JP3759640B2 - 単一縦モード周波数可変レーザー発振器の発振周波数安定化装置及び方法と周波数掃引可能なレーザー発振装置及び方法 - Google Patents
単一縦モード周波数可変レーザー発振器の発振周波数安定化装置及び方法と周波数掃引可能なレーザー発振装置及び方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、パルスレーザーで励起される単一縦モード周波数可変レーザー発振器の周波数安定化法及びその装置と周波数掃引可能なレーザー発振装置及び方法に関するものである。産業上の利用分野としては、分光、光計測、光化学反応等の分野に利用できる。
【０００２】
【従来技術】
高繰返しポンプレーザーによって励起される単一縦モード色素レーザー発振器の従来の周波数制御法としては、小長井主税、佐藤俊雄による「ウラン濃縮用色素レーザーシステムの波長制御」（レーザー研究第２２巻第８号第９〜１８頁、平成６年８月刊行）に記載されているように、機械掃引法が用いられてきた。この方法は、色素レーザー発振器の構成要素であるグレーティング及びエタロンの周波数選択角度と共振器長を同期して機械的に制御することにより単一縦モードの安定化（即ち発振周波数の安定化）及び掃引を行う方法である。
【０００３】
しかしながら、この方法では、エタロンの制御方法及び制御角度を決定する為に、ロックイン増幅器を用いたフェイズ・ロックド・ループ（ＰＬＬ）を利用した位相検波法によるフィードバックループが必要となる。その結果、装置が複雑になると同時に高価な物になる。更に、ロックイン増幅器を用いたフィードバックループのため、周波数を安定化させるのに時間を要し、また周波数掃引時間も遅くなる。
【０００４】
また、Ｇ．Ｂｏｌｌｅｎ，Ｈ．Ｊ．Ｋｌｕｇｅ及びＫ．Ｗａｌｌｍｅｒｏｔｈによる”Ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ ｐｕｌｓｅｄ ｄｙｅ ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈＦｏｕｒｉｅｒ−ｌｉｍｉｔｅｄ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ”（Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ／Ｖｏｌ．４，Ｎｏ．３，／Ｍａｒｃｈ １９８７刊行，第３２９〜３３６頁）には、色素レーザー発振器そのものは単一縦モードで発振させないでマルチモードで発振させ、外部エタロンを用いて周波数の狭帯域化を付加的に行うことで単一縦モードのみを取り出し、結果的に単一縦モード発振を達成させている色素レーザー発振システムが開示されている。このシステムにおいては、色素レーザー発振器が配設されている密閉された容器内のガスの圧力を変えることにより周波数を変える周波数掃引法を用いており、周波数の安定化は、上記の狭帯域の外部エタロンにより行っている。狭帯域の外部エタロンの通過ロスが大きいため、色素レーザー発振器でのレーザー出力に比して外部エタロンを透過した出力が著しく小さくなる。その結果、外部エタロンでの出力を大きく取るため、色素レーザー発振器の出力を増大させる必要があり、それに伴い色素レーザー発振器を駆動するためのポンプレーザーとしてピークパワーの高いものが必要不可欠になる。従って、一般的にピークパワーの低い高繰返しのポンプレーザーを用いた色素レーザーの発振は、不可能に近い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、従来技術におけるこのような様々な問題点を解消し、構成が単純で経済的であり、また周波数掃引を高速で行うことができる単一縦モード周波数可変レーザー発振器の発振周波数安定化装置及び方法と周波数掃引可能なレーザー発振装置及び方法とを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、所定の気体を内部に含む密閉された容器の内部に配置された単一縦モードで発振する周波数可変レーザー発振器の発振周波数を安定化する本発明の装置は、前記気体の圧力及び温度を測定する手段と、前記測定する手段により異なる時間に測定された圧力及び温度とに基づいて前記気体の屈折率を一定にするための圧力の補正量を計算する手段と、前記の計算された圧力の補正量に応じて前記気体の圧力を変化させる手段とを備えることを特徴とする。
【０００７】
上記目的を達成するため、所定の気体を内部に含む密閉された容器の内部に配置された単一縦モードで発振する周波数可変レーザー発振器の発振周波数を安定化する本発明の方法は、前記気体の圧力及び温度を測定するステップと、異なる時間に測定された圧力及び温度とに基づいて前記気体の屈折率を一定にするための圧力の補正量を計算するステップと、前記の計算された圧力の補正量に応じて前記気体の圧力を変化させるステップとを備えることを特徴とする。
【０００８】
上記目的を達成するため、所定の気体を内部に含む密閉された容器と、前記容器の内部に配置され単一縦モードで発振する周波数可変レーザー発振器とを有し、前記周波数可変レーザー発振器は、周波数選択手段と、ビーム拡大手段と、発振媒体手段と、出力結合手段とを含み、かつ前記周波数選択手段に含まれるグレーティングと前記出力結合手段間の光路長により規定される共振器長を有する、本発明のレーザー発振装置は、所望の掃引発振周波数に対応する前記気体の圧力値と屈折率とを逐次計算する手段と、前記計算する手段により逐次計算された圧力値に応じて前記気体の圧力を変化させる圧力変化手段と、前記の逐次計算された気体の屈折率に基づいて単一縦モードを維持するように前記共振器長を変化させる手段と、前記気体の圧力の変化に起因する前記ビーム拡大手段のレーザー光の屈折角の変化を補正するため、前記周波数選択手段の前記ビーム拡大手段に対して設定された角度を前記の逐次計算された気体の屈折率に応じて変化させる手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
上記目的を達成するため、所定の気体を内部に含む密閉された容器と、前記容器の内部に配置され単一縦モードで発振する周波数可変レーザー発振器とを有し、前記周波数可変レーザー発振器は、周波数選択手段と、ビーム拡大手段と、発振媒体手段と、出力結合手段とを含み、かつ前記周波数選択手段に含まれるグレーティングと前記出力結合手段間の光路長により規定される共振器長を有する、レーザー発振装置を単一縦モードで周波数を掃引する本発明の方法は、所望の掃引発振周波数に対応する前記気体の圧力値と屈折率とを逐次計算するステップと、前記計算する手段により逐次計算された圧力値に応じて前記気体の圧力を変化させるステップと、前記の逐次計算された気体の屈折率に基づいて単一縦モードを維持するように前記共振器長を変化させるステップと、前記気体の圧力の変化に起因する前記ビーム拡大手段のレーザー光の屈折角の変化を補正するため、前記周波数選択手段の前記ビーム拡大手段に対して設定された角度を前記の逐次計算された気体の屈折率に応じて変化させるステップとを備えることを特徴とする。
【００１０】
【作用】
本発明の単一縦モード周波数可変レーザー発振器の発振周波数安定化装置及び方法は、上記のように構成されていることにより、前記測定する手段により異なる時間に測定された圧力及び温度とに基づいて前記気体の屈折率を一定にするための圧力の補正量が計算される。当該計算された圧力の補正量に応じて前記気体の圧力のみが変化させられることにより、気体の屈折率が一定に維持され、その結果発振周波数が一定に維持される。
【００１１】
本発明の周波数掃引可能な単一縦モードレーザー発振装置及び方法は、所望の掃引発振周波数に対応する前記気体の圧力値と屈折率とが逐次計算され、当該逐次計算された圧力値に応じて前記気体の圧力が変化させられる。また、前記の逐次計算された気体の屈折率に応じて単一縦モードを維持するように前記共振器長が変化させられる。更に、前記気体の圧力の変化に起因する前記ビーム拡大手段のレーザー光の屈折角の変化を補正するため、前記周波数選択手段の前記ビーム拡大手段に対して設定された角度が前記の逐次計算された気体の屈折率に応じて変化させられる。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は、本発明の一実施例である単一縦モード周波数可変レーザー発振装置の構成を概略示す図である。図１において、１０は単一縦モードレーザー発振器を、１２はその中に単一縦モードレーザー発振器１０が配設された密閉構造を有する圧力容器を、１４はこの圧力容器１２に充填されているガスをそれぞれ示す。なお、ここでのガスは、空気等を含む種々の気体の総称であり、本実施例では空気である。更に、図１において、１６は圧力容器１２内に充填されたガス１４の圧力及び温度を測定するガス圧力・温度測定部を、１８は圧力容器１２内の圧力を変える圧力変調部を、２０は周波数選択角度を任意の角度に設定するため周波数選択素子を駆動する周波数選択素子駆動部を、２２は単一縦モードレーザー発振器１０の共振器長を変えるための共振器長駆動部を、２４は１６〜２２で示される要素をコントロールするためのパーソナルコンピュータをそれぞれ示す。パーソナルコンピュータ２４は、後述する制御を行う制御プログラムを格納するＲＯＭとワークエリアを有するＲＡＭと、ＲＯＭから読出された制御プログラムを実効するＣＰＵとを含む。
【００１４】
単一縦モードレーザー発振器１０は、グレーティング３０とエタロン３２とを含む周波数選択素子３４と、２つのプリズム３６及び３８とから成るビーム拡大器４０と、両側をガラス４１で挟まれ色素溶液が入れられたレーザー発振媒体４２と、出力カプラー４４とを含む。エタロン３２は、両側にガラス３２１が配設され、中央部には気体を入れる気体貯留部３２２が設けられ、この気体貯留部３２２は外部のガス１４と連通しており、その結果ガス１４と同じものが入っている。
【００１５】
圧力容器１２は、レーザービームを外部に放出するためのウインドウ５０が設けられている。なお、圧力容器１２には、図示されていないが、ポンプ光導入ウインドウとポンプ光集光用レンズも設けられている。グレーティング３０及びエタロン３２のそれぞれには周波数選択素子駆動部２０により駆動されそれぞれの角度を変えるためのステッピングモーター５２及び５４が取り付けられている。出力カプラー４４には、共振器長駆動部２２に駆動され矢印で示されるレーザービームの方向に沿って出力カプラー４４を移動させるピエゾ駆動素子５６が取り付けられている。
【００１６】
単一縦モードレーザー発振器１０の置かれた環境の温度変化によって生じる、３０〜４４によって示される要素の各々の位置変化を最小に抑える為に、これらの要素は、図示されていない膨張係数の小さなスーパーインバーの台に取り付けられている。
【００１７】
圧力変調部１８は、ステッピングモーターと、それにより駆動される圧力シリンダーとで構成されている。当該圧力シリンダーは圧力容器１２に接続されており、圧力シリンダーの内部圧力は、ステッピングモーターによるシリンダーシャフトの回転で変化させる。周波数選択素子駆動部２０は、グレーティング３０及びエタロン３２の周波数選択角度を任意の角度に設定する為それらに取り付けられたステッピングモーター５２及び５４を駆動する。共振器長駆動部２２は、共振器長を変化させる為出力カプラー４４の位置をピエゾ駆動素子５６を駆動して変化させる。周波数選択素子駆動部２０及び共振器長駆動部２２は、レーザー発振周波数の掃引を行う場合必要となる。
【００１８】
初めに、発振周波数を安定化する動作について説明する。図示されていないポンプレーザーからのレーザー光が矢印により示されるレーザービームの方向に対して直交する方向からレーザー発振媒体４２に対して入射されると、グレーティング３０と出力カプラー４４との間にエタロン３２、ビーム拡大器４０及びレーザー発振媒体４２を介して定在波が生じ、レーザー光を発振する。この発振したレーザー光の周波数状態（縦モード）は、圧力容器１２内のガス１４の屈折率変化に依存する。この屈折率は、ガス１４の圧力と温度とが変化すると変化する。従って、ガス１４の圧力と温度が変化しても、単一縦モードからマルチモード（複数の発振周波数状態）に移行させない、いわゆる単一縦モード発振の安定化を行う為には、この屈折率が一定値になるように制御すればよい。そのため、パーソナルコンピュータ２４で得られた屈折率を逐次比較する事で、初期状態からの偏位量を相殺するように圧力変調部１８を用いてガス圧力を変化させて、その屈折率が一定になるように制御する。
【００１９】
詳細には、ガス１４が本実施例のように空気の場合、空気の屈折率はエドレンの式において、標準空気での炭酸ガス含有率を１０％、水蒸気圧を１０Ｔｏｒｒとすると、以下の式で与えられる。
【００２０】
【数１】
ここで、ηairは空気屈折率を、λは波長（μｍ）を、Ｐは空気圧力（Ｔｏｒｒ）を、Ｔは空気温度（℃）をそれぞれ表す。
【００２１】
波長と発振周波数とは反比例する関係にあるので、この式（１）から屈折率が変化すれば波長即ち発振周波数が変化することが分かる。
【００２２】
また、この式（１）から、圧力及び温度による空気屈折率の変化量は、次式で与えられる。
【００２３】
【数２】
例えば、５７０ｎｍの波長における空気屈折率は圧力により、
【数３】
で変化する。
【００２４】
また、温度によっても
【数４】
の変化が生じる。
【００２５】
従って、単一縦モードレーザー発振器１０がガス（空気）１４のある圧力と温度の環境下で所望の周波数で発振している場合と、次いで、ガス（空気）１４の圧力及び温度が変化した場合とのそれぞれの場合について、ガス（空気）１４の圧力と温度をガス圧力・温度測定部１６により測定して圧力変化量ΔＰ及び温度変化量ΔＴを求める。次に、求めた圧力変化量ΔＰと温度変化量ΔＴと式（２）とから空気の屈折率の変化量Δηairを求める。この空気屈折率の変化量Δηairを外部から温度を変えることをせずに外部から圧力のみを変化させて相殺するに要する圧力変化量ΔＰは、式（２）において温度一定即ちΔＴ＝０で、先に求めた空気屈折率の変化量Δηairの負のものを代入して求めることができる。
【００２６】
パーソナルコンピュータ２４は、ガス圧力・温度測定部１６で得られた測定圧力及び温度を用いて、上記のようにして、ガス（空気）１４の圧力及び温度が変化しても発振周波数が一定となるのに要する圧力変化量を計算する。圧力変調部１８は、当該計算された圧力変化量に応じてステッピングモータを回転して圧力シリンダーを駆動し、ガス（空気）１４の圧力を所要圧力変化量だけ変化させる。このようにしてガス（空気）１４の屈折率は一定に制御され、その結果発振周波数も一定に制御される。なお、ガス圧力・温度測定部１６による圧力及び温度を測定する間隔は、例えばパーソナルコンピュータ２４から出力されるクロック信号による一定時間間隔でもよく、また圧力及び／又は温度を常時測定して所定量偏倚したときパーソナルコンピュータ２４が取り込むようにしてもよい。
【００２７】
以上述べたようなガス圧力・温度測定部１６、パーソナルコンピュータ２４及び圧力変調部１８から成る本発明の発振周波数安定化装置及び方法は前述した従来の機械掃引法より単一縦モードレーザーの周波数安定化を廉価で簡潔に行うことができ、また従来技術が用いた位相検波法が不要のため従来より短い時間で周波数が安定化する。
【００２８】
次に、発振周波数を掃引する動作について説明する。発振周波数の掃引を行う場合には、圧力変調部１８による圧力変化（従来の圧力掃引法）に同期して、周波数選択素子駆動部２０による角度補正及び共振器長駆動部２２による共振器長補正を行うことで、単一縦モードを維持したまま、発振周波数を変化させることが可能になる。
【００２９】
図２は、共振器長の補正について説明するための発振周波数の掃引の概念図である。図２の参照番号で図１のものと同じものは同一の要素を示す。モード数は、定在波の数を示し、１つの波は波線の一周期で定義する。実効共振器長Ｌeffは、図１のグレーティング３０から出力カプラー４４までのレーザー共振器内の各光学素子を通過するレーザー光の伝播長を真空における値に換算して示した長さである。図中の波線は、レーザー発振器１０内の定在波を示す。ａ）は、モード数＝１１の単一縦モードで発振している初期の状態であると仮定する。四角で囲った固定部１００は、図１において３２１、３６、３８及び４１で示されるガラスの部分の全体とレーザー発振媒体４２の部分との総体に相当し、これらの屈折率はガス圧力の変化に依存しない。発振周波数の掃引を行う為に、圧力のみを増加させていくと固定部１００を除くレーザー共振器内のガスで満たされた部分の屈折率のみが増加し、実効共振器長がｂ）で表されるように長くなる。しかしながら、圧力の増加に伴う実効共振器長の増加のみでは、後述するように、レーザー発振周波数の状態を表すモード数を初期の１１に維持することは出来なく、モード数は１０と１つ減少した値に変化してしまう。ａ）の状態であるモード数＝１１、すなわち初期の単一縦モード発振を維持した状態で周波数掃引を行う為には、モード数１１が必要とする実効共振器長を示すｃ）とｂ）との差△Ｌeffだけ共振器長を補正する必要がある。
【００３０】
単一縦モードレーザー発振器１０内に配置された周波数選択素子３４のグレーティング３０及びエタロン３２の圧力変化による選択周波数の変化は、それぞれ次のように表される。
【００３１】
グレーティング３０について、
【数５】
エタロン３２について
【数６】
ここで、νGratingはグレーティングの選択周波数を、νEtalonはエタロンの選択周波数を、ｃは光速度をそれぞれ表す。なお、その他の記号は前述したものと同様である。
【００３２】
式（５）及び式（６）は、グレーティングとエタロンの波長は同一であることから同一の式となり、従って同一の圧力環境下では、同じ周波数変化を生じる。例えば、波長５７０ｎｍ、温度２０℃におけるこの値は、
【数７】
となり、レーザー発振周波数の変化１ＧＨｚ当たりの圧力変化量は、約−５．４Ｔｏｒｒ／ＧＨｚとなる。
【００３３】
これに対して、単一縦モードレーザー発振器１０による縦モードの発振周波数νCavityの変化は、
【数８】
なる。以下に示すように、この縦モードの発振周波数の変化ΔνCavityは周波数選択素子による周波数変化ΔνGratingあるいはΔνEtalonとの間に差が生じる。
【００３４】
波長５７０ｎｍ、温度２０℃でのこの縦モードの発振周波数の変化量の値は、
【数９】
となる。この縦モードの発振周波数の変化ΔνCavity＝−１０５．５ＭＨｚ／Ｔｏｒｒと周波数選択素子による周波数変化ΔνGrating＝ΔνEtalon＝−１８５．５ＭＨｚ／Ｔｏｒｒとの間の差が、レーザー発振周波数の状態を単一モードからマルチモードへ変化させてしまう。モード変化を起こさせないためには、次式で示す共振器長変化で補正する必要がある。
【００３５】
【数１０】
ここで、Ｌeffは有効共振器長で次式により表される。
【００３６】
【数１１】
Ｌeff＝ηglassＬglass＋ηairＬair＋ηdyeＬdye （１１）
ここで、Ｌglassは固定部１００のうちのガラスの部分の長さ、即ち、図１において３２１、３６、３８及び４１で示されるガラスの部分の全体の長さである。なお、当該ガラスは通常石英ガラスで作られている。Ｌdyeは図１のレーザー発振媒体４２の入れられている色素溶液の長さである。また、ηglassは石英ガラスの屈折率を、ηdyeは色素溶液の屈折率をそれぞれ表す。
【００３７】
この計算結果から共振器長の補正量は、周波数変化１ＧＨｚ当たり−１１０．０ｎｍと計算される。なお、式（１０）のδＬeffが図２に示されるΔＬeffに相当する。
【００３８】
従って、周波数掃引のためパーソナルコンピュータ２４が指示する圧力の増加（又は減少）方向の変化に応答して圧力変調部１８のステッピングモータが回転して圧力シリンダーが駆動されてガス（空気）１４の圧力が増加（又は減少）へと変化するにつれて即ち同期して、共振器長駆動部２２はパーソナルコンピュータ２４が指示する圧力の増加（又は減少）方向の変化に応答してピエゾ駆動素子５６を駆動し式（１０）に従って出力カプラー４４を有効共振器長が増加（又は減少）するように移動させる。
【００３９】
次に、図３を用いてグレーティング及びエタロンでの発振周波数選択角度の補正について説明する。図３の参照番号で図１のものと同一のものは同一の要素を示す。この補正は、圧力の変化によって生じるビーム拡大器４０でのレーザー光の屈折角変化を相殺する為の補正である。プリズム３８、３６を通過する光の伝播方向は、その入射面及び出射面内外の材質であるガラス３８、３６とガス１４の屈折率比に依存する。周波数を掃引するため圧力を変化させると、前述のようにガス１４の屈折率は変化する。この結果、ビーム拡大器４０から出射する光の出射角度は、初期の状態から異なった角度になる。グレーティング及びエタロンにおいて選択されるレーザー発振周波数は、これらの素子に入射する光の入射角度によっても変化する。図３においては、発振周波数の掃引を開始する初期のレーザー光伝播状態を実線１０２で、掃引中の任意の状態を破線１０４で各々示す。ビーム拡大器４０の出口における両者の差を△θで表す。この△θが補正量となる。このビーム拡大器４０からの出射角度の変化は、グレーティング３０及びエタロン３２への入射角度変化と同一であることから周波数選択角度の補正が必要となる。
【００４０】
周波数選択素子３４における所要の角度補正量は次のようにして求めることが可能である。
【００４１】
異なる媒質中を進む光の屈折角を表すスネルの式は次のとおりである。
【００４２】
【数１２】
ηairｓｉｎθ1＝ηglassｓｉｎθ2 （１２）
ここで、θ1は入射角度を、θ2は屈折角度をそれぞれ表す。
【００４３】
式（１２）から、ビーム拡大器４０を構成する１番目のプリズム３８を透過するレーザー光の圧力変化に伴う屈折角度の変化は、次式のようになる。
【００４４】
【数１３】
ここで、Ｘは
【数１４】
であり、θ1(1st)は１番目のプリズム３８への入射角度を、θ4(1st)は１番目のプリズム３８の出射面での屈折角度をそれぞれ表す。
【００４５】
この角度変化は、２番目のプリズム３６への入射角度変化を引き起こすので、次式が成り立つ。
【００４６】
【数１５】
ここで、θ1(2nd)は２番目のプリズム３６への入射角度を表す。
【００４７】
これらの式より、ビーム拡大器４０を通過した（即ち２番目のプリズム３６を通過した）レーザー光の圧力変化に伴う屈折角度の変化は、次式のとおりである。
【００４８】
【数１６】
ここで、θ4(2nd)は２番目のプリズム３６の出射面での屈折角度を表す。
【００４９】
式（１６）より、２番目のプリズム３６の出射面での屈折角度θ4(2nd)の変化は、次式のようになる。
【００５０】
【数１７】
式（１７）におけるΔηairは、波長５７０ｎｍ、温度２０℃において、式（７）に基づくレーザー光の空気圧力に対する発振周波数の変化量−５．４Ｔｏｒｒ／ＧＨｚと、式（３）とから
【数１８】
Δηair＝−１．９３８６×１０-6 ／ＧＨｚ （１８）
となり、従って、
【数１９】
Δθ4(2nd)＝１３２μｄｅｇ．／ＧＨｚ （１９）
となる。
【００５１】
従って、周波数掃引時にビーム拡大器４０で生じるこの角度変化を相殺するように、周波数選択素子３４のビーム拡大器４０に対する角度を変化させて補正する必要がある。
【００５２】
詳細には、周波数を掃引するためパーソナルコンピュータ２４が指示する圧力の増加（又は減少）方向の変化に応答して圧力変調部１８のステッピングモータが回転して圧力シリンダーが駆動されてガス（空気）１４の圧力が増加（又は減少）へと変化するにつれて即ち同期して、周波数選択素子駆動部２０は、パーソナルコンピュータ２４が指示する圧力の増加（又は減少）方向の変化に応答してステッピングモータ５２及び５４を駆動して式（１９）に従ってグレーティング３０及びエタロン３２の各角度を変える。
【００５３】
なお、例えばガス１４の温度が一定に保たれるような短い時間内に周波数の掃引を行う場合、即ち、ガス１４の圧力のみで掃引中の発振周波数が決まる場合には、ガス圧力・温度測定部１６は必ずしも必要でなく、パーソナルコンピュータ２４が掃引周波数に対応する所要圧力を計算して、その計算結果の指示値を適時圧力変調部１８、周波数選択素子駆動部２０及び共振器長駆動部２２に付与すればよい。しかし、例えば１時間に１ＧＨｚ掃引するというゆっくりとした掃引の場合には、ガス１４の温度が掃引中に変化するので、その温度変化を加味して圧力変調部１８を制御する必要がある。かかる場合には、掃引中にガス圧力・温度測定部１６によりガス１４の温度を測定して、前述の発振周波数の安定化と同様にパーソナルコンピュータ２４において温度の変化を含めて所望の掃引周波数となる圧力を計算して、圧力変調部１８を制御する。更に、掃引周波数の精度を上げるため、ガス圧力・温度測定部１６により測定された圧力を用いて所望の掃引周波数となる圧力を補正してもよい。
【００５４】
前述したように構成された実施例の実験模式図を図４に示す。図４において、２００は、図１に示される構成を有する単一縦モード周波数可変レーザー発振装置の全体を示し、２０２は図１の単一縦モードレーザー発振器１０に相当する部分を、２０４はその発振したレーザー光の周波数を制御する部分（図１の１６〜２４、及び５２〜５６）を示す。実験においては発振器として、ヘンシュ型単一縦モード色素レーザー発振器を使用している。２１０は、ヘンシュ型単一縦モード色素レーザー発振器２０２を励起させるためのポンプレーザーで、６．５ｋＨｚの高い繰返し数で発振するピークパワーの低い銅蒸気レーザーである。２２０は、ヘンシュ型単一縦モード色素レーザー発振器２０２で発振した色素レーザー光の周波数状態を観測する為のスペクトラムアナライザーである。なお、共振器内ガスとして空気を用いた。また、単一モード発振を行う為に、色素レーザーの共振器長は可能な限り短くしている。
【００５５】
１時間の観測結果から、周波数の安定性は１００ＭＨｚ／時間以下であった。更に、周波数掃引については、約３０ＧＨｚの周波数幅にわたって単一縦モードを維持しつつ、発振周波数を変化させることが可能であった。
【００５６】
この場合の、レーザーの発振周波数に対する色素レーザー共振器内圧力変化、周波数選択素子角度の補正量及び共振器長補正量を図５に示す。図５は、レーザー発振周波数と３つの制御量（色素レーザー共振器内圧力変化、周波数選択素子角度の補正量及び共振器長補正量）の関係を示した図である。実線は、空気温度一定、この場合は２５℃のときのレーザー発振周波数と空気圧力の関係を示す。垂直に引いた破線は、グレーティング及びエタロンの選択角度の補正量を、水平の一点鎖線は、共振器長補正量を示す。７６０Ｔｏｒｒ、０ｍｄｅｇ．、０μｍで示される紙面中央の交点Ａは、周波数掃引を行う際の初期の単一縦モード発振状態を意味する。この交点Ａにおける状態は、中心波長が５７０ｎｍ、グレーティング選択角度が４３．１度、エタロン選択角度が０．８５度、空気圧力が約７７０Ｔｏｒｒ、空気温度が２５℃である。単一縦モード発振状態を維持しつつ、周波数掃引を行う為には実線で示された圧力の変化に同期して、これら３つの補正量を実線に沿って変化させることが必要である。例えば、温度一定において、上記交点Ａにおける発振周波数から１０ＧＨｚ増加の方向に掃引する場合、交点Ａの発振周波数＋約３．７ＧＨｚ（図中のＢ）では、空気圧力を７５０Ｔｏｒｒにし、グレーティング及びエタロンの選択角度を０．５ｍｄｅｇ．増し、共振器長を約０．４μｍ減じ、交点Ａの発振周波数＋約７．１ＧＨｚ（図中のＣ）では、空気圧力を約７３０Ｔｏｒｒにし、グレーティング及びエタロンの選択角度を１．０ｍｄｅｇ．増し、共振器長を約０．８μｍ減じ、交点Ａの発振周波数＋約８．９ＧＨｚ（図中のＤ）では、空気圧力を約７２０Ｔｏｒｒにし、グレーティング及びエタロンの選択角度を約１．２ｍｄｅｇ．増し、共振器長を１．０μｍ減じ、交点Ａの発振周波数＋１０ＧＨｚ（図中のＥ）では、空気圧力を約７１５Ｔｏｒｒにし、グレーティング及びエタロンの選択角度を約１．３ｍｄｅｇ．増し、共振器長を約１．１μｍ減ずる。なお、交点Ａから図中のＥの＋１０ＧＨｚまで掃引する場合、単一縦モード発振を維持するため、図中の制御曲線に従って、空気圧力を減少させるの応じて連続的にグレーティング及びエタロンの選択角度を増し、一方共振器長を減ずる。また、掃引中に温度が変化する場合には、図５には示していないが、図中に空気圧力と発振周波数の関係を示す実線が温度をパラメータにして更に引くことができ、温度変化を考慮した線上を空気圧力を変えつつ、グレーティング及びエタロンの選択角度及び共振器長を変えればよい。
【００５７】
上述したような方法で測定した結果、測定値は以下の表に示すように計算値とほぼ一致した。
【００５８】
【表１】
パーソナルコンピュータ２４が掃引周波数に対応する圧力を所望の掃引速度に対応した間隔で逐次計算し、それと共に当該計算された圧力に基づいてガスの屈折率を計算し、更に必要なグレーティング及びエタロンの選択角度の補正量及び共振器長の補正量を計算し、それぞれ求められた値に応じて圧力変調部１８、周波数選択素子駆動部２０、共振器長駆動部２２が駆動される。掃引中に温度変化が生じる場合には、ガス圧力・温度測定部１６により測定された温度を用いてパーソナルコンピュータ２４において圧力変調部１８に指示される圧力が修正され、それに伴いグレーティング及びエタロンの選択角度の補正量及び共振器長の補正量も修正される。更に、掃引周波数の精度を上げるため、ガス圧力・温度測定部１６により測定された圧力を用いて上記指示される圧力を補正してもよい。従って、本実施例の掃引法は、従来のものより構成が単純で、経済的であり、しかも応答が早いため高速で周波数掃引を行うことが可能である。
【００５９】
なお、本発明の実施例の実験にはヘンシュ型共振器を用いているが、本発明は、かかる共振器に適用が限定されることなく、リトロー型等の単一縦モードを発振するいずれの型の共振器にも適用可能である。
【００６０】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されていることにより、以下のような作用効果を奏する。
【００６１】
本発明の単一縦モード周波数可変レーザー発振器の発振周波数安定化装置及び方法は、レーザー共振器内のガスの圧力及び温度から算出されるその屈折率を制御パラメータに用いて、即ち圧力による共振器内ガスの屈折率変化のみを用いて、発振周波数の安定化を図っているため、位相検波法等の複雑なループから成る従来技術より構成が単純で経済的であり、位相検波法が不要のため従来より短時間で周波数が安定化する。
【００６２】
本発明の周波数掃引可能な単一縦モードレーザー発振装置及び方法は、圧力のみを変え、それに同期させて周波数選択素子の選択角度と共振器長の補正を行うことにより発振周波数を掃引しているので、従来技術のような位相検波法が不要で、そのため高速で周波数掃引が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である単一縦モード周波数可変レーザー発振装置の構成を概略示す図である。
【図２】共振器長の補正について説明するための発振周波数の掃引の概念図である。
【図３】グレーティング及びエタロンでの発振周波数選択角度の補正について説明するための図である。
【図４】図１に示される実施例の実験模式図である。
【図５】レーザー発振周波数と３つの制御量（色素レーザー共振器内圧力変化、周波数選択素子角度の補正量及び共振器長補正量）の関係を示した図である。
【符号の説明】
１０：単一縦モードレーザー発振器
１２：圧力容器
１４：ガス
１６：ガス圧力・温度測定部
１８：圧力変調部
２０：周波数選択素子駆動部
２２：共振器長駆動部
２４：パーソナルコンピュータ
３０：グレーティング
３２：エタロン
３４：周波数選択素子
３６，３８：プリズム
４０：ビーム拡大器
４２：レーザー発振媒体
４４：出力カプラー
５２，５４：ステッピングモータ
５６：ピエゾ駆動素子
【産業上の利用分野】
本発明は、パルスレーザーで励起される単一縦モード周波数可変レーザー発振器の周波数安定化法及びその装置と周波数掃引可能なレーザー発振装置及び方法に関するものである。産業上の利用分野としては、分光、光計測、光化学反応等の分野に利用できる。
【０００２】
【従来技術】
高繰返しポンプレーザーによって励起される単一縦モード色素レーザー発振器の従来の周波数制御法としては、小長井主税、佐藤俊雄による「ウラン濃縮用色素レーザーシステムの波長制御」（レーザー研究第２２巻第８号第９〜１８頁、平成６年８月刊行）に記載されているように、機械掃引法が用いられてきた。この方法は、色素レーザー発振器の構成要素であるグレーティング及びエタロンの周波数選択角度と共振器長を同期して機械的に制御することにより単一縦モードの安定化（即ち発振周波数の安定化）及び掃引を行う方法である。
【０００３】
しかしながら、この方法では、エタロンの制御方法及び制御角度を決定する為に、ロックイン増幅器を用いたフェイズ・ロックド・ループ（ＰＬＬ）を利用した位相検波法によるフィードバックループが必要となる。その結果、装置が複雑になると同時に高価な物になる。更に、ロックイン増幅器を用いたフィードバックループのため、周波数を安定化させるのに時間を要し、また周波数掃引時間も遅くなる。
【０００４】
また、Ｇ．Ｂｏｌｌｅｎ，Ｈ．Ｊ．Ｋｌｕｇｅ及びＫ．Ｗａｌｌｍｅｒｏｔｈによる”Ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ ｐｕｌｓｅｄ ｄｙｅ ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈＦｏｕｒｉｅｒ−ｌｉｍｉｔｅｄ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ”（Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ／Ｖｏｌ．４，Ｎｏ．３，／Ｍａｒｃｈ １９８７刊行，第３２９〜３３６頁）には、色素レーザー発振器そのものは単一縦モードで発振させないでマルチモードで発振させ、外部エタロンを用いて周波数の狭帯域化を付加的に行うことで単一縦モードのみを取り出し、結果的に単一縦モード発振を達成させている色素レーザー発振システムが開示されている。このシステムにおいては、色素レーザー発振器が配設されている密閉された容器内のガスの圧力を変えることにより周波数を変える周波数掃引法を用いており、周波数の安定化は、上記の狭帯域の外部エタロンにより行っている。狭帯域の外部エタロンの通過ロスが大きいため、色素レーザー発振器でのレーザー出力に比して外部エタロンを透過した出力が著しく小さくなる。その結果、外部エタロンでの出力を大きく取るため、色素レーザー発振器の出力を増大させる必要があり、それに伴い色素レーザー発振器を駆動するためのポンプレーザーとしてピークパワーの高いものが必要不可欠になる。従って、一般的にピークパワーの低い高繰返しのポンプレーザーを用いた色素レーザーの発振は、不可能に近い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、従来技術におけるこのような様々な問題点を解消し、構成が単純で経済的であり、また周波数掃引を高速で行うことができる単一縦モード周波数可変レーザー発振器の発振周波数安定化装置及び方法と周波数掃引可能なレーザー発振装置及び方法とを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、所定の気体を内部に含む密閉された容器の内部に配置された単一縦モードで発振する周波数可変レーザー発振器の発振周波数を安定化する本発明の装置は、前記気体の圧力及び温度を測定する手段と、前記測定する手段により異なる時間に測定された圧力及び温度とに基づいて前記気体の屈折率を一定にするための圧力の補正量を計算する手段と、前記の計算された圧力の補正量に応じて前記気体の圧力を変化させる手段とを備えることを特徴とする。
【０００７】
上記目的を達成するため、所定の気体を内部に含む密閉された容器の内部に配置された単一縦モードで発振する周波数可変レーザー発振器の発振周波数を安定化する本発明の方法は、前記気体の圧力及び温度を測定するステップと、異なる時間に測定された圧力及び温度とに基づいて前記気体の屈折率を一定にするための圧力の補正量を計算するステップと、前記の計算された圧力の補正量に応じて前記気体の圧力を変化させるステップとを備えることを特徴とする。
【０００８】
上記目的を達成するため、所定の気体を内部に含む密閉された容器と、前記容器の内部に配置され単一縦モードで発振する周波数可変レーザー発振器とを有し、前記周波数可変レーザー発振器は、周波数選択手段と、ビーム拡大手段と、発振媒体手段と、出力結合手段とを含み、かつ前記周波数選択手段に含まれるグレーティングと前記出力結合手段間の光路長により規定される共振器長を有する、本発明のレーザー発振装置は、所望の掃引発振周波数に対応する前記気体の圧力値と屈折率とを逐次計算する手段と、前記計算する手段により逐次計算された圧力値に応じて前記気体の圧力を変化させる圧力変化手段と、前記の逐次計算された気体の屈折率に基づいて単一縦モードを維持するように前記共振器長を変化させる手段と、前記気体の圧力の変化に起因する前記ビーム拡大手段のレーザー光の屈折角の変化を補正するため、前記周波数選択手段の前記ビーム拡大手段に対して設定された角度を前記の逐次計算された気体の屈折率に応じて変化させる手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
上記目的を達成するため、所定の気体を内部に含む密閉された容器と、前記容器の内部に配置され単一縦モードで発振する周波数可変レーザー発振器とを有し、前記周波数可変レーザー発振器は、周波数選択手段と、ビーム拡大手段と、発振媒体手段と、出力結合手段とを含み、かつ前記周波数選択手段に含まれるグレーティングと前記出力結合手段間の光路長により規定される共振器長を有する、レーザー発振装置を単一縦モードで周波数を掃引する本発明の方法は、所望の掃引発振周波数に対応する前記気体の圧力値と屈折率とを逐次計算するステップと、前記計算する手段により逐次計算された圧力値に応じて前記気体の圧力を変化させるステップと、前記の逐次計算された気体の屈折率に基づいて単一縦モードを維持するように前記共振器長を変化させるステップと、前記気体の圧力の変化に起因する前記ビーム拡大手段のレーザー光の屈折角の変化を補正するため、前記周波数選択手段の前記ビーム拡大手段に対して設定された角度を前記の逐次計算された気体の屈折率に応じて変化させるステップとを備えることを特徴とする。
【００１０】
【作用】
本発明の単一縦モード周波数可変レーザー発振器の発振周波数安定化装置及び方法は、上記のように構成されていることにより、前記測定する手段により異なる時間に測定された圧力及び温度とに基づいて前記気体の屈折率を一定にするための圧力の補正量が計算される。当該計算された圧力の補正量に応じて前記気体の圧力のみが変化させられることにより、気体の屈折率が一定に維持され、その結果発振周波数が一定に維持される。
【００１１】
本発明の周波数掃引可能な単一縦モードレーザー発振装置及び方法は、所望の掃引発振周波数に対応する前記気体の圧力値と屈折率とが逐次計算され、当該逐次計算された圧力値に応じて前記気体の圧力が変化させられる。また、前記の逐次計算された気体の屈折率に応じて単一縦モードを維持するように前記共振器長が変化させられる。更に、前記気体の圧力の変化に起因する前記ビーム拡大手段のレーザー光の屈折角の変化を補正するため、前記周波数選択手段の前記ビーム拡大手段に対して設定された角度が前記の逐次計算された気体の屈折率に応じて変化させられる。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は、本発明の一実施例である単一縦モード周波数可変レーザー発振装置の構成を概略示す図である。図１において、１０は単一縦モードレーザー発振器を、１２はその中に単一縦モードレーザー発振器１０が配設された密閉構造を有する圧力容器を、１４はこの圧力容器１２に充填されているガスをそれぞれ示す。なお、ここでのガスは、空気等を含む種々の気体の総称であり、本実施例では空気である。更に、図１において、１６は圧力容器１２内に充填されたガス１４の圧力及び温度を測定するガス圧力・温度測定部を、１８は圧力容器１２内の圧力を変える圧力変調部を、２０は周波数選択角度を任意の角度に設定するため周波数選択素子を駆動する周波数選択素子駆動部を、２２は単一縦モードレーザー発振器１０の共振器長を変えるための共振器長駆動部を、２４は１６〜２２で示される要素をコントロールするためのパーソナルコンピュータをそれぞれ示す。パーソナルコンピュータ２４は、後述する制御を行う制御プログラムを格納するＲＯＭとワークエリアを有するＲＡＭと、ＲＯＭから読出された制御プログラムを実効するＣＰＵとを含む。
【００１４】
単一縦モードレーザー発振器１０は、グレーティング３０とエタロン３２とを含む周波数選択素子３４と、２つのプリズム３６及び３８とから成るビーム拡大器４０と、両側をガラス４１で挟まれ色素溶液が入れられたレーザー発振媒体４２と、出力カプラー４４とを含む。エタロン３２は、両側にガラス３２１が配設され、中央部には気体を入れる気体貯留部３２２が設けられ、この気体貯留部３２２は外部のガス１４と連通しており、その結果ガス１４と同じものが入っている。
【００１５】
圧力容器１２は、レーザービームを外部に放出するためのウインドウ５０が設けられている。なお、圧力容器１２には、図示されていないが、ポンプ光導入ウインドウとポンプ光集光用レンズも設けられている。グレーティング３０及びエタロン３２のそれぞれには周波数選択素子駆動部２０により駆動されそれぞれの角度を変えるためのステッピングモーター５２及び５４が取り付けられている。出力カプラー４４には、共振器長駆動部２２に駆動され矢印で示されるレーザービームの方向に沿って出力カプラー４４を移動させるピエゾ駆動素子５６が取り付けられている。
【００１６】
単一縦モードレーザー発振器１０の置かれた環境の温度変化によって生じる、３０〜４４によって示される要素の各々の位置変化を最小に抑える為に、これらの要素は、図示されていない膨張係数の小さなスーパーインバーの台に取り付けられている。
【００１７】
圧力変調部１８は、ステッピングモーターと、それにより駆動される圧力シリンダーとで構成されている。当該圧力シリンダーは圧力容器１２に接続されており、圧力シリンダーの内部圧力は、ステッピングモーターによるシリンダーシャフトの回転で変化させる。周波数選択素子駆動部２０は、グレーティング３０及びエタロン３２の周波数選択角度を任意の角度に設定する為それらに取り付けられたステッピングモーター５２及び５４を駆動する。共振器長駆動部２２は、共振器長を変化させる為出力カプラー４４の位置をピエゾ駆動素子５６を駆動して変化させる。周波数選択素子駆動部２０及び共振器長駆動部２２は、レーザー発振周波数の掃引を行う場合必要となる。
【００１８】
初めに、発振周波数を安定化する動作について説明する。図示されていないポンプレーザーからのレーザー光が矢印により示されるレーザービームの方向に対して直交する方向からレーザー発振媒体４２に対して入射されると、グレーティング３０と出力カプラー４４との間にエタロン３２、ビーム拡大器４０及びレーザー発振媒体４２を介して定在波が生じ、レーザー光を発振する。この発振したレーザー光の周波数状態（縦モード）は、圧力容器１２内のガス１４の屈折率変化に依存する。この屈折率は、ガス１４の圧力と温度とが変化すると変化する。従って、ガス１４の圧力と温度が変化しても、単一縦モードからマルチモード（複数の発振周波数状態）に移行させない、いわゆる単一縦モード発振の安定化を行う為には、この屈折率が一定値になるように制御すればよい。そのため、パーソナルコンピュータ２４で得られた屈折率を逐次比較する事で、初期状態からの偏位量を相殺するように圧力変調部１８を用いてガス圧力を変化させて、その屈折率が一定になるように制御する。
【００１９】
詳細には、ガス１４が本実施例のように空気の場合、空気の屈折率はエドレンの式において、標準空気での炭酸ガス含有率を１０％、水蒸気圧を１０Ｔｏｒｒとすると、以下の式で与えられる。
【００２０】
【数１】
【００２１】
波長と発振周波数とは反比例する関係にあるので、この式（１）から屈折率が変化すれば波長即ち発振周波数が変化することが分かる。
【００２２】
また、この式（１）から、圧力及び温度による空気屈折率の変化量は、次式で与えられる。
【００２３】
【数２】
【数３】
【００２４】
また、温度によっても
【数４】
【００２５】
従って、単一縦モードレーザー発振器１０がガス（空気）１４のある圧力と温度の環境下で所望の周波数で発振している場合と、次いで、ガス（空気）１４の圧力及び温度が変化した場合とのそれぞれの場合について、ガス（空気）１４の圧力と温度をガス圧力・温度測定部１６により測定して圧力変化量ΔＰ及び温度変化量ΔＴを求める。次に、求めた圧力変化量ΔＰと温度変化量ΔＴと式（２）とから空気の屈折率の変化量Δηairを求める。この空気屈折率の変化量Δηairを外部から温度を変えることをせずに外部から圧力のみを変化させて相殺するに要する圧力変化量ΔＰは、式（２）において温度一定即ちΔＴ＝０で、先に求めた空気屈折率の変化量Δηairの負のものを代入して求めることができる。
【００２６】
パーソナルコンピュータ２４は、ガス圧力・温度測定部１６で得られた測定圧力及び温度を用いて、上記のようにして、ガス（空気）１４の圧力及び温度が変化しても発振周波数が一定となるのに要する圧力変化量を計算する。圧力変調部１８は、当該計算された圧力変化量に応じてステッピングモータを回転して圧力シリンダーを駆動し、ガス（空気）１４の圧力を所要圧力変化量だけ変化させる。このようにしてガス（空気）１４の屈折率は一定に制御され、その結果発振周波数も一定に制御される。なお、ガス圧力・温度測定部１６による圧力及び温度を測定する間隔は、例えばパーソナルコンピュータ２４から出力されるクロック信号による一定時間間隔でもよく、また圧力及び／又は温度を常時測定して所定量偏倚したときパーソナルコンピュータ２４が取り込むようにしてもよい。
【００２７】
以上述べたようなガス圧力・温度測定部１６、パーソナルコンピュータ２４及び圧力変調部１８から成る本発明の発振周波数安定化装置及び方法は前述した従来の機械掃引法より単一縦モードレーザーの周波数安定化を廉価で簡潔に行うことができ、また従来技術が用いた位相検波法が不要のため従来より短い時間で周波数が安定化する。
【００２８】
次に、発振周波数を掃引する動作について説明する。発振周波数の掃引を行う場合には、圧力変調部１８による圧力変化（従来の圧力掃引法）に同期して、周波数選択素子駆動部２０による角度補正及び共振器長駆動部２２による共振器長補正を行うことで、単一縦モードを維持したまま、発振周波数を変化させることが可能になる。
【００２９】
図２は、共振器長の補正について説明するための発振周波数の掃引の概念図である。図２の参照番号で図１のものと同じものは同一の要素を示す。モード数は、定在波の数を示し、１つの波は波線の一周期で定義する。実効共振器長Ｌeffは、図１のグレーティング３０から出力カプラー４４までのレーザー共振器内の各光学素子を通過するレーザー光の伝播長を真空における値に換算して示した長さである。図中の波線は、レーザー発振器１０内の定在波を示す。ａ）は、モード数＝１１の単一縦モードで発振している初期の状態であると仮定する。四角で囲った固定部１００は、図１において３２１、３６、３８及び４１で示されるガラスの部分の全体とレーザー発振媒体４２の部分との総体に相当し、これらの屈折率はガス圧力の変化に依存しない。発振周波数の掃引を行う為に、圧力のみを増加させていくと固定部１００を除くレーザー共振器内のガスで満たされた部分の屈折率のみが増加し、実効共振器長がｂ）で表されるように長くなる。しかしながら、圧力の増加に伴う実効共振器長の増加のみでは、後述するように、レーザー発振周波数の状態を表すモード数を初期の１１に維持することは出来なく、モード数は１０と１つ減少した値に変化してしまう。ａ）の状態であるモード数＝１１、すなわち初期の単一縦モード発振を維持した状態で周波数掃引を行う為には、モード数１１が必要とする実効共振器長を示すｃ）とｂ）との差△Ｌeffだけ共振器長を補正する必要がある。
【００３０】
単一縦モードレーザー発振器１０内に配置された周波数選択素子３４のグレーティング３０及びエタロン３２の圧力変化による選択周波数の変化は、それぞれ次のように表される。
【００３１】
グレーティング３０について、
【数５】
【数６】
【００３２】
式（５）及び式（６）は、グレーティングとエタロンの波長は同一であることから同一の式となり、従って同一の圧力環境下では、同じ周波数変化を生じる。例えば、波長５７０ｎｍ、温度２０℃におけるこの値は、
【数７】
【００３３】
これに対して、単一縦モードレーザー発振器１０による縦モードの発振周波数νCavityの変化は、
【数８】
【００３４】
波長５７０ｎｍ、温度２０℃でのこの縦モードの発振周波数の変化量の値は、
【数９】
【００３５】
【数１０】
【００３６】
【数１１】
Ｌeff＝ηglassＬglass＋ηairＬair＋ηdyeＬdye （１１）
ここで、Ｌglassは固定部１００のうちのガラスの部分の長さ、即ち、図１において３２１、３６、３８及び４１で示されるガラスの部分の全体の長さである。なお、当該ガラスは通常石英ガラスで作られている。Ｌdyeは図１のレーザー発振媒体４２の入れられている色素溶液の長さである。また、ηglassは石英ガラスの屈折率を、ηdyeは色素溶液の屈折率をそれぞれ表す。
【００３７】
この計算結果から共振器長の補正量は、周波数変化１ＧＨｚ当たり−１１０．０ｎｍと計算される。なお、式（１０）のδＬeffが図２に示されるΔＬeffに相当する。
【００３８】
従って、周波数掃引のためパーソナルコンピュータ２４が指示する圧力の増加（又は減少）方向の変化に応答して圧力変調部１８のステッピングモータが回転して圧力シリンダーが駆動されてガス（空気）１４の圧力が増加（又は減少）へと変化するにつれて即ち同期して、共振器長駆動部２２はパーソナルコンピュータ２４が指示する圧力の増加（又は減少）方向の変化に応答してピエゾ駆動素子５６を駆動し式（１０）に従って出力カプラー４４を有効共振器長が増加（又は減少）するように移動させる。
【００３９】
次に、図３を用いてグレーティング及びエタロンでの発振周波数選択角度の補正について説明する。図３の参照番号で図１のものと同一のものは同一の要素を示す。この補正は、圧力の変化によって生じるビーム拡大器４０でのレーザー光の屈折角変化を相殺する為の補正である。プリズム３８、３６を通過する光の伝播方向は、その入射面及び出射面内外の材質であるガラス３８、３６とガス１４の屈折率比に依存する。周波数を掃引するため圧力を変化させると、前述のようにガス１４の屈折率は変化する。この結果、ビーム拡大器４０から出射する光の出射角度は、初期の状態から異なった角度になる。グレーティング及びエタロンにおいて選択されるレーザー発振周波数は、これらの素子に入射する光の入射角度によっても変化する。図３においては、発振周波数の掃引を開始する初期のレーザー光伝播状態を実線１０２で、掃引中の任意の状態を破線１０４で各々示す。ビーム拡大器４０の出口における両者の差を△θで表す。この△θが補正量となる。このビーム拡大器４０からの出射角度の変化は、グレーティング３０及びエタロン３２への入射角度変化と同一であることから周波数選択角度の補正が必要となる。
【００４０】
周波数選択素子３４における所要の角度補正量は次のようにして求めることが可能である。
【００４１】
異なる媒質中を進む光の屈折角を表すスネルの式は次のとおりである。
【００４２】
【数１２】
ηairｓｉｎθ1＝ηglassｓｉｎθ2 （１２）
ここで、θ1は入射角度を、θ2は屈折角度をそれぞれ表す。
【００４３】
式（１２）から、ビーム拡大器４０を構成する１番目のプリズム３８を透過するレーザー光の圧力変化に伴う屈折角度の変化は、次式のようになる。
【００４４】
【数１３】
【数１４】
【００４５】
この角度変化は、２番目のプリズム３６への入射角度変化を引き起こすので、次式が成り立つ。
【００４６】
【数１５】
【００４７】
これらの式より、ビーム拡大器４０を通過した（即ち２番目のプリズム３６を通過した）レーザー光の圧力変化に伴う屈折角度の変化は、次式のとおりである。
【００４８】
【数１６】
【００４９】
式（１６）より、２番目のプリズム３６の出射面での屈折角度θ4(2nd)の変化は、次式のようになる。
【００５０】
【数１７】
【数１８】
Δηair＝−１．９３８６×１０-6 ／ＧＨｚ （１８）
となり、従って、
【数１９】
Δθ4(2nd)＝１３２μｄｅｇ．／ＧＨｚ （１９）
となる。
【００５１】
従って、周波数掃引時にビーム拡大器４０で生じるこの角度変化を相殺するように、周波数選択素子３４のビーム拡大器４０に対する角度を変化させて補正する必要がある。
【００５２】
詳細には、周波数を掃引するためパーソナルコンピュータ２４が指示する圧力の増加（又は減少）方向の変化に応答して圧力変調部１８のステッピングモータが回転して圧力シリンダーが駆動されてガス（空気）１４の圧力が増加（又は減少）へと変化するにつれて即ち同期して、周波数選択素子駆動部２０は、パーソナルコンピュータ２４が指示する圧力の増加（又は減少）方向の変化に応答してステッピングモータ５２及び５４を駆動して式（１９）に従ってグレーティング３０及びエタロン３２の各角度を変える。
【００５３】
なお、例えばガス１４の温度が一定に保たれるような短い時間内に周波数の掃引を行う場合、即ち、ガス１４の圧力のみで掃引中の発振周波数が決まる場合には、ガス圧力・温度測定部１６は必ずしも必要でなく、パーソナルコンピュータ２４が掃引周波数に対応する所要圧力を計算して、その計算結果の指示値を適時圧力変調部１８、周波数選択素子駆動部２０及び共振器長駆動部２２に付与すればよい。しかし、例えば１時間に１ＧＨｚ掃引するというゆっくりとした掃引の場合には、ガス１４の温度が掃引中に変化するので、その温度変化を加味して圧力変調部１８を制御する必要がある。かかる場合には、掃引中にガス圧力・温度測定部１６によりガス１４の温度を測定して、前述の発振周波数の安定化と同様にパーソナルコンピュータ２４において温度の変化を含めて所望の掃引周波数となる圧力を計算して、圧力変調部１８を制御する。更に、掃引周波数の精度を上げるため、ガス圧力・温度測定部１６により測定された圧力を用いて所望の掃引周波数となる圧力を補正してもよい。
【００５４】
前述したように構成された実施例の実験模式図を図４に示す。図４において、２００は、図１に示される構成を有する単一縦モード周波数可変レーザー発振装置の全体を示し、２０２は図１の単一縦モードレーザー発振器１０に相当する部分を、２０４はその発振したレーザー光の周波数を制御する部分（図１の１６〜２４、及び５２〜５６）を示す。実験においては発振器として、ヘンシュ型単一縦モード色素レーザー発振器を使用している。２１０は、ヘンシュ型単一縦モード色素レーザー発振器２０２を励起させるためのポンプレーザーで、６．５ｋＨｚの高い繰返し数で発振するピークパワーの低い銅蒸気レーザーである。２２０は、ヘンシュ型単一縦モード色素レーザー発振器２０２で発振した色素レーザー光の周波数状態を観測する為のスペクトラムアナライザーである。なお、共振器内ガスとして空気を用いた。また、単一モード発振を行う為に、色素レーザーの共振器長は可能な限り短くしている。
【００５５】
１時間の観測結果から、周波数の安定性は１００ＭＨｚ／時間以下であった。更に、周波数掃引については、約３０ＧＨｚの周波数幅にわたって単一縦モードを維持しつつ、発振周波数を変化させることが可能であった。
【００５６】
この場合の、レーザーの発振周波数に対する色素レーザー共振器内圧力変化、周波数選択素子角度の補正量及び共振器長補正量を図５に示す。図５は、レーザー発振周波数と３つの制御量（色素レーザー共振器内圧力変化、周波数選択素子角度の補正量及び共振器長補正量）の関係を示した図である。実線は、空気温度一定、この場合は２５℃のときのレーザー発振周波数と空気圧力の関係を示す。垂直に引いた破線は、グレーティング及びエタロンの選択角度の補正量を、水平の一点鎖線は、共振器長補正量を示す。７６０Ｔｏｒｒ、０ｍｄｅｇ．、０μｍで示される紙面中央の交点Ａは、周波数掃引を行う際の初期の単一縦モード発振状態を意味する。この交点Ａにおける状態は、中心波長が５７０ｎｍ、グレーティング選択角度が４３．１度、エタロン選択角度が０．８５度、空気圧力が約７７０Ｔｏｒｒ、空気温度が２５℃である。単一縦モード発振状態を維持しつつ、周波数掃引を行う為には実線で示された圧力の変化に同期して、これら３つの補正量を実線に沿って変化させることが必要である。例えば、温度一定において、上記交点Ａにおける発振周波数から１０ＧＨｚ増加の方向に掃引する場合、交点Ａの発振周波数＋約３．７ＧＨｚ（図中のＢ）では、空気圧力を７５０Ｔｏｒｒにし、グレーティング及びエタロンの選択角度を０．５ｍｄｅｇ．増し、共振器長を約０．４μｍ減じ、交点Ａの発振周波数＋約７．１ＧＨｚ（図中のＣ）では、空気圧力を約７３０Ｔｏｒｒにし、グレーティング及びエタロンの選択角度を１．０ｍｄｅｇ．増し、共振器長を約０．８μｍ減じ、交点Ａの発振周波数＋約８．９ＧＨｚ（図中のＤ）では、空気圧力を約７２０Ｔｏｒｒにし、グレーティング及びエタロンの選択角度を約１．２ｍｄｅｇ．増し、共振器長を１．０μｍ減じ、交点Ａの発振周波数＋１０ＧＨｚ（図中のＥ）では、空気圧力を約７１５Ｔｏｒｒにし、グレーティング及びエタロンの選択角度を約１．３ｍｄｅｇ．増し、共振器長を約１．１μｍ減ずる。なお、交点Ａから図中のＥの＋１０ＧＨｚまで掃引する場合、単一縦モード発振を維持するため、図中の制御曲線に従って、空気圧力を減少させるの応じて連続的にグレーティング及びエタロンの選択角度を増し、一方共振器長を減ずる。また、掃引中に温度が変化する場合には、図５には示していないが、図中に空気圧力と発振周波数の関係を示す実線が温度をパラメータにして更に引くことができ、温度変化を考慮した線上を空気圧力を変えつつ、グレーティング及びエタロンの選択角度及び共振器長を変えればよい。
【００５７】
上述したような方法で測定した結果、測定値は以下の表に示すように計算値とほぼ一致した。
【００５８】
【表１】
【００５９】
なお、本発明の実施例の実験にはヘンシュ型共振器を用いているが、本発明は、かかる共振器に適用が限定されることなく、リトロー型等の単一縦モードを発振するいずれの型の共振器にも適用可能である。
【００６０】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されていることにより、以下のような作用効果を奏する。
【００６１】
本発明の単一縦モード周波数可変レーザー発振器の発振周波数安定化装置及び方法は、レーザー共振器内のガスの圧力及び温度から算出されるその屈折率を制御パラメータに用いて、即ち圧力による共振器内ガスの屈折率変化のみを用いて、発振周波数の安定化を図っているため、位相検波法等の複雑なループから成る従来技術より構成が単純で経済的であり、位相検波法が不要のため従来より短時間で周波数が安定化する。
【００６２】
本発明の周波数掃引可能な単一縦モードレーザー発振装置及び方法は、圧力のみを変え、それに同期させて周波数選択素子の選択角度と共振器長の補正を行うことにより発振周波数を掃引しているので、従来技術のような位相検波法が不要で、そのため高速で周波数掃引が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である単一縦モード周波数可変レーザー発振装置の構成を概略示す図である。
【図２】共振器長の補正について説明するための発振周波数の掃引の概念図である。
【図３】グレーティング及びエタロンでの発振周波数選択角度の補正について説明するための図である。
【図４】図１に示される実施例の実験模式図である。
【図５】レーザー発振周波数と３つの制御量（色素レーザー共振器内圧力変化、周波数選択素子角度の補正量及び共振器長補正量）の関係を示した図である。
【符号の説明】
１０：単一縦モードレーザー発振器
１２：圧力容器
１４：ガス
１６：ガス圧力・温度測定部
１８：圧力変調部
２０：周波数選択素子駆動部
２２：共振器長駆動部
２４：パーソナルコンピュータ
３０：グレーティング
３２：エタロン
３４：周波数選択素子
３６，３８：プリズム
４０：ビーム拡大器
４２：レーザー発振媒体
４４：出力カプラー
５２，５４：ステッピングモータ
５６：ピエゾ駆動素子
Claims (6)
- 所定の気体を内部に含む密閉された容器の内部に配置された単一縦モードで発振する周波数可変レーザー発振器の発振周波数を安定化する装置において、
前記気体の圧力及び温度を測定する手段と、
前記測定する手段により異なる時間に測定された圧力及び温度とに基づいて前記気体の屈折率を一定にするための圧力の補正量を計算する手段と、
前記の計算された圧力の補正量に応じて前記気体の圧力を変化させる手段と
を備えることを特徴とする発振周波数安定化装置。 - 所定の気体を内部に含む密閉された容器と、前記容器の内部に配置され単一縦モードで発振する周波数可変レーザー発振器とを有し、
前記周波数可変レーザー発振器は、周波数選択手段と、ビーム拡大手段と、発振媒体手段と、出力結合手段とを含み、かつ前記周波数選択手段に含まれるグレーティングと前記出力結合手段間の光路長により規定される共振器長を有する、レーザー発振装置において、
所望の掃引発振周波数に対応する前記気体の圧力値と屈折率とを逐次計算する手段と、
前記計算する手段により逐次計算された圧力値に応じて前記気体の圧力を変化させる圧力変化手段と、
前記の逐次計算された気体の屈折率に基づいて単一縦モードを維持するように前記共振器長を変化させる手段と、
前記気体の圧力の変化に起因する前記ビーム拡大手段のレーザー光の屈折角の変化を補正するため、前記周波数選択手段の前記ビーム拡大手段に対して設定された角度を前記の逐次計算された気体の屈折率に応じて変化させる手段と
を備えることを特徴とする単一縦モード周波数掃引型レーザー発振装置。 - 請求項２記載の単一縦モード周波数掃引型レーザー発振装置において、
前記気体の圧力と温度とを測定する手段を更に設け、
前記計算する手段が、前記の測定された圧力と温度とに基づいて所望の掃引発振周波数に対応する前記気体の圧力値と屈折率とを逐次計算することを特徴とする単一縦モード周波数掃引型レーザー発振装置。 - 所定の気体を内部に含む密閉された容器の内部に配置された単一縦モードで発振する周波数可変レーザー発振器の発振周波数を安定化する方法において、
前記気体の圧力及び温度を測定するステップと、
異なる時間に測定された圧力及び温度とに基づいて前記気体の屈折率を一定にするための圧力の補正量を計算するステップと、
前記の計算された圧力の補正量に応じて前記気体の圧力を変化させるステップと
を備えることを特徴とする方法。 - 所定の気体を内部に含む密閉された容器と、前記容器の内部に配置され単一縦モードで発振する周波数可変レーザー発振器とを有し、
前記周波数可変レーザー発振器は、周波数選択手段と、ビーム拡大手段と、発振媒体手段と、出力結合手段とを含み、かつ前記周波数選択手段に含まれるグレーティングと前記出力結合手段間の光路長により規定される共振器長を有する、レーザー発振装置を単一縦モードで周波数を掃引する方法において、
所望の掃引発振周波数に対応する前記気体の圧力値と屈折率とを逐次計算するステップと、
前記の逐次計算された圧力値に応じて前記気体の圧力を変化させるステップと、
前記の逐次計算された気体の屈折率に基づいて単一縦モードを維持するように前記共振器長を変化させるステップと、
前記気体の圧力の変化に起因する前記ビーム拡大手段のレーザー光の屈折角の変化を補正するため、前記周波数選択手段の前記ビーム拡大手段に対して設定された角度を前記の逐次計算された気体の屈折率に応じて変化させるステップと
を備えることを特徴とする方法。 - 請求項５記載の方法において、
前記気体の圧力と温度とを測定するステップを更に設け、
前記計算するステップが、前記の測定された圧力と温度とに基づいて所望の掃引発振周波数に対応する前記気体の圧力値と屈折率とを逐次計算することを特徴とする方法。
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