JP3570581B2 - レーザ光源装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、周波数間隔一定の側帯波をもつレーザ光を発生する光周波数コム発生器を用いて構成した発振周波数が広範囲に亘って可変設定可能なレーザ光源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、２つのレーザ光をヘテロダイン検波させてその差周波数を測定あるいは制御する場合、その帯域は受光素子の帯域で制限され、おおむね数十ＧＨｚ程度であるので、光周波数コム発生器を用いて広帯域なヘテロダイン検波系を構築するようにしている。光周波数コム発生器は、入射したレーザ光の側帯波を等周波数間隔毎に数百本発生させるもので、発生される側帯波の周波数安定度はもとのレーザ光のそれとほぼ同等である。そこで、この側帯波と他のレーザ光をヘテレロダイン検波させれば、数ＴＨｚに亘る広帯域なヘテロダイン検波系を構築することができる。
【０００３】
例えば図８に示すように、周波数を安定化させたマスタレーザ光を出射するマスタレーザ光源２１と、上記マスタレーザ光源２１からのマスタレーザ光が入射される光周波数コム発生器２２と、スレーブレーザ光を出射する発振周波数が可変可能なスレーブレーザ光源２３と、上記スレーブレーザ光源２３からのスレーブレーザ光を外部に取り出す光カプラ２４と、上記光周波数コム発生器２２による上記マスタレーザの各側帯波と上記スレーブレーザ光源２３からのスレーブレーザ光を合波する光カプラ２５と、合波により発生されたヘテロダイン検波信号を検出する光検出器６と、この光検出器２６により検出されたヘテロダイン検波信号に基づいて上記スレーブレーザ光源２３の発振周波数を帰還制御するヘテロダイン信号制御回路２７とによって、発振周波数が広範囲に亘って可変設定可能なレーザ光源装置が構成される。
【０００４】
このレーザ光源装置では、図９に示すように、マスタレーザ光の周波数をνＭ 、上記光周波数コム発生器２３が出力する側帯波の次数をｎ、上記側帯波の間隔をｆｍ 、上記側帯波とスレーブレーザ光間の差周波数をνｈ とすると、上記スレーブレーザ光の発振周波数νＳ は、
νＳ ＝νＭ ＋ｎ×ｆｍ ＋νｈ
となる。従って、スレーブレーザ光の周波数νＳ は、原理的に、上記次数ｎと差周波数νｈ を任意に選択することにより、側帯波の発生範囲内で自由に設定することできる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の如き構成の従来のレーザ光源装置では、次のような問題点がある。
【０００６】
先ず、上記光検出器２６により検出されるヘテロダイン検波信号は、側帯波とスレーブレーザ光の周波数が接近し過ぎると図１０に示すように１／ｆノイズとレーザの発振線幅の影響を受ける。このため、上記差周波数νｈ は、約１０ＭＨｚ以下とするすることができない。また、図１１に示すようにスレーブレーザ光の周波数νＳ を２本の側帯波νｎ ，νｎ＋１ の中間付近に設定すると、図１２に示すように低周波側の側帯波νｎ と高周波側の側帯波νｎ＋１ からの２つのヘテロダイン検波信号が上記光検出器２６により検出されてしまい、これらのヘテロダイン周波数｜νＳ −νｎ ｜，｜νＳ −νｎ＋１ ｜が接近しているのでを分離することができず、上記スレーブレーザ光源２３の発振周波数すなわちスレーブレーザ光の周波数νＳ を上記テロダイン信号制御回路２７により正常に帰還制御することができない。すなわち、スレーブレーザ光の周波数νＳ は、原理的には任意に設定可能なのであるが、実際には上述の如き１／ｆノイズとレーザの発振線幅の影響などによって、設定できない周波数があった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、１／ｆノイズなどの影響などを回避して、発振周波数を広範囲に可変設定可能としたレーザ光源装置を提供することにある。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、他の側帯波からのヘテロダイン信号の影響を回避して、発振周波数を広範囲に可変設定可能としたレーザ光源装置を提供することにある。
【０００９】
さらに、本発明の目的は、スレーブレーザ光源が発振可能な全範囲に亘ってスレーブレーザ光の発振周波数を可変設定することができる光シンセサイザとして機能するレーザ光源装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るレーザ光源装置は、発振周波数が安定化されたマスタレーザ光源と、このマスタレーザ光源から入射されるマスタレーザ光に対して所定周波数間隔毎に側帯波を発生する光周波数コム発生器と、発振周波数が可変可能なスレーブレーザ光源と、上記スレーブレーザ光源から出射されたスレーブレーザ光と上記光周波数コム発生器により発生された側帯波とのヘデロダイン成分を検出するヘテロダイン検波手段と、上記ヘテロダイン検波手段により検出されたヘデロダイン検波信号に基づいて上記スレーブレーザ光源の発振周波数を帰還制御する周波数オフセットロック手段と、上記スレーブレーザ光源から出射されるスレーブレーザ光の周波数が上記光周波数コム発生器により発生された側帯波の周波数に近傍になったときに、上記マスタレーザ光源の発振周波数をシフトさせるマスタレーザ制御手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係るレーザ光源装置は、発振周波数が安定化されたマスタレーザ光源と、このマスタレーザ光源から入射されるマスタレーザ光に対して所定周波数間隔毎に側帯波を発生する光周波数コム発生器と、発振周波数が可変可能なスレーブレーザ光源と、上記スレーブレーザ光源から出射されたスレーブレーザ光と上記光周波数コム発生器により発生された側帯波とのヘデロダイン成分を検出するヘテロダイン検波手段と、上記ヘテロダイン検波手段により検出されたヘデロダイン検波信号に基づいて上記スレーブレーザ光源の発振周波数を帰還制御する周波数オフセットロック手段と、上記スレーブレーザ光源から出射されるスレーブレーザ光の周波数が上記光周波数コム発生器により発生された隣接する側帯波の中間付近の周波数に近傍になったときに、上記光周波数コム発生器により発生される側帯波の間隔を切り換える光周波数コム制御手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
さらに、本発明に係るレーザ光源装置は、発振周波数が安定化されたマスタレーザ光源と、このマスタレーザ光源から入射されるマスタレーザ光に対して所定周波数間隔毎に側帯波を発生する光周波数コム発生器と、発振周波数が可変可能なスレーブレーザ光源と、上記スレーブレーザ光源から出射されたスレーブレーザ光と上記光周波数コム発生器により発生された側帯波とのヘデロダイン成分を検出するヘテロダイン検波手段と、上記ヘテロダイン検波手段により検出されたヘデロダイン検波信号に基づいて上記スレーブレーザ光源の発振周波数を帰還制御する周波数オフセットロック手段と、上記スレーブレーザ光源から出射されるスレーブレーザ光の周波数が上記光周波数コム発生器により発生された側帯波の周波数に近傍になったときに、上記マスタレーザ光源の発振周波数をシフトさせるマスタレーザ制御手段と、上記スレーブレーザ光源から出射されるスレーブレーザ光の周波数が上記光周波数コム発生器により発生された隣接する側帯波の中間付近の周波数に近傍になったときに、上記光周波数コム発生器により発生される側帯波の間隔を切り換える光周波数コム制御手段とを備えることを特徴とする。
【００１３】
【発明に実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
本発明に係るレーザ光源装置は、例えば図１に示すように構成される。
【００１５】
この図１に示したレーザ光源装置は、マスタレーザ光を出射するマスタレーザ光源１と、上記マスタレーザ光源１からのマスタレーザ光が入射される光周波数コム発生器３と、スレーブレーザ光を出射する発振周波数が可変可能なスレーブレーザ光源３と、上記スレーブレーザ光源３からのスレーブレーザ光を外部に取り出す光カプラ４と、上記光周波数コム発生器２による上記マスタレーザの各側帯波と上記スレーブレーザ光源２からのスレーブレーザ光を合波する光カプラ５をと、合波により発生されたヘテロダイン検波信号を検出する光検出器６と、この光検出器６により検出されたヘテロダイン検波信号に基づいて上記スレーブレーザ光源３の発振周波数を帰還制御する周波数オフセットロッキング回路（ＦＯＬＣ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｏｆｆｓｅｔ Ｌｏｃｋｉｎｇ Ｃｉｒｃｕｉｔ） ７と、これらを制御するコンピュータ８などから構成されている。
【００１６】
上記マスタレーザ光源１は、気体原子や分子の吸収線によって発振周波数が安定化された第１のレーザ光源１１と、この第１のレーザ光源１１が出射している第１のレーザ光との差周波数を周波数オフセットロッキング回路（ＦＯＬＣ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｏｆｆｓｅｔ Ｌｏｃｋｉｎｇ Ｃｉｒｃｕｉｔ） １７により安定化させた第２のレーザ光源１２とを備える。すなわち、上記第１のレーザ光源１１の発振周波数は、該第１のレーザ光源１１からの第１のレーザ光が光吸収セル１３を介して光検出器１４により検出され、この光検出器１２による検出出力で帰還制御されている。これにより、上記第１のレーザ光源１１は、その発振周波数が気体原子や分子の吸収線によって安定化されている。また、上記第２のレーザ光源１２の発振周波数は、該第２のレーザ光源１２が出射している第２のレーザ光と上記第１のレーザ光源１１が出射している第１のレーザ光とのヘテロダイン信号が光検出器１６により検出され、この光検出器１６による検出出力に基づいてＦＯＬＣ１７により帰還制御される殊によって、上記第１のレーザ光源１１が出射している第１のレーザ光との差周波数が安定化されている。
【００１７】
上記ＦＯＬＣ１７には、上記コンピュータ８により発振周波数が切換設定される発振器１８から周波数オフセットロッキング用の基準周波数信号が供給されている。そして、上記ＦＯＬＣ１７は、この基準周波数信号と上記光検出器１６による検出出力とを位相比較して、その比較出力で上記第２のレーザ光源１２の駆動電流源を制御することにより、上記第１のレーザ光との差周波数が基準周波数信号の周波数と等しくなるように上記第２のレーザ光源１２の発振周波数を制御する。
【００１８】
このような構成のマスタレーザ光源１では、上記ＦＯＬＣ１７に供給する周波数オフセットロッキング用の基準周波数信号の周波数すなわち上記発振器１８の発振周波数が上記コンピュータ８により切換設定されることによって、上記第２のレーザ光源１２の発振周波数が切換設定される。
【００１９】
そして、このマスタレーザ光源１は、上記第２のレーザ光源１２が出射する第２のレーザ光をマスタレーザ光として、上記光周波数コム発生器２に入射する。
【００２０】
上記光周波数コム発生器２には、上記コンピュータ８により発振周波数が切換設定される発振器９から側帯波発生用の変調信号が供給されている。
【００２１】
この光周波数コム発生器２は、上記マスタレーザ光源１から入射されたマスタレーザ光からの差周波数が、上記発振器９から入力された側帯波発生用の変調信号の周波数ｆμの整数倍となる側帯波を発生する。
【００２２】
上記光周波数コム発生器２により発生される各側帯波の中心周波数は、上記側帯波発生用の変調信号の周波数ｆμすなわち上記発振器９の発振周波数が上記コンピュータ８により切換設定されることによって、シフトされる。
【００２３】
そして、上記光検出器６では、上記光周波数コム発生器２により発生された各側帯波と上記スレーブレーザ光源３から出射されたスレーブレーザ光とのヘテロダイン検波信号を検出し、そのヘテロダイン検波信号を上記ＦＯＬＣ７に供給する。
【００２４】
このＦＯＬＣ７には、上記コンピュータ８により発振周波数が切換設定される発振器１０から周波数オフセットロッキング用の基準周波数信号が供給されている。そして、上記ＦＯＬＣ７は、この基準周波数信号と上記光検出器６による検出出力とを位相比較して、その比較出力で上記スレーブレーザ光源３の駆動電流源を制御することにより、上記側帯波との差周波数が基準周波数信号の周波数と等しくなるように上記スレーブレーザ光源３の発振周波数を制御する。
【００２５】
このような構成のレーザ光源装置では、マスタレーザ光の周波数をνＭ 、上記光周波数コム発生器２が出力する側帯波の次数をｎ、上記側帯波の間隔をｆｍ 、上記側帯波とスレーブレーザ光間の差周波数をνｈ とすると、上記スレーブレーザ光の周波数νＳ は、
νＳ ＝νＭ ＋ｎ×ｆｍ ＋νｈ
となり、上記次数ｎと差周波数νｈ を任意に選択することにより、側帯波の発生範囲内で自由に設定することできる。上記側帯波とスレーブレーザ光間の差周波数νｈ は、上記ＦＯＬＣ７に供給される基準周波数信号の周波数すなわち上記発振器１０の発振周波数によって決定される。
【００２６】
ここで、上記光周波数コム発生器２には、位相変調器及び光共振器にＴｉ−ＬｉＮｂＯ３ 導波路を用いた導波路型光周波数コム発生器を採用した。この光周波数コム発生器２に採用した導波路型光周波数コム発生器の基本性能は、共振器長＝３８ｍｍ、フリースペクトルレンジ（ＦＳＲ）＝１．８７ＧＨｚ、フィネス＝３０、変調指数＝２πである。上記光周波数コム発生器２により発生させ光周波数コムの包絡線を分解能が０．１ｎｍ（＝１３ＧＨｚ）の光スペクトラムアナライザで観測した結果を図２に示す。光周波数コムの発生条件は、入射レーザ光量＝１０ｍＷ、変調周波数ｆμ＝１３．０９０ＧＨｚ（＝７ＦＳＲ）であった。この図２により明らかなように、５．１ＴＨｚの範囲に−８０ｄＢｍ以上のパワーを持つ側帯波を発生することができる。
【００２７】
また、上記マスタレーザ光とスレーブレーザ光の間の差周波数｜νＳ −νＭ ｜を０．６５４５７ＴＨｚに設定したときのスペクトルを図３に示す。図３の（ａ）は光スペクトルアナライザで測定した結果を示し、（ｂ）は側帯波とのマスタレーザ光の関係を略図で示したものである。さらに、１３．０８９ＧＨｚ間隔で発生している側帯波の５０番目とヘテロダイン検波を行った場合のヘテロダイン信号を図４に示す。ここでは、基準信号周波数を調整とすることにより、ヘテロダイン周波数を約１２０ＭＨｚに設定しており、上記マスタレーザ光とスレーブレーザ光の間の差周波数｜νＳ −νＭ ｜ は、１３．０８９×５０＋０．１２＝６５４．５７ＧＨｚに制御されている。
【００２８】
また、上記５０番目の側帯波とスレーブレーザ光の間のヘテロダイン信号の制御時とフリーランニング時における周波数揺らぎのアラン分散の平方根を図５に示す。この図５において、●は制御時におけるアラン分散の平方根を示し、また＋はフリーランニング時におけるアラン分散の平方根を示している。この図５から明らかなように、フリーフリーランニング時にはσＳ ＝１０−９であった差周波数変動が、周波数オフセットロック制御によってσＳ ＝３×１０−１２τ−１まで安定化されている。マスタレーザ光の周波数揺らぎσＭ 、変調周波数揺らぎをσμ、ｎ番目の側帯波とスレーブレーザ光の間の差周波数揺らぎをσＳ とすれば、スレーブレーザの周波数揺らぎσｓｌａｖｅ は、
σｓｌａｖｅ ２ ＝σＭ ２＋ｎ× σμ２＋σＳ ２
と表される。気体原子、分子の吸収線を周波数基準に用いたマスタレーザの周波数揺らぎσＭ は、σＭ＝１０−１０（τ＝１秒）程度であり、σＭ》σＳといえる。また、レーザ光の周波数変動に対して変調周波数の変動は無視できる。従って、上記スレーブレーザ光の周波数揺らぎσｓｌａｖｅ は、
σｓｌａｖｅ＝σＭ ＝１０−１０
とみることができる。
【００２９】
そして、このレーザ光源装置では、側帯波とスレーブレーザ光の発振周波数νＳ が接近した場合に、１／ｆノイズの影響を回避するために、上記コンピュータ８により発振器１８の発振周波数を切換制御してマスタレーザ光の発振周波数νＭ をシフトさせる。これにより、上記光周波数コム発生器２で発生する側帯波全体の周波数をシフトさせて、１／ｆノイズの影響を回避して、安定に周波数オフセットロックを行うことができる。すなわち、図６に示すＡ領域及びＣ領域のスレーブレーザ光の周波数νＳ を設定する場合には、側帯波をシフトさせずに周波数オフセットロックを行い、図６に示すＢ領域にスレーブレーザ光の周波数νＳ を設定する場合には、側帯波を−２×ｆ１／ｆ だけ周波数シフトさせて周波数オフセットロックを行う。これにより、スレーブレーザ光の周波数νＳ をどの領域に設定させた場合にも、ヘテロダイン周波数すなわち上記差周波数νｈ を常にｆ１／ｆ 以上ととすることができる。すなわち、上記差周波数νｈ を１０ＭＨｚよりも高い周波数に設定して、１／ｆノイズの影響を回避して、安定に周波数オフセットロックを行うことができる。
【００３０】
また、スレーブレーザ光の周波数νＳ が２本の側帯波の中間付近に近づいた場合には、他の側帯波からのヘテロダイン信号の影響を回避するために、側帯波の間隔を変える。すなわち、側帯波の間隔ｆｍ は、光周波数コム発生器の光共振器のフリースペクトルレンジ（ＦＳＲ）の整数倍で設定可能であるから、図７のＡ領域、Ｃ領域、Ｄ領域及びＦ領域にスレーブレーザ光の周波数νＳ を設定する場合には、変調周波数ｆμ＝２×ＦＳＲとし、側帯波の中間付近であるＢ領域及びＦ領域にスレーブレーザ光の周波数νＳ を設定する場合には、変調周波数ｆμ＝４×ＦＳＲに切り換える。これにより、最も低いヘテロダイン周波数をｆ１ 、２番目に低いヘテロダイン周波数をｆ２ とすると、常にｆ１ ＜２ｆ２ となり、フィルタによりｆ１ の信号のみを取り出して周波数オフセットロックを行うことができる。
【００３１】
従って、上述の如き構成のレーザ光源装置は、上記スレーブレーザ光源３が発振可能な全範囲に亘ってスレーブレーザ光の周波数νＳ を可変設定することができ、光シンセサイザとして機能する。
【００３２】
【発明の効果】
本発明に係るレーザ光源装置では、スレーブレーザ光源から出射されるスレーブレーザ光の周波数が光周波数コム発生器により発生された側帯波の周波数に近傍になったときに、マスタレーザ光源の発振周波数をシフトさせることによって、１／ｆノイズの影響を回避して、スレーブレーザ光源の発振周波数を安定に周波数オフセットロックを行うことができ、スレーブレーザ光の周波数を広範囲に可変設定することができる。
【００３３】
また、本発明に係るレーザ光源装置では、スレーブレーザ光源から出射されるスレーブレーザ光の周波数が光周波数コム発生器により発生された隣接する側帯波の中間付近の周波数に近傍になったときに、上記光周波数コム発生器により発生される側帯波の間隔を切り換えることによって、他の側帯波からのヘテロダイン信号の影響を回避して、スレーブレーザ光源の発振周波数を安定に周波数オフセットロックを行うことができ、スレーブレーザ光の周波数を広範囲に可変設定することができる。
【００３４】
さらに、本発明に係るレーザ光源装置では、スレーブレーザ光源から出射されるスレーブレーザ光の周波数が光周波数コム発生器により発生された側帯波の周波数に近傍になったときに、マスタレーザ光源の発振周波数をシフトさせるマスタレーザ制御手段と、上記スレーブレーザ光源から出射されるスレーブレーザ光の周波数が上記光周波数コム発生器により発生された隣接する側帯波の中間付近の周波数に近傍になったときに、上記光周波数コム発生器により発生される側帯波の間隔を切り換える光周波数コム制御手段とを備えることによって、１／ｆノイズ及び他の側帯波からのヘテロダイン信号の影響を回避して、スレーブレーザ光の周波数を広範囲に可変設定することができる。
【００３５】
従って、本発明によれば、スレーブレーザ光と側帯波間のヘテロダイン信号検出可能な全範囲に亘ってスレーブレーザ光の発振周波数を可変設定することができる光シンセサイザとして機能するレーザ光源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るレーザ光源装置の構成を示すブロックである。
【図２】上記レーザ光源装置の光周波数コム発生器に採用した導波路型光周波数コム発生器により発生した光周波数コムの包絡線の観測結果を示す図である。
【図３】上記レーザ光源装置における上記光周波数コム発生器が発生した側帯波とスレーブレーザ光の関係を示すスペクトル図である。
【図４】上記側帯波とスレーブレーザ光の間のヘテロダイン信号を示す図である。
【図５】上記側帯波とスレーブレーザ光の間の差周波数のアラン分散の平方根を示す図である。
【図６】上記スレーブレーザ光の周波数とヘテロダイン周波数の関係を示す図である。
【図７】上記スレーブレーザ光の設定周波数とヘテロダイン検波させる側帯波の関係を示す図である。
【図８】従来のレーザ光源装置の構成を示すブロックである。
【図９】従来のレーザ光源装置におけるマスタレーザ光の周波数νＭ 、側帯波の次数ｎ及びスレーブレーザ光の周波数νＳ の関係を示す図である。
【図１０】従来のレーザ光源装置において光検出器で検出されるヘテロダイン信号の周波数特性を示す図である。
【図１１】従来のレーザ光源装置においてスレーブレーザ光の周波数νＳ を側帯波間の中央付近に設定した状態を示す図である。
【図１２】従来のレーザ光源装置においてスレーブレーザ光の周波数νＳ を側帯波間の中央付近に設定した状態でのヘテロダイン信号を示す図である。
【符号の説明】
１ マスタレーザ光源
２ 光周波数コム発生器
３ スレーブレーザ光源
４，５ 光カップラ
６，１４，１６ 光検出器
７，１７ 周波数オフセットロック回路
８ コンピュータ
９，１０，１８ 発振器
１１ 第１のレーザ光源
１２ 第２のレーザ光源
１３ 光吸収セル
【発明の属する技術分野】
本発明は、周波数間隔一定の側帯波をもつレーザ光を発生する光周波数コム発生器を用いて構成した発振周波数が広範囲に亘って可変設定可能なレーザ光源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、２つのレーザ光をヘテロダイン検波させてその差周波数を測定あるいは制御する場合、その帯域は受光素子の帯域で制限され、おおむね数十ＧＨｚ程度であるので、光周波数コム発生器を用いて広帯域なヘテロダイン検波系を構築するようにしている。光周波数コム発生器は、入射したレーザ光の側帯波を等周波数間隔毎に数百本発生させるもので、発生される側帯波の周波数安定度はもとのレーザ光のそれとほぼ同等である。そこで、この側帯波と他のレーザ光をヘテレロダイン検波させれば、数ＴＨｚに亘る広帯域なヘテロダイン検波系を構築することができる。
【０００３】
例えば図８に示すように、周波数を安定化させたマスタレーザ光を出射するマスタレーザ光源２１と、上記マスタレーザ光源２１からのマスタレーザ光が入射される光周波数コム発生器２２と、スレーブレーザ光を出射する発振周波数が可変可能なスレーブレーザ光源２３と、上記スレーブレーザ光源２３からのスレーブレーザ光を外部に取り出す光カプラ２４と、上記光周波数コム発生器２２による上記マスタレーザの各側帯波と上記スレーブレーザ光源２３からのスレーブレーザ光を合波する光カプラ２５と、合波により発生されたヘテロダイン検波信号を検出する光検出器６と、この光検出器２６により検出されたヘテロダイン検波信号に基づいて上記スレーブレーザ光源２３の発振周波数を帰還制御するヘテロダイン信号制御回路２７とによって、発振周波数が広範囲に亘って可変設定可能なレーザ光源装置が構成される。
【０００４】
このレーザ光源装置では、図９に示すように、マスタレーザ光の周波数をνＭ 、上記光周波数コム発生器２３が出力する側帯波の次数をｎ、上記側帯波の間隔をｆｍ 、上記側帯波とスレーブレーザ光間の差周波数をνｈ とすると、上記スレーブレーザ光の発振周波数νＳ は、
νＳ ＝νＭ ＋ｎ×ｆｍ ＋νｈ
となる。従って、スレーブレーザ光の周波数νＳ は、原理的に、上記次数ｎと差周波数νｈ を任意に選択することにより、側帯波の発生範囲内で自由に設定することできる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の如き構成の従来のレーザ光源装置では、次のような問題点がある。
【０００６】
先ず、上記光検出器２６により検出されるヘテロダイン検波信号は、側帯波とスレーブレーザ光の周波数が接近し過ぎると図１０に示すように１／ｆノイズとレーザの発振線幅の影響を受ける。このため、上記差周波数νｈ は、約１０ＭＨｚ以下とするすることができない。また、図１１に示すようにスレーブレーザ光の周波数νＳ を２本の側帯波νｎ ，νｎ＋１ の中間付近に設定すると、図１２に示すように低周波側の側帯波νｎ と高周波側の側帯波νｎ＋１ からの２つのヘテロダイン検波信号が上記光検出器２６により検出されてしまい、これらのヘテロダイン周波数｜νＳ −νｎ ｜，｜νＳ −νｎ＋１ ｜が接近しているのでを分離することができず、上記スレーブレーザ光源２３の発振周波数すなわちスレーブレーザ光の周波数νＳ を上記テロダイン信号制御回路２７により正常に帰還制御することができない。すなわち、スレーブレーザ光の周波数νＳ は、原理的には任意に設定可能なのであるが、実際には上述の如き１／ｆノイズとレーザの発振線幅の影響などによって、設定できない周波数があった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、１／ｆノイズなどの影響などを回避して、発振周波数を広範囲に可変設定可能としたレーザ光源装置を提供することにある。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、他の側帯波からのヘテロダイン信号の影響を回避して、発振周波数を広範囲に可変設定可能としたレーザ光源装置を提供することにある。
【０００９】
さらに、本発明の目的は、スレーブレーザ光源が発振可能な全範囲に亘ってスレーブレーザ光の発振周波数を可変設定することができる光シンセサイザとして機能するレーザ光源装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るレーザ光源装置は、発振周波数が安定化されたマスタレーザ光源と、このマスタレーザ光源から入射されるマスタレーザ光に対して所定周波数間隔毎に側帯波を発生する光周波数コム発生器と、発振周波数が可変可能なスレーブレーザ光源と、上記スレーブレーザ光源から出射されたスレーブレーザ光と上記光周波数コム発生器により発生された側帯波とのヘデロダイン成分を検出するヘテロダイン検波手段と、上記ヘテロダイン検波手段により検出されたヘデロダイン検波信号に基づいて上記スレーブレーザ光源の発振周波数を帰還制御する周波数オフセットロック手段と、上記スレーブレーザ光源から出射されるスレーブレーザ光の周波数が上記光周波数コム発生器により発生された側帯波の周波数に近傍になったときに、上記マスタレーザ光源の発振周波数をシフトさせるマスタレーザ制御手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係るレーザ光源装置は、発振周波数が安定化されたマスタレーザ光源と、このマスタレーザ光源から入射されるマスタレーザ光に対して所定周波数間隔毎に側帯波を発生する光周波数コム発生器と、発振周波数が可変可能なスレーブレーザ光源と、上記スレーブレーザ光源から出射されたスレーブレーザ光と上記光周波数コム発生器により発生された側帯波とのヘデロダイン成分を検出するヘテロダイン検波手段と、上記ヘテロダイン検波手段により検出されたヘデロダイン検波信号に基づいて上記スレーブレーザ光源の発振周波数を帰還制御する周波数オフセットロック手段と、上記スレーブレーザ光源から出射されるスレーブレーザ光の周波数が上記光周波数コム発生器により発生された隣接する側帯波の中間付近の周波数に近傍になったときに、上記光周波数コム発生器により発生される側帯波の間隔を切り換える光周波数コム制御手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
さらに、本発明に係るレーザ光源装置は、発振周波数が安定化されたマスタレーザ光源と、このマスタレーザ光源から入射されるマスタレーザ光に対して所定周波数間隔毎に側帯波を発生する光周波数コム発生器と、発振周波数が可変可能なスレーブレーザ光源と、上記スレーブレーザ光源から出射されたスレーブレーザ光と上記光周波数コム発生器により発生された側帯波とのヘデロダイン成分を検出するヘテロダイン検波手段と、上記ヘテロダイン検波手段により検出されたヘデロダイン検波信号に基づいて上記スレーブレーザ光源の発振周波数を帰還制御する周波数オフセットロック手段と、上記スレーブレーザ光源から出射されるスレーブレーザ光の周波数が上記光周波数コム発生器により発生された側帯波の周波数に近傍になったときに、上記マスタレーザ光源の発振周波数をシフトさせるマスタレーザ制御手段と、上記スレーブレーザ光源から出射されるスレーブレーザ光の周波数が上記光周波数コム発生器により発生された隣接する側帯波の中間付近の周波数に近傍になったときに、上記光周波数コム発生器により発生される側帯波の間隔を切り換える光周波数コム制御手段とを備えることを特徴とする。
【００１３】
【発明に実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
本発明に係るレーザ光源装置は、例えば図１に示すように構成される。
【００１５】
この図１に示したレーザ光源装置は、マスタレーザ光を出射するマスタレーザ光源１と、上記マスタレーザ光源１からのマスタレーザ光が入射される光周波数コム発生器３と、スレーブレーザ光を出射する発振周波数が可変可能なスレーブレーザ光源３と、上記スレーブレーザ光源３からのスレーブレーザ光を外部に取り出す光カプラ４と、上記光周波数コム発生器２による上記マスタレーザの各側帯波と上記スレーブレーザ光源２からのスレーブレーザ光を合波する光カプラ５をと、合波により発生されたヘテロダイン検波信号を検出する光検出器６と、この光検出器６により検出されたヘテロダイン検波信号に基づいて上記スレーブレーザ光源３の発振周波数を帰還制御する周波数オフセットロッキング回路（ＦＯＬＣ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｏｆｆｓｅｔ Ｌｏｃｋｉｎｇ Ｃｉｒｃｕｉｔ） ７と、これらを制御するコンピュータ８などから構成されている。
【００１６】
上記マスタレーザ光源１は、気体原子や分子の吸収線によって発振周波数が安定化された第１のレーザ光源１１と、この第１のレーザ光源１１が出射している第１のレーザ光との差周波数を周波数オフセットロッキング回路（ＦＯＬＣ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｏｆｆｓｅｔ Ｌｏｃｋｉｎｇ Ｃｉｒｃｕｉｔ） １７により安定化させた第２のレーザ光源１２とを備える。すなわち、上記第１のレーザ光源１１の発振周波数は、該第１のレーザ光源１１からの第１のレーザ光が光吸収セル１３を介して光検出器１４により検出され、この光検出器１２による検出出力で帰還制御されている。これにより、上記第１のレーザ光源１１は、その発振周波数が気体原子や分子の吸収線によって安定化されている。また、上記第２のレーザ光源１２の発振周波数は、該第２のレーザ光源１２が出射している第２のレーザ光と上記第１のレーザ光源１１が出射している第１のレーザ光とのヘテロダイン信号が光検出器１６により検出され、この光検出器１６による検出出力に基づいてＦＯＬＣ１７により帰還制御される殊によって、上記第１のレーザ光源１１が出射している第１のレーザ光との差周波数が安定化されている。
【００１７】
上記ＦＯＬＣ１７には、上記コンピュータ８により発振周波数が切換設定される発振器１８から周波数オフセットロッキング用の基準周波数信号が供給されている。そして、上記ＦＯＬＣ１７は、この基準周波数信号と上記光検出器１６による検出出力とを位相比較して、その比較出力で上記第２のレーザ光源１２の駆動電流源を制御することにより、上記第１のレーザ光との差周波数が基準周波数信号の周波数と等しくなるように上記第２のレーザ光源１２の発振周波数を制御する。
【００１８】
このような構成のマスタレーザ光源１では、上記ＦＯＬＣ１７に供給する周波数オフセットロッキング用の基準周波数信号の周波数すなわち上記発振器１８の発振周波数が上記コンピュータ８により切換設定されることによって、上記第２のレーザ光源１２の発振周波数が切換設定される。
【００１９】
そして、このマスタレーザ光源１は、上記第２のレーザ光源１２が出射する第２のレーザ光をマスタレーザ光として、上記光周波数コム発生器２に入射する。
【００２０】
上記光周波数コム発生器２には、上記コンピュータ８により発振周波数が切換設定される発振器９から側帯波発生用の変調信号が供給されている。
【００２１】
この光周波数コム発生器２は、上記マスタレーザ光源１から入射されたマスタレーザ光からの差周波数が、上記発振器９から入力された側帯波発生用の変調信号の周波数ｆμの整数倍となる側帯波を発生する。
【００２２】
上記光周波数コム発生器２により発生される各側帯波の中心周波数は、上記側帯波発生用の変調信号の周波数ｆμすなわち上記発振器９の発振周波数が上記コンピュータ８により切換設定されることによって、シフトされる。
【００２３】
そして、上記光検出器６では、上記光周波数コム発生器２により発生された各側帯波と上記スレーブレーザ光源３から出射されたスレーブレーザ光とのヘテロダイン検波信号を検出し、そのヘテロダイン検波信号を上記ＦＯＬＣ７に供給する。
【００２４】
このＦＯＬＣ７には、上記コンピュータ８により発振周波数が切換設定される発振器１０から周波数オフセットロッキング用の基準周波数信号が供給されている。そして、上記ＦＯＬＣ７は、この基準周波数信号と上記光検出器６による検出出力とを位相比較して、その比較出力で上記スレーブレーザ光源３の駆動電流源を制御することにより、上記側帯波との差周波数が基準周波数信号の周波数と等しくなるように上記スレーブレーザ光源３の発振周波数を制御する。
【００２５】
このような構成のレーザ光源装置では、マスタレーザ光の周波数をνＭ 、上記光周波数コム発生器２が出力する側帯波の次数をｎ、上記側帯波の間隔をｆｍ 、上記側帯波とスレーブレーザ光間の差周波数をνｈ とすると、上記スレーブレーザ光の周波数νＳ は、
νＳ ＝νＭ ＋ｎ×ｆｍ ＋νｈ
となり、上記次数ｎと差周波数νｈ を任意に選択することにより、側帯波の発生範囲内で自由に設定することできる。上記側帯波とスレーブレーザ光間の差周波数νｈ は、上記ＦＯＬＣ７に供給される基準周波数信号の周波数すなわち上記発振器１０の発振周波数によって決定される。
【００２６】
ここで、上記光周波数コム発生器２には、位相変調器及び光共振器にＴｉ−ＬｉＮｂＯ３ 導波路を用いた導波路型光周波数コム発生器を採用した。この光周波数コム発生器２に採用した導波路型光周波数コム発生器の基本性能は、共振器長＝３８ｍｍ、フリースペクトルレンジ（ＦＳＲ）＝１．８７ＧＨｚ、フィネス＝３０、変調指数＝２πである。上記光周波数コム発生器２により発生させ光周波数コムの包絡線を分解能が０．１ｎｍ（＝１３ＧＨｚ）の光スペクトラムアナライザで観測した結果を図２に示す。光周波数コムの発生条件は、入射レーザ光量＝１０ｍＷ、変調周波数ｆμ＝１３．０９０ＧＨｚ（＝７ＦＳＲ）であった。この図２により明らかなように、５．１ＴＨｚの範囲に−８０ｄＢｍ以上のパワーを持つ側帯波を発生することができる。
【００２７】
また、上記マスタレーザ光とスレーブレーザ光の間の差周波数｜νＳ −νＭ ｜を０．６５４５７ＴＨｚに設定したときのスペクトルを図３に示す。図３の（ａ）は光スペクトルアナライザで測定した結果を示し、（ｂ）は側帯波とのマスタレーザ光の関係を略図で示したものである。さらに、１３．０８９ＧＨｚ間隔で発生している側帯波の５０番目とヘテロダイン検波を行った場合のヘテロダイン信号を図４に示す。ここでは、基準信号周波数を調整とすることにより、ヘテロダイン周波数を約１２０ＭＨｚに設定しており、上記マスタレーザ光とスレーブレーザ光の間の差周波数｜νＳ −νＭ ｜ は、１３．０８９×５０＋０．１２＝６５４．５７ＧＨｚに制御されている。
【００２８】
また、上記５０番目の側帯波とスレーブレーザ光の間のヘテロダイン信号の制御時とフリーランニング時における周波数揺らぎのアラン分散の平方根を図５に示す。この図５において、●は制御時におけるアラン分散の平方根を示し、また＋はフリーランニング時におけるアラン分散の平方根を示している。この図５から明らかなように、フリーフリーランニング時にはσＳ ＝１０−９であった差周波数変動が、周波数オフセットロック制御によってσＳ ＝３×１０−１２τ−１まで安定化されている。マスタレーザ光の周波数揺らぎσＭ 、変調周波数揺らぎをσμ、ｎ番目の側帯波とスレーブレーザ光の間の差周波数揺らぎをσＳ とすれば、スレーブレーザの周波数揺らぎσｓｌａｖｅ は、
σｓｌａｖｅ ２ ＝σＭ ２＋ｎ× σμ２＋σＳ ２
と表される。気体原子、分子の吸収線を周波数基準に用いたマスタレーザの周波数揺らぎσＭ は、σＭ＝１０−１０（τ＝１秒）程度であり、σＭ》σＳといえる。また、レーザ光の周波数変動に対して変調周波数の変動は無視できる。従って、上記スレーブレーザ光の周波数揺らぎσｓｌａｖｅ は、
σｓｌａｖｅ＝σＭ ＝１０−１０
とみることができる。
【００２９】
そして、このレーザ光源装置では、側帯波とスレーブレーザ光の発振周波数νＳ が接近した場合に、１／ｆノイズの影響を回避するために、上記コンピュータ８により発振器１８の発振周波数を切換制御してマスタレーザ光の発振周波数νＭ をシフトさせる。これにより、上記光周波数コム発生器２で発生する側帯波全体の周波数をシフトさせて、１／ｆノイズの影響を回避して、安定に周波数オフセットロックを行うことができる。すなわち、図６に示すＡ領域及びＣ領域のスレーブレーザ光の周波数νＳ を設定する場合には、側帯波をシフトさせずに周波数オフセットロックを行い、図６に示すＢ領域にスレーブレーザ光の周波数νＳ を設定する場合には、側帯波を−２×ｆ１／ｆ だけ周波数シフトさせて周波数オフセットロックを行う。これにより、スレーブレーザ光の周波数νＳ をどの領域に設定させた場合にも、ヘテロダイン周波数すなわち上記差周波数νｈ を常にｆ１／ｆ 以上ととすることができる。すなわち、上記差周波数νｈ を１０ＭＨｚよりも高い周波数に設定して、１／ｆノイズの影響を回避して、安定に周波数オフセットロックを行うことができる。
【００３０】
また、スレーブレーザ光の周波数νＳ が２本の側帯波の中間付近に近づいた場合には、他の側帯波からのヘテロダイン信号の影響を回避するために、側帯波の間隔を変える。すなわち、側帯波の間隔ｆｍ は、光周波数コム発生器の光共振器のフリースペクトルレンジ（ＦＳＲ）の整数倍で設定可能であるから、図７のＡ領域、Ｃ領域、Ｄ領域及びＦ領域にスレーブレーザ光の周波数νＳ を設定する場合には、変調周波数ｆμ＝２×ＦＳＲとし、側帯波の中間付近であるＢ領域及びＦ領域にスレーブレーザ光の周波数νＳ を設定する場合には、変調周波数ｆμ＝４×ＦＳＲに切り換える。これにより、最も低いヘテロダイン周波数をｆ１ 、２番目に低いヘテロダイン周波数をｆ２ とすると、常にｆ１ ＜２ｆ２ となり、フィルタによりｆ１ の信号のみを取り出して周波数オフセットロックを行うことができる。
【００３１】
従って、上述の如き構成のレーザ光源装置は、上記スレーブレーザ光源３が発振可能な全範囲に亘ってスレーブレーザ光の周波数νＳ を可変設定することができ、光シンセサイザとして機能する。
【００３２】
【発明の効果】
本発明に係るレーザ光源装置では、スレーブレーザ光源から出射されるスレーブレーザ光の周波数が光周波数コム発生器により発生された側帯波の周波数に近傍になったときに、マスタレーザ光源の発振周波数をシフトさせることによって、１／ｆノイズの影響を回避して、スレーブレーザ光源の発振周波数を安定に周波数オフセットロックを行うことができ、スレーブレーザ光の周波数を広範囲に可変設定することができる。
【００３３】
また、本発明に係るレーザ光源装置では、スレーブレーザ光源から出射されるスレーブレーザ光の周波数が光周波数コム発生器により発生された隣接する側帯波の中間付近の周波数に近傍になったときに、上記光周波数コム発生器により発生される側帯波の間隔を切り換えることによって、他の側帯波からのヘテロダイン信号の影響を回避して、スレーブレーザ光源の発振周波数を安定に周波数オフセットロックを行うことができ、スレーブレーザ光の周波数を広範囲に可変設定することができる。
【００３４】
さらに、本発明に係るレーザ光源装置では、スレーブレーザ光源から出射されるスレーブレーザ光の周波数が光周波数コム発生器により発生された側帯波の周波数に近傍になったときに、マスタレーザ光源の発振周波数をシフトさせるマスタレーザ制御手段と、上記スレーブレーザ光源から出射されるスレーブレーザ光の周波数が上記光周波数コム発生器により発生された隣接する側帯波の中間付近の周波数に近傍になったときに、上記光周波数コム発生器により発生される側帯波の間隔を切り換える光周波数コム制御手段とを備えることによって、１／ｆノイズ及び他の側帯波からのヘテロダイン信号の影響を回避して、スレーブレーザ光の周波数を広範囲に可変設定することができる。
【００３５】
従って、本発明によれば、スレーブレーザ光と側帯波間のヘテロダイン信号検出可能な全範囲に亘ってスレーブレーザ光の発振周波数を可変設定することができる光シンセサイザとして機能するレーザ光源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るレーザ光源装置の構成を示すブロックである。
【図２】上記レーザ光源装置の光周波数コム発生器に採用した導波路型光周波数コム発生器により発生した光周波数コムの包絡線の観測結果を示す図である。
【図３】上記レーザ光源装置における上記光周波数コム発生器が発生した側帯波とスレーブレーザ光の関係を示すスペクトル図である。
【図４】上記側帯波とスレーブレーザ光の間のヘテロダイン信号を示す図である。
【図５】上記側帯波とスレーブレーザ光の間の差周波数のアラン分散の平方根を示す図である。
【図６】上記スレーブレーザ光の周波数とヘテロダイン周波数の関係を示す図である。
【図７】上記スレーブレーザ光の設定周波数とヘテロダイン検波させる側帯波の関係を示す図である。
【図８】従来のレーザ光源装置の構成を示すブロックである。
【図９】従来のレーザ光源装置におけるマスタレーザ光の周波数νＭ 、側帯波の次数ｎ及びスレーブレーザ光の周波数νＳ の関係を示す図である。
【図１０】従来のレーザ光源装置において光検出器で検出されるヘテロダイン信号の周波数特性を示す図である。
【図１１】従来のレーザ光源装置においてスレーブレーザ光の周波数νＳ を側帯波間の中央付近に設定した状態を示す図である。
【図１２】従来のレーザ光源装置においてスレーブレーザ光の周波数νＳ を側帯波間の中央付近に設定した状態でのヘテロダイン信号を示す図である。
【符号の説明】
１ マスタレーザ光源
２ 光周波数コム発生器
３ スレーブレーザ光源
４，５ 光カップラ
６，１４，１６ 光検出器
７，１７ 周波数オフセットロック回路
８ コンピュータ
９，１０，１８ 発振器
１１ 第１のレーザ光源
１２ 第２のレーザ光源
１３ 光吸収セル
Claims (5)
- 発振周波数が安定化されたマスタレーザ光源と、
このマスタレーザ光源から入射されるマスタレーザ光に対して所定周波数間隔毎に側帯波を発生する光周波数コム発生器と、
発振周波数が可変可能なスレーブレーザ光源と、
上記スレーブレーザ光源から出射されたスレーブレーザ光と上記光周波数コム発生器により発生された側帯波とのヘデロダイン成分を検出するヘテロダイン検波手段と、
上記ヘテロダイン検波手段により検出されたヘデロダイン検波信号に基づいて上記スレーブレーザ光源の発振周波数を帰還制御する周波数オフセットロック手段と、
上記スレーブレーザ光源から出射されるスレーブレーザ光の周波数が上記光周波数コム発生器により発生された側帯波の周波数に近傍になったときに、上記マスタレーザ光源の発振周波数をシフトさせるマスタレーザ制御手段と
を備えることを特徴とするレーザ光源装置。 - 上記マスタレーザ光源は、気体原子又は分子の吸収線を周波数基準として発振周波数が安定化された第１のレーザ光源と、周波数オフセットロック手段により上記第１のレーザ光源から出射された第１のレーザ光との差周波数が安定化された第１のレーザ光をマスタレーザ光として出射する第２のレーザ光源とからなり、
上記マスタレーザ制御手段は、上記周波数オフセットロック手段により安定化される上記第１のレーザ光源から出射された第１のレーザ光との差周波数を切換設定することを特徴とする請求項１記載のレーザ光源装置。 - 発振周波数が安定化されたマスタレーザ光源と、
このマスタレーザ光源から入射されるマスタレーザ光に対して所定周波数ｆｍ間隔毎に側帯波を発生する光周波数コム発生器と、
発振周波数が可変可能なスレーブレーザ光源と、
上記スレーブレーザ光源から出射されたスレーブレーザ光と上記光周波数コム発生器により発生された側帯波とのヘデロダイン成分を検出するヘテロダイン検波手段と、
上記ヘテロダイン検波手段により検出されたヘデロダイン検波信号に基づいて上記スレーブレーザ光源の発振周波数を帰還制御する周波数オフセットロック手段と、
上記スレーブレーザ光源から出射されるスレーブレーザ光の周波数が上記光周波数コム発生器により発生された隣接する側帯波の中間付近の周波数に近傍になったときに、上記光周波数コム発生器により発生される側帯波の間隔を切り換える光周波数コム制御手段と
を備えることを特徴とするレーザ光源装置。 - 発振周波数が安定化されたマスタレーザ光源と、
このマスタレーザ光源から入射されるマスタレーザ光に対して所定周波数間隔毎に側帯波を発生する光周波数コム発生器と、
発振周波数が可変可能なスレーブレーザ光源と、
上記スレーブレーザ光源から出射されたスレーブレーザ光と上記光周波数コム発生器により発生された側帯波とのヘデロダイン成分を検出するヘテロダイン検波手段と、
上記ヘテロダイン検波手段により検出されたヘデロダイン検波信号に基づいて上記スレーブレーザ光源の発振周波数を帰還制御する周波数オフセットロック手段と、
上記スレーブレーザ光源から出射されるスレーブレーザ光の周波数が上記光周波数コム発生器により発生された側帯波の周波数に近傍になったときに、上記マスタレーザ光源の発振周波数をシフトさせるマスタレーザ制御手段と、
上記スレーブレーザ光源から出射されるスレーブレーザ光の周波数が上記光周波数コム発生器により発生された隣接する側帯波の中間付近の周波数に近傍になったときに、上記光周波数コム発生器により発生される側帯波の間隔を切り換える光周波数コム制御手段と
を備えることを特徴とするレーザ光源装置。 - 上記マスタレーザ光源は、気体原子又は分子の吸収線を周波数基準として発振周波数が安定化された第１のレーザ光源と、周波数オフセットロック手段により上記第１のレーザ光源から出射された第１のレーザ光との差周波数が安定化された第１のレーザ光をマスタレーザ光として出射する第２のレーザ光源とからなり、
上記マスタレーザ制御手段は、上記周波数オフセットロック手段により安定化される上記第１のレーザ光源から出射された第１のレーザ光との差周波数を切換設定することを特徴とする請求項４記載のレーザ光源装置。
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