JP4000195B2 - 合成光波長の生成のための安定化された多周波数光源装置および合成光波長の生成のための方法 - Google Patents

Description

本発明は、コヒーレント光を放出する少なくとも三つの光源を有する、請求項１の前提部分に記載の合成光波長の生成のための安定化された多周波数光源装置に関する。
同じく、本発明は、前記安定化された多周波数光源装置を用いて合成光波長を生成するための方法に関する。
本発明で言う「光」の概念とは、紫外線から赤外線までの波長範囲における、光学素子により回折および反射され得るすべての電磁放射を言う。
前記した形式の多周波数光源装置は、例えば「高精度ナビゲーション９１、高精度ナビゲーションに関する第２回インターナショナル・ワークショップ（スツットガルトおよびフロイデンシュタット、１９９１年１１月）会議録」

に所載の

の論文「多波長技術による距離測定」（"Distance Measurements with Multiple Wavelenght Techniques"）により周知である。ここでは、光源として、１つの安定化されたヘリュウム・ネオン・レーザーおよび三つのレーザーダイオードが使用されている。ファブリ・ペロー共振器は、その光学的に有効な共振器長を追値制御（Nachlaufsteuerung）によって前記ヘリュウム・ネオン・レーザーの周波数でロックされる（verriegeln）ことにより安定化される。三つのレーザーダイオードの光の周波数は、ファブリ・ペロー共振器のこの光学的に有効な共振器長によって及びそれにより間接的に前記ヘリュウム・ネオン・レーザーの周波数でロックされて安定化される。
最初に挙げた形式の多周波数光源装置を使用可能な、光学的ヘテロダイン法を用いる二周波数干渉測定法の原理ならびにその実施例は、例えばヨーロッパ特許第０３１４７０９号明細書または米国特許第４９０７８８６号明細書により周知であり、また前記の

の論文に述べられている。二周波数干渉測定法の場合、二つの光源の光の周波数から、および同じくこれら両周波数の差から合成光波長に対応するうなり周波数が生成される。この合成光波長により、干渉測定法による測定の分解能

が定まる。典型的には、二周波数干渉測定法により、十数ｍまでの測定距離に対し数ppm以下までの測定精度が達成される。
このような事情では、相対測定精度を限定するうなり周波数の相対安定性が重要である。この限定を広げるためには、すなわち相対測定精度を高めることにより測定結果を改善するためには、うなり周波数の相対安定性を１ppm以下まで、またはほんの数分の１ppmまで改善することが必要である。これを達成するには、両光源を互いに安定化させることが必要となる。
共同して位相に関する測定のあいまいさを除去するような二つのうなり周波数を生成するために、三つのレーザーダイオードを具備する多周波数光源装置を用いるとき、安定性の問題は全く同じである。
今日では、電子的な手段が１ppm以下までまたはほんの数分の１ppmまでの測定精度での周波数の測定を可能にすることは周知である。他方において、電子的な手段が数GHz以上の周波数を測定することは現在できない。従って、数GHz以上の光学的うなり周波数を１ppm以下までまたはほんの数分の１ppmまでの測定精度でもって測定することは、今日まだ不可能である。
従って、本発明の課題は、最初に挙げた形式の多周波数光源装置において、電子的な手段で測定可能な周波数の何倍もであるうなり周波数をもつ、当該装置内で生成された少なくとも１つの合成光波長の場合に、それにもかかわらず、電子的な周波数測定で達成可能な精度で該うなり周波数を測定することを可能にする、多周波数光源装置を提供することである。
この課題を解決するために、本発明に係る最初に挙げた形式の安定化された多周波数光源装置は、請求項１に記載の構成の組み合わせによって特徴づけられている。本発明に係る安定化された多周波数光源装置の有利な構成は、従属する請求項２から６に記載されている。
この安定化された多周波数光源装置を用いた合成光波長の生成のための方法は、本発明により、請求項７に記載の方法ステップの組み合わせによって定義される。本発明に係る方法の有利な構成は、従属する請求項８から１０に記載されている。
本発明に係る安定化された多周波数光源装置及びこの安定化された多周波数光源装置を用いて合成光波長を生成するための本発明に係る方法は、エレクトロニクス及び特にインパルス技術の現在の能力を利用することを可能にする。その際、１ppm以下まであるいはほんの数分の１ppmまでの範囲の精度でのGHz域でのインパルスの計数の際及び時間間隔の測定の際の現在の能力に特に指摘される。
本発明により、安定化された多周波数光源装置において生成される最低のうなり周波数はGHz域にあり、例えばほぼ１．５GHzである。この最低のうなり周波数は電子的に測定され、それ故に、従って共振器の隣接する共振周波数の間の周波数間隔もまた、１ppm以下まであるいはほんの数分の１ppmまでの範囲の精度で知られる。この最低のうなり周波数と連動可能な別のうなり周波数は、その何倍もの数百GHzの領域にまで達し、そのとき、間接的にではあるが依然として１ppm以下まであるいはほんの数分の１ppmまでのほぼ同一の精度で知られる。
要するに、本発明に係る多周波数光源装置は、電子的な手段で測定可能な周波数の何倍もであるうなり周波数をもつ合成光波長を有する光の場合に、それにもかかわらず電子的な周波数測定で達成可能な精度でこのうなり周波数を測定することを可能にする。
以下に、本発明の構成例及び実施例を図面に関連して詳細に説明する。
図１は本発明により安定化された多周波数光源装置の第一構成例の原理図である。
図２はファブリ・ペロー共振器における可能な共振の周波数スペクトルの原理図である。
図３は本発明による方法および図１の原理図による安定化された多周波数光源装置と関連するファブリ・ペロー共振器における可能な共振の周波数スペクトルの原理図である。
図４は本発明により安定化された多周波数光源装置の第二構成例の原理図である。
図５は本発明により安定化された多周波数光源装置の第三構成例の原理図である。
図１の原理図が示すように、本発明により安定化された多周波数光源装置は、まず第一に共振長Ｌ_Rをもつファブリ・ペロー共振器Ｒおよび数個の光源、図示の構成例では四個の光源Ｄ₁、Ｄ₂、Ｄ_i、Ｄ_Nを有する。しかし、一般に以下の説明は、少なくとも三つの光源Ｄ_iの任意の数ｉ、すなわちｉ＝１，…，Ｎ且つＮ≧３にも適用できる。
ファブリ・ペロー共振器は、周知のように、周波数領域において、その共振長Ｌ_Rでの光の共振の不連続スペクトルを有する特性がある。図２の原理図では、ファブリ・ペロー共振器の透過度（Transmission）I（ν）はその内部で循環する光の周波数（ν）の関数として示されている。
可能な共振の周波数スペクトルは、図２のグラフに帯状体（Balken）として示されているが、実際には通常の釣り鐘形の推移を有する各共振特性曲線の規則正しい列として現われる。共振周波数間の差、すなわち隣接する二つの共振特性曲線のピーク値の周波数間の差は、「フリースペトラルレンジ」と呼ばれてほぼ一定であり、図２にFSR（英語の"free spectral range"から）で示される。「フリースペトラルレンジ」と共振特性曲線の半値全幅（volle Halbwertsbreite）との比は「フィネス」（Finesse）Ｆと呼ばれる（従って図２に共振特性曲線の半値全幅を分数

で示す）。フィネスとは、ファブリ・ペロー共振器の分解能がどのくらいの高さなのかを言い表し、ほぼファブリ・ペロー共振器の構造より決まる。本発明により安定化された多周波数光源装置に用いるファブリ・ペロー共振器Ｒでは、フィネスを少なくとも約Ｆ＝１００とすべきである。しかし、さらによいフィネス（Ｆ＞１００）は絶対に有利であり、他方にてそれより低いフィネスは、場合によっては、依然として本発明の目的に用いることができる。
光源Ｄ₁は、付属の光路Ｌ₁に付属の周波数ν₁でもってコヒーレント光を放射するのに適したものである。周波数ν₁は、光源Ｄ₁に供給される電気的な入力信号st₁に依存して調整可能でありかつ絶えず同調可能である。例えば、光源Ｄ₁には希望の周波数に絶えず同調可能なレーザーダイオード、同じく同調可能な色素レーザー、同じく同調可能な固体レーザー等である。他の光源Ｄ₂、…、Ｄ_i、…、Ｄ_N（Ｎ≧３）に対しても、互いに無関係に同じことが言える。
ファブリ・ペロー共振器Ｒはすべての光源Ｄ_iからの光が循環する光路部Ｌ_G1−Ｌ_G4上に配置されている。この光路部は主として順次連続する共通の光路部分Ｌ_G1、Ｌ_G2、Ｌ_G3、Ｌ_G4を含む。これに関連して、光学素子BS_O及びBS_O′における光の転向は大したことではない。すべての光源Ｄ_iの光は、共通の光路部Ｌ_G1−Ｌ_G4にて結合される（einkoppeln）。このため、光源Ｄ_iから出る光の光路Ｌ_iにはそれぞれ半透明鏡状の光学素子BS_iが挿入されている。当該半透明鏡状の光学素子BS_iは光源Ｄ_iに付設されかつその光が共通の光路部分Ｌ_G1にて結合される。前記の半透明鏡状の光学素子BS_i（BSは英語の"beamsplitter"に由来する）は、例えば半分銀メッキした反射鏡またはキュービックビームスプリッター

である。周知のように、このような半透明鏡状の光学素子は、光線を分割しおよび二つの光線を一つにまとめる。
さらにファブリ・ペロー共振器Ｒは、その共振長Ｌ_Rが光源Ｄ_iの周波数ν_iでの共振を可能ならしめるように構成されかつそのような寸法とされている。
既述の光路部分Ｌ_G1、Ｌ_G2、Ｌ_G3、Ｌ₄、も光路Ｌ_iも、そしてまた以下に述べる別の類似の光学素子およびファブリ・ペロー共振器Ｒでさえも、通常のように一般的に均質な光学媒体（真空、ガス、ガラスその他）中の区間として、または導光技術（ファイバー、薄層その他）中の区間として実施することができる。同じく、既述の半透明鏡状の光学素子BS_iも、光転向用光学素子BS_O及びBS_O′も、そしてまた以下に述べる別の類似の光学素子も、通常どおりガラスからかまたは導光技術（ファイバーその他）により形成することができる。
ファブリ・ペロー共振器Ｒの共振周波数で光源Ｄ_iの周波数ν_iをロックするために、光源Ｄ_iのための電気光学的な制御回路が設けられている。この制御回路は、主として光電子工学的な検出器PD_R、電子的な信号弁別器SD_R、及び光源Ｄ_iに付属する電気的な制御器ST_iを含む。
制御器ST_iは付属の光源Ｄ_iと電気的に接続され、この光源Ｄ_iに対し既述の入力信号st_iを生成する。入力信号st_iは、光源Ｄ_iの光の周波数ν_iを制御器ST_iに供給される電気的な制御信号ｓ_iに依存して調整し、且つ当該周波数ν_iをその平均値

に関して特有の変調周波数ｍ_iによって変調する。この特有の変調周波数ｍ_iは、制御器ST_iに、従って光源Ｄ_iにも付属する。
検出器PD_Rは、共通の光路部分Ｌ_G4にまたはその端部に配置され、該光路部分を循環する光を受光し、かつそれに由来して、受光した光の強度に依存して電気的な検出器信号ｓ_Rを生成する。
信号弁別器SD_Rは検出器PD_R及び制御器ST_iと電気的に接続されている。検出器PD_Rより、当該信号弁別器SD_Rが検出器信号ｓ_Rを受け取る。制御器ST_iより、当該信号弁別器SD_Rが変調周波数ｍ_iを帯びた信号を受け取る。
検出器信号ｓ_Rを変調周波数ｍ_iでもって同期復調することにより、信号弁別器SD_Rは制御器ST_iのための既述の制御信号ｓ_iを生成する。
主として、光源Ｄ_iに対応する電気的な制御器ST_i、光電子工学的な検出器PD_R、および信号弁別器SD_Rにより追値制御装置が形成され、これにより該光源Ｄ_iの光の周波数ν_iがファブリ・ペロー共振器Ｒの共振周波数でロック可能である。
さらに、他の光源Ｄ_i（ｉ＝１，…，Ｎ且つＮ≧３）に対しても、そしてまた光電子工学的な検出器PD_R、電子的な信号弁別器SD_R、および付設された電気的な制御器ST_iを備えるそれぞれ接続された電気光学的な制御回路に対しても、前述したことと同じことが言える。
上に述べた装置の原理的構成は、例えば最初に挙げた

の論文から既に周知である従来技術に対応するものである。特に、光源Ｄ_iの周波数ν_iをファブリ・ペロー共振器Ｒの共振周波数でロックする措置は、関連分野の当業者に周知の従来技術に属するものである。従って、上に述べた装置の詳細に立ち入ることは略する。例えば、信号弁別器SD_Rにて制御器ST_iのための制御信号ｓ_iを生成するために、検出器信号ｓ_Rを変調周波数ｍ_iでもって同期復調することに対しても、同じことが言える。
前述した装置でもって、光源の二つからの光のそれぞれの周波数の間のうなり周波数にそれぞれ対応する合成光波長が生成され得る。これも関連分野の当業者に周知であり、例えば最初に挙げた

の論文より既に周知である。
しかし、前述した装置では、うなり周波数は、数GHz以上の周波数値の場合には、数GHzまでの周波数値の場合に電子的な手段でもって達成可能な測定精度で測定することができない。以下に説明する措置によれば、数GHz以上の周波数値の場合でも、前記の測定精度が達成される。
半透明鏡状の光学素子BS_iは、ｉ＝１，…，Ｎ且つＮ≧３の順序をなす。最後の光学素子BS_Nの出口部にてすべての光源Ｄ_iからの光が合一され、結合されて共通の光路部Ｌ_G1−Ｌ_G4すなわち光路部分Ｌ_G1へ至る。すなわち、共通の光路部分Ｌ_G1がほぼ最後の光学素子BS_Nの出口部にて始まる。第一の光学素子BS₁の出口部では、光源Ｄ₁からの光のみが共通の光路部分Ｌ_G1に向けられ導かれる。第二の光学素子BS₂の出口部では、両光源Ｄ₁及びＤ₂からの光が共通の光路部分Ｌ_G1に向けられ導かれる。同じことが、その他の光学素子BS_i〜BS_Nの場合に同様に繰り返される。
第二の半透明鏡状の光学素子BS₂は、既述のように、二つの光源Ｄ₁及びＤ₂からの光を合一するのみならず、この合一された光の一部を付属の光路Ｌ₁及びＬ₂から取り出して分岐光路Ｌ₁₂に導くようにも選択されかつ使用される。
この分岐光路Ｌ₁₂には、第二の光電子工学的な検出器PD₁₂が配置されている。この第二の検出器PD₁₂は、分岐光路Ｌ₁₂にまたはその端部に配置され、この分岐光路Ｌ₁₂を循環する光を受光し、それに由来して、受光した光の強度に依存して電気的な検出器信号ｓ₁₂を生成する。前述の光学素子BS₁₂における光の転向は、この場合大したことではない。
電子的な周波数測定装置Ｆ₁₂が前記第二の検出器PD₁₂と電気的に接続されている。当該周波数測定装置Ｆ₁₂は、第二の検出器PD₁₂から前記の電気的な検出器信号ｓ₁₂を受け取り、これより電気的な周波数測定値ｆ₁₂を生成する。この周波数測定値ｆ₁₂は選択された二つの光源Ｄ₁及びＤ₂の光の周波数ν₁及びν₂の間のうなり周波数Δν₁₂に対応する。このうなり周波数Δν₁₂またはその周波数測定値ｆ₁₂はGHz域にあり、例えば約１．５GHzである。
変調周波数ｍ₁及びｍ₂とそれらのうなり周波数Δｍ₁₂＝（ｍ₁−ｍ₂）は、この場合邪魔にならない。なんとなれば、これらはうなり周波数Δν₁₂よりはるかに低い全く別の領域にあり、従ってそれらはフィルターで除去される、または周波数測定装置Ｆ₁₂によりまったく捕捉されないからである。
例えば、計算機（「パーソナル・コンピューター」等）である利用装置CPTが、周波数測定装置Ｆ₁₂と電気的に接続されている。利用装置CPTは、周波数測定装置Ｆ₁₂から周波数測定値ｆ₁₂を得てこれを表示し、そして（または）これをさらに処理する。特に、周波数測定値ｆ₁₂は、許容できないずれ（Abweichung）を伝え、そして（または）その他の措置をとるために、例えば図示していないが、ファブリ・ペロー共振器Ｒの温度制御を矯正するために、常時監視されるようになし得る。利用装置CPTがこの目的のためにプログラムされかつ図示のように信号弁別器SD_Rと結合されている計算機である場合、上に述べたと同じように、信号弁別器SD_Rの作動を利用装置CPTにより引き起こし、制御し、そして監視することができる。
ファブリ・ペロー共振器Ｒの共振長Ｌ_Rによる、光源の一つＤ_iの光の周波数ν_iの平均値

での、特にこの平均値

の変化の間における、該光の共振は、電子的な計数装置CNTにより確認するのが有利である。この計数装置CNTは、本質的に共振の確認及び計数のための波高値検出器（Scheitelwertdetektor）である。該計数装置CNTは、一方で検出器PD_Rと接続され、これより検出器信号ｓ_Rを得ている。他方で、該計数装置CNTは信号弁別器SD_R
と電気的に接続され、これより変調周波数ｍ_iを導く信号を得ている。計数装置CNTは、これらの信号より、検出器信号ｓ_Rをそれぞれの変調周波数ｍ_iでもって同期復調することにより結果として生ずる復調された信号を形成し、この信号の波高値を計数して行われた共振（durchlaufene Resonanzen）の数ｋ_iの計数値を生成する。それに加えて、電子的な計数装置CNTは利用装置CPTとも電気的に接続され、この利用装置CPTに行われた共振の数ｋ_iの計数値を供給することが有利である。
光を共通の光路部Ｌ_G1−Ｌ_G4から取り出すために、既述の半透明鏡状の光学素子BS_O及びBS_O′またはそれらの一つのみが選択的に設けられている。一つの光学素子BS_Oは、共通の光路部分Ｌ_G1及びＬ_G2の間に配置され、そしてここを循環する光の一部を光出口Ｌ_Oに導く。他の光学素子BS_O′は共通の光路部分Ｌ_G3及びＬ_G4の間に配置され、そしてここを循環する光の一部を光出口Ｌ_O′に導く。半透明鏡状の光学素子BS_O及び（または）BS_O′により取り出された光は、うなり周波数Δν₁₂に対応する合成波長を有する光として使用に供される。このうなり周波数自体は、電子的に測定された周波数測定値ｆ₁₂により既知である。
この合成光波長を生成するため、次の方法ステップが行われる。
まず、周波数ν₁の第一光源Ｄ₁の光を、半透明鏡状の光学素子BS₁を介して共通の光路部分Ｌ_G1に接続する。
第一光源Ｄ₁の光の周波数ν₁の平均値

がファブリ・ペロー共振器Ｒの第一共振周波数ν₁でロックされる。
これは、主として、最初に挙げた光電子工学的な検出器PD_R、電子的な信号弁別器SD_R、及び光源Ｄ₁に付属の電気的な制御器ST₁を含む電気光学的な制御回路により行われる。
ついで、周波数ν₂の第二光源Ｄ₂の光を、半透明鏡状の光学素子BS₂を介して共通の光路部分Ｌ_G1に接続する。
第二光源Ｄ₂の光の周波数ν₂の平均値

がファブリ・ペロー共振器Ｒの第二共振周波数ν₂になるまで調整される。例えば、第二光源Ｄ₂の光の周波数ν₂の平均値

が、初めに第一光源Ｄ₁の光の周波数ν₁の平均値

に等しくされ、ついでファブリ・ペロー共振器Ｒにて（共振周波数ν₁での）共振から離れた後にすぐ次の（共振周波数ν₂での）共振に達するまで変えられ、そして光電子工学的な検出器PD_Rにて有利には電子的な計数装置CNTを用いて確認される。
この場合、（ν₂＞ν₁）であるかまたは（ν₂＜ν₁）であるかは自由に選択することができる。すなわち、前述の（共振周波数ν₂での）次の共振は前の（共振周波数ν₁での）共振より高くまたは低くすることができる。
例えば、（ν₂＞ν₁）でさしつかえない。
さらに、第二光源Ｄ₂の光の周波数ν₂の平均値

は、ファプリ・ペロー共振器Ｒの第二共振周波数ν₂でロックされるが、これは、主として最初に挙げた光電子工学的な検出器PD_R、電子的な信号弁別器SD_R、および光源Ｄ₂に付属の電気的な制御器ST₂を含む電気光学的な制御回路により行われる。
したがって、両光源Ｄ₁またはＤ₂の光の周波数ν₁またはν₂の両方の平均値

は、ファブリ・ペロー共振器Ｒの互いに連続して隣接する共振周波数でロックされており、これが図３の原理図に示され、同図に同じくν₁またはν₂の符号を付されている。
両光源Ｄ₁またはＤ₂の光は、共通の光路部Ｌ_G1−Ｌ_G4を循環する。この場合、両光源Ｄ₁またはＤ₂の光の周波数ν₁及びν₂の間にうなり周波数Δν₁₂が生じ、これは電子的な計数手段により計測される。この計数手段は、主として第二の検出器PD₁₂と電子的な周波数測定装置Ｆ₁₂とを含み、電気的な周波数測定値ｆ₁₂を生成する。この周波数測定値₁₂自体は、既述の利用装置CPTに導かれ、ここでまたは該装置の助けにより表示されおよび（または）別の処理を受ける。既に述べたように、うなり周波数Δν₁₂またはその周波数測定値ｆ₁₂はGHz域にあり、例えば約１．５GHzである。
光Ｌ_Oおよび（または）Ｌ_O′は、半透明鏡状の光学素子BS_Oおよび（または）BS_O′を介して共通の光路部Ｌ_G1−Ｌ_G4から取り出され、それによって合成波長Λ₁₂を有する光が供給される。この合成波長はこれに対応するうなり周波数Δν₁₂の電子的に測定された周波数測定値ｆ₁₂により既知である。
さて、光源Ｄ₁及びＤ₂に関連して前述した装置と同じく、周波数ν_iの別の光源Ｄ_iの光は半透明鏡状の光学素子BS_iを介して共通の光路部分Ｌ_G1に接続される。
当該別の光源Ｄ_iの光の周波数ν_iの平均値

は、まず第一に、第一または第二光源Ｄ₁、Ｄ₂の光の周波数ν₁またはν₂の前記の平均値

の一つに等しく調整される。これは、主として最初に挙げた光電子工学的な検出器PD_R、電子的な信号弁別器SD_R、および光源Ｄ_iに付属の電気的な制御器ST_iを含む電気光学的な制御回路により行われる。
ついで、当該別の光源Ｄ_iの光の周波数ν_iの平均値

が漸次変更され、それによってファブリ・ペロー共振器Ｒにおいて順次共振が行われる。行われた共振は電子的な計数装置CNTで計数され、そしてファブリ・ペロー共振器Ｒの予め定めた数k_iの共振が行われるまで、平均値

の変更が実施される。
予め定めた数k_iの共振が達成されると平均値

の変更が中止され、それにより当該別の光源Ｄ_iの光の周波数ν_iの平均値

が、ファブリ・ペロー共振器Ｒのそれに応じて得られた別の共振周波数ν_iと合致したままの状態となる。
次に、光源Ｄ₁及びＤ₂の場合の経過と同じに、当該別の光源Ｄ_iの光の周波数ν_iの平均値

がファブリ・ペロー共振器Ｒの当該別の共振周波数ν_iでロックされる。これは主として最初に挙げた光電子工学的な検出器PD_R、電子的な信号弁別器SD_R、および光源Ｄ_iに付属の電気的な制御器ST_iを含む電気光学的な制御回路により行われる。
その場合、（ν_i＞ν₁またはν₂）、あるいは（ν_i＜ν₁またはν₂）とすること、すなわち上述の到達された（共振周波数ν_iでの）共振を前の（共振周波数ν₁またはν₂での）共振よりも高く或いは低くすることは自由に選択できる。例えば、（ν_i＞ν₁またはν₂）でよい。
従って、三つの光源Ｄ₁またはＤ₂またはＤ_iの光の周波数ν₁またはν₂またはν_iの三つの平均値

または

は、このときファブリ・ペロー共振器Ｒの共振周波数でロックされている。これは図３の原理図に示され、同図に同じくν₁またはν₂またはν_iの符号を付している。ファブリ・ペロー共振器Ｒにおいて行われた共振の数ｋ_iも、図３の原理図に対応する矢印で示されている。
三つの光源Ｄ₁、Ｄ₂、およびＤ_iの光は、共通の光路部Ｌ_G1−Ｌ_G4を循環する。その際、前記別の光源Ｄ_iの光の周波数ν_iと光源Ｄ₁またはＤ₂の光の周波数ν₁またはν₂との間にそれぞれ一つのうなり周波数Δν_1iまたはΔν_2iが生じる。
さて、うなり周波数Δν_1iまたはΔν_2iは、次の考えに基づいて算出される。
ファブリ・ペロー共振器Ｒにおいて複数の共振が行われる際に、前記別の光源Ｄ_iの光の周波数ν_iの平均値

は、一つの共振とすぐ次の共振との間でそれぞれフリースペクトラルレンジFSRだけ変化する。フリースペクトラルレンジFSRの値は、当該方法の経過中に、すでに測定されている。すなわち、それは、第一及び第二の光源Ｄ₁またはＤ₂の光の周波数ν₁及びν₂の間のうなり周波数Δν₁₂に等しい。従って、うなり周波数Δν_1iまたはΔν_2iは、うなり周波数Δν₁₂と行われた共振の数ｋ_iとの積（Δν₁₂×ｋ_i＋1）または（Δν₁₂×ｋ_i＋1）に等い。その際、平均値

がその変更の際に一つだけの平均値

を通る

かあるいはそれらの両方を通るかに応じて、（Δν₁₂×ｋ_i）であるかあるいは（Δν₁₂×ｋ_i＋1）である。すなわち、平均値

がその変更の際に一方の平均値

から出発し且つその変更の間に一時的にもう一方の平均値

とも等しくなるときには、
Δν_1i＝（Δν₁₂×ｋ_i＋1）
である。あるいは、平均値

がその変更の際に一方の平均値

から出発し且つその変更の間にもう一方の平均値

と決して等しくならないときには、
Δν_1i＝（Δν₁₂×ｋ_i）
である。
最後に、共通の光路部Ｌ_G1−Ｌ_G4から半透明鏡状の光学素子BS_O及び（あるいは）BS_O′を介して光Ｌ_O及び（あるいは）Ｌ_O′を取り出すことによって、合成波長Λ_1iまたはΛ_2iを有する光も供給される。それらの合成波長は、算出されたうなり周波数Δν_1iまたはΔν_2iに対応する。従ってこれらの算出に関しては電子的に測定された周波数測定値ｆ₁₂に基づいており、それ故に相応の測定精度で知られている。
前述の方法ステップは、共通の光路部Ｌ_G1−Ｌ_G4から取り出される光においてさらに別のうなり周波数Δν_1NまたはΔν_2Nを得るために、少なくとも一つのさらに別の光源Ｄ_Nによって繰り返されてもよい。他方また、このさらに別のうなり周波数Δν_1NまたはΔν_2Nは、算出に関して、電子的に測定された周波数測定値ｆ₁₂に基づいており、それ故にそれも同様に相応の測定精度で知られている。対応する周波数ν_Nは、図３の原理図に図示されており、そこでは同様にν_Nで示されている。ファブリ・ペロー共振器Ｒの行われた共振の数ｋ_Nも図３の原理図において相応の矢印によって示されている。
当該多周波数光源装置のこれまで述べた第一の構成例では、ファブリ・ペロー共振器Ｒは、それ自体十分に安定であるとみなされる。その結果、本発明の目的のために、ファブリ・ペロー共振器Ｒまたはその共振長Ｌ_Rを安定化させるための特別の措置が必要ない。
図４との関連で詳細に説明される多周波数光源装置の第二の構成例では、ファブリ・ペロー共振器Ｒはそれ自体安定ではなく、調整可能な共振長Ｌ_Rを有するそのつど同調させられ得る共振器として構成されている。
共振長Ｌ_Rの調整δＬ_Rのために、当該ファブリ・ペロー共振器Ｒと接続された調整装置Ｅ_Rが設けられている。例えば、当該ファブリ・ペロー共振器Ｒの共振長Ｌ_Rは圧電変換器（piezoelektrischer Wandler）によって変化させられ得る。そのような構成は、例えばはじめに挙げた

の論文からすでに周知である。
基準として用いられるそれ自体は安定な別の光源Ｄ_Rは、割り当てられた周波数ν_Rをもつコヒーレント光を付設された光路Ｌ_Rに放出するために設けられている。
光源Ｄ_i（ｉ＝１，…，Ｎ且つＮ≧３）との関連で述べられた装置と同じく、この別の光源Ｄ_Rも供給される電気的な入力信号st_Rに依存して調整可能且つ同調可能である。その光は、光源Ｄ_Rに付設され且つその光路Ｌ_Rに挿入されている別の半透明鏡状の光学素子BS_Rによって共通の光路部分Ｌ_G1へ接続される。
同様に、光源Ｄ_i（ｉ＝１，…，Ｎ且つＮ≧３）との関連で述べられた装置と同じく、別の電気的な制御器ST_Rが設けられている。当該制御器STRには特有の変調周波数ｍ_Rが割り当てられており、且つ当該制御器ST_Rが当該別の光源Ｄ_R並びに電子的な信号弁別器SD_Rと電気的に接続されている。当該制御器ST_Rは、当該別の光源Ｄ_Rのために入力信号st_Rを生成する。当該入力信号st_Rがこの別の光源Ｄ_Rの光の周波数ｎ_Rを制御器ST_Rに供給される電気的な制御信号ｓ_Rに依存して調整し、且つこの周波数ν_Rを平均値

に関して変調周波数ｍ_Rで変調する。
また、制御器ST_Rは変調周波数ｍ_Rを導く信号を生成する。当該信号は、信号弁別器SD_Rに与えられる。また、制御器ST_Rは信号弁別器SD_Rから別の電気的な制御信号ｓ_Rを受けとる。
しかし、付加的に、当該別の電気的な制御器ST_Rは、調整装置Ｅ_Rに電気的な調整信号st_Eを与えるためにそれと電気的に接続されている。
主として調整装置Ｅ_R、前記別の電気的な制御器ST_R、光電子工学的な検出器PD_R、及び信号弁別器SD_Rによって別の追値制御装置が形成される。当該追値制御装置によって前記別の光源Ｄ_Rの光の周波数ｎ_Rがファブリ・ペロー共振器Ｒの共振周波数でロック可能である。それによって、ファブリ・ペロー共振器Ｒを、基準として用いられるそれ自体安定な前記別の光源Ｄ_Rを使って安定化させることができる。
基準として用いられるそれ自体安定な前記光源Ｄ_Rは、図４に示されているように独立した光源であってよく、それは個々の光源（Ｄ_i、Ｄ_R）のように絶えず同調可能なレーザーダイオード、絶えず同調可能な色素レーザー、及び絶えず同調可能な固体レーザーによって形成されるグループから選択され得る。
しかし図５に示すように、両方の選択された光源Ｄ₁あるいはＤ₂の一つを基準として且つ安定な光源として用いてもよい。図５は光源Ｄ₁の場合の例として構成されており、制御器ST_Rが制御器ST₁と一致し且つ光源Ｄ_Rが光源Ｄ₁と一致することによって図４から導出可能である。その際、調整装置Ｅ_Rへの接続は制御装置ST₁から出発する。光源Ｄ₂の場合の例では類似の図が構成され得る。
周波数ν_iの平均値

の変更の間に行われた共振の数ｋ_iまたはｋ_i＋１がファブリ・ペロー共振器ＲのフィネスＦにほぼ等しいときに、当該方法の実行が最適である。なぜならば、そのときこの数ｋ_iまたはｋ_i＋１がほぼ最高の値をもつからである。この最高の値をもつ場合には、測定精度は累積するシステム的に引き起こされる（systembedingt）測定誤差によってほとんど低下させられない。
本発明の一つの使用例では、距離が測定される。三つの光源Ｄ₁、Ｄ₂、Ｄ₃によって、二つの合成波長Λ₁₂またはΛ₁₃がうなり周波数Δν₁₂またはΔν₁₃に対応して形成される。第一のうなり周波数Δν₁₂は、ファブリ・ペロー共振器ＲのフリースペクトラルレンジFSRに相当し、それはほぼ１．５GHzであり、その電子的に測定された周波数は相対的な測定精度１０^-6で既知である。フリースペクトラルレンジFSRから共焦点の（konfokal）ファブリ・ペロー共振器Ｒに対してほぼ５０ｍｍの共振長Ｌ_Rが生じる。第二のうなり周波数Δν₁₃は、１００から３００GHzの範囲にあるように選ばれる。従ってその形成の際に、ファブリ・ペロー共振器Ｒの６０から２００の共振が行われる。そのとき、これは１００あるいはそれ以上のフィネスを有するべきである。それによって、その共振は互いに十分に区別され得る。距離測定は、両方のうなり周波数Δν₁₂またはΔν₁₃で行われる。そのことはそれぞれの個々のうなり周波数で発生する測定不確定性をすべての数の波長について除くことを可能にする。等価の結果は、うなり周波数Δν₂₃の使用によっても達成できる。公知の方法でルビジウム蒸気セル（Rubidiumdampfzelle）の共振でロックされている安定化された光源Ｄ₁を基礎にしたファブリ・ペロー共振器Ｒの安定化手段を有する装置の構成の場合には、光源Ｄ₁の周波数ν₁の見積もられる不確定性はほぼ±５０MHzである。それによって、ファブリ・ペロー共振器Ｒの長さの見積もられる相対的な不確定性、従ってフリースペクトラルレンジFSR及びうなり周波数の見積もられる相対的な不確定性もほぼ１０^-7あるいは０．１ppmである。

Claims (10)

1. 合成光波長の生成のための安定化された多周波数光源装置にして、
   付設された光路（Ｌ_i）にそれぞれ、光源（Ｄ_i）に供給される電気的な入力信号（st_i）に依存して調整可能でありかつ同調可能である割り当てられた周波数（ν_i）をもつコヒーレント光を放出するための少なくとも三つの光源（Ｄ_i、但しｉ＝１,...,Ｎ、且つＮ≧３、以下同じ）を有し、
   前記の周波数（ν_i）で共振するのに適した共振長（Ｌ_R）を備えるファブリ・ペロー共振器（Ｒ）が配置されている共通の光路部分（Ｌ_G1、Ｌ_G2、Ｌ_G3、Ｌ_G4、）を有し、
   それぞれ一つの光源（Ｄ_i）に付設されかつその光路（Ｌ_i）に挿入されており、該光源の光を共通の光路部分（Ｌ_G1）に結合する半透明鏡状の光学素子（ＢＳ_i）を有し、
   それぞれ一つの特有の変調周波数（ｍ_i）が割り当てられており、それぞれ一つの個々の付設された光源（Ｄ_i）と電気的に接続されており、且つこの光源（Ｄ_i）に対してそれぞれ入力信号（st_i）を生成する電気的な制御器（ＳＴi）にして、該入力信号がこの光源（Ｄ_i）の光の周波数（ν_i）を該制御器（ＳＴ_i）に供給される電気的な制御信号（ｓ_i）に依存して調整し且つ該周波数（ν _i ）をその平均値
   

   

   について変調周波数（ｍ_i）で変調する制御器（ＳＴ_i）を有し、
   共通の光路部分（Ｌ_G4）を循環する光を受け且つ受けた光の強度に依存して電気的な検出器信号（ｓ_R）を生成するための光電子工学的な検出器（ＰＤ_R）を有し、
   検出器（ＰＤ_R）から検出器信号（ｓ_R）を得て且つ各制御器（ＳＴ_i）からそれぞれの変調周波数（ｍ_i）を導く信号を得るために、検出器（ＰＤ_R）および制御器（ＳＴ_i）と電気的に接続されており、そしてこのように得られた信号からそれぞれの変調周波数（ｍ_i）によって検出器信号（ｓ_R）を同期復調することにより、それぞれの制御器（ＳＴ_i）のためのそれぞれの制御信号（ｓ_i）を生成してこれを制御器（ＳＴ_i）に送る電子的な信号弁別器（ＳＤ_R）を有し、
   このとき、光源（Ｄ_i）に対応する電気的な制御器（ＳＴ_i）、光電子工学的な検出器（ＰＤ_R）、及び信号弁別器（ＳＤ_R）が、この光源（Ｄ_i）の光の周波数（ν_i）をファブリ・ペロー共振器（Ｒ）の共振周波数でロックするための追値制御装置を形成する、前記安定化された多周波数光源装置において、
   半透明鏡状の光学素子（ＢＳ_i）のうちから選択された素子（ＢＳ₂）が、選択された二つの光源（Ｄ₁、Ｄ₂）からの光だけを合一し、この合一された光の一部を付設された光路（Ｌ₁、Ｌ₂）から取り出して分岐光路（Ｌ₁₂）へ導くように配置されていること、
   第二の光電子工学的な検出器（ＰＤ₁₂）が、前記分岐光路（Ｌ₁₂）を循環する光を受けるため及び受けた光の強度に依存して第二の電気的な検出器信号（ｓ₁₂）を生成するために設けられていること、および
   第二の検出器（ＰＤ₁₂）から第二の検出器信号（ｓ₁₂）を得、且つこれから、利用装置（ＣＰＴ）に伝達可能な電気的な周波数渡定値（ｆ₁₂）を生成するために、第二の検出器（ＰＤ₁₂）と電気的に接続された電子的な周波数測定装置（Ｆ₁₂）が設けられており、このとき当該周波数測定値（ｆ₁₂）が選択された二つの光源（Ｄ₁、Ｄ₂）の光の周波数（ν_i、ν₂）の間のうなり周波数（Δν₁₂）に対応し、上記周波数（ν _i 、ν ₂ ）はうなり周波数（Δν ₁₂ ）が電子手段によって測定可能であるように選択されること
   を特徴とする安定化された多周波数光源装置。
2. ファブリ・ペロー共振器（Ｒ）が調整可能な共振長（Ｌ_R）を有する同調可能な共振器として構成され、且つその共振長（Ｌ_R）の調整（δＬ_R）のために当該ファブリ・ペロー共振器（Ｒ）と接続された調整装置（Ｅ_R）が設けられている、請求項１に記載の安定化された多周波数光源装置において、
   基準として用いられるそれ自体安定な別の光源（Ｄ_R）が、付設された光路（Ｌ_R）に、この別の光源（Ｄ_R）に供給される電気的な入力信号（st_R）に依存して調整可能であり且つ同調可能である割り当てられた周波数（ν_R）をもつコヒーレント光を放出するために設けられていること、
   当該別の光源（Ｄ_R）に付設され且つその光路（Ｌ_R）に挿入されており、その光源の光を共通の光路部分（Ｌ_G1）に接続する別の半透明鏡状の光学素子（ＢＳ_R）が設けられていること、及び
   別の電気的な制御器（ＳＴ_R）が設けられており、当該制御器（ＳＴ_R）に特有の変調周波数（ｍ_R）が割り当てられており、且つ当該制御器（ＳＴ_R）が調製装置（Ｅ_R）、当該別の光源（Ｄ_R）、及び電子的な信号弁別器（ＳＤ_R）と電気的に接続されていて、それによって当該制御器（ＳＴ_R）が、当該別の光源（Ｄ_R）に対してこの別の光源（Ｄ_R）の光の周波数（ν_R）を制御器（ＳＴ_R）に供給される電気的な制御信号（ｓ_R）に依存して調整し且つこの周波数（ν _R ）をその平均値
   

   

   について前記変調周波数（ｍ_R）で変調する入力信号（st_R）を生成し、変調周波数（ｍ_R）を導く信号を生成して信号弁別器（ＳＤ_R）に送り、信号弁別器（ＳＤ_R）から別の電気的な制御信号（ｓ_R）を得、且つ調整装置（Ｅ_R）に電気的な調整信号（ｓｔ_E）を送ること、
   そのとき、主として調整装置（Ｅ_R）、当該別の電気的な制御器（ＳＴ_R）、光電子工学的な検出器（ＰＤ_R）、及び信号弁別器（ＳＤ_R）によって、ファブリ・ペロー共振器（Ｒ）の共振長（Ｌ_R）を当該別の光源（Ｄ_R）の光の周波数（ν_R）でロックするための別の追値制御装置が形成されていること
   を特徴とする安定化された多周波数光源装置。
3. 基準に用いられるそれ自体安定な別の光源（Ｄ_R）として、選択された二つの光源（Ｄ₁、Ｄ₂）の一方を用いることを特徴とする、請求項２に記載の安定化された多周波数光源装置。
4. 個々の光源（Ｄ_i、Ｄ_R）が、互いに独立に、同調可能なレーザーダイオード、同調可能な色素レーザー、及び同調可能な固体レーザーによって形成されたグループから選択されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の安定化された多周波数光源装置。
5. 電子的な計数装置（ＣＮＴ）が、光源（Ｄ_i）の光の周波数（ν_i）の平均値
   

   

   の変化の間のその平均値
   

   

   での、ファブリ・ペロー共振器（Ｒ）の共振長（Ｌ_R）によるこの光の共振の数（ｋ_i）を計数するために設けられており、当該計数装置（ＣＮＴ）が、検出器（ＰＤ_R）から検出器信号（ｓ_R）を得かつ信号弁別器（ＳＤ_R）からそれぞれの変調周波数（ｍ_i）を導く信号を得るために、検出器（ＰＤ_R）及び信号弁別器（ＳＤ_R）と電気的に接続されており、そのようにして得られた信号からそれぞれの変調周波数（ｍ_i）による検出器信号（ｓ_R）の同期復調によって結果として生じる復調された信号を形成し、且つその波高値を、行われた共振の数（ｋ_i）の計数値を生成するために計数することを特徴とする、請求項１に記載の安定化された多周波数光源装置。
6. 電子的な計算装置（ＣＮＴ）が、利用装置（ＣＰＴ）と電気的に接続されており、行われた共振の数（ｋ_i）の計数値をこれに供給することを特徴とする、請求項５に記載の安定化された多周波数光源装置。
7. 請求項１に記載の安定化された多周波数光源装置を用いて合成光波長を生成するための方法において、
   以下の方法ステップ、すなわち
   共通の光路部分（Ｌ_G1）へ周波数（ν₁）の第一の光源（Ｄ₁）の光を接続する方法ステップ、
   ファブリ・ペロー共振器（Ｒ）の第一の共振周波数（ν₁）で第一の光源（Ｄ₁）の光の周波数（ν₁）の平均値
   

   

   をロックする方法ステップ、
   共通の光路部分（Ｌ_G1）へ周波数（ν₂）の第二の光源（Ｄ₂）の光を接続する方法ステップ、
   ファブリ・ペロー共振器（Ｒ）の第一の共振周波数のすぐ次の第二の共振周波数（ν ₂ ）に到達するために第二の光源（Ｄ₂）の光の周波数（ν₂）の平均
   

   

   を調整する方法ステップ、
   ファブリ・ペロー共振器（Ｒ）の第二の共振周波数（ν₂）で第二の光源（Ｄ₂）の光の周波数（ν₂）の平均値
   

   

   をロックする方法ステップ、
   共通の光路部（Ｌ_G1−Ｌ_G4）において第一及び第二の光源（Ｄ₁、Ｄ₂）の光の周波数（ν₁、ν₂）の間のうなり周波数（Δν₁₂）を形成させる方法ステップ、
   対応する周波数測定値（ｆ₁₂）の供給のもとで電子的な計数手段によってうなり周波数（Δν₁₂）を測定する方法ステップ、
   電子的に測定された周波数測定値（ｆ₁₂）によって既知であるうなり周波数（Δν₁₂）に対応する合成波長を有する光として使用するために、共通の光路部（Ｌ_G1−Ｌ_G4）から光（Ｌ_O、Ｌ_O'）を取り出す方法ステップ、
   共通の光路部分（Ｌ_G1）へ周波数（ν_i）の少なくとも一つの別の光源（Ｄ_i）の光を接続する方法ステップ、
   前記第一及び第二の光源（Ｄ₁、Ｄ₂）の光の周波数（ν₁またはν₂）の平均値
   

   

   に同化するまで当該別の光源（Ｄ_i）の光の周波数（ν_i）の平均値
   

   

   を調整する方法ステップ、
   行われた共振の数（ｋ_i）を計数しながら、予め定めた数（ｋ_i）の共振及び対応する共振周波数（ν_i）に達するまでファブリ・ペロー共振器（Ｒ）の共振を行わせるために当該別の光源（Ｄi）の光の周波数（ν_i）の平均値（ν_i）を変化させる方法ステップ、
   ファブリ・ペロー共振器（Ｒ）の到達された共振周波数（ν_i）で当該別の光源（Ｄ_i）の光の周波数（ν_i）の平均値
   

   

   をロックする方法ステップ、
   共通の光路部（Ｌ_G1−Ｌ_G4）における第一または第二の光源（Ｄ₁またはＤ₂）の光の周波数（ν₁またはν₂）と当該別の光源（Ｄ_i）の光の周波数（ν_i）との間のうなり周波数（Δν_1iまたはΔν_2i）を、第一及び第二の光源（Ｄ₁、Ｄ₂）の光の周波数（ν₁、ν₂）の間のうなり周波数（Δν₁₂）と本質的に行われた共振の数（ｋ_iまたはk_i＋1）との積（ｋ_i×Δν₁₂またはｋ_i＋1×Δν₁₂）として算出する方法ステップ、及び
   算出されたうなり周波数（Δν_1iまたはΔν_2i）に対応する合成波長を有する光として使用するために、共通の光路部（Ｌ_G1−Ｌ_G4）から光（Ｌ_O、Ｌ_O'）を取り出す方法ステップ、
   を有すること特徴とする方法。
8. 少なくとも一つのさらに別の光源（Ｄ_N）によって、当該別の光源の光の接続の方法ステップ、行われる共振の数（ｋ_Nまたはｋ_N＋１）を計数しながらの光周波数の調整及びそれに続く変更の方法ステップ、引き続いての、ファブリ・ペロー共振器（Ｒ）の到達された共振周波数（ν_N）での当該さらに別の光源（Ｄ_N）の光の周波数（ν_N）の平均値
   

   

   のロックの方法ステップ、うなり周波数（Δν_1NまたはΔν_2N）の算出の方法ステップ、及び算出されたうなり周波数（Δν_1NまたはΔν_2N）に対応する合成波長を有する光として使用するために共通の光路部（Ｌ_G1−Ｌ_G4）から光を取り出す方法ステップを繰り返すことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 基準に用いられるそれ自体安定な別の光源（Ｄ_RまたはＤ₁またはＤ₂）からのコヒーレント光でのファブリ・ペロー共振器（Ｒ）のロックによって当該フファブリ・ペロー共振器（Ｒ）を安定化させることを特徴とする、請求項７または８に記載の方法。
10. 周波数（ν_i）の平均値
    

    

    の変化の間に行われる共振の数（ｋ_iまたはｋ_i＋１）がファブリ・ペロー共振器（Ｒ）のフィネス（Ｆ）にほぼ等しいことを特徴とする、請求項７から９のいずれか一項に記載の方法。

Images