JP6052672B2 - 周波数測定装置、及び周波数測定方法 - Google Patents

周波数測定装置、及び周波数測定方法 Download PDF

Info

Publication number
JP6052672B2
JP6052672B2 JP2013064812A JP2013064812A JP6052672B2 JP 6052672 B2 JP6052672 B2 JP 6052672B2 JP 2013064812 A JP2013064812 A JP 2013064812A JP 2013064812 A JP2013064812 A JP 2013064812A JP 6052672 B2 JP6052672 B2 JP 6052672B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
frequency
beat
measuring
laser device
mode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2013064812A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2014190759A (ja
Inventor
和彦 川▲崎▼
和彦 川▲崎▼
肇 稲場
肇 稲場
鋒雷 洪
鋒雷 洪
Original Assignee
株式会社ミツトヨ
国立研究開発法人産業技術総合研究所
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社ミツトヨ, 国立研究開発法人産業技術総合研究所 filed Critical 株式会社ミツトヨ
Priority to JP2013064812A priority Critical patent/JP6052672B2/ja
Publication of JP2014190759A publication Critical patent/JP2014190759A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6052672B2 publication Critical patent/JP6052672B2/ja
Application status is Active legal-status Critical
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Description

本発明は、光周波数コム装置を用いた周波数測定装置、及び周波数測定方法に関する。

近年、レーザ周波数を計測するために、光周波数コム装置(光コム装置)を利用する方法が提案されている。
この光コム装置は、繰り返し周波数frepで櫛状の縦モードのスペクトルの光を出力する装置であり、この繰り返し周波数frepがどの波長帯においても正確に等しいという性質を持っている(例えば、特許文献1参照)。

このような光コム装置を用いた周波数測定について、説明する。
図16は、光コム装置から出力される光コムと、測定対象となるレーザとの周波数スペクトルを示す図である。
光コムにおけるn番目のコムモードの発振周波数νは、以下の式により表すことができる。

ν=n・frep+fCEO …(1)

nはモード次数であり、最初のモードをゼロ番目としたとき、何番目のモードかを示す。ここで、測定対象のレーザ(周波数νlaser)と光コムとを干渉させると、以下の式(2)に示すように、その差周波数fがビート信号として観察される。

=νlaser−ν …(2)

従って、式(1)と式(2)から、周波数νlaserは、以下の式(3)のように求めることができる。

νlaser=n・frep+fCEO+f …(3)

このため、光コムの繰り返し周波数frep及びfCEOを、基準周波数(例えば、協定世界時に同期した周波数)に同期させ、ビート周波数fを測定すれば、適当な整数nを決定することで測定対象のレーザの正確な絶対周波数νlaserを測定(算出)することができる。

ところで、従来、モード次数nの決定方法として、以下のような4つの方法のいずれかが採られていた。
第1の方法は、測定対象のレーザで見込まれる絶対周波数を利用する方法である。特定の分子の吸収線に安定化されたレーザの周波数は、繰り返し周波数frepに対して十分な精度を有するため、このことを利用すれば次数nを一意に決定することができる。異なる次数nが選ばれた場合、その結果得られる絶対周波数の算出結果は見込まれる範囲を超えた値になることが多いために、正しい次数nが選ばれたかどうかを見極めることができる。

第2の方法は光波長計を併用する方法である。この方法では、光波長計によりレーザの波長を6〜7桁程度の精度で測定する。例えば、ヨウ素安定化He−Neレーザの周波数(約474THz)域で7桁の精度で測定されると、50MHz程度の精度で周波数を知ることができる。従って、繰り返し周波数frepが50MHzよりも十分大きいのであれば、次数nを一意に決めることができる。

第3の方法は、光コムの繰り返し周波数frepを変えてビート周波数fの変化量を観察する方法である(非特許文献1参照)。
光コムの繰り返し周波数frepをΔfrepだけ変化させると、式(1)により、n番目のモードの周波数はnΔfrepだけ変化する。従って、測定対象のレーザとのビート周波数fを観察し、frepをΔfrepだけ変化させた際の、ビート周波数fの変化量Δfを観察すると、それは、ビート信号を発生させている光コムのモード周波数の変化量nΔfに相当する。つまり、Δf=nΔfrepとなり、n=Δf/Δfrepとして次数nを求めることが可能となる。

第4の方法は、2台の光コム装置を用いる方法である(非特許文献2参照)。
この方法では、共通のマイクロ周波数を基準とした2台の光コム装置を用いる。これらの2台の光コム装置からの光を、それぞれ測定対象レーザと干渉させ、それぞれのビート周波数(fB1_comb#1,fB1_comb#2)を同時に計測する。そして、2台の光コム装置のうちの一方の繰り返し周波数frepをΔfrepだけ変化させ、再度2台の光コム装置の光コムと測定対象のレーザとのビート周波数(fB2_comb#1,fB2_comb#2)を同時に計測する。
この場合、以下の式(4)に示すように次数nを求めることができる。

特開2009−175576号公報

L.S.Ma,M.Zucco,S.Picard,L.Robertsson,and R.S.Windeler,"A new method to determine the absolute mode number of a mode-locked femtosecond-laser comob used for absolute optical frequency measurements,"IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,vol.9,pp.1066-1071,Jul-Aug 2003. H.Inaba,Y.Nakajima,F.L.Hong,K.Minoshima,J.Ishikawa,A.Onae,H.Matsumoto,M.Wouters,B.Warrington,and N.Brown,"Frequency Mesurement Capability of a Fiber-Based Frequency Comb at 633nm,"IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,vol.58,pp.1234-1240,April 2009.

ところで、上述した第1の方法では、特別な測定が不要であり簡単に次数を決定できるが、遷移周波数が既知の分子に安定化されたレーザにしか適用できない。従って、産業的に最もよく用いられる簡易安定化He−Neレーザ等に適用することができない。
また、第2の方法では、波長計の数値を読むだけの簡単な測定で、容易に次数を決定できるが、実際には、7桁の精度で波長を計測する波長計は高価になり、測定装置のコストが高くなる。また、光コム装置として、モード同期ファイバーレーザを用いる場合では、50MHzをはるかに超えるような大きい繰り返し周波数frep(例えば500MHz)を実現することが極めて難しいという課題がある。

第3の方法では、整数値n=Δf/Δfrepを正確に決定するために、その不確かさを1より十分小さくする必要がある。この不確かさは、測定値であるΔfの周波数安定度で決まり、主に測定対象レーザおよび基準周波数の周波数安定度により決まる。Δfの周波数安定度はΔfrep(設定値)によらないので、ΔfrepをΔfの周波数安定度よりも十分に大きくとればΔf/Δfrepの不確かさは十分に小さくなり、正確に整数次数を決定することができる。しかしながら、例えば、ヨウ素安定化He−Neレーザの場合、1000秒の平均値でも周波数安定度(アラン偏差)は50Hz程度であり、設定する周波数変化量Δfrepはこれよりも十分大きい必要がある。これを満たそうとして、例えばfrep=50MHzの光コムにおいて、Δfrepを500Hzとすると、633nm帯のモードの光周波数は、5GHz程度変化することになり、すなわちΔfも5GHz程度となる。ここで、図16に示すように、光コムと測定対象レーザとのビート信号は、繰り返し周波数frep、測定対象レーザと近いコムモードとのビート信号f、次に近いコムモードのビート信号f´が観察される。従って、上記のように5GHzものビート周波数の変化を測定するためには、観察すべきビート信号がfrep及びゼロ周波数の間を約100往復するのを正確にカウントする必要が生じ、煩雑な処理が伴う。

第4の方法は、前述した測定対象レーザおよび基準周波数の周波数揺らぎを相殺して、数Hz程度の小さいΔfrepでもnが決まるよう改良を施した方法であり、分子吸収線に安定化したレーザに限らず、簡易的に安定化したレーザでも実施できる方法である。しかしながら、光コム装置を2台準備し、同時に操作する必要があり、システムが高価になり、測定が複雑になるという課題がある。

本発明は、以上のような問題に鑑み、簡素な構成で光コムのモード次数を特定し、測定対象のレーザの絶対周波数を測定する周波数測定装置、及び周波数測定方法を提供することを目的とする。

本発明の周波数測定装置は、光周波数コム装置と、周波数可変で、かつ、当該周波数に応じて発振モードが高次から低次に、あるいは低次から高次に変化するモード移行周波数を有する周波数可変レーザ装置と、前記発振モードを観測する手段と、前記光周波数コム装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を計測する手段と、測定対象レーザ装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を計測する手段と、を備え、前記周波数可変レーザ装置の発振周波数を変化させた際の前記発振モードの観測結果に基づいて、前記第一ビート周波数を計測する際の前記光周波数コム装置からの出力光のモード次数を特定し、前記モード次数と、計測された前記第一ビート周波数及び前記第二ビート周波数とに基づいて、前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定することを特徴とする。
周波数可変レーザを所定の第一ビート周波数で光コムに安定化する場合には、その周波数を計測せずに、位相同期の基準周波数として設定した指令値を使用してもよい。

本発明では、周波数可変レーザの発振モード数が変化する絶対周波数値(モード移行周波数)がほぼ変わらない現象を利用して光コムのモード次数を特定することで、測定対象のレーザの絶対周波数を容易に求めることができる。また、1台の光コム装置を利用する構成となるので構成の簡略化を図れる。さらに、分子吸収線に安定化したレーザの周波数のみならず、簡易的に安定化したレーザの周波数も測定することができる。

本発明の周波数測定装置は、光周波数コム装置と、周波数可変で、かつ、当該周波数に応じて発振モードが高次から低次にあるいは低次から高次に変化するモード移行周波数を有する周波数可変レーザ装置と、前記発振モードを観測する手段と、前記光周波数コム装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を観測または計測する手段と、測定対象レーザ装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を観測または計測する手段と、前記測定対象レーザ装置と前記光周波数コム装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第三ビート周波数を計測する手段と、を備え、前記周波数可変レーザ装置の発振周波数を変化させた際の前記発振モードの観測結果および前記第一ビート周波数及び前記第二ビート周波数の観測または計測結果に基づいて、前記第三ビート周波数を計測する際の前記光周波数コム装置からの出力光のモード次数を特定し、前記モード次数と、計測された前記第三ビート周波数とに基づいて、前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定することを特徴とする。

ここで、本発明において「観測」とはおおよその周波数を把握する処理であり、例えばスペクトラムアナライザ等により実施される処理等を示す。これに対して「計測」とは、より正確な周波数を把握する処理であり、例えば周波数カウンタにより周波数をカウントする処理等を示す。なお、周波数カウンタを観測する手段に用いたとしても全く問題はない。また、発振モード観察結果を得る際には、第一ビート周波数を測定又は観測する手段を用いても、別途観察するための手段を用いてもよい。

本発明では、第一ビート周波数を観測する手段で、周波数可変レーザの周波数を変化させた際の発振モードの変化を観察し、第一ビート周波数及び第二ビート周波数に基づいて、第三ビート周波数を計測する際の光コムのモード次数を特定する。
この場合、周波数可変レーザに対応するコムモードのモード次数をnとした場合に、測定対象レーザに対応するコムモードのモード次数n+αとして特定することになる。したがって、このモード次数n+αの光コムの周波数を算出でき、第三ビート周波数により、容易に測定対象レーザの周波数を算出できる。
本手法は、周波数を正確に測定する必要があるのは第三ビート周波数のみで、第一ビート周波数と第二ビート周波数は、低い精度で簡易的な計測(観測)で良いため、より簡単に測定対象のレーザの絶対周波数の測定を実現することができる。

本発明の周波数測定装置は、光周波数コム装置と、周波数可変で、かつ、周波数に応じて強度が変化する周波数可変レーザ出力装置と、前記周波数可変レーザ装置からの出力光の強度を観察する強度観測手段と、前記光周波数コム装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を計測する手段と、測定対象レーザ装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を計測する手段と、を備え、前記周波数可変レーザ装置の周波数を変化させた際の前記強度の観測結果に基づいて、前記第一ビート周波数を計測する際の前記光周波数コム装置からの出力光のモード次数を特定し、前記モード次数と、計測された前記第一ビート周波数及び前記第二ビート周波数とに基づいて、前記測定対象レーザの周波数を測定することを特徴とする。

本発明では、光強度の測定といった非常に簡単な手法で光コムのモード次数が特定できるため、測定対象レーザの絶対周波数をより簡単に測定できる。

本発明の周波数測定装置は、光周波数コム装置と、周波数可変で、かつ、周波数に応じて強度が変化する周波数可変レーザ装置と、前記周波数可変レーザ装置からの出力光の強度を観察する強度観測手段と、前記光周波数コム装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を観測または計測する手段と、測定対象レーザ装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を観測または計測する手段と、前記測定対象レーザ装置と前記光周波数コム装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第三ビート周波数を計測する手段と、を備え、前記周波数可変レーザ装置の周波数を変化させた際の前記強度の観測結果及び前記第二ビート周波数の観測または計測結果に基づいて、前記第三ビート周波数を計測する際の前記光周波数コム装置からの出力光のモード次数を特定し、前記モード次数と、計測された前記第三ビート周波数とに基づいて、前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定することを特徴とする。

本発明では、測定手段は、周波数可変レーザの周波数を変化させた際の強度変化を観察し、第一ビート周波数及び第二ビート周波数に基づいて、第三ビート周波数を計測した際の光コムのモード次数n+αを特定する。したがって、上記発明と同様に、測定対象レーザとで第三ビート周波数を発生させているコムムードの周波数と第三ビート周波数とにより、測定対象レーザの周波数を正確、かつ容易に求めることができる。
本発明でも、光強度の観測によって簡単に光コムのモード次数が特定でき、第三ビート周波数のみ高い精度の測定を行えばよいため、より簡単に測定対象のレーザの絶対周波数を測定することができる。

本発明の周波数測定装置において、前記周波数可変レーザ装置は、周波数を変化させた際に、前記発振モードが2モードあるいはそれ以上のマルチモードからシングルモードに変化、または、シングルモードから2モードあるいはそれ以上のマルチモードに変化するモード移行周波数を有するレーザを出力することが好ましい。
この場合、モード移行周波数の再現性が光コムの繰り返し周波数よりも十分小さく、かつ繰り返し周波数よりも十分小さい不確かさで、値付けされている必要がある。そうすれば、発振モードを観察する手段によって認識した周波数可変レーザのモード移行周波数と第一ビート周波数と光コムの繰り返し周波数やオフセット周波数に基づいて、光コムのコムモードのモード次数を容易かつ精度よく特定することができる。

本発明の周波数測定装置において、前記周波数可変レーザ装置は、複数の前記モード移行周波数を有し、複数の前記モード移行周波数のうち、何れか、あるいは、すべてを用いて前記モード次数を特定することが好ましい。
本発明では、1つのモード移行周波数のみを用いる場合に比べて、より精度よくモード次数を特定することができ、測定対象レーザの周波数をより正確に測定することができる。

本発明の周波数測定装置において、複数の前記モード移行周波数の平均値を利用して、前記モード次数を特定することが好ましい。
周波数可変レーザ装置の経年変化等による利得低下等の影響により各モード移行周波数が変化することが考えられるが、モード移行周波数の平均値を利用すれば、レーザ媒質の性質に依存する普遍的な値に近くなるため、経年劣化の影響を受けにくい。このため、本発明のように複数のモード移行周波数の平均値を用いてモード次数を特定することで、特定したモード次数の信頼性を高めることができ、測定対象レーザの周波数の信頼性も高めることができる。

本発明の周波数測定装置において、前記周波数可変レーザ装置の発振周波数を低周波数から高周波数に向かって変化させた場合、及び前記周波数を高周波数から低周波数に向かって変化させた場合においてそれぞれ得られる前記モード移行周波数の平均値を用いて、前記モード次数を特定することが好ましい。
周波数可変レーザにおいて、周波数を低周波数から高周波数に向かって変化させた際に観測されるモード移行周波数と、高周波数から低周波数に向かって変化させた際に観測されるモード移行周波数との間にずれ(ヒステリシス)が生じる場合がある。これに対して、本発明では、1つのモード移行周波数に対して、モード移行周波数を双方向から検出してその平均値を用いることで、ヒステリシスの影響を除外することができる。

本発明の周波数測定装置において、前記モード移行周波数は、前記発振モードが、所定の次数に変化する周波数で定義されていることが好ましい。
本発明では、上記発明と同様、ヒステリシスの影響を除外することができる。

本発明の周波数測定装置において、前記出力強度が最大値、最小値、極大値、及び極小値のいずれかとなる発振周波数を用いて、前記モード次数を特定することが好ましい。
強度を観測結果に用いる場合、上述したような値の少なくとも何れかの一つの状態の時の発振周波数をよりどころにすることで、容易に光コムのモード次数を特定できる。

本発明の周波数測定装置において、前記光周波数コム装置は、光周波数コムの繰り返し周波数を変更可能であり、前記周波数可変レーザ装置は、その発振周波数を前記光周波数コムに位相同期させた状態で、前記繰り返し周波数の変化に応じて前記周波数を変化させることが好ましい。
本発明では、周波数可変レーザを光コムに位相同期させるので、光コムの繰り返し周波数を微小変化させると、位相同期された周波数可変レーザの周波数もそれに応じて、発振周波数が変化する。このことを利用して、周波数可変レーザの周波数を走査して例えばモード移行周波数に設定することで、周波数可変レーザを安定化している光コムのモード次数を簡単に求めることができる。

本発明の周波数測定装置において、前記周波数可変レーザ装置は、He−Neレーザであることが好ましい。
周波数可変可能なHe−Neレーザは、モード移行周波数や強度変化が、極めて再現性良く現れるために、モード次数の特定がより確実に実施できる。

本発明の周波数測定方法は、光周波数コム装置と周波数可変でかつ周波数に応じて発振モードが変化する周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を計測する第一ビート計測ステップと、測定対象レーザ装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を計測する第二ビート計測ステップと、前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定する測定ステップと、を実施し、前記測定ステップは、前記周波数可変レーザ装置の発振周波数を変化させた際の発振モードの観測結果に基づいて、前記第一ビート周波数を計測する際の前記光周波数コム装置から出力光のモード次数を特定し、このモード次数と、計測された前記第一ビート周波数及び前記第二ビート周波数とに基づいて、前記測定対象レーザ装置の発振の周波数を測定することを特徴とする。

また、本発明の周波数測定方法は、光周波数コム装置と周波数可変でかつ周波数に応じて発振モードが変化する周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を観測または計測する第一ビート観測ステップと、測定対象レーザ装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を観測または計測する第二ビート観測ステップと、前記測定対象レーザ装置と前記光周波数コム装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第三ビート周波数を計測する第三ビート計測ステップと、前記測定対象レーザの発振周波数を測定する測定ステップと、を実施し、前記測定ステップは、前記周波数可変レーザ装置の発振周波数を変化させた際の発振モードの観察結果及び前記第一ビート周波数及び前記第二ビート周波数の観測または計測結果に基づいて、前記第三ビート周波数を計測する際の前記光周波数コム装置からの出力光のモード次数を特定し、このモード次数と、計測された前記第三ビート周波数とに基づいて、前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定することを特徴とする。

また、本発明の周波数測定方法は、周波数可変でかつ周波数に応じて強度が変化する周波数可変レーザ装置の出力光の強度を観測する強度観測ステップと、光周波数コム装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を計測する第一ビート計測ステップと、前記測定対象レーザ装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を計測する第二ビート計測ステップと、前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定する測定ステップと、を実施し、前記測定ステップは、前記周波数可変レーザ装置の発振周波数を変化させた際の前記強度の観測結果に基づいて、前記第一ビート周波数を計測する際の前記光周波数コムのモード次数を特定し、このモード次数と、計測された前記第一ビート周波数及び前記第二ビート周波数とに基づいて、前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定することを特徴とする。

また、本発明の周波数測定方法は、周波数可変でかつ周波数に応じて強度が変化する周波数可変レーザ装置の出力光の強度を観測する強度観測ステップと、光周波数コム装置と前記周波数可変レーザ装置との出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を観測または計測する第一ビート観測ステップと、測定対象レーザ装置と前記周波数可変レーザ装置との出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を観測または計測する第二ビート観測ステップと、前記測定対象レーザ装置と前記光周波数コム装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第三ビート周波数を計測する第三ビート計測ステップと、前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定する測定ステップと、を実施し、前記測定ステップは、前記周波数可変レーザ装置の発振周波数を変化させた際の前記強度の観測結果及び前記第一ビート周波数および前記第二ビート周波数の観測または計測結果に基づいて、前記第三ビート周波数を計測する際の前記光周波数コム装置化からの出力光のモード次数を特定し、このモード次数と、計測された前記第三ビート周波数とに基づいて、前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定することを特徴とする。

上述のような本発明の周波数測定方法では、周波数測定装置の発明と同様に、複数の光コム装置を用いることなく、簡単な構成で、かつ精度よく測定対象レーザの周波数を測定することができる。

本発明に係る第一実施形態の周波数測定装置の概略構成を示す模式図。 第一実施形態の周波数可変レーザ源における発振モードの変化状態を示す図。 第一実施形態において、光コムの繰り返し周波数を微小変化させた際の光コム、及び周波数可変レーザの周波数変化を示す図。 第一実施形態において、周波数可変レーザをマルチモード発振させた際のスペクトルを示す図。 第一実施形態において、周波数可変レーザをシングルモード発振させた際のスペクトルを示す図。 図4で示したスペクトルでマルチモード発振している周波数可変レーザと光コムによって発生する干渉ビート信号の周波数スペクトルを示す図。 図5で示したスペクトルでシングルモード発振している周波数可変レーザと光コムによって発生する干渉ビート信号の周波数スペクトルを示す図。 第一実施形態の周波数測定方法を示すフローチャート。 第二実施形態の周波数測定方法を示すフローチャート。 第二実施形態において、周波数可変レーザの周波数ロックを説明するための図。 第四実施形態の周波数測定装置の概略構成を示す模式図。 第四実施形態において、パワーメーターにより観察される周波数可変レーザの強度を示す図。 第五実施形態の周波数測定装置の概略構成を示すブロック図。 第五実施形態の周波数測定方法を示すフローチャート。 他の実施形態において、位相ロック解除をした場合の処理を説明するための図。 光コムと測定対象のレーザとを干渉させた際の干渉光のスペクトルを示す図。

[第一実施形態]
以下、本発明に係る第一実施形態の周波数測定装置について、図面に基づいて説明する。
図1は、第一実施形態の周波数測定装置1の概略構成を示す模式図である。
図1に示すように、本実施形態の周波数測定装置1は、光コム装置(光周波数コム装置)2と、周波数可変レーザ装置3と、第一ビート干渉計4と、第二ビート干渉計5と、発振モード観察部6と、ビート周波数測定部7と、PC8と、を備えている。ここで、光コム装置2と、周波数可変レーザ装置3と、第一ビート干渉計4と、発振モード観察部6と、ビート周波数測定部7における第一周波数カウンタ71(第一ビート計測手段)により、光コムのモード次数を特定して、測定対象レーザの絶対周波数を正確に測定(算出)する装置である。

[光コム装置2の構成]
光コム装置2は、光コム発生器21と、基準信号発生器22と、を備えている。
光コム発生器21は、光コムを発生させる光学系と光コムを基準信号に位相同期して安定化するための周波数合成系や位相同期系を備えて構成されている。
この光コム発生器21は、オフセット周波数(キャリアエンベロープオフセット周波数)fCEOを端数として、可視光から近赤外光の波長の範囲内において周波数間隔frepのコムモード(fCEO+n・frep)の光(光コム)を出力する。fCEOとn・frepのそれぞれの周波数を基準信号発生器22から出力される基準周波数に位相同期かけて光コムの発振周波数を安定化する。
なお、光コム装置2のより詳細な説明は、例えば特開2002−162659号公報等に記載されている構成と同様であるため、ここでの説明は省略する。

[周波数可変レーザ装置3の構成]
周波数可変レーザ装置3は、光源部31と、コントローラー32とを備える。
光源部31は、例えば共振器長などを変化させることで縦モード周波数が決まるレーザ装置である。この光源部31のレーザ媒質としては、当該レーザ媒質により決まる発振可能周波数帯域Wが共振器長によって決まる縦モードにおける縦モード間隔Gよりも広いものであり、1〜2倍程度であると好適である。または、光源部31として、発振モードまたは出力値が、発振周波数に対して再現性よく変化するものを用いる。

このような光源部31として、本実施形態の説明においては、周波数可変レーザにHe−Neをレーザ媒体として発振周波数が可変可能なレーザを用いた場合を例に説明する。
例えば、波長632.8nmのHe−Neレーザを用いる場合、レーザ遷移はNe原子の3s(上準位)及び2p(下準位)であり、縦軸を利得、横軸をレーザ周波数としたときの利得曲線は、幅(発振可能周波数帯域W)が約1.5GHzのガウス分布となる。ここで、光源部31の共振器長を150mmで構成すると、縦モード間隔Gは約1GHzになる。なお、本実施形態ではHe−Neレーザを例示するがこれに限定されず、発振モードや強度が周波数に応じて再現性良く変化する光源部31であればいかなるレーザ光源を用いてもよい。

図2(A)〜(E)は、本実施形態の光源部31において、共振器長を変化させて発振周波数を一方向(低周波数から高周波数)に走査した場合の発振モードの変化状態を示す図である。
上記のような光源部31では、ある状態では、図2(A)に示すように、周波数可変レーザは、2つの縦モードで発振している状態(マルチモード)であり、発振周波数を高周波数側にシフトさせていくと、図2(B)に示すように、所定の第一移行周波数νC1で、マルチモードからシングルモードに移行する。さらに発振周波数を高周波数側にシフトさせると、図2(C)、(D)に示すように、所定の第二移行周波数νC2まで、シングルモードが続き、この第二移行周波数νC2を超えると、図2(E)に示すように、再びマルチモードに変化する。

このようなモード移行周波数(第一移行周波数νC1及び第二移行周波数νC2)は、レーザ媒質の利得帯域、共振器長により決まる縦モード間隔、及び共振器における光損失で決まった値となる。また、図2の(A)から(E)で示した周波数の走査を行った場合、第一移行周波数νC1と第二移行周波数νC2は、光コムの繰り返し周波数frepよりも十分小さい値で繰り返し良く再現する。具体的には、繰り返し周波数frepが50MHz程度であるのに対して、第一移行周波数νC1のばらつき(k=1)は10MHz以下である。
また、発振周波数に対する出力変化はレーザ媒質のガウス分布上の利得曲線に応じて変化する。その利得曲線そのものはその性質上大きく変化することはないため、比較的再現性良く、出力が最大となる周波数を得ることができる。
本実施形態では、周波数可変レーザの第一移行周波数νC1、または第二移行周波数νC2、あるいは強度が最大となる発振周波数を周波数マーカーとして用いる。これらのモード移行周波数νC1,νC2や強度が最大となる発振周波数は、例えば基準レーザとのビート周波数測定などを行うことによって、予め値付けしておく。あるいは、分光学等で既に解明されている元素の遷移周波数の値などを参考に推定してもよい。いずれの方法であっても、光コムの周波数間隔よりも十分に小さい不確かさで値付けされていればよい。

周波数可変レーザ装置3のコントローラー32は、光源部31の共振器長を制御して、周波数可変レーザの発振周波数を変化させ、発振モードを変化させる。
この時、コントローラー32は、第一ビート干渉計4からの出力を監視し、周波数可変レーザと光コムとを位相同期させる。

図3は、本実施形態において、光コムの繰り返し周波数frepを微小変化させた際の周波数可変レーザの周波数の変化を示す図である。図3において、周波数可変レーザの周波数をA、光コムのコムモードのモード次数をn、そのコムモードの周波数をνcombで示す。
図3に示すように、光コムの繰り返し周波数frepをΔfrepだけ微小変化させると、コムモードの周波数νcombは、n・Δfrepだけ周波数が変化する。この場合、光コムに位相同期している周波数可変レーザの周波数も、コントローラー32により、n・Δfrepだけ周波数がシフトされる。

[第一ビート干渉計4の構成]
第一ビート干渉計4は、図1に示すように、ビームスプリッター41,42と、第一ビート検出部43と、を備える。
この第一ビート干渉計4では、第一ビート検出部43に光コムと周波数可変レーザとの干渉光(基準干渉光)が入射される。そして、第一ビート検出部43は、第一ビート周波数(第一ビート信号)を、発振モード観察部6、ビート周波数測定部7、及び周波数可変レーザ装置3のコントローラー32に出力する。
なお、コントローラー32は、この信号に基づいて、周波数可変レーザの周波数を光コムに追従させて変化させる。

[第二ビート干渉計5の構成]
第二ビート干渉計5は、図1に示すように、反射ミラー51と、ビームスプリッター52と、第二ビート検出部53とを備えている。
この第二ビート干渉計5では、第二ビート検出部53にレーザ光源装置Xから射出された測定対象レーザと周波数可変レーザとの干渉光(測定用干渉光)が入射される。そして、第二ビート検出部53は、第二ビート周波数(第二ビート信号)を、ビート周波数測定部7に出力する。

[発振モード観察部6の構成]
発振モード観察部6は、本発明の第一ビート検出部43とともに、本発明の観測手段を構成し、周波数可変レーザの発振モードを観察する。
図4は、周波数可変レーザがマルチモードで発振している際の、光コムと周波数可変レーザのスペクトルを示している。また、図5は、周波数可変レーザがシングルモード発振している場合の、光コムと周波数可変レーザのスペクトルを示している。
また、図6は、図4のようなスペクトルに対して検出される干渉ビート信号の周波数スペクトルを示す図である。図7は、図5のようなスペクトルに対して検出される干渉ビート信号の周波数スペクトルを示す図である。

図4から図7に示すように、周波数可変レーザが、マルチモードからシングルモードに移行すると、0から繰り返し周波数frepまでの間で観測されるビート周波数の数が4つから2つに減少し、シングルモードからマルチモードに移行すると2つから4つに増加する。
したがって、発振モード観察部6によりこのようなビート周波数の数を観測することで、周波数可変レーザがマルチモードで発振している状態か、シングルモードで発振している状態かを、容易に判定することが可能となる。

[ビート周波数測定部7の構成]
ビート周波数測定部7は、第一周波数カウンタ71(第一ビート計測手段)、及び第二周波数カウンタ72(第二ビート計測手段)を備えている。
第一周波数カウンタ71には、第一ビート干渉計4の第一ビート検出部43からの第一ビート信号が入力され、第一ビート周波数をカウント(計測)する。
第二周波数カウンタ72には、第二ビート干渉計5の第二ビート検出部53からの第二ビート信号が入力され、第二ビート周波数をカウント(計測)する。

[PC8の構成]
PC8は、CPUやメモリー等により構成されており、所定のプログラムを読み込んで実行することで、図1に示すように、周波数算出手段81として機能する。
この周波数算出手段81は、発振モード観察部6からの検出信号に基づいて、光コムのコムモードのモード次数nを特定し、特定したモード次数nと、ビート周波数測定部7により計測された第一ビート周波数及び第二ビート周波数とを用いて、測定対象レーザの正確な絶対周波数を算出する。

[周波数測定装置による周波数測定方法]
次に、上述のような周波数測定装置を用いた周波数測定方法について、図面に基づいて説明する。
図8は、本実施形態の周波数測定方法を示すフローチャートである。
本実施形態の周波数測定方法では、まず、周波数可変レーザを光コムに位相同期させ、周波数差fbeat1で周波数可変レーザを光コムに安定化する(ステップS1)。
次に、光コムの繰り返し周波数frepを微小量(Δfrep)変化(例えば増加)させる(ステップS2)。
次に、周波数算出手段81は、発振モード観察部6の観測結果に基づいて、発振モードがマルチモードからシングルモードに変化したか否かを判定する(ステップS3)。ステップ3で「No」と判定された場合は、ステップS2に戻り、周波数可変レーザの周波数走査を継続する。
一方、ステップS3で「Yes」と判定された場合、その時の繰り返し周波数frep1を記録する(ステップS4)。
光コムを基準周波数に位相同期かけて安定化する場合、周波数シンセサイザを基準周波数に位相同期して光コムのfrepを安定化するための参照周波数を発生させる。したがって、ステップS4で記録するfrep1は、周波数シンセサイザで発生させた参照周波数の値を用いるのが望ましい。次数を特定するためにはfbeat1の周波数の値が必要となる。ここでは、周波数可変レーザは光コムに対して所定の周波数差で位相同期をかけて安定化していることを利用して、その所定の周波数差の設定値を用いる。無論周波数カウンタなどによってfrep1の周波数を正確に測定しても構わない。
そして、周波数算出手段81は、光コムの繰り返し周波数frep1と、第一移行周波数νC1(又は第二移行周波数νC2)と、第一ビート周波数fbeat1とを用いて、周波数可変レーザをロックしている光コムのモード次数を次式(5)に基づいて特定する(ステップS5)。
そして、周波数算出手段81は、光コムの繰り返し周波数frep1と、第一移行周波数νC1(又は第二移行周波数νC2)と、第一ビート周波数fbeat1とを用いて、周波数可変レーザをロックしている光コムのモード次数を次式(5)に基づいて特定する(ステップS5)。

n=[(νC1−fbeat1−fCEO)/frep1]に近い整数値 …(5)

ここで、上述したように、第一移行周波数νC1の不確かさは繰り返し周波数frep1よりも十分に小さいものとなるため、上記式(5)に従って、光コムの整数次nを一意に決定することができる。この場合、光コムのコムモードの周波数νcombは次式(6)のようになる。

νcomb=n・frep1+fCEO …(6)

この後、第二ビート干渉計5により得られる第二ビート周波数fbeat2を第二周波数カウンタ72により計測する(ステップS6)。この時、第一ビート周波数fbeat1を周波数カウンタで同時に測定すれば、周波数可変レーザの位相同期の性能に依存することなく、高い精度で測定対象のレーザの周波数を測定することができる。また、ステップS5までにすでに、モード次数nができているために周波数可変レーザの位相同期を解除しない限り、frep1の周波数自由に設定変更することができる。したがって、測定対象のレーザの発振周波数とビート周波数を測定するためのカウンタの性能や周波数帯域などの制約などを考えて、適切なfrep1´に再セットして第二ビート周波数fbeat2を測定した方が良い。先に特定したモード次数nと、第二ビート周波数fbeat2および同時に測定した第一ビート周波数fbeat1´および第二ビート周波数を測定した際のfrep1´の設定値を用いて、周波数算出手段81で、次式(7)により、測定対象レーザの周波数νlaserを算出する(ステップS7)。

νlaser=νcomb+fbeat1+fbeat2
=n・frep1´+fCEO+fbeat1´+fbeat2 …(7)

[第一実施形態の作用効果]
本実施形態では、周波数可変レーザの周波数を変化させた際の発振モードの変化に基づいて、光コムのモード次数nを特定し測定対象のレーザの周波数を測定する。
このような本実施形態では、単一の光コム装置による簡単なシステム構成により、分子吸収線に安定化したレーザに限定することなく、測定対象レーザの絶対周波数を高精度に算出することができる。2台の光コムが必要だった方法や高精度な波長計といった特別な装置が必要だったこれまでの方法に比べて、システム構成の簡略化を図れ、装置コストを大幅に低減することができる。

[第二実施形態]
次に、本発明に係る第二実施形態について、図面に基づいて説明する。
上述した第一実施形態では、周波数可変レーザの周波数を低周波数側から高周波数側に走査した際に、マルチモードからシングルモードに切り替わる第一移行周波数を利用してモード次数を特定した。これに対して、本実施形態では、第一移行周波数及び第二移行周波数の平均(中心周波数)を利用してモード次数を特定する点で上記第一実施形態と相違する。

図9は、本実施形態の周波数測定方法を示すフローチャートである。
図10は、本実施形態において、周波数可変レーザの周波数ロックを説明するための図である。なお、以降の実施形態の説明にあたり、上記第一実施形態と同様の構成については同符号を付し、その説明を省略、または簡略化する。
本実施形態では、図9に示すように、上記第一実施形態と同様、ステップS1からステップS4に示す処理を実施する。すなわち、ステップS1において、周波数可変レーザを光コムに位相同期させ、ステップS2において、繰り返し周波数frepを微小量ずつ増加させることで、光コムに位相同期された周波数可変レーザの発振周波数を、低周波数側から高周波数側に向かって走査する。そして、ステップS3において、発振モードがマルチモードからシングルモードに切り替わったか否か(第一移行周波数νC1になったか否か)を判定する。

本実施形態では、ステップS3で「Yes」と判定された場合、ステップS4において、その時の制御設定値に相当するfbeat1及びfrep1を、例えばメモリー等の記憶手段(図示略)に記録する。
この後、さらに繰り返し周波数frepを微小量ずつ増加させ(ステップS12)、発振モードがシングルモードからマルチモードに変化したか否かを判定する(ステップS13)。
ステップ13で「No」と判定された場合は、ステップS12に戻り、周波数可変レーザの周波数走査を継続する。
一方、ステップS13で「Yes」と判定された場合、その際の光コムの繰り返し周波数frep2の設定値を例えばメモリー等の記憶手段(図示略)に記録する(ステップS14)。

次に、周波数算出手段81は、第一移行周波数νC1及び第二移行周波数νC2の中心周波数νと、ステップS11及びステップS13で記録した繰り返し周波数frep1,frep2と、オフセット周波数fCEOと、ビート周波数の設定値fbeat1とを用い、下記式(8)に基づいて、モード次数nを特定する(ステップS15)。

n=[(ν−fbeat1−fCEO)/{(frep1+frep2)/2}]に近い整数値 …(8)

この後、ステップS6により、第二ビート周波数fbeat2を計測し、ステップS7により、測定対象レーザの周波数を算出する。その際、第一ビート周波数fbeat1を同時に計測し測定対象レーザの周波数の演算に用いれば、より高い精度の周波数測定結果を得ることができる。また、モード次数nを特定した後は、先に示した第一実施形態の場合と同様に、光コムの周波数間隔frepの設定は自由に変更することができるため、第二ビート周波数fbeat2が周波数カウンタで測定可能な周波数帯域内になるように設定変更してもかまない。

[第二実施形態の作用効果]
周波数可変レーザは、経年変化等などによる損失増加や利得低下が発生する可能性があり、その結果、モード移行周波数νC1,νC2も長い期間で見た場合に大きくばらつく可能性がある。したがって、長い期間νC1,νC2を校正することなく、いずれか一方のみを用いた場合には、モード次数nの特定を誤る危険性がある。
それに対して、本実施形態では、周波数可変レーザの周波数が第一移行周波数νC1となる際の繰り返し周波数frep1、第二移行周波数νC2となる際の繰り返し周波数frep2、及び中心周波数ν(=(νC1+νC2)/2)に基づいて、モード次数nを算出する。この場合の中心周波数νは、レーザ媒質(本実施形態ではNe分子)の性質に依存する普遍的な値であり、上記のような経年変化等による影響を受けにくい。したがって、ここで提案した中心周波数νに基づいた手法を用いることで、モード次数nをより高い信頼性で確実に決定することができる。

[第三実施形態]
次に、本発明に係る第三実施形態について説明する。
上述した第一実施形態及び第二実施形態では、第一移行周波数νC1を探索する際、及び、第二移行周波数νC2を探索する際に、発振周波数を低周波数側から高周波数側に向かって走査した。
これに対して、本実施形態では、低周波数側から高周波数側に向かう発振周波数走査と、高周波数側から低周波数側に向かう発振周波数走査とを実施する点で、上記第一実施形態及び第二実施形態と相違する。

すなわち、オフセットロックレーザの発振周波数を、低周波数側から高周波数側に向かって走査する場合と、高周波数側から低周波数側に向かって走査する場合とで、遭遇するモード移行周波数νC1,νC2の値が異なる(ヒステリシスが存在する)場合がある。
本実施形態は、このようなヒステリシスが存在する場合でも対応できるように、以下のような処理を実施する。
すなわち、本実施形態では、図8のステップS2及びステップS3の処理において、繰り返し周波数frepを増加させて、周波数可変レーザの発振周波数を低周波数側から高周波数側に向かう第一走査処理を実施し、マルチモードからシングルモードに切り替わる周波数νC1−1を計測する。この後、繰り返し周波数frepを減少させて、周波数可変レーザの発振周波数を高周波数側から低周波数側に向かう第二走査処理を実施し、シングルモードからマルチモードに切り替わる周波数νC1−2を計測する。そして、これらの周波数νC1−1及びνC1−2の平均値を第一移行周波数νC1とする。
第二移行周波数νC2を用いる場合でも同様であり、第一走査処理及び第二走査処理を実施して得られた周波数の平均値を第二移行周波数νC2とする。
このようにして得られるモード移行周波数νC1,νC2では、ヒステリシスの影響を除外することができ、より信頼性の高いモード次数nの算出が実施できる。

[第三実施形態の変形]
なお、第二実施形態のように、第一移行周波数νC1及び第二移行周波数νC2の平均値を算出する場合では、以下のような処理で、ヒステリシスの影響を除外してもよい。
まず、第一走査処理(低周波数側から高周波数側への周波数走査)を実施することで、第一移行周波数νC1を特定する。
この後、周波数可変レーザの周波数を、第二移行周波数νC2以上まで変化させる。その後、第二走査処理(高周波数側から低周波数側への周波数走査)を実施し、第二移行周波数νC2を特定する。

または、第一走査処理を実施することで、第二移行周波数νC2を特定し、この後、第二走査処理を実施し、第一移行周波数νC1を特定してもよい。

以上のように、モード移行周波数として、シングルモードからマルチモードに切り替わる周波数を用いるか、マルチモードからシングルモードに切り替わる周波数を用いるか、を予め定義しておく。このようにして得られるモード移行周波数νC1,νC2を用いる場合、上記実施形態と同様に、ヒステリシスの影響を除外したモード移行周波数νC1,νC2を特定でき、モード次数n決定における信頼性を向上させることができる。

[第四実施形態]
次に、本発明に係る第四実施形態について、図面に基づいて説明する。
上述した第一から第三実施形態では、モード移行周波数νC1,νC2に基づいてモード次数を特定する例を示した。これに対して、第四実施形態では、周波数可変レーザの強度が最大となる周波数を用いてモード次数を特定する点で、上記実施形態と相違する。

図11は、第四実施形態の周波数測定装置1Aの概略構成を示す模式図である。
本実施形態の周波数測定装置1Aは、発振モード観察部6が設けられていない点、及び周波数可変レーザの出力値(受光量)を検出するパワーメーター9(強度観測手段)が設けられている点で、上記第一実施形態の周波数測定装置1と異なる。
具体的には、第一ビート干渉計4は、ビームスプリッター41の前段に、ビームスプリッター44が設けられ、このビームスプリッター44は、周波数可変レーザの一部をパワーメーター9に向かって反射させる。なお、ビームスプリッター44は、ビームスプリッター41,42間に設けられていてもよく、ビームスプリッター41,52間に設けられていてもよい。
また、パワーメーター9は、周波数可変レーザを受光し、受光強度に応じた光量検出信号をPC8に出力する。

図12は、第四実施形態において、パワーメーター9により観察される周波数可変レーザの強度の例を示す図である。
He−Neレーザのようなガウス上の利得分布のレーザの場合、図12に示すように、利得分布が中心の時にレーザの出力が最大となる。利得分布は分子に固有のものであるため、最大出力の時の発振周波数νCPは決まった周波数となる。
本実施形態では、この発振周波数νCPを周波数マーカーとしてモード次数を特定する。
発振周波数νCPは、第一実施形態から第三実施形態におけるνC1,νC2と同様、予め基準レーザ源等を用いて予め測定しておく。
なお、本実施形態では、この発振周波数νCPは、モード移行周波数νC1,νC2の平均値(中心周波数)νと略一致する周波数となる。

本実施形態では、図8に示す周波数測定方法と略同様の処理により、測定対象レーザの絶対周波数を測定することができ、図8におけるステップS3の処理を次のような処理に置き換える。
すなわち、本実施形態の周波数測定装置1Aは、ステップS3において、パワーメーター9の出力値を参照し、出力値が最大値になったか否かを判定する。
そして、ステップS3において、出力値が最大となった場合に、ステップS4以降と同様の処理を実施し、その際の繰り返し周波数frep1を用いて、モード次数nを特定して、測定対象レーザの周波数νlaserを算出する。
なお、モード次数nの算出では、式(5)において、νC1をνCPに置き換えることで、算出することができる。

[第四実施形態の作用効果]
本実施形態では、光強度の観察という簡単な手法でモード次数を特定することができる。

[第五実施形態]
次に、本発明の第五実施形態について説明する。
上述した第一から第四実施形態では、周波数可変レーザに対応したコムモードのモード次数nから周波数νlaserを算出した。これに対して、本実施形態では、測定対象レーザに対応したコムモードのモード次数n+αから周波数νlaserを算出する点で上記実施形態と相違する。
図13は、本実施形態の周波数測定装置1Bの概略構成を示すブロック図である。

本実施形態では、図13に示すように、第一実施形態の周波数測定装置1の各構成に加え、光コムと測定対象レーザとを干渉させてその干渉光から第三ビート周波数fbeat3を検出(観測)する第三ビート干渉計91を備える。
また、周波数測定装置1Bでは、第一ビート干渉計4は本発明における第一ビート観測手段として、また、第二ビート干渉計5は本発明における第二ビート観測手段として機能する。
さらに、ビート周波数測定部7は、第三ビート周波数fbeat3を計測する第三周波数カウンタ73を備える。なお、本実施形態では、ビート周波数測定部7において、第一周波数カウンタ71及び第二周波数カウンタ72が設けられていなくてもよい。

図14は、本実施形態の周波数測定装置1Bにおける周波数測定方法を示すフローチャートである。
このような構成の周波数測定装置1Bは、例えば第一実施形態と同様に、ステップS1からステップS3の処理を実施する。つまり、ステップS1で周波数可変レーザを周波数差fbeat1で光コムに位相同期させて、ステップS2で繰り返し周波数frepを微小変化させる。そして、ステップS3で、発振モードがマルチモードからシングルモードに変化したか否かを判定する。
そして、シングルモードに変化したと判定された場合、その時のfrep1を記録する(ステップS24)。そして、第一ビート周波数fbeat1を取得して、ステップS5の処理を実施し、式(5)を用いて、光コムのモード次数nを特定する。第一ビート周波数fbeat1は繰り返し周波数frepよりも小さければよく、厳密に計測する必要がない。したがって、第一ビート周波数fbeat1はスペクトラムアナライザによって観察される値や、周波数可変レーザを光コムに位相同期かける際の周波数差の設定値などを用いてもよい。

この後、第二ビート周波数fbeat2と第三ビート周波数fbeat3を取得する(ステップS26)。第二ビート周波数fbeat2は、第一ビート周波数fbeat1と同様に厳密な値である必要がないため、スペクトラムアナライザ等によって観察される値を用いても良い。第三ビート周波数fbeat3は、第三周波数カウンタ73の計測値を用いる。
そして、周波数算出手段81は、次式(9)に基づいて、モード次数n+αを特定する(ステップS27)。

α=[(fbeat2−fbeat3+ fbeat1)/frep1]に近い整数値 …(9)

この後、周波数算出手段81は、次式(10)に基づいて、周波数νlaserを算出する(ステップS28)。

νlaser=(n+α)frep1+fCEO+fbeat3 …(10)

本実施形態でも、上記第一から第四実施形態と同様に、単一の光コム装置2と周波数可変レーザ装置3を用いた簡単な構成で、測定対象レーザの周波数νlaserを精度よく測定することができる。

[第五実施形態の変形例]
上記第五実施形態の周波数測定装置1Bは、発振モード観察部6により、第一ビート周波数を観測して発振モードの変化を検出する例を示したが、例えば、第四実施形態のように、発振モード観察部6の代わりに、周波数可変レーザの強度を観測するパワーメーター9を用いる構成としてもよい。この場合では、第四実施形態と同様に、強度が最大となる周波数に基づいてモード次数n,n+αを特定する。
また、第一移行周波数νC1の代わりに、第二移行周波数νC2や、平均値νを用いたモード次数の特定をしてもよい。

[他の実施形態]
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、第一実施形態において、ステップS2の処理では、繰り返し周波数frepを増加させることで、周波数可変レーザの周波数を低周波数側から高周波数側に走査する例を示した。これに対して、繰り返し周波数frepを減少させて、周波数可変レーザの周波数を、高周波数側から低周波数側に走査させてもよい。
また、周波数可変レーザの周波数を、第一移行周波数νC1でロック(発振モードがマルチモードからシングルモードに切り替わる繰り返し周波数frep1でロック)する例を示したが、第二移行周波数νC2でロックしてもよい。

第二実施形態において、ステップS2からステップS15までの間、ステップS1で実施された位相同期処理を維持する例を示したが、これに限定されない。
例えばステップS5の後、周波数可変レーザの光コムに対する位相同期を一旦解除してもよい。
図15は、ステップS5の処理の後、周波数可変レーザの光コムに対する位相同期を解除した場合の処理を説明するための図である。
具体的には、図15(A)に示すように、第一移行周波数νC1に対する第一ビート周波数fbeat1、繰り返し周波数frep1、及び第二ビート周波数fbeat2を計測した後、周波数可変レーザと光コムとの位相同期を解除する。
そして、図15(B)に示すように、周波数可変レーザの周波数を次数α分(つまり、α・frep1)だけ走査する。この際、光コムの繰り返し周波数は、位相同期を解除した時点での値(frep1)に維持する。
そして、図15(C)に示すように、発振モードがマルチモードに変わりそうな周波数近傍で、再度、周波数可変レーザを光コムに位相同期させる。この後、ステップS12以降の処理を実施して、第二移行周波数νC2に対する繰り返し周波数frep2を取得する。
このような処理を行った場合では、次式(11)により、モード次数nを算出することができる。

n=[(ν−α・frep2/2−fbeat1−fCEO)/{(frep1+frep2)/2}]に近い整数 ・・・(11)

第一から第五実施形態、及び図15の例では、周波数可変レーザを光コムに位相同期させ、繰り返し周波数frepの値を変化させて周波数を走査し、周波数可変レーザをモード移行周波数や強度が最大となる周波数で発振させる例を示した。
これに対して、周波数可変レーザを光コムに位相同期させずに、バッファレーザとして用いることもできる。
この場合、例えば、光コムの繰り返し周波数を安定化(所定値に固定)しておき、周波数可変レーザを独立に周波数走査する。そして、周波数可変レーザの発振モードが変化する際の第一ビート周波数fbeat1、及び第二ビート周波数fbeat2を計測する。この後、これらの2つの測定値fbeat1,fbeat2から、測定対象レーザの絶対周波数を算出する。この場合、光コムの繰り返し周波数frepと、第一ビート周波数fbeat1と、モード移行周波数(νC1またはνC2)とを用いて、次式(12)に基づいて、光コムのモード次数nを決定する。

n=(νC1−fbeat1−fCEO)/frep ・・・(12)

また、本発明において、第一ビート観測手段は、繰り返し周波数よりも小さい不確かさで、おおよその周波数を測定するとし、第一ビート検出部43及び発振モード観察部6により構成される例を示したが、これに限らない。例えば、第一周波数カウンタ71や第二周波数カウンタ72を、本発明の観測手段として機能させてもよい。

上記実施形態において、周波数可変レーザ装置3の光源部31として、He−Neレーザを例示したが、これに限定されない。上記したように、周波数を変化させた際に発振モードまたは、レーザの強度が再現性よく変化するものであれば、いかなる光源を用いてもよい。

上記各実施形態及び各図では、周波数可変レーザの周波数に最も近いコムモードの次数を特定する例を示したが、これに限定されない。例えば、周波数可変レーザの周波数から2番目や3番目に近いコムコードの次数を特定するものであってもよい。

その他、本発明の実施の際の具体的な構造は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等に適宜変更できる。

本発明は、測定対象レーザの周波数を測定する周波数測定装置に適用できる。

1,1A,1B…周波数測定装置、2…光コム装置(光周波数コム装置)、3…周波数可変レーザ装置、4…第一ビート干渉計、5…第二ビート干渉計、6…発振モード観察部、7…ビート周波数測定部、8…PC、21…光コム発生器、22…変調信号生成部、31…光源部、32…コントローラー、43…第一ビート検出部、53…第二ビート検出部、71…第一周波数カウンタ(第一ビート計測手段)、72…第二周波数カウンタ(第二ビート計測手段)、73…第三周波数カウンタ(第三ビート計測手段)、81…周波数算出手段、X…レーザ光源装置(DUT)。

Claims (16)

  1. 光周波数コム装置と、
    周波数可変で、かつ、当該周波数に応じて発振モードが高次から低次に、あるいは低次から高次に変化するモード移行周波数を有する周波数可変レーザ装置と、
    前記発振モードを観測する手段と、
    前記光周波数コム装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を計測する手段と、
    測定対象レーザ装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を計測する手段と、を備え、
    前記周波数可変レーザ装置の発振周波数を変化させた際の前記発振モードの観測結果に基づいて、前記第一ビート周波数を計測する際の前記光周波数コム装置からの出力光のモード次数を特定し、前記モード次数と、計測された前記第一ビート周波数及び前記第二ビート周波数とに基づいて、前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定する
    ことを特徴とする周波数測定装置。
  2. 光周波数コム装置と、
    周波数可変で、かつ、当該周波数に応じて発振モードが高次から低次にあるいは低次から高次に変化するモード移行周波数を有する周波数可変レーザ装置と、
    前記発振モードを観測する手段と、
    前記光周波数コム装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を観測または計測する手段と、
    測定対象レーザ装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を観測または計測する手段と、
    前記測定対象レーザ装置と前記光周波数コム装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第三ビート周波数を計測する手段と、を備え、
    前記周波数可変レーザ装置の発振周波数を変化させた際の前記発振モードの観測結果および前記第一ビート周波数及び前記第二ビート周波数の観測または計測結果に基づいて、前記第三ビート周波数を計測する際の前記光周波数コム装置からの出力光のモード次数を特定し、前記モード次数と、計測された前記第三ビート周波数とに基づいて、前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定する
    ことを特徴とする周波数測定装置。
  3. 光周波数コム装置と、
    周波数可変で、かつ、周波数に応じて強度が変化する周波数可変レーザ出力装置と、
    前記周波数可変レーザ装置からの出力光の強度を観察する強度観測手段と、
    前記光周波数コム装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を計測する手段と、
    測定対象レーザ装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を計測する手段と、を備え、
    前記周波数可変レーザ装置の周波数を変化させた際の前記強度の観測結果に基づいて、前記第一ビート周波数を計測する際の前記光周波数コム装置からの出力光のモード次数を特定し、前記モード次数と、計測された前記第一ビート周波数及び前記第二ビート周波数とに基づいて、前記測定対象レーザの周波数を測定する
    ことを特徴とする周波数測定装置。
  4. 光周波数コム装置と、
    周波数可変で、かつ、周波数に応じて強度が変化する周波数可変レーザ装置と、
    前記周波数可変レーザ装置からの出力光の強度を観察する強度観測手段と、
    前記光周波数コム装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を観測または計測する手段と、
    測定対象レーザ装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を観測または計測する手段と、
    前記測定対象レーザ装置と前記光周波数コム装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第三ビート周波数を計測する手段と、を備え、
    前記周波数可変レーザ装置の周波数を変化させた際の前記強度の観測結果及び前記第二ビート周波数の観測または計測結果に基づいて、前記第三ビート周波数を計測する際の前記光周波数コム装置からの出力光のモード次数を特定し、前記モード次数と、計測された前記第三ビート周波数とに基づいて、前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定する
    ことを特徴とする周波数測定装置。
  5. 請求項1または請求項2に記載の周波数測定装置において、
    前記周波数可変レーザ装置は、周波数を変化させた際に、前記発振モードが2モードあるいはそれ以上のマルチモードからシングルモードに変化、または、シングルモードから2モードあるいはそれ以上のマルチモードに変化するモード移行周波数を有するレーザを出力する
    ことを特徴とする周波数測定装置。
  6. 請求項1または請求項2に記載の周波数測定装置において、
    前記周波数可変レーザ装置は、複数の前記モード移行周波数を有し、複数の前記モード移行周波数のうち、何れか、あるいは、すべてを用いて前記モード次数を特定する
    ことを特徴とする周波数測定装置。
  7. 請求項6に記載の周波数測定装置において、
    複数の前記モード移行周波数の平均値を利用して、前記モード次数を特定する
    ことを特徴とする周波数測定装置。
  8. 請求項5から請求項7のいずれかに記載の周波数測定装置において、
    前記周波数可変レーザ装置の発振周波数を低周波数から高周波数に向かって変化させた場合、及び前記周波数を高周波数から低周波数に向かって変化させた場合においてそれぞれ得られる前記モード移行周波数の平均値を用いて、前記モード次数を特定する
    ことを特徴とする周波数測定装置。
  9. 請求項5から請求項8のいずれかに記載の周波数測定装置において、
    前記モード移行周波数は、前記発振モードが、所定の次数に変化する周波数で定義されている
    ことを特徴とする周波数測定装置。
  10. 請求項3または請求項4に記載の周波数測定装置において、
    前記出力強度が最大値、最小値、極大値、及び極小値のいずれかとなる発振周波数を用いて、前記モード次数を特定する
    ことを特徴とする周波数測定装置。
  11. 請求項1から請求項10のいずれかに記載の周波数測定装置において、
    前記光周波数コム装置は、光周波数コムの繰り返し周波数を変更可能であり、
    前記周波数可変レーザ装置は、その発振周波数を前記光周波数コムに位相同期させた状態で、前記繰り返し周波数の変化に応じて前記周波数を変化させる
    ことを特徴とする周波数測定装置。
  12. 請求項1から請求項11のいずれかに記載の周波数測定装置において、
    前記周波数可変レーザ装置は、He−Neレーザである
    ことを特徴とする周波数測定装置。
  13. 光周波数コム装置と周波数可変でかつ周波数に応じて発振モードが変化する周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を計測する第一ビート計測ステップと、
    測定対象レーザ装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を計測する第二ビート計測ステップと、
    前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定する測定ステップと、を実施し、
    前記測定ステップは、前記周波数可変レーザ装置の発振周波数を変化させた際の発振モードの観測結果に基づいて、前記第一ビート周波数を計測する際の前記光周波数コム装置から出力光のモード次数を特定し、このモード次数と、計測された前記第一ビート周波数及び前記第二ビート周波数とに基づいて、前記測定対象レーザ装置の発振の周波数を測定する
    ことを特徴とする周波数測定方法。
  14. 光周波数コム装置と周波数可変でかつ周波数に応じて発振モードが変化する周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を観測または計測する第一ビート観測ステップと、
    測定対象レーザ装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を観測または計測する第二ビート観測ステップと、
    前記測定対象レーザ装置と前記光周波数コム装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第三ビート周波数を計測する第三ビート計測ステップと、
    前記測定対象レーザの発振周波数を測定する測定ステップと、を実施し、
    前記測定ステップは、前記周波数可変レーザ装置の発振周波数を変化させた際の発振モードの観察結果及び前記第一ビート周波数及び前記第二ビート周波数の観測または計測結果に基づいて、前記第三ビート周波数を計測する際の前記光周波数コム装置からの出力光のモード次数を特定し、このモード次数と、計測された前記第三ビート周波数とに基づいて、前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定する
    ことを特徴とする周波数測定方法。
  15. 周波数可変でかつ周波数に応じて強度が変化する周波数可変レーザ装置の出力光の強度を観測する強度観測ステップと、
    光周波数コム装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を計測する第一ビート計測ステップと、
    前記測定対象レーザ装置と前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を計測する第二ビート計測ステップと、
    前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定する測定ステップと、を実施し、
    前記測定ステップは、前記周波数可変レーザ装置の発振周波数を変化させた際の前記強度の観測結果に基づいて、前記第一ビート周波数を計測する際の前記光周波数コムのモード次数を特定し、このモード次数と、計測された前記第一ビート周波数及び前記第二ビート周波数とに基づいて、前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定する
    ことを特徴とする周波数測定方法。
  16. 周波数可変でかつ周波数に応じて強度が変化する周波数可変レーザ装置の出力光の強度を観測する強度観測ステップと、
    光周波数コム装置と前記周波数可変レーザ装置との出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を観測または計測する第一ビート観測ステップと、
    測定対象レーザ装置と前記周波数可変レーザ装置との出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を観測または計測する第二ビート観測ステップと、
    前記測定対象レーザ装置と前記光周波数コム装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第三ビート周波数を計測する第三ビート計測ステップと、
    前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定する測定ステップと、を実施し、
    前記測定ステップは、前記周波数可変レーザ装置の発振周波数を変化させた際の前記強度の観測結果及び前記第一ビート周波数および前記第二ビート周波数の観測または計測結果に基づいて、前記第三ビート周波数を計測する際の前記光周波数コム装置化からの出力光のモード次数を特定し、このモード次数と、計測された前記第三ビート周波数とに基づいて、前記測定対象レーザ装置の発振周波数を測定する
    ことを特徴とする周波数測定方法。
JP2013064812A 2013-03-26 2013-03-26 周波数測定装置、及び周波数測定方法 Active JP6052672B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013064812A JP6052672B2 (ja) 2013-03-26 2013-03-26 周波数測定装置、及び周波数測定方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013064812A JP6052672B2 (ja) 2013-03-26 2013-03-26 周波数測定装置、及び周波数測定方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2014190759A JP2014190759A (ja) 2014-10-06
JP6052672B2 true JP6052672B2 (ja) 2016-12-27

Family

ID=51837159

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013064812A Active JP6052672B2 (ja) 2013-03-26 2013-03-26 周波数測定装置、及び周波数測定方法

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6052672B2 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106959388A (zh) * 2017-03-21 2017-07-18 哈尔滨工业大学 一种基于光学频率梳的微波频率测量方法及装置

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6226431B2 (ja) * 2015-02-10 2017-11-08 日本電信電話株式会社 信号発生器
JP6522414B2 (ja) * 2015-05-08 2019-05-29 株式会社ミツトヨ 光周波数コム装置を用いたレーザ周波数測定装置の評価方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3989470B2 (ja) * 2004-07-12 2007-10-10 株式会社 光コム 光周波数測定システム
JP2007212427A (ja) * 2006-01-16 2007-08-23 Tokyo Univ Of Agriculture & Technology 光周波数検出装置、光スペクトラムアナライザおよび光信号処理装置
JP2007328044A (ja) * 2006-06-06 2007-12-20 Optical Comb Inc 光周波数測定システム及び光周波数コムの周波数成分の決定方法
TWI336771B (en) * 2007-10-16 2011-02-01 Ind Tech Res Inst Optical frequency measurement method and apparatus
JP5511162B2 (ja) * 2008-07-31 2014-06-04 株式会社ミツトヨ 多波長干渉変位測定方法及び装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106959388A (zh) * 2017-03-21 2017-07-18 哈尔滨工业大学 一种基于光学频率梳的微波频率测量方法及装置

Also Published As

Publication number Publication date
JP2014190759A (ja) 2014-10-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Passy et al. Experimental and theoretical investigations of coherent OFDR with semiconductor laser sources
US7259856B2 (en) Method for the precise measurement of the wavelength of light
JP4628820B2 (ja) 波長走査型ファイバレーザ光源
JP5647116B2 (ja) 周波数コムを有する同期方式の干渉計
JP4477282B2 (ja) 掃引レーザ用波長校正装置及び方法
JP4376837B2 (ja) 波長走査型レーザ光源
US8564785B2 (en) Comb-based spectroscopy with synchronous sampling for real-time averaging
Wells et al. Heterodyne frequency measurements on the 11.6-μm band of OCS: new frequency/wavelength calibration tables for 11.6-and 5.8-μm OCS bands
US6870629B1 (en) Optical frequency sweep control and readout by using a phase lock
Schuhler et al. Frequency-comb-referenced two-wavelength source for absolute distance measurement
Long et al. Multiheterodyne spectroscopy with optical frequency combs generated from a continuous-wave laser
Salvadé et al. High-accuracy absolute distance measurement using frequency comb referenced multiwavelength source
US20110255094A1 (en) Optical gyroscope sensors based on optical whispering gallery mode resonators
KR100746515B1 (ko) 진동수 변환 위상이동 간섭법
US6879421B2 (en) Method and system for performing swept-wavelength measurements within an optical system incorporating a reference resonator
JP4527479B2 (ja) 波長走査型ファイバレーザ光源
Kowalski et al. An improved wavemeter for cw lasers
JP2009198477A (ja) 光周波数発生器を用いた絶対距離測定方法及びシステム
JP5226078B2 (ja) 干渉計装置及びその作動方法
US8009296B2 (en) Light-phase-noise error reducer
EP2629381B1 (en) Precision photonic oscillator and method for generating an ultra-stable frequency reference using a two-photon rubidium transition
US7570364B2 (en) Optical tomographic imaging apparatus
JP2008513804A (ja) モード選択同調器からの光フィードバック
Huang et al. Demodulation of fiber Bragg grating sensor using cross-correlation algorithm
US20030021308A1 (en) Interferometric filter wavelength meter and controller

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20160106

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20160106

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20161108

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20161118

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6052672

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250