JP4459961B2 - レーザ位相差検出装置およびレーザ位相制御装置 - Google Patents
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Description
特許文献1の図5に示された波面センサは、このようなレーザ位相差検出装置の例であり、複数のレーザビームの発生源である主発振器から発振されたレーザビームの一部をビームスプリッタで分岐させた光を参照光とし、参照光と主出力ビームとの干渉強度を観測し、個々のレーザビームの相対的な位相差を検出している。
さらに、参照光を伝播させる光路において、大気の密度変化や振動などにより光路長の時間ゆらぎが生じると、その光路長の時間ゆらぎが位相差の検出に影響する。この場合、検出した位相差を用いて位相差の補正を行うためには、参照光の光路長の時間ゆらぎ成分も考慮して補正しなければならないため、補正量が増大し、系が安定しない場合もあるという問題があった。また、参照光の光路長の時間ゆらぎ成分を検出して補正をかける手段が別途必要であり、コストが増大するという問題があった。
さらに、超短パルスレーザのようにコヒーレンス長が数10μm程の短い主出力ビームのコヒーレント結合に適用するためには、参照光と主出力ビームとが干渉するために許容される光路長差範囲が小さいため調整に手間がかかるなどの問題があった。
また、そのようなレーザ位相差検出装置を用いた、レーザ位相制御装置を得ることを目的とする。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1によるレーザ位相差検出装置100の構成を示す図である。図に示すように、レーザ位相差検出装置100は、ビームスプリッタ(光路分岐部)2、ビームスプリッタ(光路合成部)3、ビーム選択抽出部4、反射鏡5、反射鏡6、光路長可変部7、2次元光検知器(光検知器)10を備えている。レーザ位相差検出装置100は、一般的なマッハツェンダ型干渉計を応用したものである。
レーザ発振器から発振されたレーザビームは、分岐抽出手段(図示せず)によって分岐抽出され、拡大縮小手段(図示せず)により、必要に応じてビーム径が拡大または縮小される。これを被計測ビーム(レーザビーム群、主出力ビーム)1とする。被計測ビーム1は、分岐された2本以上のレーザビームを束ねるように配列したものであり、図1に示すように、ここでは4本の矩形ビーム(a,b,c,d)が田の字型に配列されている。
ビームスプリッタ2は、被計測ビーム1を振幅分割し、図1で下方向(第1の光路)に向かう反射成分(第1のレーザビーム群)と、図1で右方向(第2の光路)に向かう透過成分(第2のレーザビーム群)に分岐させる。被計測ビーム1の透過成分は、反射鏡6で反射されて進行方向を90度変え、被計測光9としてビームスプリッタ3に至る。
一方、被計測ビーム1の反射成分は、ビーム選択抽出部4においてビームaのみが選択的に抽出されて伝搬し、ビームb,c,dは遮断される。ビーム選択抽出部4で選択抽出されたビームaは、反射鏡5で反射されて進行方向を90度変えた後、光路長可変部7によって進行方向を変え、参照光8としてビームスプリッタ3に至る。
2次元光検知器10で観測される干渉光の強度は式(1)で表される。
I=a12+a22+2a1・a2cos(θ1−θ2) (1)
ここで、Iは干渉光強度、a1は参照光8の振幅、a2は被計測光9の振幅、θ1は参照光8の位相、θ2は被計測光9の位相である。
また、光路長可変部7を用いて参照光8と被計測光9の光路長を変えるようにしたので、干渉光路を小型の装置内に収めることが可能である。また、ビームスプリッタ2によって光束を分岐した後、ビームスプリッタ3へ至るまでの光路長が短く、光路長ゆらぎを小さくすることができる。
また、干渉光路が小型の装置内に収まるように構成されているため、被計測ビーム1がパルスレーザのようにコヒーレンス長が短い光であっても、参照光と被計測光との光路長を必要な精度で一致させることが比較的容易である。
このように、装置の小型化が可能であり、可搬性を高めることができる。また、測定のための調整が容易である。
実施の形態1では、被計測ビーム1を構成する個々のレーザビームの位相差を検出するために光路長可変部7によって光路長をスキャンする際、光路長の変化量を高精度に把握する必要がある。しかし、ビームスプリッタ2からビームスプリッタ3までの光路長は、温度変化や振動による影響で随時変動する可能性がある。実施の形態2は、この光路長変動の補正のための手段を設けたものである。
光路長差変動検出部11は、ビームスプリッタ2からビームスプリッタ3までの光路中における光路長変動による計測誤差を検出するため、参照光8と、被計測光9のうちのビームaに対応する部分の干渉光の強度を計測する。
参照光8はビームスプリッタ2で分岐した被計測ビーム1の一方から、ビームaを選択抽出したものであるから、参照光8と被計測光9のうちビームaに対応する部分との干渉光強度は、ビームスプリッタ2からビームスプリッタ3までの光路長の差のみを反映している。従って、参照光8と被計測光9のビームaに対応する部分の干渉光強度に基づいて、ビームスプリッタ2からビームスプリッタ3までの光路長変動を正確に知ることができる。
光路長差変動検出部11により検出した干渉計内での参照光8と被計測光9の光路長差の変動に基づいて、2次元光検知器10の出力信号を信号処理することにより、光路長差の変動を補正することができる。
実施の形態1では、光路長可変部7により光路長をスキャンしている。しかし、被計測ビーム1がシングルショットパルスの場合には、光路長をスキャンすることができないため、実施の形態1を適用することができない。実施の形態3では、実施の形態1をシングルショットパルスに対応できるように拡張したものである。
参照光8の振幅a1と被計測光9の振幅a2が既知であれば、式(1)を用いて位相差(θ1−θ2)を求めることが可能である。従って、光路長可変部7によって光路長をスキャンせず、一回の受光による干渉光強度から位相差を推定することが可能である。しかし、干渉光強度は位相差(θ1−θ2)に対し正弦的に変化するものであるから、任意の干渉光強度となる位相差(θ1−θ2)には、2つの解が存在し、1つに特定することができない。
空間位相差付与部20を設けたことによって、参照光8の断面内に位相差が発生する。この参照光8の断面内に発生する光路長差をΔθ1とすると、式(1)で表される干渉光強度の他に、式(2)で示す干渉光強度が同時に観測できる。
I=a12+a22+2a1・a2cos(θ1−θ2+Δθ1) (2)
式(1)と式(2)とを同時に満足する位相差(θ1−θ2)は唯一しか存在しないため、Δθ1が既知であれば、2つの干渉光強度から、位相差(θ1−θ2)を得ることが可能となる。
なお、空間位相差付与部20は、1つの位相差のみを空間的に生じさせるものであるが、2つ以上の相異なる位相差を生じさせるものであってよい。
また、式(1)、式(2)において、振幅a1、a2は事前に計測してもよいし、被計測光9を分岐計測する計測手段を別途設け、位相ずれ検出と同時に計測するようにしてもよい。
実施の形態4は、実施の形態1のS/N比を向上させるものである。
図4は、実施の形態4による、レーザ位相差検出装置400の構成を示すブロック図である。図1と同一の符号は、同等の構成要素を表している。図に示すように、レーザ位相差検出装置400は、ビーム径拡大部30を備えている。ビーム径拡大部30は、参照光8を被計測光9と等しい径に拡大し、例えば、ガリレオ型テレスコープを用いることができる。
実施の形態4では、ビーム径拡大部30によって参照光8のビーム径と被計測光9のビーム径が等しくなる。このため、干渉光に利用される被計測光9の割合が多くなり、光の利用効率が向上する。そのため、被計測ビーム1の強度を小さくすることができる。
さらに、ビーム径拡大部30にスペーシャルフィルタ機能を兼ねさせれば、参照光8を高精度な平面波とすることも可能である。これにより、被計測ビーム1を構成するビームa,b,c,d間の位相ずれだけでなく、ビーム断面内の位相分布を干渉光強度から検出することも可能となる。
実施の形態5は、実施の形態1のS/N比を向上させるものである。
図5は、実施の形態5による、レーザ位相差検出装置500の構成を示すブロック図である。図1と同一の符号は、同等の構成要素を表している。図に示すように、レーザ位相差検出装置500は、光路長制御部41、信号処理部42を備えている。
レーザ位相差検出装置500では、光路長制御部41によって光路長可変部7を駆動することにより、参照光8の光路長を一定周波数、振幅で変調する。変調は、例えばボイスコイルによる振動発生素子を用いて実現する。信号処理部42は、2次元光検知器10の出力である干渉光強度信号の時系列変化を記憶し、フーリエ変換を行う。
(θ1−θ2)=0→ΔI最小 (3)
(θ1−θ2)=π/2,−π/2→ΔI最大 (4)
すなわち、干渉光強度Iの振幅ΔIが得られれば、位相差(θ1−θ2)を知ることができる。干渉光強度Iの振幅ΔIは、信号処理部42の出力であるフーリエ変換結果から、変調周波数のパワースペクトルを抽出することにより得られる。ただし、パワースペクトルからは位相差(θ1−θ2)の正負が判定できないため、位相の正負を判定するために、例えば、光路長制御部41から変調信号を抽出して干渉光強度の波形のロックイン検波を行う。
実施の形態6は、実施の形態1〜5のレーザ位相差検出装置を用いた、レーザ位相制御装置を示すものである。
図6は、実施の形態6による、レーザ位相制御装置600の構成を示す図である。
図に示すように、レーザ位相制御装置600は、レーザ光源50、分配部51、位相遅延可変装置(位相遅延可変部)52、増幅部53、合成部54、レーザビーム抽出部55、位相差検出装置(位相差検出部)56、位相差制御装置(位相差制御部)57を備えている。
レーザ光源50から発振されたレーザビームは、分配部51によって複数の相互にコヒーレントなレーザビームに分配される。分配部51は、複数のビームスプリッタで構成されている。位相遅延可変装置52は、コヒーレント結合させたいレーザビームの相対位相差を変化させる。相対位相差を変化させる方法は、ここではミラー521の位置を変化させることで実現している。増幅部53は、分配部51から出力され、位相遅延可変装置52によって相対位相差を変化させた複数のレーザビームの強度を増幅すると共に、必要に応じてビーム系を拡大し、出力する。合成部54は、ミラーなどで構成され、増幅部53の出力であるレーザビームがコヒーレント結合するように、各々のレーザビームの空間配置、角度を変換する。レーザビーム抽出部55は、ビームスプリッタなどで構成され、合成部54が出力した複数のレーザビームを位相差検出装置56に供給するために抽出する。
位相差検出装置56は、実施の形態1〜5のいずれかのレーザ位相差検出装置であり、レーザビーム抽出部55によって抽出された複数のレーザビームを被計測ビーム1として、位相差を検出し、出力する。
位相差制御装置57は、位相差検出装置56で検出された複数のレーザビームの相対位相差と、目的に応じてあらかじめ記憶されている相対位相差との差を演算し、この差から複数のレーザビームの相対誤差と、目的に応じてあらかじめ記憶されている相対位相差との差を演算し、さらにこの差から複数のレーザビームの相対位相差が目標値となるための相対位相差補正量を演算し、位相遅延可変装置52に回帰制御信号を出力する。
Claims (7)
- レーザビーム群を、第1の光路を進行する反射成分となる第1のレーザビーム群と、第2の光路を進行する透過成分となる第2のレーザビーム群に振幅分割させる光路分岐部と、
上記第1のレーザビーム群の中から、1つのレーザビームを参照光として選択通過させるビーム選択抽出部と、
上記第1の光路の光路長を可変とする光路長可変部と、
上記参照光と上記第2のレーザビーム群を構成する個々のレーザビームを合成し、干渉光を生じさせる光路合成部と、
上記干渉光の強度を検出する光検知器を備え、
上記光路長可変部によって上記第1の光路の光路長を変化させることにより、上記第2のレーザビーム群を構成する個々のレーザビーム毎に上記干渉光の強度が最大となる光路長を検出し、その光路長に基づいて、個々のレーザビーム間の位相差を求めることを特徴とするレーザ位相差検出装置。 - 第2のレーザビーム群を構成するレーザビームのうち参照光に対応するレーザビームと参照光との干渉光の強度に基づいて、第1の光路と第2の光路の光路長差の変動量を算出する光路長差変動検出部を備え、
算出された上記変動量に基づいて、光検知器の出力信号を信号処理することにより、上記光路長差の変動を補正することを特徴とする請求項1記載のレーザ位相差検出装置。 - 光路長差変動検出部によって算出された光路長差の変動量に基づいて、光路長可変部を駆動することにより光路長差を補正することを特徴とする請求項2記載のレーザ位相差検出装置。
- 第1の光路上に、透過する参照光の断面内に位相差を生じさせる空間位相差付与部を備えたことを特徴とする請求項1記載のレーザ位相差検出装置。
- 第1の光路上に、参照光の径を拡大して第2のレーザビーム群の径と等しくするビーム径拡大部を設けるか、または、第2の光路上に、第2のレーザビーム群の径を縮小して参照光の径と等しくするビーム径縮小部を設けたことを特徴とする請求項1記載のレーザ位相差検出装置。
- 光検知器が検出した干渉光強度の時系列変化をフーリエ変換する信号処理部と、
第1の光路の光路長をある周波数で、微小振幅で変化させるように、光路長可変部を駆動する光路長制御部を備えたことを特徴とする請求項1記載のレーザ位相差検出装置。 - レーザ光源と、
上記レーザ光源から出力されたレーザビームを複数のレーザビームに分配する分配部と、
上記分配部で分配された複数のレーザビームの強度をそれぞれ増幅する増幅部と、
上記増幅部で増幅された複数のレーザビームをコヒーレント結合する合成部と、
上記分配部で分配されたレーザビームの位相を制御する位相遅延可変部と、
上記増幅部で増幅された複数のレーザビーム間の位相差を検出する位相差検出部と、
上記位相差検出装置で検出された複数のレーザビーム間の位相差に基づいて、上記合成部でコヒーレント結合されたレーザビームの空間強度分布を任意に制御する位相差制御部を備え、
上記位相差検出部は、請求項1記載のレーザ位相差検出装置のビーム選択抽出部により、上記合成部が出力した複数のレーザビームを抽出して、位相差検出部に供給されていることを特徴とするレーザ位相制御装置。
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