JP2022127514A - Wavelength control device, wavelength control method, and differential absorption lidar device - Google Patents

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Abstract

To provide a wavelength control device capable of stably controlling laser light to a desired wavelength.SOLUTION: A wavelength control device 20 includes: a wavelength correction unit 6 that outputs an error signal Serr1 to a laser light source 12 and irradiates with a laser beam L1 having a wavelength based on the error signal Serr1; a sideband wave generation unit 4 that modulates reference light L0 irradiated by a reference laser light source 11 and outputs modulated light L0mod in which one or more sideband waves are generated in the reference light L0; and a photodetector 51 that receives light obtained by combining the modulated light L0mod and the laser light L1, and outputs an electric signal SDF1 containing the same frequency as a frequency difference between the modulated light L0mod and the laser light L1. On the basis of the electric signal SDF1, the wavelength correction unit 6 generates the error signal Serr1 that shifts the wavelength of the laser light L1 on the basis of the electric signal SDF1 such that the frequency difference between the laser light L1 and one sideband wave closest in wavelength to the laser light L1 in the modulated light L0mod becomes a predetermined offset frequency.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、レーザーに対して光の波長を制御する波長制御装置及び波長制御方法、ならびに差分吸収ライダー装置に関する。 The present invention relates to a wavelength control device and a wavelength control method for controlling the wavelength of light with respect to a laser, and a differential absorption LIDAR device.

ライダー(Lidar)は、レーザー光を用いたセンシング技術であり、大気中の気体分子や微粒子(エアロゾル)等を観測するのに好適で、その濃度、光源からの距離、または速度等を取得することができる。ライダーは、様々な手法があり、例えば水蒸気観測には、差分吸収ライダー(Differential Absorption Lidar:DIAL)(例えば、特許文献1、非特許文献1,2)及びラマンライダーが知られている。水蒸気観測において、ラマンライダーは背景光の強い昼間の観測が困難であるのに対し、差分吸収ライダーは昼夜によらず観測が可能であり、さらに、アイセーフ対応の赤外線(波長1.4μm以上)を使用することができる。 Lidar is a sensing technology that uses laser light and is suitable for observing gas molecules and fine particles (aerosols) in the atmosphere. can be done. There are various lidar techniques. For example, differential absorption lidar (DIAL) (for example, Patent Document 1, Non-Patent Documents 1 and 2) and Raman lidar are known for water vapor observation. In water vapor observation, the Raman lidar is difficult to observe during the daytime due to the strong background light, while the differential absorption lidar can be observed regardless of day or night. can be used.

差分吸収ライダー(DIAL)装置は、レーザーを2台備え、観測対象とする気体分子等による光吸収量が異なる2波長のレーザー光を照射して、反射及び散乱光の受信強度比に基づいて気体分子の濃度を計測する。観測対象以外の気体分子等による光吸収も波長依存性を有して存在するので、DIAL装置において、観測に使用するレーザー光の波長の決定及びその波長に制御することは、最も重要な要素の一つである。レーザーは、周囲環境の変化や経年劣化によって照射する光の波長がドリフト及び変動することがあるので、DIAL装置において気体分子等を長期間安定して測定するためには、発振波長を特定の波長に継続して制御する技術が必要となる。 The differential absorption lidar (DIAL) device is equipped with two lasers, and irradiates laser light of two wavelengths with different light absorption amounts by gas molecules to be observed. Measures the concentration of molecules. Since light absorption by gas molecules other than those to be observed also exists with wavelength dependence, determining the wavelength of the laser light used for observation and controlling it to that wavelength are the most important factors in the DIAL device. is one. Lasers can drift and fluctuate in the wavelength of the light they irradiate due to changes in the surrounding environment and deterioration over time. Therefore, a technology for continuous control is required.

レーザー光の波長を制御する方法の一つとしては、レーザー光を位相変調してガスセルまたはエタロン素子に透過させ、透過した光の検出強度や位相情報を基に帰還信号を生成し、帰還信号でレーザー光の波長をフィードバック制御するPound-Drever-Hall(PDH)法が挙げられる(例えば、非特許文献1,3)。別の方法は、特定の波長に制御したレーザー光(マスターレーザー光)を基準として、任意の波長分ずらした波長に制御するオフセットロック法が挙げられる(例えば、非特許文献2)。オフセットロック法では、PDH法で基準波長に波長制御したマスターレーザー光と波長制御対象のレーザー光とを光ヘテロダイン検波して差周波信号を生成し、光位相同期ループ(Optical Phase-Locked Loop:OPLL)技術を用いて差周波信号を基準信号と位相同期することにより、レーザー光の波長を制御する。 One method of controlling the wavelength of laser light is to phase-modulate the laser light and transmit it through a gas cell or etalon element, generate a feedback signal based on the detected intensity and phase information of the transmitted light, and use the feedback signal A Pound-Drever-Hall (PDH) method that feedback-controls the wavelength of laser light is exemplified (for example, Non-Patent Documents 1 and 3). Another method is an offset lock method in which a laser beam controlled to have a specific wavelength (master laser beam) is used as a reference and controlled to have a wavelength shifted by an arbitrary wavelength (for example, Non-Patent Document 2). In the offset lock method, a master laser beam whose wavelength is controlled to a reference wavelength by the PDH method and a laser beam to be wavelength-controlled are subjected to optical heterodyne detection to generate a difference frequency signal, and an optical phase-locked loop (OPLL) is generated. ) technique to control the wavelength of the laser light by phase-locking the difference frequency signal with the reference signal.

特開2017-198536号公報JP 2017-198536 A

Shoken Ishii, et al., "Coherent 2 μm differential absorption and wind lidar with conductively cooled laser and two-axis scanning device", Applied Optics Volume 49, Issue 10, pp. 1809-1817, 2010Shoken Ishii, et al., "Coherent 2 μm differential absorption and wind lidar with conductively cooled laser and two-axis scanning device", Applied Optics Volume 49, Issue 10, pp. 1809-1817, 2010 Shoken Ishii, et al., "Partial CO2 column-averaged dry-air mixing ratio from measurements by coherent 2-μm differential absorption and wind lidar with laser frequency offset locking", Journal of Atmospheric and Oceanic Technology Volume 29, Issue 9, pp. 1169-1181, 2012Shoken Ishii, et al., "Partial CO2 column-averaged dry-air mixing ratio from measurements by coherent 2-μm differential absorption and wind lidar with laser frequency offset locking", Journal of Atmospheric and Oceanic Technology Volume 29, Issue 9, pp. 1169-1181, 2012 Eric D. Black, “An introduction to Pound-Drever-Hall laser frequency stabilization,” American Journal of Physics Volume 69, Issue 1, pp. 79-87, 2001Eric D. Black, “An introduction to Pound-Drever-Hall laser frequency stabilization,” American Journal of Physics Volume 69, Issue 1, pp. 79-87, 2001

しかし、PDH法では、ガスセルに封入された気体分子の吸収線の中心波長またはエタロン素子の共振波長のように特定の1つの波長にしか波長を制御することができない。オフセットロック法では、基準波長のマスターレーザー光と制御対象のレーザー光との差周波数が大きいと、光ヘテロダイン検波に用いる光検出器が応答できなくなるので、観測に用いようとする波長が基準波長に対して差が大きいと制御することが困難になる。さらに、OPLL技術では、フィードバック回路の周波数応答特性が波長制御の精度に与える影響が大きいので、差周波信号の周波数を変える、すなわちオフセット量を変えると制御精度が低下するという課題がある。例えば、DIAL装置は、CO2を封入したガスセルを備えることでレーザー光をCO2の測定に好適な波長に制御することができるが、水蒸気を測定するために好適な波長に制御することは困難である。 However, in the PDH method, the wavelength can only be controlled to one specific wavelength such as the central wavelength of the absorption line of the gas molecules enclosed in the gas cell or the resonant wavelength of the etalon element. In the offset lock method, if the difference frequency between the master laser light of the reference wavelength and the laser light to be controlled is large, the photodetector used for optical heterodyne detection cannot respond. On the other hand, if the difference is large, it becomes difficult to control. Furthermore, in the OPLL technique, the frequency response characteristics of the feedback circuit have a large effect on the accuracy of wavelength control. Therefore, changing the frequency of the difference frequency signal, ie, changing the offset amount, causes a problem of lowering the control accuracy. For example, the DIAL device is equipped with a gas cell filled with CO 2 so that the laser light can be controlled to a wavelength suitable for measuring CO 2 , but it is difficult to control the wavelength suitable for measuring water vapor. is.

本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、レーザー光の波長を安定して制御することができる波長制御装置及び波長制御方法、ならびに差分吸収ライダー装置を提供することを課題とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a wavelength control device, a wavelength control method, and a differential absorption lidar device capable of stably controlling the wavelength of laser light. .

本発明に係る波長制御装置は、レーザー光源に対して、誤差信号を出力して前記誤差信号に基づく波長を有するレーザー光を照射させる波長補正手段と、基準レーザー光源が照射した基準レーザー光を変調して、前記基準レーザー光に1以上の側帯波を発生させた変調光を出力する側帯波発生手段と、前記変調光と前記レーザー光とが合波した光が入力されて、前記変調光と前記レーザー光との周波数差と同じ周波数を含む電気信号を出力する光検出器と、を備える構成であり、前記波長補正手段は、前記電気信号に基づき、前記変調光における前記レーザー光に波長が最も近い1つの側帯波と前記レーザー光との周波数差が所定の値となるように、前記レーザー光の波長をシフトさせる前記誤差信号を生成する。 The wavelength control device according to the present invention includes wavelength correction means for outputting an error signal to a laser light source and irradiating laser light having a wavelength based on the error signal, and modulating the reference laser light emitted by the reference laser light source. sideband wave generating means for outputting modulated light obtained by generating one or more sideband waves in the reference laser light; a photodetector that outputs an electric signal including a frequency that is the same as the frequency difference from the laser light, and the wavelength correction means corrects the wavelength of the laser light in the modulated light based on the electric signal. The error signal is generated to shift the wavelength of the laser light so that the frequency difference between the closest one sideband and the laser light is a predetermined value.

また、本発明に係る差分吸収ライダー装置は、シード光として互いに異なる波長のレーザー光を照射する第1のレーザー光源及び第2のレーザー光源、前記波長制御装置、ならびに前記基準レーザー光を照射する基準レーザー光源を備える構成であり、前記波長制御装置は、前記光検出器及び前記波長補正手段が前記第1のレーザー光源及び前記第2のレーザー光源のそれぞれに設けられて、前記レーザー光の波長を制御する。 Further, the differential absorption lidar apparatus according to the present invention includes a first laser light source and a second laser light source that irradiate laser light of different wavelengths as seed light, the wavelength control device, and a reference for irradiating the reference laser light. The wavelength control device includes a laser light source, wherein the photodetector and the wavelength correction means are provided in each of the first laser light source and the second laser light source to determine the wavelength of the laser light. Control.

本発明に係る波長制御方法は、レーザー光源が照射するレーザー光を、基準レーザー光の波長に対して所定の差の波長に制御する方法であって、基準レーザー光源が照射した前記基準レーザー光を変調して、前記基準レーザー光に1以上の側帯波を発生させた変調光を出力する側帯波発生ステップと、前記変調光と前記レーザー光とから、前記変調光と前記レーザー光との周波数差と同じ周波数を含む電気信号を出力する光検出ステップと、前記電気信号から誤差信号を生成して前記レーザー光源に入力し、前記レーザー光を、前記変調光における前記レーザー光に波長が最も近い1つの側帯波との周波数差が所定の値となるように、前記レーザー光源に前記誤差信号に基づく波長に調整させる波長補正ステップと、を行う。 A wavelength control method according to the present invention is a method for controlling laser light emitted by a laser light source to have a wavelength with a predetermined difference from a wavelength of a reference laser light, wherein the reference laser light emitted by the reference laser light source is a sideband wave generating step of modulating and outputting modulated light generated by generating one or more sideband waves in the reference laser light; and a frequency difference between the modulated light and the laser light based on the modulated light and the laser light. a photodetection step of outputting an electrical signal including the same frequency as that of the laser light, generating an error signal from the electrical signal and inputting it to the laser light source, and converting the laser light into the modulated light having the wavelength closest to the laser light and a wavelength correction step of adjusting the laser light source to a wavelength based on the error signal so that the frequency difference between the two sideband waves becomes a predetermined value.

本発明によれば、レーザー光を所望の波長に安定して制御することができる波長制御装置及び波長制御方法、ならびに、所望の気体分子を高精度で観測することができる差分吸収ライダー装置が得られる。 According to the present invention, a wavelength control device and a wavelength control method capable of stably controlling a laser beam to a desired wavelength, and a differential absorption lidar device capable of observing desired gas molecules with high precision are obtained. be done.

本発明の実施形態に係る差分吸収ライダー装置の構造を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the structure of the differential absorption LIDAR apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る波長制御装置の構造を説明するブロック図である。1 is a block diagram illustrating the structure of a wavelength control device according to an embodiment of the present invention; FIG. 本発明の実施形態に係る波長制御方法を説明するフローチャートである。4 is a flow chart explaining a wavelength control method according to an embodiment of the present invention; 本発明の実施形態に係る波長制御方法を説明するための、位相変調した基準レーザー光及びレーザー光の周波数を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing frequencies of phase-modulated reference laser light and laser light for explaining the wavelength control method according to the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る波長制御方法を説明するための、位相変調した基準レーザー光及びレーザー光の周波数を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing frequencies of phase-modulated reference laser light and laser light for explaining the wavelength control method according to the embodiment of the present invention. 2.05μm帯における水蒸気及び二酸化炭素の各吸収線のスペクトルである。It is a spectrum of each absorption line of water vapor and carbon dioxide in the 2.05 μm band. 本発明の実施形態に係る差分吸収ライダー装置におけるレーザー光の波長制御方法を説明するための、位相変調した基準レーザー光の周波数及びレーザー光の目標周波数を示す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing the frequency of a phase-modulated reference laser beam and the target frequency of the laser beam, for explaining the wavelength control method of the laser beam in the differential absorption lidar device according to the embodiment of the present invention;

本発明に係る波長制御装置及び波長制御方法、ならびに差分吸収ライダー装置を実施するための形態について、図を参照して説明する。同一構造の要素については、同じ符号を付して表す。 Embodiments for implementing a wavelength control device, a wavelength control method, and a differential absorption lidar device according to the present invention will be described with reference to the drawings. Elements having the same structure are denoted by the same reference numerals.

〔差分吸収ライダー装置〕
本発明の実施形態に係るDIAL装置(差分吸収ライダー装置)10は、大気中にレーザー光を照射して大気中の気体分子や微粒子(エアロゾル)等を観測する装置であり、特に水蒸気の観測に好適である。図1に示すように、本実施形態に係るDIAL装置10は、シード光として互いに異なる波長のレーザー光L1,L2を照射する2台のレーザー光源(第1のレーザー光源、第2のレーザー光源)12,13と、レーザー光L1,L2の波長を制御する波長制御装置20と、レーザー光L1,L2の波長の制御に使用する基準光(基準レーザー光)L0を照射する基準レーザー光源11と、を備える。
[Differential absorption lidar device]
A DIAL device (differential absorption lidar device) 10 according to an embodiment of the present invention is a device for observing gas molecules and fine particles (aerosols) in the atmosphere by irradiating laser light into the atmosphere. preferred. As shown in FIG. 1, the DIAL device 10 according to the present embodiment includes two laser light sources (a first laser light source and a second laser light source) that emit laser light L1 and L2 having different wavelengths as seed light. 12 and 13, a wavelength control device 20 that controls the wavelengths of the laser lights L1 and L2, a reference laser light source 11 that emits a reference light (reference laser light) L0 used for controlling the wavelengths of the laser lights L1 and L2, Prepare.

DIAL装置10はさらに、パルスレーザー増幅器7、望遠鏡(送受信光学系)8、及び信号処理・観測制御装置9を備え、また、必要に応じて、光アイソレータ14、光分波器15,16,18、光切替器17、ミラー19、及びレンズ(図示省略)等の光学素子を備える。DIAL装置10は、波長制御装置20以外の部品については、一般的なDIAL装置に搭載されるものと同様の装置を適用することができる。なお、図1、及び後記図2において、実線の矢印で電気信号を、太点線またはハッチングを付した太線の矢印で光を、それぞれ表す。また、簡潔に説明するために光が直進して表されるが、DIAL装置10は、光ファイバ等の光導波路を備えて、任意の形状の光路を構成することができる。以下、各要素について詳細に説明する。 The DIAL device 10 further comprises a pulsed laser amplifier 7, a telescope (transmitting and receiving optical system) 8, and a signal processing/observation control device 9, and if necessary, an optical isolator 14 and optical demultiplexers 15, 16, 18. , an optical switch 17, a mirror 19, and optical elements such as a lens (not shown). In the DIAL device 10, components other than the wavelength control device 20 can be the same devices as those mounted in a general DIAL device. In FIG. 1 and FIG. 2 described later, electric signals are represented by solid arrows, and light is represented by thick dotted or hatched arrows. Also, although the light is represented as traveling straight for the sake of simplicity, the DIAL device 10 can comprise an optical waveguide such as an optical fiber to form an optical path of any shape. Each element will be described in detail below.

(基準レーザー光源、レーザー光源)
基準レーザー光源11及びレーザー光源12,13は、半導体レーザーや固体レーザー等であり、それぞれ照射するレーザー光の波長に対応した公知の装置を適用することができる。また、基準レーザー光源11及びレーザー光源12,13は、入力される電圧等を変化させることにより発振波長を僅かに変化させることができるように、例えば、共振器及び共振器長を調整するピエゾ素子を備える。レーザー光源12,13が照射するレーザー光L1,L2は、DIAL装置10のシード光として、観測対象の気体分子(例えば、水蒸気(H2O))の光吸収量が互いに異なると共に、大気中の他の気体分子(例えば、CO2)の光吸収量が十分に少ない波長が選択される。また、レーザー光L1,L2は、大気中に照射されることから、アイセーフ対応の赤外線(波長1.4μm以上)であることが好ましい。例えば、レーザー光L1,L2が波長2.05μm近傍の赤外線である場合には、レーザー光源12,13として、Tm,Ho:YLF連続レーザーを適用することができる。
(reference laser light source, laser light source)
The reference laser light source 11 and the laser light sources 12 and 13 are semiconductor lasers, solid-state lasers, or the like, and known devices corresponding to the wavelengths of laser light to be irradiated can be applied. Further, the reference laser light source 11 and the laser light sources 12 and 13 are, for example, piezoelectric elements for adjusting the resonator and the resonator length so that the oscillation wavelength can be slightly changed by changing the input voltage or the like. Prepare. The laser beams L1 and L2 emitted by the laser light sources 12 and 13 are used as seed beams for the DIAL device 10, and have different optical absorption amounts of gas molecules to be observed (for example, water vapor (H 2 O)). A wavelength is chosen at which the light absorption of other gas molecules (eg, CO 2 ) is sufficiently low. In addition, since the laser beams L1 and L2 are emitted into the atmosphere, they are preferably infrared rays (wavelength of 1.4 μm or longer) for eye-safety. For example, when the laser beams L1 and L2 are infrared rays having a wavelength of about 2.05 μm, a Tm, Ho:YLF continuous laser can be applied as the laser light sources 12 and 13 .

レーザー光源12は、波長λ1に制御されたレーザー光L1を照射し、レーザー光源13は、波長λ2に制御されたレーザー光L2を照射する。観測対象の気体分子の光吸収量が大きい方をレーザー光L1の波長λ1、小さい方をレーザー光L2の波長λ2とする。波長λ1は、観測対象の気体分子の吸収線の中心波長等、光吸収量が過大な波長を適用すると、DIAL装置10による観測距離が短くなる。また、吸収線の中心波長近傍においては、光吸収量の波長依存性が高く、波長の微小な変動により光吸収量が変化する。このような波長では、光吸収量の温度・気圧依存性が高くなる。そこで、気体分子濃度の高度分布を計測するためには、波長λ1は、吸収線の中心波長からある程度離れた、光吸収量が適度な波長を選択することが好ましい。一方、波長λ2は、計測精度を向上させるために、吸収線から十分に離れた波長や光吸収量が十分に少ない波長を選択することが好ましい。また、計測精度を向上させるために、波長λ1,λ2は共に、大気中の他の気体分子による光吸収の影響が小さい波長を選択し、かつ光吸収量が互いに同等であることが好ましい。レーザー光L1,L2は、このように設定された波長λ1,λ2に、後記するように、波長制御装置20により基準光L0の波長(基準波長)λ0を基準として制御される。 The laser light source 12 emits a laser beam L1 controlled to have a wavelength λ1, and the laser light source 13 emits a laser beam L2 controlled to have a wavelength λ2. Let the wavelength λ1 of the laser light L1 be the wavelength λ1 of the laser light L1, and let the wavelength λ2 of the laser light L2 be the wavelength λ2 of the light absorption of the gas molecules to be observed. If the wavelength λ1 is a wavelength with an excessive amount of light absorption, such as the central wavelength of the absorption line of the gas molecule to be observed, the observation distance of the DIAL device 10 will be shortened. Further, in the vicinity of the central wavelength of the absorption line, the amount of light absorption is highly dependent on the wavelength, and the amount of light absorption varies with minute fluctuations in wavelength. At such wavelengths, the dependence of the amount of light absorption on temperature and atmospheric pressure is high. Therefore, in order to measure the altitude distribution of the gas molecule concentration, it is preferable to select a wavelength λ1 that is somewhat distant from the central wavelength of the absorption line and has an appropriate amount of light absorption. On the other hand, for the wavelength λ2, it is preferable to select a wavelength sufficiently distant from the absorption line or a wavelength with a sufficiently small amount of light absorption, in order to improve measurement accuracy. Also, in order to improve the measurement accuracy, it is preferable that both the wavelengths λ1 and λ2 are selected so that the influence of light absorption by other gas molecules in the atmosphere is small, and that the light absorption amounts are equal to each other. The laser beams L1 and L2 are controlled to the wavelengths λ1 and λ2 thus set by the wavelength control device 20 with reference to the wavelength (reference wavelength) λ0 of the reference light L0, as will be described later.

基準レーザー光源11は、基準光(基準レーザー光)L0を照射する。基準光L0は、レーザー光L1,L2をそれぞれ波長λ1,λ2に制御するための基準波長λ0を有するレーザー光である。基準波長λ0は、波長λ1,λ2とのそれぞれの差が大き過ぎない範囲で安定して固定することができる任意の値に設定することができ、周波数での差が50GHz以下であることが好ましい。具体的には後記するように、波長制御装置20の波長安定化装置3を使用したPound-Drever-Hall(PDH)法により、波長安定化装置3のガスセル34(図2参照)に封入した気体分子の吸収線の中心波長に制御することができる。 The reference laser light source 11 emits reference light (reference laser light) L0. The reference light L0 is laser light having a reference wavelength λ0 for controlling the laser lights L1 and L2 to have wavelengths λ1 and λ2, respectively. The reference wavelength λ0 can be set to any value that can be stably fixed within a range in which the difference between the wavelengths λ1 and λ2 is not too large, and the difference in frequency is preferably 50 GHz or less. . Specifically, as will be described later, the Pound-Drever-Hall (PDH) method using the wavelength stabilizer 3 of the wavelength controller 20 is used to fill the gas cell 34 of the wavelength stabilizer 3 (see FIG. 2). It can be controlled to the central wavelength of absorption lines of molecules.

(光学素子)
光アイソレータ14は、基準レーザー光源11及びレーザー光源12,13のそれぞれに設けられて、発振動作の戻り光による擾乱を防止する。光分波器(ビームスプリッタ)15,16は、レーザー光源12,13が照射したレーザー光L1,L2を、それぞれの一部を波長制御装置20に導入するために分岐する。光分波器15,16は、図1及び図2ではハーフミラーで表すが、例えば光カプラであり、光ファイバを経由してレーザー光源12,13に接続され、さらに、所望の分岐比のものを適用することができる。光切替器17は、レーザー光L1とレーザー光L2を周期的に(例えば、パルスレーザー増幅器7が出力するパルス周期毎に)交互に出力する光スイッチである。光分波器18は、光分波器15,16と同様の構成とすることができ、光切替器17が出力したレーザー光L1またはレーザー光L2(適宜、レーザー光L1/L2と称する)を、パルスレーザー増幅器7及び信号処理・観測制御装置9のそれぞれに入力するために分岐する。
(optical element)
The optical isolator 14 is provided in each of the reference laser light source 11 and the laser light sources 12 and 13 to prevent disturbance due to return light of the oscillation operation. Optical demultiplexers (beam splitters) 15 and 16 split the laser beams L1 and L2 emitted by the laser light sources 12 and 13 in order to partially introduce them into the wavelength control device 20 . The optical demultiplexers 15 and 16, represented by half mirrors in FIGS. 1 and 2, are, for example, optical couplers, are connected to the laser light sources 12 and 13 via optical fibers, and have a desired branching ratio. can be applied. The optical switch 17 is an optical switch that alternately outputs the laser light L1 and the laser light L2 periodically (for example, every pulse period output by the pulse laser amplifier 7). The optical demultiplexer 18 can have the same configuration as the optical demultiplexers 15 and 16, and the laser light L1 or the laser light L2 output from the optical switch 17 (arbitrarily referred to as laser light L1/L2) is , to be input to the pulse laser amplifier 7 and the signal processing/observation controller 9, respectively.

(パルスレーザー増幅器、望遠鏡、信号処理・観測制御装置)
パルスレーザー増幅器7は、レーザー光源12,13から連続波として照射されたレーザー光L1,L2を、観測用に所定の周期及びパルス幅のパルス光Lplsとし、さらに所定の出力に増幅させる。望遠鏡8は送受信光学系であり、パルスレーザー増幅器7が出力したパルス光Lplsを大気中に照射すると共に、大気中からパルス光Lpls´を受光する。望遠鏡8は、例えば、軸外式望遠鏡が適用される。信号処理・観測制御装置9は、光切替器17から入力されたレーザー光L1/L2と望遠鏡8が受光した光Lpls´とから、波長λ1,λ2それぞれの光についてヘテロダイン検波で電気信号を得て、観測対象の気体分子濃度を算出する。
(Pulse laser amplifier, telescope, signal processing/observation controller)
The pulse laser amplifier 7 converts the laser beams L1 and L2 emitted as continuous waves from the laser light sources 12 and 13 into pulsed light Lpls having a predetermined period and pulse width for observation, and further amplifies the pulsed light Lpls to a predetermined output. The telescope 8 is a transmission/reception optical system, and irradiates the atmosphere with the pulsed light L pls output from the pulsed laser amplifier 7 and receives the pulsed light L pls ' from the atmosphere. For the telescope 8, for example, an off-axis telescope is applied. The signal processing/observation control device 9 obtains electrical signals by heterodyne detection of the light beams of wavelengths λ1 and λ2 from the laser light beams L1/L2 input from the optical switch 17 and the light beam L pls ' received by the telescope 8. to calculate the concentration of gas molecules to be observed.

〔波長制御装置〕
図2に示すように、本発明の実施形態に係る波長制御装置20は、レーザー光源12に対して、誤差信号Serr1を出力して誤差信号Serr1に基づく波長を有するレーザー光L1を照射させる波長補正部(波長補正手段)6と、基準レーザー光源11が照射した基準光L0を変調して基準光L0に1以上の側帯波を発生させた変調光L0modを出力する側帯波発生部(側帯波発生手段)4と、変調光L0modとレーザー光L1とが合波した光が入力されて、変調光L0modとレーザー光L1との周波数差と同じ周波数を含む電気信号SDF1を出力する光検出器51と、を備える。そして、波長補正部6は、電気信号SDF1に基づき、変調光L0modにおけるレーザー光L1に波長が最も近い1つの側帯波とレーザー光L1との周波数差が所定の値となるように、レーザー光L1の波長をシフトさせる誤差信号Serr1を生成する。
[Wavelength controller]
As shown in FIG. 2, the wavelength control device 20 according to the embodiment of the present invention outputs an error signal S err 1 to the laser light source 12, and emits a laser beam L1 having a wavelength based on the error signal S err 1. A wavelength correction unit (wavelength correction means) 6 for irradiating, and a sideband wave generator that modulates the reference light L0 emitted by the reference laser light source 11 and outputs modulated light L0 mod in which one or more sideband waves are generated in the reference light L0. The light obtained by combining the modulated light L0 mod and the laser light L1 is input to the section (sideband wave generating means) 4, and an electric signal SDF containing the same frequency as the frequency difference between the modulated light L0 mod and the laser light L1 is generated. and a photodetector 51 that outputs 1. Then, based on the electrical signal S DF 1, the wavelength correction unit 6 adjusts the frequency difference between the laser light L1 and the sideband wave having the wavelength closest to the laser light L1 in the modulated light L0 mod to a predetermined value. An error signal S err 1 is generated that shifts the wavelength of the laser light L1.

さらに波長制御装置20は、基準レーザー光源11に対して基準光L0の波長を基準波長λ0に制御する波長安定化装置3を備える構成としてもよい。なお、図1に示すように、DIAL装置10は互いに波長の異なるレーザー光L1,L2をシード光として使用するので、DIAL装置10に設けられる波長制御装置20は、レーザー光L1,L2を個別に制御するために、光検出器51,52及び波長補正部6,6を備える。波長制御装置20はさらに、必要に応じて、光分波器21,22、光合波器23,24、及びミラー29等の光学素子、ならびに、基準レーザー光源11及びレーザー光源12,13の各発振波長と共に、波長補正部6から電気信号SDF1,SDF2に含まれる差周波成分及びその位相情報を外部のモニタ等にリアルタイムで出力するための、周波数スペクトラムアナライザ等を含む通知手段(図示せず)を備える。 Furthermore, the wavelength control device 20 may be configured to include a wavelength stabilizing device 3 that controls the wavelength of the reference light L0 to the reference wavelength λ0 for the reference laser light source 11 . As shown in FIG. 1, the DIAL device 10 uses laser beams L1 and L2 having different wavelengths as seed light. Photodetectors 51 and 52 and wavelength correctors 6 and 6 are provided for control. The wavelength control device 20 further includes optical elements such as optical demultiplexers 21 and 22, optical multiplexers 23 and 24, and mirrors 29, as well as each oscillation of the reference laser light source 11 and the laser light sources 12 and 13, as required. Notifying means including a frequency spectrum analyzer (Fig. not shown).

波長制御装置20は、かかる構成により、基準光L0の波長λ0にかかわらず、その側帯波の一つを波長制御対象であるレーザー光L1の目標波長近傍の波長に制御して、差周波信号を光検出器51で得ることができる。したがって、差周波信号に基づく誤差信号Serr1でレーザー光L1の波長を補正することができる。また、このような波長制御装置20を備える差分吸収ライダー装置10は、かかる構成により、レーザー光L1,L2をそれぞれ任意の波長に安定させて観測対象に照射することができる。以下、波長制御装置20について詳細に説明する。 With such a configuration, the wavelength control device 20 controls one of the sideband waves to a wavelength near the target wavelength of the laser light L1, which is the target of wavelength control, regardless of the wavelength λ0 of the reference light L0, thereby generating a difference frequency signal. It can be obtained with the photodetector 51 . Therefore, the wavelength of the laser light L1 can be corrected with the error signal S err 1 based on the difference frequency signal. Further, the differential absorption lidar apparatus 10 having such a wavelength control device 20 can stabilize the laser beams L1 and L2 at arbitrary wavelengths and irradiate the observation target with such a configuration. The wavelength control device 20 will be described in detail below.

波長制御装置20において、基準レーザー光源11から照射された基準光L0は、光アイソレータ14を透過し、光分波器(ビームスプリッタ)21で分岐されて、波長安定化装置3及び側帯波発生部4にそれぞれ入力する。基準光L0は、波長安定化装置3及び側帯波発生部4のそれぞれの光変調器33,43に入力するため、光変調器33,43に対応した偏光方向とし、必要に応じて半波長板(HWP)を経由させて偏光方向を変える。光分波器22は、DIAL装置10において波長制御装置20がレーザー光L1,L2を個別に制御するために2つの光検出器51,52を備えることにより、そのそれぞれに共通の変調光L0modを入力するために設けられる。光分波器21,22及び光合波器23,24は、図1及び図2ではハーフミラーで表すが、光分波器15,16と同様の構成とすることができ、例えば光カプラであり、さらに所望の分岐比のものを適用することができる。 In the wavelength control device 20, the reference light L0 emitted from the reference laser light source 11 is transmitted through the optical isolator 14, branched by the optical demultiplexer (beam splitter) 21, and sent to the wavelength stabilizer 3 and the sideband wave generator. Enter 4 respectively. Since the reference light L0 is input to the optical modulators 33 and 43 of the wavelength stabilizing device 3 and the sideband wave generating section 4, respectively, the polarization direction is set to correspond to the optical modulators 33 and 43. (HWP) to change the polarization direction. The optical demultiplexer 22 is provided with two photodetectors 51 and 52 so that the wavelength control device 20 in the DIAL device 10 individually controls the laser beams L1 and L2. is provided for entering The optical demultiplexers 21 and 22 and the optical multiplexers 23 and 24 are represented by half mirrors in FIGS. , and a desired branching ratio can be applied.

(波長安定化装置)
波長安定化装置3は、ガスセル34を備え、Pound-Drever-Hall(PDH)法により、基準レーザー光L0をガスセル34に封入された気体分子の吸収線の中心波長に同期させる。そのために、波長安定化装置3は、基準レーザー光源11が照射した基準光L0を入力され、帰還信号Sfbを出力して基準レーザー光源11に帰還させる。波長安定化装置3は、PDH法による公知の波長安定化装置(非特許文献1,3参照)と同様の構成とすることができ、一例として図2に示すように、ガスセル34の他にさらに、局部発振器31、移相器32、光変調器33、光検出器35、周波数混合器36、低周波域濾波器(LPF)37、及び比例積微分(PID)制御器38を備える。
(wavelength stabilizer)
The wavelength stabilizer 3 has a gas cell 34 and synchronizes the reference laser light L0 with the center wavelength of the absorption line of the gas molecules enclosed in the gas cell 34 by the Pound-Drever-Hall (PDH) method. Therefore, the wavelength stabilizing device 3 receives the reference light L<b>0 emitted by the reference laser light source 11 and outputs a feedback signal S fb to feed it back to the reference laser light source 11 . The wavelength stabilizer 3 can have the same configuration as a known wavelength stabilizer based on the PDH method (see Non-Patent Documents 1 and 3). As an example, as shown in FIG. , a local oscillator 31 , a phase shifter 32 , an optical modulator 33 , a photodetector 35 , a frequency mixer 36 , a low frequency filter (LPF) 37 and a proportional integral derivative (PID) controller 38 .

ガスセル34は、波長安定化装置3における共振系であり、光を透過するセルに気体分子を封入したものである。ガスセル34の気体分子は、レーザー光L1,L2の波長域に強い吸収のあるものが選択される。例えば、レーザー光L1,L2が波長2.05μm帯の赤外線である場合には、二酸化炭素(CO2)を適用して、CO2の吸収線R30の中心(2050.967nm)を基準光L0の波長λ0とすることができる。また、レーザー光L1,L2が波長1.53μm帯の赤外線である場合には、シアン化水素(HCN)を適用することができる。なお、波長安定化装置3は、共振系としてエタロン素子を備えていてもよく、エタロン素子の光路長に基づく共振波長を基準光L0の波長λ0とすることができる。エタロン素子は、光路とする空洞を2枚の反射鏡を平行に対面させて挟んだ構造を有し、例えば、ファブリペロー(Fabry-Perot)共振器が挙げられる。 The gas cell 34 is a resonance system in the wavelength stabilizing device 3, and is a light-transmitting cell filled with gas molecules. The gas molecules of the gas cell 34 are selected to have strong absorption in the wavelength regions of the laser beams L1 and L2. For example, when the laser beams L1 and L2 are infrared rays in the wavelength band of 2.05 μm, carbon dioxide (CO 2 ) is applied, and the center (2050.967 nm) of the absorption line R30 of CO 2 is the center of the reference light L0. The wavelength can be λ0. Hydrogen cyanide (HCN) can be used when the laser beams L1 and L2 are infrared rays with a wavelength of 1.53 μm. The wavelength stabilizing device 3 may include an etalon element as a resonance system, and the resonance wavelength based on the optical path length of the etalon element can be the wavelength λ0 of the reference light L0. The etalon element has a structure in which a cavity serving as an optical path is sandwiched between two reflecting mirrors facing each other in parallel, and is, for example, a Fabry-Perot resonator.

局部発振器31は、変調信号として電気信号を光変調器33に供給する。光変調器33は、変調信号に基づいて基準光L0を位相変調して、変調信号の周波数fmod0の間隔で±1次の側帯波を基準光L0に立てる。したがって、基準光L0の周波数ν0に対して、光変調器33で変調された光は、主にν0-fmod0,ν0,ν0+fmod0の3つの周波数を有する。光変調器33は、基準光L0の波長帯に対応した装置を使用し、基準光L0に対して両側波帯・搬送波抑圧変調(DSB-SC:Double Side Band Suppressed Carrier)を行う公知の光DSB-SC変調器が好ましい。 The local oscillator 31 supplies an electrical signal to the optical modulator 33 as a modulating signal. The optical modulator 33 phase-modulates the reference light L0 based on the modulated signal, and generates ±first-order sideband waves in the reference light L0 at intervals of the frequency f mod0 of the modulated signal. Therefore, the light modulated by the optical modulator 33 mainly has three frequencies of ν0−f mod0 , ν0, and ν0+f mod0 with respect to the frequency ν0 of the reference light L0. The optical modulator 33 uses a device corresponding to the wavelength band of the reference light L0, and a known optical DSB that performs double side band suppressed carrier modulation (DSB-SC) on the reference light L0. - SC modulators are preferred.

光検出器35は、入力された光を電気信号に変換するフォトダイオードであり、基準光L0の波長域に対応したものとし、高感度であることが好ましい。光検出器35はさらに、応答速度が高速、すなわち検出可能な周波数が高い(大きい)ことが好ましく、周波数2fmod0近傍のノイズの少ない電気信号を得ることができる。波長安定化装置3において、光検出器35は、基準光L0に側帯波が付随した変調光がガスセル34を透過して入力される。変調光は、前記したように、主にν0-fmod0,ν0,ν0+fmod0の3つの周波数を有する光であるが、ガスセル34を透過する際に周波数ν0の光が吸収されて、相対的に周波数ν0-fmod0,ν0+fmod0の光が強くなる。そして、キャリア(基準光L0)と各側帯波との光ビートのヘテロダイン検波により、光検出器35は、周波数-fmod0,+fmod0、及びこれらの差周波2fmod0を含む電気信号を出力する。 The photodetector 35 is a photodiode that converts the input light into an electrical signal, corresponds to the wavelength range of the reference light L0, and preferably has high sensitivity. Further, the photodetector 35 preferably has a high response speed, that is, a high (large) detectable frequency, and can obtain an electrical signal with little noise near the frequency 2f mod 0 . In the wavelength stabilizing device 3 , the photodetector 35 receives the modulated light, which is the reference light L 0 accompanied by the sideband wave, transmitted through the gas cell 34 . As described above, the modulated light mainly has three frequencies of ν0−f mod0 , ν0, and ν0+f mod0 . Light with frequencies ν0−f mod0 and ν0+f mod0 becomes stronger. Then, by heterodyne detection of the optical beats of the carrier (reference light L0) and each sideband, the photodetector 35 outputs an electrical signal containing frequencies -f mod0 , +f mod0 and their difference frequency 2f mod0 .

周波数混合器36は、光検出器35が出力した電気信号と局部発振器31からの変調信号とを混合する。移相器32は、周波数混合器36に入力する2つの信号の経路の遅延を補償するために設けられる。低周波域濾波器37は、周波数混合器36が出力した信号の低周波数側の信号成分を帰還信号として選択する。PID制御器38は、周波数混合器36及び低周波域濾波器37が生成した帰還信号から、基準レーザー光源11に内蔵された共振器調整用のピエゾ素子を駆動するための電圧を有する帰還信号Sfbを算出する。 A frequency mixer 36 mixes the electrical signal output from the photodetector 35 and the modulated signal from the local oscillator 31 . Phase shifter 32 is provided to compensate for delays in the paths of the two signals entering frequency mixer 36 . A low-frequency filter 37 selects a signal component on the low-frequency side of the signal output from the frequency mixer 36 as a feedback signal. The PID controller 38 generates a feedback signal S having a voltage for driving the resonator adjustment piezo element built in the reference laser light source 11 from the feedback signals generated by the frequency mixer 36 and the low-frequency filter 37 . Calculate fb .

(側帯波発生部)
側帯波発生部4は、局部発振器41及び光変調器43を備え、さらに必要に応じて増幅器42を備える。局部発振器41は、光変調器43の変調信号として電気信号を供給し、増幅器42は、この変調信号を増幅する。光変調器43は、変調信号に基づいて基準光L0を位相変調して、変調信号の周波数fmodの間隔で側帯波を立てる。側帯波発生部4は、増幅器42で増幅した変調信号を光変調器43に供給することにより、±2次以上の高次の側帯波も十分な強度で立てることができる。したがって、基準光L0の周波数ν0に対して、変調光L0modは、ν0,ν0±fmod,ν0±2fmod,ν0±3fmod,…の複数の周波数を有する。光変調器43は、基準光L0の波長帯に対応した装置を使用し、波長安定化装置3の光変調器33と同じものを適用することができ、光DSB-SC変調器が好ましい。あるいは、後記するようにレーザー光L1,L2の波長制御に使用する側波帯に応じて、光周波数偏移変調(FSK:Frequency Shift Keying)変調器や光SSB(Single Side Band)変調器を使用することもできる。
(Sideband wave generator)
The sideband wave generator 4 includes a local oscillator 41 and an optical modulator 43, and further includes an amplifier 42 as necessary. A local oscillator 41 supplies an electrical signal as a modulating signal for the optical modulator 43, and an amplifier 42 amplifies this modulating signal. The optical modulator 43 phase-modulates the reference light L0 based on the modulated signal to generate sideband waves at intervals of the frequency f mod of the modulated signal. By supplying the modulated signal amplified by the amplifier 42 to the optical modulator 43, the sideband wave generator 4 can generate sideband waves of orders higher than ±2nd order with sufficient intensity. Therefore, the modulated light L0 mod has a plurality of frequencies of ν0, ν0±f mod , ν0±2f mod , ν0±3f mod , . The optical modulator 43 uses a device corresponding to the wavelength band of the reference light L0, and can be the same as the optical modulator 33 of the wavelength stabilizing device 3, preferably an optical DSB-SC modulator. Alternatively, as described later, an optical frequency shift keying (FSK) modulator or an optical SSB (Single Side Band) modulator is used according to the sidebands used for wavelength control of the laser beams L1 and L2. You can also

(光検出器)
光検出器51,52は、入力された光を電気信号に変換するフォトダイオードである。波長制御装置20において、光検出器51は、基準光L0に側帯波が付随した変調光L0modとレーザー光L1とが重ね合わされて入力されて、ヘテロダイン検波により光ビートから差周波信号を含む電気信号SDF1を出力する。同様に、光検出器52は、変調光L0modとレーザー光L2とが重ね合わされて入力されて、電気信号SDF2を出力する。そのため、光検出器51,52はそれぞれ、レーザー光L1,L2の波長域に対応したものとし、高感度であることが好ましい。さらに光検出器51,52は、後記するように光ビートを検出するために、応答速度が高速、すなわち検出可能な周波数fFDが高く、具体的にはGHzオーダーであることが好ましく、5GHz以上であることがより好ましい。
(photodetector)
The photodetectors 51 and 52 are photodiodes that convert input light into electrical signals. In the wavelength control device 20, the photodetector 51 receives the modulated light L0 mod in which the sideband wave is attached to the reference light L0 and the laser light L1 superimposed thereon. Output signal SDF1 . Similarly, the photodetector 52 receives the superimposed modulated light L0 mod and the laser light L2 and outputs an electrical signal S DF 2 . Therefore, it is preferable that the photodetectors 51 and 52 correspond to the wavelength ranges of the laser beams L1 and L2 and have high sensitivity. Furthermore, the photodetectors 51 and 52 preferably have a high response speed, that is, a high detectable frequency fFD , specifically on the order of GHz, in order to detect optical beats as described later, and are preferably 5 GHz or higher. is more preferable.

(波長補正部)
波長補正部6は、光検出器51が出力した電気信号SDF1に基づき、レーザー光L1を波長λ1に制御する誤差信号Serr1を生成する。詳しくは、波長補正部6は、電気信号SDF1に含まれている、変調光L0modにおけるレーザー光L1に波長が最も近い1つの側帯波とレーザー光L1との周波数差(fbeat)が、所定のオフセット周波数fo1となるように、レーザー光L1の波長をシフトさせる誤差信号Serr1を生成する。このような波長補正部6は、オフセットロック機能を有する位相同期ループ(Phase-Locked Loop:PLL)回路(非特許文献2参照)と同様の構成とすることができ、一例として、局部発振器61、分周器(DIV)62、位相比較器(PFD)63、ループ・フィルタ(LF)64、及び比例積微分(PID)制御器65を備える。なお、波長補正部6は、DIAL装置10に設けられる波長制御装置20においては2つ設けられ、1つは前記したように、光検出器51から電気信号SDF1を入力されて誤差信号Serr1を生成して、レーザー光源12に出力する。もう1つは、光検出器52から電気信号SDF2を入力されて誤差信号Serr2を生成して、レーザー光源13に出力する。
(Wavelength corrector)
Based on the electrical signal S DF 1 output from the photodetector 51, the wavelength corrector 6 generates an error signal S err 1 for controlling the wavelength λ1 of the laser light L1. Specifically, the wavelength correction unit 6 determines that the frequency difference (f beat ) between the laser light L1 and one sideband wave having the wavelength closest to the laser light L1 in the modulated light L0 mod included in the electric signal S DF 1 is , to generate an error signal S err 1 that shifts the wavelength of the laser light L1 so as to have a predetermined offset frequency f o 1 . Such a wavelength correction unit 6 can have the same configuration as a phase-locked loop (PLL) circuit having an offset lock function (see Non-Patent Document 2). It comprises a frequency divider (DIV) 62 , a phase comparator (PFD) 63 , a loop filter (LF) 64 and a proportional integral derivative (PID) controller 65 . Two wavelength correction units 6 are provided in the wavelength control device 20 provided in the DIAL device 10, one of which receives the electrical signal S DF 1 from the photodetector 51 and the error signal S as described above. Generate err 1 and output it to the laser light source 12 . The other receives the electrical signal S DF 2 from the photodetector 52 to generate an error signal S err 2 and outputs it to the laser light source 13 .

局部発振器61は、オフセット周波数fo1に対応した周波数の基準信号を発振して位相比較器63に入力する。分周器62は、光検出器51から入力された電気信号SDF1に含まれる差周波信号が数GHzもの高い周波数を有するので、これを数十MHzに分周する。位相比較器63は、電気信号SDF1を分周した信号を局部発振器61が発振した基準信号と比較して、誤差信号を出力する。この誤差信号は不要な周波数を含み位相雑音が大きいので、ループ・フィルタ64が低周波域濾波器(ローパスフィルタ)として不要な周波数を除去する。PID制御器65は、位相比較器63及びループ・フィルタ64が生成した誤差信号から、レーザー光源12に内蔵された共振器調整用のピエゾ素子を駆動するための電圧を有する誤差信号Serr1を算出する。PID制御器65により、レーザー光L1の波長がλ1にロックされていた状態から外れたとしても、早期の復帰を可能とする。 The local oscillator 61 oscillates a reference signal having a frequency corresponding to the offset frequency f o 1 and inputs it to the phase comparator 63 . Since the difference frequency signal contained in the electrical signal SDF1 input from the photodetector 51 has a frequency as high as several GHz, the frequency divider 62 divides it into several tens of MHz. The phase comparator 63 compares the signal obtained by frequency-dividing the electric signal S DF 1 with the reference signal oscillated by the local oscillator 61 and outputs an error signal. Since this error signal contains unwanted frequencies and has large phase noise, the loop filter 64 acts as a low-pass filter to remove unwanted frequencies. A PID controller 65 generates an error signal S err 1 having a voltage for driving a piezoelectric element for resonator adjustment built into the laser light source 12 from the error signals generated by the phase comparator 63 and the loop filter 64 . calculate. Even if the wavelength of the laser light L1 deviates from the state locked to λ1 by the PID controller 65, early recovery is possible.

〔波長制御方法〕
本発明の実施形態に係る波長制御方法は、レーザー光源12が照射するレーザー光L1を、基準光L0の波長に対して所定の差の波長に制御する方法である。なお、レーザー光源12及びレーザー光L1は、基準レーザー光源11及び基準光(基準レーザー光)L0との区別のために、適宜、制御レーザー光源12、制御レーザー光L1と称する。本実施形態に係る波長制御方法は、図3に示すように、基準光L0を変調して、基準光L0に1以上の側帯波を発生させた変調光L0modを出力する側帯波発生ステップS31と、変調光L0modとレーザー光L1とから、変調光L0modとレーザー光L1との周波数差と同じ周波数を含む電気信号SDF1を出力する光検出ステップS32と、電気信号SDF1から誤差信号Serr1を生成してレーザー光源12に入力し、レーザー光L1を、変調光L0modにおけるレーザー光L1に波長が最も近い1つの側帯波との周波数差fbeatがオフセット周波数fo1となるように、レーザー光源12に誤差信号Serr1に基づく波長に調整させる波長補正ステップS34と、を行う。かかる手順により、レーザー光を所望の波長に安定して制御することができる。
[Wavelength control method]
The wavelength control method according to the embodiment of the present invention is a method of controlling the wavelength of the laser light L1 emitted by the laser light source 12 to have a predetermined difference in wavelength from the wavelength of the reference light L0. Note that the laser light source 12 and the laser light L1 are appropriately referred to as the control laser light source 12 and the control laser light L1 to distinguish them from the reference laser light source 11 and the reference light (reference laser light) L0. As shown in FIG. 3, the wavelength control method according to the present embodiment includes a sideband wave generation step S31 of modulating the reference light L0 and outputting the modulated light L0 mod in which one or more sideband waves are generated in the reference light L0. a light detection step S32 for outputting an electric signal S DF 1 containing the same frequency as the frequency difference between the modulated light L0 mod and the laser light L1 from the modulated light L0 mod and the laser light L1 ; The error signal S err 1 is generated and input to the laser light source 12 , and the frequency difference f beat between the laser light L 1 and one sideband wave of the modulated light L 0 mod whose wavelength is closest to the laser light L 1 is the offset frequency f 0 1 . A wavelength correction step S34 is performed to adjust the laser light source 12 to the wavelength based on the error signal S err 1 so that . By such a procedure, the laser light can be stably controlled to a desired wavelength.

なお、最初に、基準光L0を照射する基準レーザー光源11及びレーザー光源12を起動する起動ステップS1を行う。さらに、基準光L0を基準波長λ0に制御する基準レーザー光安定化処理(S21~S23)を行って、基準光L0が基準波長λ0にロックされたら(S24,YES)側帯波発生ステップS31を実行することが好ましい。以下、図1、図2、図4A及び図4Bを参照して、本発明の実施形態に係る波長制御装置20の、レーザー光L1の波長制御動作を詳細に説明する。 First, a starting step S1 for starting the reference laser light source 11 and the laser light source 12 for emitting the reference light L0 is performed. Further, reference laser light stabilization processing (S21 to S23) is performed to control the reference light L0 to the reference wavelength λ0, and when the reference light L0 is locked to the reference wavelength λ0 (S24, YES), the sideband wave generation step S31 is executed. preferably. Hereinafter, with reference to FIGS. 1, 2, 4A and 4B, the wavelength control operation of the wavelength control device 20 according to the embodiment of the present invention for controlling the wavelength of the laser light L1 will be described in detail.

(基準レーザー光安定化処理)
基準レーザー光安定化処理は、波長安定化装置3について説明したように、PDH法により、基準レーザー光L0を波長安定化装置3のガスセル34に封入された気体分子の吸収線の中心波長に同期させることによって実行することができる。詳しくは、図3に示すように、基準光L0を変調して、基準光L0に±1次の側帯波を発生させた変調光を出力する側帯波発生ステップS21と、変調光をガスセル34(共振系)を透過させた光から電気信号を出力する光検出ステップS22と、電気信号から帰還信号Sfbを生成して基準レーザー光源11に入力し、基準光L0を、ガスセル34に封入された気体分子の吸収線の中心波長となるように、帰還信号Sfbに基づく波長に調整させる波長補正ステップS23と、を行う。
(Reference laser light stabilization treatment)
The reference laser light stabilization process synchronizes the reference laser light L0 with the center wavelength of the absorption line of the gas molecules enclosed in the gas cell 34 of the wavelength stabilization device 3 by the PDH method, as described for the wavelength stabilization device 3. It can be executed by letting More specifically, as shown in FIG. 3, a sideband wave generation step S21 of modulating the reference light L0 and outputting modulated light generated by generating sideband waves of the ±1st order in the reference light L0, and generating the modulated light in the gas cell 34 ( A light detection step S22 of outputting an electric signal from the light transmitted through the resonance system), and a feedback signal S fb is generated from the electric signal and input to the reference laser light source 11, and the reference light L0 is injected into the gas cell 34. A wavelength correction step S23 is performed to adjust the wavelength based on the feedback signal S fb so that the central wavelength of the absorption line of the gas molecules is obtained.

側帯波発生ステップS21は、光変調器33が、基準光L0を、局部発振器31から入力される変調信号に基づいて変調して、基準光L0の周波数ν0に対して、ν0-fmod0,ν0,ν0+fmod0の±1次の側帯波を立てる。光検出ステップS22は、変調光を、ガスセル34を透過させて光検出器35に入力し、キャリアと各側帯波との光ビートから、差周波2fmod0を含む電気信号を出力する。波長補正ステップS23は、差周波2fmod0が相殺されるように、周波数混合器36及び低周波域濾波器37が、光検出器35が出力した電気信号を変調信号と比較することにより帰還信号を生成して、さらにこの帰還信号からPID制御器38が帰還信号Sfbを算出し、基準レーザー光源11に帰還させる。基準レーザー光源11は、帰還信号Sfbの電圧に基づき、基準光L0の波長を制御する。この帰還ループによって、基準レーザー光源11の発振波長をガスセル34内の気体分子の吸収線の中心波長にロックすることができる。 In the sideband wave generating step S21, the optical modulator 33 modulates the reference light L0 based on the modulated signal input from the local oscillator 31, and the frequency ν0 of the reference light L0 is ν0-f mod0 , ν0 , ν0+f mod0 of ±1st order sidebands. In the photodetection step S22, the modulated light is transmitted through the gas cell 34 and input to the photodetector 35, and an electric signal including the difference frequency 2f mod0 is output from the optical beat of the carrier and each sideband wave. In the wavelength correction step S23, the frequency mixer 36 and the low frequency filter 37 compare the electrical signal output from the photodetector 35 with the modulated signal so that the difference frequency 2f mod0 is canceled, thereby generating a feedback signal. Further, the PID controller 38 calculates a feedback signal S fb from this feedback signal and feeds it back to the reference laser light source 11 . The reference laser light source 11 controls the wavelength of the reference light L0 based on the voltage of the feedback signal Sfb . This feedback loop allows the oscillation wavelength of the reference laser light source 11 to be locked to the center wavelength of the absorption line of the gas molecules in the gas cell 34 .

(側帯波発生ステップ)
基準光L0は、側帯波発生部4によって、その変調信号の周波数fmodの間隔で側帯波を立てられ、側帯波の1つを、レーザー光L1の制御しようとする目標波長λ1近傍とする。そのために、側帯波発生部4の変調信号の周波数fmodは、基準光L0の波長λ0とレーザー光L1の目標波長λ1との差に応じて設定され、ここでは、図4Aに示すように、+1次の側帯波の周波数ν0+fmodが目標波長λ1の周波数ν1近傍となるように設定される。本実施形態においては、この+1次の側帯波でレーザー光L1をオフセットロックする。このオフセットロックに使用する側帯波を、適宜、主側帯波と称する。主側帯波は、比較的強度の高い、より低次の側帯波が好ましく、+1次または-1次の側帯波が最も好ましい。変調周波数fmodの設定に伴い、波長補正部6におけるオフセット周波数fo1が主側帯波の周波数ν0+fmodとν1との差(|ν0+fmod-ν1|)に設定される。オフセット周波数fo1は、変調周波数fmodの1/2よりも小さく、かつ光検出器51の検出周波数fFDよりも小さく(fo1<fmod/2、fo1<fFD)、さらにfmod/2に対して十分に小さいことが好ましい。オフセット周波数fo1がこのような値となるように、変調周波数fmodを設定する。
(Sideband wave generation step)
The reference light L0 is generated by the sideband wave generator 4 to generate sideband waves at intervals of the frequency f mod of the modulated signal, and one of the sideband waves is set near the target wavelength λ1 to be controlled of the laser light L1. Therefore, the frequency f mod of the modulated signal of the sideband wave generator 4 is set according to the difference between the wavelength λ0 of the reference light L0 and the target wavelength λ1 of the laser light L1. The frequency ν0+f mod of the +1st order sideband wave is set to be near the frequency ν1 of the target wavelength λ1. In this embodiment, the laser light L1 is offset-locked by this +1st order sideband. The sideband used for this offset lock is appropriately called the main sideband. The primary sideband is preferably a lower order sideband of relatively high intensity, most preferably a +1st or -1st order sideband. As the modulation frequency f mod is set, the offset frequency f o 1 in the wavelength corrector 6 is set to the difference (|ν0+f mod -ν1|) between the main sideband frequencies ν0+f mod and ν1. The offset frequency f o 1 is smaller than half the modulation frequency f mod and smaller than the detection frequency f FD of the photodetector 51 (f o 1<f mod /2, f o 1<f FD ), Furthermore, it is preferably sufficiently small relative to f mod /2. The modulation frequency f mod is set such that the offset frequency f o 1 has such a value.

(光検出ステップ)
基準光L0を変調した変調光L0mod及びレーザー光L1は、共に光合波器23を介して光検出器51に入力される。すなわち、レーザー光L1と変調光L0modとが光合波器23によって重ね合わされて光検出器51に入力される。その結果、光検出器51に入力する光には光ビートが発生するが、前記したように、変調光L0modはν0,ν0±fmod,ν0±2fmod,ν0±3fmod,…の複数の周波数を有する。したがって、光ビートは、変調光L0modの各周波数とレーザー光L1の周波数ν1とのそれぞれの差周波|ν0-ν1|,|ν0±fmod-ν1|,|ν0±2fmod-ν1|,…を含む。ただし、光検出器51は、その検出能から、検出周波数fFD以内の光のみを電気信号SDF1に変換することができる。
(Photodetection step)
Both the modulated light L0 mod obtained by modulating the reference light L0 and the laser light L1 are input to the photodetector 51 via the optical multiplexer 23 . That is, the laser light L1 and the modulated light L0 mod are superimposed by the optical combiner 23 and input to the photodetector 51 . As a result, an optical beat occurs in the light input to the photodetector 51. As described above, the modulated light L0 mod is a plurality of ν0, ν0±f mod , ν0±2f mod , ν0±3f mod , . has a frequency of Therefore, the optical beats are the difference frequencies |ν0−ν1|, |ν0±f mod −ν1|, |ν0±2f mod −ν1 |, …including. However, the photodetector 51 can convert only light within the detection frequency f FD into the electrical signal S DF 1 due to its detectability.

(波長補正ステップ)
波長制御前のレーザー光L1の周波数(初期周波数)をν1initと表すと、図4Aに示すように、ν1initは、変調光L0modにおける+1次の側帯波との差fbeat(=|ν0+fmod-ν1init|)のみが検出周波数fFD以下であり、したがって、電気信号SDF1は、この1つの差周波fbeatの周波数を有する。波長補正部6が、入力された電気信号SDF1の周波数(差周波fbeat)がオフセット周波数fo1(=|ν0+fmod-ν1|)となるように、図4Aに白抜き矢印で示すように、レーザー光L1を周波数ν1initからν1に移行させる誤差信号Serr1を生成する。レーザー光L1が周波数ν1になる、すなわち目標波長λ1になると(S35,YES)、電気信号SDF1がオフセット周波数fo1にロックされるので、波長補正部6によって継続して周波数ν1(波長λ1)に安定化される。
(Wavelength correction step)
Denoting the frequency (initial frequency) of the laser light L1 before wavelength control as ν1 init , as shown in FIG. 4A, ν1 init is the difference f beat (=| ν0 +f mod −ν1 init |) is below the detection frequency f FD , so the electrical signal S DF 1 has a frequency of this one difference frequency f beat . The wavelength correction unit 6 adjusts the frequency (difference frequency f beat ) of the input electrical signal S DF 1 to the offset frequency f o 1 (=|ν0+f mod −ν1|), as indicated by the white arrow in FIG. 4A. , an error signal S err 1 is generated that shifts the laser light L1 from frequency ν1 init to ν1. When the laser beam L1 reaches the frequency ν1, that is, the target wavelength λ1 (S35, YES), the electric signal SDF1 is locked to the offset frequency f01 , so that the wavelength corrector 6 continues to operate at the frequency ν1 (wavelength λ1).

図4Aにおいては、光検出器51が検出する差周波は、レーザー光L1の初期周波数ν1initによって、1つまたは0である。これは、側帯波発生部4の変調周波数fmodが光検出器51の検出周波数fFDの2倍よりも大きく(fmod>2fFD)設定されていることによる。このように、変調周波数fmodを大きく設定すると、光検出器51で1つの差周波のみを検出することができる。 In FIG. 4A, the difference frequency detected by the photodetector 51 is 1 or 0 depending on the initial frequency ν1 init of the laser light L1. This is because the modulation frequency f mod of the sideband wave generator 4 is set to be greater than twice the detection frequency f FD of the photodetector 51 (f mod >2f FD ). Thus, if the modulation frequency f mod is set high, the photodetector 51 can detect only one difference frequency.

基準光L0の波長λ0とレーザー光L1の目標波長λ1との差によっては、側帯波発生部4の変調周波数fmodが小さく、光検出器51の検出周波数fFDの2倍以下となる場合がある。例えば、fFD<fmod≦2fFDの場合には、光検出器51が検出する差周波は、レーザー光L1の初期周波数ν1initによって、2つまたは1つである。図4Bにおいては、光検出器51が検出する差周波が、変調光L0modにおけるν1initに最も近い+1次の側帯波(主側帯波)との差fbeat(=|ν0+fmod-ν1init|)と、+2次の側帯波との差fbeat´(=|ν0+2fmod-ν1init|)と、であり、したがって、電気信号SDF1は、これら2つの差周波を有する。そこで、波長補正部6が、分周器62と位相比較器63との間に低周波域濾波器を備えて、分周前における周波数fbeatの成分のみを選択できるように、分周前におけるfmod/2以上の周波数を除去すればよい。 Depending on the difference between the wavelength λ0 of the reference light L0 and the target wavelength λ1 of the laser light L1, the modulation frequency f mod of the sideband wave generator 4 may be small, and may be less than twice the detection frequency f FD of the photodetector 51. be. For example, when f FD <f mod ≦2f FD , the difference frequency detected by the photodetector 51 is two or one depending on the initial frequency ν1 init of the laser light L1. In FIG. 4B, the difference frequency detected by the photodetector 51 is the difference f beat (=| ν0 +f mod −ν1 init | ) and the difference f beat '(=|ν0+2f mod −ν1 init |) with the +2nd order sideband, so the electrical signal S DF 1 has the difference frequency of these two. Therefore, the wavelength correction unit 6 includes a low-frequency filter between the frequency divider 62 and the phase comparator 63 so that only the frequency f beat component before frequency division can be selected. It is sufficient to remove frequencies above f mod /2.

波長制御装置20によりレーザー光L1が波長λ1にロックされている(ロック状態)かロックされていないかは、波長補正部6が電気信号SDF1に含まれる差周波成分及びその位相情報をリアルタイムで外部に出力することにより知ることができる。波長補正部6がPID制御器65を備えることにより、レーザー光L1がロックから外れた時には、自動または手動により、ロック状態に復帰させることができる。 Whether or not the laser light L1 is locked (locked state) at the wavelength λ1 by the wavelength control device 20 is determined by the wavelength correcting unit 6 by detecting the difference frequency component and its phase information included in the electric signal S DF 1 in real time. It can be known by outputting to the outside with Since the wavelength corrector 6 includes the PID controller 65, when the laser beam L1 is unlocked, it can be automatically or manually restored to the locked state.

レーザー光L1が初期において波長のずれが大きいと、変調光L0modにおける主側帯波との周波数差が光検出器51の検出周波数fFDを超えてしまい、電気信号SDF1から差周波fbeatを検出できず(S33,NO)、誤差信号Serr1を生成できない。あるいは、変調光L0modにおける主側帯波以外の側帯波やキャリア(基準光L0)でオフセットロックされたり、主側帯波に対する本来のオフセット側(図4A及び図4Bにおいては、+側)の反対側でオフセットロックされたりして、目標波長λ1以外の波長にロックされる(S35,NO)という誤動作を生じる。このような場合には、レーザー光源12のパラメータを外部からの操作等により変更するレーザー光源パラメータ変更ステップS36を行って、発振波長を調整する。レーザー光源12のパラメータは、具体的には、駆動電流(固体レーザーであればレーザー媒質を励起する電流、半導体レーザーであれば半導体への供給電流)、筐体温度、及び共振器調整用のピエゾ素子への印加電圧である。なお、基準光L0が基準波長λ0にロックされない(S24,NO)場合にも、同様に基準レーザー光源11のパラメータを変更して(S25)、発振波長を調整する。 If the laser light L1 has a large wavelength shift at the initial stage, the frequency difference between the modulated light L0 mod and the main sideband wave exceeds the detection frequency f FD of the photodetector 51, and the difference frequency f beat cannot be detected (S33, NO), and the error signal S err 1 cannot be generated. Alternatively, it is offset-locked by a sideband wave other than the main sideband wave or carrier (reference light L0) in the modulated light L0 mod , or the side opposite to the original offset side (+ side in FIGS. 4A and 4B) with respect to the main sideband wave. , and an erroneous operation of being locked to a wavelength other than the target wavelength λ1 (S35, NO) occurs. In such a case, a laser light source parameter changing step S36 is performed to change the parameters of the laser light source 12 by an external operation or the like to adjust the oscillation wavelength. Specifically, the parameters of the laser light source 12 are the driving current (the current that excites the laser medium in the case of a solid-state laser, and the current that is supplied to the semiconductor in the case of a semiconductor laser), the housing temperature, and the piezoelectric element for adjusting the resonator. It is the applied voltage to the element. Even when the reference light L0 is not locked to the reference wavelength λ0 (S24, NO), the parameters of the reference laser light source 11 are similarly changed (S25) to adjust the oscillation wavelength.

図4A及び図4Bにおいては、主側帯波の周波数が(ν1-fo1)であるから、レーザー光L1の初期周波数ν1initは、ν1-fo1<ν1init<ν1-fo1+fmod/2、かつ、ν1init≦ν1-fo1+fFDであればよい。主側帯波に対して-側にオフセットロックすべき場合には、主側帯波の周波数が(ν1+fo1)であるから、ν1+fo1-fmod/2<ν1init<ν1+fo1、かつ、ν1init≧ν1+fo1-fFDであればよい。したがって、誤動作を防止するためには、側帯波発生部4の変調周波数fmodが大きいことが好ましく、レーザー光源12の発振波長精度にもよるが、10GHz以上であることが好ましい。また、光検出器51に入力する変調光L0modにおける主側帯波やレーザー光L1の強度が過小であると、電気信号SDF1の差周波fbeatの強度が過小で検出できない(S33,NO)。この場合には、光分波器15の分岐比や側帯波発生部4の変調信号の振幅等を調整して、光検出器51における光強度を高くする。 In FIGS. 4A and 4B, since the frequency of the main sideband is (ν1−f o 1), the initial frequency ν1 init of the laser light L1 is ν1−f o 1<ν1 init <ν1−f o 1+f mod /2 and ν1 init ≦ν1−f o 1+f FD . When the main sideband is to be offset-locked on the negative side, since the frequency of the main sideband is (ν1+f o 1), ν1+f o 1−f mod /2<ν1 init <ν1+f o 1, and It suffices if ν1 init ≧ν1+f o 1−f FD . Therefore, in order to prevent malfunction, it is preferable that the modulation frequency f mod of the sideband wave generator 4 is large. If the intensity of the main sideband wave or the laser beam L1 in the modulated light L0 mod input to the photodetector 51 is too small, the intensity of the difference frequency f beat of the electric signal S DF 1 is too small to be detected (S33, NO ). In this case, the optical intensity at the photodetector 51 is increased by adjusting the branching ratio of the optical demultiplexer 15 and the amplitude of the modulated signal of the sideband wave generator 4 .

〔DIAL装置のレーザー光の波長制御方法〕
図5及び図6を参照して、DIAL装置10に設けられる波長制御装置20による、レーザー光L1,L2の波長制御方法を説明する。本実施形態において、DIAL装置10は大気中の水蒸気(H2O)を観測する。まず、シード光とするレーザー光L1,L2の各目標波長λ1,λ2を設定する。ここでは、レーザー光L1,L2は、2.05μm帯の赤外線を適用する。
[Wavelength Control Method of Laser Light of DIAL Device]
A method of controlling the wavelengths of the laser beams L1 and L2 by the wavelength control device 20 provided in the DIAL device 10 will be described with reference to FIGS. 5 and 6. FIG. In this embodiment, the DIAL device 10 observes water vapor (H 2 O) in the atmosphere. First, the target wavelengths λ1 and λ2 of the laser beams L1 and L2 used as seed beams are set. Here, infrared rays in the 2.05 μm band are applied to the laser beams L1 and L2.

(レーザー光の目標波長の設定)
図5に示すように、2.05μm帯においては、CO2の吸収線R30が存在するので、CO2を封入したガスセル34を波長安定化装置3に適用して、吸収線R30の中心波長である2050.967nmを基準光L0の波長λ0とする。レーザー光L1は、H2Oによる吸収量が比較的多いが吸収線の中心波長ではなく、かつ、大気中にH2Oと共に存在するCO2による吸収量が十分に少ない波長に制御される。そこで、2050.53nmの吸収線の中心波長に対して長波長側にずらした2050.550nmを目標波長λ1とする。一方、レーザー光L2は、H2Oによる吸収量ができるだけ少なく、かつ、CO2による吸収量が波長λ1と同等の波長に制御される。このような波長として、2051.103nmを目標波長λ2とする。
(Setting the target wavelength of laser light)
As shown in FIG. 5, since there is an absorption line R30 of CO 2 in the 2.05 μm band, the gas cell 34 filled with CO 2 is applied to the wavelength stabilizer 3, and the central wavelength of the absorption line R30 Let 2050.967 nm be the wavelength λ0 of the reference light L0. The laser beam L1 is controlled to have a relatively large amount of absorption by H 2 O, but is not at the center wavelength of the absorption line and has a sufficiently small amount of absorption by CO 2 that exists together with H 2 O in the atmosphere. Therefore, the target wavelength λ1 is 2050.550 nm, which is shifted to the longer wavelength side with respect to the center wavelength of the absorption line of 2050.53 nm. On the other hand, the laser beam L2 is controlled to have a wavelength that has as little absorption by H 2 O as possible and an amount of absorption by CO 2 that is equivalent to the wavelength λ1. As such a wavelength, 2051.103 nm is set as the target wavelength λ2.

(変調周波数及びオフセット周波数の設定)
基準波長λ0及び目標波長λ1,λ2をそれぞれ周波数ν0,ν1,ν2に換算し、レーザー光L1,L2について、基準光L0との周波数差ν1-ν0,ν2-ν0を算出し、表1に示す。周波数差ν1-ν0,ν2-ν0に基づき、レーザー光L1,L2をそれぞれより低次の側帯波でオフセットロックするように、図6に示すように、レーザー光L1の主側帯波を+2次の側帯波、レーザー光L2の主側帯波を-1次の側帯波と仮定する。そして、このときの変調周波数fmod及びオフセット周波数fo1,fo2を設定する。
(Setting of modulation frequency and offset frequency)
The reference wavelength λ0 and the target wavelengths λ1 and λ2 are converted into frequencies ν0, ν1 and ν2, respectively, and the frequency differences ν1−ν0 and ν2−ν0 from the reference light L0 are calculated for the laser beams L1 and L2. . Based on the frequency differences ν1−ν0 and ν2−ν0, the main sideband of the laser beam L1 is shifted to +2nd order as shown in FIG. It is assumed that the sideband wave, the main sideband wave of the laser beam L2, is the -1st order sideband wave. Then, the modulation frequency f mod and the offset frequencies f o 1 and f o 2 at this time are set.

Figure 2022127514000002
Figure 2022127514000002

例えば、fmod=13.1392GHzに設定したとき、fo1=|ν1-(ν0+2fmod)|=3.447GHz、fo2=|ν2-(ν0-fmod)|=3.447GHzとなる。したがって、光検出器51,52に、例えば検出周波数fFDが5GHz程度の一般的なものを適用することができる。すなわち、仮定通り、レーザー光L1の主側帯波を+2次の側帯波に、レーザー光L2の主側帯波を-1次の側帯波に、それぞれ設定することができる。さらに、fo1=fo2となるので、レーザー光源12,13にそれぞれ設けられた波長補正部6,6を同一構造とすることができる。なお、オフセット周波数fo1,fo2は異なる値に設定してもよい。この場合には、レーザー光源12に設けられた波長補正部6が、オフセット周波数fo1に対応した基準信号を発振する局部発振器61を備え、レーザー光源13に設けられた波長補正部6が、オフセット周波数fo2に対応した基準信号を発振する局部発振器61を備える。 For example, when f mod = 13.1392 GHz, f o1=|ν1−(ν0+2f mod )|=3.447 GHz and f o2=|ν2−( ν0 −f mod )|=3.447 GHz. . Therefore, for the photodetectors 51 and 52, general ones having a detection frequency fFD of about 5 GHz, for example, can be applied. That is, as assumed, the main sideband wave of the laser light L1 can be set to the +2nd order sideband wave, and the main sideband wave of the laser light L2 can be set to the -1st order sideband wave. Furthermore, since f o 1=f o 2, the wavelength correctors 6 and 6 provided in the laser light sources 12 and 13 can have the same structure. Note that the offset frequencies f o 1 and f o 2 may be set to different values. In this case, the wavelength correction unit 6 provided in the laser light source 12 has a local oscillator 61 that oscillates a reference signal corresponding to the offset frequency f o 1, and the wavelength correction unit 6 provided in the laser light source 13 A local oscillator 61 that oscillates a reference signal corresponding to the offset frequency f o 2 is provided.

このように、波長制御装置20は、共通の変調光L0modから、2つのレーザー光L1,L2を、それぞれ異なる所望の波長λ1,λ2に安定して制御することができる。なお、波長λ1,λ2の差が小さい、具体的には周波数差が検出周波数fFDの2倍よりも小さい(|ν1-ν2|<2fFD)場合には、変調光L0modにおける共通の側帯波でオフセットロックすることができる。また、波長λ1,λ2の一方が基準波長λ0に近い(周波数差が検出周波数fFDよりも小さい)場合には、その一方のレーザー光を、従来のオフセットロック法(非特許文献2参照)と同様に、直接に基準光L0でオフセットロックすればよく、あるいは、変調光L0modにおけるキャリアでオフセットロックすることもできる。また、DIAL装置10は、側帯波発生部4もレーザー光源12,13のそれぞれに備えて、共通の基準光L0に個別の周波数間隔で側帯波を立ててもよい。言い換えると、DIAL装置10は、レーザー光源12,13のそれぞれに波長制御装置20を1台ずつ備える構成としてもよい。 In this manner, the wavelength control device 20 can stably control the two laser beams L1 and L2 to different desired wavelengths λ1 and λ2 from the common modulated light L0 mod . When the difference between the wavelengths λ1 and λ2 is small, specifically, when the frequency difference is smaller than twice the detection frequency f FD (|ν1−ν2|<2f FD ), the common sideband in the modulated light L0 mod Waves can be offset locked. Further, when one of the wavelengths λ1 and λ2 is close to the reference wavelength λ0 (the frequency difference is smaller than the detection frequency f FD ), one of the laser beams is compared with the conventional offset lock method (see Non-Patent Document 2). Similarly, it is possible to offset-lock directly with the reference light L0, or offset-lock with the carrier in the modulated light L0 mod . Further, the DIAL device 10 may also include the sideband wave generator 4 in each of the laser light sources 12 and 13 to generate sideband waves at individual frequency intervals in the common reference light L0. In other words, the DIAL device 10 may be configured to have one wavelength control device 20 for each of the laser light sources 12 and 13 .

〔DIAL装置による観測方法〕
レーザー光L1,L2が共にそれぞれの目標波長λ1,λ2にロックされたら(図3、S35,YES)、DIAL装置10は、レーザー光L1,L2による観測を開始することができる。図1に示すように、DIAL装置10において、パルスレーザー増幅器7が起動して、光切替器17から交互に出力されるレーザー光L1,L2をパルス光Lplsとし、パルス光Lplsが望遠鏡8から大気中に照射される。パルス光Lplsによる、大気分子や大気中のエアロゾル等の微粒子からの散乱光が、パルス光Lpls´として望遠鏡8に受光される。信号処理・観測制御装置9が、パルス光Lpls´を波長λ1,λ2毎にレーザー光L1,L2とヘテロダイン検波して、各波長の光からの電気信号を比較することにより、大気中の水蒸気の濃度を測定する。また、DIAL装置10は、レーザー光L2のみを使用して、受光したパルス光Lpls´を変換した電気信号の強度から大気中のエアロゾルの分布を測定することができ、また、ドップラーライダーとして、パルス光Lplsの射線方向における風速を測定することができる。
[Observation method by DIAL device]
Once both the laser beams L1 and L2 are locked to their respective target wavelengths λ1 and λ2 (FIG. 3, S35, YES), the DIAL device 10 can start observation with the laser beams L1 and L2. As shown in FIG. 1, in the DIAL device 10, the pulsed laser amplifier 7 is activated, and the laser beams L1 and L2 alternately output from the optical switch 17 are used as the pulsed beam Lpls . emitted into the atmosphere from Scattered light from fine particles such as atmospheric molecules and aerosols in the atmosphere caused by the pulsed light L pls is received by the telescope 8 as pulsed light L pls '. The signal processing/observation control device 9 heterodyne-detects the pulsed light L pls ' with the laser light L1, L2 for each wavelength λ1, λ2, and compares the electrical signals from the light of each wavelength to determine the water vapor in the atmosphere. Measure the concentration of In addition, the DIAL device 10 can measure the distribution of aerosols in the atmosphere from the intensity of the electrical signal converted from the received pulsed light L pls ′ using only the laser light L2. The wind speed in the ray direction of the pulsed light Lpls can be measured.

以上、本発明に係る波長制御装置及び波長制御方法、ならびに差分吸収ライダー装置を実施するための各実施形態について述べてきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。 The embodiments for implementing the wavelength control device, the wavelength control method, and the differential absorption LIDAR device according to the present invention have been described above, but the present invention is not limited to these embodiments. Various changes are possible within the range shown in .

10 DIAL装置(差分吸収ライダー装置)
11 基準レーザー光源
12 レーザー光源(第1のレーザー光源)
13 レーザー光源(第2のレーザー光源)
14 光アイソレータ
15,16 光分波器
17 光切替器
18 光分波器
19 ミラー
20 波長制御装置
21,22 光分波器
23,24 光合波器
29 ミラー
3 波長安定化装置
31 局部発振器
32 移相器
33 光変調器
34 ガスセル
35 光検出器
36 周波数混合器
37 低周波域濾波器
38 比例積微分(PID)制御器
4 側帯波発生部(側帯波発生手段)
41 局部発振器
42 増幅器
43 光変調器
51,52 光検出器
6 波長補正部(波長補正手段)
61 局部発振器
62 分周器
63 位相比較器
64 ループ・フィルタ
65 比例積微分(PID)制御器
7 パルスレーザー増幅器
8 望遠鏡(送受信光学系)
9 信号処理・観測制御装置
S21 側帯波発生ステップ
S22 光検出ステップ
S23 波長補正ステップ
S25 レーザー光源パラメータ変更ステップ
S31 側帯波発生ステップ
S32 光検出ステップ
S34 波長補正ステップ
S36 レーザー光源パラメータ変更ステップ
10 DIAL device (differential absorption lidar device)
11 reference laser light source 12 laser light source (first laser light source)
13 laser light source (second laser light source)
14 optical isolator 15, 16 optical demultiplexer 17 optical switch 18 optical demultiplexer 19 mirror 20 wavelength controller 21, 22 optical demultiplexer 23, 24 optical multiplexer 29 mirror 3 wavelength stabilizer 31 local oscillator 32 shifter phase detector 33 optical modulator 34 gas cell 35 photodetector 36 frequency mixer 37 low frequency filter 38 proportional product derivative (PID) controller 4 sideband wave generator (sideband wave generating means)
41 local oscillator 42 amplifier 43 optical modulator 51, 52 photodetector 6 wavelength corrector (wavelength corrector)
61 local oscillator 62 frequency divider 63 phase comparator 64 loop filter 65 proportional integral derivative (PID) controller 7 pulse laser amplifier 8 telescope (transmitting and receiving optical system)
9 Signal processing/observation control device S21 sideband wave generation step S22 photodetection step S23 wavelength correction step S25 laser light source parameter change step S31 sideband wave generation step S32 photodetection step S34 wavelength correction step S36 laser light source parameter change step

Claims (5)

レーザー光源に対して、誤差信号を出力して前記誤差信号に基づく波長を有するレーザー光を照射させる波長補正手段と、
基準レーザー光源が照射した基準レーザー光を変調して、前記基準レーザー光に1以上の側帯波を発生させた変調光を出力する側帯波発生手段と、
前記変調光と前記レーザー光とが合波した光が入力されて、前記変調光と前記レーザー光との周波数差と同じ周波数を含む電気信号を出力する光検出器と、を備え、
前記波長補正手段は、前記電気信号に基づき、前記変調光における前記レーザー光に波長が最も近い1つの側帯波と前記レーザー光との周波数差が所定の値となるように、前記レーザー光の波長をシフトさせる前記誤差信号を生成する波長制御装置。
wavelength correction means for outputting an error signal to a laser light source and irradiating laser light having a wavelength based on the error signal;
sideband wave generating means for modulating a reference laser beam irradiated by a reference laser light source and outputting modulated light in which one or more sideband waves are generated in the reference laser beam;
a photodetector receiving the light obtained by combining the modulated light and the laser light and outputting an electric signal having the same frequency as the frequency difference between the modulated light and the laser light;
Based on the electrical signal, the wavelength correction means adjusts the wavelength of the laser light so that the frequency difference between the laser light and one sideband wave in the modulated light whose wavelength is closest to the laser light is a predetermined value. A wavelength controller that generates the error signal that shifts the
側帯波発生手段は、前記光検出器が検出可能な周波数の2倍よりも大きい周波数間隔で側帯波を発生させる請求項1に記載の波長制御装置。 2. The wavelength control device according to claim 1, wherein the sideband wave generating means generates sideband waves at frequency intervals larger than twice the detectable frequency of the photodetector. 前記基準レーザー光源に対して、前記基準レーザー光の波長を制御する波長安定化装置をさらに備え、
前記波長安定化装置は、ガスセルまたはエタロン素子を備え、前記基準レーザー光を、前記ガスセルに封入された気体分子の吸収線の中心波長または前記エタロン素子の共振波長に制御する請求項1または請求項2に記載の波長制御装置。
further comprising a wavelength stabilizing device for controlling the wavelength of the reference laser light with respect to the reference laser light source;
2. The wavelength stabilizing device comprises a gas cell or an etalon element, and controls the reference laser light to a central wavelength of an absorption line of gas molecules enclosed in the gas cell or a resonance wavelength of the etalon element. 3. The wavelength control device according to 2.
シード光として互いに異なる波長のレーザー光を照射する第1のレーザー光源及び第2のレーザー光源、請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の波長制御装置、ならびに前記基準レーザー光を照射する基準レーザー光源を備え、
前記波長制御装置は、前記光検出器及び前記波長補正手段が前記第1のレーザー光源及び前記第2のレーザー光源のそれぞれに設けられて、前記レーザー光の波長を制御する差分吸収ライダー装置。
A first laser light source and a second laser light source for irradiating laser light having different wavelengths as seed light, the wavelength control device according to any one of claims 1 to 3, and the reference laser light for irradiation. with a reference laser source that
The wavelength control device is a differential absorption lidar device in which the photodetector and the wavelength correction means are provided in the first laser light source and the second laser light source, respectively, to control the wavelength of the laser light.
レーザー光源が照射するレーザー光を、基準レーザー光の波長に対して所定の差の波長に制御する波長制御方法であって、
基準レーザー光源が照射した前記基準レーザー光を変調して、前記基準レーザー光に1以上の側帯波を発生させた変調光を出力する側帯波発生ステップと、
前記変調光と前記レーザー光とから、前記変調光と前記レーザー光との周波数差と同じ周波数を含む電気信号を出力する光検出ステップと、
前記電気信号から誤差信号を生成して前記レーザー光源に入力し、前記レーザー光を、前記変調光における前記レーザー光に波長が最も近い1つの側帯波との周波数差が所定の値となるように、前記レーザー光源に前記誤差信号に基づく波長に調整させる波長補正ステップと、を行うことを特徴とする波長制御方法。
A wavelength control method for controlling a laser beam emitted by a laser light source to have a wavelength with a predetermined difference from the wavelength of a reference laser beam,
a sideband wave generating step of modulating the reference laser light irradiated by a reference laser light source to output modulated light in which one or more sideband waves are generated in the reference laser light;
a photodetection step of outputting an electrical signal containing the same frequency as the frequency difference between the modulated light and the laser light from the modulated light and the laser light;
An error signal is generated from the electrical signal and input to the laser light source, and the laser light is adjusted so that the frequency difference between the modulated light and one sideband wave closest in wavelength to the laser light is a predetermined value. and a wavelength correction step of adjusting the laser light source to a wavelength based on the error signal.
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