JP4782889B1 - 繰り返し周波数制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２台のレーザの繰り返し周波数をそれぞれ独立して制御しないで、２台のレーザの繰り返し周波数の差を一定にする。
【解決手段】繰り返し周波数制御装置１は、スレーブレーザ光パルスを出力するスレーブレーザ１２と、スレーブレーザ光パルスを受け、スレーブ電気信号に変換するスレーブ光電変換部１６と、マスタレーザ光パルスを出力するマスタレーザ２３と、マスタレーザ光パルスを受け、マスタ電気信号に変換するマスタ光電変換部２６と、マスタ電気信号の繰り返し周波数を所定値だけ変更する周波数変更部２８と、スレーブ電気信号と、周波数変更部の出力との位相差を検出する位相比較器３２と、位相比較器３２の出力の高周波成分を除去するループフィルタ３４とを備える。マスタレーザ２３の繰り返し周波数ｆ１は、マスタ電気信号およびスレーブ電気信号の一方または双方に基づく制御を受けない（フリーラン状態）。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光パルスの繰り返し周波数の制御に関する。

従来より、２台のレーザの繰り返し周波数をそれぞれ独立して制御することにより、２台のレーザの繰り返し周波数の差を一定にするシステムが知られている（例えば、特許文献１の図１８、［0077］を参照）。

特許第４５６５１９８号公報

しかしながら、２台のレーザの繰り返し周波数をそれぞれ独立して制御することは、制御系を複雑にする。

そこで、本発明は、２台のレーザの繰り返し周波数をそれぞれ独立して制御しないで、２台のレーザの繰り返し周波数の差を一定にすることを課題とする。

本発明にかかる繰り返し周波数制御装置は、スレーブレーザ光パルスを出力するスレーブレーザと、前記スレーブレーザ光パルスを受け、スレーブ電気信号に変換するスレーブ光電変換部と、マスタレーザ光パルスを出力するマスタレーザと、前記マスタレーザ光パルスを受け、マスタ電気信号に変換するマスタ光電変換部と、前記マスタ電気信号の繰り返し周波数を所定値だけ変更する周波数変更部と、前記スレーブ電気信号と、前記周波数変更部の出力との位相差を検出する位相差検出器と、前記位相差検出器の出力の高周波成分を除去するループフィルタと、を備え、前記マスタレーザの繰り返し周波数は、前記マスタ電気信号および前記スレーブ電気信号の一方または双方に基づく制御を受けず、前記ループフィルタの出力に応じて、前記スレーブレーザ光パルスの繰り返し周波数が変化するように構成される。

上記のように構成された繰り返し周波数制御装置によれば、スレーブレーザが、スレーブレーザ光パルスを出力する。スレーブ光電変換部が、前記スレーブレーザ光パルスを受け、スレーブ電気信号に変換する。マスタレーザが、マスタレーザ光パルスを出力する。マスタ光電変換部が、前記マスタレーザ光パルスを受け、マスタ電気信号に変換する。周波数変更部が、前記マスタ電気信号の繰り返し周波数を所定値だけ変更する。位相差検出器が、前記スレーブ電気信号と、前記周波数変更部の出力との位相差を検出する。ループフィルタが、前記位相差検出器の出力の高周波成分を除去する。前記マスタレーザの繰り返し周波数は、前記マスタ電気信号および前記スレーブ電気信号の一方または双方に基づく制御を受けない。前記ループフィルタの出力に応じて、前記スレーブレーザ光パルスの繰り返し周波数が変化する。

なお、本発明にかかる繰り返し周波数制御装置は、前記スレーブレーザの共振器長が、前記ループフィルタの出力に応じて変化するようにしてもよい。

なお、本発明にかかる繰り返し周波数制御装置は、前記スレーブレーザは、ピエゾ素子を有し、前記ピエゾ素子に、前記ループフィルタの出力が与えられ、前記ピエゾ素子の伸縮により、前記スレーブレーザの共振器長が変化するようにしてもよい。

本発明の実施形態にかかる繰り返し周波数制御装置１の構成を示す機能ブロック図である。 周波数変更部２８の構成を示す機能ブロック図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施形態にかかる繰り返し周波数制御装置１の構成を示す機能ブロック図である。

本発明の実施形態にかかる繰り返し周波数制御装置１は、スレーブレーザ１２、モータドライバ１２ｍ、スレーブ光カプラ１４、フォトダイオード（スレーブ光電変換部）１６、マスタレーザ２３、マスタ光カプラ２４、フォトダイオード（マスタ光電変換部）２６、周波数変更部２８、位相比較器（位相差検出器）３２、ループフィルタ３４、ピエゾドライバ３６を備える。

スレーブレーザ１２は、レーザ光パルス（「スレーブレーザ光パルス」という）を出力する。なお、スレーブレーザ光パルスの繰り返し周波数は、例えば、おおむね50MHzである。

スレーブレーザ１２は、ピエゾ素子１２ｐを有する。ピエゾ素子１２ｐは、ループフィルタ３４の出力の電圧が、ピエゾドライバ３６により増幅されて印加されることにより、Ｘ方向（図１における横方向）に伸縮する。ピエゾ素子１２のＸ方向の伸縮によって、スレーブレーザ１２のレーザ共振器長が変化する。レーザ共振器長の変化により、スレーブレーザ光パルスの繰り返し周波数が変化する。

モータドライバ１２ｍは、スレーブレーザ１２内のステッピングモータ（図示省略）を駆動することで、スレーブレーザ１２のレーザ共振器長を粗く調整する。モータドライバ１２ｍによる調整が行われた後で、ピエゾ素子１２ｐにより細かな調整が行われる。

スレーブ光カプラ１４は、スレーブレーザ１２の出力するスレーブレーザ光パルスを受け、例えば、パワー比にして、１：９の割合で、フォトダイオード１６と外部に出力する。例えば、フォトダイオード１６に与えられるスレーブレーザ光パルスの光パワーが、スレーブレーザ１２の出力するスレーブレーザ光パルスの光パワーの１０％ということになる。

フォトダイオード（スレーブ光電変換部）１６は、スレーブ光カプラ１４からスレーブレーザ光パルスを受け、電気信号（「スレーブ電気信号」という）に変換する。

マスタレーザ２３は、レーザ光パルス（「マスタレーザ光パルス」という）を出力する。なお、マスタレーザ光パルスの繰り返し周波数ｆ１は、例えば、おおむね50MHzである。

また、繰り返し周波数制御装置１の使用開始前に、予め、マスタレーザ２３の繰り返し周波数ｆ１を、おおむね50MHzに調整しておく。例えば、100MHzで発振するＯＣＸＯ（恒温槽付水晶発振器）（図示省略）の出力を１／２分周したものと、マスタレーザ２３の出力とを、位相比較器（図示省略）により比較し、両者の繰り返し周波数がおおよそ同じ（約10Hz程度の差異）になるように、マスタレーザ２３の出力の繰り返し周波数を調整する。マスタレーザ２３の出力の繰り返し周波数の調整は、マスタレーザ２３内のステッピングモータ（図示省略）を駆動し、マスタレーザ２３のレーザ共振器長を調整することにより達成できる。

なお、マスタレーザ２３の繰り返し周波数ｆ１の調整は、繰り返し周波数制御装置１の使用をしない間に、数１０分間隔で、数秒間行われる。

マスタ光カプラ２４は、マスタレーザ２３の出力するマスタレーザ光パルスを受け、例えば、パワー比にして、１：９の割合で、フォトダイオード２４と外部に出力する。例えば、フォトダイオード２４に与えられるマスタレーザ光パルスの光パワーが、マスタレーザ２３の出力するマスタレーザ光パルスの光パワーの１０％ということになる。

フォトダイオード（マスタ光電変換部）２６は、マスタ光カプラ２４からマスタレーザ光パルスを受け、電気信号（「マスタ電気信号」という）に変換する。

周波数変更部２８は、マスタ電気信号の繰り返し周波数ｆ１を所定値Δ（例えば、10〜20Hz）だけ変更する。例えば、マスタ電気信号の繰り返し周波数ｆ１を、ｆ２＝ｆ１−Δに変更する。

図２は、周波数変更部２８の構成を示す機能ブロック図である。周波数変更部２８は、ＤＤＳ２８ａ、ＯＣＸＯ２８ｂ、位相比較器２８ｃ、ループフィルタ２８ｄを有する。

ＤＤＳ（Direct Digital Synthesizer）２８ａは、マスタ電気信号（繰り返し周波数ｆ１）を受け、マスタ電気信号（繰り返し周波数ｆ２）を出力する。ＯＣＸＯ２８ｂは、恒温槽付水晶発振器であり、その発振周波数はおおむね50MHzである。位相比較器２８ｃは、ＤＤＳ２８ａの出力と、ＯＣＸＯ２８ｂの出力との位相を比較し、両者の位相差を検出して出力する。ループフィルタ２８ｄは、位相比較器２８ｃの出力の高周波成分を除去する。なお、「除去」といった場合、必ずしも完全な除去のみを意味するわけではなく、わずかに高周波成分が残ってしまっても「除去」に該当する。これ以降の「除去」も同じ意味である。

なお、ＯＣＸＯ２８ｂは、ループフィルタ２８ｄの出力（Vcont）を受け、Vcontに応じて、発振周波数を変化させる。ただし、位相比較器２８ｃの出力する位相差が一定値（例えば、０度、９０度または−９０度）となるように、ＯＣＸＯ２８ｂが発振周波数を変化させる。

これにより、ＯＣＸＯ２８ｂから、マスタ電気信号（繰り返し周波数ｆ２）が、周波数変更部２８の出力として得られる。

位相比較器（位相差検出器）３２は、スレーブ電気信号と、周波数変更部２８の出力（マスタ電気信号：繰り返し周波数ｆ２）との位相を比較し、両者の位相差を検出して出力する。

ループフィルタ３４は、位相比較器３２の出力の高周波成分を除去する。

ピエゾドライバ３６は、例えば、パワーアンプであり、ループフィルタ３４の出力を増幅する。ピエゾドライバ３６の出力は、ピエゾ素子１２ｐに与えられる。これにより、ピエゾ素子１２ｐがＸ方向に伸縮する。ただし、位相比較器３２の検出する位相差が一定値（例えば、０度、９０度または−９０度）になるように、ピエゾ素子１２ｐを伸縮させるものとする。これにより、スレーブレーザ光パルスの繰り返し周波数を、正確に、繰り返し周波数ｆ２（＝ｆ１−Δ）に合わせることができる。

なお、マスタレーザの繰り返し周波数ｆ１は、マスタ電気信号およびスレーブ電気信号の一方または双方に基づく制御を受けない。すなわち、マスタレーザ２３がフリーラン状態である。このため、マスタレーザの繰り返し周波数ｆ１は、通常、１０分間で数１０Hz程度の周波数変動がある。これは、スレーブレーザ１２の繰り返し周波数が、マスタ電気信号およびスレーブ電気信号に基づく制御を受けていることと対照的である。

次に、本発明の実施形態の動作を説明する。

まず、繰り返し周波数制御装置１の使用開始前に、予め、マスタレーザ２３の繰り返し周波数ｆ１を、おおむね50MHzに調整しておく。このとき、スレーブレーザ１２の繰り返し周波数は、マスタ電気信号およびスレーブ電気信号の一方または双方に基づく制御を受けない。すなわち、スレーブレーザ１２がフリーラン状態である。

その後、繰り返し周波数制御装置１の使用を開始する。

スレーブレーザ１２の出力するスレーブレーザ光パルスは、スレーブ光カプラ１４によりその一部がフォトダイオード１６に導かれ、光電変換され、スレーブ電気信号となり、位相比較器３２に与えられる。

マスタレーザ２３の出力するマスタレーザ光パルス（繰り返し周波数ｆ１）は、マスタ光カプラ２４によりその一部がフォトダイオード２６に導かれ、光電変換され、マスタ電気信号となる。マスタ電気信号は、周波数変更部２８により、その繰り返し周波数が、ｆ１からｆ２＝ｆ１−Δに変更されて、位相比較器３２に与えられる。

位相比較器３２は、スレーブ電気信号の位相と、周波数変更部２８の出力（マスタ電気信号：繰り返し周波数ｆ２）の出力の位相とを比較し、両者の位相差を検出して出力する。位相比較器３２の出力は、ループフィルタ３４により高周波成分が除去され、ピエゾドライバ３６により増幅されて、ピエゾ素子１２ｐに与えられる。位相比較器３２の検出する位相差が一定値（例えば、０度、９０度または−９０度）になるように、ピエゾ素子１２ｐが伸縮する。これにより、スレーブレーザ光パルスの繰り返し周波数を、正確に、繰り返し周波数ｆ２（＝ｆ１−Δ）に合わせることができる。

本発明の実施形態によれば、２台のレーザ（マスタレーザ２３およびスレーブレーザ１２）の繰り返し周波数をそれぞれ独立して制御しなくても、スレーブレーザ１２の繰り返し周波数を制御することにより、２台のレーザの繰り返し周波数の差を一定（所定値Δ）にすることができる。

なお、マスタレーザ光パルス（繰り返し周波数ｆ１）およびスレーブレーザ光パルス（繰り返し周波数ｆ２（＝ｆ１−Δ））は、THz光を用いた測定装置に使用できる。

例えば、マスタレーザ光パルスをTHz光発生器（例えば、光伝導スイッチ）に与えて、THz光を発生させて、被測定物に照射する。被測定物を透過し、または被測定物により反射されたTHz光をTHz光検出器（例えば、光伝導スイッチ）に与える。ここで、THz光検出器に、スレーブレーザ光パルスを与えることで、THz光の検出が可能となる。

１ 繰り返し周波数制御装置
１２ スレーブレーザ
１２ｐ ピエゾ素子
１４ スレーブ光カプラ
１６ フォトダイオード（スレーブ光電変換部）
２３ マスタレーザ
２４ マスタ光カプラ
２６ フォトダイオード（マスタ光電変換部）
２８ 周波数変更部
３２ 位相比較器（位相差検出器）
３４ ループフィルタ
３６ ピエゾドライバ

Claims (3)

1. スレーブレーザ光パルスを出力するスレーブレーザと、
   前記スレーブレーザ光パルスを受け、スレーブ電気信号に変換するスレーブ光電変換部と、
   マスタレーザ光パルスを出力するマスタレーザと、
   前記マスタレーザ光パルスを受け、マスタ電気信号に変換するマスタ光電変換部と、
   前記マスタ電気信号の繰り返し周波数を所定値だけ変更する周波数変更部と、
   前記スレーブ電気信号と、前記周波数変更部の出力との位相差を検出する位相差検出器と、
   前記位相差検出器の出力の高周波成分を除去するループフィルタと、
   を備え、
   前記マスタレーザの繰り返し周波数は、前記マスタ電気信号および前記スレーブ電気信号の一方または双方に基づく制御を受けず、
   前記ループフィルタの出力に応じて、前記スレーブレーザ光パルスの繰り返し周波数が変化する、
   繰り返し周波数制御装置であって、
   前記マスタレーザ光パルスがTHz光発生器に与えられ、
   前記THz光発生器がTHz光を発生し、
   前記THz光が被測定物に照射されて、前記被測定物を透過するか、または前記被測定物により反射された透過／反射光がTHz光検出器に与えられ、
   前記THz光検出器には、前記スレーブレーザ光パルスも与えられる、
   繰り返し周波数制御装置。
   
2. 請求項１に記載の繰り返し周波数制御装置であって、
   前記スレーブレーザの共振器長が、前記ループフィルタの出力に応じて変化する、
   繰り返し周波数制御装置。
3. 請求項２に記載の繰り返し周波数制御装置であって、
   前記スレーブレーザは、ピエゾ素子を有し、
   前記ピエゾ素子に、前記ループフィルタの出力が与えられ、
   前記ピエゾ素子の伸縮により、前記スレーブレーザの共振器長が変化する、
   繰り返し周波数制御装置。

Images