JP2020198340A - 光周波数・位相の自動安定化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光の光周波数・位相フィードバック制御において、目標外のロックポイントへの再ロックを防止する。【解決手段】レーザ光周波数制御装置は、光受光器の出力に基づいて、レーザ光周波数のロックポイントに対する誤差信号を生成する誤差信号生成部４ａ、第１積分器を含む従来型フィードバック回路４ｃ、第１積分器より時定数が大きい第２積分器４ｄを備えている。誤差信号がロックポイントの前後でピーク値を示す周波数に基づいて引き込み範囲を設定し、レーザ光周波数がこの引き込み範囲内にあるときは、従来型フィードバック回路４ｃによるフィードバック制御を行う。レーザ光周波数が引き込み範囲を外れたときは、従来型フィードバック回路４ｃに基づく制御量をゼロにリセットし、第２積分器４ｄの積分値のみを用いて、制御量を引き込み範囲を外れる直前の出力値に維持する。【選択図】図７

Description

本発明は、光共振器を使用した周波数安定化、ＣＷレーザの位相同期などに適用される光周波数・位相の自動安定化装置に関するものである。

レーザ光や光共振器を用いた計測器においては、精度を維持、向上するため、使用するレーザ光の周波数・位相や光共振器の共鳴周波数を目標値にフィードバック制御することが必要である。しかし、外乱などによってレーザ光の周波数・位相、光共振器の共鳴周波数が正常範囲を逸脱して目標値への制御が不能となる事態が発生する。そのため、周波数、位相あるいは光共振器の共鳴周波数が正常範囲を逸脱したことを検知した際、フィードバック制御を停止することで誤動作を防ぎ、再び正常範囲に復帰した際に、フィードバック制御を再開するようにしている。

例えば、レーザ光を原子吸収線あるいは分子吸収線の周波数に制御する際には、図１に示すように、気体状の原子あるいは分子が封入された電子ガスセルにＣＷレーザを照射する。透過したレーザ光の強度を光受光器で検出し、発振器、ミキサー、ローパスフィルタなどからなる復調器で復調することにより、吸収線近傍においては周波数の変動量にほぼ比例する誤差信号を得ることができる。
誤差信号は、吸収が最大となるところでゼロとなるので、この誤差信号に基づいて、強度が落ち込んだ周波数軸上の地点、すなわち、誤差信号がゼロとなる周波数を特定することにより、これをロックポイントとして、ＣＷレーザの周波数制御機構を介して光の周波数を目標値（封入された原子あるいは分子吸収線の周波数）にフィードバック制御している。

図２は、透過信号と誤差信号の関係を示すもので、落ち込みピーク点(破線部)で符号の反転する誤差信号(下図)が得ることができる。
レーザ光の周波数が上述のロックポイントに収束するよう、レーザ照射装置の周波数制御機構に対しフィードバック制御を行う際、周波数がロックポイントに対し所定範囲内であれば、正常なフィードバック制御が可能である。そこで、この範囲をロック引き込み範囲とし、周波数がこの所定範囲内にあるときのみ、フィードバック制御を行って、レーザ光の周波数をロックポイントに収束させる。一方、周波数がこの範囲外であるときは、フィードバック制御を行わない。

周波数がロック引き込み範囲から外れたときには正しい誤差信号が得られないので、誤った誤差信号の積分制御により、本来のロックポイントから大きく外れた方向に移動する。
このとき、別のロックポイントのロック引き込み範囲に入ると、そのロックポイントへ収束する場合がある。これを防ぐために、予め目的のロックポイントの前後に設定したロック引き込み範囲内に周波数を調整した上でフィードバック制御を開始する。フィードバック制御の積分値が急激に変化していないことを確認したり、波長計の値を確認したりして、目的のロックポイントに正しくロックできていることを確認する必要がある。

このことは、図３、図４に示すように、レーザ光と光共振器を共鳴させることで光共振器内部の電場強度を増幅する場合についても、制御対象が光共振器の共振器長可変機構となるだけで、原子吸収線あるいは分子吸収線へのレーザ光周波数フィードバックと同様である。また、図３に示す例では光共振器の共鳴周波数をレーザ光の周波数に追従させているが、逆にレーザ光の周波数を光共振器の共鳴周波数に追従させる場合もある。

精密なレーザ分光や長さ測定を実現するため、レーザ光の周波数を光周波数コムに位相同期する場合についても同様で、図５に示すように、光周波数コムのひとつのモードとＣＷレーザとの間のビート周波数ｆ_beatを検出し、これがシンセサイザーなどから提供される基準周波数ｆ_refと一致するように、ｆ_refとの位相差を検出し、ＣＷレーザの周波数制御機構を介してＣＷレーザの周波数をフィードバック制御する。
ｆ_beat検出時には光周波数コムの他のモードとのビート信号も同時に検出されるため、ｆ_beatのみを取り出すためのフィルタ用いる。ロックポイントの前後に設定されたロック引き込み範囲は、フィルタの帯域を超えない範囲で位相差検出方法によって決まり、１ＭＨｚ以下から数ＭＨｚ程度のことが多い。また、光周波数コムは複数のモードを有しているため、光周波数コムとＣＷレーザのビート周波数がｆ_refとなるＣＷレーザの周波数は複数存在する。つまり、光周波数コムへのＣＷレーザのロックポイントは、図６に示すように複数存在する。ロック引き込み範囲が有限でロックポイントが複数存在するという状況は、ＣＷレーザの周波数を原子（分子）吸収線にロックする場合や、光共振器の共鳴周波数をＣＷレーザの周波数にロックする場合と同様である。

外乱による計測精度低下を防止するため、特許文献１には、レーザ光を利用した変位量計において光周波数をフィードバック制御する際、異常の検知方法と、異常が検知された際にフィードバックを禁止することが示されている。

特開平１１−８３４３３号公報

しかし、特許文献１に示されているように、単に制御を停止すると、正常な状態に復帰した際、目標値から大きく外れた制御量からフィードバック制御を開始するため、制御量の収束に長時間を要するという問題があった。
特にレーザ光の光周波数・位相を安定化する際、制御目標となるロックレンジが狭く、ロックポイントが複数あるような場合、制御の誤動作によって光周波数・位相がロックレンジから大きく外れたり、目標外のロックポイントに再ロックされたりしてしまうというおそれもあった。

そこで、本発明の目的は、レーザ光の光周波数・位相をフィードバック制御することにより安定化する際、外乱などにより制御が外れてフィードバック制御を停止しても、目標値に収束させるための制御量演算を大きな時定数で継続して行うことにより、正常な状態に復帰した際に目標値近辺の制御量からフィードバック制御を円滑に再開し、目標外のロックポイントへの再ロックを確実に防止することにある。

この課題を解決するため、本発明に基づくレーザ光周波数制御装置は、レーザ光周波数を予め定めたロックポイントにフィードバック制御するレーザ光周波数制御装置であって、受光器あるいは位相比較器の出力に基づいて、レーザ光周波数のロックポイントに対する誤差信号を生成する誤差信号生成部と、ロックポイントの前後にロック引き込み範囲を設定し、レーザ光周波数がこのロック引き込み範囲内にあるときは、誤差信号がゼロになるようフィードバック制御を行うフィードバック制御装置と、フィードバック制御装置が備える第１積分器より大きい時定数を用いてフィードバック制御装置が出力する制御量を積分する第２積分器とを備え、レーザ光周波数がロック引き込み範囲を外れたときは、フィードバック制御装置による制御量をゼロにリセットしてフィードバック制御を停止するとともに、第２積分器の積分値を用いて、ロック引き込み範囲を外れる直前の制御量に維持し、レーザ光周波数がロック引き込み範囲内に復帰したときに、第２積分器が維持した制御量からフィードバック制御を再開するようにした。

本発明によれば、外乱などにより、誤差信号が急激に変動し、第１積分器を含め、従来型フィードバック制御回路を構成する比例回路、微分回路の出力値に基づくフィードバック制御を停止しても、第２積分器が直前の制御量を継続している。これにより、制御量を一定範囲内に維持し、正常な状態に復帰した際、目標値近辺の制御量からフィードバック制御を再開し、目標外のロックポイントへの再ロックを確実に防止することができる。

図１は、レーザ光を原子吸収線あるいは分子吸収線の周波数に制御するレーザ光の周波数制御装置の従来例を示す図である。 図２は、透過信号と誤差信号の関係を示す図である。 図３は、レーザ光と光共振器を共鳴させることにより光共振器内部の電場強度を増幅する際のブロック図である。 図４は、レーザ光と光共振器を共鳴させることにより光共振器内部の電場強度を増幅する際の透過信号と誤差信号の変動を示す図である。 図５は、光周波数コムとＣＷレーザのロックポイントの関係を示す図である。 図６は、光周波数コムへのＣＷレーザロックポイントが複数存在することを示す図である。 図７は、本実施例のブロック図を示す図である。 図８は、ノイズ発生時における第１積分器と第２積分器の動作を示す図である。 図９は、従来型フィードバック回路による制御量と本実施例による制御量の比較図である。

本実施例は、レーザ光の周波数を原子吸収線あるいは分子吸収線の周波数に制御するフィードバック制御システムに適用したものである（図１参照）。
前述のように、気体状の原子あるいは分子が封入されたガスセルにＣＷレーザを照射して、透過したレーザ光の強度を光受光器で検出する。この検出値を発振器、ミキサー、ローパスフィルタなどからなる復調器で復調することにより、吸収線近傍においては周波数の変動量にほぼ比例する誤差信号を得る。

誤差信号は、吸収が最大となるところでゼロとなるが、図６に示すように、その前後で極大、極小のピーク値をとる。そこで、隣接したピーク値をとる周波数の中心値、すなわち、誤差信号が極小値をとる周波数と、ゼロを通過し、極大値をとる周波数の平均値に基づいて周波数のロックポイントを予め設定する。
そして、このロックポイントを中心に、その前後に所定周波数幅のロック引き込み範囲を設定する。なお、この所定周波数幅は、目標とするロックポイントへのフィードバック制御が正常に行われている際の許容変動幅に基づいて設定されている。

図７に示すように、周波数可変機構を備えたレーザ照射装置１から照射されたレーザ光は、目標となる吸収線を物理特性として有する原子あるいは分子を封入したガラス容器２を透過し、光受光器３によりその透過光の強度が計測される。
従来技術と同様に、光受光器３の計測信号に基づいて、周波数フィードバック制御装置４の誤差信号生成部４ａにより誤差信号が生成され、上述のようにロックポイントが設定される。
本実施例の周波数フィードバック制御装置４では、誤差信号生成部４ａからの誤差信号は、従来技術と同様の時定数を有する第１積分器を含め、図示しない比例回路、微分回路等を有する従来型フィードバック回路４ｃに入力され、このフィードバック回路４ｃの出力は、第１積分器より大きな時定数を有する第２積分器４ｄに入力され、常時積分される。
正常時は、従来型フィードバック回路４ｃの出力値と第２積分器４ｄの出力値が加算器４ｅで加算され、レーザ照射装置１の周波数可変機構に対しフィードバック制御量として出力される。

ここで、従来型フィードバック回路４ｃには、第１積分器による積分を停止するとともに、積分値をゼロにリセットするリセット装置４ｆが接続されている。
ノイズ等の影響により、レーザ光の周波数が上述のロック引き込み範囲を越えた際、このリセット装置４ｆにより、従来型フィードバック回路４ｃ内の第１積分器による積分値を含め、図示しない微分分、比例分など、第２積分器の積分値４ｄ以外の制御量がすべてリセットされる。その上で、第２積分器フィードバック回路４ｃの出力値が加算器４ｅを経由して制御量として出力される。
この様子を示したものが、図８である。
これにより、図９に示すように、下側の従来型フィードバック回路４ｃのみによるフィードバック制御では、積分値が発散して異常動作を引き起こす可能性があるのに対し、第２積分器４ｄを具備することにより、フィードバック制御量の大幅な変動が防止され、他のゼロ通過周波数をロックポイントとみなしてロックされる等の異常動作が確実に防止される。

なお、上記の実施例は、レーザ光の周波数を原子吸収線あるいは分子吸収線の周波数に制御するフィードバック制御システムに適用したものであるが、レーザ光の周波数を光周波数コムに位相同期するためのフィードバック制御システムにも適用できる。
レーザ光と光共振器を共鳴させることで光共振器内部の電場強度の増幅を行う場合については、制御対象を共振器長可変機構とすればよい。

以上説明したように、本発明によれば、外乱などが発生したとしても、正常な状態に復帰した際、目標値近辺の制御量からフィードバック制御を円滑に再開し、目標外のロックポイントへの再ロックなどを確実に防止することができるので、光共振器を使用した周波数安定化、ＣＷレーザの位相同期などに適用される光周波数・位相の自動安定化装置として広く採用されることが期待できる。

１：レーザ照射装置
２：ガラス容器
３：光受光器
４：周波数フィードバック制御装置
４ａ：誤差信号生成部
４ｃ：従来型フィードバック回路
４ｄ：第２積分器
４ｆ：リセット装置
４ｅ：加算器

Claims (4)

1. レーザ光周波数を予め定めたロックポイントにフィードバック制御するレーザ光周波数制御装置であって、
   受光器あるいは位相比較器の出力に基づいて、前記レーザ光周波数の前記ロックポイントに対する誤差信号を生成する誤差信号生成部と、
   前記ロックポイントの前後にロック引き込み範囲を設定し、前記レーザ光周波数が前記ロック引き込み範囲内にあるときは、前記誤差信号がゼロになるようフィードバック制御を行うフィードバック制御装置と、
   前記フィードバック制御装置が備える第１積分器より大きい時定数を用いて前記フィードバック制御装置が出力する制御量を積分する第２積分器とを備え、
   前記レーザ光周波数が前記ロック引き込み範囲を外れたときは、前記フィードバック制御装置による制御量をゼロにリセットしてフィードバック制御を停止するとともに、前記第２積分器の積分値に用いて、前記ロック引き込み範囲を外れる直前の制御量に維持し、
   前記レーザ光周波数が前記ロック引き込み範囲内に復帰したときに、前記第２積分器が維持した制御量からフィードバック制御を再開するようにしたことを特徴とするレーザ光の周波数制御装置。
2. レーザ光の周波数を原子吸収線あるいは分子吸収線の周波数に制御するフィードバック制御に適用された、請求項１に記載のレーザ光の周波数制御装置。
3. レーザ光の周波数を光周波数コムに位相同期するためのフィードバック制御に適用された、請求項１に記載のレーザ光の周波数制御装置。
4. レーザ光と光共振器を共鳴させるため、共振器長可変機構を前記フィードバック制御の制御対象とした、請求項１に記載のレーザ光の周波数制御装置。
   
   

Images