JP2016152308A - レーザ周波数安定化装置、及びレーザ周波数安定化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成で、容易に所望の発振周波数のレーザ光が出力されているか否かをチェック可能なレーザ周波数安定化装置、及びレーザ周波数安定化方法を提供する。
【解決手段】レーザ周波数安定化装置１は、ヨウ素セル２５を介したレーザ光を光出力信号Ｓ１に変換する光検出器２７と、出力電圧Ｖを印加して共振器長を変化させるアクチュエータ１２６と、アクチュエータ１２６に印加する出力電圧Ｖを制御する制御装置３７と、を備え、制御装置３７は、光出力信号に基づいて目標飽和吸収線を探索し、目標飽和吸収線が探索された際の出力電圧Ｖが、目標飽和吸収線に対応して予め設定された正常電圧範囲内である場合に、目標飽和吸収線にレーザ光の発振周波数を固定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ周波数安定化装置、及びレーザ周波数安定化方法に関する。

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５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５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６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６（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６（Ｂ）は、図６（Ａ）の領域Ａｒの２次微分信号Ｓ２を拡大した図である。
図６（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６（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、制御装置３１の制御信号により、アクチュエータ制御器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、上述したアクチュエータ制御器３２、アクチュエータ駆動回路３３、及び制御装置３１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次微分信号Ｓ２、３次微分信号Ｓ３をそれぞれ出力する生成装置としての２次微分用ロックインアンプ３５、３次微分用ロックインアンプ３６を備える。

制御装置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（ロック）する。
ここで、制御装置３１は、飽和吸収線を認定する際に、光出力信号Ｓ１やその２次微分信号Ｓ２に基づいて、ノイズ成分を除去した飽和吸収線の判定（特許文献１参照）を行う。これにより、ピーク群同士の間、同一のピーク群における飽和吸収線群の間、同一の飽和吸収線群における飽和吸収線同士の間において、本来観測されるはずのないピーク（ノイズ）があった場合でも、当該ノイズを飽和吸収線として認定することなく、目標とする任意の飽和吸収線にレーザ発振周波数を固定することが可能となる。

特開２０１３−１６７１３号公報

ところで、上記のような従来のレーザ周波数安定化装置１００において、所望のレーザ発振周波数のレーザ光が出力できているか否かを確認するには、制御装置３１による周波数固定処理の後、図７に示すようなシステムを用いて、確認処理を実施する必要がある。
図７は、レーザ光の発振周波数を確認するためのシステム構成の概略である。
つまり、図７に示すように、レーザ周波数安定化装置１００とは別に、発振周波数が既知となる基準レーザ光Ｌ５を出力する基準用レーザ光源装置２００を用意する。
そして、基準レーザ光Ｌ５と、レーザ周波数安定化装置１００から出力されたレーザ光Ｌ３との光軸を、例えば図７に示すような光軸調整反射鏡２０１及びビームスプリッタ２０２を用いて同軸平行にし、高速光検出器２０３に入射させる。また、高速光検出器２０３においてレーザ光Ｌ３と基準レーザ光Ｌ５との周波数差（ビート周波数）を検出し、高速光検出器２０３から出力されるビート信号からビート周波数を周波数カウンタ２０４により測定する。ここで、測定されたビート周波数が、目標周波数と基準レーザ光Ｌ５の周波数との周波数差と一致しているか否かを判定することで、レーザ周波数安定化装置１００から出力されるレーザ光Ｌ３が所望の発振周波数のレーザ光であるか否かを判定することができる。

しかしながら、図７のようなシステムを構築する場合、基準用レーザ光源装置２００や、ビート周波数を測定するための高速光検出器２０３や周波数カウンタ２０４、レーザ光Ｌ３と基準レーザ光Ｌ５との光軸を同軸にするための光軸調整反射鏡２０１やビームスプリッタ２０２が必要となり、システム構成が複雑化、高コスト化するとの課題があった。

本発明は、簡素な構成で、容易に所望の発振周波数のレーザ光が出力されているか否かをチェック可能なレーザ周波数安定化装置、及びレーザ周波数安定化方法を提供することを目的とする。

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、印加される電圧に応じて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に印加する前記電圧を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記光出力信号に基づいて、目標飽和吸収線を探索し、前記目標飽和吸収線が探索された際に前記アクチュエータに印加された前記電圧が、前記目標飽和吸収線に対応して予め設定された所定範囲内にある場合に、前記目標飽和吸収線に前記レーザ光の発振周波数を固定することを特徴とする。

本発明では、光出力信号に基づいて目標飽和吸収線（レーザ光の所望の発振周波数に対応した飽和吸収線）を探索した後、飽和吸収線にレーザ光の発振周波数を固定する前に、目標飽和吸収線が探索された際の電圧が、目標飽和吸収線に応じて設定されている所定範囲内の値であるか否かを判定する。
ここで、目標飽和吸収線が探索された際にアクチュエータに印加された出力電圧が前記所定範囲内にない場合、探索された飽和吸収線が目標飽和吸収線とは異なることが考えられ、出力されたレーザ光の発振周波数が所望のレーザ周波数から外れている場合がある。これに対して、目標飽和吸収線が探索された際にアクチュエータに印加された出力電圧が前記所定範囲内にある場合、この目標飽和吸収線にレーザ光の発振周波数を固定することで、所望の発振周波数のレーザ光を安定して出力することが可能となる。
すなわち、本発明では、別途、基準レーザ光を出力する基準用レーザ光源装置を用意して、レーザ周波数安定装置から出力されたレーザ光と基準レーザ光とのビート周波数を観測する必要がなく、簡素な構成で、かつ容易に、所望の発振周波数のレーザ光が出力されているかを判定することができる。

本発明のレーザ周波数安定化装置において、前記所定範囲は、前記目標飽和吸収線に前記レーザ光の発振周波数を固定する際の前記電圧に対して、前記共振器長のバラつきに応じたマージンを含む範囲に設定されていることが好ましい。
本発明では、前記所定範囲として、共振器長のバラつきに応じたマージンを含む範囲を設定している。つまり、アクチュエータに印加する電圧は、アクチュエータの経時変化を含む共振器長変化の影響を受けるため、ある程度のバラつきが発生する。目標飽和吸収線に対応して設定される電圧の前記所定範囲として、上記のようなバラつきを考慮しない値を設定すると、例えば経時変化等による共振器長変化が生じた際、所望の発振周波数のレーザ光が出力されていたとしても、発振周波数が異なると判定してしまう（エラーとなる）。これに対して、本発明では、上記のように、共振器長変化による電圧のバラつきを考慮して前記所定範囲を設定することで、共振器長変化が生じた場合でも、エラーを回避でき、所望の発振周波数のレーザ光を安定して出力することが可能となる。

本発明のレーザ周波数安定化装置におけるレーザ周波数安定化方法は、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におけるレーザ周波数安定化方法であって、前記光出力信号に基づいて、目標飽和吸収線を探索する探索工程と、前記目標飽和吸収線が探索された際に前記共振器長を変化させるアクチュエータに出力された電圧が、前記目標飽和吸収線に対応して予め設定された所定範囲内にあるか否かを判定する電圧判定工程と、前記電圧が前記所定範囲内にあると判定された場合に、前記目標飽和吸収線に前記レーザ光の発振周波数を固定する周波数固定工程と、を含むことを特徴とする。
本発明では、上記発明と同様、レーザ周波数安定化装置により出力されたレーザ光が、所望の発振周波数であるか否を確認するための基準用レーザ光源装置等の構成を不要にでき、簡素な構成でかつ容易にレーザ光の発振周波数のチェックを実施することができる。

本発明に係る一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光出力信号、２次微分信号、及び正常電圧範囲を示す図。 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。 従来のレーザ周波数安定化装置のレーザ光の発振周波数を確認するためのシステムを示す図。

以下、本発明に係る一実施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、第１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、制御装置３７は、探索処理及び周波数固定処理を実施するとともに、周波数固定処理の前に、レーザ光の発振周波数が所望の発振周波数（目標周波数）と一致しているか否かをセルフチェックする点で、上記従来のレーザ周波数安定化装置１００と相違する。
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又は簡略化し、制御装置３７の機能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３７５等を備え、メモリ３７５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、従来の制御装置３７と同様の機能については、説明を省略又は簡略化する。
この制御装置３７は、図１または図２に示すように、ノイズ識別手段３７１と、吸収線判定手段３７２と、電圧判定手段３７３と、周波数固定手段３７４と、メモリ３７５等を備える。

ノイズ識別手段３７１は、光出力信号Ｓ１に重畳されるノイズを識別する。
吸収線判定手段３７２は、ノイズ識別手段３７１の判定結果に応じて、飽和吸収線を判定する。
ノイズ識別手段３７１によるノイズの識別処理、吸収線判定手段３７２による飽和吸収線の判定処理としては、例えば特開２０１３−１６７１３号公報の各種手法を用いることができる。
例えば、ノイズ識別手段３７１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閾値との比較、及び、光検出器２７からの光出力信号Ｓ１の出力値と第２閾値との比較を行い、これらの比較結果に基づいてノイズを識別してもよい。
また、ノイズ識別手段３７１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の出力値と大小関係にある第３、第４閾値とを比較し、出力電圧Ｖが変化した際の２次微分信号Ｓ２の出力波形の挙動に基づいてノイズを識別してもよい。
さらに、ノイズ識別手段３７１は、２次微分信号Ｓ２の出力値と第５閾値とを比較し、この比較結果と、２次微分信号Ｓ２の出力値と、当該２次微分信号Ｓ２が入力された際の出力電圧Ｖの電圧値と、を関連付けた情報をメモリ３７５に記憶する。そして、その記憶された情報に基づいて、２次微分信号Ｓ２の出力値が所定値となる出力電圧Ｖの各電圧値の差分値を算出し、その差分値と第６閾値とを比較することでノイズを識別してもよい。

電圧判定手段３７３は、レーザ光の発振周波数を固定する目標飽和吸収線が探索された際における出力電圧Ｖが、当該目標飽和吸収線に対して設定された正常電圧範囲Ｒ（図４参照；下限値Ｖ_lower、上限値Ｖ_upper）にあるか否かを判定する。この正常電圧範囲Ｒは、飽和吸収線毎に予め設定されており、メモリ３７５に記憶されている。
ここで、正常電圧範囲Ｒは、出力電圧Ｖのバラつきに応じて設定されている。すなわち、レーザ光の発振周波数を、所定の目標飽和吸収線に合わせるための出力電圧Ｖは、アクチュエータ１２６の経時変化等を含む共振器長変化の影響を受けるため、バラつきの有る値となる。このため、正常電圧範囲Ｒにおける下限値Ｖ_lower及び上限値Ｖ_upperとしては、上記のようなバラつきを考慮したマージンを含んだ範囲に設定される。例えば、レーザ光の発振周波数を所定の目標飽和吸収線の周波数に固定する際の出力電圧Ｖが７．０〜９．０Ｖである場合、下限値Ｖ_lower＝６．８Ｖ、上限値Ｖ_upper＝９．２Ｖとした正常電圧範囲Ｒが設定される。
周波数固定手段３７４は、電圧判定手段３７３の判定結果に応じて、出力電圧Ｖを固定する周波数固定処理を実施する。

〔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。
図３は、レーザ周波数安定化装置におけるレーザ周波数安定化方法（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。また、図４は、光出力信号Ｓ１、２次微分信号Ｓ２、及び正常電圧範囲Ｒを示す図である。なお、図４（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を変化させた場合での各信号Ｓ１，Ｓ２の波形をそれぞれ示す図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の領域Ａｒの２次微分信号Ｓ２を拡大した図である。
なお、本実施形態における探索処理及び周波数固定処理において、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のステップは、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ａ１０（当該飽和吸収線ａ１０が属する飽和吸収線群及びピーク群がそれぞれＮ４，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）。
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、ノイズ識別手段３７１及び吸収線判定手段３７２により、ノイズを除外して飽和吸収線のみを判定する飽和吸収線判定処理を実施し、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３７５の第１記憶部３７５Ａ（図２）に記憶させる。

より具体的には、ノイズ識別手段３７１は、例えば、２次微分信号Ｓ２の出力値と第１閾値とを比較し、２次微分信号Ｓ２の出力値が第１閾値以上となったか否かを常時監視する。そして、２次微分信号Ｓ２の出力値が第１閾値以上となった場合は、２次微分信号Ｓ２の出力値が第１閾値以上となった際にアクチュエータ１２６に印加されていた出力電圧Ｖの電圧値をメモリ３７５の第２記憶部３７５Ｂ（図２）に記憶させる。
また、この際、ノイズ識別手段３７１は、光出力信号Ｓ１の出力値と第２閾値とを比較し、光出力信号Ｓ１の出力値が第２閾値以上であるか否かを判定する。そして、ノイズ識別手段３７１により光出力信号Ｓ１の出力値が第２閾値以上であると判定されると、吸収線判定手段３７２は、出力値が第１閾値以上となった２次微分信号Ｓ２を飽和吸収線であると認定する。この場合、吸収線判定手段３７２は、第２記憶部３７５Ｂに記憶された出力電圧Ｖの電圧値（２次微分信号Ｓ２の出力値が第１閾値以上となっ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）を、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の電圧値として第１記憶部３７５Ａに記憶させ、第２記憶部３７５Ｂに記憶された出力電圧Ｖの電圧値を消去させる。
一方、ノイズ識別手段３７１により、光出力信号Ｓ１の出力値が第２閾値未満であると判定された場合は、吸収線判定手段３７２は、出力値が第１閾値以上となった２次微分信号Ｓ２を、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し、第２記憶部３７５Ｂに記憶された出力電圧Ｖの電圧値を消去させる。
なお、ノイズ識別手段３７１及び吸収線判定手段３７２による飽和吸収線判定処理としては、これに限定されず、上述したように、２次微分信号Ｓ２の出力波形に基づいたノイズ認定を行って、飽和吸収線を判定してもよい。

この後、制御装置３７は、第１記憶部３７５Ａ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の差分値の最大値をＶａ（図４（Ｂ）参照）、隣接する飽和吸収線群間の各出力電圧Ｖの差分値の最小値をＶｂ（図４（Ｂ）参照）及び最大値をＶｂ´（図４（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４（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。
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。
なお、以降の説明において、上記のような、飽和吸収線がどの飽和吸収線群に属し、どのピーク群に属するかを判別する処理を、吸収線判別処理と称する。

制御装置３７は、上記吸収線判別処理により、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。
そして、制御装置３７は、出力電圧Ｖを最大電圧値から最小電圧値まで減少させた後、ピーク群Ｍ２を探索できたか否かを判定する（ステップＳＴ１Ｃ）。
ステップＳＴ１Ｃ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ＳＴ１Ｄ）。
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ＳＴ１Ｃ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ａ１が観測される電圧値よりも若干、小さい電圧値Ｖ０（図４）に設定する（ステップＳＴ１Ｅ）。
ステップＳＴ１Ｅの後、制御装置３７は、出力電圧Ｖを電圧値Ｖ０から徐々に増加させながら、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ＳＴ１Ｆ）。
そして、制御装置３７は、出力電圧Ｖを増加させた結果、ピーク群Ｍ２を探索できたか否かを判定する（ステップＳＴ１Ｇ）。
ステップＳＴ１Ｇにおいて、制御装置３７は、「Ｎｏ」と判定した場合には、ステップＳＴ１Ｄ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、以下に示すように、目標とする飽和吸収線ａ１０を探索する（ステップＳＴ１Ｈ；探索工程）。
先ず、制御装置３７は、ノイズ識別手段３７１及び吸収線判定手段３７２による飽和吸収線判定処理、及び吸収線判別処理を行いながら、最初に観測されるピーク群に属する飽和吸収線群として、当該飽和吸収線群が３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ＳＴ１Ｆにおいて、ピーク群Ｍ２を再度、探索した後の出力電圧Ｖは、飽和吸収線ａ１５が観測される電圧値よりも若干、大きい電圧値Ｖ１（図４）である。このため、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、３回目に観測される飽和吸収線群は、飽和吸収線群Ｎ４である。

次に、制御装置３７は、ノイズ識別手段３７１及び吸収線判定手段３７２による飽和吸収線判定処理、及び吸収線判別処理を行いながら、３回目に観測された飽和吸収線群Ｎ４に属する飽和吸収線として、当該飽和吸収線が１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Ｎ４に属する飽和吸収線は１つであるため、最初に観測される飽和吸収線が目標飽和吸収線となるが、複数の飽和吸収線を有する飽和吸収線群では、出力電圧Ｖが大きい方から数えて目標飽和吸収線を特定する。例えば、飽和吸収線群Ｎ２の飽和吸収線ａ４を目標飽和吸収線とする場合では、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が飽和吸収線ａ４となる。
そして、制御装置３７は、ステップＳＴ１Ｈにおける探索工程により飽和吸収線ａ１０を探索できたか否かを判定する（ステップＳＴ１Ｉ）。
ステップＳＴ１Ｉにおいて、制御装置３７は、「Ｎｏ」と判定した場合には、ステップＳＴ１Ｄのエラー処理に移行する。

一方、ステップＳＴ１Ｉにおいて「Ｙｅｓ」と判定された場合、電圧判定手段３７３は、目標飽和吸収線ａ１０が観測された際の出力電圧Ｖが、正常電圧範囲Ｒにおける下限値Ｖ_lower以上であるか否かを判定する（ステップＳＴ１Ｊ；電圧判定工程）。
ステップＳＴ１Ｊにおいて、「Ｎｏ」と判定された場合、ステップＳＴ１Ｄのエラー処理に移行する。
また、ステップＳＴ１Ｊにおいて、「Ｙｅｓ」と判定された場合、目標飽和吸収線ａ１０が観測された際の出力電圧Ｖが、正常電圧範囲Ｒにおける上限値Ｖ_upper以下であるか否かを判定する（ステップＳＴ１Ｋ；電圧判定工程）。
すなわち、電圧判定手段３７３は、目標飽和吸収線ａ１０が観測された際の出力電圧Ｖが、目標とする所望の発振周波数のレーザ光を出力させた際の出力電圧の理想範囲となる正常電圧範囲Ｒに含まれているか否かを判定するものである。

ステップＳＴ１Ｋにおいて、電圧判定手段３７３により「Ｎｏ」と判定された場合は、制御装置３７は、ステップＳＴ１Ｄのエラー処理に移行する。
また、ステップＳＴ１Ｋにおいて、電圧判定手段３７３により「Ｙｅｓ」と判定された場合は、周波数固定手段３７４は、出力電圧Ｖを、当該飽和吸収線ａ１０が観測された電圧値に固定する（ステップＳＴ１Ｌ；周波数固定工程）。
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ａ１０に合致することとなる。

また、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の出力値と第１閾値Ｖth１（図４（Ｂ）参照）とを比較し、２次微分信号Ｓ２の出力値が第１閾値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ａ１０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ＳＴ１Ｄのエラー処理に移行する。

［本実施形態の効果］
本実施形態では、制御装置３７は、目標飽和吸収線が探索された後、その目標飽和吸収線が観測された際の出力電圧Ｖが、飽和吸収線毎に設定された正常電圧範囲Ｒ内であるか否かを判定し、正常電圧範囲Ｒ内である場合に、目標飽和吸収線が観測された際の出力電圧Ｖを固定することで、レーザ光の発振周波数を目標飽和吸収線に固定する。
これにより、出力されたレーザ光の発振周波数が所望のレーザ周波数に合致しているか否かをセルフチェックすることができ、レーザ光の発振波長を高精度に所望の目標周波数に合致させることができる。また、別途、基準レーザ光を出力する基準用レーザ光源装置等を用意する必要がなく、簡素な構成でかつ容易に、所望の発振周波数のレーザ光が出力されているかを判定することができる。

また、正常電圧範囲Ｒとして、アクチュエータ１２６の経時変化等を含む共振器長変化の影響によって出力電圧Ｖの電圧値にばらつきが生じることを考慮して、バラつきに応じたマージンを含むように下限値Ｖ_lower及び上限値Ｖ_upperが設定されている。
このため、アクチュエータ１２６の経時変化等によって共振器長変化が生じ、これによって、目標飽和吸収線が探索された際の出力電圧Ｖにバラつきが生じた場合でも、出力電圧Ｖが正常電圧範囲Ｒ外としてエラー処理されることがない。つまり、所望の発振周波数のレーザ光が出力されているにも関わらず、エラーとして処理される不都合を回避できる。

［変形例］
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。
前記実施形態において、ノイズ識別手段３７１は、２次微分信号Ｓ２の出力値と第１閾値との比較、及び光出力信号Ｓ１の出力値と第２閾値との比較を行ってノイズを識別する第１の識別方法、２次微分信号Ｓ２と第３、第４閾値との比較を行い、出力電圧Ｖが変化した際の２次微分信号Ｓ２の出力波形の挙動に基づいてノイズを判定する第２の識別方法、２次微分信号Ｓ２の出力値及び第５閾値の比較結果と、２次微分信号Ｓ２の出力値と、出力電圧Ｖの電圧値とを関連付けた情報に基づいて、２次微分信号Ｓ２の出力値が所定値となる出力電圧Ｖの各電圧値の差分値と、第６閾値と、を比較することでノイズを識別する第３の識別方法を示した。これに対して、これらのいずれか又は全部を組み合わせることでノイズを識別してもよい。
例えば、ピーク群Ｍ１〜Ｍ４同士の間では、第１の識別方法を用いて飽和吸収線であるか否かを判定し、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は第２の識別方法、或いは第３の識別方法にて飽和吸収線であるか否かを判定しても構わない。

上記実施形態において、正常電圧範囲Ｒとして、共振器長変化を考慮して、下限値Ｖ_lower及び上限値Ｖ_upperに所定のマージンを持たせる例を示したが、マージンを含めない範囲を設定してもよい。また、下限値Ｖ_lower及び上限値Ｖ_upperのうちにいずれか一方のみにマージンを設ける等してもよい。

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・・・ノイズ識別手段
３７２・・・吸収線判定手段
３７３・・・電圧判定手段
３７４・・・周波数固定手段
ＳＴ１Ｈ・・・探索工程
ＳＴ１Ｊ，ＳＴ１Ｋ・・・電圧判定工程
ＳＴ１Ｌ・・・周波数固定工程

Claims (3)

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、
   印加される電圧に応じて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に印加する前記電圧を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記光出力信号に基づいて、目標飽和吸収線を探索し、前記目標飽和吸収線が探索された際に前記アクチュエータに印加された前記電圧が、前記目標飽和吸収線に対応して予め設定された所定範囲内にある場合に、前記目標飽和吸収線に前記レーザ光の発振周波数を固定する
   ことを特徴とするレーザ周波数安定化装置。
2. 請求項１に記載のレーザ周波数安定化装置において、
   前記所定範囲は、前記目標飽和吸収線に前記レーザ光の発振周波数を固定する際の前記電圧に対して、前記共振器長のバラつきに応じたマージンを含む範囲に設定されている
   ことを特徴とするレーザ周波数安定化装置。
3. 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におけるレーザ周波数安定化方法であって、
   前記光出力信号に基づいて、目標飽和吸収線を探索する探索工程と、
   前記目標飽和吸収線が探索された際に前記共振器長を変化させるアクチュエータに出力された電圧が、前記目標飽和吸収線に対応して予め設定された所定範囲内にあるか否かを判定する電圧判定工程と、
   前記電圧が前記所定範囲内にあると判定された場合に、前記目標飽和吸収線に前記レーザ光の発振周波数を固定する周波数固定工程と、を含む
   ことを特徴とするレーザ周波数安定化方法。

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