JP2014190759A - 周波数測定装置、及び周波数測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成で光コムのモード次数を特定し、測定対象のレーザの絶対周波数を測定する周波数計測装置、及び周波数計測方法を提供する。
【解決手段】周波数測定装置１は、光周波数コム装置２と、周波数可変で周波数に応じて発振モードが変化するモード移行周波数を有する周波数可変レーザ装置３と、周波数可変レーザの発振モードを観測する発振モード観察部６と、光周波数コムと周波数可変レーザとを干渉させた際の第一ビート周波数、及び測定対象レーザと周波数可変レーザとを干渉させた際の第二ビート周波数を計測するビート周波数測定部７とを備え、周波数可変レーザの周波数を変化させた際の発振モードの観測結果に基づいて、第一ビート周波数を計測する際の光周波数コムのモード次数を特定し、モード次数と、第一ビート周波数及び第二ビート周波数とに基づいて、測定対象レーザ装置の発振周波数を測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光周波数コム装置を用いた周波数測定装置、及び周波数測定方法に関する。

近年、レーザ周波数を計測するために、光周波数コム装置（光コム装置）を利用する方法が提案されている。
この光コム装置は、繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐで櫛状の縦モードのスペクトルの光を出力する装置であり、この繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐがどの波長帯においても正確に等しいという性質を持っている（例えば、特許文献１参照）。

このような光コム装置を用いた周波数測定について、説明する。
図１６は、光コム装置から出力される光コムと、測定対象となるレーザとの周波数スペクトルを示す図である。
光コムにおけるｎ番目のコムモードの発振周波数ν_ｎは、以下の式により表すことができる。

ν_ｎ＝ｎ・ｆ_ｒｅｐ＋ｆ_ＣＥＯ …（１）

ｎはモード次数であり、最初のモードをゼロ番目としたとき、何番目のモードかを示す。ここで、測定対象のレーザ（周波数ν_laser）と光コムとを干渉させると、以下の式（２）に示すように、その差周波数ｆ_Ｂがビート信号として観察される。

ｆ_Ｂ＝ν_{ｌａｓｅｒ}−ν_ｎ …（２）

従って、式（１）と式（２）から、周波数ν_{ｌａｓｅｒ}は、以下の式（３）のように求めることができる。

ν_{ｌａｓｅｒ}＝ｎ・ｆ_ｒｅｐ＋ｆ_ＣＥＯ＋ｆ_Ｂ …（３）

このため、光コムの繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐ及びｆ_ＣＥＯを、基準周波数（例えば、協定世界時に同期した周波数）に同期させ、ビート周波数ｆ_Ｂを測定すれば、適当な整数ｎを決定することで測定対象のレーザの正確な絶対周波数ν_{ｌａｓｅｒ}を測定（算出）することができる。

ところで、従来、モード次数ｎの決定方法として、以下のような４つの方法のいずれかが採られていた。
第１の方法は、測定対象のレーザで見込まれる絶対周波数を利用する方法である。特定の分子の吸収線に安定化されたレーザの周波数は、繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐに対して十分な精度を有するため、このことを利用すれば次数ｎを一意に決定することができる。異なる次数ｎが選ばれた場合、その結果得られる絶対周波数の算出結果は見込まれる範囲を超えた値になることが多いために、正しい次数ｎが選ばれたかどうかを見極めることができる。

第２の方法は光波長計を併用する方法である。この方法では、光波長計によりレーザの波長を６〜７桁程度の精度で測定する。例えば、ヨウ素安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザの周波数（約４７４ＴＨｚ）域で７桁の精度で測定されると、５０ＭＨｚ程度の精度で周波数を知ることができる。従って、繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐが５０ＭＨｚよりも十分大きいのであれば、次数ｎを一意に決めることができる。

第３の方法は、光コムの繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐを変えてビート周波数ｆ_Ｂの変化量を観察する方法である（非特許文献１参照）。
光コムの繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐをΔｆ_ｒｅｐだけ変化させると、式（１）により、ｎ番目のモードの周波数はｎΔｆ_ｒｅｐだけ変化する。従って、測定対象のレーザとのビート周波数ｆ_Ｂを観察し、ｆ_ｒｅｐをΔｆ_ｒｅｐだけ変化させた際の、ビート周波数ｆ_Ｂの変化量Δｆ_Ｂを観察すると、それは、ビート信号を発生させている光コムのモード周波数の変化量ｎΔｆ_Ｂに相当する。つまり、Δｆ_Ｂ＝ｎΔｆ_ｒｅｐとなり、ｎ＝Δｆ_Ｂ／Δｆ_ｒｅｐとして次数ｎを求めることが可能となる。

第４の方法は、２台の光コム装置を用いる方法である（非特許文献２参照）。
この方法では、共通のマイクロ周波数を基準とした２台の光コム装置を用いる。これらの２台の光コム装置からの光を、それぞれ測定対象レーザと干渉させ、それぞれのビート周波数（ｆ_{Ｂ１_comb＃１}，ｆ_{Ｂ１_comb＃２}）を同時に計測する。そして、２台の光コム装置のうちの一方の繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐをΔｆ_ｒｅｐだけ変化させ、再度２台の光コム装置の光コムと測定対象のレーザとのビート周波数（ｆ_{Ｂ２_comb＃１}，ｆ_{Ｂ２_comb＃２}）を同時に計測する。
この場合、以下の式（４）に示すように次数ｎを求めることができる。

特開２００９−１７５５７６号公報

L.S.Ma,M.Zucco,S.Picard,L.Robertsson,and R.S.Windeler,"A new method to determine the absolute mode number of a mode-locked femtosecond-laser comob used for absolute optical frequency measurements,"IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,vol.9,pp.1066-1071,Jul-Aug 2003. H.Inaba,Y.Nakajima,F.L.Hong,K.Minoshima,J.Ishikawa,A.Onae,H.Matsumoto,M.Wouters,B.Warrington,and N.Brown,"Frequency Mesurement Capability of a Fiber-Based Frequency Comb at 633nm,"IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,vol.58,pp.1234-1240,April 2009.

ところで、上述した第１の方法では、特別な測定が不要であり簡単に次数を決定できるが、遷移周波数が既知の分子に安定化されたレーザにしか適用できない。従って、産業的に最もよく用いられる簡易安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザ等に適用することができない。
また、第２の方法では、波長計の数値を読むだけの簡単な測定で、容易に次数を決定できるが、実際には、７桁の精度で波長を計測する波長計は高価になり、測定装置のコストが高くなる。また、光コム装置として、モード同期ファイバーレーザを用いる場合では、５０ＭＨｚをはるかに超えるような大きい繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐ（例えば５００ＭＨｚ）を実現することが極めて難しいという課題がある。

第３の方法では、整数値ｎ＝Δｆ_Ｂ／Δｆ_ｒｅｐを正確に決定するために、その不確かさを１より十分小さくする必要がある。この不確かさは、測定値であるΔｆ_Ｂの周波数安定度で決まり、主に測定対象レーザおよび基準周波数の周波数安定度により決まる。Δｆ_Ｂの周波数安定度はΔｆ_ｒｅｐ（設定値）によらないので、Δｆ_ｒｅｐをΔｆ_Ｂの周波数安定度よりも十分に大きくとればΔｆ_Ｂ／Δｆ_ｒｅｐの不確かさは十分に小さくなり、正確に整数次数を決定することができる。しかしながら、例えば、ヨウ素安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザの場合、１０００秒の平均値でも周波数安定度（アラン偏差）は５０Ｈｚ程度であり、設定する周波数変化量Δｆ_ｒｅｐはこれよりも十分大きい必要がある。これを満たそうとして、例えばｆ_ｒｅｐ＝５０ＭＨｚの光コムにおいて、Δｆ_ｒｅｐを５００Ｈｚとすると、６３３ｎｍ帯のモードの光周波数は、５ＧＨｚ程度変化することになり、すなわちΔｆ_Ｂも５ＧＨｚ程度となる。ここで、図１６に示すように、光コムと測定対象レーザとのビート信号は、繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐ、測定対象レーザと近いコムモードとのビート信号ｆ_Ｂ、次に近いコムモードのビート信号ｆ_Ｂ´が観察される。従って、上記のように５ＧＨｚものビート周波数の変化を測定するためには、観察すべきビート信号がｆ_ｒｅｐ及びゼロ周波数の間を約１００往復するのを正確にカウントする必要が生じ、煩雑な処理が伴う。

第４の方法は、前述した測定対象レーザおよび基準周波数の周波数揺らぎを相殺して、数Ｈｚ程度の小さいΔｆ_ｒｅｐでもｎが決まるよう改良を施した方法であり、分子吸収線に安定化したレーザに限らず、簡易的に安定化したレーザでも実施できる方法である。しかしながら、光コム装置を２台準備し、同時に操作する必要があり、システムが高価になり、測定が複雑になるという課題がある。

本発明は、以上のような問題に鑑み、簡素な構成で光コムのモード次数を特定し、測定対象のレーザの絶対周波数を測定する周波数測定装置、及び周波数測定方法を提供することを目的とする。

本発明の周波数測定装置は、光周波数コム装置と、周波数可変で、かつ、当該周波数に応じて発振モードが高次から低次に、あるいは低次から高次に変化するモード移行周波数を有する周波数可変レーザ装置と、前記発振モードを観測する手段と、前記光周波数コム装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を計測する手段と、測定対象レーザ装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を計測する手段と、を備え、前記周波数可変レーザ装置の発振周波数を変化させた際の前記発振モードの観測結果に基づいて、前記第一ビート周波数を計測する際の前記光周波数コム装置からの出力光のモード次数を特定し、前記モード次数と、計測された前記第一ビート周波数及び前記第二ビート周波数とに基づいて、前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定することを特徴とする。
周波数可変レーザを所定の第一ビート周波数で光コムに安定化する場合には、その周波数を計測せずに、位相同期の基準周波数として設定した指令値を使用してもよい。

本発明では、周波数可変レーザの発振モード数が変化する絶対周波数値（モード移行周波数）がほぼ変わらない現象を利用して光コムのモード次数を特定することで、測定対象のレーザの絶対周波数を容易に求めることができる。また、１台の光コム装置を利用する構成となるので構成の簡略化を図れる。さらに、分子吸収線に安定化したレーザの周波数のみならず、簡易的に安定化したレーザの周波数も測定することができる。

本発明の周波数測定装置は、光周波数コム装置と、周波数可変で、かつ、当該周波数に応じて発振モードが高次から低次にあるいは低次から高次に変化するモード移行周波数を有する周波数可変レーザ装置と、前記発振モードを観測する手段と、前記光周波数コム装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を観測または計測する手段と、測定対象レーザ装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を観測または計測する手段と、前記測定対象レーザ装置と前記光周波数コム装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第三ビート周波数を計測する手段と、を備え、前記周波数可変レーザ装置の発振周波数を変化させた際の前記発振モードの観測結果および前記第一ビート周波数及び前記第二ビート周波数の観測または計測結果に基づいて、前記第三ビート周波数を計測する際の前記光周波数コム装置からの出力光のモード次数を特定し、前記モード次数と、計測された前記第三ビート周波数とに基づいて、前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定することを特徴とする。

ここで、本発明において「観測」とはおおよその周波数を把握する処理であり、例えばスペクトラムアナライザ等により実施される処理等を示す。これに対して「計測」とは、より正確な周波数を把握する処理であり、例えば周波数カウンタにより周波数をカウントする処理等を示す。なお、周波数カウンタを観測する手段に用いたとしても全く問題はない。また、発振モード観察結果を得る際には、第一ビート周波数を測定又は観測する手段を用いても、別途観察するための手段を用いてもよい。

本発明では、第一ビート周波数を観測する手段で、周波数可変レーザの周波数を変化させた際の発振モードの変化を観察し、第一ビート周波数及び第二ビート周波数に基づいて、第三ビート周波数を計測する際の光コムのモード次数を特定する。
この場合、周波数可変レーザに対応するコムモードのモード次数をｎとした場合に、測定対象レーザに対応するコムモードのモード次数ｎ＋αとして特定することになる。したがって、このモード次数ｎ＋αの光コムの周波数を算出でき、第三ビート周波数により、容易に測定対象レーザの周波数を算出できる。
本手法は、周波数を正確に測定する必要があるのは第三ビート周波数のみで、第一ビート周波数と第二ビート周波数は、低い精度で簡易的な計測（観測）で良いため、より簡単に測定対象のレーザの絶対周波数の測定を実現することができる。

本発明の周波数測定装置は、光周波数コム装置と、周波数可変で、かつ、周波数に応じて強度が変化する周波数可変レーザ出力装置と、前記周波数可変レーザ装置からの出力光の強度を観察する強度観測手段と、前記光周波数コム装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を計測する手段と、測定対象レーザ装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を計測する手段と、を備え、前記周波数可変レーザ装置の周波数を変化させた際の前記強度の観測結果に基づいて、前記第一ビート周波数を計測する際の前記光周波数コム装置からの出力光のモード次数を特定し、前記モード次数と、計測された前記第一ビート周波数及び前記第二ビート周波数とに基づいて、前記測定対象レーザの周波数を測定することを特徴とする。

本発明では、光強度の測定といった非常に簡単な手法で光コムのモード次数が特定できるため、測定対象レーザの絶対周波数をより簡単に測定できる。

本発明の周波数測定装置は、光周波数コム装置と、周波数可変で、かつ、周波数に応じて強度が変化する周波数可変レーザ装置と、前記周波数可変レーザ装置からの出力光の強度を観察する強度観測手段と、前記光周波数コム装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を観測または計測する手段と、測定対象レーザ装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を観測または計測する手段と、前記測定対象レーザ装置と前記光周波数コム装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第三ビート周波数を計測する手段と、を備え、前記周波数可変レーザ装置の周波数を変化させた際の前記強度の観測結果及び前記第二ビート周波数の観測または計測結果に基づいて、前記第三ビート周波数を計測する際の前記光周波数コム装置からの出力光のモード次数を特定し、前記モード次数と、計測された前記第三ビート周波数とに基づいて、前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定することを特徴とする。

本発明では、測定手段は、周波数可変レーザの周波数を変化させた際の強度変化を観察し、第一ビート周波数及び第二ビート周波数に基づいて、第三ビート周波数を計測した際の光コムのモード次数ｎ＋αを特定する。したがって、上記発明と同様に、測定対象レーザとで第三ビート周波数を発生させているコムムードの周波数と第三ビート周波数とにより、測定対象レーザの周波数を正確、かつ容易に求めることができる。
本発明でも、光強度の観測によって簡単に光コムのモード次数が特定でき、第三ビート周波数のみ高い精度の測定を行えばよいため、より簡単に測定対象のレーザの絶対周波数を測定することができる。

本発明の周波数測定装置において、前記周波数可変レーザ装置は、周波数を変化させた際に、前記発振モードが２モードあるいはそれ以上のマルチモードからシングルモードに変化、または、シングルモードから２モードあるいはそれ以上のマルチモードに変化するモード移行周波数を有するレーザを出力することが好ましい。
この場合、モード移行周波数の再現性が光コムの繰り返し周波数よりも十分小さく、かつ繰り返し周波数よりも十分小さい不確かさで、値付けされている必要がある。そうすれば、発振モードを観察する手段によって認識した周波数可変レーザのモード移行周波数と第一ビート周波数と光コムの繰り返し周波数やオフセット周波数に基づいて、光コムのコムモードのモード次数を容易かつ精度よく特定することができる。

本発明の周波数測定装置において、前記周波数可変レーザ装置は、複数の前記モード移行周波数を有し、複数の前記モード移行周波数のうち、何れか、あるいは、すべてを用いて前記モード次数を特定することが好ましい。
本発明では、１つのモード移行周波数のみを用いる場合に比べて、より精度よくモード次数を特定することができ、測定対象レーザの周波数をより正確に測定することができる。

本発明の周波数測定装置において、複数の前記モード移行周波数の平均値を利用して、前記モード次数を特定することが好ましい。
周波数可変レーザ装置の経年変化等による利得低下等の影響により各モード移行周波数が変化することが考えられるが、モード移行周波数の平均値を利用すれば、レーザ媒質の性質に依存する普遍的な値に近くなるため、経年劣化の影響を受けにくい。このため、本発明のように複数のモード移行周波数の平均値を用いてモード次数を特定することで、特定したモード次数の信頼性を高めることができ、測定対象レーザの周波数の信頼性も高めることができる。

本発明の周波数測定装置において、前記周波数可変レーザ装置の発振周波数を低周波数から高周波数に向かって変化させた場合、及び前記周波数を高周波数から低周波数に向かって変化させた場合においてそれぞれ得られる前記モード移行周波数の平均値を用いて、前記モード次数を特定することが好ましい。
周波数可変レーザにおいて、周波数を低周波数から高周波数に向かって変化させた際に観測されるモード移行周波数と、高周波数から低周波数に向かって変化させた際に観測されるモード移行周波数との間にずれ（ヒステリシス）が生じる場合がある。これに対して、本発明では、１つのモード移行周波数に対して、モード移行周波数を双方向から検出してその平均値を用いることで、ヒステリシスの影響を除外することができる。

本発明の周波数測定装置において、前記モード移行周波数は、前記発振モードが、所定の次数に変化する周波数で定義されていることが好ましい。
本発明では、上記発明と同様、ヒステリシスの影響を除外することができる。

本発明の周波数測定装置において、前記出力強度が最大値、最小値、極大値、及び極小値のいずれかとなる発振周波数を用いて、前記モード次数を特定することが好ましい。
強度を観測結果に用いる場合、上述したような値の少なくとも何れかの一つの状態の時の発振周波数をよりどころにすることで、容易に光コムのモード次数を特定できる。

本発明の周波数測定装置において、前記光周波数コム装置は、光周波数コムの繰り返し周波数を変更可能であり、前記周波数可変レーザ装置は、その発振周波数を前記光周波数コムに位相同期させた状態で、前記繰り返し周波数の変化に応じて前記周波数を変化させることが好ましい。
本発明では、周波数可変レーザを光コムに位相同期させるので、光コムの繰り返し周波数を微小変化させると、位相同期された周波数可変レーザの周波数もそれに応じて、発振周波数が変化する。このことを利用して、周波数可変レーザの周波数を走査して例えばモード移行周波数に設定することで、周波数可変レーザを安定化している光コムのモード次数を簡単に求めることができる。

本発明の周波数測定装置において、前記周波数可変レーザ装置は、Ｈｅ−Ｎｅレーザであることが好ましい。
周波数可変可能なＨｅ−Ｎｅレーザは、モード移行周波数や強度変化が、極めて再現性良く現れるために、モード次数の特定がより確実に実施できる。

本発明の周波数測定方法は、光周波数コム装置と周波数可変でかつ周波数に応じて発振モードが変化する周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を計測する第一ビート計測ステップと、測定対象レーザ装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を計測する第二ビート計測ステップと、前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定する測定ステップと、を実施し、前記測定ステップは、前記周波数可変レーザ装置の発振周波数を変化させた際の発振モードの観測結果に基づいて、前記第一ビート周波数を計測する際の前記光周波数コム装置から出力光のモード次数を特定し、このモード次数と、計測された前記第一ビート周波数及び前記第二ビート周波数とに基づいて、前記測定対象レーザ装置の発振の周波数を測定することを特徴とする。

また、本発明の周波数測定方法は、光周波数コム装置と周波数可変でかつ周波数に応じて発振モードが変化する周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を観測または計測する第一ビート観測ステップと、測定対象レーザ装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を観測または計測する第二ビート観測ステップと、前記測定対象レーザ装置と前記光周波数コム装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第三ビート周波数を計測する第三ビート計測ステップと、前記測定対象レーザの発振周波数を測定する測定ステップと、を実施し、前記測定ステップは、前記周波数可変レーザ装置の発振周波数を変化させた際の発振モードの観察結果及び前記第一ビート周波数及び前記第二ビート周波数の観測または計測結果に基づいて、前記第三ビート周波数を計測する際の前記光周波数コム装置からの出力光のモード次数を特定し、このモード次数と、計測された前記第三ビート周波数とに基づいて、前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定することを特徴とする。

また、本発明の周波数測定方法は、周波数可変でかつ周波数に応じて強度が変化する周波数可変レーザ装置の出力光の強度を観測する強度観測ステップと、光周波数コム装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を計測する第一ビート計測ステップと、前記測定対象レーザ装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を計測する第二ビート計測ステップと、前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定する測定ステップと、を実施し、前記測定ステップは、前記周波数可変レーザ装置の発振周波数を変化させた際の前記強度の観測結果に基づいて、前記第一ビート周波数を計測する際の前記光周波数コムのモード次数を特定し、このモード次数と、計測された前記第一ビート周波数及び前記第二ビート周波数とに基づいて、前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定することを特徴とする。

また、本発明の周波数測定方法は、周波数可変でかつ周波数に応じて強度が変化する周波数可変レーザ装置の出力光の強度を観測する強度観測ステップと、光周波数コム装置と前記周波数可変レーザ装置との出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を観測または計測する第一ビート観測ステップと、測定対象レーザ装置と前記周波数可変レーザ装置との出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を観測または計測する第二ビート観測ステップと、前記測定対象レーザ装置と前記光周波数コム装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第三ビート周波数を計測する第三ビート計測ステップと、前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定する測定ステップと、を実施し、前記測定ステップは、前記周波数可変レーザ装置の発振周波数を変化させた際の前記強度の観測結果及び前記第一ビート周波数および前記第二ビート周波数の観測または計測結果に基づいて、前記第三ビート周波数を計測する際の前記光周波数コム装置化からの出力光のモード次数を特定し、このモード次数と、計測された前記第三ビート周波数とに基づいて、前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定することを特徴とする。

上述のような本発明の周波数測定方法では、周波数測定装置の発明と同様に、複数の光コム装置を用いることなく、簡単な構成で、かつ精度よく測定対象レーザの周波数を測定することができる。

本発明に係る第一実施形態の周波数測定装置の概略構成を示す模式図。 第一実施形態の周波数可変レーザ源における発振モードの変化状態を示す図。 第一実施形態において、光コムの繰り返し周波数を微小変化させた際の光コム、及び周波数可変レーザの周波数変化を示す図。 第一実施形態において、周波数可変レーザをマルチモード発振させた際のスペクトルを示す図。 第一実施形態において、周波数可変レーザをシングルモード発振させた際のスペクトルを示す図。 図４で示したスペクトルでマルチモード発振している周波数可変レーザと光コムによって発生する干渉ビート信号の周波数スペクトルを示す図。 図５で示したスペクトルでシングルモード発振している周波数可変レーザと光コムによって発生する干渉ビート信号の周波数スペクトルを示す図。 第一実施形態の周波数測定方法を示すフローチャート。 第二実施形態の周波数測定方法を示すフローチャート。 第二実施形態において、周波数可変レーザの周波数ロックを説明するための図。 第四実施形態の周波数測定装置の概略構成を示す模式図。 第四実施形態において、パワーメーターにより観察される周波数可変レーザの強度を示す図。 第五実施形態の周波数測定装置の概略構成を示すブロック図。 第五実施形態の周波数測定方法を示すフローチャート。 他の実施形態において、位相ロック解除をした場合の処理を説明するための図。 光コムと測定対象のレーザとを干渉させた際の干渉光のスペクトルを示す図。

［第一実施形態］
以下、本発明に係る第一実施形態の周波数測定装置について、図面に基づいて説明する。
図１は、第一実施形態の周波数測定装置１の概略構成を示す模式図である。
図１に示すように、本実施形態の周波数測定装置１は、光コム装置（光周波数コム装置）２と、周波数可変レーザ装置３と、第一ビート干渉計４と、第二ビート干渉計５と、発振モード観察部６と、ビート周波数測定部７と、ＰＣ８と、を備えている。ここで、光コム装置２と、周波数可変レーザ装置３と、第一ビート干渉計４と、発振モード観察部６と、ビート周波数測定部７における第一周波数カウンタ７１（第一ビート計測手段）により、光コムのモード次数を特定して、測定対象レーザの絶対周波数を正確に測定（算出）する装置である。

［光コム装置２の構成］
光コム装置２は、光コム発生器２１と、基準信号発生器２２と、を備えている。
光コム発生器２１は、光コムを発生させる光学系と光コムを基準信号に位相同期して安定化するための周波数合成系や位相同期系を備えて構成されている。
この光コム発生器２１は、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）ｆ_ＣＥＯを端数として、可視光から近赤外光の波長の範囲内において周波数間隔ｆ_ｒｅｐのコムモード（ｆ_ＣＥＯ＋ｎ・ｆ_ｒｅｐ）の光（光コム）を出力する。ｆ_ＣＥＯとｎ・ｆ_ｒｅｐのそれぞれの周波数を基準信号発生器２２から出力される基準周波数に位相同期かけて光コムの発振周波数を安定化する。
なお、光コム装置２のより詳細な説明は、例えば特開２００２−１６２６５９号公報等に記載されている構成と同様であるため、ここでの説明は省略する。

［周波数可変レーザ装置３の構成］
周波数可変レーザ装置３は、光源部３１と、コントローラー３２とを備える。
光源部３１は、例えば共振器長などを変化させることで縦モード周波数が決まるレーザ装置である。この光源部３１のレーザ媒質としては、当該レーザ媒質により決まる発振可能周波数帯域Ｗが共振器長によって決まる縦モードにおける縦モード間隔Ｇよりも広いものであり、１〜２倍程度であると好適である。または、光源部３１として、発振モードまたは出力値が、発振周波数に対して再現性よく変化するものを用いる。

このような光源部３１として、本実施形態の説明においては、周波数可変レーザにＨｅ−Ｎｅをレーザ媒体として発振周波数が可変可能なレーザを用いた場合を例に説明する。
例えば、波長６３２．８ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザを用いる場合、レーザ遷移はＮｅ原子の３ｓ_２（上準位）及び２ｐ_４（下準位）であり、縦軸を利得、横軸をレーザ周波数としたときの利得曲線は、幅（発振可能周波数帯域Ｗ）が約１．５ＧＨｚのガウス分布となる。ここで、光源部３１の共振器長を１５０ｍｍで構成すると、縦モード間隔Ｇは約１ＧＨｚになる。なお、本実施形態ではＨｅ−Ｎｅレーザを例示するがこれに限定されず、発振モードや強度が周波数に応じて再現性良く変化する光源部３１であればいかなるレーザ光源を用いてもよい。

図２（Ａ）〜（Ｅ）は、本実施形態の光源部３１において、共振器長を変化させて発振周波数を一方向（低周波数から高周波数）に走査した場合の発振モードの変化状態を示す図である。
上記のような光源部３１では、ある状態では、図２（Ａ）に示すように、周波数可変レーザは、２つの縦モードで発振している状態（マルチモード）であり、発振周波数を高周波数側にシフトさせていくと、図２（Ｂ）に示すように、所定の第一移行周波数ν_Ｃ１で、マルチモードからシングルモードに移行する。さらに発振周波数を高周波数側にシフトさせると、図２（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、所定の第二移行周波数ν_Ｃ２まで、シングルモードが続き、この第二移行周波数ν_Ｃ２を超えると、図２（Ｅ）に示すように、再びマルチモードに変化する。

このようなモード移行周波数（第一移行周波数ν_Ｃ１及び第二移行周波数ν_Ｃ２）は、レーザ媒質の利得帯域、共振器長により決まる縦モード間隔、及び共振器における光損失で決まった値となる。また、図２の（Ａ）から（Ｅ）で示した周波数の走査を行った場合、第一移行周波数ν_Ｃ１と第二移行周波数ν_Ｃ２は、光コムの繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐよりも十分小さい値で繰り返し良く再現する。具体的には、繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐが５０ＭＨｚ程度であるのに対して、第一移行周波数ν_Ｃ１のばらつき（ｋ＝１）は１０ＭＨｚ以下である。
また、発振周波数に対する出力変化はレーザ媒質のガウス分布上の利得曲線に応じて変化する。その利得曲線そのものはその性質上大きく変化することはないため、比較的再現性良く、出力が最大となる周波数を得ることができる。
本実施形態では、周波数可変レーザの第一移行周波数ν_Ｃ１、または第二移行周波数ν_Ｃ２、あるいは強度が最大となる発振周波数を周波数マーカーとして用いる。これらのモード移行周波数ν_Ｃ１，ν_Ｃ２や強度が最大となる発振周波数は、例えば基準レーザとのビート周波数測定などを行うことによって、予め値付けしておく。あるいは、分光学等で既に解明されている元素の遷移周波数の値などを参考に推定してもよい。いずれの方法であっても、光コムの周波数間隔よりも十分に小さい不確かさで値付けされていればよい。

周波数可変レーザ装置３のコントローラー３２は、光源部３１の共振器長を制御して、周波数可変レーザの発振周波数を変化させ、発振モードを変化させる。
この時、コントローラー３２は、第一ビート干渉計４からの出力を監視し、周波数可変レーザと光コムとを位相同期させる。

図３は、本実施形態において、光コムの繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐを微小変化させた際の周波数可変レーザの周波数の変化を示す図である。図３において、周波数可変レーザの周波数をＡ、光コムのコムモードのモード次数をｎ、そのコムモードの周波数をν_ｃｏｍｂで示す。
図３に示すように、光コムの繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐをΔｆ_ｒｅｐだけ微小変化させると、コムモードの周波数ν_ｃｏｍｂは、ｎ・Δｆ_ｒｅｐだけ周波数が変化する。この場合、光コムに位相同期している周波数可変レーザの周波数も、コントローラー３２により、ｎ・Δｆ_ｒｅｐだけ周波数がシフトされる。

［第一ビート干渉計４の構成］
第一ビート干渉計４は、図１に示すように、ビームスプリッター４１，４２と、第一ビート検出部４３と、を備える。
この第一ビート干渉計４では、第一ビート検出部４３に光コムと周波数可変レーザとの干渉光（基準干渉光）が入射される。そして、第一ビート検出部４３は、第一ビート周波数（第一ビート信号）を、発振モード観察部６、ビート周波数測定部７、及び周波数可変レーザ装置３のコントローラー３２に出力する。
なお、コントローラー３２は、この信号に基づいて、周波数可変レーザの周波数を光コムに追従させて変化させる。

［第二ビート干渉計５の構成］
第二ビート干渉計５は、図１に示すように、反射ミラー５１と、ビームスプリッター５２と、第二ビート検出部５３とを備えている。
この第二ビート干渉計５では、第二ビート検出部５３にレーザ光源装置Ｘから射出された測定対象レーザと周波数可変レーザとの干渉光（測定用干渉光）が入射される。そして、第二ビート検出部５３は、第二ビート周波数（第二ビート信号）を、ビート周波数測定部７に出力する。

［発振モード観察部６の構成］
発振モード観察部６は、本発明の第一ビート検出部４３とともに、本発明の観測手段を構成し、周波数可変レーザの発振モードを観察する。
図４は、周波数可変レーザがマルチモードで発振している際の、光コムと周波数可変レーザのスペクトルを示している。また、図５は、周波数可変レーザがシングルモード発振している場合の、光コムと周波数可変レーザのスペクトルを示している。
また、図６は、図４のようなスペクトルに対して検出される干渉ビート信号の周波数スペクトルを示す図である。図７は、図５のようなスペクトルに対して検出される干渉ビート信号の周波数スペクトルを示す図である。

図４から図７に示すように、周波数可変レーザが、マルチモードからシングルモードに移行すると、０から繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐまでの間で観測されるビート周波数の数が４つから２つに減少し、シングルモードからマルチモードに移行すると２つから４つに増加する。
したがって、発振モード観察部６によりこのようなビート周波数の数を観測することで、周波数可変レーザがマルチモードで発振している状態か、シングルモードで発振している状態かを、容易に判定することが可能となる。

［ビート周波数測定部７の構成］
ビート周波数測定部７は、第一周波数カウンタ７１（第一ビート計測手段）、及び第二周波数カウンタ７２（第二ビート計測手段）を備えている。
第一周波数カウンタ７１には、第一ビート干渉計４の第一ビート検出部４３からの第一ビート信号が入力され、第一ビート周波数をカウント（計測）する。
第二周波数カウンタ７２には、第二ビート干渉計５の第二ビート検出部５３からの第二ビート信号が入力され、第二ビート周波数をカウント（計測）する。

［ＰＣ８の構成］
ＰＣ８は、ＣＰＵやメモリー等により構成されており、所定のプログラムを読み込んで実行することで、図１に示すように、周波数算出手段８１として機能する。
この周波数算出手段８１は、発振モード観察部６からの検出信号に基づいて、光コムのコムモードのモード次数ｎを特定し、特定したモード次数ｎと、ビート周波数測定部７により計測された第一ビート周波数及び第二ビート周波数とを用いて、測定対象レーザの正確な絶対周波数を算出する。

［周波数測定装置による周波数測定方法］
次に、上述のような周波数測定装置を用いた周波数測定方法について、図面に基づいて説明する。
図８は、本実施形態の周波数測定方法を示すフローチャートである。
本実施形態の周波数測定方法では、まず、周波数可変レーザを光コムに位相同期させ、周波数差ｆ_{ｂｅａｔ１}で周波数可変レーザを光コムに安定化する（ステップＳ１）。
次に、光コムの繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐを微小量（Δｆ_ｒｅｐ）変化（例えば増加）させる（ステップＳ２）。
次に、周波数算出手段８１は、発振モード観察部６の観測結果に基づいて、発振モードがマルチモードからシングルモードに変化したか否かを判定する（ステップＳ３）。ステップ３で「Ｎｏ」と判定された場合は、ステップＳ２に戻り、周波数可変レーザの周波数走査を継続する。
一方、ステップＳ３で「Ｙｅｓ」と判定された場合、その時の繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐ１を記録する（ステップＳ４）。
光コムを基準周波数に位相同期かけて安定化する場合、周波数シンセサイザを基準周波数に位相同期して光コムのｆ_ｒｅｐを安定化するための参照周波数を発生させる。したがって、ステップＳ４で記録するｆ_ｒｅｐ１は、周波数シンセサイザで発生させた参照周波数の値を用いるのが望ましい。次数を特定するためにはｆ_{ｂｅａｔ1}の周波数の値が必要となる。ここでは、周波数可変レーザは光コムに対して所定の周波数差で位相同期をかけて安定化していることを利用して、その所定の周波数差の設定値を用いる。無論周波数カウンタなどによってｆ_ｒｅｐ１の周波数を正確に測定しても構わない。
そして、周波数算出手段８１は、光コムの繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐ１と、第一移行周波数ν_Ｃ１（又は第二移行周波数ν_Ｃ２）と、第一ビート周波数ｆ_{ｂｅａｔ１}とを用いて、周波数可変レーザをロックしている光コムのモード次数を次式（５）に基づいて特定する（ステップＳ５）。
そして、周波数算出手段８１は、光コムの繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐ１と、第一移行周波数ν_Ｃ１（又は第二移行周波数ν_Ｃ２）と、第一ビート周波数ｆ_{ｂｅａｔ１}とを用いて、周波数可変レーザをロックしている光コムのモード次数を次式（５）に基づいて特定する（ステップＳ５）。

ｎ＝［（ν_Ｃ１−ｆ_{ｂｅａｔ１}−ｆ_ＣＥＯ）／ｆ_ｒｅｐ１］に近い整数値 …（５）

ここで、上述したように、第一移行周波数ν_Ｃ１の不確かさは繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐ１よりも十分に小さいものとなるため、上記式（５）に従って、光コムの整数次ｎを一意に決定することができる。この場合、光コムのコムモードの周波数ν_ｃｏｍｂは次式（６）のようになる。

ν_ｃｏｍｂ＝ｎ・ｆ_ｒｅｐ１＋ｆ_ＣＥＯ …（６）

この後、第二ビート干渉計５により得られる第二ビート周波数ｆ_{ｂｅａｔ２}を第二周波数カウンタ７２により計測する（ステップＳ６）。この時、第一ビート周波数ｆ_{ｂｅａｔ１}を周波数カウンタで同時に測定すれば、周波数可変レーザの位相同期の性能に依存することなく、高い精度で測定対象のレーザの周波数を測定することができる。また、ステップＳ５までにすでに、モード次数ｎができているために周波数可変レーザの位相同期を解除しない限り、f_ｒｅｐ1の周波数自由に設定変更することができる。したがって、測定対象のレーザの発振周波数とビート周波数を測定するためのカウンタの性能や周波数帯域などの制約などを考えて、適切なf_ｒｅｐ1´に再セットして第二ビート周波数ｆ_{ｂｅａｔ２}を測定した方が良い。先に特定したモード次数ｎと、第二ビート周波数ｆ_{ｂｅａｔ２}および同時に測定した第一ビート周波数ｆ_{ｂｅａｔ1}´および第二ビート周波数を測定した際のf_ｒｅｐ1´の設定値を用いて、周波数算出手段８１で、次式（７）により、測定対象レーザの周波数ν_laserを算出する（ステップＳ７）。

ν_laser＝ν_ｃｏｍｂ＋ｆ_{ｂｅａｔ１}＋ｆ_{ｂｅａｔ２}
＝ｎ・ｆ_ｒｅｐ１´＋ｆ_ＣＥＯ＋ｆ_{ｂｅａｔ１}´＋ｆ_{ｂｅａｔ２} …（７）

［第一実施形態の作用効果］
本実施形態では、周波数可変レーザの周波数を変化させた際の発振モードの変化に基づいて、光コムのモード次数ｎを特定し測定対象のレーザの周波数を測定する。
このような本実施形態では、単一の光コム装置による簡単なシステム構成により、分子吸収線に安定化したレーザに限定することなく、測定対象レーザの絶対周波数を高精度に算出することができる。２台の光コムが必要だった方法や高精度な波長計といった特別な装置が必要だったこれまでの方法に比べて、システム構成の簡略化を図れ、装置コストを大幅に低減することができる。

［第二実施形態］
次に、本発明に係る第二実施形態について、図面に基づいて説明する。
上述した第一実施形態では、周波数可変レーザの周波数を低周波数側から高周波数側に走査した際に、マルチモードからシングルモードに切り替わる第一移行周波数を利用してモード次数を特定した。これに対して、本実施形態では、第一移行周波数及び第二移行周波数の平均（中心周波数）を利用してモード次数を特定する点で上記第一実施形態と相違する。

図９は、本実施形態の周波数測定方法を示すフローチャートである。
図１０は、本実施形態において、周波数可変レーザの周波数ロックを説明するための図である。なお、以降の実施形態の説明にあたり、上記第一実施形態と同様の構成については同符号を付し、その説明を省略、または簡略化する。
本実施形態では、図９に示すように、上記第一実施形態と同様、ステップＳ１からステップＳ４に示す処理を実施する。すなわち、ステップＳ１において、周波数可変レーザを光コムに位相同期させ、ステップＳ２において、繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐを微小量ずつ増加させることで、光コムに位相同期された周波数可変レーザの発振周波数を、低周波数側から高周波数側に向かって走査する。そして、ステップＳ３において、発振モードがマルチモードからシングルモードに切り替わったか否か（第一移行周波数ν_Ｃ１になったか否か）を判定する。

本実施形態では、ステップＳ３で「Ｙｅｓ」と判定された場合、ステップＳ４において、その時の制御設定値に相当するｆ_{ｂｅａｔ１}及びｆ_ｒｅｐ１を、例えばメモリー等の記憶手段（図示略）に記録する。
この後、さらに繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐを微小量ずつ増加させ（ステップＳ１２）、発振モードがシングルモードからマルチモードに変化したか否かを判定する（ステップＳ１３）。
ステップ１３で「Ｎｏ」と判定された場合は、ステップＳ１２に戻り、周波数可変レーザの周波数走査を継続する。
一方、ステップＳ１３で「Ｙｅｓ」と判定された場合、その際の光コムの繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐ２の設定値を例えばメモリー等の記憶手段（図示略）に記録する（ステップＳ１４）。

次に、周波数算出手段８１は、第一移行周波数ν_Ｃ１及び第二移行周波数ν_Ｃ２の中心周波数ν_Ｃと、ステップＳ１１及びステップＳ１３で記録した繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐ１，ｆ_ｒｅｐ２と、オフセット周波数ｆ_ＣＥＯと、ビート周波数の設定値ｆ_{ｂｅａｔ１}とを用い、下記式（８）に基づいて、モード次数ｎを特定する（ステップＳ１５）。

ｎ＝[（ν_Ｃ−ｆ_{ｂｅａｔ１}−ｆ_ＣＥＯ）／｛（ｆ_ｒｅｐ１＋ｆ_ｒｅｐ２）／２｝]に近い整数値 …（８）

この後、ステップＳ６により、第二ビート周波数ｆ_{ｂｅａｔ２}を計測し、ステップＳ７により、測定対象レーザの周波数を算出する。その際、第一ビート周波数ｆ_{ｂｅａｔ1}を同時に計測し測定対象レーザの周波数の演算に用いれば、より高い精度の周波数測定結果を得ることができる。また、モード次数ｎを特定した後は、先に示した第一実施形態の場合と同様に、光コムの周波数間隔ｆ_ｒｅｐの設定は自由に変更することができるため、第二ビート周波数ｆ_{ｂｅａｔ２}が周波数カウンタで測定可能な周波数帯域内になるように設定変更してもかまない。

［第二実施形態の作用効果］
周波数可変レーザは、経年変化等などによる損失増加や利得低下が発生する可能性があり、その結果、モード移行周波数ν_Ｃ１，ν_Ｃ２も長い期間で見た場合に大きくばらつく可能性がある。したがって、長い期間ν_Ｃ１，ν_Ｃ２を校正することなく、いずれか一方のみを用いた場合には、モード次数ｎの特定を誤る危険性がある。
それに対して、本実施形態では、周波数可変レーザの周波数が第一移行周波数ν_Ｃ１となる際の繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐ１、第二移行周波数ν_Ｃ２となる際の繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐ２、及び中心周波数ν_Ｃ（＝（ν_Ｃ１＋ν_Ｃ２）／２）に基づいて、モード次数ｎを算出する。この場合の中心周波数ν_Ｃは、レーザ媒質（本実施形態ではＮｅ分子）の性質に依存する普遍的な値であり、上記のような経年変化等による影響を受けにくい。したがって、ここで提案した中心周波数ν_Ｃに基づいた手法を用いることで、モード次数ｎをより高い信頼性で確実に決定することができる。

［第三実施形態］
次に、本発明に係る第三実施形態について説明する。
上述した第一実施形態及び第二実施形態では、第一移行周波数ν_Ｃ１を探索する際、及び、第二移行周波数ν_Ｃ２を探索する際に、発振周波数を低周波数側から高周波数側に向かって走査した。
これに対して、本実施形態では、低周波数側から高周波数側に向かう発振周波数走査と、高周波数側から低周波数側に向かう発振周波数走査とを実施する点で、上記第一実施形態及び第二実施形態と相違する。

すなわち、オフセットロックレーザの発振周波数を、低周波数側から高周波数側に向かって走査する場合と、高周波数側から低周波数側に向かって走査する場合とで、遭遇するモード移行周波数ν_Ｃ１，ν_Ｃ２の値が異なる（ヒステリシスが存在する）場合がある。
本実施形態は、このようなヒステリシスが存在する場合でも対応できるように、以下のような処理を実施する。
すなわち、本実施形態では、図８のステップＳ２及びステップＳ３の処理において、繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐを増加させて、周波数可変レーザの発振周波数を低周波数側から高周波数側に向かう第一走査処理を実施し、マルチモードからシングルモードに切り替わる周波数ν_Ｃ１−１を計測する。この後、繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐを減少させて、周波数可変レーザの発振周波数を高周波数側から低周波数側に向かう第二走査処理を実施し、シングルモードからマルチモードに切り替わる周波数ν_Ｃ１−２を計測する。そして、これらの周波数ν_Ｃ１−１及びν_Ｃ１−２の平均値を第一移行周波数ν_Ｃ１とする。
第二移行周波数ν_Ｃ２を用いる場合でも同様であり、第一走査処理及び第二走査処理を実施して得られた周波数の平均値を第二移行周波数ν_Ｃ２とする。
このようにして得られるモード移行周波数ν_Ｃ１，ν_Ｃ２では、ヒステリシスの影響を除外することができ、より信頼性の高いモード次数ｎの算出が実施できる。

［第三実施形態の変形］
なお、第二実施形態のように、第一移行周波数ν_Ｃ１及び第二移行周波数ν_Ｃ２の平均値を算出する場合では、以下のような処理で、ヒステリシスの影響を除外してもよい。
まず、第一走査処理（低周波数側から高周波数側への周波数走査）を実施することで、第一移行周波数ν_Ｃ１を特定する。
この後、周波数可変レーザの周波数を、第二移行周波数ν_Ｃ２以上まで変化させる。その後、第二走査処理（高周波数側から低周波数側への周波数走査）を実施し、第二移行周波数ν_Ｃ２を特定する。

または、第一走査処理を実施することで、第二移行周波数ν_Ｃ２を特定し、この後、第二走査処理を実施し、第一移行周波数ν_Ｃ１を特定してもよい。

以上のように、モード移行周波数として、シングルモードからマルチモードに切り替わる周波数を用いるか、マルチモードからシングルモードに切り替わる周波数を用いるか、を予め定義しておく。このようにして得られるモード移行周波数ν_Ｃ１，ν_Ｃ２を用いる場合、上記実施形態と同様に、ヒステリシスの影響を除外したモード移行周波数ν_Ｃ１，ν_Ｃ２を特定でき、モード次数ｎ決定における信頼性を向上させることができる。

［第四実施形態］
次に、本発明に係る第四実施形態について、図面に基づいて説明する。
上述した第一から第三実施形態では、モード移行周波数ν_Ｃ１，ν_Ｃ２に基づいてモード次数を特定する例を示した。これに対して、第四実施形態では、周波数可変レーザの強度が最大となる周波数を用いてモード次数を特定する点で、上記実施形態と相違する。

図１１は、第四実施形態の周波数測定装置１Ａの概略構成を示す模式図である。
本実施形態の周波数測定装置１Ａは、発振モード観察部６が設けられていない点、及び周波数可変レーザの出力値（受光量）を検出するパワーメーター９（強度観測手段）が設けられている点で、上記第一実施形態の周波数測定装置１と異なる。
具体的には、第一ビート干渉計４は、ビームスプリッター４１の前段に、ビームスプリッター４４が設けられ、このビームスプリッター４４は、周波数可変レーザの一部をパワーメーター９に向かって反射させる。なお、ビームスプリッター４４は、ビームスプリッター４１，４２間に設けられていてもよく、ビームスプリッター４１，５２間に設けられていてもよい。
また、パワーメーター９は、周波数可変レーザを受光し、受光強度に応じた光量検出信号をＰＣ８に出力する。

図１２は、第四実施形態において、パワーメーター９により観察される周波数可変レーザの強度の例を示す図である。
Ｈｅ−Ｎｅレーザのようなガウス上の利得分布のレーザの場合、図１２に示すように、利得分布が中心の時にレーザの出力が最大となる。利得分布は分子に固有のものであるため、最大出力の時の発振周波数ν_ＣＰは決まった周波数となる。
本実施形態では、この発振周波数ν_ＣＰを周波数マーカーとしてモード次数を特定する。
発振周波数ν_ＣＰは、第一実施形態から第三実施形態におけるν_Ｃ１，ν_Ｃ２と同様、予め基準レーザ源等を用いて予め測定しておく。
なお、本実施形態では、この発振周波数ν_ＣＰは、モード移行周波数ν_Ｃ１，ν_Ｃ２の平均値（中心周波数）ν_Ｃと略一致する周波数となる。

本実施形態では、図８に示す周波数測定方法と略同様の処理により、測定対象レーザの絶対周波数を測定することができ、図８におけるステップＳ３の処理を次のような処理に置き換える。
すなわち、本実施形態の周波数測定装置１Ａは、ステップＳ３において、パワーメーター９の出力値を参照し、出力値が最大値になったか否かを判定する。
そして、ステップＳ３において、出力値が最大となった場合に、ステップＳ４以降と同様の処理を実施し、その際の繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐ１を用いて、モード次数ｎを特定して、測定対象レーザの周波数ν_{ｌａｓｅｒ}を算出する。
なお、モード次数ｎの算出では、式（５）において、ν_Ｃ１をν_ＣＰに置き換えることで、算出することができる。

［第四実施形態の作用効果］
本実施形態では、光強度の観察という簡単な手法でモード次数を特定することができる。

［第五実施形態］
次に、本発明の第五実施形態について説明する。
上述した第一から第四実施形態では、周波数可変レーザに対応したコムモードのモード次数ｎから周波数ν_laserを算出した。これに対して、本実施形態では、測定対象レーザに対応したコムモードのモード次数ｎ＋αから周波数ν_laserを算出する点で上記実施形態と相違する。
図１３は、本実施形態の周波数測定装置１Ｂの概略構成を示すブロック図である。

本実施形態では、図１３に示すように、第一実施形態の周波数測定装置１の各構成に加え、光コムと測定対象レーザとを干渉させてその干渉光から第三ビート周波数ｆ_{ｂｅａｔ３}を検出（観測）する第三ビート干渉計９１を備える。
また、周波数測定装置１Ｂでは、第一ビート干渉計４は本発明における第一ビート観測手段として、また、第二ビート干渉計５は本発明における第二ビート観測手段として機能する。
さらに、ビート周波数測定部７は、第三ビート周波数ｆ_{ｂｅａｔ３}を計測する第三周波数カウンタ７３を備える。なお、本実施形態では、ビート周波数測定部７において、第一周波数カウンタ７１及び第二周波数カウンタ７２が設けられていなくてもよい。

図１４は、本実施形態の周波数測定装置１Ｂにおける周波数測定方法を示すフローチャートである。
このような構成の周波数測定装置１Ｂは、例えば第一実施形態と同様に、ステップＳ１からステップＳ３の処理を実施する。つまり、ステップＳ１で周波数可変レーザを周波数差ｆ_{ｂｅａｔ１}で光コムに位相同期させて、ステップＳ２で繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐを微小変化させる。そして、ステップＳ３で、発振モードがマルチモードからシングルモードに変化したか否かを判定する。
そして、シングルモードに変化したと判定された場合、その時のｆ_ｒｅｐ１を記録する（ステップＳ２４）。そして、第一ビート周波数ｆ_{ｂｅａｔ１}を取得して、ステップＳ５の処理を実施し、式（５）を用いて、光コムのモード次数ｎを特定する。第一ビート周波数ｆ_{ｂｅａｔ１}は繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐよりも小さければよく、厳密に計測する必要がない。したがって、第一ビート周波数ｆ_{ｂｅａｔ１}はスペクトラムアナライザによって観察される値や、周波数可変レーザを光コムに位相同期かける際の周波数差の設定値などを用いてもよい。

この後、第二ビート周波数ｆ_{ｂｅａｔ２}と第三ビート周波数ｆ_{ｂｅａｔ３}を取得する（ステップＳ２６）。第二ビート周波数ｆ_{ｂｅａｔ２}は、第一ビート周波数ｆ_{ｂｅａｔ１}と同様に厳密な値である必要がないため、スペクトラムアナライザ等によって観察される値を用いても良い。第三ビート周波数ｆ_{ｂｅａｔ３}は、第三周波数カウンタ７３の計測値を用いる。
そして、周波数算出手段８１は、次式（９）に基づいて、モード次数ｎ+αを特定する（ステップＳ２７）。

α＝［（ｆ_{ｂｅａｔ２}−ｆ_{ｂｅａｔ３}+ ｆ_{ｂｅａｔ１}）／ｆ_ｒｅｐ１］に近い整数値 …（９）

この後、周波数算出手段８１は、次式（１０）に基づいて、周波数ν_laserを算出する（ステップＳ２８）。

ν_{ｌａｓｅｒ}＝（ｎ＋α）ｆ_ｒｅｐ１＋ｆ_ＣＥＯ＋ｆ_{ｂｅａｔ３} …（１０）

本実施形態でも、上記第一から第四実施形態と同様に、単一の光コム装置２と周波数可変レーザ装置３を用いた簡単な構成で、測定対象レーザの周波数ν_laserを精度よく測定することができる。

［第五実施形態の変形例］
上記第五実施形態の周波数測定装置１Ｂは、発振モード観察部６により、第一ビート周波数を観測して発振モードの変化を検出する例を示したが、例えば、第四実施形態のように、発振モード観察部６の代わりに、周波数可変レーザの強度を観測するパワーメーター９を用いる構成としてもよい。この場合では、第四実施形態と同様に、強度が最大となる周波数に基づいてモード次数ｎ，ｎ＋αを特定する。
また、第一移行周波数ν_Ｃ１の代わりに、第二移行周波数ν_Ｃ２や、平均値ν_Ｃを用いたモード次数の特定をしてもよい。

［他の実施形態］
なお、本発明は前述の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。
例えば、第一実施形態において、ステップＳ２の処理では、繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐを増加させることで、周波数可変レーザの周波数を低周波数側から高周波数側に走査する例を示した。これに対して、繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐを減少させて、周波数可変レーザの周波数を、高周波数側から低周波数側に走査させてもよい。
また、周波数可変レーザの周波数を、第一移行周波数ν_Ｃ１でロック（発振モードがマルチモードからシングルモードに切り替わる繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐ１でロック）する例を示したが、第二移行周波数ν_Ｃ２でロックしてもよい。

第二実施形態において、ステップＳ２からステップＳ１５までの間、ステップＳ１で実施された位相同期処理を維持する例を示したが、これに限定されない。
例えばステップＳ５の後、周波数可変レーザの光コムに対する位相同期を一旦解除してもよい。
図１５は、ステップＳ５の処理の後、周波数可変レーザの光コムに対する位相同期を解除した場合の処理を説明するための図である。
具体的には、図１５（Ａ）に示すように、第一移行周波数ν_Ｃ１に対する第一ビート周波数ｆ_{ｂｅａｔ１}、繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐ１、及び第二ビート周波数ｆ_{ｂｅａｔ２}を計測した後、周波数可変レーザと光コムとの位相同期を解除する。
そして、図１５（Ｂ）に示すように、周波数可変レーザの周波数を次数α分（つまり、α・ｆ_ｒｅｐ１）だけ走査する。この際、光コムの繰り返し周波数は、位相同期を解除した時点での値（ｆ_ｒｅｐ１）に維持する。
そして、図１５（Ｃ）に示すように、発振モードがマルチモードに変わりそうな周波数近傍で、再度、周波数可変レーザを光コムに位相同期させる。この後、ステップＳ１２以降の処理を実施して、第二移行周波数ν_Ｃ２に対する繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐ２を取得する。
このような処理を行った場合では、次式（１１）により、モード次数ｎを算出することができる。

ｎ＝［（ν_Ｃ−α・ｆ_ｒｅｐ２／２−ｆ_{ｂｅａｔ１}−ｆ_ＣＥＯ）／｛（ｆ_ｒｅｐ１＋ｆ_ｒｅｐ２）／２｝］に近い整数 ・・・（１１）

第一から第五実施形態、及び図１５の例では、周波数可変レーザを光コムに位相同期させ、繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐの値を変化させて周波数を走査し、周波数可変レーザをモード移行周波数や強度が最大となる周波数で発振させる例を示した。
これに対して、周波数可変レーザを光コムに位相同期させずに、バッファレーザとして用いることもできる。
この場合、例えば、光コムの繰り返し周波数を安定化（所定値に固定）しておき、周波数可変レーザを独立に周波数走査する。そして、周波数可変レーザの発振モードが変化する際の第一ビート周波数ｆ_{ｂｅａｔ１}、及び第二ビート周波数ｆ_{ｂｅａｔ２}を計測する。この後、これらの２つの測定値ｆ_{ｂｅａｔ１}，ｆ_{ｂｅａｔ２}から、測定対象レーザの絶対周波数を算出する。この場合、光コムの繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐと、第一ビート周波数ｆ_{ｂｅａｔ１}と、モード移行周波数（ν_Ｃ１またはν_Ｃ２）とを用いて、次式（１２）に基づいて、光コムのモード次数ｎを決定する。

ｎ＝（ν_Ｃ１−ｆ_{ｂｅａｔ１}−ｆ_ＣＥＯ）／ｆ_ｒｅｐ ・・・（１２）

また、本発明において、第一ビート観測手段は、繰り返し周波数よりも小さい不確かさで、おおよその周波数を測定するとし、第一ビート検出部４３及び発振モード観察部６により構成される例を示したが、これに限らない。例えば、第一周波数カウンタ７１や第二周波数カウンタ７２を、本発明の観測手段として機能させてもよい。

上記実施形態において、周波数可変レーザ装置３の光源部３１として、Ｈｅ−Ｎｅレーザを例示したが、これに限定されない。上記したように、周波数を変化させた際に発振モードまたは、レーザの強度が再現性よく変化するものであれば、いかなる光源を用いてもよい。

上記各実施形態及び各図では、周波数可変レーザの周波数に最も近いコムモードの次数を特定する例を示したが、これに限定されない。例えば、周波数可変レーザの周波数から２番目や３番目に近いコムコードの次数を特定するものであってもよい。

その他、本発明の実施の際の具体的な構造は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等に適宜変更できる。

本発明は、測定対象レーザの周波数を測定する周波数測定装置に適用できる。

１，１Ａ，１Ｂ…周波数測定装置、２…光コム装置（光周波数コム装置）、３…周波数可変レーザ装置、４…第一ビート干渉計、５…第二ビート干渉計、６…発振モード観察部、７…ビート周波数測定部、８…ＰＣ、２１…光コム発生器、２２…変調信号生成部、３１…光源部、３２…コントローラー、４３…第一ビート検出部、５３…第二ビート検出部、７１…第一周波数カウンタ（第一ビート計測手段）、７２…第二周波数カウンタ（第二ビート計測手段）、７３…第三周波数カウンタ（第三ビート計測手段）、８１…周波数算出手段、Ｘ…レーザ光源装置（ＤＵＴ）。

Claims (16)

1. 光周波数コム装置と、
   周波数可変で、かつ、当該周波数に応じて発振モードが高次から低次に、あるいは低次から高次に変化するモード移行周波数を有する周波数可変レーザ装置と、
   前記発振モードを観測する手段と、
   前記光周波数コム装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を計測する手段と、
   測定対象レーザ装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を計測する手段と、を備え、
   前記周波数可変レーザ装置の発振周波数を変化させた際の前記発振モードの観測結果に基づいて、前記第一ビート周波数を計測する際の前記光周波数コム装置からの出力光のモード次数を特定し、前記モード次数と、計測された前記第一ビート周波数及び前記第二ビート周波数とに基づいて、前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定する
   ことを特徴とする周波数測定装置。
2. 光周波数コム装置と、
   周波数可変で、かつ、当該周波数に応じて発振モードが高次から低次にあるいは低次から高次に変化するモード移行周波数を有する周波数可変レーザ装置と、
   前記発振モードを観測する手段と、
   前記光周波数コム装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を観測または計測する手段と、
   測定対象レーザ装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を観測または計測する手段と、
   前記測定対象レーザ装置と前記光周波数コム装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第三ビート周波数を計測する手段と、を備え、
   前記周波数可変レーザ装置の発振周波数を変化させた際の前記発振モードの観測結果および前記第一ビート周波数及び前記第二ビート周波数の観測または計測結果に基づいて、前記第三ビート周波数を計測する際の前記光周波数コム装置からの出力光のモード次数を特定し、前記モード次数と、計測された前記第三ビート周波数とに基づいて、前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定する
   ことを特徴とする周波数測定装置。
3. 光周波数コム装置と、
   周波数可変で、かつ、周波数に応じて強度が変化する周波数可変レーザ出力装置と、
   前記周波数可変レーザ装置からの出力光の強度を観察する強度観測手段と、
   前記光周波数コム装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を計測する手段と、
   測定対象レーザ装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を計測する手段と、を備え、
   前記周波数可変レーザ装置の周波数を変化させた際の前記強度の観測結果に基づいて、前記第一ビート周波数を計測する際の前記光周波数コム装置からの出力光のモード次数を特定し、前記モード次数と、計測された前記第一ビート周波数及び前記第二ビート周波数とに基づいて、前記測定対象レーザの周波数を測定する
   ことを特徴とする周波数測定装置。
4. 光周波数コム装置と、
   周波数可変で、かつ、周波数に応じて強度が変化する周波数可変レーザ装置と、
   前記周波数可変レーザ装置からの出力光の強度を観察する強度観測手段と、
   前記光周波数コム装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を観測または計測する手段と、
   測定対象レーザ装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を観測または計測する手段と、
   前記測定対象レーザ装置と前記光周波数コム装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第三ビート周波数を計測する手段と、を備え、
   前記周波数可変レーザ装置の周波数を変化させた際の前記強度の観測結果及び前記第二ビート周波数の観測または計測結果に基づいて、前記第三ビート周波数を計測する際の前記光周波数コム装置からの出力光のモード次数を特定し、前記モード次数と、計測された前記第三ビート周波数とに基づいて、前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定する
   ことを特徴とする周波数測定装置。
5. 請求項１または請求項２に記載の周波数測定装置において、
   前記周波数可変レーザ装置は、周波数を変化させた際に、前記発振モードが２モードあるいはそれ以上のマルチモードからシングルモードに変化、または、シングルモードから２モードあるいはそれ以上のマルチモードに変化するモード移行周波数を有するレーザを出力する
   ことを特徴とする周波数測定装置。
6. 請求項１または請求項２に記載の周波数測定装置において、
   前記周波数可変レーザ装置は、複数の前記モード移行周波数を有し、複数の前記モード移行周波数のうち、何れか、あるいは、すべてを用いて前記モード次数を特定する
   ことを特徴とする周波数測定装置。
7. 請求項６に記載の周波数測定装置において、
   複数の前記モード移行周波数の平均値を利用して、前記モード次数を特定する
   ことを特徴とする周波数測定装置。
8. 請求項５から請求項７のいずれかに記載の周波数測定装置において、
   前記周波数可変レーザ装置の発振周波数を低周波数から高周波数に向かって変化させた場合、及び前記周波数を高周波数から低周波数に向かって変化させた場合においてそれぞれ得られる前記モード移行周波数の平均値を用いて、前記モード次数を特定する
   ことを特徴とする周波数測定装置。
9. 請求項５から請求項８のいずれかに記載の周波数測定装置において、
   前記モード移行周波数は、前記発振モードが、所定の次数に変化する周波数で定義されている
   ことを特徴とする周波数測定装置。
10. 請求項３または請求項４に記載の周波数測定装置において、
    前記出力強度が最大値、最小値、極大値、及び極小値のいずれかとなる発振周波数を用いて、前記モード次数を特定する
    ことを特徴とする周波数測定装置。
11. 請求項１から請求項１０のいずれかに記載の周波数測定装置において、
    前記光周波数コム装置は、光周波数コムの繰り返し周波数を変更可能であり、
    前記周波数可変レーザ装置は、その発振周波数を前記光周波数コムに位相同期させた状態で、前記繰り返し周波数の変化に応じて前記周波数を変化させる
    ことを特徴とする周波数測定装置。
12. 請求項１から請求項１１のいずれかに記載の周波数測定装置において、
    前記周波数可変レーザ装置は、Ｈｅ−Ｎｅレーザである
    ことを特徴とする周波数測定装置。
13. 光周波数コム装置と周波数可変でかつ周波数に応じて発振モードが変化する周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を計測する第一ビート計測ステップと、
    測定対象レーザ装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を計測する第二ビート計測ステップと、
    前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定する測定ステップと、を実施し、
    前記測定ステップは、前記周波数可変レーザ装置の発振周波数を変化させた際の発振モードの観測結果に基づいて、前記第一ビート周波数を計測する際の前記光周波数コム装置から出力光のモード次数を特定し、このモード次数と、計測された前記第一ビート周波数及び前記第二ビート周波数とに基づいて、前記測定対象レーザ装置の発振の周波数を測定する
    ことを特徴とする周波数測定方法。
14. 光周波数コム装置と周波数可変でかつ周波数に応じて発振モードが変化する周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を観測または計測する第一ビート観測ステップと、
    測定対象レーザ装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を観測または計測する第二ビート観測ステップと、
    前記測定対象レーザ装置と前記光周波数コム装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第三ビート周波数を計測する第三ビート計測ステップと、
    前記測定対象レーザの発振周波数を測定する測定ステップと、を実施し、
    前記測定ステップは、前記周波数可変レーザ装置の発振周波数を変化させた際の発振モードの観察結果及び前記第一ビート周波数及び前記第二ビート周波数の観測または計測結果に基づいて、前記第三ビート周波数を計測する際の前記光周波数コム装置からの出力光のモード次数を特定し、このモード次数と、計測された前記第三ビート周波数とに基づいて、前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定する
    ことを特徴とする周波数測定方法。
15. 周波数可変でかつ周波数に応じて強度が変化する周波数可変レーザ装置の出力光の強度を観測する強度観測ステップと、
    光周波数コム装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を計測する第一ビート計測ステップと、
    前記測定対象レーザ装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を計測する第二ビート計測ステップと、
    前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定する測定ステップと、を実施し、
    前記測定ステップは、前記周波数可変レーザ装置の発振周波数を変化させた際の前記強度の観測結果に基づいて、前記第一ビート周波数を計測する際の前記光周波数コムのモード次数を特定し、このモード次数と、計測された前記第一ビート周波数及び前記第二ビート周波数とに基づいて、前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定する
    ことを特徴とする周波数測定方法。
16. 周波数可変でかつ周波数に応じて強度が変化する周波数可変レーザ装置の出力光の強度を観測する強度観測ステップと、
    光周波数コム装置と前記周波数可変レーザ装置との出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を観測または計測する第一ビート観測ステップと、
    測定対象レーザ装置と前記周波数可変レーザ装置との出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を観測または計測する第二ビート観測ステップと、
    前記測定対象レーザ装置と前記光周波数コム装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第三ビート周波数を計測する第三ビート計測ステップと、
    前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定する測定ステップと、を実施し、
    前記測定ステップは、前記周波数可変レーザ装置の発振周波数を変化させた際の前記強度の観測結果及び前記第一ビート周波数および前記第二ビート周波数の観測または計測結果に基づいて、前記第三ビート周波数を計測する際の前記光周波数コム装置化からの出力光のモード次数を特定し、このモード次数と、計測された前記第三ビート周波数とに基づいて、前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定する
    ことを特徴とする周波数測定方法。