JP3880791B2 - 高精度光周波数マーカ発生方法及びその装置 - Google Patents
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【発明の属する技術分野】
本発明は、出力する光の周波数を安定化する周波数安定化光源に係り、特に、高精度光周波数マーカ発生方法及びその装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の光周波数マーカ発生装置として、以下に示すようなものがあった。
【0003】
I.第1の安定化光源(安定化方法I)
図4はかかる従来の安定化光源のブロック図である。
【0004】
この図において、101は光源、102はビームスプリッタ、103はガスセル、104はガスセル103からの蛍光を検出する光検出器、105は光検出器104からの発光スペクトル104Aが入力され、一次微分信号105Aを出力するロックインアンプ、106はその一次微分信号105Aが入力される加算器、107はロックインアンプ105及び加算器106にタイミング信号を印加する発振器である。
【0005】
図4において、
(1)特定の気体(一般には、透明な容器に閉じ込められた気体の状態で、吸収セル、蛍光セル、ガスセルなどと称している)に、ある光源の光を入射させると、気体は固有の周波数を有する光を吸収する。
【0006】
(2)吸収時に得られる吸収スペクトルまたは蛍光スペクトルを検出する。
【0007】
(3)検出したスペクトルをレーザの周波数を制御する信号(これを周波数弁別信号と称する)として、その光源から出力される光の周波数を、その吸収周波数に一致するように制御して、光の周波数を安定化する。
【0008】
図4では、光検出器104で検出した発光スペクトル104Aをロックインアンプ105を用いて1次微分信号105Aに変換し、これを周波数弁別信号としている。
【0009】
しかし、上記した従来の安定化方法Iは、以下の点において問題がある。
【0010】
(a)周波数を特定の周波数(絶対的に決まる周波数)に安定化できるが、安定化する周波数範囲を広げることはできない。すなわち、安定化できる周波数は、気体に固有の周波数に限定される。
【0011】
(b)一般的に光源の周波数は、ある一定の安定度で揺らいでいる。光源の周波数の安定度に比べて吸収周波数が極めて狭い範囲にあるときは、安定化点に光源の周波数を設定するのが困難である(一度設定してしまえば、安定化し続けることができる)。したがって、事前に光源が吸収信号を容易に見い出せる程度に安定化されていることが望ましい。
【0012】
II. 第2の安定化光源(安定化方法II)
(1)光学的な共振器(一般にファブリペロー共振器が使われる)に、ある光源より発する光を透過させると、光源の周波数変化に対して、周期的な透過特性が得られる。すなわち、共振器長から決まる一定の周波数間隔の光のみ透過する。この一定の周波数間隔の透過光を光検出器にて電気信号に変換したものを光周波数マーカと称する。図5にその光周波数マーカを示す。この図において、横軸は光周波数、縦軸はスペクトル強度を示しており、111は共振器の透過信号(周波数マーカ)である。
【0013】
(2)その透過したときに得られる光を光検出器にて電気信号に変換して、アンプおよびPID制御部を通し、光源の周波数を透過周波数に一致させるようにして、光の周波数を安定化する。この方法は安定化点をいくつも見出すことができ、上記I(b)を克服したものになっていると考えられる。
【0014】
しかし、上記した従来の安定化方法IIは、以下の点において問題がある。
【0015】
(a)光の周波数を一定の周波数間隔(相対的な周波数)で安定化できるが、周波数を特定することができない(絶対周波数が決まらない)。
【0016】
(b)共振器長と屈折率の変化により、周波数が変化してしまう。
【0017】
III.上記I、IIを改善した安定化光源(安定化方法III )−その1−(例えば、特開平6−140709号公報参照)
(1)上記I,IIの手法を組み合わせる。すなわち、ファブリペロー共振器は、その片側の反射ミラーの位置を駆動できる制御装置を有し、その共振器長を可変できるものとする。
【0018】
(2)その透過したときに得られる光を光検出器にて電気信号に変換して、アンプおよびPID制御部を通し、1次微分信号を得て、これを弁別信号としてファブリペロー共振器の片側反射ミラーの位置を制御する駆動装置にフィードバックし、共振器長を制御する。
【0019】
(3)この状態で、安定化したい第2の光源を共振器に透過させ、上記IIの方法で、第2の光源を安定化する。
【0020】
(4)これにより、ガスセルによる吸収周波数と、共振器の透過スペクトルの1つの周波数とが一致することになる。
【0021】
図6にその光源安定化方法III を示す。
【0022】
この図6において、121は共振器の透過信号、122はガスセルの吸収または発光信号である。
【0023】
しかし、この方法は、以下の点において問題がある。
【0024】
(a)この方法は、共振器長と屈折率が固定されているとの前提に基づいている。しかし、実際には厳密にそれらを固定することは不可能である。図6に示すのように、安定化点におけるファブリペロー共振器の透過信号121(−3,…,0,…3)にナンバリングした場合に、0番目の透過信号121の周波数はガスセルのスペクトルの周波数と一致しており確定されている。
【0025】
一方、m番目の周波数は共振器長をd,光速をcとすると、(0番目の周波数)+(c/2d)×mで計算される。現実には共振器長dは温度により変化する。また、光の波長は屈折率nに依存し、屈折率nは空気の温度,密度,湿度に依存する〔屈折率nを考慮し真空中の値に換算した共振器長を実効的共振器長と定義すると(実効的共振器長)=(波長÷2)×(屈折率)×(整数)となる〕。
【0026】
(b)また、ある時点の共振器長dと屈折率nが固定されているとの前提に立っても、それらを正確に知る術がなく、したがって、求めた周波数間隔には、ある程度の誤差を含む。すなわち第1のレーザ周波数が、安定化した第2のレーザ周波数より離れれば離れるほど,誤差が大きくなる。
【0027】
IV. 上記I,IIを改善した安定化光源(安定化方法IV)−その2−(1999第60回応用物理学学術講演会2p−K−12参照)
図7は従来の光源安定化方法IVを説明するブロック図、図8は光源安定化方法IVの詳細説明図である。
【0028】
これらの図において、201はレーザ、202はビームスプリッタ、203はファブリペロー共振器、204は反射ミラー、205はRb,ref,AFC(2光子Rbセル、ロックインアンプ、発振器)、206はファブリペロー共振器203の反射ミラーM1を駆動するPZT(圧電素子)ドライバー、207はPZT(圧電素子)、208はF.P.ref.AFC(光検出器,ロックインアンプ、発振器)である。
【0029】
また、図8において、205のRb,ref,AFCは2光子Rbセル205Aとロックインアンプ205Bと発振器205Cからなっている。また、208のF.P.ref.AFCは、光検出器208A、ロックインアンプ208B,発振器205Cからなっている。その他の点は、図7と同様である。
【0030】
(1)まず、上記安定化方法IIでレーザを安定化する。上記安定化方法IIの手法で安定化したレーザは共振器203の反射ミラーM1を制御することにより、レーザ周波数を可変にすることができる。
【0031】
(2)分岐手段(ビームスプリッタ202)によって、光の一部を取り出し、固有の周波数にて光を吸収するガスセルなどを透過させる。
【0032】
(3)上記(1)の手法によって、光の周波数を上記(2)の固有の周波数に一致させるように、ファブリペロー共振器203の反射ミラーM1を制御する。
【0033】
この安定化方法IVは、上記安定化方法III と同等の問題点がある。但し、上記安定化方法III に比べて、以下の点で有利である。すなわち、上記安定化方法III は安定化光源を実現するところは上記安定化方法Iの方法によっているが、本方法では、すでにI(b)の問題点を克服している。
【0034】
【発明が解決しようとする課題】
上記からも明らかなように、0.78μm領域には、10-11 の精度で周波数が決定されているRbの二光子共鳴線が存在するが、この領域には連続的な周波数標準は存在しない。本発明は、波数精度10-10 の連続的な標準スペクトルを発生させることができる光周波数マーカ発生装置に関するものである。従来の方法として、高精度でレーザ周波数を掃引するには、原子や分子の吸収スペクトルに周波数ロックしたマスターレーザを用意し、別のスレーブレーザをヘテロダイン法によりマイクロ波制御装置の精度でオフセットロックしながらマイクロ波周波数を掃引する。しかし、そのマスターレーザの周波数は、原子分子などの高確度な標準スペクトルの存在する波長領域に限定される。また、近赤外線領域を基本波とした非線形光学結晶を用いての高調波の発生法(光コムジェネレータ)や、パラメトリック発振を用いて赤外光を発生させるなどの方法もあるが、安定に発生させるには技術(熟練)を要する。
【0035】
本発明は、上記状況に鑑みて、近赤外線領域において、絶対周波数の確定したフリンジ信号を発生させることができる高精度光周波数マーカ発生方法及びその装置を提供することを目的とする。
【0036】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、 〔1〕高精度光周波数マーカ発生方法において、第1の半導体レーザ(1)の出射光をファブリペロー共振器(3)に入射し、第1の光検出器(7)を介して得られるフリンジ信号を誤差信号として第1の半導体レーザ(1)に帰還することで前記ファブリペロー共振器(3)で前記第1の半導体レーザ(1)を安定化し、この状態で、Rbの2光子スペクトル〔5D5/2 (Fe=4)←5S1/2 (Fg=2)〕による誤差信号として前記ファブリペロー共振器(3)の第1のミラー(M1)を駆動する第1のPZT(6)に帰還し、2光子スペトクルで前記ファブリペロー共振器(3)の第1のミラー(M1)の位置を安定化し、さらに、前記ファブリペロー共振器(3)の第1のミラー(M1)を前記第1の半導体レーザ(1)で安定化した状態で、第2の半導体レーザ(11)の出射光を前記ファブリペロー共振器(3)に入射し、第2の光検出器(17)を介して得られるフリンジ信号に第2の半導体レーザを安定化し、Rbの2光子スペクトル〔5D3/2 (Fe=3)←5S1/2 (Fg=1)〕による1次微分信号を誤差信号として前記ファブリペロー共振器の第2のミラー(M2)を駆動する第2のPZT(16)に帰還し、前記ファブリペロー共振器(3)の第2のミラー(M2)の位置を安定化することを特徴とする。
【0037】
〔2〕上記〔1〕記載の高精度光周波数マーカ発生方法において、前記ファブリペロー共振器に第3のレーザを透過させることにより、得られる透過信号の絶対周波数を確定することを特徴とする。
【0038】
〔3〕高精度光周波数マーカ発生装置において、(a)第1の半導体レーザ(1)と、(b)この第1の半導体レーザ(1)の出射光を入射する2枚の第1のミラー(M1)と第2のミラー(M2)を有するファブリペロー共振器(3)と、(c)このファブリペロー共振器(3)から第1の光検出器(7)を介して得られるフリンジ信号を誤差信号として前記第1の半導体レーザ(1)に帰還し、この第1の半導体レーザ(1)を安定化する手段と、(d)前記ファブリペロー共振器(3)の第1のミラー(M1)を駆動する第1のPZT(6)と、(e)第2の半導体レーザ(11)と、(f)前記ファブリペロー共振器(3)の第2のミラー(M2)を駆動する第2のPZT(16)とを備え、(g)上記(c)の状態で、Rbの2光子スペクトル〔5D5/2 (Fe=4)←5S1/2 (Fg=2)〕による1次微分信号を誤差信号として前記ファブリペロー共振器(3)の第1のミラー(M1)を駆動する第1のPZT(6)に帰還し、2光子スペトクルで前記ファブリペロー共振器(3)の第1のミラー(M1)の位置を安定化する手段と、(h)さらに、前記ファブリペロー共振器(3)の第1のミラー(M1)を第1の半導体レーザ(1)で安定化した状態で、第2の半導体レーザ(11)の出射光をファブリペロー共振器(3)に入射し、第2の光検出器(17)を介して得られるフリンジ信号に安定化する手段と、(i)Rbの2光子スペクトル〔5D3/2 (Fe=3)←5S1/2 (Fg=1)〕による1次微分信号を誤差信号として前記ファブリペロー共振器(3)の第2のミラー(M2)の第2のPZT(16)を駆動し、前記ファブリペロー共振器(3)の第1のミラー(M1)の位置と第2のミラー(M2)の位置を同時に安定化する手段を具備することを特徴とする。
【0039】
〔4〕上記〔3〕記載の高精度光周波数マーカ発生装置において、第3のレーザと光検出器を設け、前記第3のレーザの出射光を前記ファブリペロー共振器を透過させ、得られる透過信号の絶対周波数を確定する手段を具備することを特徴とする。
【0040】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【0041】
図1は本発明の実施例を示す高精度光周波数マーカ発生(共振器長安定化)装置のブロック図である。
【0042】
第1の半導体レーザ1の出射光をビームスプリッタ2を介してファブリペロー共振器3に入射し、光検出器7で得られるフリンジ信号による1次微分信号を誤差信号として第1の半導体レーザ1に帰還することで、ファブリペロー共振器3で第1の半導体レーザ1を安定化する。4はRb.ref.AFC(2光子Rbセル.ロックインアンプ・発振器)である。
【0043】
この状態で、Rbの2光子スペクトル〔5D5/2 (Fe=4)←5S1/2 (Fg=2)〕による1次微分信号を誤差信号としてファブリペロー共振器3の第1のミラーM1を駆動する第1のPZTドライバー5により第1のPZT6に帰還し、2光子スペトクルでファブリペロー共振器3の第1のミラーM1位置を安定化する。
【0044】
さらに、ファブリペロー共振器3の第1のミラーM1を第1の半導体レーザ1で安定化した状態で、第2の半導体レーザー11の出射光をファブリペロー共振器3に入射し、光検出器17で得られるフリンジ信号に安定化し、Rbの2光子スペクトル〔5D3/2 (Fe=3)←5S1/2 (Fg=1)〕による1次微分信号を誤差信号としてファブリペロー共振器3の第2のミラーM2の位置を安定化する。すなわち、ファブリペロー共振器3の2枚の第1のミラーM1と第2のミラーM2を第1の半導体レーザ1と第2の半導体レーザ11の2台で同時に安定化することにより、所定の条件を満足することができる。14はRb.ref.AFC(2光子Rbセル・ロックインアンプ・発振器)、8,18はロックインアンプ、9は発振器、2,12はビームスプリッタ、15は第2のPZTドライバー、16は第2のPZTである。
【0045】
図2は本発明の実施例を示すガスセルの信号と共振器の透過信号の周波数の関係を示す図である。
【0046】
この図において、21は共振器の透過信号、22は安定化周波数f1 、23は安定化周波数f2 、24,25はガスセルの吸収または発光信号である。
【0047】
図2から明らかなように、安定化される周波数が2点得られることになり、共振器の透過信号に絶対周波数が与えられる。すなわち、第3のレーザを透過させること(後述)により、得られる透過信号は絶対周波数が確定する。
【0048】
図3はその第3のレーザによる絶対周波数の確定した透過スペクトルの発生を示す装置の構成図である。図1と同様の部分には同じ符号を付してそれらの説明は省略する。図3において、31は第3の半導体レーザ、32は第3の光検出器である。
【0049】
具体的には、上記した高精度光周波数マーカ発生(共振器長安定化)装置のファブリペロー共振器3に、第3のレーザ31を透過させ、第3の光検出器32で検出する。
【0050】
ファブリペロー共振器3の片側のミラーM1の位置を第1の半導体レーザ1によりRbの2光子スペクトル〔5D5/2 (Fe=4)←5S1/2 (Fg=2)〕を参照周波数として安定化する。もう一方の反射ミラーM2の位置を第2の半導体レーザ11により〔5D3/2 (Fe=3)←5S1/2 (Fg=1)〕を参照して同時に安定化する。
【0051】
例えば、共振器長dを調整し、Δm・c/2d=f1 −f2 =41011.222MHz(Δm;整数,c;光速)を満たす条件を求めた。
【0052】
Δm=28,d=10.234cmで安定点が得られたので、検出したRbの2光子スペクトルから得られる誤差信号を反射ミラーを駆動する圧電素子(PZT)16に帰還し、共振器を安定化した。これにより、この共振器によって得られる透過信号の周波数は、f=f1 ±m×1464.6865MHzとなる。
【0053】
なお、上記実施例では、フリンジ信号による1次微分信号を誤差信号として示したが、実際には、誤差信号(ゼロクロス信号)であればよく、1次微分信号だけでなく、3次微分信号や、デジタル的に処理した信号などを用いるようにしてもよい。ただし、高次になると、強度が小さくなり、S/N比が悪くなるため、通常は1次または3次を用い、5次以上はあまり使わない。
【0054】
また、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【0055】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【0056】
(A)絶対周波数の確定したフリンジ信号を発生させることができる。
【0057】
これによって、広帯域可変波長レーザの周波数を計測することができる。
【0058】
(B)近赤外領域において絶対波数の確定した周波数マーカを容易に発生させることができる。
【0059】
(C)レーザ周波数を絶対周波数の確定した周波数マーカで安定化できることから、広い範囲にわたって、かつ絶対周波数の確定した安定化光源を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例を示す高精度光周波数マーカ発生(共振器長安定化)装置のブロック図である。
【図2】 本発明の実施例を示すガスセルの信号と共振器の透過信号の周波数の関係を示す図である。
【図3】 本発明にかかる第3のレーザによる絶対周波数の確定した透過スペクトルの発生を示す装置の構成図である。
【図4】 従来の安定化光源のブロック図である。
【図5】 従来の光周波数マーカ(ファブリペロー共振器の透過信号)を示す図である。
【図6】 従来の光源安定化方法III の説明図である。
【図7】 従来の光源安定化方法IVを説明するブロック図である。
【図8】 従来の光源安定化方法IVの詳細説明図である。
【符号の説明】
1 第1の半導体レーザ
2,12 ビームスプリッタ
3 ファブリペロー共振器
4,14 Rb.ref.AFC
5 第1のPZTドライバー
6 第1のPZT
7,17 光検出器
8,18 ロックインアンプ
9 発振器
11 第2の半導体レーザー
15 第2のPZTドライバー
16 第2のPZT
M1 第1のミラー
M2 第2のミラー
21 共振器の透過信号
22 安定化周波数f1
23 安定化周波数f2
24,25 ガスセルの吸収または発光信号
31 第3の半導体レーザ
32 第3の光検出器
Claims (4)
- (a)第1の半導体レーザの出射光をファブリペロー共振器に入射し、第1の光検出器を介して得られるフリンジ信号を誤差信号として第1の半導体レーザに帰還することで前記ファブリペロー共振器で前記第1の半導体レーザを安定化し、
(b)この状態で、Rbの2光子スペクトル〔5D5/2 (Fe=4)←5S1/2 (Fg=2)〕による誤差信号として前記ファブリペロー共振器の第1のミラーを駆動する第1のPZTに帰還し、2光子スペトクルで前記ファブリペロー共振器の第1のミラーの位置を安定化し、
(c)さらに、前記ファブリペロー共振器の第1のミラーを前記第1の半導体レーザで安定化した状態で、第2の半導体レーザの出射光を前記ファブリペロー共振器に入射し、第2の光検出器を介して得られるフリンジ信号に第2の半導体レーザを安定化し、
(d)Rbの2光子スペクトル〔5D3/2 (Fe=3)←5S1/2 (Fg=1)〕による1次微分信号を誤差信号として前記ファブリペロー共振器の第2のミラーを駆動する第2のPZTに帰還し、前記ファブリペロー共振器の第2のミラーの位置を安定化することを特徴とする高精度光周波数マーカ発生方法。 - 請求項1記載の高精度光周波数マーカ発生方法において、前記ファブリペロー共振器に第3のレーザを透過させることにより、得られる透過信号の絶対周波数を確定することを特徴とする高精度光周波数マーカ発生方法。
- (a)第1の半導体レーザと、
(b)該第1の半導体レーザの出射光を入射する2枚の第1のミラーと第2のミラーを有するファブリペロー共振器と、
(c)該ファブリペロー共振器から第1の光検出器を介して得られるフリンジ信号を誤差信号として前記第1の半導体レーザに帰還し、該第1の半導体レーザを安定化する手段と、
(d)前記ファブリペロー共振器の第1のミラーを駆動する第1のPZTと、
(e)第2の半導体レーザと、
(f)前記ファブリペロー共振器の第2のミラーを駆動する第2のPZTとを備え、
(g)上記(c)の状態で、Rbの2光子スペクトル〔5D5/2 (Fe=4)←5S1/2 (Fg=2)〕による1次微分信号を誤差信号として前記ファブリペロー共振器の第1のミラーを駆動する第1のPZTに帰還し、2光子スペトクルで前記ファブリペロー共振器の第1のミラーの位置を安定化する手段と、
(h)さらに、前記ファブリペロー共振器の第1のミラーを第1の半導体レーザで安定化した状態で、第2の半導体レーザの出射光をファブリペロー共振器に入射し、第2の光検出器を介して得られるフリンジ信号に安定化する手段と、
(i)Rbの2光子スペクトル〔5D3/2 (Fe=3)←5S1/2 (Fg=1)〕による1次微分信号を誤差信号として前記ファブリペロー共振器の第2のミラーの第2のPZTを駆動し、前記ファブリペロー共振器の第1のミラーの位置と第2のミラーの位置を同時に安定化する手段を具備することを特徴とする高精度光周波数マーカ発生装置。 - 請求項3記載の高精度光周波数マーカ発生装置において、第3のレーザと光検出器を設け、前記第3のレーザの出射光を前記ファブリペロー共振器を透過させ、得られる透過信号の絶対周波数を確定する手段を具備することを特徴とする高精度光周波数マーカ発生装置。
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