JP3230781B2 - 共振器分散測定方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は時間幅がピコ秒以下の光
パルスを発生する超短光パルスレーザの開発および調整
に利用する。特に、このようなレーザの共振器の波長分
散を測定する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ピコ秒以下の時間幅の光パルスの
発生技術の開発が盛んに進められている。その結果、時
間幅の短いパルスの発生または伝達に際しては、その発
生または伝達に使用する光学部品、またはその光学部品
の集合体である光学路の波長分散特性がパルスの形状に
大きく影響することが明らかになってきた。例えば、波
長分散特性が急激に変化するような光学路を短い光パル
スが通過すると、波形の変形現象が生じる。また、波長
分散特性が急激に変化する光学部品を用いたのでは、時
間幅の短い光パルスの発生自体がそもそも困難となる。
特に、超短光パルスレーザの共振器内の光学部品におい
ては、光が共振器中を巡回することに伴い波形の変形が
多数回蓄積されるので、波長分散特性を高精度に制御す
ることが必要である。このような事情から、レーザ共振
器の波長分散特性を高精度に測定する必要が生じてい
る。

【０００３】レーザ共振器の波長分散を測定するひとつ
の方法として、共振器内の個々の光学部品の波長分散を
高精度に測定し、それらの総和として共振器の波長分散
を見積もる方法が考えられる。このような個別素子に対
する分散測定方法として、例えば特開平２−１３４５４
３号公報（特願昭６３−２８７５６６）、「分散測定方
法およびその装置」には、白色光を用いる干渉計の一方
の腕に被測定素子を挿入し、遅延時間差を変えて生じる
干渉波形を記録し、記録した波形をフーリエ変換して得
られる周波数領域での位相情報から被測定素子の波長分
散を求める技術が開示されている。また、導波路型素子
については、特開平３−２１６５３０号公報（特願昭２
−１１８１３）、「導波路分散測定方法および装置」
に、特開平２−１３４５４３号公報に開示された白色光
干渉計の両腕中に光結合光学系を設置して、導波路への
光の入出射のための光結合光学系の波長分散を相殺した
測定器が開示されている。

【０００４】しかし、レーザ共振器内部品には、波長分
散特性が素子への光の入射方向または位置に大きく依存
するものがある。例えばオプティクス・レター(Optics
Letter) 誌第９巻１５０−１５２頁１９８４年に述べら
れているプリズム対では、光入出射角がブリュースタ角
となるように頂角を形成した二つの二等辺プリズムを、
その底辺が互いに平行になるように配置することによっ
て、群遅延時間が波長に対して増大する異常分散特性が
生成されている。このとき、生成される分散量は、プリ
ズム内でガラスを通過する光路長、したがってプリズム
への光の入射位置に非常に大きく依存する。このような
場合、個別素子の波長分散を測定するときの入射条件
と、実際にその素子をレーザ共振器中で使用していると
きの入射条件とを完全に同一に設定することは事実上期
待できず、共振器の波長分散の見積上で大きな曖昧さを
残すこととなる。さらに、最低でも三個異常が必要な共
振器内部の個々について測定を行うことは、労力の点で
も時間的損失の点でも問題である。

【０００５】これに対して、レーザ共振器そのものの波
長分散（これを本明細書では特に「共振器分散」とい
う）を測定する技術も提案されている。そのような従来
例を以下に説明する。

【０００６】図７は第一の従来例を示す図であり、オプ
ティクス・レター誌第１７巻５１４−５１６頁１９９２
年において、チタンサファイアレーザ共振器の波長分散
の測定に利用された共振器波長分散測定方法を示す。

【０００７】この従来例方法において、被測定レーザ共
振器７０１は、レーザ媒質７０２、波長選択素子７０
３、端面全反射鏡７０４および出力結合鏡７０５により
構成され、連続励起装置７０６によりレーザ媒質７０２
を励起することにより、被測定レーザ共振器７０１がパ
ルス発振を行う。連続励起装置７０６としては、連続発
振レーザ光源、連続点灯ランプ、あるいは連続電流注入
源が用いられる。被測定レーザ共振器７０１の発振波長
λは、その内部の波長選択素子７０３により制御され
る。

【０００８】被測定レーザ共振器７０１の出力は、出力
結合鏡７０５から、出力パルス列７０７として光検出器
７０８に入射し、電気信号パルス列に変換される。この
電気信号パルス列が周波数計数器７０９に供給され、そ
のパルス列のパルス繰り返し周波数ｆ（λ）が測定され
る。この測定を波長選択素子７０３によって発振波長λ
を順次変化させながら繰り返すことにより、各波長に対
するパルス繰り返し周波数ｆ（λ）を求める。

【０００９】ここで、繰り返し周波数ｆ（λ）は、被測
定レーザ共振器７０１の共振器光学長Ｔを用いて、 ｆ（λ）＝ｃ／Ｔ …（１） と表される。ここで、ｃは真空中の光速度である。共振
器群遅延時間τ_d は、共振器光学長の波長微分を含む式
で次のように表される。

【００１０】

【数１】 これを繰り返し周波数を含む式に書き換えると、次の式
が得られる。

【００１１】

【数２】 共振器の分散特性とは、共振器群遅延時間τ_d の波長λ
による変化であり、第３式が、この従来例方法において
共振器分散特性を測定する原理を表す基本式となってい
る。

【００１２】図８は第二の従来例を示す図であり、特願
平４−２０６７８１、「共振器分散測定方法およびその
装置」（本件出願時未公開）に開示された共振器波長分
散測定方法を示す図である。

【００１３】この方法では、被測定レーザ共振器８０１
が発振しきい値以下に励起される。このとき、被測定レ
ーザ共振器８０１から出射する蛍光（増幅された自然放
出光）が測定に使用される。この蛍光は、必要に応じ
て、光束の平行度を高める光学手段、例えば光ファイバ
を通過して、平行光束となる。

【００１４】この平行光束は、キューブビームスプリッ
タ８０２によって第一および第二の光束に分岐され、第
一の光束は固定鏡８０３で反射して再びキューブビーム
スプリッタ８０２に戻る第一の光路をたどり、第二の光
束は可動鏡８０４で反射して再びキューブビームスプリ
ッタ８０２に戻る第二の光路をたどる。キューブビーム
スプリッタ８０２に戻った第一および第二の光束を合波
し、それにより生じる干渉光の強度を光検出器８０５に
より電圧値に変換して測定する。

【００１５】ここで、第一の光路と第二の光路との間の
相対的光路長差Ｌ₁ が被測定レーザ共振器８０１の共振
器長の零以外の整数倍となる付近で可動鏡８０４の位置
を第二の光路に平行に一方向に移動させ、相対的光路長
差Ｌが一定量変化するごとに、光検出器８０５の出力電
圧値を時系列的に波形記憶装置８０６に記録する。こう
して波形記憶装置８０６に記憶されたデータを計算機８
０７によってフーリエ変換する。ここで得られる周波数
領域での位置情報から、被測定レーザ共振器８０１の波
長分散特性が求められる。

【００１６】一般に、共振器内を角周波数ωの光が一周
する際に光電場が受ける変化を、共振器伝達関数と呼ば
れる複素数ｔ（ω）によって表す。共振器伝達関数の絶
対値は電場強度の変化に対応し、その位相は電場の位相
の変化に対応する。

【００１７】ここで、被測定レーザ共振器８０１の共振
器長の零以外の整数Ｎ倍となる付近で測定したときに光
検出器８０５から波形記憶装置８０６に記憶された電圧
値を、相対的光路長差を光速度で除した遅延時間τの関
数としてＳ_N （τ）と表す。キューブビームスプリッタ
８０２、固定鏡８０３および可動鏡８０４で構成される
測定用干渉計において両腕の間の位相平衡が無視できる
とき、信号Ｓ_N （τ）のフーリエ変換が、 Ｆ〔Ｓ_N(τ）〕＝ｔ^N(ω）Ｕ(ω） …（４） で表される。ここで、Ｆはフーリエ変換を表し、Ｕ
（ω）は光スペクトルを表す。

【００１８】光スペクトルは常に正の実数である。した
がって、第４式の複素数としての位相は、常にｔ（ω）
の位相、すなわち共振器内を一周する際に光電場が受け
る位相の変化φ（ω）のみを反映する。すなわち、 ａｒｇ（Ｆ〔Ｓ_N(τ）〕）＝Ｎφ(ω） …（５） となる。ここで得られた位相変化φ（ω）から、共振器
群遅延時間τ_d が、 τ_d(ω) ＝ｄφ(ω)／ｄω …（６） により求められる。したがって、第５式が第二の従来例
方法による共振器分散特定測定の原理を示す基本式とな
る。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
の共振器分散方法には以下の問題がある。

【００２０】まず第一の従来例方法では、第一の問題と
して、被測定レーザ共振器を連続励起装置によって励起
し、その状態においてパルス発振を行っている必要があ
るという問題がある。この要求条件は、種々のレーザ装
置を考慮すると、常に満たされるわけではない。

【００２１】レーザにおいてパルス発振を実現する方法
には、少なくとも、強制モード同期、複合モード同期お
よび受動モード同期の三つの方法が考えられる。このう
ち強制モード同期と複合モード同期では、レーザの共振
器周回時間に等しい時間間隔で繰り返す変調信号もしく
は励起パルスを外部から印加する。この場合、得られる
パルス発振の繰り返し周期は、外部から印加した繰り返
し信号に常に厳密に一致し、発振波長に依存するわけで
はない。したがって、強制モード同期または複合モード
同期のレーザ共振器については、従来の共振器分散測定
方法では測定することができない。

【００２２】第一の従来例方法における第二の問題は、
被測定レーザ共振器が、その内部に、発振波長を制御す
る波長選択素子を備えていることが必要なことである。

【００２３】一般にレーザ装置においては、レーザ媒質
の利得の波長依存性と共振器内損失の波長依存性の兼ね
合いで決まる一定の波長で発振が行われる。いま、測定
しようとする共振器の分散特性は、第３式にみられるよ
うに、繰り返し周波数の波長微分を含む量であるがゆえ
に、最低でも二つの異なる発振波長で繰り返し周波数を
測定することが不可欠である。したがって、共振器内の
波長選択素子を用いて、強制的に発振波長を変化させる
必要がある。

【００２４】ある種のレーザ媒質、例えば半導体におい
ては、利得の波長依存性が励起強度または温度といった
動作条件によって変化することが知られており、それら
条件を変えることによって発振波長を変化させることが
考えられるかもしれない。しかし、そのようなレーザ媒
質の動作条件の変化は、必然的にそのレーザ媒質の分散
特性の変化を伴ってしまうので、動作条件を変えること
は許されない。一定の動作条件の下での共振器分散特性
がここでの測定対象だからである。したがって、波長選
択素子が被測定レーザ共振器内に設置されていることが
必須であり、しかも、ここでの測定の目的から、波長の
選択に伴う素子自身の分散特性の変化が無視できるほど
小さい波長選択素子が必要である。

【００２５】ところが、超短光パルスレーザにおいて、
共振器内の波長選択素子は多かれ少なかれ発生されるパ
ルスの幅の拡大を引き起こすので、そのような素子は用
いられないことが多い。その場合に、共振器分散の測定
の目的だけに一時的に波長選択素子を設置するのは、利
便性を欠き、しかも、波長選択素子を設置しない通常の
使用状態での共振器の分散を求めるために、個別素子に
対する分散測定方法を用いてその波長選択素子の分散特
性を測定する必要も生じる。さらに、例えばモノリシッ
クモード同期半導体レーザのように、レーザ製造後に共
振器内に波長選択素子を追加設置することがそもそも不
可能な場合がある。

【００２６】これらの第一および第二の問題は、測定対
象を制限するものである。この制限に加え、第一の従来
例方法では、使用する光検出器が共振器周回時間に十分
に応答できる必要がある。この要求条件は、共振器が長
い例えば１．５ｍ長のレーザ、すなわち共振器周回時間
が１０ナノ秒程度の場合には、市販のＰＩＮ光検出器で
容易に満足できる。実際、上述の文献でも、長共振器レ
ーザについての測定が行われている。しかし、短共振器
レーザ、例えば素子長が３００μｍ程度の半導体レーザ
では、共振器周回時間が約７ピコ秒と短く、それに応答
する光検出器が現在のところ存在しない。したがって、
このような短共振器レーザについては、第一の従来例方
法では測定不可能である。同様の光束応答性が光検出器
の後段に配置される周波数計数器に対しても要求され、
この点も短共振器レーザ測定に多大の困難をきたす。

【００２７】このように、第一の従来例方法は、測定対
象のレーザ共振器に、（１）連続状態におけるパルス発
振、かつ（２）分散特性の変化の非常に小さい波長選択
素子による発振波長制御という極めて強い条件を要求
し、測定対象として適するレーザ共振器が極めて限定さ
れている。さらに、使用する光検出器および周波数計数
器が共振器周回時間に十分に応答する必要があるため、
短共振器レーザ測定が困難である。

【００２８】これらの第一の従来例方法の問題点は、第
二の従来例方法において原理的には解決されている。す
なわち、第二の従来例方法においては、被測定レーザ共
振器は発振しきい値以下に励起され、レーザ発振を行わ
ないので、発振容態の制限、発振波長の選択性といった
問題は解消される。

【００２９】さらに、第二の従来例方法においては、干
渉計を使用し、この干渉計により、、二つの腕の間の相
対的光路長差すなわち遅延時間差を通じて、高精度の時
間軸を生成できる。この光路長差の精度は簡単な系でも
１μｍ、干渉測距法を用いれば数ｎｍとなる。これは遅
延時間差精度にして３ないし０．０２フェムト秒に相当
する。このような測定の時間応答性は、この遅延時間精
度によって決まり、干渉計からの出射光を受光する光検
出器の時間応答性は測定の時間応答性とは全く無関係で
ある。これにより、いかに短い共振器であっても測定が
可能になった。したがって、第二の従来例方法では、光
検出器や電子回路の応答時間による制限といった問題も
解消される。

【００３０】しかしながら、第二の従来例方法は、被測
定レーザ共振器の光学長が測定中に一定に保持されるこ
とを前提としている。もし、被測定レーザ共振器の光学
長が変動していると、測定用干渉計の相対的光路長差を
いかに高精度に校正したとしても、検出された干渉信号
をフーリエ変換したときに、第４式に示した結果は得ら
れない。これは、第４式に関与する相対的光路長差が、
被測定レーザ共振器の光学長を起点として定義されてい
るため、光学長の変動が相対的光路長差の誤差と等価な
ためである。

【００３１】いま、光速度をｃとし、干渉計の相対的光
路長差の刻みｃΔτごとに干渉信号を採取したとする。
このとき、フーリエ変換の結果は、周知のサンプリング
定理により、ω＝０からω＝π／Δτまでのフーリエ成
分に分解される。ここで表された角周波数の上端ω_NYQ
は、よく知られたナイキスト周波数を角周波数の形に表
したものである。この上端ω_NYQ は、被測定レーザ共振
器から発生する光の短波長端λ_L に対応する光の角周波
数ω_L ＝２πｃ／λ_L よりも大きいこと、すなわちω
_NYQ ＞ω_L が必要である。これは、離散データのフーリ
エ変換に伴い折り返し（エイリアシング：aliasing）、
すなわち源信号中にナイキスト周波数を越える周波数成
分が存在するとその周波数成分が折り返されてナイキス
ト周波数以下の部分と重なってしまう現象、を防ぐため
である。この条件を光路長差刻みｃΔτに換算すると、 ｃΔτ＜λ_L ／２ …（７） という条件が導かれる。第７式により、例えば被測定レ
ーザ共振器からの蛍光の短波長端が８００ｎｍである場
合、少なくとも４００ｎｍよりも細かい光路長差の刻み
で測定を行うことが必要であることがわかる。このため
には、最低でも数十ｎｍの精度で相対的光路長差を校正
することが不可欠である。

【００３２】すでに述べたように、被測定レーザ共振器
の光学長の変動は相対的光路長差の変化と等価なので、
被測定レーザ共振器の光学長の変動は高々数十ｎｍの程
度に留まることが必要である。

【００３３】例えば素子長が３００μｍ程度の半導体レ
ーザの共振器光学長は約２ｍｍであり、素子温度の１度
の変化に付随して１５０ｎｍの光学長変動が生じる。し
たがって、この場合、光学長の変動を第二の従来例方法
の許容値に抑えるためには、０．１度のオーダの温度制
御が必要である。この程度の温度制御は現在の技術で容
易に達成されるので、第二の従来例方法を用いて、素子
長が３００μｍの半導体レーザ共振器の分散が実際に測
定されている。

【００３４】ここで許容される温度変動の幅は、共振器
光学長に反比例する。したがって、同じ半導体レーザで
も、例えばモノリシックモード同期半導体レーザのよう
に３ｍｍ程度が典型的素子長である場合には、必要な温
度制御は０．０１度のオーダとなる。このようなレベル
の温度制御を行うには高価な装置が必要となり、この方
法によりモノリシックモード同期半導体レーザの共振器
分散を測定することは容易ではない。

【００３５】これら半導体レーザはすべて固体素子であ
り、共振器光学長変動が小さい部類に属する。レーザ媒
質を挟んで鏡などの共振器内部品を配置して構成される
一般のレーザ共振器では、共振器内の光路の過半におい
て光が空気中を伝播する。ここで、空気の流れは不可避
であり、それによって共振器光学長変動が引き起こされ
る。また、鏡などの共振器内部品を保持する機構は、環
境からの振動によって常に揺れている。その揺れは共振
器内部品に伝わり、その結果、共振器光学長が変動する
ことになる。これら一般のレーザ共振器での共振器光学
長変動の経験的値はおおむね５００ｎｍであり、共振器
の長さにはほとんど依存しない。これは、共振器光学長
の変動の大部分が、レーザ共振器の外周に位置する鏡の
揺れによって引き起こされていることを示唆している。
この共振器光学長変動は、第二の従来例方法の許容する
値を一桁以上超過しており、したがって、この従来例方
法を用いてこれら一般のレーザ共振器を測定することは
全く不可能である。

【００３６】このように、第二の従来例方法では、測定
対象のレーザ共振器の光学長変動が非常に小さいという
条件が必要であり、それが適用可能なレーザ共振器は、
事実上、半導体の短共振器に限定されている。

【００３７】本発明は、これらの課題を解決し、汎用性
のある共振器分散測定方法を提供することを目的とす
る。特に、連続励起、変調信号印加もしくはパルス励起
などの被測定レーザ共振器にパルス発振を行わせる手段
の種類によらず、また被測定レーザ共振器内の波長選択
素子の有無にもよらず、さらには測定可能な被測定レー
ザ共振器の長さが光検出器や電子回路の応答時間により
制御されることなく、なおかつ被測定レーザ共振器の光
学長変動の影響を受けることのない共振器分散測定方法
を提供することを目的とする。

【００３８】

【課題を解決するための手段】本発明の第一の観点は共
振器分散測定方法であり、測定対象のレーザ共振器から
の出射光を第一および第二の光束に分岐し、この第一お
よび第二の光束をそれぞれ第一および第二の光路に伝播
させ、この第一および第二の光路をそれぞれ伝播した二
つの光を合波して干渉させることにより第一の干渉光を
生成し、第二の光路の光路長を第一の光路との相対的光
路長差がレーザ共振器の共振器長の非零の整数Ｎ倍とな
る近傍で変化させながら第一の干渉光を測定し、測定さ
れた光強度波形をフーリエ変換して得られた周波数領域
での位相情報から上記レーザ共振器の波長分散を求める
共振器分散測定方法において、測定対象のレーザ共振器
からの出射光をさらに第三および第四の光束に分岐し、
この第三の光束を光路長が可変の第三の光路に伝播さ
せ、第四の光束を光路長が固定の第四の光路に伝播さ
せ、第三の光路を伝播した光と第四の光路を伝播した光
とを合波して干渉させることにより第二の干渉光を生成
し、この第二の干渉光の強度が一定に保たれるように第
三の光路の光路長を制御し、この第三の光路の光路長に
対応して第一の光路の光路長を調整することを特徴とす
る。

【００３９】第一の光路と第二の光路との相対的光路長
差だけでなく、第三の光路と第四の光路との相対的光路
長差についても、レーザ共振器のＮ倍となる近傍で変化
させることがよい。

【００４０】整数Ｎとは異なる整数Ｍに対しても同様に
第一の干渉光の測定を行い、この二つの整数Ｍ、Ｎにつ
いての測定光強度波形をそれぞれフーリエ変換して得ら
れた周波数領域での位相情報の差異から波長分散を求め
ることもできる。このとき、整数Ｍは零でもよい。

【００４１】本発明の第二の観点はこの測定方法を実施
するための装置であり、一つのビームスプリッタと二つ
の端面鏡とにより構成され実質的に平行な光束を二つの
光束に分岐して互いに別の光路に伝播させた後に再び合
波して干渉させる第一のマイケルソン干渉計と、この第
一のマイケルソン干渉計の二つの光路の相対的光路長差
を順次変化させたときにその第一のマイケルソン干渉計
から出射される干渉光の強度をその相対的光路長差の変
化に対応させて測定する測定手段と、測定された光強度
波形をフーリエ変換して得られる周波数領域での位相情
報から波長分散特性を求める演算手段とを備えた共振器
分散測定装置において、ビームスプリッタおよび一方の
端面鏡を第一のマイケルソン干渉計と共有する第二のマ
イケルソン干渉計と、測定対象のレーザ共振器からの光
束を第一のマイケルソン干渉計と第二のマイケルソン干
渉計とに平行に入射する入射手段と、第二のマイケルソ
ン干渉計から出射される干渉光の強度が一定となるよう
に上記一方の端面鏡の位置を調整する帰還手段とを備
え、第一のマイケルソン干渉計における上記一方の端面
鏡とは別の端面鏡は、その位置が第二のマイケルソン干
渉計における上記一方の端面鏡とは別の端面鏡の位置を
基準として移動可能に形成されたことを特徴とする。

【００４２】共振器長がほぼ同じレーザ共振器を測定対
象とする場合には、第一および第二のマイケルソン干渉
計の各々の二つの光路の相対的光路長差を測定対象のレ
ーザ共振器の共振器長の非零の整数Ｎ倍の近傍にあらか
じめ設定しておくことができる。

【００４３】入射手段は測定対象のレーザ共振器から出
射された光束の平行度を高める光学手段を含むことがよ
い。

【００４４】演算手段は、同一の測定対象に対して測定
された二つの光強度波形をそれぞれフーリエ変換して得
られる周波数領域での位相情報差から波長分散特性を求
める手段を含むこともできる。

【００４５】

【作用】被測定共振器の発生する光束について、必要に
応じてその平行度を高めた後に、それぞれの相対的光路
長差が被測定レーザ共振器の共振器長の整数倍となる付
近に設定されかつビームスプリッタと一つの端面鏡とを
共有する二つのマイケルソン干渉計に同時に入射し、こ
の一つの端面鏡には微動装置を装着して第一のマイケル
ソン干渉計（以下「測定用マイケルソン干渉計」とい
う）によって生じた干渉光の強度を光検出器によって電
圧値に変換して測定する。このとき、第二のマイケルソ
ン干渉計（以下「補正用マイケルソン干渉計」という）
によって生じた干渉光の強度が一定に保たれるように微
動装置を駆動し、測定用マイケルソン干渉計の相対的光
路長差が補正用マイケルソン干渉計の相対的光路長差に
対して一定変化をするごとに光検出器の出力電圧値を逐
一時系列的に記録し、この記憶データをフーリエ変換し
て得られる周波数領域での位相情報から、被測定レーザ
共振器の波長分散特性を測定する。これにより、被測定
レーザ共振器にパルス発振を行わせる手段によらず、ま
た被測定レーザ共振器内の波長選択素子の有無にもよら
ず、さらに被測定レーザ共振器長が光検出器や電子回路
の応答時間に依存せず、なおかつ被測定レーザ共振器の
光学長変動の影響を受けることなく、汎用的に共振器分
散特性を測定することが可能となる。

【００４６】被測定レーザ共振器からの光束をマイケル
ソン干渉計に入射し、干渉波形のフーリエ変換から被測
定レーザ共振器の波長分散を求めるという原理について
は、本発明は上述した第二の従来例方法と同一である。
しかし、被測定レーザ共振器の光学長が変動した場合に
も正確な干渉波形が採取できるように構成されている点
は、上述した第二の従来例方法と異なる。したがって、
この点についてさらに説明する。

【００４７】本願発明者は、上述した第二の従来例方法
の問題点が何に起因するのかについて検討した。その結
果、干渉波形のフーリエ変換から被測定レーザ共振器の
波長分散を求めるためには、干渉波形を被測定レーザ共
振器の光学長を基準とした光路長差に対して採取する必
要があるにもかかわらず、従来例方法では干渉波形が絶
対的な光路長差に対して採取されていることが判明し
た。すなわち、被測定レーザ共振器の光学長が変動すれ
ば、干渉波形の光路長差をそれに応じて変移しなければ
ならないが、従来例方法ではこれが行われていないので
ある。

【００４８】ここで本願発明者は、被測定レーザ共振器
の光学長を常時監視し、被測定レーザ共振器の光学長の
変動に応じて、干渉波形の採取に係る光路長差を自動的
に補正する本発明に至った。この被測定レーザ共振器の
光学長の監視のために、干渉波形の採取を行う干渉計と
は別個の干渉計を付加する。また、光路長差の自動補正
のために、二つの干渉計がビームスプリッタと一つの端
面鏡とを共有し、被測定レーザ共振器の光学長変動に追
随してこの端面鏡を微動装置により移動させる構成を用
いる。

【００４９】

【実施例】図１は本発明第一実施例の共振器分散測定装
置を示す図であり、本発明を実施するための基本的な構
成を示す。

【００５０】この実施例装置は、一つのビームスプリッ
タと二つの端面鏡とにより構成され実質的に平行な光束
を二つの光束に分岐して互いに別の光路に伝播させた後
に再び合波して干渉させる第一のマイケルソン干渉計
（測定用マイケルソン干渉計）としてキューブビームス
プリッタ１０４、微動鏡１０５および可動鏡１０６を備
え、この測定用マイケルソン干渉計の二つの光路の相対
的光路長差を順次変化させたときにその測定用マイケル
ソン干渉計から出射される干渉光の強度をその相対的光
路長差の変化に対応させて測定する測定手段として光検
出器１０７および波形記憶装置１０８を備え、測定され
た光強度波形をフーリエ変換して得られる周波数領域で
の位相情報から波長分散特性を求める演算手段として計
算機１０９を備える。

【００５１】ここで本実施例の特徴とするところは、キ
ューブビームスプリッタ１０４および微動鏡１０５を測
定用マイケルソン干渉計と共有し固定鏡１１０を備えた
第二のマイケルソン干渉計（補正用マイケルソン干渉
計）を備え、被測定レーザ共振器１０１からの光束を測
定用マイケルソン干渉計と補正用マイケルソン干渉計と
に平行に入射する入射手段としてビームスプリッタ１０
２および反射鏡１０３を備え、補正用マイケルソン干渉
計から出射される干渉光の強度が一定となるように微動
鏡１０５の位置を調整する帰還手段として光検出器１１
１、帰還回路１１２および微動装置１１３を備え、測定
用マイケルソン干渉計の可動鏡１０６は、その位置が補
正用マイケルソン干渉計における固定鏡１１０の位置を
基準として移動可能に形成されたことにある。固定鏡１
１０は、ひとつのレーザ共振器に対する測定中は固定さ
れるが、共振器長の異なるレーザ共振器を測定する場合
には移動できる。

【００５２】被測定レーザ共振器１０１の発生した平行
光束は、ビームスプリッタ１０２によって二つの光束に
分岐され、反射鏡１０３によって二つの光束の伝播方向
が互いに平行に設定される。

【００５３】この二つの光束の一方は測定用マイケルソ
ン干渉計に入射し、キューブビームスプリッタ１０４に
より二つに分岐される。ここで分岐された光束の一方は
微動鏡１０５により反射され、他方は可動鏡１０６によ
り反射されてキューブビームスプリッタ１０４に入射
し、そこで合波される。この合波光が光検出器１０７に
入射し、光強度波形が測定される。

【００５４】ビームスプリッタ１０２により分岐された
二つの光束の他方は、補正用マイケルソン干渉計に入射
し、キューブビームスプリッタ１０４により二つに分岐
される。ここで分岐された二つの光束の一方は微動鏡１
０５により反射され、他方は固定鏡１１０により反射さ
れてキューブブームスプリッタ１０４に入射し、そこで
合波される。この合波光が光検出器１１１に入射する。

【００５５】微動鏡１０５の基準位置１１４に対して測
定用および補正用マイケルソン干渉計の二つの腕の光路
長が等しくなる可動鏡１０６および固定鏡１１０の位置
を微動鏡対照位置１１５とすると、測定用マイケルソン
干渉計の相対的光路長差は、この微動鏡対照位置１１５
に対して可動鏡１０６が後退していることによる光路長
差Ｌ₁ と、微動鏡１０５の変位による光路長差変化Ｌ₃
との和である。同様に、補正用マイケルソン干渉計の相
対的光路長差は、固定鏡１１０が微動鏡対照位置１１５
から後退していることによる光路長差Ｌ₂ と、微動鏡１
０５の変位による光路長差変化Ｌ₃ との和である。これ
らの相対的光路長差が被測定レーザ共振器１０１の光学
長Ｔの整数Ｎ倍の近傍のとき、相対的光路長差または被
測定レーザ共振器１０１の光学長が基準光学長Ｔが変化
すると、二つの光検出器１０７、１１１のそれぞれの出
力信号に、光の干渉現象に起因する振動が現れる。

【００５６】ここで、補正用マイケルソン干渉計は、被
測定レーザ共振器１０１の光学長Ｔ＋ΔＴを監視するた
めに設置されている。この補正用マイケルソン干渉計に
付随する光検出器１１１の出力信号は、帰還回路１１２
によって、微動鏡１０５を保持する微動装置１１３に帰
還される。これにより、被測定レーザ共振器１０１の光
学長変動ΔＴに対して、微動鏡１０５により光路長変化
Ｌ₃ ＝ＮΔＴが生じ、補正用マイケルソン干渉計の相対
的光路長差が常に被測定レーザ共振器１０１の光学長Ｔ
＋ΔＴのＮ倍に追随して変化する。同時に、測定用マイ
ケルソン干渉計の相対的光路長差についても、被測定レ
ーザ共振器１０１の光学長のＮ倍に応じて変位する。こ
の状態で、測定用マイケルソン干渉計の可動鏡１０６を
移動させることにより光路長差Ｌ₁ を変化させ、光検出
器１０７の出力信号を波形記憶装置１０８に逐一記憶す
る。

【００５７】この後、波形記憶装置１０８に記憶された
信号波形を計算機１０９によりフーリエ解析する。この
解析の結果として得られた光の角周波数ごとの位相、す
なわちフーリエ成分の位相が、被測定レーザ共振器１０
１の整数Ｎ周回分の位相特性Ｎφ（ω）を与える。こう
して得られた位相変化φ（ω）から、第６式によって共
振器群遅延時間τ_d が求まる。

【００５８】以上の演算は、測定用マイケルソン干渉計
の両腕の間の位相不平衡が無視できるとき、すなわち上
述した第４式および第５式が成り立つことを前提として
いる。この位相不平衡が無視できない場合、干渉信号Ｓ
_N （τ）のフーリエ変換を表す上述の第４式は、 Ｆ〔Ｓ_N(τ）〕＝ｔ^N(ω）ｔ_bias(ω）Ｕ(ω） …（８） と変更される。第４式と同様に、Ｆはフーリエ変換、Ｓ
_N （τ）は干渉信号、ｔ（ω）は共振器伝達関数、Ｕ
（ω）は光スペクトルであり、ここでは位相不平衡を表
す複素数値関数ｔ_bias（ω）が付加されている。したが
って第８式の複素数としての位相には、ｔ_bias（ω）の
位相、すなわち測定用マイケルソン干渉計の両腕の間の
位相不平衡が混入し、ｔ（ω）の位相、すなわち被測定
レーザ共振器１０１内を一周する際に光電場が受ける位
相の変化φ（ω）を分離して取り出すことができない。

【００５９】この問題は、整数Ｎによる測定に加え、こ
の整数Ｎとは異なる整数Ｍに対して同様の干渉信号測定
を行い、この二つの整数Ｍ、Ｎについての測定光強度波
形をそれぞれフーリエ変換して得られた周波数領域での
位相情報の差異から波長分散を求めること、具体的には
フーリエ変換の比をとることにより解決される。この場
合、Ｍは零であってもよい。整数Ｎに対する干渉信号Ｓ
_N （τ）のフーリエ変換と、整数Ｍに対する干渉信号Ｓ
_M （τ）のフーリエ変換との比は、次のように表され
る。

【００６０】

【数３】 ここで、第８式に現れていた位相不平衡ｔ_bias（ω）
は、光スペクトルＵ（ω）とともに完全に消去されてい
る。第９式に示した比の位相が、被測定レーザ共振器１
０１の整数Ｎ−Ｍ周回分の位相特性〔Ｎ−Ｍ〕φ（ω）
を与える。この位相変化φ（ω）から、第６式によっ
て、共振器群遅延時間τ_d が求まる。

【００６１】一方、第９式の比の大きさは、被測定レー
ザ共振器１０１の整数Ｎ−Ｍ周回分の電場強度の変化、
すなわち電場利得のＮ−Ｍ乗、ｇ^(N-M) （ω) を与え
る。この電場利得ｇ（ω）から、パワー利得Ｇ（ω）
が、 Ｇ（ω）＝ｇ² （ω） によって求まる。このように、二つの整数Ｎ、Ｍに対し
てそれぞれ干渉信号を測定すれば、測定用マイケルソン
干渉計の両腕の間の位相不平衡の影響を相殺できるのみ
ならず、被測定レーザ共振器１０１の利得をも付随的に
求めることができる。この処理の流れを図２に示す。

【００６２】図３は微動鏡１０５の動作を示す図であ
る。図１に示した実施例においては、補正用マイケルソ
ン干渉計によって監視される被測定レーザ共振器１０１
の光学長の変化に応じて、干渉波形を測定するための測
定用マイケルソン干渉計の相対的光路長差を自動的に補
正する構成が本質的に重要である。これは、この二つの
マイケルソン干渉計に共有されている微動鏡１０５によ
り実現される。この動作について説明する。図３におい
て、左のグラフは、被測定レーザ共振器１０１の光学長
変動ΔＴに対する補正用マイケルソン干渉計に付随する
光検出器１１１の出力信号の変化を表す。右のグラフ
は、測定用マイケルソン干渉計に付随する光検出器１０
７の出力信号を表す。右のグラフにおいて、横軸は、測
定用マイケルソン干渉計の可動鏡１０６側の光路長差Ｌ
₁ を光速度で除して得られる遅延時間τを表す。左右の
グラフにおいて、上段は帰還回路１１２を停止させた場
合、すなわち微動鏡１０５が基準位置１１４に固定され
ている場合の出力信号を表す。同じく下段は、帰還回路
１１２が動作し、微動鏡１０５の変位が生じる場合の出
力信号を表す。

【００６３】帰還回路１１２が停止している場合には、
被測定レーザ共振器１０１の光学長変動ΔＴが起きる
と、光検出器１１１の出力信号が図３左上のグラフに示
される正弦波状の変化を呈する。同時に、遅延時間τの
関数としての光検出器１０７の出力信号、すなわち干渉
信号は、右上のグラフに示されるように平行移動する。
ここで、右上のグラフ中、実線が光学長変動ΔＴ＝０の
場合の干渉信号を表し、破線が正の光学長変動ΔＴが起
きた場合の干渉信号を表す。このように、干渉信号は光
学長変動ΔＴに伴って右側に移動する。

【００６４】被測定レーザ共振器１０１の光学長変動Δ
Ｔは、予測不能なランダム現象である。共振器分散測定
装置の動作中、干渉信号は遅延時間を変えながら時系列
的に採取される。この採取中に、光学長変動ΔＴによっ
てそれぞれの瞬間に干渉信号がランダムに平行移動する
と、採取された干渉信号は、遅延時間に対してある箇所
では圧縮され、他の箇所では伸長される。その結果、歪
んだ干渉信号しか得られず、これをフーリエ変換しても
被測定レーザ共振器１０１の波長分散を求めることはで
きない。これが、まさに本発明の解決しようとする課題
であった。

【００６５】本実施例では、帰還回路１１２において、
光検出器１１１の出力信号電圧が左上のグラフ中に黒丸
を付した値、すなわち基準電圧値に固定されるように、
微動装置１１３を駆動して微動鏡１０５を変位させる。
具体的には、帰還回路１１２は、設定された基準電圧値
と光検出器１１１の出力信号電圧との差をとり、その差
を積分回路と増幅器を通して微動装置１１３に供給す
る。このとき、光検出器１１１の出力信号電圧が基準電
圧値よりも小さい場合には、微動鏡１０５が前進する方
向に微動装置１１３を駆動する。

【００６６】この基準電圧値は、光検出器１１１の正弦
波状の出力信号の平均値近傍に設定することが望まし
い。これは、その付近で被測定レーザ共振器１０１の光
学長変動ΔＴに伴う光検出器１１１の出力信号の変化が
最も大きく、換言すれば、帰還回路１１２の帰還感度が
最大になるからである。基準電圧値を光検出器１１１の
出力信号の極大または極小付近に設定すると、帰還感度
が零に近くなり、所望の帰還動作は達成できない。

【００６７】この帰還回路１１２が動作している場合に
は、被測定レーザ共振器１０１の光学長変動ΔＴが起き
ても、光検出器１１１の出力信号は、図３左下のグラフ
に示されるように、基準電圧値に固定される。この場
合、遅延時間τの関数としての干渉信号には、図３右下
のグラフに示されるように、被測定レーザ共振器１０１
の光学長変動ΔＴに伴う平行移動が現れることはない。
これは、微動鏡１０５の変位によって、測定用マイケル
ソン干渉計の相対的光路長差が、被測定レーザ共振器Δ
Ｔにみあう分だけ自動的に移動されるからである。

【００６８】被測定レーザ共振器１０１の光学長変動Δ
Ｔに伴う干渉信号の平行移動が生じない結果、干渉信号
の時系列的な採取中に、ランダムに光学長変動ΔＴが起
こっても干渉信号は平行移動することがない。その結
果、歪みのない干渉信号が得られ、これをフーリエ変換
して被測定レーザ共振器１０１の波長分散を求めること
ができるのである。

【００６９】すでに第７式で説明したように、干渉信号
のフーリエ変換によって波長分散を求めるためには、最
低でも数十ｎｍの精度で測定用マイケルソン干渉計の相
対的光路長差を校正することが必要である。この相対的
光路長差は、可動鏡１０６による光路長差Ｌ₁ と、微動
鏡１０５の変位による光路長差変化Ｌ₃ との和であっ
た。被測定レーザ共振器１０１の光学長変動ΔＴに対し
て光路長差変化Ｌ₃ を高精度に追随させる方法について
これまで説明してきた。続いて、光路長差Ｌ₁ の校正方
法について説明する。この校正のためには、図１に示し
た構成において、補正用マイケルソン干渉計の固定鏡１
１０の位置を基準とし、そこからの測定用マイケルソン
干渉計の可動鏡１０６の変位を高精度に測定することが
必要である。

【００７０】高精度の可動鏡変位測定を実現するために
は、以下の方法が考えられる。

【００７１】第一の方法は、すでに広く用いられている
２周波Ｈｅ−Ｎｅ安定化レーザを利用する方法である。
この方法ではすでに５〜１０ｎｍの位置分解能が達成さ
れているので、この技術を利用すれば、本発明の必要と
する精度の可動鏡変位測定を実現できる。ただ、この測
長方法に必要な２周波Ｈｅ−Ｎｅ安定化レーザは、通常
のＨｅ−Ｎｅレーザに比べて極めて高価なので、むしろ
次に説明する第二の方法が経済的に有利である。

【００７２】第二の方法は、長さの基準光源として、直
線偏光の単色レーザ光源、例えば通常のＨｅ−Ｎｅレー
ザを用いる方法である。固定鏡１１０と可動鏡１０６と
のそれぞれを端面鏡とする第三の干渉計を構成し、これ
に直線偏光の単色レーザ光を入射する。この干渉計の一
方の腕でこの直線偏光を円偏光に変換し、生じた干渉光
を偏光を分離して測定する。これによって、互いに９０
度の位相差を有する二つの干渉信号が得られる。この二
つの干渉信号を用いれば、基準光源の波長の５０分の１
以上の測長分解能が容易に達成される。

【００７３】この他に、単一の干渉信号を位相ロックル
ープ（ＰＬＬ）により信号処理しても高い分解能を得る
ことができる。ただし、この方法では、干渉計の掃引速
度について、それ以外の方法に比べて高い均一性が要求
される。

【００７４】固定鏡１１０に対する可動鏡１０６の変位
を測定する方法としては、これらの三つの方法以外の方
法を用いることもできる。例えば、それぞれの鏡に取り
付けた透過型回折格子の間のモアレ縞の変化を観測する
方法を使用しても本発明を同様に実施できる。

【００７５】図４は本発明第二実施例の共振器分散測定
装置を示す図であり、本発明を実施するための具体的な
構成を示す。

【００７６】この実施例では、被測定レーザ共振器１０
１とビームスプリッタ１０２との間に、被測定レーザ共
振器１０１からの光束の平行度を高めるために、単一モ
ード光ファイバ４０２と、その両端に設けられた結合レ
ンズ４０１、４０３とを備える。微動装置１１３として
は、圧電素子（ＰＺＴ）を用いる。帰還回路１１２は、
補正用マイケルソン干渉計を出射した光を受光する光検
出器１１１の出力信号が、設定された基準電圧値に等し
くなるように圧電素子を駆動する。

【００７７】本実施例で０．８〜１．０μｍ波長帯のチ
タンサファイアレーザ共振器の波長分散を測定する場合
には、測定用マイケルソン干渉計の出射光を受光する光
検出器１０７および補正用の光検出器１１１として、ゲ
ルマニウム光検出器を用いることがよい。また、このよ
うなチタンサファイアレーザを発振しきい値以下に励起
すると、共振器から発生する螢光（増幅された自然放出
光）の波長はおおむね０．８〜１．０μｍに位置するの
で、この短波長端、８００ｎｍに対して上述の第７式を
満足して折り返し現象を防ぐためには、４００ｎｍ未満
の光路長差の刻みで、光検出器１０７の出力信号すなわ
ち干渉信号の測定を行えばよい。

【００７８】この光路長差刻みを高精度に達成するため
の測長方法として、この例では上述した第二の方法を採
用している。可動鏡変位測定のための第三のマイケルソ
ン干渉計が、ビームスプリッタ４１２、可動鏡１０６お
よび固定鏡１１０により構成される。この第三のマイケ
ルソン干渉計に、単色レーザ光源４１１から直線偏光を
入射する。この単色レーザ光源４１１としては、波長６
３２．８ｎｍで発振するＨｅ−Ｎｅレーザを用いる。こ
の単色レーザ光源４１１からのレーザ光は、紙面に４５
度方向に直線偏光している。第三のマイケルソン干渉計
の一方の腕、この例では可動鏡１０６側の腕には、単色
レーザ光源４１１からの光の進路を可動鏡１０６に直入
射する方向に曲げる反射鏡４１３と、８分の１波長板４
１４とが設けられる。単色レーザ光源４１１からの光
は、この腕において、８分の１波長板４１４を通過し、
可動鏡１０６により反射されて再び逆方向に８分の１波
長板４１４を通過する。この往復分の通過の結果、４分
の１波長板を通過したと等価な効果が生じ、直線偏光が
円偏光に変換される。

【００７９】第三のマイケルソン干渉計から出射する波
長６３２．８ｎｍの干渉光は、反射鏡４１５を経て偏光
ビームスプリッタ４１６に入射し、紙面に垂直な偏光成
分と紙面に平行な成分とに分離され、個別の光検出器４
１７、４１８により、各成分の光強度が電圧値に変換さ
れる。この互いに９０度の位相差をもつ二つの干渉電圧
信号は、トリガ発生器４１９に入力される。トリガ発生
器４１９では、この二つの電圧信号から、光路長差Ｌ₁
が６３２．８ｎｍの半分、すなわち３１６．４ｎｍ変化
するごとに、トリガ信号として一つの電圧パルスを発生
する。このトリガ信号により、波形記憶装置１０８は、
その電圧パルスが発生した時点の光検出器１０７の出力
電圧値を順次記憶する。波形記憶装置１０８に記憶され
た電圧信号時系列、すなわち干渉信号は、計算機１０９
により読み出され、フーリエ変換が施される。

【００８０】図５および図６に測定結果の一例を示す。
図５は光検出器１０７の出力に得られた干渉波形を示
し、図６はその干渉波形に上述した第９式の演算を施し
て求めた波長分散特性および利得特性を示す。

【００８１】図５において、信号Ｓ₀ （τ）は、光路長
差Ｌ₁ が零の近傍、すなわち可動鏡１０６および固定鏡
１１０の位置が微動鏡対照位置１１５に一致する近傍で
採取された干渉信号である。また、信号Ｓ₁ （τ）は、
光路長差Ｌ₁ が被測定レーザ共振器の共振器長に一致す
る近傍で採取された干渉信号である。ここで、両者を対
照比較して、干渉信号Ｓ₁ （τ）が干渉信号Ｓ₀ （τ）
に比較して著しく拡がっているのは、まさに被測定レー
ザ共振器の波長分散特性の影響に他ならない。なお、こ
れらの信号に現れている振動周期は、７５０号データを
間引いて表示したことによる見かけ上のもので、真の光
振動を表すものではない。

【００８２】光路長差Ｌ₁ が零の近傍のときの干渉信号
Ｓ₀ （τ）は、被測定レーザ共振器１０１の共振器長に
依存せず、可動鏡１０６および固定鏡１１０を常に同じ
位置に配置して得られる。これに対し、干渉信号Ｓ
₁ （τ）は、光路長差Ｌ₁ が被測定レーザ共振器１０１
の共振器長に一致する近傍に表れるので、被測定レーザ
共振器１０１に応じて、可動鏡１０６および固定鏡１１
０を配置する適当な位置を見い出す必要がある。

【００８３】半導体レーザのように短共振器の場合に
は、干渉信号Ｓ₀ （τ）の現れる位置として微動鏡対照
位置１１５に一致する可動鏡１０６および固定鏡１１０
の位置を見い出し、続いて可動鏡１０６および固定鏡１
１０をその位置から後退させていって干渉信号Ｓ
₁ （τ）の現れる位置を見い出す方法が有効である。こ
れらの鏡を後退させる替わりに、微動鏡１０５を前進さ
せていっても同じ効果が得られる。固定鏡１１０の位置
を見い出す操作中は、帰還回路１１２の動作を停止させ
ることが望ましい。これは、帰還回路１１２が動作して
いると、固定鏡１１０または微動鏡１０５の移動に伴っ
て干渉信号が観測されにくいからである。

【００８４】数ｃｍを越える長共振器長の場合には、こ
れらの鏡の移動機構の移動範囲の制限があるため、この
方法は現実的ではない。そこで、例えば以下の方法を用
いる。すなわち、共振器内の光学部品の厚みおよび屈折
率データ、さらにそれらの間の間隔から、あらかじめ被
測定レーザ共振器１０１の共振器長を算定しておき、可
動鏡１０６および固定鏡１１０を算定された共振器長だ
け微動鏡対照位置１１５から後退させて仮設定してお
く。次に、その位置の周りで可動鏡１０６の位置を前後
させながら測定用の光検出器１０７の出力電圧値を観測
し、干渉信号Ｓ₁（τ）の現れる位置を見い出す。同様
に、仮設定位置の周りで固定鏡１１０の位置を前後させ
ながら、補正用の光検出器１１１の出力電圧値を観測
し、干渉信号Ｓ₁ （τ）の現れる位置を見い出す。ここ
で、可動鏡１０６および固定鏡１１０の仮設定後に微動
鏡１０５を前後させても同じ効果が得られる。上の場合
と同様に、固定鏡１１０の位置を見い出す操作中は、帰
還回路１１２を停止することが望ましい。本測定例のチ
タンサファイアレーザの場合には、この方法によって干
渉信号Ｓ₁ （τ）の現れる位置を容易に見い出すことが
できた。すなわち、共振器内の鏡の間隔とチタンサファ
イアロッドの長さおよび屈折率データとから算定された
共振器長１１８．４ｃｍに対応する位置に、可動鏡１０
６および固定鏡１１０を仮設定し、この仮設定された位
置の周り２ｍｍ以内に干渉信号Ｓ₁ （τ）の現れる位置
が見い出された。

【００８５】被測定レーザ共振器１０１をしきい値以上
に励起してパルス発振が実現する場合には、そのパルス
列のパルス繰り返し周期から、上述した第１式によって
共振器長を算定できる。この算定値にしたがって、可動
鏡１０６および固定鏡１１０の位置を仮設定し、その後
は上述と同様にして干渉信号Ｓ₁ （τ）の現れる位置を
見い出す。

【００８６】図４に示した実施例の全体的な動作につい
てさらに詳しく説明する。

【００８７】まず、干渉信号Ｓ₁ （τ）の現れる固定鏡
１１０の位置を見い出した後、帰還回路１１２の基準電
圧値を光検出器１１１の出力電圧値の平均値付近に設定
し、帰還動作、すなわち微動鏡１０５に装着された微動
装置（圧電素子）１１３の駆動を開始する。

【００８８】次いで、可動鏡１０６を干渉信号Ｓ
₁ （τ）の観測される位置からその信号が十分に消失す
る位置まで前進させる。ここで、波形記憶装置１０８の
記憶を消去して、データ書き込み位置を波形記憶装置１
０８の先頭番地にリセットする。次に可動鏡１０６を緩
慢に後退させると、光路長差Ｌ₁ が３１６．４ｎｍ変化
するごとに波形記憶装置１０８にトリガ電圧信号が供給
され、光検出器１０７の出力電圧信号値が波形記憶装置
１０８に記憶されていく。

【００８９】ここで、「緩慢に」とは、トリガ発生器４
１９から発生されるトリガ信号の繰り返しに対し、波形
記憶装置１０８のアナログ・ディジタル変換および書き
込み動作が追従できる程度の掃引速度で、という意味で
ある。例えば、波形記憶装置１０８のアナログ・ディジ
タル変換および書き込み速度が２０ｋＨｚの場合は、最
大可能な干渉計光路長差変化速度が２００００〔／秒〕
×３１６．４〔ｎｍ〕＝６．３２８〔ｍｍ／秒〕とな
り、可動鏡１０６の最大可能移動速度は、この半分の
３．１６４ｍｍ／秒である。ここで半分とするのは、可
動鏡１０６の表面で光が折り返すため、可動鏡１０６の
移動量の二倍が光路長変化になるからである。

【００９０】また、測定に必要な遅延時間差変化範囲
は、発生する螢光（増幅された自然放出光）の波長範囲
における被測定レーザ共振器１０１の群遅延時間の変化
量の二倍程度である。例えば図６に例示したチタンサフ
ァイアレーザ共振器では、０．８〜１０μｍの螢光波長
範囲内で、群遅延時間の全変化量は高々１．０ピコ秒程
度であり、したがって必要な遅延時間差変化範囲は２ピ
コ秒程度となる。このことは、図５において干渉信号Ｓ
₁ （τ）の観測される遅延時間範囲が２ピコ秒を越えな
いことからも確認される。

【００９１】実際の測定では、余裕をみて４．４ピコ秒
の遅延時間差変化範囲にわたり掃引を行った。この遅延
時間差変化範囲を光路長変化範囲に換算すると０．６６
ｍｍであり、この範囲を可動鏡１０６の最大可能移動速
度をもって掃引すると、信号測定に要する時間はわずか
０．１秒程度となる。余裕をもって掃引を遅めにしても
１秒以内には信号測定が完了する。なお、この掃引のた
めの移動機構としては、公知のものを利用できる。本例
では、安価な直流モータにより駆動される、鋼球ガイド
付直進ステージを用いた。また、このときに採取したデ
ータ点数は４０１６点であり、このデータのフーリエ変
換の計算は、計算機１０９として汎用の３２ビットパー
ソナルコンピュータを用いて、２〜３秒で実行できた。

【００９２】本測定例では、干渉信号Ｓ₁ （τ）に加え
て、干渉信号Ｓ₀ （τ）の測定を行った。この干渉信号
Ｓ₀ （τ）の測定手順は、可動鏡１０６および固定鏡１
１０を微動鏡対照位置１１５近傍に設置することを除い
て、上述した干渉信号Ｓ₁ （τ）の測定手順と同一であ
る。信号測定の所要時間、およびデータのフーリエ変換
の計算時間も同等である。

【００９３】第９式にしたがって、干渉信号Ｓ₁ （τ）
のフーリエ変換と干渉信号Ｓ₀ （τ）のフーリエ変換と
の比を計算し、被測定レーザ共振器の共振器伝達関数ｔ
（ω）を求めた、この共振器伝達関数の位相φ（ω）か
ら、第６式によって群遅延時間を計算した。また、共振
器伝達関数の大きさから、相対パワー利得を計算した。
この比の計算と、共振器伝達関数の位相および大きさの
計算、表示とは、上述した計算機を用いて１秒以内に完
了した。

【００９４】こうして得られた波長分散特性および利得
特性の例を図６に示す。以上の測定において、信号測定
および計算の所要時間は、全体でも１０秒程度におさま
る。これに、可動鏡１０６および固定鏡１１０を移動し
て干渉波形の現れる位置を見い出す操作に要する時間と
して２分を加えても、測定の総所要時間は３分を越えな
い。こうして、迅速な共振器波長分散測定が実現され
た。

【００９５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の共振器分
散測定方法は、被測定レーザ共振器にパルス発振を行わ
せる手段の種類によらず、また被測定レーザ共振器内の
波長選択素子の有無にもよらず、さらには測定可能な被
測定レーザ共振器の長さが光検出器や電子回路の応答時
間により制限されることがなく、なおかつ被測定レーザ
共振器の光学長変動の影響を受けることなく、汎用的に
共振器分散特性を測定できる。本発明は、超短光パルス
レーザの開発時の試験だけでなく、製造後の試験および
調整や、試験現場での試験および調整にも利用でき、工
業的にも大きな効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明第一実施例の共振器分散測定装置の構成
を示す図。

【図２】光路長差を変えた干渉信号の測定結果に対する
処理の流れを示す図。

【図３】微動鏡の動作を示す図。

【図４】本発明第二実施例の共振器分散測定装置の構成
を示す図。

【図５】チタンサファイアレーザ共振器について共振器
分散を測定した結果を示す図であり、干渉波形の測定結
果を示す図。

【図６】図５に示した干渉波形に演算を施して求められ
たは波長分散特性および利得特性を示す図。

【図７】第一の従来例を示す図。

【図８】第二の従来例を示す図。

【符号の説明】

１０１ 被測定レーザ共振器 １０２ ビームスプリッタ １０３ 反射鏡 １０４ キューブビームスプリッタ １０５ 微動鏡 １０６ 可動鏡 １０７、１１１ 光検出器 １０８ 波形記憶装置 １０９ 計算機 １１０ 固定鏡 １１２ 帰還回路 １１３ 微動装置 １１４ 基準位置 １１５ 微動鏡対照位置 ４０１、４０３ 結合レンズ ４０２ 単一モード光ファイバ ４１１ 単色レーザ光源 ４１２ ビームスプリッタ ４１３、４１５ 反射鏡 ４１４ ８分の１波長板 ４１６ 偏光ビームスプリッタ ４１７、４１８ 光検出器 ４１９ トリガ発生器 ７０１ 被測定レーザ共振器 ７０２ レーザ媒質 ７０３ 波長選択素子 ７０４ 端面全反射鏡 ７０５ 出力結合鏡 ７０６ 連続励起装置 ７０７ 出力パルス列 ７０８ 光検出器 ７０９ 周波数計数器 ８０１ 被測定レーザ共振器 ８０２ キューブビームスプリッタ ８０３ 固定鏡 ８０４ 可動鏡 ８０５ 光検出器 ８０６ 波形記憶装置 ８０７ 計算機 ８１０ 固定鏡対照位置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01M 11/00 - 11/08 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象のレーザ共振器からの出射光を
   第一および第二の光束に分岐し、 この第一および第二の光束をそれぞれ第一および第二の
   光路に伝播させ、 この第一および第二の光路をそれぞれ伝播した二つの光
   を合波して干渉させることにより第一の干渉光を生成
   し、 上記第二の光路の光路長を上記第一の光路との相対的光
   路長差が上記レーザ共振器の共振器長の非零の整数Ｎ倍
   となる近傍で変化させながら上記第一の干渉光を測定
   し、 測定された光強度波形をフーリエ変換して得られた周波
   数領域での位相情報から上記レーザ共振器の波長分散を
   求める共振器分散測定方法において、 上記レーザ共振器からの出射光をさらに第三および第四
   の光束に分岐し、 この第三の光束を光路長が可変の第三の光路に伝播さ
   せ、 上記第四の光束を光路長が固定の第四の光路に伝播さ
   せ、 上記第三の光路を伝播した光と上記第四の光路を伝播し
   た光とを合波して干渉させることにより第二の干渉光を
   生成し、 この第二の干渉光の強度が一定に保たれるように上記第
   三の光路の光路長を制御し、 この第三の光路の光路長に対応して上記第一の光路の光
   路長を調整することを特徴とする共振器分散測定方法。
2. 【請求項２】 上記第三の光路と上記第四の光路との相
   対的光路長差を上記レーザ共振器の上記整数Ｎ倍となる
   近傍で変化させる請求項１記載の共振器分散測定方法。
3. 【請求項３】 上記整数Ｎとは異なる整数Ｍに対して、
   上記第二の光路の光路長を上記第一の光路との相対的光
   路長差が上記レーザ共振器の共振器長のＭ倍となる近傍
   で変化させながら上記第一の干渉光を測定し、 この二つの整数Ｍ、Ｎについての測定光強度波形をそれ
   ぞれフーリエ変換して得られた周波数領域での位相情報
   の差異から波長分散を求める請求項１または２記載の共
   振器分散測定方法。
4. 【請求項４】 一つのビームスプリッタと二つの端面鏡
   とにより構成され実質的に平行な光束を二つの光束に分
   岐して互いに別の光路に伝播させた後に再び合波して干
   渉させる第一のマイケルソン干渉計と、 この第一のマイケルソン干渉計の二つの光路の相対的光
   路長差を順次変化させたときにその第一のマイケルソン
   干渉計から出射される干渉光の強度をその相対的光路長
   差の変化に対応させて測定する測定手段と、 測定された光強度波形をフーリエ変換して得られる周波
   数領域での位相情報から波長分散特性を求める演算手段
   とを備えた共振器分散測定装置において、 ビームスプリッタおよび一方の端面鏡を上記第一のマイ
   ケルソン干渉計と共有する第二のマイケルソン干渉計
   と、 測定対象のレーザ共振器からの光束を上記第一のマイケ
   ルソン干渉計と上記第二のマイケルソン干渉計とに平行
   に入射する入射手段と、 上記第二のマイケルソン干渉計から出射される干渉光の
   強度が一定となるように上記一方の端面鏡の位置を調整
   する帰還手段とを備え、 上記第一のマイケルソン干渉計における上記一方の端面
   鏡とは別の端面鏡は、その位置が上記第二のマイケルソ
   ン干渉計における上記一方の端面鏡とは別の端面鏡の位
   置を基準として移動可能に形成されたことを特徴とする
   共振器分散測定装置。
5. 【請求項５】 上記第一および第二のマイケルソン干渉
   計の各々の二つの光路の相対的光路長差が、測定対象の
   レーザ共振器の共振器長の非零の整数Ｎ倍の近傍に設定
   された請求項４記載の共振器分散測定装置。
6. 【請求項６】 入射手段は測定対象のレーザ共振器から
   出射された光束の平行度を高める光学手段を含む請求項
   ４または５記載の共振器分散測定装置。
7. 【請求項７】 上記演算手段は、同一の測定対象に対し
   て測定された二つの光強度波形をそれぞれフーリエ変換
   して得られる周波数領域での位相情報差から波長分散特
   性を求める手段を含む請求項４ないし６のいずれか記載
   の共振器分散測定装置。