Frequency locking a laser to an optical cavity by use of spatial mode interference）」、光学レター（Opt. Lett.）、１９９９年、第２４巻、第４４９９〜１５０１頁に記載されている。

これらの方法は、パッシブキャビティレーザおよびアクティブキャビティレーザに対して同等に実現することができる。

最後に、光パラメータ式発振器のキャビティから発した光線のスペクトルを用いることが提案されている。このスペクトルは、キャビティ内に非線型結晶が存在することによって生じるキャビティ内の群速度分散に依存する。そのため、放射された放射線の一部が取り出され、回折格子へ配向される。そして、回折された光線は、位置感知検出器（ＰＳＤ）タイプの検出器へ配向され、この検出器からの信号を用いてキャビティの移動可能な鏡の位置をサーボ制御する。特に、所望の距離が、光線が検出器の中央で接する状況に対応するようにサーボ制御を調整する。

この方法は、バタワース他（Butterworth、Girard and Hanna）による「同期励起の光パラメータ式発振器におけるキャビティの長さの安定化を達成するための簡易技術（A simple technique to achieve cavity-length stabilization in a synchronously pumped optical parametric oscillator）」、光通信（Optics Communications）、エルゼビア（Elsevier）、１９９６年、第１２３巻（４−６）、第５７７〜５８２頁に記載されている。この方法は、簡単であり安価であるが、アクティブキャビティパラメータ式発振器にしか適用することができない。

最後に、光キャビティの安定化から離れた分野では、ゴール他（Gohle、Stein、Schliesser and Hansch）による「ブロードバンド、高解像度、高感度吸収および分散スペクトルに関する周波数コムバーニア分光法（Frequency comb Vernier spectroscopy for broadband, high-resolution, high-sensitivity absorption and dispersion spectra）」、物理レビューレター（Physical Review Letters）、ＡＰＳ、２００７年、第９９巻（２６）、第２６３９０２頁の記事に、分析用サンプルを収容したファブリ−ペロー共振器にフェムト秒光周波数コムで入射することによって分光を行うことが示唆されている。くし形のｍ番目のモードがそれぞれキャビティのｎ番目のモードと共振するようキャビティの長さを選択する。これは比率ｍ／ｎのバーニア効果を産み出す。

本発明の目的は、非常に簡単で低いコストで実現できる光キャビティの鏡間の距離を調整する方法を提案することである。

この目的を達成するため、本発明は、光キャビティの２つの鏡間の距離を安定化する方法であって、
入射光線を周波数コムで（sous la forme d'un peigne de frequences）キャビティに入射するステップと、
少なくとも２つの感知ゾーンを有するフォトダイオードを用いて、キャビティによって放射または反射された光のスペクトルを観察するステップであって、フォトダイオードの少なくとも２つの感知ゾーンは、放射または反射された光に対して、スペクトルが調芯された（le spectre est centre）ときフォトダイオードの２つの感知ゾーンが同等に照射されるよう配置される、ステップと、
スペクトルが調芯された位置に関してスペクトルの任意のずれを解消するようキャビティの鏡間の距離を変更するステップと、を有する方法を提供する。

キャビティが入射光線と共振するには、その長さは、２つの連続するパルス間の距離に等しくなければならない。しかしながら、入射光線のパルスが十分に長い（典型的には、中心波長の１０倍以上）場合、中心共振波長に対応する長さと少しの波長分しか異ならないキャビティの長さに対して共振が得られる。キャビティの長さが共振を起こす長さの１つに対応する場合、光キャビティによって放射または反射される光のスペクトルは、ほぼずれることなく調芯される。

キャビティの長さが共振を起こす長さの１つに正確に等しくない場合、放射または反射された光は、ずれたスペクトルを示す。これは、入射された光線の周波数コムとキャビティの共振周波数との間のバーニア効果に起因すると思われる。この場合、ずれを解消するのに適した方向に鏡間の距離を修正すれば十分である。これによって、鏡間の距離を調芯されたスペクトルに対応する値にサーボ制御することができる。

したがって、物理レビューレター（Physical Review Letters）の「ブロードバンド、高解像度、高感度吸収および分散スペクトルに関する分光法（Spectroscopy for broadband, high-resolution, high-sensitivity absorption and dispersion spectra）」の項における単にサンプルの分光法を実行するのに用いられるフォトダイオードとは異なり、本実施例では、少なくとも２つの感知ゾーンを有するフォトダイオードを用いて鏡間の距離をサーボ制御することによって、光キャビティを安定化することができる。

実際には、本実施例において放射または反射された光は、回折格子を用いて回折され、回折された光線は、回折された光線に関してスペクトルが調芯されたときフォトダイオードの２つの感知ゾーンが同等に照射されるように配置されたクォードラントダイオードによってピックアップされる。

本発明の実施方法を示すブロック図である。 キャビティの長さが不一致である場合の結果の非対称スペクトルの図である。

本発明は、以下の添付図面を参照した本発明の特定の実施形態に関する詳細な説明を鑑みることによって、より良く理解できるであろう。

図１を参照すると、本方法は、パルスレーザに適用した本実施例で実現できる。レーザ１は、それぞれの持続時間が１００フェムト秒（ｆｓ）、中心波長が８００ナノメートル（ｎｍ）、繰返し速度が７５メガヘルツ（ＭＨｚ）のパルス形式で入射光線を送出することによって、周波数コムを形成する。光線は、固定鏡３と移動可能な鏡４とを有するファブリ−ペローキャビティ２に送られる。この移動可能な鏡は、アクチュエータ５によって固定鏡に近付くまたは遠ざかる方向へ移動することができる。本実施例では、鏡間の距離Ｌは、ほぼ４メートル（ｍ）である。キャビティに入り込んだ光線は、２つの対面する鏡上で何回も反射する。キャビティ２は、分析可能な特性を有する出力光線６を放射する。

本発明によれば、放射された光線６の一部は、分離器７を用いて取り出されて回折格子８に照射される。回折された光線は、２つの感知ゾーンを有するクォードラントフォトダイオード９によって受信される。これらの感知ゾーンは、それぞれが対応するゾーンによって受信された放射線の強度に比例する電気信号１０および１１を生成する。信号間の差を求めることによって、補正器１２への入力を形成する誤差信号を規定する。詳細には、本実施例における補正器は、アクチュエータ５を制御する信号を形成する出力を有する比例積分微分（ＰＩＤ）補正器である。したがって、距離Ｌは、誤差信号がゼロで、フォトダイオード９の２つの感知ゾーンにバランスよく当たっている調芯されたスペクトルに対応する値Ｌ^*にサーボ制御される。

図２は、距離Ｌが共振距離Ｌ^*と異なる場合に放射される光線のスペクトルを示す。このスペクトルが（本実施例では右方向に）ずれることによって、スペクトルは非対称となり、ゼロでない誤差信号が生じる。上述した安定化法によって、キャビティ内の距離Ｌを、（サーボ制御システムでよく知られている遅延誤差を無視すると）スペクトルが対称である値Ｌ^*に戻すことができる。

上述のように維持される距離Ｌ^*は、実際には、基本共振距離Ｌrに少数の波長を加えたものに対応する距離に等しい。この距離において、距離Ｌが値Ｌ^*を横切るごとに誤差信号の符号が変わるので、その結果、距離Ｌが値Ｌ^*を横切ったとき、移動可能な鏡の移動方向を変更することができる。通常、符号の変更は、基本共振距離Ｌrの周囲で観察されないことに留意されたい。しかしながら、ずれは最小（数メートルの距離と比較すると少数マイクロメートル）で完全に許容範囲である。

本発明の方法は、特に安価な手段を用いて実現することが簡単である。

当然、本発明は、上記記載内容に制限されないが、特許請求の範囲によって規定される範囲に含まれる任意の変形例を網羅する。

特に、本発明の安定化法は、パッシブ光キャビティへの適用例で示されているが、当然、本方法は、例えば、非線形結晶を有するアクティブ光キャビティまたは分光法による分析のためのサンプルを有するキャビティに適用可能である。

本実施例において用いられた補正器は、ＰＩＤ補正器であるが、当然、他の補正器を用いることができる。例えば（単なる比例補正器などの）より簡易な補正器、または、例えばＨ−無限大（Ｈ∞）補正器などのより複雑な補正器のいずれでもよい。一般に、誤差信号は、クォードラントフォトダイオードまたは非対称性を感知する任意の他の装置を用いて本明細書で記載したように、キャビティによって放射された光スペクトルにおいて非対称性を観察することによって生成される。

クォードラントフォトダイオードを用いることによってスペクトルのずれが観察されると述べられているが、本発明は、このフォトダイオードの使用に制限されない。スペクトルのずれを表す信号を生成することができる任意の手段を用いることができる。

最後に、本発明は、キャビティによって放射された光のスペクトルに適用されると述べたが、本方法は、キャビティによって光源方向に反射した光のスペクトルの監視にも同様に適切に適用することができる。

Claims (2)

1. 光キャビティの２つの鏡間の距離を安定化する方法であって、
   入射光線を周波数コムで前記キャビティに入射するステップと、
   少なくとも２つの感知ゾーンを有するフォトダイオードを用いて、前記キャビティによって放射または反射された光のスペクトルを観察するステップであって、前記フォトダイオードの前記少なくとも２つの感知ゾーンは、前記放射または反射された光に対して、前記スペクトルが調芯されたとき前記フォトダイオードの２つの感知ゾーンが同等に照射されるよう配置される、ステップと、
   前記スペクトルが調芯された位置に関して前記スペクトルの任意のずれを解消するよう前記キャビティの鏡間の距離を変更するステップと、を有する方法。
2. 前記スペクトルのずれを表す誤差信号は、前記フォトダイオードの２つの感知ゾーンによってそれぞれ生成された信号間の差を取ることによって生成され、
   前記誤差信号は、前記キャビティの鏡のうちの１つを移動させるアクチュエータを制御するのに用いられる、請求項１に記載の方法。

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