JP3210957B2 - 半導体レーザ光周波数変調装置およびそれを用いた干渉計測装置 - Google Patents

半導体レーザ光周波数変調装置およびそれを用いた干渉計測装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、半導体レーザを用い
たレーザ周波数変調装置とそれを用いた干渉計測装置に
関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来より、半導体レーザの駆動電流を変
化させることにより、半導体レーザ光の周波数を容易に
変調・同調することが知られている。このようなレーザ
光源を周波数変調方式の干渉計測の光源として用いれ
ば、光源の周波数の変化は光路長に比例したの位相変化
をもたらすので、干渉信号は光ビート信号を発生し、そ
の周波数および位相から距離を測定することができる。
【0003】しかし、半導体レーザにおいて駆動電流を
変調すると、レーザ周波数にみならずレーザ光の強度が
同時に変化するので、干渉信号(光ビート信号)が歪
み、それが測定誤差をもたらすのが問題となる。
【0004】このため、半導体レーザの出力を別に測定
し、電子回路を用いて光量の比をとる方式あるいは電子
計算機処理によって補正する方式がとられていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この方
式では、電子回路や計算処理が複雑で測定に時間がかか
るため、被測定量の速い変化に対応できず、また達成で
きる補正に限界があった。
【0006】
【問題を解決するための手段】本発明における半導体レ
ーザ周波数変調装置は、半導体レーザと帰還機構を具備
した光強度安定化装置からなり、半導体レーザの周波数
を変化させるためにレーザ駆動電流を変化させても光の
パワー変動が押さえられ、出力が一定で周波数のみが電
流に比例して変化する光線が得られるようにしたもので
ある。
【0007】本発明による干渉装置は、この半導体レー
ザ周波数変調装置を用い、干渉信号のビート周波数およ
びビート信号の位相から、距離、変位を非接触に精密に
測定できるようにしたものである。
【0008】
【作用】半導体レーザの駆動電流を変化させた時に発生
する出力の変動を検出し、増幅した後、光強度制御装置
に帰還するので、強度が一定でレーザ周波数のみが可変
のレーザ光線が得られる。
【0009】また、本発明に関わる半導体レーザ周波数
変調装置を周波数変調方式の干渉計測の光源として用い
ると、振幅の変動がない光ビート信号が得られるので、
距離、変位を極めて正確かつ簡便に測定できる。
【00010】
【実施例】以下、本発明に関わる半導体レーザ光周波数
変調装置とその干渉計測への応用を詳細に説明する。図
1は、本発明の一実施例を示すための装置の構成図であ
る。半導体レーザ1を変調電流発生器2によって変調し
出射光3Aを光強度制御装置4に通す。その通過光3B
をビームスプリッタ5を通し、その透過光6を外部に取
り出し、干渉計などの光源として利用する。光線6の強
度は、光線3Bの強度にビームスプリッタ5の透過率t
を乗じたもので与えられる。一方で、光線3Bのビーム
スプリッタによって部分反射された光線7の強度を光検
出器8で検出し、その光電出力9を差動増幅器10で参
照用に設定された電圧11と比較し、その差電圧を増幅
し、その出力電気信号12を光強度制御装置4の駆動信
号に帰還(フィードバック)する。
【00011】図2は半導体光増幅器を光強度制御装置
4として用いる場合の半導体光増幅器13の構成図であ
る。半導体光増幅器としては、半導体レーザの反射端面
に反射防止膜をコーティングしたものなどであり、その
増幅率は、その励起電流12Aによって可変にできる。
【00012】図3は、半導体光増幅器の励起電流12
Aに対する透過率P/Pの特性例を示す図である。従
って、半導体光増幅器に流れる電流に応じて、透過率を
1以下から1以上に変化させることができる。
【00013】図1の全体の構成を示す装置において、
光強度制御装置4としてこの半導体光増幅器13を用
い、帰還信号12を半導体光増幅器13の励起電流12
Aとして供給する。この場合、半導体レーザ1を電流変
調することによって、光線3BのパワーPが増加(減
少)した場合には、光電検出器出力9が増加し、その変
化が増幅器10で強調された後、半導体光増幅器の励起
電流12Aを低下させ、それが図3に示す電流I対透
過度P/Pの特性に従って半導体光増幅器の透過率を
低下(増加)させる。その結果として、光線3Bの光パ
ワーPに変動が生じてもそれが補償されて一定値をもつ
ようになる。またその一定値の大きさは、帰還増幅器1
0の参照電圧Vによって調節できる。一方、レーザの
周波数は、光線が光強度制御装置4を通過してもその装
置は光の強度のみを変化させるので変化を受けない。
【00014】図4は、本発明による半導体レーザ周波
数変調装置において、光強度制御装置4として半導体光
増幅器13を用いた場合に外部に取り出される光線6の
パワーPおよび周波数fが半導体レーザの駆動電流Iの
変化に対してどのように変化するかその特性例を示す図
である。半導体レーザの駆動電流Iを変化させた場合、
発振するレーザの周波数fは、駆動電流に比例して変化
する。同時に半導体レーザから出た光線3AのパワーP
も図4に示すようにほぼ直線的に変化する。しかし、
【00013】で述べた作用によって、半導体光増幅器
13から取り出された光量3A従って外部に取り出され
る光線6の強度は、駆動電流Iが変化しても、ほとんど
変化しない一定値をとり、レーザ周波数のみが変化す
る。
【00015】図5は、ファイバ光増幅器を光強度制御
装置4として用いる場合のファイバ光増幅器の構成例を
示す図である。ファイバ光増幅器は、ファイバ物質の中
にネオジウムイオンやエルビウムイオンをドープしたフ
ァイバ素子14とそのファイバを光学的に励起するため
に必要な光源15で構成される。励起光源としては、半
導体レーザなどが使われ、電流12Bによって励起され
る。ファイバ光増幅素子14の透過率P/Pは、ファ
イバ増幅器の励起用半導体レーザの励起電流12Bに対
して図3に類似した変化をする。従って、図1に示す全
体の構成を示す装置において、光強度制御装置4として
このファイバ光増幅器を用い、帰還信号12を半導体レ
ーザ14の励起電流12Bとして供給すると、半導体レ
ーザ1の電流変調によって出力パワーPが変化して
も、その変化を打ち消すように電流Iが変化するの
で、図1の装置において、取り出し光パワーPは変化せ
ず、周波数のみが変化するレーザ光線が得られる。
【00016】図6は、光強度制御装置4として磁気光
学装置を用いた場合の構成例を示す図である。磁気光学
装置はガラスや磁性体などのファラデー効果を起こす物
質16、磁界発生コイル17、偏光子18Aおよび検光
子18Bからなる。コイルには励磁電流12Cを流す。
【00017】図7は、偏光子と検光子の偏光軸が直交
している場合の、磁気光学装置の透過特性を示す図であ
る。コイル17に励磁電流12Cを流すと、光の透過率
P/Pが変化する。図1の全体の構成を示す装置にお
いて、光強度制御装置4としてこの磁気光学装置を用
い、帰還信号12をコイルの励磁電流12Cとして供給
すると、半導体レーザの発振光パワーPが変化しても
その変化がコイルに流れる電流12Cの変化として帰還
されるので磁気光学装置の透過率が変化し、従って取り
出される光線3Aの光パワーPは変化せず、周波数にみ
が変化するレーザ光線が得られる。
【00018】図8は、光強度制御装置4として電気光
学装置を用いた場合の構成例を示す図である。電気光学
装置は、ポッケルス効果を示す結晶19、波長4分の1
波長板20、偏光子21Aおよび検光子21Bからな
る。
【00019】図9は、ポッケルスセルを挟む二つの電
極22と23の間に電圧12Dを印加した場合、電気光
学装置の透過率P/Pの変化の様子を示す図である。
図1の全体の構成を示す装置において、光強度制御装置
4としてこの電気光学装置を用い、帰還信号12を印加
電圧12Dとして供給すると、光パワーPが変化して
もその変化がポッケルス結晶の電極にかかる電圧12D
に帰還されるので電気光学装置の透過率が変化し、透過
光パワーPは変化せず、やはり図1で取り出される光線
3Bの強度は一定に保たれ、周波数にみが変化するレー
ザ光線が得られる。
【00020】本発明に関わる光強度制御装置として
は、上に述べた4例に限定されることなく、他のいかな
る方式による光強度制御装置も適用できることは明かで
ある。
【00021】図10は、本方式による本発明による半
導体レーザ光周波数変調装置を干渉計測に応用した例で
ある。半導体レーザ光周波数変調装置24から取り出さ
れたレーザ光線25をビームスプリッタ26で2方向に
分割し、被測定物体Mの反射光29と参照ミラーM
の反射光30をビームスプリッタで合波して干渉させ
る。干渉信号31を光検出器32で検出するビート信号
33が発生する。導体レーザの駆動電流Iを時間に関し
て一定速度で変化すると、レーザ光の瞬時周波数が時間
に関して直線的に変化するので、干渉する物体波29と
参照波30は、その光路差D=M〜Mに比
例した周波数差をもつので、干渉波はビート信号を発生
する。ビート周波数を周波数分析器34で測定・処理す
ることによって光路差Dそれゆえ物体距離が計測でき
る。本発明による干渉計測方式は、図10の場合に限ら
ず、光路差のある干渉計ならばいかなる干渉計にも適用
できることは明かである。
【00022】
【発明の効果】本発明によると、半導体レーザの駆動電
流を変化させるだけで、光強度が一定に保持したままで
周波数のみを変化できる。また、このような周波数変調
装置を干渉計の光源として利用すると、振幅が一定のビ
ート信号が得られるので、距離や位相を極めて正確かつ
簡便に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を行うための装置の構成図で
ある。
【図2】本発明の一実施例を行うために用いる半導体光
増幅器の構成例である。
【図3】半導体光増幅器の励起電流に対する透過率の特
性例である。
【図4】本発明の半導体レーザ光周波数変調装置の一実
施例の特性を示す図である。
【図5】本発明の一実施例を行うために用いるファイバ
光増幅器の構成例である。
【図6】本発明の一実施例を行うために用いる磁気光学
光装置の構成例である。
【図7】図5の磁気光学装置の透過率の励磁電流特性を
示す図である。
【図8】本発明の一実施例を行うために用いる電気光学
装置の構成例である。
【図9】図7の電気光学装置の透過率の印加電圧特性を
示す図である。
【図10】本発明の半導体レーザ光周波数変調装置を干
渉計測に応用する例を示す図である。
【符号の説明】
1 半導体レーザ 2 変調電流発生器 3A 半導体レーザ出力光線 3B 光強度制御装置透過光線 4 光強度制御装置 5 ビームスプリッタ 6 外部取り出し光線 7 部分反射光線 8 光検出器 9 検出器信号 10 差動増幅器 11 参照電圧 12 帰還信号 12A 半導体光増幅器駆動電流 12B 励起用半導体レーザ駆動電流 12C コイル電流 12D 電圧 13 半導体光増幅器 14 ファイバ光増幅素子 15 励起用半導体レーザ 16 ファラデー素子 17 励磁コイル 18A 検光子 18B 偏光子 19 ポッケルス素子 20 1/4波長板 21A 偏光子 21B 検光子 22 電極1 23 電極2 24 半導体レーザ光周波数変調装置 25 周波数変調を受けたレーザ光線 26 ビームスプリッタ 27 被検物体表面 28 参照ミラー 29 物体反射光 30 参照ミラー反射光 31 干渉光 32 光検出器 33 光ビート信号 34 周波数分析器

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体レーザと、 前記半導体レーザを変調する変調電流発生器と、 前記半導体レーザの出射光を増幅するファイバ光増幅器
    と、 前記ファイバ光増幅器用の光源と、 前記ファイバ光増幅器の出力光の強度を検出する検出器
    と、 前記検出器の出力を予め定められた参照信号と比較する
    差動増幅器とを備え、 前記ファイバ光増幅器の透過率P/P0は、前記ファイ
    バ光増幅器の光源に供給される電流に応じて1以下から
    1以上に変化し、 前記差動増幅器の出力を前記ファイバ光増幅器の光源の
    制御信号としてフィードバックさせることにより、前記
    半導体レーザを電流変調して出射光の強度が変化したと
    きに、前記ファイバ光増幅器の出力光の強度を安定化す
    ることを特徴とする半導体レーザ光周波数変調装置。
  2. 【請求項2】 半導体レーザと、前記半導体レーザを変
    調する変調電流発生器と、前記半導体レーザの出射光を
    増幅するファイバ光増幅器と、前記ファイバ光増幅器用
    の光源と、前記ファイバ光増幅器の出力光の強度を検出
    する検出器と、前記検出器の出力を予め定められた参照
    信号と比較する差動増幅器とを備え、前記ファイバ光増
    幅器の透過率P/P0は、前記ファイバ光増幅器の光源
    に供給される電流に応じて1以下から1以上に変化し、
    前記差動増幅器の出力を前記ファイバ光増幅器の光源の
    制御信号としてフィードバックさせることにより、前記
    半導体レーザを電流変調して出射光の強度が変化したと
    きに、前記ファイバ光増幅器の出力光の強度が安定化さ
    れる半導体レーザ光周波数変調装置と、 前記半導体レーザ光周波数変調装置が出射するレーザ光
    線を分割するとともに、被測定物体の反射光と参照ミラ
    ーの反射光を合波して干渉させるビームスプリッタと、 前記ビームスプリッタの干渉信号を検出する光検出器
    と、 前記光検出器が出力するビート信号のビート周波数を測
    定して光路差を求める周波数分析器と、を備える干渉計
    測装置。
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CN112542757B (zh) * 2020-12-08 2022-07-19 北京大学 利用谐振腔腔膜锁定的法拉第激光器及其制备方法

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