JP3969666B2 - 波長可変レーザー装置 - Google Patents

Description

本発明は、ウラン等の同位体分離、ウラン等原子、分子の密度計測、核燃料再処理における元素分離、大気環境計測、及び分光計測に使用される波長可変レーザー装置の改良に関するものである。さらに詳細には、本発明は、安定な周波数標準にロックした状態でレーザー光の周波数を変化させることができる波長可変レーザー装置に関する。

一般に、同位体分離や原子、分子の密度計測、また分光計測等に用いられるレーザー装置は、分離や計測の対象となる同位体や原子の共鳴周波数に、精密にレーザー周波数を同調させ、しかもレーザー光の周波数を安定化させる必要がある。そこで、従来のレーザー装置では、色素レーザー等の周波数可変レーザーの発振周波数を波長計等で測定し、その結果をレーザー装置の発振周波数にフィードバックをかけたり（第１の従来技術）、原子や分子の共鳴周波数やファブリ・ペロー共振器等にレーザー周波数をロックさせることにより（第２の従来技術）、レーザー光の周波数を安定化していた。

しかしながら、第１の従来技術にあっては、周波数を同定するために利用する波長計が非常に高価であるため、コストが高くなり、かつ周波数精度がそれほど高くないため、安定度が悪いという欠点がある。

また、第２の従来技術にあっては、周波数精度や安定度は高いが、安定な原子・分子やファブリ・ペロー共振器の共鳴周波数が飛び飛びの値にしか存在しないので、レーザー周波数を飛び飛びの値でしか安定できないという欠点がある。

さらに、第２の従来技術にあっては、レーザー光の周波数をロックした状態でレーザー光の周波数を変化させることができないという欠点もある。

加えて、第２の従来技術の場合には、ウラン等の放射性物質の同位体分離や密度計測の場合には、放射性物質を取り扱う必要があるが、その取り扱いが困難であるため、その分光や同位体分離を行うときに、その物質自体を封入したセルを周波数標準に用いることは困難であるという欠点がある。

さらにまた、周波数標準セル内の物質は通常安定状態にあるので、他段階の励起を行う場合、ある励起レベルからさらに上順位のレベルまで励起するために必要なレーザー周波数を安定化するためには、別の独立した周波数基準が必要となる欠点があった。さらにこの場合、周波数標準セル内の原子を全て、目的とする励起レベルにしておくことが必要であり、このような周波数標準セルを作ることは実際には不可能である。

本発明は、周波数精度及び安定度が高く、しかも任意の値で周波数安定化が可能で、かつ安定な周波数標準にロックしたままレーザー周波数を可変できる波長可変レーザー装置を提供することを目的としている。また、本発明は、このような波長可変レーザー装置を小型かつ低コストで提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、請求項１記載の発明に係る波長可変レーザー装置は、シングルモードでかつ周波数可変のレーザー光を発生するレーザー光発生手段と、レーザー光発生手段からのレーザー光を変調周波数で変調することによりキャリア並びに当該キャリアの高周波側及び低周波側にサイドバンドの発生したレーザー光にする光変調手段と、共振器長が安定なファブリ・ペロー共振器からなり光変調手段からのサイドバンドを安定な周波数標準にロックする周波数標準手段とを備え、光変調手段に印加する変調周波数を変化させ、該変調周波数の変化に追随してレーザー光発生手段の発振周波数の制御パラメータが変化してキャリアの周波数が変化する際に、制御パラメータが逆方向に変化しないように設定され、他方のサイドバンドにロックが移行することにより高周波側サイドバンドと低周波側サイドバンドとを交互に安定な周波数標準にロックするようにしている。ここで、光変調手段としては、進行波型の電気光学素子または音響光学素子の使用が好ましい。

したがって、請求項１記載の発明では、シングルモードの波長可変レーザー光を光変調手段を通過させ、これによって発生するサイドバンドを安定な周波数標準手段にロックすることによって、波長可変レーザー光のキャリア周波数を安定な周波数標準以外の周波数で安定化することが可能となる。このとき、キャリアとサイドバンドの周波数差は光変調手段の変調周波数で精密に制御が可能であるので、キャリアをそのままロックした場合に比べ、周波数安定度は落ちない。また、波長可変レーザー光の周波数と光変調手段の変調周波数を同時に制御することにより、レーザー光を周波数標準にロックしたまま、レーザー光のキャリア周波数を変化させることができる。

また、請求項１記載の発明では、周波数標準手段として、共振器長が安定なファブリ・ペロー共振器を用いるようにしている。この場合、安定な周波数標準としてファブリ・ペロー共振器を用いるため、ファブリ・ペロー共振器の共振器長で決まるＦＳＲ（Free Spectral Range）ごとの周波数基準が存在する。したがって、光変調手段の変調周波数帯域が、ファブリ・ペロー共振器のＦＳＲの半分以上であれば、ファブリ・ペロー共振器の飛び飛びの周波数基準の間の値においてもレーザー周波数の安定化が可能となり、これにより、任意の周波数でレーザー周波数の安定化が可能となる。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の波長可変レーザー装置において、周波数標準手段として、絶対周波数が既知である周波数のレーザー光を発生する周波数安定化レーザー光発生装置と、この周波数安定化レーザー光発生装置からのレーザー光にロックすることにより共振器長が安定化されたファブリ・ペロー共振器とを用いるようにしている。

したがって、周波数標準となるファブリ・ペロー共振器の共振器長を長時間安定化することができ、これにより、レーザー周波数の長時間の安定化が可能となる。このとき、光変調手段の変調周波数帯域が、ファブリ・ペロー共振器のＦＳＲの半分以上あれば、ファブリ・ペロー共振器の飛び飛びの周波数基準の間の値においてもレーザー周波数の安定化が可能となり、これにより、任意の周波数でレーザー周波数の安定化が可能となる。

また、請求項３記載の発明に係る波長可変レーザー装置は、シングルモードでかつ周波数可変のレーザー光を発生するレーザー光発生手段と、レーザー光発生手段からのレーザー光を変調周波数で変調することによりキャリア並びに当該キャリアの高周波側及び低周波側にサイドバンドの発生したレーザー光にする光変調手段と、絶対周波数が既知である周波数のレーザー光を発生する周波数安定化レーザー光発生装置及び周波数安定化レーザー光発生装置からのレーザー光にロックすることにより共振器長が安定化されたファブリ・ペロー共振器からなり光変調手段からのサイドバンドを安定な周波数標準にロックする周波数標準手段と、レーザー光発生手段及び周波数安定化レーザー光発生装置からの各レーザー光を取込み、レーザー光発生手段からのレーザー光の周波数を測定する周波数測定装置とを備え、光変調手段に印加する変調周波数を変化させ、該変調周波数の変化に追随してレーザー光発生手段の発振周波数の制御パラメータが変化してキャリアの周波数が変化する際に、制御パラメータが逆方向に変化しないように設定され、他方のサイドバンドにロックが移行することにより高周波側サイドバンドと低周波側サイドバンドとを交互に安定な周波数標準にロックするようにしている。

したがって、周波数測定装置により絶対周波数が確認できるため、目的とする原子・分子の共鳴周波数へのレーザー周波数の同調が容易になる。この場合、周波数基準になるレーザー光は、絶対周波数が既知である周波数安定化レーザー光発生装置からのレーザー光を用いればよいので、波長計を別途用いる必要はない。また、絶対周波数の精度は、それほど高くなくても、だいたいの周波数が確認できれば、目的とする原子や分子にレーザー光を照射した状態でレーザー周波数を微調し、共鳴する周波数においてレーザー周波数をロックすればよい。

ここで、請求項３記載の周波数測定装置は、請求項４記載のように、マイケルソン干渉計であることが好ましい。この場合、周波数測定が簡単にできる。

また、請求項５記載の発明は、請求項２記載の波長可変レーザー装置において、レーザー光発生手段からの周波数可変のレーザー光と周波数安定化レーザー光発生装置からの絶対周波数が既知のレーザー光とを干渉させて、そのビート周波数によりお互いの周波数差を求める手段を付加するようにしている。

この場合、まず、光変調手段に変調周波数を加えることにより、波長可変レーザーの発振周波数にサイドバンドを発生させる。そのサイドバンドをファブリ・ペロー共振器にロックし、キャリア周波数を前記絶対周波数が既知である周波数安定化レーザー光発生装置からのレーザー光の発振周波数に近づけて干渉させ、そのビート周波数を測定する。これにより、その時の波長可変レーザーの絶対周波数が確認できる。この後、サイドバンドの発生を停止し、キャリア周波数を目的とする原子・分子の共鳴周波数付近まで変化させ、このときのファブリ・ペロー共振器を通過する光信号の数を数える。この後、再び光変調手段に変調周波数を加えることにより、波長可変レーザーの発振周波数に再びサイドバンドを発生させる。そのサイドバンドをファブリ・ペロー共振器にロックし、光変調手段の変調周波数を調整することにより、キャリア周波数を目的とする原子・分子の共鳴周波数に同調させる。以上の過程において得られる、ビート周波数、ファブリ・ペロー共振器のＦＳＲ、ファブリ・ペロー共振器を通過する光信号の数、光変調手段の変調周波数により、絶対周波数の測定が可能になる。

更に、請求項６記載の発明の波長可変レーザー装置は、請求項１から５のいずれかに記載の波長可変レーザー装置からの出力レーザー光を、色素レーザーや固体レーザー等の高出力パルス発振が可能で周波数可変のレーザー光発生装置にインジェクションシーディングを行うようにしている。

この場合、請求項１〜５記載の周波数の安定化された連続発振の波長可変レーザー光と同程度に精密に周波数制御されたパルスレーザー光を得ることができる。しかも、この周波数制御されたパルスレーザー光は、前記色素レーザー、固体レーザー等のレーザー光発生装置から元々発生しうる出力と同程度であるため、高出力化も可能である。

以上説明したように請求項１記載の発明に係る波長可変レーザー装置は、次のような効果がある。
（１）安定な周波数基準にロックしたまま、レーザー周波数を変化させることができる。
（２）この波長安定化レーザー装置では、大型で高価な波長計を用いないため、小型でコストを安くすることができる。
（３）この波長可変レーザー装置においては、周波数の制御はすべて電気的に行うことができるので、取り扱いが容易で、かつ高い周波数の安定化が可能である。

請求項１記載の発明では、さらに、レーザー光発生手段が発振しうる任意の周波数において、レーザー周波数の安定化が可能である。

請求項２記載の発明では、請求項１記載の作用効果に加えて、
（１）長時間ファブリ・ペロー共振器の共振器長を安定化することができ、長時間安定な周波数基準を得ることができる。
（２）レーザー光発生手段に変調信号を印加していないので、レーザー周波数の安定度が高い。

請求項３記載の発明では、請求項１記載の作用効果に加えて波長計が不要になる。

請求項４記載の発明では、周波数の測定が容易である。

請求項５記載の発明では、波長可変レーザー光の周波数が連続して変化する範囲において絶対周波数が分かる。

請求項６記載の発明では、上記発振周波数の安定化された連続発振の波長可変レーザー光と同程度に精密に周波数制御されたパルスレーザー光を得ることができ、しかも、この周波数制御されたパルスレーザー光が元々の波長可変レーザーから発生しうる出力と同程度であるため高出力化も可能である。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の一形態に基づいて詳細に説明する。

なお、実施形態を挙げて以下詳細に説明する。本発明は、以下の５つからなる。
（１）第１の発明は、レーザー光の周波数を、目的とする原子・分子の共鳴周波数に安定化する構成に関するものであり、第１の実施の形態、第２の実施の形態がこれに該当する。
（２）第２の発明は、周波数基準にロックしたまま、波長可変レーザー光の周波数を広い帯域で連続的に変化させる構成に関するものであり、第３の実施の構成がこれに該当する。
（３）第３の発明は、波長可変レーザー光の周波数を測定するものであり、第４の実施の形態、第５の実施の形態がこれに該当する。また、第４の実施の形態は、波長可変レーザー光の周波数を計測するものである。第５の実施の形態は、波長可変レーザー光の周波数が連続的に変化する範囲において、絶対周波数が分かるものである。
（４）第４の発明は、原子・分子のそれぞれの吸収帯の周波数差を正確に求めるものであり、第６の実施の形態がこれに該当する。
（５）第５の発明は、上述の（１）〜（４）の発明で得られる連続発振の波長可変レーザー光を利用して、それと同程度に精密に周波数制御されたパルスレーザー光を得る構成に関するものであり、第７の実施の形態がこれに該当する。

〔第１の実施の形態〕
図１に、本発明に係る波長可変レーザー装置の第１の実施の形態を示す。この図において、波長可変レーザー装置１は、大別して、レーザー光発生手段３と、光変調手段５と、周波数標準手段７及び補助部品９とから構成されている。

そして、レーザー光発生手段３は、シングルモードでかつ周波数可変のレーザー光を発生するものである。また、光変調手段５は、レーザー光発生手段３からのレーザー光を変調周波数で変調することによりキャリアとこのキャリアの高周波側及び低周波側にサイドバンドを発生させたレーザー光にするものである。例えば進行波型の電気光学変調器で構成可能であり、前記レーザー光発生手段３からのレーザー光を変調周波数ｆm で変調することにより、キャリアＶ₀ と当該キャリアＶ₀ の低周波側及び高周波側にサイドバンドＶ_L1，Ｖ_H1の発生したレーザー光にする。また、この光変調手段５には、例えば、直流（ＤＣ）〜１．０〔ＧHz〕の変調周波数ｆm を印加できるようになっている。さらに、前記周波数標準手段７は、前記光変調手段５からのサイドバンドＶ_L1（またはＶ_H1）を安定な周波数標準にロックするような構成としてある。また、前記補助部品９には、光アイソレータ９１、ミラー９２、９３等からなる。光アイソレータ９１は、レーザー光発生手段３から出力するレーザー光を通し、かつ外部からのレーザー光をレーザー光発生手段３に入射しないようになっている。ミラー９２は、レーザー光発生手段３からのレーザー光の一部を直角に反射するとともに、他の一部を通過させてレーザー光出力とする。ミラー９３は、レーザー光を全反射させる。

前記レーザー光発生手段３の出力部分の前部には、光アイソレータ９１が配置されている。この光アイソレータ９１のさらに図示左側には、ミラー９２が配置されている。ミラー９２、９３の間には、光変調手段５が配置されている。また、ミラー９３の図示右側には、周波数標準手段７が配置されている。

この波長可変レーザー装置１は、各構成要素を上述したように配置し、かつ前記光変調手段５に加える変調周波数ｆm 及び前記レーザー光発生手段３から発生するレーザー光の周波数を同時に制御してレーザー光のキャリアＶ₀ とサイドバンドＶ_L1（またはＶ_H1）の周波数差を制御することにより、前記レーザー光発生手段３で発生するレーザー光の周波数を制御できるようになっている。

さらに、レーザー光発生手段３は、シングルモードでかつ周波数可変のレーザー光を発生するもので、本実施形態の場合、レーザー光の発生源として半導体レーザー３０が用いられている。このレーザー光発生手段３は、例えば半導体レーザー３０と、レンズ３１、３２と、回折格子３３と、ミラー３４と、回折格子駆動機構３５と、制御系３６と、偏光ビームスプリッタ３７、フォトダイオード３８と、半導体レーザー電源３９と、ペルチェ電源４０とから成る。なお、半導体レーザー３０、レンズ３１、３２、回折格子３３、ミラー３４、回折格子駆動機構３５、半導体レーザー電源３９、ペルチェ電源４０により、レーザー光源４１が構成されている。また、回折格子３３は図示のように配置されることにより外部共振器が構成されており、これにより半導体レーザー３０の発振レーザー光がシングルモードとなる。半導体レーザー３０の発振周波数は、温度、駆動電流、回折格子の角度、外部共振器の共振器長等で制御することができるが、この第１の実施の形態では、一例として回折格子３３の角度を制御することにより周波数制御を行うことにする。

回折格子駆動機構３５は例えば圧電素子により構成されており、回折格子３３の角度と外部共振器長とを同時に調整できるように設けられている。第１の制御系３６は、回折格子駆動機構３５を駆動制御するもので、ダブルバランスドミキサ３６１、局部発振器３６２、サーボ回路３６３、圧電素子ドライバ３６４からなる。偏光ビームスプリッタ３７は、光変調手段５を通過することによりサイドバンドが発生した半導体レーザー３０からのレーザー光をフォトダイオード３８に導くように配置されている。フォトダイオード３８は、入力されたレーザー光を電気信号に変換し、これをダブルバランスドミキサ３６１に与えるようになっている。ダブルバランスドミキサ３６１は、フォトダイオード３８から供給された電気信号と局部発振器３６２からの局部発振周波数をもとに位相敏感検波し、その信号をサーボ回路３６３に与えるように構成されている。サーボ回路３６３は、ダブルバランスドミキサ３６１からの信号を基にサーボ信号を形成して圧電素子ドライバ３６４に供給できるようになっている。更に、圧電素子ドライバ３６４は、サーボ信号を基に駆動制御信号を形成して回折格子駆動機構３５を駆動制御するようになっている。したがって、フォトダイオード３８から得られた電気信号は、ダブルバランスドミキサ３６１により微分信号となり、サーボ回路３６３を介して外部共振器たる回折格子３３の角度を制御する回折格子駆動機構３５のドライバ３６４にフィードバックされる。これにより、ファブリ・ペロー共振器７１の透過強度が最大になるように、半導体レーザー３０の発振周波数が制御される。

周波数標準手段７は、光変調手段たる進行波型の電気光学変調器５からのサイドバンドまたはキャリアを安定な周波数標準にロックするもので、本実施形態の場合、周波数安定化レーザー光発生装置としての安定化ヘリウム−ネオンレーザー７０とファブリ・ペロー共振器７１とで主に構成されている。具体的には、周波数標準手段７は、安定化ヘリウム−ネオンレーザー７０と、ファブリ・ペロー共振器７１と、第２の制御系７２と、偏光ビームスプリッタ７３と、フォトダイオード７４とから構成されている。更に、第２の制御系７２は、ダブルバランスドミキサ７２１、局部発振器７２２、サーボ回路７２３、圧電素子ドライバ７２４から成る。偏光ビームスプリッタ７３は、安定化ヘリウム−ネオンレーザー７０からのレーザー光をフォトダイオード７４に導くようになっている。フォトダイオード７４は、安定化ヘリウム−ネオンレーザー７０からのファブリ・ベロー共振器７１を透過するレーザー光の強度をモニターする。即ち、入力されたレーザー光を電気信号に変換し、これをダブルバランスドミキサ７２１に与えるようになっている。ダブルバランスドミキサ７２１は、フォトダイオード７４から供給された電気信号と局部発振器７２２からの局部発振周波数をもとに位相敏感検波し、その信号をサーボ回路７２３に与えるようになっている。このサーボ回路７２３は、ダブルバランスドミキサ７２１からの信号を基にサーボ信号を形成して圧電素子ドライバ７２４に供給できるようになっている。前記圧電素子ドライバ７２４は、サーボ信号を基に駆動制御信号を形成してファブリ・ペロー共振器７１の共振器長を制御する圧電素子７５を駆動することにより、周波数基準レーザー光の透過強度が最大となるようにファブリ・ペロー共振器７１の共振器長が制御され、ＦＳＲが安定化される。尚、このファブリ・ペロー共振器７１のＦＳＲは、光変調手段５に印加される変調周波数ｆm の２倍の値に設定されている。

上述した構成の第１の実施の形態の動作を、図１を基に図２を参照して以下に説明する。ここに、図２に、ファブリ・ペロー共振器の共振周波数とレーザー光の関係を説明するための図を示す。この図２において、横軸にはレーザー光の周波数νを、縦軸には変調周波数、キャリアＶ₀ 、サイドバンドＶ_H1（Ｖ_L1）の関係を、それぞれとったものである。

まず、周波数標準手段７において、安定化ヘリウム−ネオンレーザー７０から出射される周波数基準となるレーザー光は、ファブリ・ペロー共振器７１に入射される。このファブリ・ペロー共振器７１を透過したレーザー光は、偏光ビームスプリッタ７３を介してフォトダイオード７４に導かれる。フォトダイオード７４で得られた電気信号は、ダブルバランスドミキサ７２１に供給される。ダブルバランスドミキサ７２１には、局部発振器７２２からの局部発振周波数が供給されており、これによりフォトダイオード７４で得られた電気信号の一次の微分信号が得られる。この微分信号は、サーボ回路７２３に供給され、サーボ回路７２３では、微分信号からサーボ信号に形成される。このサーボ信号は、圧電素子ドライバ７２４に供給される。圧電素子ドライバ７２４では、サーボ信号から駆動制御信号にしてファブリ・ペロー共振器７１に取り付けられた圧電素子７５に供給される。ファブリ・ペロー共振器７１は、前記駆動制御信号により共振器長が制御されて、ＦＳＲ（Free Spectral Range ）が安定化される。また、上述したように構成された共振器制御部７２によって、ファブリ・ペロー共振器７１を透過した（安定化ヘリウム−ネオンレーザー７０からの）透過レーザー光の強度が最大になるようにファブリ・ペロー共振器７１の共振器長が調整されることになる。

なお、この第１の実施の形態では、周波数基準レーザー７０として、安定化ヘリウム−ネオンレーザーを用いているが、ヨウ素やルビジウム等の安定な原子・分子に周波数がロックされた絶対周波数が既知のレーザー光を使用してもよい。

次に、レーザー光発生手段３の半導体レーザー３０から出射したレーザー光は、レンズ３１、３２、回折格子３３、ミラー３４を経て、シングルモードのレーザー光になって光アイソレータ９１に入射する。また、光アイソレータ９１を透過したレーザー光は、ミラー９２を通って進行波型の電気光学変調器で構成された光変調手段５に入射される。この光変調手段５に入射されたシングルモードのレーザー光は、キャリアＶ₀ と、当該キャリアＶ₀ の低周波側及び高周波側にサイドバンドＶ_L1，Ｖ_H1の発生したレーザー光になる。

光変調手段５から出力されるレーザー光は、原理的には、高次のサイドバンドまで生じるが、実際には、二次以上のサイドバンドは観測されないほど小さい。したがって、ファブリ・ペロー共振器７１にロックが可能なのは、キャリアＶ₀ と、キャリアＶ₀ の低周波側と高周波側に存在する二つの一次サイドバンドＶ_L1，Ｖ_H1のみである。

サイドバンドＶ_L1，Ｖ_H1の発生したレーザー光は、ファブリ・ペロー共振器７１に入射し、一次のサイドバンドＶ_L1（またはＶ_H1）のみ透過するようにする。

そして、ファブリ・ペロー共振器７１を透過したレーザー光は、偏光ビームスプリッタ３７を介してフォトダイオード３８に導かれる。このレーザー光は、フォトダイオード３８で電気信号に変換されている。この電気信号は、ダブルバランスドミキサ３６１に入力される。このダブルバランスドミキサ３６１では、前記電気信号を微分信号にしてサーボ回路３６３に供給する。サーボ回路３６３では、サーボ信号にして圧電素子ドライバ３６４に供給する。圧電素子ドライバ３６４では、駆動制御信号を形成して、回折格子駆動機構３５を駆動制御する。このとき、上記フィードバック系（偏光ビームスプリッタ３７、フォトダイオード３８、ダブルバランスドミキサ３６１、サーボ回路３６３、圧電素子ドライバ３６４）を用いて、ファブリ・ペロー共振器７１からの透過レーザー光の強度が最大となるように回折格子３３の角度を調整することにより、レーザー光のサイドバンドＶ_L1（またはＶ_H1）がファブリ・ペロー共振器７１の共振周波数にロックされることになる。

このようなロック状態で、光変調手段５の変調周波数（ｆm ）を変化させるとともに、ファブリ・ペロー共振器７１にロックされているサイドバンドＶ_L1（またはＶ_H1）のロックがはずれないようにしながら、レーザー光発生手段３から発生するレーザー光のキャリアＶ₀ の周波数を制御すれば、周波数ロックを行ったままで、レーザー光発生手段３で発生するレーザー光のキャリアＶ₀ の周波数を変化させることができる。

また、光変調手段５の変調周波数を安定化すれば、ファブリ・ペロー共振器７１の共振周波数以外の周波数で、波長可変レーザー装置１のキャリアＶ₀ の周波数を安定化することができる。このとき、ファブリ・ペロー共振器７１の共振周波数の間の任意の周波数において、レーザー光のキャリアＶ₀ の周波数の安定化を可能にするためには、光変調手段５に印加する変調周波数ｆm を、ＤＣからファブリ・ペロー共振器７１のＦＳＲの１／２まで変化できればよい。

このサイドバンドＶ_H1またはＶ_L1のロックについて、図２を参照してさらに説明すると、変調周波数ｆm がｆm ＜ＦＳＲ／２のときには、いずれかのサイドバンドＶ_L1，Ｖ_H1がロックされる（例えば図２では、キャリアＶ₀ の低周波側のサイドバンドＶ_L1がロックされている状態を示している）。また、変調周波数ｆm がｆm ＝ＦＳＲ／２のときにはキャリアＶ₀ の高周波側のサイドバンドＶ_H1と低周波側のサイドバンドＶ_L1が両方ロックされており、キャリアＶ₀ はファブリ・ペロー共振器の飛び飛びの共振周波数をν_n とすると、ν_n ＋ＦＳＲ／２の周波数に位置している。変調周波数ｆm がｆm ＝ＤＣのときには、サイドバンドＶ_L1，Ｖ_H1が生じず、Ｖ₀ はファブリ・ペロー共振器の共振周波数ν_n に位置している。このように変調周波数ｆm がＤＣからＦＳＲの１／２まで変化した後は、もう一方の一次のサイドバンドたる低周波側のサイドバンドＶ_L1をロックして、光変調手段５に加える変調周波数を制御すればよい。

このようにして波長可変レーザー装置１を得ることができる。

次に、同位体分離、原子、分子の密度計測、分光計測等において使用するレーザー光の周波数を、分離、計測等の目的とする原子・分子の共鳴周波数に安定化させるための手順を説明する。

まず、光変調手段５に印加する変調周波数ｆm ＝ＤＣとしてサイドバンドを発生しない状態とし、レーザー光発生手段３の発振周波数を、小型で安価な波長計を用いて測定し、目的とする周波数付近に同調させる。次に、レーザー光発生手段３の発振周波数を変化させて、目的とする原子・分子の吸収スペクトルを測定して目的とする周波数までの粗調を行う。

さらに、光変調手段５に変調周波数ｆm を加えてレーザー光にサイドバンドＶ_L1，Ｖ_H1を発生させ、いずれかのサイドバンドＶ_L1，Ｖ_H1をファブリ・ペロー共振器７１にロックする。この後、ファブリ・ペロー共振器７１にレーザー光のサイドバンドＶ_L1またはＶ_H1をロックした状態で、光変調手段５に印加する変調周波数を可変することにより、レーザー光のキャリアＶ₀ の周波数を目的とする周波数まで微調する。これにより、同位体分離、原子、分子の密度計測、分光計測等において、レーザー周波数を目的とする原子・分子の共鳴周波数に安定化することができる。

以上説明したように本発明の第１の実施の形態によれば、次のような利点がある。
（１）レーザー光発生手段３が発振しうる任意の周波数において、レーザー周波数の安定化が可能である。
（２）レーザー光発生手段３に変調信号を印加していないので、レーザー周波数の安定度が高い。
（３）安定な周波数基準にロックしたまま、レーザー周波数を変化させることができる。
（４）この波長安定化レーザー装置１では、大型で高価な波長計を用いないため、小型でコストを安くすることができる。
（５）この波長可変レーザー装置１においては、周波数の制御はすべて電気的に行うことができるので、取り扱いが容易で、かつ高い周波数の安定化が可能である。

なお、上述した第１の実施の形態では、レーザー光発生手段３から出射したレーザー光のサイドバンドＶ_L1，Ｖ_H1は、安定化ヘリウム−ネオンレーザー７０に共振器長をロックすることによってＦＳＲの安定化されたファブリ・ペロー共振器７１により構成された周波数標準手段７にロックされたが、これに特に限定されず、レーザー光発生手段３から出射したレーザー光のサイドバンドを水晶ファブリ・ペロー共振器や真空中に設置されたファブリ・ペロー共振器にロックするように構成した周波数標準手段でも同様の効果が期待できる。この場合には、周波数基準レーザー７０は不要である。

ここで、水晶ファブリ・ペロー共振器を用いる場合には、長期の安定度は多少悪いが、それ自身が非常に小型であるため装置を小型化することができる。

さらに、真空中に吊す等によって設置することにより外部の音や振動等のノイズを遮断するようにしたファブリ・ペロー共振器は、当該共振器自体が大きいため装置が多少大型化するが、安定度が極めて優れている。

また、上記第１の実施の形態において、周波数標準手段７には原子や分子の共鳴現象を用いることも可能である。この場合、安定化ヘリウム−ネオンレーザー等の周波数標準レーザー７０は必要ではなく、波長可変レーザー光のサイドバンドは原子や分子の共鳴周波数にロックされる。したがって、安定化ヘリウム−ネオンレーザー７０が不要なことから、波長可変レーザー装置１がいっそう小型な装置になる。

尚、原子や分子の共鳴現象を利用して第１の実施の形態の変形例を説明したが、原子や分子はファブリ・ペロー共振器のようにＦＳＲごとの無限の共鳴周波数を有しないことから、波長可変レーザー装置１を任意の周波数で安定化することは難しい。

〔第２の実施の形態〕
図３に、本発明の第２の実施の形態を示す。この図において、第２の実施の形態では、レーザー光発生手段３から出射したレーザー光を、光アイソレータ９１、ミラー９２、９３、周波数標準手段７の偏光ビームスプリッタ７３を通して、ファブリ・ペロー共振器７１に入射するとともに、周波数標準手段７の安定化ヘリウム−ネオンレーザー７０から出射したレーザー光を光変調手段５、偏光ビームスプリッタ３７を通してファブリ・ペロー共振器７１に入射するようにしたものである。したがって、レーザー光発生手段３から出射するレーザー光にはサイドバンドは発生せず、安定化ヘリウム−ネオンレーザー７０から出射した周波数標準レーザー光にサイドバンドＶ_L1，Ｖ_H1が発生することになる。また、第２の実施の形態と第１の実施の形態では、光変調手段５の配置位置のみが異なるだけであり、他の構成要素は第１の実施の形態と全く同一であるので、第１の実施の形態と同一符号を付して構成の説明を省略する。

次に、上記第２の実施の形態により、波長可変レーザーの周波数を、目的とする原子・分子の共鳴周波数に安定化する手順を説明する。

まず、安定化ヘリウム−ネオンレーザー７０からの周波数標準レーザー光を光変調手段５に入射する。そして、光変調手段５に変調周波数ｆm を加えると、その周波数標準レーザー光にサイドバンドＶ_L1，Ｖ_H1を発生させ、そのいずれか一方のサイドバンドＶ_L1またはＶ_H1をファブリ・ペロー共振器７１にロックする。そして、このファブリ・ペロー共振器７１を透過した周波数標準レーザー光のサイドバンドＶ_L1またはＶ_H1を偏光ビームスプリッタ７３を介してフォトダイオード７４に入射する。このフォトダイオード７４からの電気信号は、ダブルバランスドミキサ７２１で微分信号になり、サーボ回路７２３に供給される。サーボ回路７２３は、サーボ信号を圧電素子ドライバ７２４に供給する。この圧電素子ドライバ７２４からファブリ・ペロー共振器７１に取り付けられた圧電素子７５に電圧を印加する。これにより、ファブリ・ペロー共振器７１の共振器長さは、光変調手段５の変調周波数ｆm によって制御できることになる。

次に、レーザー光発生手段３の発振周波数を、例えば小型で安価な波長計を用いて目的とする周波数付近まで同調させる。その後、レーザー光発生手段３の発振周波数を変化させ、目的とする原子・分子の吸収スペクトルを測定して、目的とする周波数まで粗調を行う。

次に、光変調手段５に印加する変調周波数ｆm を変化させることにより、これを第２の制御系（共振器制御部）７２によって検出し、第２の制御系７２からの駆動制御信号によりファブリ・ペロー共振器７１の共振器長を動かし、レーザー光発生手段３から出射されファブリ・ペロー共振器７１を透過したレーザー光の透過強度が最大となるように、ファブリ・ペロー共振器７１の共振器長さを制御する。これにより、ファブリ・ペロー共振器７１に、レーザー光発生手段３からのレーザー光の周波数はロックされる。この後、光変調手段５に印加する変調周波数ｆm を変化させ、ファブリ・ペロー共振器７１の共振周波数を変化させる。このとき、レーザー光発生手段３から出射しファブリ・ペロー共振器７１に入射されるレーザー光は、ファブリ・ペロー共振器７１にロックされているので、第２の制御系３６により、レーザー光発生手段３の半導体レーザー３０の外部共振器の回折格子３３の角度等、レーザー光発生手段３の周波数の制御パラメータにフィードバックを行うことにより、周波数標準レーザー光にロックを行ったままで、レーザー光発生手段３の発振周波数を微調整することができる。したがって、レーザー光発生手段３の発振周波数を目的とする周波数に精密に同調し、その値で安定化することができる。

以上説明したように第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の全ての作用効果に加えて、レーザー光発生手段３から発射されるレーザー光のキャリアをファブリ・ペロー共振器７１にロックすればよいので、波長可変レーザー装置１からの出力レーザー光を大きくすることができる。

〔第３の実施の形態〕
次に、本発明の第３の実施の形態を図１及び図４を参照しながら説明する。図４に、同第３の実施の形態の動作を説明するための図を示し、その横軸に時間ｔをとっている。また、図４（１）には回折格子３３の角度を制御するための圧電素子ドライバ３６４の電圧を、図４（２）には光変調手段５に印加される変調周波数を、図４（３）にフォトダイオード３８の信号量を、図４（４）の（ａ）〜（ｄ）にフォトダイオード３８の時間軸上の状態を、それぞれとっている。

この第３の実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態で使用した波長可変レーザー装置１を用い、周波数基準にロックしたまま、波長可変レーザー光の周波数を広い帯域で連続的に変化させるようにしたものである。

まず、図４（４），（ａ）に示すように、レーザー光発生手段３から出射して光変調手段５を通過して形成されたレーザー光の低周波側のサイドバンドＶ_L1がファブリ・ペロー共振器７１にロックされている場合に、ファブリ・ペロー共振器７１を通過したレーザー光を偏光ビームスプリッタ３７を介してフォトダイオード３８に導くと、フォトダイオード３８では信号量Ｐ１が得られる。

このような状態で、光変調手段（電気光学変調器）５に印加される変調周波数ｆm を増加させると、これに追随してレーザー光発生手段３の発振周波数の制御パラメータが変化し、キャリアＶ₀ の周波数が高周波側に変化する。

この第３の実施の形態では、レーザー光発生手段３の発振周波数の制御パラメータとして、半導体レーザー３０の外部共振器として用いる回折格子３３の角度を制御する回折格子駆動機構（圧電素子）３５の電圧を用いているが、これに限らず、半導体レーザー３０の駆動電流、半導体レーザー３０の動作温度等でもよい。

次に、図４（２）における時刻ｔ_b に示すように、前記光変調手段５に印加される変調周波数ｆm がファブリ・ペロー共振器７１のＦＳＲの１／２となったとき、図４（４），（ｂ）に示すように、低周波側と高周波側のサイドバンドＶ_L1，Ｖ_H1の両方がファブリ・ペロー共振器７１を透過することになる。したがって、この場合には、フォトダイオード３８から出力される検出信号量Ｐ₂ は、図４（３）の時刻ｔ_b に示すように、その直前の約２倍になる。このときは、レーザー光の高周波側と低周波側の二つのサイドバンドＶ_L1，Ｖ_H1がファブリ・ペロー共振器７１に同時にロックされている。

この信号量Ｐ₂ の変化を検知した後（図４（３）の時刻ｔ_b ）、今度は、図４（２）に示すように、光変調手段５に印加する変調周波数ｆm を減少させる。

このとき、レーザー光発生手段３の発振周波数の制御パラメータが逆方向に変化しないように設定しておけば、高周波側のサイドバンドＶ_H1にロックが移行し、レーザー光発生手段３のキャリアＶ₀ の周波数は、引続き高周波側に変化する（図４（４），（ｃ）参照）。

さらに、図４（２）の時刻ｔ_d に示すように、光変調手段５に印加する変調周波数ｆm がＤＣになると、図４（４），（ｄ）に示すように、レーザー光発生手段３から発生し光変調手段５を通過したレーザー光にはサイドバンドが存在せず、キャリアＶ₀ がファブリ・ペロー共振器７１を通過するので、フォトダイオード３８から出力される信号量Ｐ₃ は一気に大きくなる。

この信号量Ｐ₃ の変化を検知した後（図４（４），（ｄ）参照）、今度は、光変調手段５に印加する変調周波数ｆm を増加させる。このとき、レーザー光発生手段３の発振周波数の制御パラメータが逆方向に変化しないように設定しておけば、再び、光変調手段５を通過したレーザー光の低周波側のサイドバンドＶ_L1にロックが移行し、レーザー光発生手段３から発生するレーザー光のキャリアＶ₀ の周波数は引続き高周波側に変化する。

以上の操作を繰り返すことにより、波長可変レーザー装置１の出射光は、それ自体モードホップが起こるまで、周波数標準手段７の周波数標準にロックした状態で連続的に周波数を掃引することが可能となる。

以上説明したように第３の実施の形態によれば、上記第１の実施の形態の全ての利点に加え、周波数基準にロックした状態で、レーザー光発生手段３の発振周波数を変化させることができる。

〔第４の実施の形態〕
図５に、本発明の第４の実施の形態の波長可変レーザー装置を示す。この図に示す第４の実施の形態に係る波長可変レーザー装置１ａは、レーザー光発生手段３ａと、光変調手段５ａと、周波数標準手段７ａと、補助部品９ａと、マイケルソン干渉計１１とからなる。

このレーザー光発生手段３ａは、第１の制御系３６ａと、偏光ビームスプリッタ３７と、フォトダイオード３８と、レーザー光源４１とからなる。

また、光変調手段５ａは、ビームスプリッタ５１と、λ／４板５２と、音響光学素子５３と、凹面鏡５４と、信号源５５とからなる。この光変調手段５ａにより、ファブリ・ペロー共振器７１ａのＦＳＲ（例えば２［ＧHz］）以下の微調整を行うことができる。

さらに、周波数標準手段７ａは、安定化ヘリウム−ネオンレーザー７０と、ファブリ・ペロー共振器７１ａと、第２の制御系７２ａと、偏光ビームスプリッタ７３、フォトダイオード７４とから構成されている。なお、ファブリ・ペロー共振器７１ａ、第２の制御系７２ａ、偏光ビームスプリッタ７３及びフォトダイオード７４により、ファブリ・ペロー共振器７１ａのＦＳＲ（例えば２［ＧHz］）以上の粗調ができる。

補助部品９ａは、ミラー９１、９５、９６とからなる。レーザー光源４１からのレーザー光は、ミラー９５、９１を介して光変調手段５ａに導かれるとともに、出力されるようになっている。ミラー９５は、同時にレーザー光源４１からのレーザー光をマイケルソン干渉計１１に導くようになっている。ミラー９６もまた安定化ヘリウム−ネオンレーザー７０からのレーザー光をマイケルソン干渉計１１に導くように構成されている。

また、ファブリ・ペロー共振器７１ａを透過したレーザー光源４１からのレーザー光は、偏光ビームスプリッタ３７を介してフォトダイオード３８に導かれるようになっている。前記ファブリ・ペロー共振器７１ａを透過した安定化ヘリウム−ネオンレーザー７０からのレーザー光は、偏光ビームスプリッタ７３を介してフォトダイオード７４に導かれるようになっている。

光変調手段５ａでは、レーザー光源４１からのレーザー光がビームスプリッタ５１、λ／４板５２、音響光学素子５３、凹面鏡５４、音響光学素子５３、λ／４板５２、ビームスプリッタ５１を介して、偏光ビームスプリッタ７３、ファブリ・ペロー共振器７１ａに導かれるようになっている。

マイケルソン干渉計１１は、ミラー１１１、１１２を図示のように配置し、かつ単軸ロボット１１３にミラー１１４を移動可能に設けたものであり、ミラー１１１、１１４の間の長さを単軸ロボット１１３により変化できるように設けられている。また、マイケルソン干渉計１１では、ミラー１１２からの反射レーザー光と、ミラー１１４からの反射レーザー光により干渉が発生し、これらをフォトダイオード１１５、１１６で検出し、それらフォトダイオード１１５、１１６で検出した信号をカウンタ１１７に入力するようにしている。カウンタ１１７の出力信号は、処理系１１８に入力されるようになっている。このマイケルソン干渉計１１では、処理系１１８は、カウンタ１１７の出力信号を処理して表示手段１１９に表示し、かつ単軸ロボット１１３を駆動制御できるようになっている。

このような構成の第４の実施の形態の動作を以下に説明する。

まず、レーザー光発生手段３ａで発生するレーザー光の周波数の制御について説明する。上記構成の波長可変レーザー装置１ａでは、光変調手段５ａが音響光学素子５３を用いて、レーザー光発生手段３ａからのレーザー光にサイドバンドＶ_L1，Ｖ_H1を生じさせて周波数標準手段７ａで周波数標準にロックし、かつ、音響光学素子５３に供給する変調周波数を変化させて、レーザー光発生手段３ａから発生するレーザー光のキャリアＶ₀ とサイドバンドＶ_L1，Ｖ_H1の周波数差を制御し、これと同時に、レーザー光発生手段３ａの発振周波数を変化させることにより、レーザー光発生手段３ａから発生するレーザー光の周波数を制御している。

一方、波長可変レーザーであるレーザー光源４１からの出射レーザー光の一部は、移動型マイケルソン干渉計１１に入射される。マイケルソン干渉計１１の一つのミラー１１４を精密な単軸ロボット１１３に設置してあるので、この単軸ロボット１１３によりミラー１１１、１１４の間の長さを変化させる。安定化ヘリウム−ネオンレーザー７０からの周波数標準レーザー光と、レーザー光発生手段３ａの発振周波数は異なるので、マイケルソン干渉計１１のミラー１１１、１１４の間の長さを変化させたときに、それぞれにおいて得られる明暗の数は異なることになる。

そこで、周波数基準レーザー装置としての安定化ヘリウム−ネオンレーザー７０は、設定周波数ｆ₁ が既知であるので、それぞれの明暗の数ｎ₁ ，ｎ₂ を、フォトダイオード１１５、１１６で電気信号に変換し、これをカウンタ１１７に入力して計数し、その計数結果を処理系１１８に入力し、（１）式を用いて計算することにより、レーザー光発生手段３で発振しているレーザー光の周波数をｆ₂ を求め、表示手段１１９に表示する。

＜数１＞
ｆ₂＝（ｎ₂／ｎ₁）・ｆ₁
この第４の実施の形態において、発振周波数の測定精度は、単軸ロボット１１３の精密さやミラー１１４の移動距離等により決まるが、それほど正確ではなくても、第１、第２の実施例で述べたように、レーザー周波数の同調や安定化には全く問題がない。また、第４の実施の形態では、レーザー光発生手段３ａからのレーザー光の精密な周波数制御や安定化の方法として、第１の実施の形態を用いているが、第２の実施の形態を用いてもよい。

以上説明したように第４の実施の形態によれば、第１の実施の形態および第２の実施の形態の全ての利点に加えて、波長計が不要となる利点がある。

〔第５の実施の形態〕
図６に、本発明の第５の実施の形態を示す。この図に示す第５の実施の形態は、第１の実施の形態に、周波数可変レーザー光と周波数標準レーザー光との周波数差を求めて圧電素子ドライバ３６４及び高周波発生器５６を制御可能にする第３の制御系１３を付加したものである。したがって、この第５の実施の形態では、第３の制御系のみを説明し、他の構成要素は第１の実施の形態と全く同様であるので説明を省略する。

図６に示す第５の実施の形態では、第３の制御系１３は、光ファイバ１３１、１３２、ヘテロダインデティクタ１３３、ローパスフィルタ１３４、コンピュータ装置１３５、原子・分子セル１３６、ディティクタ１３７、及び半透過ミラー１３８、１３９からなる。

半透過ミラー１３８は、光アイソレータ９１を透過したレーザー光源４１からのレーザー光を取り出して光ファイバ１３１に導くようになっている。半透過ミラー１３９は、安定化ヘリウム−ネオンレーザー７０から出射した周波数標準レーザー光を取り出して光ファイバ１３２に導くようになっている。光ファイバ１３１、１３２で導かれた各レーザー光は、ヘテロダインディテクタ１３３で検波されるようになっている。ヘテロダインディテクタ１３３からの出力信号は、ローパスフィルタ１３４で不要な成分を除去された後に、コンピュータ装置１３５に入力されるようになっている。このコンピュータ装置１３５には、フォトダイオード３８からの検出信号と、ディテクタ１３７からの検出信号と、高周波発生器５６の変調周波数とが入力されている。コンピュータ装置１３５は、フォトダイオード３８からの検出信号と、ディテクタ１３７からの検出信号と、ローパスフィルタ１３４を通った信号とを基に、制御信号を形成して高周波発生器５６及び圧電素子ドライバ３６４を制御するプログラムを搭載している。高周波発生器５６は、変調周波数を光変調手段５に供給できる。また、コンピュータ装置１３５は、パソコン、ディスプレイ、及びキーボード等からなる。

このような第５の実施の形態の説明をする。まず最初に、高周波発生器５６の変調周波数ｆm をＤＣにし、レーザー光源４１から出射する波長可変レーザー光に変調はかけない。レーザー光源４１から出射する波長可変レーザー光と、安定化ヘリウム−ネオンレーザー７０から出射する波長標準レーザー光の一部を半透過ミラー１３８、１３９により切り出し、それぞれ光ファイバー１３１、１３２に導入する。これら光ファイバー１３１、１３２により導かれるレーザー光は、ヘテロダインディテクタ１３３によりヘテロダイ検波が行われ、その検波出力がローパスフィルタ１３４を通ってコンピュータ装置１３５に入力される。

そして、レーザー光源４１からの波長可変レーザー光の周波数を、安定化ヘリウム−ネオンレーザー７０の周波数標準レーザー光の周波数に近づける。このとき、簡易な波長計を用いて、レーザー光源４１から出射している波長可変レーザー光の周波数を測定するか、または、第４の実施の形態に述べたような周波数計測機能を付加すればよい。

レーザー光源４１からの波長可変レーザー光と、安定化ヘリウム−ネオンレーザー７０からの波長標準レーザー光のそれぞれの周波数の差がローパスフィルタ１３４の通過周波数（例えば、〜３０［ＭHz］）以下になったとき、ヘテロダインディテクタ１３３からのヘテロダイン信号がコンピュータ装置１３５に送られる。このへテロダイン信号をコンピュータ装置１３５により検知し、へテロダイン信号が得られる範囲で、レーザー光源４１からの波長可変レーザー光のキャリアＶ₀ をファブリ・ペロー共振器７１の共振周波数にロックする。このとき、波長可変レーザー光の絶対周波数は、絶対周波数が既知である安定化ヘリウム−ネオンレーザー７０から出射する周波数標準レーザー光の周波数と同一である。

なお、上記第５の実施の形態では、前記コンピュータ装置１３５により高周波発生器５６を制御することにより、レーザー光源４１の周波数の制御パラメータである、進行波型電気光学変調器の変調周波数を制御し、あるいは、前記コンピュータ装置１３５により圧電素子ドライバ３６４から回折格子駆動機構３５に加えられる電圧を制御することにより、レーザー光源４１の周波数の制御パラメータである、回折格子３３の角度を制御している。

次に、レーザー光源４１から出射する波長可変レーザー光の周波数を、目的とする周波数まで連続的に変化させる。このとき、ファブリ・ペロー共振器７１の飛び飛びの共振周波数に一致したときのみ、レーザー光がファブリ・ペロー共振器７１を通過し、フォトダイオード３８でこれを検出して電気信号に変換する。このフォトダイオード３８からの検出信号は、コンピュータ装置１３５に入力されて、この飛び飛びの数をモニターしている。

レーザー光源４１から出射するレーザー光の周波数が目的とする原子・分子の周波数に一致したことは、以下のようにして検知できる。すなわち、目的とする原子・分子の封入されたセル１３６に波長可変レーザー光を通過させ、透過後のレーザー光の強度をディテクタ１３７で検出し、これをコンピュータ装置１３５に入力しておく。

ここで、原子・分子と共鳴すると、レーザー光の強度が減少するので、波長可変レーザー周波数が目的とする原子・分子の共鳴周波数に一致したことを、ディテクタ１３７からの検出信号によりコンピュータ装置１３５で検出することができる。

波長可変レーザー装置の周波数が、目的とする原子・分子の共鳴周波数に一致した状態で電気光学変調器からなる光変調手段５に高周波発生器５６から変調周波数を加え、レーザー光源４１から出射している波長可変レーザー光にサイドバンドＶ_L1，Ｖ_H1を発生させる。このサイドバンドＶ_L1，Ｖ_H1をファブリ・ペロー共振器７１にロックし、このときの光変調手段５の変調周波数をモニターする。

以上、モニターしたレーザー光源４１から出射するレーザー光の波長を変化させたときのファブリ・ペロー共振器７１を通過する信号の数と、キャリアＶ₀ の周波数を原子・分子の共鳴周波数に一致した状態で、サイドバンドＶ_L1，Ｖ_H1の周波数をファブリ・ペロー共振器７１の共振周波数にロックしたときの、光変調手段５の変調周波数と、絶対周波数が既知である安定化ヘリウム−ネオンレーザー７０から出射する周波数標準レーザー光の周波数より、目的とする原子・分子の共鳴周波数の絶対周波数が分かる。

以上説明したように第５の実施の形態によれば、第１の実施の形態の全ての利点に加えて、波長可変レーザー光の周波数が連続的に変化する範囲において、絶対周波数が分かるという利点がある。

〔第６の実施の形態〕
次に、本発明の第６の実施の形態を図１及び図７を参照しながら説明する。図７に、同第６の実施の形態の動作を説明するための図を示す。この図７の横軸に周波数νを示し、また、図７（ａ）に原子・分子の２つの吸収帯Ａ，Ｂの光共鳴周波数ν_A 、ν_B を、図７（ｂ）にファブリ・ベロー共振器の共振モードを、図７（ｃ）にレーザー光発生手段３から出射するレーザー光のキャリア及びサイドバンドをそれぞれ示す。

この第６の実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態で使用した波長可変レーザー装置１を用い、原子・分子のそれぞれの吸収帯の周波数差を正確に求めるようにしたものである。

まず、レーザー光発生手段３から出射したレーザー光を光変調手段５に入射する。このとき、光変調手段５に印加する変調周波数ｆm は周波数をDCとしておく。これにより、光変調手段５を通過したレーザー光には、キャリアＶ₀₁のみが存在することになる。このキャリアＶ₀₁の周波数を、図７（ａ）に示す原子・分子の吸収帯Ａに同調させる。これにより、キャリアＶ₀₁の周波数νは、ν_A となる。

このように吸収帯Ａに同調させた後に、光変調手段５に印加する変調周波数ｆm₁を加えることにより、図７（ｃ）に示すように、キャリアＶ₀₁の周波数がν_A のままで光変調手段５を通過したレーザー光にサイドバンドＶ_H11 ，Ｖ_L11 を発生させる。そのサイドバンドＶ_H11 ，Ｖ_L11 の一つを、ファブリ・ペロー共振器７１の共振周波数にロックさせる。これにより、光変調手段５に印加されている変調周波数ｆm₁を基に、キャリアＶ₀₁とそれに最も周波数の近いファブリ・ペロー共振器７１の共振モードＣ₂ の周波数差ｆ₁ を得る。

次に、光変調手段５の変調周波数ｆm をDCにし、レーザー光発生手段３から出射し光変調手段５を通過して得られるレーザー光をキャリアＶ₀₂のみとする。その状態で、キャリアＶ₀₂の周波数νを、図７（ａ）に示す吸収帯Ｂまで同調させる。これにより、キャリアＶ₀₂の周波数νは、ν_B となる。このとき、ファブリ・ペロー共振器７１を透過する光信号の数ｎを数えておく（図７（ｂ）参照）。

ついで、光変調手段５に再び変調周波数ｆm を加えることにより、光変調手段５を通過するレーザー光にサイドバンドＶ_H21 ，Ｖ_L21 を発生させる。これらサイドバンドＶ_H21 ，Ｖ_L21 のうちの一つをファブリ・ペロー共振器７１の共振周波数にロックさせる。これにより、光変調手段５に印加される変調周波数ｆm₂を基に、キャリアＶ₀₂と、それに最も周波数の近いファブリ・ペロー共振器の共振モードＣ₃ の周波数差ｆ₂ が求められる。

このようにした得られた吸収帯Ａ、吸収帯Ｂとの周波数差（ν_B −ν_A ）は、下記の数式２により求めることができる。

＜数２＞
ν_B −ν_A ＝ｆm₁＋ｆm₂＋ｆ_FSR ×（ｎ−１）
ただし、ｆ_FSR はファブリ・ペロー共振器７１のＦＳＲである。

尚、数式２はｆ₁ ，ｆ₂ が共に≦ｆ_FSR ／２の場合に成り立つものであり、ｆ₁ ，ｆ₂ のどちらか一方がｆ_FSR ／２＜ｆ₁ ，ｆ₂ ≦ｆ_FSR の場合には数式３及び数式４より求めることができる。ｆ₁ ≦ｆ_FSR ／２かつｆ_FSR ／２＜ｆ₂ ≦ｆ_FSR の場合、

＜数３＞
ν_B −ν_A ＝ｆm₁ −ｆm₂＋ｆ_FSR×ｎ
ｆ_FSR ／２＜ｆ₁ ≦ｆ_FSR かつｆ₂ ≦ｆ_FSR／２の場合、

＜数４＞
ν_B −ν_A ＝−ｆm₁ ＋ｆm₂＋ｆ_FSR×ｎ
で求めることができる。

また、ｆ₁ ，ｆ₂ の両方がｆ_FSR ／２＜ｆ₁ ，ｆ₂ ≦ｆ_FSR の場合には数式５より求めることができる。

＜数５＞
ν_B −ν_A ＝−ｆm₁−ｆm₂＋ｆ_FSR ×（ｎ＋１）
このようにすれば、吸収帯Ａ、吸収帯Ｂとの周波数差（ν_B −ν_A ）を算出することができる。

以上説明したように第６の実施の形態によれば、図１に示す第１の実施の形態で使用した波長可変レーザー装置１を用い、かつ上述したように操作することにより、原子・分子における各吸収帯の周波数差を正確に求めることができる。

〔第７の実施の形態〕
この第７の実施の形態は、図１〜図７に基づいて説明された第１〜第６の実施の形態あるいは図示していない請求項１〜６記載の発明にかかる波長可変レーザー装置１を用い、パルスレーザー光を出力するようにしたものである。

即ち、例えば図１あるいは図３、図５、図６の何れかに開示された波長可変レーザー装置１あるいはそれらの変形である図示していない波長可変レーザー装置からの出力レーザー光を、高出力パルス発振が可能で周波数可変のレーザー光発生装置、例えば色素レーザーや固体レーザー等にインジェクションシーディングを行うようにする。この場合、波長可変レーザー装置１から出射される連続的なレーザー光、即ち周波数の安定化された連続発振の波長可変レーザー光と同程度に精密に周波数制御されたパルスレーザー光を得ることができる。しかも、この周波数制御されたパルスレーザー光は、前記色素レーザー、固体レーザー等のレーザー光発生装置から元々発生しうる出力と同程度であるため、高出力化も可能である。

本発明に係る波長可変レーザー装置の第１の実施の形態を示す構成図である。 同第１の実施の形態におけるファブリ・ペロー共振器の共振周波数とレーザー光の周波数との関係を説明するための図である。 同第２の実施の形態を示す構成図である。 同第３の実施の形態の動作を説明するための図である。 同第４の実施の形態を示す構成図である。 同第５の実施の形態を示す構成図である。 同第６の実施の形態の動作を説明するための図である。

符号の説明

１ 波長可変レーザー装置
３ レーザー光発生手段
５，５ａ 光変調手段
７，７ａ 周波数標準手段
９ 補助部品
１１ マイケルソン干渉計
１３ 第３の制御系
３０ 半導体レーザー
３１、３２ レンズ
３３ 回折格子
３４ ミラー
３５ 回折格子駆動機構
３６ 第１の制御系
３７、７３ 偏光ビームスプリッタ
３８、７４ フォトダイオード
３９ 半導体レーザー電源
４０ ペルチェ電源
４１ レーザー光源
７１ ファブリ・ペロー共振器
７２ 第２の制御系

Claims (6)

1. シングルモードでかつ周波数可変のレーザー光を発生するレーザー光発生手段と、前記レーザー光発生手段からのレーザー光を変調周波数で変調することによりキャリア並びに当該キャリアの高周波側及び低周波側にサイドバンドの発生したレーザー光にする光変調手段と、共振器長が安定なファブリ・ペロー共振器からなり前記光変調手段からのサイドバンドを安定な周波数標準にロックする周波数標準手段とを備え、前記光変調手段に印加する前記変調周波数を変化させ、該変調周波数の変化に追随して前記レーザー光発生手段の発振周波数の制御パラメータが変化して前記キャリアの周波数が変化する際に、前記制御パラメータが逆方向に変化しないように設定され、他方のサイドバンドにロックが移行することにより前記高周波側サイドバンドと前記低周波側サイドバンドとを交互に前記安定な周波数標準にロックすることを特徴とする波長可変レーザー装置。
2. 前記周波数標準手段は、絶対周波数が既知である周波数のレーザー光を発生する周波数安定化レーザー光発生装置と、この周波数安定化レーザー光発生装置からのレーザー光にロックすることにより共振器長が安定化されたファブリ・ペロー共振器とを用いたことを特徴とする請求項１記載の波長可変レーザー装置。
3. シングルモードでかつ周波数可変のレーザー光を発生するレーザー光発生手段と、前記レーザー光発生手段からのレーザー光を変調周波数で変調することによりキャリア並びに当該キャリアの高周波側及び低周波側にサイドバンドの発生したレーザー光にする光変調手段と、絶対周波数が既知である周波数のレーザー光を発生する周波数安定化レーザー光発生装置及び前記周波数安定化レーザー光発生装置からのレーザー光にロックすることにより共振器長が安定化されたファブリ・ペロー共振器からなり前記光変調手段からのサイドバンドを安定な周波数標準にロックする周波数標準手段と、前記レーザー光発生手段及び周波数安定化レーザー光発生装置からの各レーザー光を取込み、前記レーザー光発生手段からのレーザー光の周波数を測定する周波数測定装置とを備え、前記光変調手段に印加する前記変調周波数を変化させ、該変調周波数の変化に追随して前記レーザー光発生手段の発振周波数の制御パラメータが変化して前記キャリアの周波数が変化する際に、前記制御パラメータが逆方向に変化しないように設定され、他方のサイドバンドにロックが移行することにより前記高周波側サイドバンドと前記低周波側サイドバンドとを交互に前記安定な周波数標準にロックすることを特徴とする波長可変レーザー装置。
4. 前記周波数測定装置は、マイケルソン干渉計であることを特徴とする請求項３記載の波長可変レーザー装置。
5. 前記レーザー光発生手段からの周波数可変のレーザー光と、前記周波数安定化レーザー光発生装置からの絶対周波数が既知のレーザー光とを干渉させて、そのビート周波数によりお互いの周波数差を求める手段を付加したことを特徴とする請求項２記載の波長可変レーザー装置。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の波長可変レーザー装置からの出力レーザー光を、色素レーザーや固体レーザー等の高出力パルス発振が可能で周波数可変のレーザー光発生装置にインジェクションシーディングを行うことを特徴とする波長可変レーザー装置。

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