JP2962568B2

JP2962568B2 - 周波数安定化レーザ光源

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Publication number: JP2962568B2
Application number: JP25874790A
Authority: JP
Inventors: 保喜古賀; 茂衣川
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1990-09-27
Filing date: 1990-09-27
Publication date: 1999-10-12
Anticipated expiration: 2014-10-12
Also published as: JPH04137575A

Description

【発明の詳細な説明】［概要］レーザの出力光の一部を原子あるいは分子を封じた吸
収セルの中を通過させることにより、線型吸収線を検出
する。そして、そのスロープを利用してレーザの周波数
雑音を振幅雑音信号に変換し、これをレーザへ帰還する
ことにより周波数雑音を低減する。これによりレーザの
発振線幅の狭窄化を行うことができる。一方、レーザの
出力光の他の一部をサブドップラー分光し、サブドップ
ラー分光による吸収線を検出する。その吸収線の一つの
ピークにレーザの発振周波数をロックすることにより、
高い周波数安定度を得ることができる。この両者の吸収
線による周波数制御により、狭い発振線幅をもつ周波数
安定化レーザ光源が実現できる。

［産業上の利用分野］本発明は高度に安定化された周波数安定化レーザ光源
に関するもので、長さ寸法等の精密測定、物理・物性測
定、測地・宇宙開発、産業計測、光通信、等の分野にお
いて、光周波数標準、高精度光応用測定機器の基準光源
として利用できる。

［従来技術］レーザの発振周波数は、レーザの動作条件及び周囲温
度等により大きく変化するので、その高安定化は通常原
子や分子の安定なスペクトル線を基準にして行われる。
また、レーザは本来その出力光に含まれる周波数雑音に
より、その発振線に広がりをもつため、これを光源とす
る精密測定機器の分解能が制限されることが多い。

原子あるいは分子のスペクトル線を利用してレーザの
周波数雑音を低減し、同時にその発振周波数を安定化す
る従来技術としては、同一出願人による特願平１−5372
2号がある。その構成を第４図に示す。

レーザ11の出力光を原子または分子を封じた吸収セル
12に入射し、その透過光を光検出器13で電気信号に変換
する。レーザの周波数を吸収セル12の吸収スペクトル線
の周波数の近傍で変化させると、光検出器13には原子ま
たは分子の線型吸収線に対応した出力信号を得る。した
がってレーザの周波数を線型吸収線のスロープの直線部
分に置くと、光検出器13からはレーザ周波数に対応した
直流信号と、レーザの周波数雑音に対応した雑音信号を
得る。

この直流信号と同じ値を基準電圧源15に設定し、その
出力と光検出器13の出力とを比較器14に入力すれば、レ
ーザの設定周波数からのずれに対応する信号を比較器14
の出力として得ることが出来る。この出力信号をレーザ
11の制御装置17に帰還すれば、レーザ11の発振周波数は
安定化される。この第一の制御系16は通常直流から10kH
z程度の周波数帯域をカバーする。

一方、光検出器13の雑音信号は広帯域増幅器19で増幅
され、位相補償器20を経て交流信号としてレーザへ帰還
されるので、レーザの周波数雑音は低減され、、発振線
幅は狭窄化される。この第二の制御系18は10kHzから100
MHz程度までの広い周波数帯域をカバーする。

［発明が解決しようとする課題］ところで、原子または分子のスペクトル線の形状は、
その観測条件や環境条件に依存して変化するので、以下
述べるような問題を生じる。特に、Rb、Cs等の金属蒸気
を利用する吸収セルにおいては、その内部の蒸気圧は温
度により指数関数的に変化するので、そのスペクトル線
の強度、線幅の変化は大きい。

（１）スペクトル線の強度が変化すると、第一の制御系
において、比較器14への直流信号のレベルは変化する
が、基準電圧は変化しないので、直流信号が基準電圧と
同じ値になるようにレーザは制御されその発振周波数は
変化する。従来技術には、その対策として、レーザ光を
一定の割合で分岐して光電変換した信号を基準電圧源15
の一つの入力にして補正する方法が含まれているが、こ
の方法はスペクトル線の強度変化の原因がレーザの出力
光の変動による場合に有効であって、前述のように吸収
セルの温度変化によりその吸収率が変化する場合は効果
はない。

また、スペクトル線の線幅が変化すると、同様に、直
流信号のレベルが変化し、レーザの発振周波数は変化す
る。

（２）スペクトル線の強度あるいは線幅が変化すると、
レーザが安定化される周波数が変化し、スペクトル線の
スロープの中心部からずれる。したがって、第二の制御
系において、レーザの周波数雑音の弁別特性の非直線性
は大となり、雑音低減の効果が減少すると共に、発振線
に非対称性を生じる。

（３）一般に、スペクトル線の強度が大になるときは、
同時にその線幅も広がることが多いので、（１）、
（２）によるレーザ周波数の変化は相乗的なものとな
る。したがって、これを防ぐには、レーザ光の強度の高
安定化、吸収セルの温度の高安定化を必要とし、装置は
大型で複雑となり高価なものになる。

［課題を解決するための手段及び作用］本発明では、上記３つの課題に対して、従来使用され
てきた基準電圧源を除き、周波数基準として、サブドッ
プラー分光による吸収線の一つを使用し、またレーザ雑
音低減には、原子または分子の線型吸収線を使用するこ
とにより対処する。

サブドップラー分光による吸収線に分類されるものに
は、飽和吸線、原子ビームによる吸収線等が有り、いず
れも原子または分子の線型吸収線に比べて急峻な周波数
特性を示す。本発明はこの特徴を利用する。

すなわち、（１）の課題に対しては、基準周波数として、サブド
ップラーの分光による吸収線の一つを選び、そのピーク
の周波数にレーザを安定化することにより、線型吸収ス
ペクトル線の強度、線幅が変化しても、レーザ周波数は
変化しないようにする。

（２）の課題に対しては、（１）で選ぶ基準線とし
て、線型吸収スペクトル線のスロープの中央部に位置す
る線を選ぶことにより、線型吸収線の強度、線幅が変化
しても、レーザ周波数は常にそのスロープの中央部に安
定化されるので、これによりレーザの周波数雑音の弁別
特性には殆ど変化を生じないようにする。

（３）の課題に対しては、レーザ光の強度やサブドッ
プラー分光の装置の温度変化に対して、サブドップラー
分光による吸収線の中心周波数の変化は極めて小さく、
それだけ、レーザやサブドップラー分光の装置等の温度
安定化も簡略化、場合によっては省くこともできるの
で、装置は小型で安価なものになる。

［実施例］第２図は本発明の一実施例である。

レーザ31として半導体レーザを使用し、その出力光を
偏光ビームスプリッタ32で分岐し、その一つを原子また
は分子のスペクトル線検出系33へ入射させる。スペクト
ル線検出系33への入射光は偏光ビームスプリータ34で更
に２つに分岐され、その一つはλ/4板35を通って吸収セ
ル36に入射する。吸収セル36に封入する原子または分子
としては、レーザ31の波長に対応して、例えば、Rb（78
0nm,794nm）、Cs（852nm,894nm）、あるいは、1.5μｍ
帯としてはC₂H₂、HCN等を用いる。吸収セル36を通過し
た光は減光フィルタ37、絞り38を経て反射鏡39で正反射
され、入射光と同じ光路を逆にたどって偏光ビームスプ
リッタ34で反射され、光検出器40で電気信号に変換され
る。ここで、吸収セル36に初めに入射する光は飽和光と
して作用し、反射鏡39により反射されて再び入射する光
はプローブ光として作用するので、光検出器40では飽和
吸収スペクトル線及びそのクロスオーバー線を検出する
ことができる。

一方、スペクトル線検出系33への入射光で偏光ビーム
スプリッタ34によるもう一つの分岐光は、反射鏡41、減
光フィルタ42、反射鏡43を経て吸収セル36に入射し、そ
の透過光は光検出器44で電気信号に変換される。この入
射光は、吸収セル36の飽和光の光路とは異なった部分を
通過させることにより、光検出器44では線型吸収スペク
トル線を検出することができる。

第３図（ａ）はCsのD2線の飽和吸収スペクトル線及び
そのクロスオーバー線を、第３図（ｂ）は同じく線型吸
収スペクトル線を示す。同図（ａ）において、線は基
底状態Ｆ＝４準位から励起状態Ｆ′＝５準位への飽和吸
収線（以下４→５′と略す）、線は４→４′、線は
４→３′の飽和吸収線である。また、線、線、線
はそれぞれ線−線間、線−線間、線−線間
のクロスオーバー線である。CsやRbのようなアルカリ金
属原子においては、各線の強度が一様ではないため、通
常同図（ａ）のように飽和吸収スペクトル線は線型吸収
スペクトル線の一方のスロープに偏っていることが多
い。このことは、本発明を実施する上で甚だ好都合であ
り、多くの原子または分子について実現の可能性をもっ
ているといえる。すなわち、光検出器40で検出される飽
和吸収スペクトル線あるいはクロスオーバー線のうち、
線型吸収線のスロープの中央部に近い線、例えば線、
線、線のいずれかを周波数基準として、レーザ中心
周波数安定化系45により制御信号を発生させ、制御電流
源47を介してレーザ31へ帰還してその周波数を安定化さ
せる。

一方、光検出器44から得られる線型吸収線により弁別
された雑音信号は、レーザ雑音低減化系46により制御信
号となり、制御電流源47を介してレーザへ帰還され、雑
音の低減が行われる。

この２つの制御系の周波数帯域は、例えば、レーザ中
心周波数安定化系45が直流から1kHz、レーザ雑音低減化
系46が1kHzから100MHzというように分割し、両者を併せ
て、直流から100MHzという広帯域でレーザの制御を行
う。

以上の実施例に示したように、半導体レーザ31の発振
周波数を原子または分子の飽和吸収スペクトル線または
そのクロスオーバー線の１つに安定化すると共に、その
線型吸収線のスロープを利用したレーザ周波数雑音の弁
別により、雑音低減を行うことで、高安定な発振周波数
をもち、かつ、低雑音で狭い線幅をもつ周波数安定化レ
ーザ光源を得た。

この実施例では、レーザの発振周波数の基準として、
サブドップラー分光による吸収線の一種である飽和吸収
スペクトル線またはそのスロスオーバー線を用いた。サ
ブドップラー分光による吸収線としては、他にも原子ビ
ームによる吸収線等があり、飽和吸収スペクトル線（ま
たはそのクロスオーバー線）の代わりに用いることがで
きる。

ここで、サブドップラー分光による吸収線の各線は高
分解能分光測定においては特別の意味があり、これらを
基準にして安定化されたレーザ光源は、例えば、光ポン
ピング方式周波数標準器においては、原子の選択励起を
可能にする光源として重要な要素である。

尚、第２図の実施例においては、１個の吸収セルを使
用して、飽和吸収スペクトル線及びそのクロスオーバー
線、並びに線型吸収スペクトル線を検出したが、第１図
の基本構成図に示したように複数の吸収セルを使用し
て、それぞれの吸収線を検出することも可能である。

さらに、第１の光学系４として、原子ビームによる吸
収光学系等一般にサブドップラー分光と呼ばれている分
野で採り扱われる光学系を使用することもできる。

［発明の効果］以上述べたように、光検出器を通った後の電気信号を
電気の基準値と比較して、中心周波数の誤差信号を作る
先行技術（前掲特願平１−53722号）に比して、中心
周波数もまた光の原子または分子の吸収スペクトル線
（サブドップラー分光による吸収線）を基準とした点に
特徴がある。すなわち、本発明による周波数安定化レー
ザ光源は、サブドップラー分光による吸収線及び線型吸
収スぺクトル線をレーザの周波数安定化及び周波数雑音
低減化に利用することにより、次に示すような固有の効
果を有する。

（１）レーザの発振周波数は、サブドップラー分光によ
る吸収線を基準として安定化されるため、レーザの出力
変動、及び装置の温度変動による線型吸収スペクトル線
の強度や線幅の変動などに影響されず、周波数の再現
性、安定性の優れた周波数安定化レーザ光源を実現でき
る。

（２）レーザの発振周波数の基準として、線型吸収スペ
クトル線のスロープの中央部に位置するサブドップラー
分光による吸収線の一つを選択することにより、線型吸
収スペクトル線の強度、線幅が変化しても、レーザの周
波数雑音の弁別特性が殆ど変化しない周波数安定化レー
ザ光源を実現できる。

（３）このほかに、サブドップラー分光による吸収線
は、レーザの出力変動や装置の温度変化に対して、その
中心周波数の変化が極めて小さいため、レーザや装置の
温度コントロールの簡略化が可能、場合によっては温度
コントロールが不要であり、小型で安価な周波数安定化
レーザ光源を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本構成図、第２図は本発明の一実施
例を示す図、第３図は第２図の吸収セルにより得られた
吸収スペクトル線を示す図であり、第３図（ａ）はCsの
飽和吸収スペクトル線及びそのクロスオーバー線を示す
図、第３図（ｂ）はCsの線型吸収スペクトル線を示す
図、第４図は従来の周波数安定化光源の構成図である。１、11、31……レーザ、２、３……光を分岐する光学素子、４……第１の光学系、５……第２の光学系、６、40……第１の光検出器、７、44……第２の光検出器、８……第１の制御器、９……第２の制御器、 10、17、47……制御電流源、 12、36……吸収セル、 13……光検出器、 14……比較器、 15……基準電圧源、 16……第一の制御系、 18……第二の制御系、 19……広帯域増幅器、 20……位相補償器、 21……コンデンサ、 32、34……偏光ビームスプリッタ、 33……スペクトル線検出系、 35……λ/4板、 37、42……減光フィルタ、 38……絞り、 39、41、43……反射鏡、 45……レーザ中心周波数安定化系、 46……レーザ雑音低減化系。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭62−125454（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−215969（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−300888（ＪＰ，Ａ) 特開平２−284486（ＪＰ，Ａ) 特開平４−133484（ＪＰ，Ａ) 特開平２−234484（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01S 3/131 - 3/139

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ（１）と、該レーザの制御電流源（10）と、該レーザの出力光の一部を分岐する光学素子（３）と、前記光学素子により分岐された一方の光を受領し、サブ
ドップラー分光による吸収線を出力する第１の光学系
（４）と、該第１の光学系を通った光を受領し、サブドップラー分
光による吸収信号を出力する第１の光検出器（６）と、前記光学素子により分岐された他方の光を受領し、線型
吸収線を出力する、原子または分子を封入した吸収セル
を含む第２の光学系（５）と、該第２の光学系を通った光を受領し、線型吸収信号を出
力する第２の光検出器（７）と、前記サブドップラー分光による吸収信号を周波数の基準
として、レーザ中心周波数制御信号を前記レーザの制御
電流源に送る第１の制御器（８）と、前記線型吸収信号のスロープから前記レーザの出力光の
周波数雑音を検出して、雑音低減化信号を前記レーザの
制御電流源に送る第２の制御器（９）とから成る周波数
安定化レーザ光源。