JP3322385B2 - ２周波レーザ光源の波長測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ干渉測長等
に代表される精密測定に使用される２周波安定化レーザ
光源の波長測定装置に関し、特に２周波安定化レーザ光
源の中心波長と波長安定度について、２周波の評価を並
行して行うことの出来る波長評価装置に関する。

【０００２】

【背景技術】長さ測定の分野において高精度な測定を行
う方法として、光の波長を基準にする測定方法が用いら
れている。例えば、高精度を必要とするブロックゲージ
等の精密基準器の絶対測定や比較測定には光波干渉測定
が用いられる。このような用途を考慮して、安定化され
た２周波を発生することの出来る２周波安定化レーザ光
源が既に開発されている。

【０００３】安定化レーザ光源の使用にあたっては、そ
の中心波長と波長の安定度が前もって高精度で分かって
いる必要があるので、このための波長測定が必要とされ
る。この測定において、波長は単独では簡単には測定で
きないため、既に波長の分かっているレーザ光源の基準
光を基準にしてこれと比較することにより、測定を行う
のが一般的である。実用上十分に中心波長と波長安定度
を評価するには被測定レーザ光源に電源投入して、１０
秒乃至２０秒の測定間隔で連続１２時間乃至４８時間、
あるいは必要に応じてそれ以上の長時間の測定を必要と
する。前記の２周波レーザ光源の場合には、それぞれの
波長の中心波長と波長安定度の評価だけではなく、これ
に加えて２波相互の周波数の差の変化を同時に測定して
評価する必要もある。一般に、２波の評価は、図６に示
すような１系統光学系か、又は図７に示す２系統光学系
により測定した結果から評価を行う。

【０００４】図６の１系統光学系では、被測定レーザ光
源１は偏光角度０°（水平方向）の第１波と９０°（垂
直方向）の第２波を含む直交直線偏光の２周波を発生す
る。被測定レーザ光源１から出射された被測定光中に偏
光板２０とλ／２波長板２１を挿入する。まず最初に、
被測定レーザ光源１から出射された被測定光から、偏光
角度が０°の第１波のみを取り出すために、偏光板２０
の光学軸を０°に調整する。この時、λ／２波長板２１
の光学軸を９０°に調整しておくことにより、第１波の
偏光角度に変更を与えずに、ビームスプリッタ５へ第１
波を導くことが出来る。一方、基準レーザ光源７は偏光
角度０°の１波のみを発生する。この基準光は反射鏡８
で向きを変えられ、ビームスプリッタ５において、被測
定光の第１波と合成される。両者はいずれも偏光角度が
０°で同一であるから、ビームスプリッタ５で干渉し、
うなりを生じる。

【０００５】これを光検出器６にて受光し、この受光出
力をカウンタ９にて計数してうなり周波数を測定し、こ
の結果と既知の基準レーザ光源の波長から被測定光の波
長を求める。この測定は例えば、前記の１２時間乃至４
８時間行う。次に、被測定レーザ光源１の第２波の測定
を行うために、偏光板２０の光学軸を９０°に調整して
第２波のみを取り出し、λ／２波長板２１の光学軸を４
５°に調整して第２波の偏光角度を０°（水平方向）に
変換する。この第２波も前記と同様にビームスプリッタ
５において干渉し、うなりを生じるので第１波と同様の
測定を行う。この第２波の測定も前記と同様に１２時間
乃至４８時間行う。このようにして求めた被測定レーザ
光源１の第１波と第２波のそれぞれの波長について、平
均値である中心波長と、測定期間に於ける波長の変動幅
から波長安定度の評価を行う。

【０００６】図７の２系統光学系では、直交直線偏光の
２周波を発生する被測定レーザ光源１から出射された被
測定光を偏光ビームスプリッタ２２で２方向に分離す
る。偏光ビームスプリッタ２２では、偏光角度０°の第
１波は透過し、偏光角度９０°の第２波は反射する。ビ
ームスプリッタ２５へ向かう第２波の光路中には光学軸
を４５°に設定したλ／２波長板２３を設置する。この
λ／２波長板２３の作用によって、通過する第２波の偏
光角度は０°に変換される。一方、偏光角度０°の１波
のみを発生する基準レーザ光源７から出射して反射鏡８
で向きを変えられた基準光もビームスプリッタ２４で２
方向に分離する。ビームスプリッタ５では、ビームスプ
リッタ２４を透過した基準光の偏光角度と偏光ビームス
プリッタ２２を透過した被測定光の第１波の偏光角度と
が一致するので干渉して、うなりを生じる。これを光検
出器６にて受光する。

【０００７】一方、λ／２波長板２３を通過した被測定
光の第２波の偏光角度は０°であり、ビームスプリッタ
２４で反射した基準光の偏光角度も０°であるので、両
者はビームスプリッタ２５において干渉し、うなりを生
じるので、これを同様に光検出器２６にて受光する。そ
れぞれの受光出力は、カウンタ９とカウンタ２７にて各
々計数して個別にうなり周波数を測定し、この結果と既
知の基準レーザ光源の波長から被測定光の第１波と第２
波の波長を求める。このようにして求めた被測定光の第
１波と第２波のそれぞれの波長について、平均値である
中心波長と、測定期間に於ける波長の変動幅から波長安
定度及び、２波相互の周波数（又は波長）の差の変化の
評価を行う。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】これらの光学系を使用
した従来の波長測定装置では次のような問題点がある。
すなわち、図６の１系統光学系を使用する測定装置で
は、２波の評価を行うためには１波の２倍以上の測定時
間を必要とするが、実用的な安定度を確認するには１波
あたり１２時間以上の測定時間を必要とすることが多
く、２波では２４時間以上の長時間測定が必要になると
いう欠点がある。その上、２波の同時測定が不可能で且
つ、第１波の測定時刻と、第２波の測定時刻には大きな
隔たりがあり、被測定レーザ光源１の温度状態等が変化
していることから、２波相互の波長の差の変化を評価す
ることは出来ない。

【０００９】図７の２系統光学系を使用する場合には、
装置全体が大がかりになること、光学系の光軸調整が大
幅に複雑、且つ面倒になるという欠点がある。本発明は
このような問題点を解決するためになされたもので、２
波の測定を行っても長時間の測定時間を必要とせず、２
波相互の周波数の差の変化も測定出来、且つ、光学系も
大がかりにならない２周波レーザ光源用の波長測定装置
を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】基準レーザ光源から出射
される基準光と被測定レーザ光源から出射される被測定
光とで干渉を生じさせ、そのうなり周波数を検出する光
学系において、光学系内に設けられた偏光角変換手段が
偏光角を変化させる光学素子の位置若しくは姿勢を一定
時間毎に切り替える機構を備えることにより、前記被測
定レーザ光源から出射される互いに偏光角の異なる複数
の被測定光のそれぞれが前記基準光と交互に干渉して、
前記互いに偏光角の異なる複数の被測定光毎のうなり周
波数を略同時刻に検出するように構成されることを特徴
とする。

【００１１】又、前記偏光角変換手段は偏光板を回転さ
せる機構を有することを特徴とする。

【００１２】更に、前記偏光角変換手段はλ／２波長板
を周期的に光学経路中に出し入れする機構を有すること
を特徴とする。

【００１３】又、基準レーザ光源から出射される基準光
と被測定レーザ光源から出射される被測定光とで干渉を
生じさせ、そのうなり周波数を検出する光学系におい
て、光学系内に設けられた偏光角変換手段が電場又は磁
場によりその偏光角が一定時間毎に切り替えられる光学
素子を備えることにより、前記被測定レーザ光源から出
射される互いに偏光角の異なる複数の被測定光のそれぞ
れが前記基準光と交互に干渉して、前記互いに偏光角の
異なる複数の被測定光毎のうなり周波数を略同時刻に検
出するように構成されることを特徴とする。

【００１４】被測定レーザ光源が直交直線偏光の２周波
を発生する場合、被測定レーザ光源から出射される被測
定光の光路中に設置した偏光角度変換手段を操作して被
測定光の第１波の偏光角度を基準レーザ光源から出射さ
れる基準光の偏光角度と一致させると共に第１波のみを
取り出す。この被測定光の第１波と基準光を干渉させて
うなりを生成させ、このうなりを測定器で測定する。

【００１５】次に偏光角度変換手段を操作して、被測定
光の第２波の偏光角度を基準光の偏光角度と一致させる
と共に、第２波のみを取り出す。この第２波と基準レー
ザ光源のビームを干渉させてうなりを生成させ、このう
なりを前記と同様に測定器で測定する。基準レーザ光源
の波長は既知であるから、それぞれのうなりの測定結果
から第１波と第２波の波長を求めることが出来る。ここ
で、第１波と第２波の測定を連続して行えば、略同時刻
の測定と見なすことが出来る。

【００１６】波長評価の一例としては被測定レーザ光源
の電源を投入し、２０秒毎の測定を１２時間連続して行
う。この場合には、前記第１波と第２波の測定時間の合
計が２０秒以下となるようにすれば、１２時間に渡る２
波それぞれの中心波長と安定度、及び２波相互間の周波
数の差の変化も同時に測定して評価を行うことが出来
る。

【００１７】本発明において、偏光角度を変換する手段
は被測定レーザ光源のレーザビーム光路中に設置して、
被測定レーザ光源の偏光角度を変換する方法の他、基準
レーザ光源のレーザビーム光路中に設置して、基準レー
ザ光源の偏光角度を変換する方法がある。又、偏光角度
を変換する手段は電場又は磁場により結晶内を通過する
光を変調する素子を使用することも出来る。更に、基準
レーザ光源は１周波のみでなく２周波であってもよい。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明を用いた好適な実施
の形態について図面を用いて説明する。なお、全図中に
おいて同一符号を付したものは同一構成要素を表わして
いる。図１は本実施例の光学系を示している。基準レー
ザ光源７は偏光角度０°の１波のみを出射する。被測定
レーザ光源１は偏光角度０°の第１波と偏光角度９０°
の第２波を含む直交直線偏光の２周波を出射する。被測
定レーザ光源１から出射された被測定光は、光路軸を回
転中心として連続的に回転する偏光板２を通過する。こ
の時、偏光板２が回転しているため、その回転角の９０
°毎に偏光角度０°の第１波と９０°の第２波が交互に
通過する。

【００１９】この交互に通過した両波を円偏光に変換す
るために、光学軸を４５°に設置したλ／４波長板３を
通過させる。次に、円偏光に変換された第１波又は第２
波を、基準光の偏光角度と同一の角度に光学軸を設定し
た偏光板４を通過させて、基準光と同一の偏光角度を持
つ直線偏光に変換し、ビームスプリッタ５で基準光と干
渉させてうなりを生成させる。このうなりを光検出器６
で受光し、出力をカウンタ９で計数する。この時、偏光
板４を通過する被測定光は、偏光板２の回転角に依存
し、偏光板の光学軸角度が０°付近と１８０°付近の場
合は、第１波が通過し、偏光板の光学軸角度が９０°付
近と２７０°付近の場合は、第２波が通過するので、カ
ウンタ９は両方のうなり周波数を交互に計数することに
なる。

【００２０】基準光と被測定光との干渉により生じるう
なりの強度は両光の偏光角度が一致している時が最も強
く、この角度差が大きくなるに従ってうなりの強度は低
下する。図８は二波の偏光角度差とうなりの相対強度の
関係を示す。うなりの強度と前記のカウンタ９の計数可
能範囲は、光検出器６とカウンタ９の感度、両光の光強
度及びその比率に影響を受ける。従って、一概に計数可
能範囲を決定出来ないが、一例として、両光の偏光角度
差が略±３０°の範囲で計数可能である。このような場
合には、前記偏光板２の光学軸角度が０°、９０°、１
８０°、２７０°に対して、それぞれ略±３０°の範囲
でカウンタ９を計数可能としておけば良い。

【００２１】図９はこのカウンタの計数期間を示した図
である。例えば、偏光板２の回転速度を１回転あたり４
０秒に設定した場合は、図８に示される一回の計数期間
の長さは約６．７秒となり、１０秒毎に第１波と第２波
の測定が交互に行われる。この測定間隔を短くしたい場
合は、偏光板２の回転速度を早くすればよい。それによ
って一回の計数期間の長さが短くなり雑音の悪影響が生
じる場合は、それぞれの計数値を平均化する等の統計的
手法を用いることも出来る。又、偏光板２を連続的に回
転させる方法の他、偏光板２の光学軸角度が０°、９０
°、１８０°、２７０°となる角度に順次間歇的に位置
決めし、それぞれの位置で前記と同様にカウンタ９で両
方のうなり周波数を交互に計数することも可能である。
この場合、前記のように計数可能範囲が±３０°程度で
あるから、位置決めに精度を要しない。

【００２２】以上、本発明について好適な実施例を挙げ
て説明したが、本発明は、この実施例に限られるもので
はなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での変更が可能
である。上記図１の実施例では、偏光板２を回転させて
２波の選択を行う例を説明したが、図２のように光学軸
を４５°に設定したλ／２波長板１０を被測定光中に出
し入れ出来る手段を設けて、これにより２波の選択を行
うことでも本発明を実施可能である。偏光板４の光学軸
は、基準光の偏光角度と同一角度である０°に設定され
ている。この実施例では、λ／２波長板１０が光路外に
ある時は、被測定光は直接に偏光板４に入射し、被測定
光の第１波のみが通過して干渉し、うなりが生じる。

【００２３】又、λ／２波長板１０が光路中にある場合
は、そこを通過した被測定光の偏光角度が９０°だけ回
転させられる。その結果、０°の偏光角度を持つ被測定
光の第１波の偏光角度は９０°となり、９０°の偏光角
度を持つ第２波の偏光角度は１８０°となる。１８０°
の偏光角度は水平方向であるから、事実上は０°と同一
である。従って、１８０°の偏光角度の光は０°の光と
同様に偏光板４を通過できるので、基準光と干渉してう
なりを発生する。従って、λ／２波長板１０を被測定光
中に出し入れすることにより、図１の実施例と同様に、
第１波と第２波の測定を交互に行うことが出来る。

【００２４】図３は第三の実施例を示す。偏光板１１と
λ／２波長板１２がいずれも光路軸を回転中心として往
復回転可能に設置されており、この相互の角度関係は、
偏光板１１の光学軸が０°の時にλ／２波長板１２の光
学軸は９０°に、又、偏光板１１の光学軸が９０°の時
にλ／２波長板１２の光学軸は４５°となるように操作
される。被測定レーザ光源１が偏光角度０°の第１波と
偏光角度９０°の第２波を含む直交直線偏光の２周波を
出射して、この被測定光が偏光板１１を通過するとき
に、偏光板１１の光学軸角度が０°の時には、第１波の
みが透過する。

【００２５】ついで、この時のλ／２波長板１２の光学
軸は９０°であるから、第１波は偏光角度が０°のまま
λ／２波長板１２を通過して、ビームスプリッタ５にお
いて、基準光と干渉してうなりを生じる。次に、被測定
光が偏光板１１を通過するときに、偏光板１１の光学軸
角度が９０°の時には、第２波のみが通過する。つい
で、この時のλ／２波長板１２の光学軸が４５°である
から、第２波はλ／２波長板１２を通過することにより
偏光角度が９０°から０°に変換され、ビームスプリッ
タ５において、基準光と干渉してうなりを生じる。これ
らの繰り返しにより、図１の実施例と同様に、第１波と
第２波の測定を交互に行うことが出来る。

【００２６】図４は第四の実施例を示す。偏光板２は被
測定光中に設置され、光路軸を回転中心として回転可能
に構成されている。一方、λ／２波長板１３は光学軸が
４５°の角度で設置され、基準光中に出し入れ出来る手
段を備える。両者の角度位置関係は、偏光板２の光学軸
角度が０°と１８０°の時にλ／２波長板１３は、基準
光の光路外に位置する。又、偏光板２の光学軸角度が９
０°と２７０°の時にλ／２波長板１３は、基準光の光
路中に位置する。被測定レーザ光源１が偏光角度０°の
第１波と偏光角度９０°の第２波を含む直交直線偏光の
２周波を出射して、この被測定光が偏光板２に入射する
ときに、偏光板２の光学軸角度が０°又は１８０°の時
には、第１波のみが通過する。

【００２７】この時にλ／２波長板１３は基準光の光路
外に位置するから、ビームスプリッタ５において、基準
光と前記第１波が干渉してうなりを生じる。次に、ビー
ムが偏光板２に入射するときに、偏光板２の光学軸角度
が９０°又は２７０°の時には、第２波のみが通過し、
この時にλ／２波長板１３は基準光の光路中に位置する
から、基準光は偏光角度が０°から９０°に変換され
る。この基準光と前記第２波はいずれも偏光角度が９０
°であるから、ビームスプリッタ５において干渉してう
なりを生じる。その結果、図１の実施例と同様に、第１
波と第２波の測定を交互に行うことが出来る。

【００２８】図５は第五の実施例を示す。被測定レーザ
光源１は偏光角度０°の第１波と偏光角度９０°の第２
波を含む直交直線偏光の２周波を出射する。偏光ビーム
スプリッタ１４を透過した第１波は、出し入れ可能な遮
光板１８を通過してビームスプリッタ１５に至る。一方
偏光ビームスプリッタ１４で反射した第２波は反射鏡１
６で向きを変えられ、光学軸が４５°に設定されたλ／
２波長板１７を通過して偏光角度が０°に変換される。
その後、出し入れ可能な遮光板１８を通過して反射鏡１
９で向きを変えられ、ビームスプリッタ１５に到達す
る。

【００２９】ここで、遮光板１８は、前記の偏光角度０
°の第１波又は偏光角度が０°に変換された第２波のい
ずれかを遮光する構成となっているので、ビームスプリ
ッタ１５を経由したビームは第１波または第２波のいず
れかのみとなるが、そのいずれもがビームスプリッタ５
において基準光と干渉してうなりを生じる。遮光板１８
を連続的に操作して、第１波と第２波を交互に遮光する
ことにより、図１の実施例と同様に、第１波と第２波の
測定を交互に行うことが出来る。

【００３０】これらの実施例に於ける偏光板や波長板の
代わりに、液晶、電気光学素子、ファラデー回転素子等
の電場、磁場により結晶内を通過する光を変調する素子
を使用して偏光角度を変化させることができる。例え
ば、電気光学素子は入射した光を異常光線と常光線に分
離し、その分離された光線は素子内でそれぞれ、電場に
よって変化する屈折率により位相変化の影響を受ける。
両光線の位相変化量は異なっているために、この素子か
ら出射するときに再び両光線が合成されると、入射光に
比べて、例えば偏光角度が異なった光が出力される。こ
の屈折率の変化度合いを電場によって制御することによ
り、同一素子をλ／４波長板、λ／２波長板、単なる透
過板のいずれとしても使用可能な可変波長板とすること
ができる。

【００３１】実施の一例としては前記図２の被測定光中
に出し入れ出来るλ／２波長板１０を設ける代わりに電
気光学素子を設置し、電場制御によりλ／２波長板と単
なる透過板との切り替え制御を行えば、被測定光路中に
出し入れするための機構を省略することが出来る。ネマ
ティック液晶も同様に使用することが出来る。ファラデ
ー回転素子では前記電場の代わりに磁場を使用して同様
の効果を得ることができる。

【００３２】

【発明の効果】以上の通り、本発明によるレーザ光源の
波長評価方法によれば、２系統光学系を使用する必要が
ないので、装置全体が大がかりになることや、光学系の
光軸調整が大幅に複雑、且つ面倒になるという欠点を回
避でき、１系統光学系の使用にもかかわらず従来の１波
分の測定時間で２波の測定評価が行え、さらに２波相互
の波長の差の変化を測定評価することもできるという効
果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る一実施例である。

【図２】本発明に係る第２の実施例である。

【図３】本発明に係る第３の実施例である。

【図４】本発明に係る第４の実施例である。

【図５】本発明に係る第５の実施例である。

【図６】従来の１系統光学系による波長評価装置を示す
概略図である。

【図７】従来の２系統光学系による波長評価装置を示す
概略図である。

【図８】二波の偏光角度差とうなりの相対強度の関係を
示す図である。

【図９】カウンタの計数期間を示す図である。

【符号の説明】

1 被測定レーザ光源 2 偏光板 3 λ／４波長板 4 偏光板 5 ビームスプリッタ 6 光検出器 7 基準レーザ光源 9 カウンタ 10 λ／２波長板 1 ４ 偏光ビームスプリッタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01J 9/00 - 9/04 G01J 1/02 G01J 1/42 G01B 9/02 G01B 11/00 H01S 3/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基準レーザ光源から出射される基準光と
   被測定レーザ光源から出射される被測定光とで干渉を生
   じさせ、そのうなり周波数を検出する光学系において、 光学系内に設けられた偏光角変換手段が偏光角を変化さ
   せる光学素子の位置若しくは姿勢を一定時間毎に切り替
   える機構を備えることにより、前記被測定レーザ光源か
   ら出射される互いに偏光角の異なる複数の被測定光のそ
   れぞれが前記基準光と交互に干渉して、前記互いに偏光
   角の異なる複数の被測定光毎のうなり周波数を略同時刻
   に検出するように構成されることを特徴とするレーザ光
   源の波長測定装置。
2. 【請求項２】請求項１において、前記偏光角変換手段は
   偏光板を回転させる機構を有することを特徴とするレー
   ザ光源の波長測定装置。
3. 【請求項３】請求項１において、前記偏光角変換手段は
   λ／２波長板を周期的に光学経路中に出し入れする機構
   を有することを特徴とするレーザ光源の波長測定装置。
4. 【請求項４】 基準レーザ光源から出射される基準光と
   被測定レーザ光源から出射される被測定光とで干渉を生
   じさせ、そのうなり周波数を検出する光学系において、 光学系内に設けられた偏光角変換手段が電場又は磁場に
   よりその偏光角が一定時間毎に切り替えられる光学素子
   を備えることにより、前記被測定レーザ光源から出射さ
   れる互いに偏光角の異なる複数の被測定光のそれぞれが
   前記基準光と交互に干渉して、前記互いに偏光角の異な
   る複数の被測定光毎のうなり周波数を略同時刻に検出す
   るように構成されることを特徴とするレーザ光源の波長
   測定装置。