JP5231554B2

JP5231554B2 - 周波数安定化レーザー装置及びレーザー周波数安定化方法

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Publication number: JP5231554B2
Application number: JP2010523934A
Authority: JP
Inventors: キム、ジェ‐ワン; エオン、タエ‐ボング; キム、ジョン‐アン; カン、チュ‐シク
Original assignee: Korea Research Institute of Standards and Science KRISS
Current assignee: Korea Research Institute of Standards and Science KRISS
Priority date: 2007-09-07
Filing date: 2008-08-19
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2028-08-19
Also published as: WO2009031769A2; JP2011515014A; WO2009031769A3; KR20090025969A; US8290007B2; US20100177795A1; KR100925782B1

Description

本発明は、周波数安定化レーザー装置及びレーザー周波数安定化方法に係り、より詳細には、半導体レーザーから放出されるビームの周波数を安定させるための装置及び方法に関する。

半導体レーザーは、他のレーザーに比べて小型、低電力消費、大量生産による低価格、高効率、１００万時間以上の長い寿命、広い範囲の発振波長、広い利得帯域幅、アレイ構造の採用による高出力可能、注入電流による直接的な強度及び周波数制御可能などの多くの特徴を有している。
様々な特長から、半導体レーザーは光通信、コンパクトディスクの光源などをはじめとして各種の応用分野で広く使用されている。

多くの応用分野においてレーザーを精密測定の光源として用いるためには、レーザー周波数が一定の値に安定しなければならない。レーザー周波数安定化方法としては、原子の分光線を用いる方法、ファブリぺロー干渉計を用いる方法、Zeeman効果を用いる方法などが多く用いられている。
原子の分光線を用いる方法は、使用可能な原子の分光線が存在しなければならないので、特定の波長でしかレーザー周波数を安定化させることができなく、また、装置が複雑なため産業向けよりは研究室で広く用いられる。
ファブリぺロー干渉計を用いる方法は、それ自体の安定性能には優れているが、安定させうる領域が狭すぎるため、他の安定化方法の補助手段として主に使用される。
Zeeman効果を用いる方法は、Ｈｅ−Ｎｅレーザーが代表的であり、最も広く使用される。
この方法を適用する場合は、媒質の特性がきわめて制限されるため、Ｈｅ−Ｎｅレーザー以外の場合には殆ど適用できない。

そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、半導体レーザーから放出されるビームの周波数を一定範囲以内に安定化させた状態でビームすなわち共鳴したビームを半導体レーザーにフィードバックして、半導体レーザーから放出されるビームの周波数を最終的に安定化させ、安定した周波数を有するビームを長時間出力可能にし、各フリースペクトラル範囲(free spectral ranges)別に安定した周波数を持つビームを選択的に長時間出力可能にし、出力するビームの周波数を高い分解能をもって正確に算出する周波数安定化レーザー装置及びレーザー周波数安定化方法を提供することにある。

請求項１の発明に係る周波数安定化レーザー装置は、ビームを放出する半導体レーザーと、前記放出されたビームの波長を検出するための干渉信号を生成する干渉信号生成部と、前記生成された干渉信号から波長を検出し、前記検出した波長によって、前記半導体レーザーに印加される電流を調節して１次的にレーザービームの周波数を安定化させる制御部と、共振周波数を有し、前記放出されたビームの周波数と前記共振周波数とが同一の場合、光共振器を通じて前記放出されたビームを前記半導体レーザーにフィードバックして、前記半導体レーザーの周波数を最終的に安定化させる外部反射体とを含み、前記干渉信号生成部が、予め設定された厚さを有する試料基板と、前記試料基板に前記放出されたビームを照射する光照射手段と、前記試料基板から反射された光を検出する光検出手段とを含み、前記光照射手段が、前記放出されたビームの一部である第３ビームを第５ビームと第６ビームとに分割する光分割器と、前記第５ビーム及び第６ビームを互いに入射角を異ならせて前記試料基板に照射する光経路調節部とを含み、前記光検出手段が、前記試料基板から反射された第５ビーム及び第６ビームの偏光を調節して透過させる１／４波長板と、前記透過された第５ビーム及び第６ビームを反射する偏光光分割器と、前記反射された第５ビームを検出する第２光検出器と、前記反射された第６ビームを検出する第３光検出器とを含んでいることにより、前記課題を解決したものである。

請求項２の発明に係る周波数安定化レーザー装置は、請求項１の発明に係る周波数安定化レーザー装置の構成に加えて、前記光共振器が、前記共振周波数を有し、前記光共振器が、前記放出されたビームの周波数と前記共振周波数とが同一の場合に前記半導体レーザーにフィードバックするためのビームを出力し、前記外部反射体が、前記光共振器と、前記半導体レーザーから放出されたビームを前記光共振器に照射する第１手段と、前記光共振器から出力されたビームを、前記半導体レーザーにフィードバックする第２手段とを含むことにより、前記課題をさらに解決したものである。
請求項３の発明に係る周波数安定化レーザー装置は、請求項２の発明に係る周波数安定化レーザー装置の構成に加えて、前記第１手段及び第２手段が、同一であることにより、前記課題をさらに解決したものである。
請求項４の発明に係る周波数安定化レーザー装置は、請求項２の発明に係る周波数安定化レーザー装置の構成に加えて、前記外部反射体が、前記光共振器を透過したビームを検出する第１光検出器をさらに含み、前記制御部が、前記検出されたビームから共鳴周波数を検出することにより、前記課題をさらに解決したものである。

請求項５の発明に係る周波数安定化レーザー装置は、請求項１の発明に係る周波数安定化レーザー装置の構成に加えて、前記制御部が、前記生成された干渉信号から波長を検出する波長算出部と、前記検出された波長に基づいて制御信号を算出する制御信号算出部と、前記算出された制御信号によって前記半導体レーザーの温度または前記半導体レーザーに印加される電流を調節する調節部とを含むことにより、前記課題をさらに解決したものである。

請求項６の発明に係る周波数安定化レーザー装置は、請求項１の発明に係る周波数安定化レーザー装置の構成に加えて、前記放出されたビームを分割して前記外部反射体及び前記干渉信号生成部にそれぞれ照射する光伝達部をさらに含むことにより、前記課題をさらに解決したものである。
請求項７の発明に係る周波数安定化レーザー装置は、請求項６に係る周波数安定化レーザー装置の構成に加えて、前記光伝達部が、前記放出されたビームを分割し、分割されたビームの一部を前記外部反射体に照射する第１光分割器と、前記分割されたビームの残り一部を透過させる光絶縁体と、前記透過されたビームを分割し、分割されたビームの一部を前記干渉信号生成部に照射し、分割されたビームの残り一部を外部に放出する第２光分割器とを含むことにより、前記課題をさらに解決したものである。

また、請求項８の発明は、半導体レーザーから放出されるビームの周波数を安定化させるレーザー周波数安定化方法であって、前記半導体レーザーから放出されたビームの波長を検出する波長検出段階と、前記検出された波長に基づいて前記半導体レーザーの温度または前記半導体レーザーに印加される電流を調節する段階と、前記ビームの共鳴周波数を検出する周波数検出段階と、前記ビームの共鳴周波数が検出された場合には、前記ビームを前記半導体レーザーにフィードバックさせ、レーザービームの周波数を安定化させる段階とを含み、前記波長検出段階が、前記放出されたビームの一部である第３ビームを第５ビームと第６ビームとに分割する光分割段階と、前記第５ビームと第６ビームとを互いに入射角を異ならせて試料基板に照射する光照射段階と、前記試料基板から反射された第５ビームと第６ビームとを検出する段階と、前記検出された第５ビーム及び第６ビームから生成された干渉信号から波長を検出する段階とを含むことにより、前記課題を解決したものである。

請求項９の発明に係るレーザー周波数安定化方法は、請求項８の発明に係るレーザー周波数安定化方法の構成に加えて、前記周波数検出段階が、前記放出されたビームを光共振器に照射する段階と、前記光共振器を透過したビームを検出する段階と、前記検出されたビームから共鳴周波数を検出する段階とを含むことにより、前記課題をさらに解決したものである。

本請求項１に係る周波数安定化レーザー装置及び本請求項８に係るレーザー周波数安定化方法によれば、半導体レーザーから放出されるビームの周波数を一定範囲以内に安定化させた状態でビームすなわち共鳴したビームを半導体レーザーにフィードバックして、半導体レーザーから放出されるビームの周波数を最終的に安定化させ、安定した周波数を有するビームを長時間出力可能になり、半導体レーザーの温度または半導体レーザーに印加される電流を調節して各フリースペクトラル範囲（free spectral ranges）別に安定した周波数を有するビームを選択的に長時間出力可能であり、出力するビームの周波数を高い分解能をもって正確に算出することができる。

本発明による周波数安定化レーザー装置をより良く理解するための参考例の構成を示すブロック図である。本発明による周波数安定化レーザー装置をより良く理解するための外部反射体の参考例を示す概略構造図である。本発明による周波数安定化レーザー装置をより良く理解するための干渉信号生成部の参考例を示す概略構造図である。本発明による周波数安定化レーザー装置をより良く理解するための波長測定原理を示す図である。本発明による周波数安定化レーザー装置をより良く理解するための制御部の参考例を示す構成ブロック図である。本発明による周波数安定化レーザー装置をより良く理解するための第２検出器の参考例で検出されたビームの周波数別強度を示すグラフである。本発明による周波数安定化レーザー装置をより良く理解するための第３検出器の参考例で検出されたビームの周波数別強度を示すグラフである。本発明による周波数安定化レーザー装置をより良く理解するための第１検出器の参考例で検出されたビームの周波数別強度を示すグラフである。本発明による周波数安定化レーザー装置をより良く理解するための光伝達部の参考例を示す構成ブロック図である。本発明による周波数安定化レーザー装置の好適な一実施例を示す概略構造図である。本発明によるレーザー周波数安定化方法の好適な一実施例を示すフローチャートである。

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明による装置及び方法の好適な実施例について詳細に説明する。

図１は、本発明による周波数安定化レーザー装置をより良く理解するための参考例の構成を示すブロック図である。

図１を参照すると、本発明による周波数安定化レーザー装置１００は、半導体レーザー１１０、外部反射体１２０、干渉信号生成部１３０、制御部１４０及び光伝達部１５０を備える。

半導体レーザー１１０はビームを放出し、制御部１４０により、放出されるビームの周波数または波長が一次的に調節され、外部反射体１２０からフィードバックされたビームによる光フィードバックという物理現象によりビームの周波数が固定及び安定化する。

外部反射体１２０は、共振周波数を有し、共振周波数と半導体レーザー１１０から放出されたビームの周波数とが同一の場合には、半導体レーザー１１０から放出されたビームを半導体レーザー１１０にフィードバックする。
半導体レーザー１１０にフィードバックされたビームにより半導体レーザー１１０から放出されるビームは、共振周波数にロックされる。この時、半導体レーザー１１０は、安定した周波数を持つビームを放出するようになる。
このような外部反射体１２０としては、１枚の反射鏡、光学格子、光ファイバ共振器、ファブリペロー共振器などを使用する。

図２は、本発明による周波数安定化レーザー装置をより良く理解するための外部反射体の参考例を示す概略構造図である。

図２を参照すると、外部反射体２００は、光共振器２１０、第１手段２２０、第２手段２２０及び第１光検出器２４０を備える。

光共振器２１０は、共振周波数を有し、該共振周波数と半導体レーザー１１０から放出されたビームの周波数とが同一の場合には、半導体レーザー１１０にフィードバックするために、入射したビームを増幅して出力する。
このために、光共振器２１０は、二つの反射鏡２１２，２１４で構成され、例えば、二つの反射鏡２１２，２１４は互いに反射鏡の曲率半径と同じ長さで離れて配置される。

そして、半導体レーザー１１０から放出されたビームを光共振器２１０に照射する第１手段２２０、及び光共振器２１０から増幅されたビームを半導体レーザー１１０にフィードバックする第２手段２２０は、同一のものにすることができる。

第１手段２２０は、半導体レーザー１１０から放出されたビーム２５０を、反射鏡２１２に入射させる。反射鏡２１２に入射したビームは、光共振器２１０から４個のビーム２５１，２５２，２５３，２５４として放出される。
ここで、ビーム２５１は、反射鏡２１２から反射されたビームと光共振器２１０の共振領域から伝送されたビームとで構成されるため、半導体レーザー１１０から放出されたビームの周波数が共振周波数と同一の場合に最小パワーを有する。
逆に、ビーム２５２，２５３，２５４は、光共振器２１０の共振領域から伝送されたビームで構成されるため、半導体レーザー１１０から放出されたビームの周波数が共振周波数と同一の場合にのみ最大パワーを有する。ビーム２５２が最大パワーを有する時、第２手段２２０によってビーム２５２は半導体レーザー１１０にフィードバックされる。

第１光検出器２４０は、光共振器２１０を透過したビーム２５３を検出する。制御部１４０は、第１光検出器２４０が検出したビーム２５３から、共鳴が発生するか否かを確認し、共鳴が発生した場合には、検出したビーム２５３の周波数を共鳴周波数として検出する。

図３は、本発明による周波数安定化レーザー装置をより良く理解するための干渉信号生成部の参考例を示す概略構造図であり、図４は、本発明による周波数安定化レーザー装置をより良く理解するための波長測定原理を示す図である。

図３及び図４を参照すると、干渉信号生成部３００は、半導体レーザー１１０から放出されたビームの波長を検出する。
このために、干渉信号生成部３００は、試料基板３１０、光照射手段３２０及び光検出手段３３０を備える。

試料基板３１０は、予め設定された厚さを有するもので、例えばガラス板にすれば良い。
試料基板４１０の厚さ（Ｌ）を予め知っている場合は、試料基板４１０から反射されたビームの干渉現象を分析して、試料基板４１０に入射したビームＩ_０の波長を検出することができる。
試料基板４１０の前面４１１で反射されたビームＩ_１と試料基板の奥面４１２で反射されたビームＩ_２は互いに干渉を起こす。
このような干渉により光検出手段４３０で検出されたビームの強度が、時間によって周期的に変化することになる。
制御部４４０は、干渉現象により変化するビームの強度を分析して、半導体レーザー１１０から放出されたビームの波長を算出する。
このように干渉信号生成部３００は、半導体レーザー１１０から放出されたビームを試料基板３１０に入射させ、試料基板３１０から反射されたビームに干渉現象を起こさせて干渉信号を生成し、これを制御部１４０に出力する。

光照射手段３２０は、半導体レーザー１１０から放出されたビームを試料基板３１０に照射する。
このために、光照射手段３２０は、光分割器３２２及び光経路調節部３２４を備える。
光分割器３２２は、半導体レーザー１１０から放出されたビームを、第１ビームと第２ビームとに分割する。
光経路調節部３２４は、光分割器３２２で分割された第１ビームと第２ビームが互いに異なる入射角で試料基板３１０に入射するように光経路を調節する。
このために、光経路調節部３２４は、焦点レンズ３２８及び反射ミラー３２６を備える。
反射ミラー３２６は、光分割器３２２から照射されたビームを反射して焦点レンズ３２８に照射し、焦点レンズ３２８は、入射した各ビームが、互いに異なる入射角をもって試料基板３１０に入射するように、入射した各ビームを屈折させる。

他の参考例として、光照射手段３２０は、半導体レーザー１１０から放出されたビームを分割する過程を省いて、半導体レーザー１１０から放出されたビームを試料基板３１０に入射させることもできる。

光検出手段３３０は、試料基板３１０から反射された光を検出する。
このために、光検出手段３３０は、１／４波長板３３２、偏光光分割器３３４、第２光検出器３３６及び第３光検出器３３８を備える。
１／４波長板３３２は、試料基板３１０から反射された第１ビーム及び第２ビームの偏光を調節して透過させる。
偏光光分割器３３４は、偏光が調節された第１ビーム及び第２ビームを第２光検出器及び第３光検出器に反射する。
すなわち、偏光光分割器３３４は、光分割器３２２で分割された第１ビーム及び第２ビームは透過させ、偏光が調節された第１ビーム及び第２ビームを反射させるから、偏光光分割器３３４は光分割器３２２と試料基板３１０との中間部分に位置することができる。
第２光検出器３３６及び第３光検出器３３８はそれぞれ、偏光光分割器３３４から反射された第１ビーム及び第２ビームを検出する。

図５は、本発明による周波数安定化レーザー装置をより良く理解するための制御部の参考例を示す構成ブロック図である。

図５を参照すると、制御部１４０は、干渉信号生成部１３０が生成した干渉信号から、半導体レーザー１１０から放出されたビームの波長を検出し、外部反射体１２０から検出されたビームから共鳴周波数を検出し、半導体レーザー１１０の温度または半導体レーザー１１０に印加される電流を調節して半導体レーザー１１０を制御する。
前述の共鳴周波数が検出された場合には、制御部が、前述したビームの周波数が共鳴周波数にロック状態を維持するように半導体レーザーの温度または半導体レーザーに印加される電流を固定する。
このために、制御部５００は、波長算出部５１０、制御信号算出部５２０、調節部５３０を備える。

波長算出部５１０は、干渉信号生成部１３０で生成された干渉信号から波長を検出する。
すなわち、波長算出部５１０は、第２光検出器３３６及び第３光検出器３３８がそれぞれ検出した第１ビーム及び第２ビームにより生成された干渉現象を分析して、半導体レーザー１１０から放出されたビームの波長を検出する。

波長算出部５１０は、下記の数学式１によって第２光検出器３３６及び第３光検出器３３８が検出したビームの波長λを算出する。

ここで、Ｉは、各光検出器３３６，３３８で検出したビームの強度を表し、Ｉ_１、Ｉ_２はそれぞれ、試料基板３１０の前面及び奥面でそれぞれ反射されて各光検出器３３６，３３８により検出された光の強度を表し、ｎは、試料基板の屈折率を表し、Ｌは、試料基板の厚さを表す。

各光検出器３３６，３３８から検出されるビームの位相差が９０度となるように、光経路調節部３２４を通じて光分割器３２２が分割した第１ビーム及び第２ビームのそれぞれの試料基板３１０への入射角を調節すると、第２光検出器３３６で検出されるビームの強度Ｉ_ｐｄ２を、数学式１によって下記の数学式２で示すことができる。

ここで、各光検出器３３６，３３８から検出される第１ビーム及び第２ビームの位相差が９０となるように試料基板３１０への入射角を調節すると、第３光検出器３３６で検出されるビームの強度Ｉ_ｐｄ３は、下記の数学式３で示される。

波長算出部５１０は、数学式２及び数学式３から、半導体レーザー１１０から放出されたビームの波長を算出することができる。

図６は、本発明に係る周波数安定化レーザー装置をより良く理解するための第２光検出器の参考例で検出されたビームの周波数別強度を示すグラフであり、図７は、本発明による周波数安定化レーザー装置をより良く理解するための第３光検出器の参考例で検出されたビームの周波数別強度を示すグラフであり、図８は、本発明による周波数安定化レーザー装置をより良く理解するための第１光検出器の参考例で検出されたビームの周波数別強度を示すグラフである。

図６乃至図８を参照すると、波長算出部５１０は、外部反射体１２０が検出したビームから共鳴周波数を検出する。共鳴周波数を検出した時間がｔの時、第２光検出器３３６から検出されたビームの強度がＡ_１（６１０）であれば、波長算出部５１０は、波長λ_１（６１１）を算出する。同様に、時間がｔの時、第３光検出器３３８から検出したビームの強度がＡ_２（６２０）であれば、波長算出部５１０は、波長λ_２（６２１）を算出する。
時間がｔの時、波長算出部５１０が共鳴周波数を検出すると、下記の数学式４から波長λ_０（６３１）を算出することができる。
ここで、波長算出部５１０は、外部反射体１２０が検出したビームの強度が最大である地点６３０で外部反射体１２０が検出したビームの周波数を共鳴周波数として検出する。
このようにして共鳴周波数が検出された場合は、波長算出部５１０は、算出されたλ_１及びλ_２にλ_０を追加して、より高い分解能をもって半導体レーザー１１０から放出されるビームの波長を正確に検出する。
したがって、本発明による周波数安定化レーザー装置１００は、共鳴周波数を用いて高い分解能をもって半導体レーザー１１０から放出されるビームの波長を正確に算出することができる。

ここで、Ｃは光の速度を表し、ｆは共振周波数を表し、λは波長を表す。

制御信号算出部５２０は、検出された波長に基づいて制御信号を算出する。
また、制御信号算出部５２０は、外部からの命令に応じて特定領域の波長を算出するための制御信号を算出することができる。
すなわち、制御信号算出部５２０は、外部から波長領域を高めるように要求されると、これに応じて変化されるべき半導体レーザー１１０の温度変化値と半導体レーザー１１０に印加される電流の変化値を制御信号として算出する。

また、制御信号算出部５２０は、
半導体レーザー１１０が放出するビームの周波数のロック状態が、波長算出部５１０で検出された共鳴周波数に維持されるように、半導体レーザー１１０の温度及び半導体レーザー１１０に印加される電流を固定するための制御信号を算出する。
ここで、制御信号算出部５２０は、温度及び電流を調節するための各制御信号を個別に算出しても良く、一緒に考慮して算出しても良い。

調節部５３０は、制御信号算出部５２０で算出された制御信号によって半導体レーザー１１０の温度または半導体レーザー１１０に印加される電流を調節する。
調節部５３０により調節される温度、電流の変化によって、半導体レーザー１１０が放出するビームの波長領域が変化する。

結局として、制御部１４０は、半導体レーザー１１０の温度及び半導体レーザー１１０に印加される電流を変更し固定することによって、半導体レーザー１１０が一次的に安定した周波数６４１，６４２，６４３，６４４を持つビームを放出するようにする。

図９は、本発明に係る周波数安定化レーザー装置をより良く理解するための光伝達部の参考例を示す構成ブロック図である。

図９を参照すると、光伝達部７００は、半導体レーザー１１０から放出されたビームを分割して、外部反射体１２０及び干渉信号生成部１３０にそれぞれ照射する。
このために、光伝達部７００は、第１光分割器７１０、光絶縁体７２０及び第２光分割器７３０を備える。
第１光分割器７１０は、半導体レーザー１１０から放出されたビームＩ_０を分割し、分割されたビームの一部Ｉ_１を外部反射体１２０に照射する。
光絶縁体７２０は、第１光分割器７１０で分割されたビームの残り一部Ｉ_２、すなわち、外部反射体１２０に照射されなかったビームＩ_２を第２光分割器７３０に透過させる。
ここで、光絶縁体７２０は、透過されてくるビームＩ_２の強度を維持し、逆反射を防ぐ機能を果たす。第２光分割器７３０は、光絶縁体７２０から透過されたビームＩ_２を分割し、分割したビームの一部Ｉ_３を干渉信号生成部１３０に照射し、分割したビームの残り一部Ｉ_４を外部に放出する。

図１０は、本発明に係る周波数安定化レーザー装置の好適な一実施例を示す概略構造図である。

図１０を参照すると、半導体レーザー８１０から放出されたビーム８１１は、第１光分割器８２１により第１ビーム８１２及び第２ビーム８１３に分割される。
分割された第１ビーム８１２は、外部反射体８３０に照射され、第１手段８３１により光共振器８３２に入力される。
第１ビーム８１２が光共振器８３２により共鳴した場合は、光共振器８３２から放出されたビーム８１４は、半導体レーザー８１０にフィードバックされ、光フィードバックによる物理現象により、放出されたビームの周波数が安定化し、また、光共振器８３２を透過したビーム８１５は、第１光検出器８３３により検出される。
制御部８５０は、検出されたビーム８１５から共鳴周波数を検出する。

第２ビーム８１３は、光絶縁体８２３を透過して第２光分割器８２５に照射される。
第２光分割器８２５に照射された第２ビーム８１３は、第３ビーム８１６及び第４ビーム８１９に分割され、分割された第３ビーム８１６は、干渉信号生成部８４０に照射され、分割された第４ビーム８１９は、外部に放出される。
干渉信号生成部８４０に照射された第３ビーム８１６は、光分割器８４１により第５ビーム８１７及び第６ビーム８１８に分割される。
光分割器８４１により分割された第５ビーム８１７は、焦点レンズ８４２を透過して試料基板８４４に入射する。
この時、入射した第５ビーム８１７の入射角は０（垂直入射）である。光分割器８４１により分割された第６ビーム８１８は、反射ミラー８４３で反射され、反射された第６ビーム８１８は、焦点レンズ８４２を透過して試料基板８４４に入射する。
この時、入射した第５ビーム８１７と第６ビーム８１８との入射角の差θは、第２光検出器８４８及び第３光検出器８４９で検出されたビームの位相差が９０度となる値を有する。すなわち、第２光検出器８４８及び第３光検出器８４９で検出されたビームの位相差が９０度となるように、反射ミラー８４３及び焦点レンズ８４２により第６ビーム８１８の光経路が調節される。
第５ビーム８１７及び第６ビーム８１８はそれぞれ、一部は試料基板８４４の前面で反射され、残り一部は試料基板８４４の奥面で反射されて、１／４波長板８４５に入射する。
１／４波長板８４５に入射した第５ビーム８１７及び第６ビーム８１８は、偏光調節されて偏光光分割器８４６に入射し、偏光光分割器８４６で反射されて焦点レンズ８４７に入射する。
焦点レンズ８４７に入射した第５ビーム８１７及び第６ビーム８１８はそれぞれ集光されて、第２光検出器８４８及び第３光検出器８４９により検出される。

制御部８５０は、検出された第５ビーム８１７及び第６ビーム８１８によりそれぞれ生成される干渉信号から、半導体レーザー８１０から放出されたビーム８１１の波長を算出する。
また、制御部８５０は、第１光検出器８３３により検出されたビーム８１５から検出した共鳴周波数を通じて、半導体レーザー８１０から放出されたビーム８１１の波長をより正確に算出する。
制御部８５０は、算出した波長に基づいて半導体レーザー８１０の温度及び半導体レーザー８１０に印加される電流を調節して、半導体レーザー８１０が安定した周波数有するビームを放出するように制御する。
このような一次的な制御過程を通じて、半導体レーザー８１０から放出されるビームの周波数を一定範囲以内に安定化させた状態で、精密制御と長時間の安定化を図るために、外部反射体８３０が共鳴した場合、光共振器８３２から放出されたビームを半導体レーザー８１０にフィードバックさせ、光フィードバックという物理現象を用いて、半導体レーザー８１０から放出されるビームの周波数を最終的に安定化させる。

図１１は、本発明に係るレーザー周波数安定化方法の好適な一実施例を示すフローチャートである。

図１１を参照すると、干渉信号生成部１３０は、半導体レーザー１１０から放出されたビームを第１ビームと第２ビームとに分割する（Ｓ９００）。
干渉信号生成部１３０は、分割された第１ビームと第２ビームを互いに異なる入射角にさせて試料基板に照射する（Ｓ９１０）。
干渉信号生成部１３０は、試料基板から反射された第１ビームと第２ビームを検出する（Ｓ９２０）。
制御部１４０は、干渉信号生成部１３０で検出された第１ビームと第２ビームから生成された干渉信号から波長を検出する（Ｓ９３０）。
制御部１４０は、検出した波長に基づいて半導体レーザー１１０の温度または半導体レーザー１１０に印加される電流を調節して、１次的に、半導体レーザー１１０から放出されたビームの周波数を一定範囲以内に安定化させる（Ｓ９４０）。
光伝達部１５０は、半導体レーザー１１０から放出されたビームを光共振器に照射する（Ｓ９５０）。
第１光検出器は、光共振器を透過したビームを検出する（Ｓ９６０）。
制御部１４０は、第１光検出器で検出されたビームから共鳴周波数が検出されるか否かを確認する（Ｓ９７０）。
共鳴周波数が検出された場合には、光共振器は、放出されるビームを半導体レーザー１１０にフィードバックして、光フィードバックという物理現象により、半導体レーザー１１０から出力されるビームの周波数を最終的に（２次的に）安定化させる（Ｓ９８０）。

以上では好ましい実施例及び図面に上げて本発明を説明してきたが、本発明は、上記特定の実施例に限定されず、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱しない限度内で、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者にとっては様々な変形実施が可能であり、それらの変更はいずれも特許請求の範囲に含まれる。

レーザービームを用いて物体の形状及び距離を測定する干渉計、各種医療装備及び先端装備において、本発明による周波数安定化レーザー装置及びレーザー周波数安定化方法はそれぞれ、安定した波長を有するレーザービームを出力するレーザー装置及び当該装備で使用されるレーザービームを安定化させる方法として利用されることができる。

Claims

ビームを放出する半導体レーザーと、
前記放出されたビームの波長を検出するための干渉信号を生成する干渉信号生成部と、
前記生成された干渉信号から波長を検出し、前記検出した波長によって、前記半導体レーザーに印加される電流を調節して１次的にレーザービームの周波数を安定化させる制御部と、
共振周波数を有し、前記放出されたビームの周波数と前記共振周波数とが同一の場合、光共振器を通じて前記放出されたビームを前記半導体レーザーにフィードバックして、前記半導体レーザーの周波数を最終的に安定化させる外部反射体とを含み、
前記干渉信号生成部が、
予め設定された厚さを有する試料基板と、
前記試料基板に前記放出されたビームを照射する光照射手段と、
前記試料基板から反射された光を検出する光検出手段とを含み、
前記光照射手段が、
前記放出されたビームの一部である第３ビームを第５ビームと第６ビームとに分割する光分割器と、
前記第５ビーム及び第６ビームを互いに入射角を異ならせて前記試料基板に照射する光経路調節部とを含み、
前記光検出手段が、
前記試料基板から反射された第５ビーム及び第６ビームの偏光を調節して透過させる１／４波長板と、
前記透過された第５ビーム及び第６ビームを反射する偏光光分割器と、
前記反射された第５ビームを検出する第２光検出器と、
前記反射された第６ビームを検出する第３光検出器とを含んでいることを特徴とする周波数安定化レーザー装置。
前記光共振器が、前記共振周波数を有し、
前記光共振器が、前記放出されたビームの周波数と前記共振周波数とが同一の場合に前記半導体レーザーにフィードバックするためのビームを出力し、
前記外部反射体が、
前記光共振器と、
前記半導体レーザーから放出されたビームを前記光共振器に照射する第１手段と、
前記光共振器から出力されたビームを、前記半導体レーザーにフィードバックする第２手段とを含むことを特徴とする請求項１に記載の周波数安定化レーザー装置。
前記第１手段及び第２手段が同一であることを特徴とする請求項２に記載の周波数安定化レーザー装置。
前記外部反射体が、前記光共振器を透過したビームを検出する第１光検出器をさらに含み、
前記制御部が、前記検出されたビームから共鳴周波数を検出することを特徴とする請求項２に記載の周波数安定化レーザー装置。
前記制御部が、
前記生成された干渉信号から波長を検出する波長算出部と、
前記検出された波長に基づいて制御信号を算出する制御信号算出部と、
前記算出された制御信号によって前記半導体レーザーの温度または前記半導体レーザーに印加される電流を調節する調節部とを含むことを特徴とする請求項１に記載の周波数安定化レーザー装置。
前記放出されたビームを分割して前記外部反射体及び前記干渉信号生成部にそれぞれ照射する光伝達部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の周波数安定化レーザー装置。
前記光伝達部が、
前記放出されたビームを分割し、分割されたビームの一部を前記外部反射体に照射する第１光分割器と、
前記分割されたビームの残り一部を透過させる光絶縁体と、
前記透過されたビームを分割し、分割されたビームの一部を前記干渉信号生成部に照射し、分割されたビームの残り一部を外部に放出する第２光分割器とを含むことを特徴とする請求項６に記載の周波数安定化レーザー装置。
半導体レーザーから放出されるビームの周波数を安定化させるレーザー周波数安定化方法であって、
前記半導体レーザーから放出されたビームの波長を検出する波長検出段階と、
前記検出された波長に基づいて前記半導体レーザーの温度または前記半導体レーザーに印加される電流を調節する段階と、
前記ビームの共鳴周波数を検出する周波数検出段階と、
前記ビームの共鳴周波数が検出された場合には、前記ビームを前記半導体レーザーにフィードバックさせ、レーザービームの周波数を安定化させる段階とを含み、
前記波長検出段階が、
前記放出されたビームの一部である第３ビームを第５ビームと第６ビームとに分割する光分割段階と、
前記第５ビームと第６ビームとを互いに入射角を異ならせて試料基板に照射する光照射段階と、
前記試料基板から反射された第５ビームと第６ビームとを検出する段階と、
前記検出された第５ビーム及び第６ビームから生成された干渉信号から波長を検出する段階とを含むことを特徴とするレーザー周波数安定化方法。
前記周波数検出段階が、
前記放出されたビームを光共振器に照射する段階と、
前記光共振器を透過したビームを検出する段階と、
前記検出されたビームから共鳴周波数を検出する段階とを含むことを特徴とする請求項８に記載のレーザー周波数安定化方法。