JP5570905B2 - 周波数安定化レーザー光源、および、波長校正方法 - Google Patents

Description

ヨウ素分子などの吸収線を利用してレーザー光の周波数を安定させることができる周波数安定化レーザー光源に関する。具体的には、６３３ｎｍＨｅ−Ｎｅレーザー光源や５３２ｎｍ半導体励起固体（ＤＰＳＳ）レーザー光源などの周波数安定化レーザー光源において用いられている周波数安定化制御システムの安定性の改善に関する。

周波数安定化レーザー光源とは、周波数を高精度に安定させることにより、長さの標準として使用可能なレーザー光を生成する装置である。発明者らは、この周波数の安定化制御システムについて鋭意研究してきた。

レーザー光を用いて測長を行うためには、レーザー光の周波数が一定でなければならない。そのため、原子あるいは分子の吸収線（吸収スペクトル線とも言う。）を検出し、この吸収線に基づいてレーザー光の周波数を固定（ロック）させる方法が知られている（特許文献１参照）。ヨウ素などのレーザー光を吸収させる基準物質を選び、基準物質が示す複数本の吸収線のうちの１本の吸収線を決めておく。また、レーザー光の周波数帯域が複数本の吸収線を含むように、レーザー光の周波数を変調させながら走査させる。そして、周波数安定化レーザー光源には、任意の１本の吸収線を適切に検波して、その吸収線にレーザー光の中心周波数を正確に合わせる機能が不可欠となる。

特許文献１に記載の周波数安定化レーザー光源は、図１に示すように、レーザーヘッド１０とコントローラー３０とに大別される。
レーザーヘッド１０は、半導体レーザーを励起光として出力する励起光源（励起手段）１１と、励起されたレーザー結晶（レーザー媒質）１２１から誘導放出される光を一対のミラー間で共振させて周波数変調を行う光共振器（光共振手段）１２と、この光共振器１２で生成されるレーザー光の一部を吸収セル１４まで導光する光学素子系と、導光されたレーザー光の照射を受ける吸収セル１４と、照射によって吸収セル内のヨウ素分子を透過した光を受光する受光器１５を備える。

光共振器１２には、励起光が照射されるレーザー結晶１２１と共振器ミラー１２３とを有する。レーザー結晶１２１の励起光源側の面には、誘導放出光を反射する反射面１２４が形成されている。この反射面１２４と、共振器ミラー１２３の半透過面（もう一方の反射面）との間隔が共振器長（間隔長）Ｌとなる。
そして、レーザーヘッド１０は、励起光源１１からの励起光によって光共振器１２内でレーザー光を生成する。また、光共振器１２に内蔵されたピエゾ素子からなるアクチュエーター１３により、変調周波数（ｆｓ）でレーザー光を周波数変調して、外部にレーザー光を出力する。また、周波数変調されたレーザー光の一部を吸収セル１４内のヨウ素分子に照射して、その透過光を受光器１５で受光する。

一方、コントローラー３０は、主にレーザー光の周波数安定化制御回路によって構成され、その構成要素は、基準信号供給回路２８、ロックイン検波器２３、正弦波発振器２６、アクチュエーター駆動回路３１である。正弦波発振器２６は、基準信号供給回路２８からの周波数変調用の基準信号を受けて、正弦波状の制御信号を生成する。制御信号の周波数をｆｓ（変調周波数）とする。正弦波発振器２６に供給される基準信号は、変調周波数ｆｓに等しい周波数の矩形波であり、図中ではｆ信号で示す。

ロックイン検波器２３は、受光器１５からの検波出力をロックイン検波する。ロックイン検波には、基準信号供給回路２８からの基準信号を使用する。この基準信号は、変調周波数ｆｓの３倍の周波数の矩形波であり、図中では３ｆ信号で示す。このロックイン検波により少なくとも１本の分子吸収線を示す３次微分信号（図中ではＤＣ信号と示す。）が得られる。

正弦波発振器２６では、ロックイン検波器２３からの３次微分信号によって基準信号（ｆ信号）のＤＣレベルが調整されるとともに、必要に応じて基準信号（ｆ信号）の振幅が調整される。そして、正弦波発振器２６は、低周波フィルタを用いて矩形波の基準信号から正弦波状の制御信号を生成する。生成された制御信号は、アクチュエーター駆動回路３１に出力される。アクチュエーター駆動回路３１は制御信号に基づいてアクチュエーター１３を駆動させて、共振器長Ｌを変化させる。

特開２００８−１３０８４８号公報

受光器１５は、変調周波数ｆｓで周波数変調されたレーザー光を受光している。そして、ロックイン検波器２３では、検波出力から必要な分子吸収線を検波するため、変調周波数ｆｓの３倍の周波数の基準信号（３ｆ信号）を用いている。このロックイン検波では、検波出力に含まれる分子吸収線の信号と、基準信号（３ｆ信号）とが正確に位相同期していることが必要で、位相差Δφがあると分子吸収線を正しく検波できない。

＜位相ずれ＞
従来の制御システムでは、正弦波発振器２６で生成された正弦波状の制御信号、および検波用の基準信号（３ｆ信号）は、いずれも図１の基準信号供給回路２８における原発振器の発振信号を分周したものを使用する。一見、両信号は位相同期するように思えるが、実際には位相ずれが生じる。図２に正弦波状の制御信号と基準信号（３ｆ信号）との位相差Δφを示す。アクチュエーター１３を用いて周波数変調させる場合、アクチュエーター１３の制御信号が正弦波であることが望ましい。そのため、正弦波発生器２６に低周波フィルタを設けて、矩形波の基準信号（ｆ信号）から正弦波状の制御信号を生成している。従って、矩形波のｆ信号に対し、正弦波状の制御信号は位相遅延を生じてしまう。ｆ信号と３ｆ信号は同じ基準信号供給回路２８からの信号であるから位相同期している。しかし、ロックイン検波器２３で検波される検波出力は、位相遅延のある制御信号で周波数変調されたレーザー光を検出したものであるから、検波出力に含まれる分子吸収線の信号と、基準信号（３ｆ信号）とに位相差Δφがあることになる。

このように従来の制御システムでは、正弦波状の制御信号または検波用の基準信号（３ｆ信号）に対して位相調整を行うための位相調整器を設ける必要があった。その結果、周波数安定化レーザー光源毎の調整量にバラツキや、環境変化にともなう位相差Δφの変化などにより、周波数安定化の目標値が動いてしまうことになり、周波数安定化レーザー光源毎の安定度や品質にバラつきが生じてしまった。

また、複数台の周波数安定化レーザー光源を用いたビート周波数の測定による波長校正の際、各々の周波数安定化レーザー光源で変調信号（前述の正弦波状の制御信号）の生成に用いる基準信号が異なることにより、測定するビート周波数信号の変動量（バラつき）が時間とともに変化してしまうという問題があった。

本発明は上記の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、周波数安定化制御システムの安定性を改善するため、まず、正弦波状の制御信号と検波用の基準信号（３ｆ信号）との位相差Δφをなくしてロックイン検波器において位相同期検波を実現して、環境変動や経時変化等の影響に対してロバスト性を向上させることである。また、複数台の周波数安定化レーザー光源による波長校正の測定精度を向上させることである。

発明者らは、レーザー光を周波数変調するための変調信号（ＡＣ信号）を生成する変調信号生成部を設けて、正弦波発振器を内部に配置した構成の位相同期回路（ＰＬＬ発振回路）を用いれば、基準信号（ｆ信号）に対して位相ずれが生じない正弦波状の制御信号を生成することができることに着目した。

すなわち、上記目的を達成するために、本発明にかかる所望波長の出射レーザー光を得る周波数安定化レーザー光源は、
間隔長（Ｌ）を可変とする一対の反射面間で光を共振させて、前記間隔長（Ｌ）で定まる発振周波数（ｆｃ）のレーザー光を生成し、かつ、前記一対の反射面のうちの少なくとも一方を変調周波数（ｆｓ）で振動させることにより、前記発振周波数（ｆｃ）を変調周期（１／ｆｓ）で周波数変調し、変調したレーザー光を出射する光共振器（１２）と、
前記光共振器（１２）からのレーザー光の一部を照射すると特定の波長成分を吸収する物質を入れた吸収セル（１４）と、
前記吸収セル（１４）での特定吸収線波長成分を検波する検波手段（１５）と、
前記検波手段（１５）からの検波出力に対して所定の基準信号を用いて同期検波を行い、取得した取得検波信号に基づいて前記間隔長（Ｌ）制御を行う制御手段（２０）と、を備え、
前記間隔長（Ｌ）制御によって前記発振周波数（ｆｃ）成分を前記特定吸収線波長成分の中心に安定化させて、前記光共振器（１２）から所望波長の出射レーザー光を得る周波数安定化レーザー光源であって、
前記制御手段（２０）は、前記同期検波用の基準信号と同じ供給手段からの周波数変調用の基準信号に基づいて基準正弦波を発振する正弦波発振部（３６）がループ回路に内蔵されている位相同期回路（２１）を有し、該位相同期回路によって、前記発振周波数（ｆｃ）を周波数変調するための基準正弦波を前記同期検波用の基準信号に同期させて生成し、該基準正弦波を用いて前記反射面を振動させるための正弦波状の駆動信号を得て、前記発振周波数（ｆｃ）の周波数変調制御を行うことを特徴とする。

ここで、前記制御手段は、さらに、前記取得検波出力に基づき、前記間隔長（Ｌ）をＤＣ出力の間隔長調整信号として得る基準周波数調整部（４１）と、前記発振周波数の変調幅（ｆｄ）をＤＣ出力の変調幅調整信号として得る変調幅調整部（４２）とを備え、前記基準正弦波に対し前記間隔長調整信号および変調幅調整信号を重畳させて、前記正弦波状の駆動信号を得ることが好ましい。
また、前記位相同期回路は、前記正弦波発振部の他に、該正弦波発振部（３６）で生成された基準正弦波と前記周波数変調用の基準信号との位相差（Δφ）を電圧出力する位相比較部（３２）と、前記電圧出力に応じて調整した周波数の出力を発振する電圧制御発振部（３４）と、を備え、前記電圧制御発振部（３４）は、該電圧制御発振部の出力に基づいて前記正弦波発振部が生成した基準正弦波と前記周波数変調用の基準信号との位相差（Δφ）が零になるように、出力周波数を調整することが好ましい。

また、前記制御手段は、前記基準正弦波を生成するための基準信号、および前記同期検波用の基準信号を供給する手段として、基準信号として使用可能な内部基準信号を発振する原発振部（５１）と、基準信号として使用可能な外部基準信号を外部から入力する基準信号入力部（５２）と、前記原発振部からの内部基準信号または前記外部基準信号を選択する基準信号選択部（５３）と、を有し、該選択基準信号を供給する基準信号供給手段（２２）を備えるとよい。
なお、前記基準信号供給手段は、さらに前記選択基準信号の一部を外部へ出力する基準信号出力部を有することが好ましい。

さらに、本発明にかかる周波数安定化レーザー光源の波長校正方法は、前述の複数の周波数安定化レーザー光源を用いて、波長校正の基準となる基準周波数安定化レーザー光源および波長校正の対象となる校正対象周波数安定化レーザー光源として、これらの周波数安定化レーザー光源にそれぞれ同一の原発振部からの基準信号を供給し、前記基準周波数安定化レーザー光源および校正対象周波数安定化レーザー光源からレーザー光を出射させ、前記基準周波数安定化レーザー光源の出射レーザー光と前記校正対象周波数安定化レーザー光源の出射レーザー光とのビート周波数を測定し、該ビート周波数が所定値となるように、前記校正対象周波数安定化レーザー光源の共振器ミラーの間隔長を調整することを特徴とする。

本発明によれば、制御手段は、所定の基準信号に同期した基準正弦波を用いて、少なくとも一方の反射面を振動させるための正弦波状の駆動信号を生成するとともに、同じ基準信号を用いて、検波手段からの検波信号を同期検波して特定波長成分を得ている。従って、周波数変調用の正弦波状の駆動信号と同期検波用の基準信号との位相差をなくすことができ、検波信号に含まれる微弱な特定波長成分を精度よく取得できる。よって、特定波長成分の取得に関して、環境変動や経時変化等の影響に対するロバスト性を向上させることができる。
また、制御手段に、基準信号に同期した基準正弦波を生成する正弦波発振部を設けて、さらに取得検波出力に基づいて一対の反射面の間隔長をＤＣ出力の間隔長調整信号として得る基準周波数調整部と、発振周波数の変調幅、つまり振動させる反射面の振動振幅をＤＣ出力の変調幅調整信号として得る変調幅調整部とを設けたから、生成した基準正弦波に対し間隔長調整信号と変調幅調整信号とを重畳させることによって、位相ずれのない基準正弦波状の駆動信号を得ることができる。

また、周波数変調用の基準正弦波を発振するための構成を、位相同期回路（ＰＬＬ発振回路）を基本構成として形成し、正弦波発振部を位相同期回路のループ回路に内蔵させるようにしたので、基準正弦波と検波用の基準信号との位相同期を確実に安定させることができる。これを正弦波発振部のＰＬＬ内蔵効果と呼ぶ。従って、例えば微小な分子吸収線の中心にレーザー光の発振周波数を固定（ロック安定化）させるために、従来の制御システムで必要となった周波数安定化レーザー光源毎の位相調整作業が不要となる。この位相調整作業を行うことによって従来の制御システムでは環境変動や経時変化等の影響を受けやすかったが、本発明では位相調整作業を行わないため、環境変動や経時変化等の影響に対するロバスト性を確実に向上させることができる。このように本発明によれば、周波数安定化制御システムの安定性を改善できる。

また、基準信号供給手段に外部基準信号を入力可能にして、外部基準信号か原発信部からの内部基準信号かのいずれかを基準信号として選択できるようにしたので、複数台の周波数安定化レーザー光源の各基準正弦波を位相同期させることができる。従って、複数台のレーザー光を波長比較校正するときに、従来は各々の原発振器の周波数差による測定誤差の影響を受けたが、本発明によれば、周波数差による測定誤差の影響をなくすことができて、複数台の周波数安定化レーザー光源による波長校正の測定精度を向上できる。

さらに、外部同期システムにより、一台一台の調整ではなく、共通の外部基準信号により各部の調整・評価が可能となる。複数台の周波数安定化レーザー光源による校正のばらつきが小さくなって、複数台の周波数安定化レーザー光源を使って、長さ測定などの検査を行っても精度ばらつきが大きくならない。その結果、均一な品質での製作、評価が可能となる。

従来の周波数安定化レーザー光源の全体構成図である。 従来システムにおける基準信号と変調信号との位相差を示す図である。 本発明の周波数安定化レーザー光源の全体構成図である。 周波数変調されたレーザー光の波形を示す図である。 分子吸収線の３次微分信号と２次微分信号を示す図である。 図３におけるコントローラーの構成を示す図である。 波長校正システムを説明する図である。 同期した変調信号による２つのレーザー光のビート測定の概念図。 非同期の変調信号による２つのレーザー光のビート測定の概念図。 図８と図９におけるビート周波数特性を示す図である。 本発明の周波数安定化レーザー光源の波長校正システムを説明するための図である。 本発明の複数台のレーザー光源システムを説明するための図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る周波数安定化レーザー光源（以下、レーザー光源とも言う。）について説明する。図３は、所望波長の出射レーザー光を得るレーザー光源として、分子吸収線による周波数安定化レーザー光源の全体構成図である。レーザーヘッド１０については、図１で説明した従来の構成と同等のものを用いるため簡単に説明する。つまり、図１の励起光源１１は本発明の励起手段に相当する。共振器ミラー１２３は、共振器長Ｌが可変となるように移動自在に設けられている。また、レーザー結晶１２１は、励起光源１１によって励起されて光を放出するレーザー媒質に相当する。そして、レーザー結晶１２１、共振器ミラー１２３、共振器ミラー１２３の駆動用のアクチュエーター１３によって光共振器１２が構成されている。光共振器１２では、レーザー結晶１２１の反射面１２４と共振器ミラー１２３の反射面との間で、レーザー結晶１２１の放出光を共振させることによって、共振器長Ｌで定まる発振周波数（ｆｃ）のレーザー光が生成される。同時に、光共振器１２では、共振器ミラー１２３を振動させて振動速度の変化に応じた変調周期（１／ｆｓ）で、レーザー光の発振周波数（ｆｃ）が変調される。そして、共振器ミラー１２３を透過した変調レーザー光が出射されるようになっている。

ここで、出射された変調レーザー光の一部から特定波長成分（特定周波数）を吸収するガスを入れた分子吸収セルと、この分子吸収セルを透過したレーザー光を受光する受光器１５（本発明の検波手段に相当する。）の構成について、詳しく説明する。図１のように、光共振器１２から取り出されるレーザー光がビームスプリッター１６で、出力光と検出光とに分割される。検出光は、ミラー１７を反射してビームスプリッター１８を透過した後、吸収セル１４を照射する。吸収セル１４を透過したレーザー光はミラー１９を反射して再び吸収セル１４を透過する。この透過光はビームスプリッター１８を反射して受光器１５で受光される。

吸収セル１４には、所定周波数のレーザー光を吸収するガス（ヨウ素分子）が入っている分子ガスセルである。吸収セル１４に入る光をポンプ光と呼び、ミラー１９を折り返してくる光をプローブ光と呼ぶ。セル内のガスに照射されるポンプ光とプローブ光は、ガスを透過する際にエネルギーの一部を吸収される。従って、受光器１５では、周波数変調レーザー光の特定波長成分以外の光が検出されるが、実質的に特定波長成分が分かる。本実施形態では、ミラー反射による往復光路のポンプ光およびプローブ光を用いた吸収線検出系を説明したが、別の吸収線検出形態を用いてもよい。さらに、吸収セルを用いる検出形態ではなく、他の検出形態によって、例えば分光器を用いてレーザー光の特定波長成分を検出してもよい。

また、図１の光共振器１２に内蔵されたアクチュエーター１３はピエゾ素子であり、電圧を印加されると変形し、共振器ミラー１２３の位置を変化させて、共振器長Ｌを調整可能である。また、所定の周波数で共振器ミラー１２３を振動させることができる。本実施形態では、変調信号（本発明の基準正弦波に相当し、図中ではＡＣ信号で示す。）に基づく周波数変調と、共振器長ＬのＤＣ走査とを兼ね備えたアクチュエーター１３を示すが、周波数変調とＤＣ走査とを分離した駆動機構でもよく、例えばＰＺＴと可動型共振器ミラーとの組み合わせでもよい。

＜コントローラー＞
次に、図３に基づいて本発明に特徴的なコントローラー２０について説明する。
コントローラー２０は、分子吸収線の中心にレーザー光の発振周波数を固定（ロック安定化）させるため、受光器１５からの検波出力を基準信号に同期して取得し、この取得検波出力に基づいて決定された振幅の基準正弦波で共振器ミラー１２３の駆動制御を行う制御手段として設けられている。コントローラー２０は、基準信号供給回路２２と、安定化制御回路５０と、アクチュエーター駆動回路３１を備える。

安定化制御部５０には、受光器１５からの検波出力をロックイン検波して必要な分子吸収線を得るためのロックイン検波器２３と、正弦波状の変調信号（ＡＣ信号）を生成するための変調信号生成器２１と、アクチュエーター１３を制御する制御信号を生成するための信号処理部２５と、安定化目標値となる所望の吸収線波長の指令値を設定してＤＣ信号として信号処理部２５へ出力する吸収線波長指令値設定部２４とを有する。

変調信号生成器２１は、レーザー光を周波数変調するための変調信号を生成する。変調信号の周波数をｆｓ（変調周波数）とする。ヘッド１０のアクチュエーター１３に設けられた共振器ミラー１２３を変調周波数ｆｓで振動させると、共振器ミラー１２３を透過するレーザー光が周波数変調される。これによりレーザー光の周波数は、中心周波数ｆｃを中心に、最大周波数（ｆｃ＋ｆｄ）での発振と最小周波数（ｆｃ−ｆｄ）での発振とを交互に変調周期（１／ｆｓ）で繰り返す。レーザー光の波形は図４に示すように密の状態と粗の状態とを有する。ここで、ｆｄは変調深さ（変調幅）であり、変調信号の振幅を示す。変調深さｆｄは、レーザー光の最大周波数および最小周波数の間にヨウ素分子の分子吸収線が複数本程度含まれるように設定される。

変調信号の生成には、図１のように基準信号供給回路２２からの基準信号が使用される。変調信号生成器２１に供給される基準信号（ｆ信号）は、変調周波数ｆｓに等しい周波数の矩形波である。
ロックイン検波器２３は、受光器１５からの微弱な検波出力を検波する。ロックイン検波には、基準信号供給回路２２からの基準信号（３ｆ信号）を使用する。この基準信号は、変調周波数ｆｓの３倍の周波数の矩形波である。このロックイン検波により少なくとも１本の分子吸収線を示す３次微分信号（ＤＣ信号）が得られる。

変調信号生成器２１からの変調信号（ＡＣ信号）によってレーザー光を周波数変調するために、信号処理部２５ではＡＣ信号に基づくアクチュエーター１３の制御信号をアクチュエーター駆動回路３１に出力する。アクチュエーター駆動回路３１は制御信号に基づいてアクチュエーター１３を駆動させて、共振器長Ｌを周期的に変化させる。

また、信号処理部２５は、ロックイン検波器２３からの３次微分信号を監視しながら、ロックイン検波器２３からのＤＣ信号に基づいてアクチュエーター１３を駆動させる。言い換えると、ロックイン検波器２３は、受光器１５からの検波出力に対して基準信号（３ｆ信号）を用いて同期検波を行って、検波出力（取得検波信号）が一定になるように共振器ミラー１２３の位置を調整する。このような共振器長制御の結果、レーザー光の発振周波数が予め設定された特定吸収線波長成分の中心にロック（安定化）されることになる。なお、ロックイン検波器２３において、特定波長成分の検波タイミングが一定になるように共振器ミラーの間隔長（Ｌ）を制御調整することによっても、同様の効果が得られる。以上のような制御を共振器長ＬのＤＣ走査と呼ぶ。このように、信号処理部２５は、ＡＣ信号による周波数変調の制御と、共振器長ＬのＤＣ走査との両方をアクチュエーター１３で実行するために、アクチュエーター１３の制御信号を処理している。

なお、レーザーヘッド内の各部（励起光源，共振器，分子ガスセル等）には、図示しない温度センサと温度制御素子が取付けられ、各部は適正な温度に安定にコントロールされている。レーザー光出力強度も、光吸収線検波を安定させるため安定化制御を施している。

受光器１５は、変調周波数ｆｓで周波数変調されたレーザー光を受光している。そして、ロックイン検波器２３では、検波出力から必要な分子吸収線を検波するため、変調周波数ｆｓの３倍の周波数の基準信号（３ｆ信号）を用いている。このロックイン検波では、検波出力に含まれる分子吸収線の信号と、基準信号とが正確に位相同期していることが必要で、位相差Δφがあると分子吸収線を正しく検波できないという問題があった。

図５に、光共振長ＬをＤＣ走査した時に、ロックイン検波器２３が検波する分子吸収線の３次微分信号を２次微分信号と合わせて示す。複数の分子吸収線（ａ１〜ａ１５）が検波されることが分かる。原理的には、所望の分子吸収線のラムディップ窪みの中心にレーザー光の中心周波数（ｆｃ）を固定させるため、分子吸収線の３次微分信号におけるゼロクロス（基準レベル）信号で光共振長ＬをＤＣ走査する。このＤＣ走査において前述の位相差Δφがあると、必要な分子吸収線を高精度に検波できなくなるから、レーザー光の周波数を高精度に安定させるためには、変調信号（ＡＣ信号）と基準信号（３ｆ信号）とを位相同期させなければならない。この位相同期の安定性が、周波数安定化制御の安定度に大きく影響を及ぼす。

＜位相同期システム＞
本発明で特徴的なことは、コントローラー２０における変調信号生成器２１をＰＬＬ発振回路（位相同期回路）の基本構成で形成し、正弦波発振器３６をＰＬＬ発振回路に内蔵したことである。変調信号生成器２１について図６に基づいて詳しく説明する。
図６のように変調信号生成器２１は、位相比較器（ＰＤ）３２と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）３３と、電圧制御発振器（ＶＣＯ）３４と、分周器（１／Ｎ）３５と、正弦波発振器３６と、矩形発生部（コンパレータ）３７を有するループ回路である。

位相比較器（ＰＤ）３２は、基準信号供給手段２２からの矩形波の基準信号（ｆ信号）とフィードバック信号との位相差（Δφ）を電圧出力する。ローパスフィルタ（ＬＰＤ）３３は、位相比較器３２の電圧出力からノイズを除去する。電圧制御発振器（ＶＣＯ）３４は、ノイズ除去後の電圧出力によって、この変調信号生成器２１の出力信号の周波数を制御する。すなわち、変調信号生成器２１は、電圧出力に応じて調整した周波数の出力信号を発信する。分周器３５は、出力信号を整数（Ｎ）分の１に分周して出力する。正弦波発振器３６は、分周器３５の分周信号から基準正弦波を生成する。基準正弦波は、基準信号（３ｆ信号）として信号処理部２５に供給される。コンパレータ３７は、基準正弦波の一部を使って矩形波を生成し、この矩形波をＰＤ３２のフィードバック信号として位相比較器３２に出力する。電圧制御発振器３４は、正弦波発振器３６で生成された基準正弦波と基準信号（ｆ信号）との位相差（Δφ）が零になるように、出力信号の周波数を調整する。

このように正弦波発振器３６の基準正弦波をコンパレータ３７経由で位相比較器３２へのフィードバック信号とすることで、位相比較器３２への基準信号（ｆ信号）と位相同期した基準正弦波を変調信号（ＡＣ信号）として生成することができる。この変調信号は、信号処理部２５へ送られるから、ロックイン検波器２３に供給される基準信号（３ｆ信号）に対して位相差（Δφ）のない変調信号となって、レーザー光を周波数変調させることができる。

本実施形態では、ＰＬＬ発振回路の基本構成の中で、フィードバックして位相比較する最終段に近い場所に、変調信号（ＡＣ信号）用の正弦波発振器３６を配置したから、基準正弦波の生成時に生じる位相遅れに関係なく、生成された基準正弦波の位相を基準信号（ｆ信号）の位相に同期させることができる。仮に、変調信号生成器２１において温度変動といった環境変動等でＬＰＦ３３通過後の位相ずれが生じても、基準正弦波発生後の信号で位相同期（ＰＬＬ）するため、位相差が元に戻るように制御される。
なお、一般的なＰＬＬ発振回路を用いて電圧制御発振器（ＶＣＯ）３４で直接的に基準正弦波を生成してもよい。その場合、駆動周波数をＮ倍に高める必要があり、変調周波数（ｆｓ）とロックイン検波との兼合いでＰＬＬ発振回路を構成することが困難となる場合がある。また、仮に構成できたとしても、実際の駆動周波数での位相誤差が１／Ｎ圧縮されて位相検波してしまうことになる。従って、本実施形態のように分周器３５を設けた方が好ましい。

また、本発明で特徴的なことは、任意の分子吸収線の周波数にレーザー光の周波数を安定化させるために、信号処理部２５が、基準周波数調整部４１および変調幅調整部４２を備えることである。基準周波数調整部４１は、使用する分子吸収線信号の周波数に応じて共振器長Ｌを調整し、ＤＣ信号を出力する。言い換えると、基準周波数調整部４１は、ロックイン検波器２３で取得した３次微分信号に基づき、共振器長ＬをＤＣ出力の共振器長調整信号として取得する。また、変調幅調整部４２は、変調信号（ＡＣ信号）の変調深さ（ｆｄ）を調整する。言い換えると変調幅調整部４２は、共振器ミラー１２３の変調深さをＤＣ出力の変調幅調整信号として取得する。信号処理部２５は、これらＤＣ出力である共振器長調整信号と変調幅調整信号とをＡＣ信号に重畳させて、基準正弦波状のアクチュエーター制御信号を生成し、アクチュエーター駆動回路３１に出力する。このような構成の信号処理部２５を備えたことで、レーザー光を周波数変調したり、任意の分子吸収線の周波数にレーザー光の周波数を固定したりすることができる。

＜波長校正システム＞
また、２台の周波数安定化レーザー光源による波長校正を行う際、原発振器間の周波数ずれによって、ビート周波数に揺らぎが発生するという問題があった。この問題について図７〜図１０に基づいて説明する。

図７は、第１周波数安定化レーザー光源（図中のＮｏ．１で示す）を基準として、第２周波数安定化レーザー光源（図中のＮｏ．２で示す）の波長を比較し、これを校正するシステムを示す。第１レーザー光源はｍ番目の吸収線に、第２レーザー光源はｎ番目の吸収線にそれぞれロックされている。第１、第２レーザー光の中心周波数（ｆｃ１、ｆｃ２）、変調信号の変調周波数（ｆｓ１、ｆｓ２）および変調深さ（ｆｄ１、ｆｄ２）を用いて各レーザー光の波形を示すと、図７のようになる。原発振器間の周波数ずれを（ｆｓ１−ｆｓ２）で示す。

波長校正では、２つのレーザー光を重ね合わせた光を受光器で検出し、周波数カウンターでビート周波数を測定する。図８を用いて、原発信器の周波数ずれがない場合を説明する。同図の上側には、レーザー光のスペクトル（ｆｏｐｔ１、ｆｏｐｔ２）と変調信号（ＡＣ１、ＡＣ２）の関係を模式的に示す。下側には、ビート周波数スペクトル（ｆ_Ｂ）の時間的な推移を示す。変調信号（ＡＣ１、ＡＣ２）の周波数ずれがあると、ｍ番目の吸収線にロックされた第１レーザー光の中心周波数（ｆｃ１）とｎ番目の吸収線にロックされた第２レーザー光の中心周波数（ｆｃ２）との差（ｆｃ１−ｆｃ２）が一定値を示し、ビート周波数スペクトル（ｆ_Ｂ）に時間的な揺らぎが生じない。従って、中心周波数差（ｆｃ１−ｆｃ２）がｍ番目とｎ番目の各吸収線の周波数差となるように、適正に第２レーザー光源の波長を校正できる。

周波数ずれがあると（ｆｓ１−ｆｓ２≠０）、変調周波数差（ｆｓ１−ｆｓ２）や変調度に応じた影響を測定精度に与えてしまう。図９を用いて、原発信器の周波数ずれがある場合を説明する。同図上のように、変調信号（ＡＣ１、ＡＣ２）が変調周波数に差（ｆｓ１−ｆｓ２）があり、また変調深さの差（ｆｄ１−ｆｄ２）があると、ビート周波数スペクトル（ｆ_Ｂ）がビート変動周期（ｆ_ＢＳ＝ｆｓ１−ｆｓ２）で変動して揺らぎが生じてしまう。同図下には、時間的に変動するビート周波数スペクトル（ｆ_Ｂ（ｔ））の様子を模式的に示す。このように、ビート周波数スペクトル（ｆ_Ｂ（ｔ））が揺らぐため、適正に第２レーザー光源の波長を校正できない。

図１０はビート周波数の特性図である。同図に基づいてビート周波数スペクトルの揺らぎを説明する。同図（Ａ）のように、（ｆｄ１＝ｆｄ２）かつ（ｆｓ１−ｆｓ２）かつ変調信号が位相同期している場合、あるビート周波数で一定になる。一方、同図（Ｂ）のように、変調深さの差（ｆｄ１−ｆｄ２）があると、ビート周波数に第１の変動幅（Δｆｄ（ｍｉｎ）＝｜ｆｄ１−ｆｄ２｜）と、第２の変動幅（Δｆｄ（ｍａｘ）＝｜ｆｄ１＋ｆｄ２｜）とが生じてしまう。その結果、測定データに対する影響度合いが異なってくる

また、変調周波数に差（ｆｓ１−ｆｓ２）があると、変動周期（Ｔ_ＢＳ＝｜（１／ｆｓ１）−（１／ｆｓ２）｜）でビート周波数が変動してしまう。例えば、変調周波数差（ｆｓ１−ｆｓ２）が０．０１Ｈｚの場合、１００秒以上の平均化処理が必要となってしまう。
また、変調信号（ＡＣ１、ＡＣ２）間に１０秒未満の瞬時に２周波分の位相差があると、ビート信号の変調特性（周波数のふらつき）が変化するから、測定データに対する影響が時々刻々と変化してしまう。

以上のように、複数台の周波数安定化レーザー光源を用いたビート周波数の測定による波長校正の際、各々のレーザー光源で変調信号（ＡＣ信号）の生成に用いる基準信号が異なることにより、測定するビート周波数信号の変動量（バラつき）が時間とともに変化してしまうという問題があった。

このような問題に対し、本発明では、基準信号供給手段２２に、基準信号を外部と授受する入出力部を設けた。すなわち、基準信号供給手段２２は、図６のように、原発振器５１と基準信号入力部５２と、基準信号選択部（ＳＷ）５３と基準信号出力部５４と分周回路５５を備えている。

原発振器５１は、内部基準信号を発振する。基準信号入力部５２は、外部からの外部基準信号を入力する端子である。基準信号選択部５３は、内部基準信号と外部基準信号とを選択するスイッチ素子である。基準信号出力部５４は、基準信号選択部５３で選択された基準信号の一部を外部へ出力する端子である。分周回路５５については、選択された基準信号の発振周波数を整数（Ｎ）分の１にして出力する分周器５６を有する。本実施形態では、原発信器５１からの基準信号（６ｆ信号とする）は、変調周波数（ｆｓ）の６倍の周波数の信号である。分周器５６によって周波数を６分の１にされた基準信号（ｆ信号）が変調信号生成器２１に変調用として供給される。また、分周器５６によって周波数を２分の１にされた基準信号（３ｆ信号）がロックイン検波器２３に検波用として供給される。

このように、基準信号供給手段２２が、基準信号を外部と授受する入出力手段を有するから、例えば、他の周波数安定化レーザー光源の原発振器の基準信号を用いて本周波数安定化レーザー光源の波長校正をする場合、基準信号選択部５３を切り替えるだけで、他の周波数安定化レーザー光源からの外部基準信号を分周器５６に送ることができる。さらに、３台目の周波数安定化レーザー光源の入力部と本周波数安定化レーザー光源の基準信号出力部５４とを接続すれば、本周波数安定化レーザー光源の基準信号入力部５２から取り込んだ外部基準信号を３台目の周波数安定化レーザー光源にも送ることができる。

このようにして、一つの原発振器からの基準信号を複数台の周波数安定化レーザー光源に共有して使用することが容易に行え、複数台の周波数安定化レーザー光源の変調信号（ＡＣ信号）を位相同期させることができる。従来は、独立した原発振器からの基準信号によって周波数変調をそれぞれ行っていたため、レーザー光の周波数差や位相差が生じてしまい、波長校正測定時の測定精度へ影響を及ぼしていたが、このような影響を低減させることができる。

図１１は、複数台の周波数安定化レーザー光源（Ｎｏ．１、Ｎｏ．２）のうちの一台を基準として、他方のレーザー光源を波長比較校正するシステムを示す。複数ある原発振器５１のうちの一つから基準信号を発振させて、全てのレーザー光源の基準信号とする。あるいは、別の外部基準信号を用いて、全てのレーザー光源の基準信号に用いてもよい。全レーザー光源での変調信号の位相同期が可能となる。各レーザー光スペクトルのビートをＲＦスペクトルアナライザー６１で観測し、ビート周波数を周波数カウンター６２で計測する。ビート計測において、図６の変調幅調整部４２により変調深さ（ｆｄ）をアンプゲイン調整すれば、基準となるレーザー光源（Ｎｏ．１）のレーザー光スペクトルに対する校正対象のレーザー光源（Ｎｏ．２）のレーザー光スペクトルのビート周波数を安定させることができる。図８で示したようなビート周波数スペクトルが得られる。従って、図１０（Ａ）のようなビート周波数特性が得られるから、図６の基準周波数調整部４１により出射レーザー光の周波数をＤＣレベル調整して、ビート周波数を所望の値に合わせることができる。測定インターバルに関わらず、安定した波長校正を行うことができる。

図１２は、複数台の周波数安定化レーザー光源（Ｎｏ．１、Ｎｏ．２）で加工部品などの長さ測定をそれぞれ行う場合に用いることができる複数台のレーザー光源システムを示す。第１周波数安定化レーザー光源では自身の原発振器５１の基準信号を選択し、その基準信号出力部５４と第２周波数安定化レーザー光源の基準信号入力部５２とを接続する。そして、第２周波数安定化レーザー光源では外部基準信号を選択する。この結果、各周波数安定化レーザー光源において同期した基準信号を使用することができ、レーザー光同士の周波数差や位相差が低減され、測定誤差の影響をなくすことができる。従って、生産段階で均一な品質での製作や評価などが可能となる。

なお、上記実施形態では、ＬＤ励起固体レーザー光源を例にして説明したが、固体レーザー光源に限らず、Ｈｅ−Ｎｅ気体レーザーなどの気体レーザー光源や半導体レーザー光源の周波数安定化にも本発明を適用できる。

１１ 励起光源（励起手段）
１２ 光共振器
１３ アクチュエーター
１４ 吸収セル
１５ 受光器
２０ コントローラー（制御手段）
２２ 基準信号供給回路（基準信号供給手段）
２３ ロックイン検波器
２５ 信号処理部
２９ 変調信号生成器（変調信号生成部）
３２ 位相比較器（位相比較部）
３４ 電圧制御発振器（電圧制御発振部）
３６ 正弦波発振器（正弦波発振部）
４１ 基準周波数調整部
４２ 変調幅調整部
５１ 原発振器（原発振部）
５２ 基準信号入力部
５３ 基準信号選択部
５４ 基準信号出力部
１２１ レーザー結晶（レーザー媒質）
１２３ 共振器ミラー

Claims (6)

1. 間隔長を可変とする一対の反射面間で光を共振させて、前記間隔長で定まる発振周波数のレーザー光を生成し、かつ、前記一対の反射面のうちの少なくとも一方を変調周波数で振動させることにより、前記発振周波数を変調周期で周波数変調し、変調したレーザー光を出射する光共振器と、
   前記光共振器からのレーザー光の一部を照射すると特定の波長成分を吸収する物質を入れた吸収セルと、
   前記吸収セルでの特定吸収線波長成分を検波する検波手段と、
   前記検波手段からの検波出力に対して所定の基準信号を用いて同期検波を行い、取得した取得検波信号に基づいて前記間隔長制御を行う制御手段と、を備え、前記間隔長制御によって前記発振周波数成分を前記特定吸収線波長成分の中心に安定化させて、前記光共振器から所望波長の出射レーザー光を得る周波数安定化レーザー光源であって、
   前記制御手段は、前記同期検波用の基準信号と同じ供給手段からの周波数変調用の基準信号に基づいて基準正弦波を発振する正弦波発振部がループ回路に内蔵されている位相同期回路を有し、該位相同期回路によって、前記発振周波数を周波数変調するための基準正弦波を前記同期検波用の基準信号に同期させて生成し、該基準正弦波を用いて前記反射面を振動させるための正弦波状の駆動信号を得て、前記発振周波数の周波数変調制御を行うことを特徴とする周波数安定化レーザー光源。
2. 請求項１記載の周波数安定化レーザー光源において、前記制御手段は、さらに、
   前記取得検波出力に基づき、前記間隔長をＤＣ出力の間隔長調整信号として得る基準周波数調整部と、
   前記発振周波数の変調幅をＤＣ出力の変調幅調整信号として得る変調幅調整部とを備え、
   前記基準正弦波に対し前記間隔長調整信号および変調幅調整信号を重畳させて、前記正弦波状の駆動信号を得ることを特徴とする周波数安定化レーザー光源。
3. 請求項１または２記載の周波数安定化レーザー光源において、
   前記位相同期回路は、前記正弦波発振部の他に、
   前記正弦波発振部で生成された基準正弦波と前記周波数変調用の基準信号との位相差を電圧出力する位相比較部と、
   前記電圧出力に応じて調整した周波数の出力を発振する電圧制御発振部と、を備え、
   前記電圧制御発振部は、該電圧制御発振部の出力に基づいて前記正弦波発振部が生成した基準正弦波と前記周波数変調用の基準信号との位相差が零になるように、出力周波数を調整することを特徴とする周波数安定化レーザー光源。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の周波数安定化レーザー光源において、
   前記制御手段は、前記基準正弦波を生成するための基準信号、および前記同期検波用の基準信号を供給する手段として、
   基準信号として使用可能な内部基準信号を発振する原発振部と、
   基準信号として使用可能な外部基準信号を外部から入力する基準信号入力部と、
   前記原発振部からの内部基準信号または前記外部基準信号を選択する基準信号選択部と、を有し、該選択基準信号を供給する基準信号供給手段を備えることを特徴とする周波数安定化レーザー光源。
5. 請求項４記載の周波数安定化レーザー光源において、
   前記基準信号供給手段は、さらに前記選択基準信号の一部を外部へ出力する基準信号出力部を有することを特徴とする周波数安定化レーザー光源。
6. 請求項１記載の複数の周波数安定化レーザー光源を用いて、波長校正の基準となる基準周波数安定化レーザー光源および波長校正の対象となる校正対象周波数安定化レーザー光源として、これらの周波数安定化レーザー光源にそれぞれ同一の原発振部からの基準信号を供給し、該基準信号を用いて前記発振周波数成分を安定化させて、前記基準周波数安定化レーザー光源および校正対象周波数安定化レーザー光源からレーザー光を出射させ、前記基準周波数安定化レーザー光源の出射レーザー光と前記校正対象周波数安定化レーザー光源の出射レーザー光とのビート周波数を測定し、
   該ビート周波数が所定値となるように、前記校正対象周波数安定化レーザー光源の共振器ミラーの間隔長を調整することを特徴とする周波数安定化レーザー光源の波長校正方法。
   

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