JP6448236B2 - 光周波数コムを使ったレーザ周波数測定方法及び装置 - Google Patents

光周波数コムを使ったレーザ周波数測定方法及び装置 Download PDF

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    • G02F2203/00Function characteristic
    • G02F2203/54Optical pulse train (comb) synthesizer

Description

本発明は、光周波数コムを使ったレーザ周波数測定方法及び装置に係り、特に、周波数変動が大きく安定度の低いレーザの周波数を測定することが可能な、光周波数コムを使ったレーザ周波数測定方法及び装置に関する。
例えば近年、レーザ周波数を測定するために、光周波数コム装置を利用する方法が提案されており、例えば特許文献1に記載されたような光周波数コム装置を用いることで、レーザの発振周波数を高精度に測定することができる。この光周波数コム装置は、繰り返し周波数(縦モードの間隔)がfrepで櫛状のスペクトルのレーザを出力する装置であり、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、非特許文献1参照)。
図1に、光周波数コム(光コムとも称する)と測定対象となるレーザの周波数スペクトルを示す。
光コムにおけるn番目のコムモードの発振周波数νnは、以下の式により表わすことができる。
νn=n・frep+fCEO …(1)
CEOは端数のキャリアエンベロップオフセット周波数(以下、CEO周波数と称する)、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、その差の周波数fBがビート信号として観察される。
B=νlaser−νn …(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+fB …(3)
このため、光周波数コムの繰り返し周波数frep及びCEO周波数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fB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。
光周波数コムと測定対象のレーザを干渉させて光検出器で受光した場合に発生するビート周波数信号のスペクトルの模式図を図2に示す。ビート周波数信号には、測定したいビート周波数fB以外に、光周波数コム自身のモード間の干渉によって繰り返し周波数frepと、ビート周波数fBに対して共役な周波数成分fB’(=frep−fB)が発生する。更には、これら3つの周波数を基本波として、frepの周波数毎に繰り返して高調波の周波数が発生する。従って、ビート周波数fBを正確に測定するためには、RF周波数信号用のバンドパスフィルタ(BPF)によってビート周波数fB以外の不要な周波数成分を遮断する必要がある。
特開2007−256365号公報
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.
しかしながら、バンドパスフィルタには、各部品仕様に応じて抽出することが可能な周波数帯域がある。例えば、30MHzの周波数成分を抽出するバンドパスフィルタの透過帯域は、その前後3MHz程度の周波数を透過するのが一般的である。この場合、測定したいビート周波数fBが3MHz以上変動してしまうと、バンドパスフィルタでカットされるため、ビート周波数を測定できなくなってしまう。
そうすると、温度制御等でレーザの発振周波数を簡易的に安定化した、産業上利用頻度の高い、安価な安定化レーザの周波数を測定するのが難しくなる。つまり、光周波数コム装置は、分子吸収線に安定化したような非常に精度の高いレーザの周波数測定に限られた、専用の装置でしかなかった。
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、従来測定が困難であった周波数変動が大きく安定度の低いレーザの周波数を測定可能とすることを課題とする。
本発明は、測定の基準となる光周波数コムと測定対象となるレーザを干渉させて発生するビート信号の周波数を測定して、前記レーザの周波数を測定する、光周波数コムを使ったレーザ周波数測定方法において、前記ビート信号の周波数が所定の範囲を超えたら、ビート周波数を測定する際に使用するバンドパスフィルタの中心に戻すように、前記光周波数コムの繰り返し周波数frepとCEO周波数fCEOの少なくとも一方を変化させ、前記ビート信号の周波数を測定して、前記レーザの発振周波数を測定することにより、前記課題を解決するものである。
ここで、前記繰り返し周波数frepと前記CEO周波数fCEOを測定し、前記ビート信号の周波数が所定の範囲を超えたら、前記バンドパスフィルタの中心に戻すように、前記繰り返し周波数frepと前記CEO周波数fCEOの少なくとも一方を変化させることができる。
又、前記繰り返し周波数frepは、frep安定化用に発生させたfrep参照周波数に位相同期をかけて安定化させ、前記CEO周波数fCEOは、fCEO安定化用に発生させたfCEO参照周波数に位相同期をかけて安定化させると共に、前記ビート信号の周波数が所定の範囲を超えたら、前記バンドパスフィルタの中心に戻すように、前記frep参照周波数と前記fCEO参照周波数の少なくとも一方を変化させることができる。
又、前記繰り返し周波数frepは、frep安定化用に発生させたfrep参照周波数に位相同期をかけて安定化させると共に、前記CEO周波数fCEOを測定し、前記ビート信号の周波数が所定の範囲を超えたら、前記バンドパスフィルタの中心に戻すように、前記CEO周波数fCEOを変化させて、前記レーザの発振周波数を測定することができる。
本発明は、又、測定の基準となる光周波数コムと測定対象となるレーザを干渉させて発生するビート信号の周波数を測定して、前記レーザの周波数を測定する、光周波数コムを使ったレーザ周波数測定装置において、前記ビート信号の周波数が所定の範囲を超えたら、ビート周波数を測定する際に使用するバンドパスフィルタの中心に戻すように、前記光周波数コムの繰り返し周波数frepとCEO周波数fCEOの少なくとも一方を変化させる手段と、前記ビート信号の周波数を測定して、前記レーザの発振周波数を測定する手段と、を備えたことを特徴とする、光周波数コムを使ったレーザ周波数測定装置を提供するものである。
ここで、前記繰り返し周波数frepを測定する手段と、前記CEO周波数fCEOを測定する手段と、前記ビート信号の周波数が所定の範囲を超えたら、前記バンドパスフィルタの中心に戻すように、前記繰り返し周波数frepと前記CEO周波数fCEOの少なくとも一方を変化させる手段と、を備えることができる。
又、前記繰り返し周波数frepを、frep安定化用に発生させたfrep参照周波数に位相同期をかけて安定化させる手段と、前記CEO周波数fCEOを、fCEO安定化用に発生させたfCEO参照周波数に位相同期をかけて安定化させる手段と、前記ビート信号の周波数が所定の範囲を超えたら、前記バンドパスフィルタの中心に戻すように、前記frep参照周波数と前記fCEO参照周波数の少なくとも一方を変化させる手段と、を備えることができる。
又、前記繰り返し周波数frepを、frep安定化用に発生させたfrep参照周波数に位相同期をかけて安定化させる手段と、前記CEO周波数fCEOを測定する手段と、前記ビート信号の周波数が所定の範囲を超えたら、前記バンドパスフィルタの中心に戻すように、前記CEO周波数fCEOを変化させる手段と、を備えることができる。
本発明は、又、測定の基準となる光周波数コムと測定対象となるレーザを干渉させて発生するビート信号の周波数を測定して、前記レーザの周波数を測定する、光周波数コムを使ったレーザ周波数測定装置において、繰り返し周波数f rep を測定する手段と、CEO周波数f CEO を測定する手段と、前記ビート信号の周波数が所定の値になるように、前記光周波数コムの繰り返し周波数f rep とCEO周波数f CEO の少なくとも一方を変化させる手段と、前記ビート信号の周波数を測定して、前記レーザの発振周波数を測定する手段と、を備えたことを特徴とする、光周波数コムを使ったレーザ周波数測定装置を提供するものである。
本発明は、又、測定の基準となる光周波数コムと測定対象となるレーザを干渉させて発生するビート信号の周波数を測定して、前記レーザの周波数を測定する、光周波数コムを使ったレーザ周波数測定装置において、繰り返し周波数f rep を発生する周波数シンセサイザと、CEO周波数f CEO を発生する周波数シンセサイザと、前記ビート信号の周波数が所定の値になるように、前記光周波数コムの繰り返し周波数f rep とCEO周波数f CEO の少なくとも一方を変化させる手段と、前記ビート信号の周波数を測定して、前記レーザの発振周波数を測定する手段と、を備えたことを特徴とする、光周波数コムを使ったレーザ周波数測定装置を提供するものである。
本発明は、又、測定の基準となる光周波数コムと測定対象となるレーザを干渉させて発生するビート信号の周波数を測定して、前記レーザの周波数を測定する、光周波数コムを使ったレーザ周波数測定装置において、繰り返し周波数f rep を発生する周波数シンセサイザと、CEO周波数f CEO を測定する手段と、前記ビート信号の周波数が所定の値になるように、前記光周波数コムの繰り返し周波数f rep とCEO周波数f CEO の少なくとも一方を変化させる手段と、前記ビート信号の周波数を測定して、前記レーザの発振周波数を測定する手段と、を備えたことを特徴とする、光周波数コムを使ったレーザ周波数測定装置を提供するものである。
ここで、前記周波数シンセサイザに周波数変更の指令を与えるようにすることができる。
本発明によれば、ビート周波数が所定の範囲外に変動したら、ビート周波数の変動を相殺する方向で、例えばビート周波数を測定する際に使用するバンドパスフィルタの中心に戻すように、光周波数コムのfrepまたはfCEOまたはその両方を変えて安定化制御するようにしたので、バンドパスフィルタの帯域に制限されることなく、広い範囲で変動するレーザの周波数を測定することができる。これにより、産業上利用頻度の高い、安価な安定化レーザの周波数を測定することも可能となる。
光周波数コムとレーザのスペクトル例を示す図 ビート周波数信号のスペクトル例を示す図 本発明の第1実施形態の構成を示すブロック図 光周波数コムの例を示す図 同じくバンドパスフィルタ通過後のビート周波数信号のスペクトルを示す図 本発明の第2実施形態の構成を示すブロック図 本発明の第3実施形態の構成を示すブロック図 本発明の第4実施形態の構成を示すブロック図
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態及び実施例に記載した内容により限定されるものではない。又、以下に記載した実施形態及び実施例における構成要件には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態及び実施例で開示した構成要素は適宜組み合わせても良いし、適宜選択して用いても良い。
本発明に係る、光周波数コムを使ったレーザ周波数測定装置の第1実施形態を図3に示す。
光周波数コム100は、コントローラ110からのfrepの制御信号とfCEOの制御信号によって安定化する。安定化した繰り返し周波数frepとCEO周波数fCEOを、周波数カウンタ120、130によってそれぞれ測定し、その測定値をパソコン(PC)140に取り込んで、光周波数コム100の発振周波数をモニタする。
測定対象のレーザ150と光周波数コム100によって発生するビート信号を光検出器160で検出し、その周波数を周波数カウンタ170で測定し、その測定値をPC140に取り込む。
そして、ビート周波数が所定の範囲を超えたら、周波数の変更の指令がコントローラ110に送られて、コントローラ110が光周波数コム100のfrepとfCEOの制御信号を送る。
図において、152はミラー、154はハーフミラーである。
光周波数コム100の一例を、特許文献1の図1を引用して図4に示し説明する。光周波数コム発振器10では、まず、LD(半導体レーザ)12によって励起された光によってリング共振器内で複数の縦モードのレーザが発振する。そして、リング共振器内に配置した波長板や偏光板といった偏光素子(14、15、16)によって、リング共振器内を周回するレーザの偏波面を調整することによって、複数の縦モードの間で位相同期がかかり、パルス状のレーザが発生する。その時のパルスの周波数スペクトルは、繰り返し周波数がfrepの櫛状の形をしている。繰り返し周波数frepは共振器長を変えることによって、変化させることができる。そこで、図4の手法では、PZT(13)によって光ファイバ11の延ばし量を調整してfrepを変化させる。一方のfCEO周波数は励起パワーを変えることによって変化させることができるため、ドライバからLD12へと入力される注入電流を変化させて制御する。
図において、2はレーザ光源、17、18は光アイソレータ、21A、21Bはλ/4板、22A、22Bはλ/2板、30A、30Bは光ファイバ増幅器、31A、31Bは増幅用光ファイバ、32A、32Bは励起光源、40A、40Bは高非線形性光ファイバ、41A、41Bはシングルモード光ファイバ、51A、51B、51Cはレンズ、52Aは非線形光学媒体、53Bはミラー、54A、54Bはハーフミラー、55Aはバンドパスフィルタ、56AはCEO周波数検出部、56Bはヘテロダイン検出部、56Cは繰り返し周波数検出部、60はCEO周波数安定化部、70は繰り返し周波数安定化部である。
特許文献1の光周波数コムでは、CEO周波数安定化部60と繰り返し周波数安定化部70により周波数を安定化しているが、本実施形態では、これらを逆に利用して周波数を変化させる。
本実施形態では、レーザ150の発振周波数が変化して、ビート周波数が測定可能な周波数範囲を超えた場合に、あるいは超えそうな場合に、PC140から発振周波数変更の指令が送られる(図5に示すビート周波数信号のスペクトル模式図中で、(a)から(b)の状態になった場合に相当する)。その指令を受け、コントローラ110からfrepとfCEOの制御信号が送られ、ビート周波数fBの変動分を相殺するように、周波数制御がかけられる。
例えば、図1のスペクトルで示した光周波数コムと測定対象のレーザによるビート周波数の例で言えば、νlaserが周波数の高い方に変動してビート周波数fBが大きくなった場合には、繰り返し周波数frepを大きくするか、あるいはCEO周波数fCEOを大きくする制御をかけることによって、fBを所定の範囲のビート周波数に変更し、例えばBPFの中心に戻すことができる。ビート周波数のスペクトルで言えば、図5(b)から(c)の状態へと変化する。
そのときに変えたfrepやfCEOの周波数を周波数カウンタ120、130で測定していれば、光周波数コム100の絶対周波数を求めることができるため、測定対象のレーザ150の絶対周波数νlaserを問題なく測定することができる。
光周波数コムの発振周波数を安定化する際、frepとfCEOをそれぞれの周波数にあわせて発振させた参照周波数に位相同期をかけて安定化する方法がある。この場合の参照周波数を発生させる方法としては、周波数シンセサイザが用いられ、高精度な10MHzの基準周波数を入力することで極めて精度の高い参照周波数を発生させることができる。そのため、その参照周波数に位相同期をかけて安定化した光周波数コムは高精度なレーザ周波数測定装置となる。その方法を実現するための本発明の第2実施形態を図6に示す。
ビート周波数信号の測定値を受けたPC140から、frepとfCEOの参照周波数を発生させる周波数シンセサイザ200、210に参照周波数変更の指令を送り、ビート周波数が所定の周波数範囲内に収まるように周波数を制御する。実際のビート周波数fBの変化に対応してfrepとfCEOを変化させる様子については第1実施形態と同様である。
第2実施形態の場合、位相同期による周波数安定化の精度は、周波数カウンタによる周波数測定精度に比べてはるかに高いため、第1実施形態に比べて高い精度での周波数測定が実現できる。
図7に示す第3実施形態は、実用上十分な精度の測定を、より簡単に実現するためのシステム構成である。
繰り返し周波数frepの安定化制御に残存する誤差は、その次数nの分だけ逓倍される。nは数百万という値であるためfrepの安定化については、極めて高い精度が求められる。それに対して、CEO周波数fCEOの安定化制御に残存する誤差の影響は、繰り返し周波数frepの安定化に求められる精度に比べれば、はるかに小さい。そこで、本実施形態では、周波数シンセサイザ200を用いて、frepは精度の高いfrep参照周波数に位相同期をかけて安定化する。一方fCEOの方は、周波数カウンタ170によって、測定しているビート周波数fBが所定の範囲内の周波数になるように、PC140からLDコントローラ300に指令信号を送って制御する。制御したfCEOの周波数を周波数カウンタ130で測定する。レーザ150の発振周波数が変動してビート周波数fBが変動した場合、その変動分を相殺するように、fCEOの周波数を変化させる仕組である。
CEOの発振周波数範囲に±ΔfCEOの制限があったとしても、その範囲内でビート周波数fBを測定できる範囲±ΔfBを、−ΔfCEO−ΔfBから+ΔfCEO+ΔfBの範囲に広げる効果が期待できる。
なお、図8に示す第4実施形態のように、繰り返し周波数frepの参照周波数を発生させる周波数シンセサイザ200に、PC140から指令を送り、frepの参照周波数を変化させビート周波数fBを変化させる方法と組合せても良い。そうすれば、−ΔfCEO−ΔfBから+ΔfCEO+ΔfBの範囲に捉われずに広い範囲で、周波数変動するレーザの周波数を測定することができる。
100…光周波数コム(光コム)
110…コントローラ
120、130、170…周波数カウンタ
140…パソコン(PC)
150…レーザ
160…光検出器
200、210…周波数シンセサイザ
300…LDコントローラ

Claims (12)

  1. 測定の基準となる光周波数コムと測定対象となるレーザを干渉させて発生するビート信号の周波数を測定して、前記レーザの周波数を測定する、光周波数コムを使ったレーザ周波数測定方法において、
    前記ビート信号の周波数が所定の範囲を超えたら、ビート周波数を測定する際に使用するバンドパスフィルタの中心に戻すように、前記光周波数コムの繰り返し周波数frepとCEO周波数fCEOの少なくとも一方を変化させ、前記ビート信号の周波数を測定して、前記レーザの発振周波数を測定することを特徴とする、光周波数コムを使ったレーザ周波数測定方法。
  2. 前記繰り返し周波数frepと前記CEO周波数fCEOを測定し、
    前記ビート信号の周波数が所定の範囲を超えたら、前記バンドパスフィルタの中心に戻すように、前記繰り返し周波数frepと前記CEO周波数fCEOの少なくとも一方を変化させることを特徴とする、請求項1に記載の光周波数コムを使ったレーザ周波数測定方法。
  3. 前記繰り返し周波数frepは、frep安定化用に発生させたfrep参照周波数に位相同期をかけて安定化させ、
    前記CEO周波数fCEOは、fCEO安定化用に発生させたfCEO参照周波数に位相同期をかけて安定化させると共に、
    前記ビート信号の周波数が所定の範囲を超えたら、前記バンドパスフィルタの中心に戻すように、前記frep参照周波数と前記fCEO参照周波数の少なくとも一方を変化させることを特徴とする、請求項1に記載の光周波数コムを使ったレーザ周波数測定方法。
  4. 前記繰り返し周波数frepは、frep安定化用に発生させたfrep参照周波数に位相同期をかけて安定化させると共に、
    前記CEO周波数fCEOを測定し、
    前記ビート信号の周波数が所定の範囲を超えたら、前記バンドパスフィルタの中心に戻すように、前記CEO周波数fCEOを変化させて、前記レーザの発振周波数を測定することを特徴とする、請求項1に記載の光周波数コムを使ったレーザ周波数測定方法。
  5. 測定の基準となる光周波数コムと測定対象となるレーザを干渉させて発生するビート信号の周波数を測定して、前記レーザの周波数を測定する、光周波数コムを使ったレーザ周波数測定装置において、
    前記ビート信号の周波数が所定の範囲を超えたら、ビート周波数を測定する際に使用するバンドパスフィルタの中心に戻すように、前記光周波数コムの繰り返し周波数frepとCEO周波数fCEOの少なくとも一方を変化させる手段と、
    前記ビート信号の周波数を測定して、前記レーザの発振周波数を測定する手段と、
    を備えたことを特徴とする、光周波数コムを使ったレーザ周波数測定装置。
  6. 前記繰り返し周波数frepを測定する手段と、
    前記CEO周波数fCEOを測定する手段と、
    前記ビート信号の周波数が所定の範囲を超えたら、前記バンドパスフィルタの中心に戻すように、前記繰り返し周波数frepと前記CEO周波数fCEOの少なくとも一方を変化させる手段と、
    を備えたことを特徴とする、請求項5に記載の光周波数コムを使ったレーザ周波数測定装置。
  7. 前記繰り返し周波数frepを、frep安定化用に発生させたfrep参照周波数に位相同期をかけて安定化させる手段と、
    前記CEO周波数fCEOを、fCEO安定化用に発生させたfCEO参照周波数に位相同期をかけて安定化させる手段と、
    前記ビート信号の周波数が所定の範囲を超えたら、前記バンドパスフィルタの中心に戻すように、前記frep参照周波数と前記fCEO参照周波数の少なくとも一方を変化させる手段と、
    を備えたことを特徴とする、請求項5に記載の光周波数コムを使ったレーザ周波数測定装置。
  8. 前記繰り返し周波数frepを、frep安定化用に発生させたfrep参照周波数に位相同期をかけて安定化させる手段と、
    前記CEO周波数fCEOを測定する手段と、
    前記ビート信号の周波数が所定の範囲を超えたら、前記バンドパスフィルタの中心に戻すように、前記CEO周波数fCEOを変化させる手段と、
    を備えたことを特徴とする、請求項5に記載の光周波数コムを使ったレーザ周波数測定装置。
  9. 測定の基準となる光周波数コムと測定対象となるレーザを干渉させて発生するビート信号の周波数を測定して、前記レーザの周波数を測定する、光周波数コムを使ったレーザ周波数測定装置において、
    繰り返し周波数f rep を測定する手段と、
    CEO周波数f CEO を測定する手段と、
    前記ビート信号の周波数が所定の値になるように、前記光周波数コムの繰り返し周波数f rep とCEO周波数f CEO の少なくとも一方を変化させる手段と、
    前記ビート信号の周波数を測定して、前記レーザの発振周波数を測定する手段と、
    を備えたことを特徴とする、光周波数コムを使ったレーザ周波数測定装置。
  10. 測定の基準となる光周波数コムと測定対象となるレーザを干渉させて発生するビート信号の周波数を測定して、前記レーザの周波数を測定する、光周波数コムを使ったレーザ周波数測定装置において、
    繰り返し周波数f rep を発生する周波数シンセサイザと、
    CEO周波数f CEO を発生する周波数シンセサイザと、
    前記ビート信号の周波数が所定の値になるように、前記光周波数コムの繰り返し周波数f rep とCEO周波数f CEO の少なくとも一方を変化させる手段と、
    前記ビート信号の周波数を測定して、前記レーザの発振周波数を測定する手段と、
    を備えたことを特徴とする、光周波数コムを使ったレーザ周波数測定装置。
  11. 測定の基準となる光周波数コムと測定対象となるレーザを干渉させて発生するビート信号の周波数を測定して、前記レーザの周波数を測定する、光周波数コムを使ったレーザ周波数測定装置において、
    繰り返し周波数f rep を発生する周波数シンセサイザと、
    CEO周波数f CEO を測定する手段と、
    前記ビート信号の周波数が所定の値になるように、前記光周波数コムの繰り返し周波数f rep とCEO周波数f CEO の少なくとも一方を変化させる手段と、
    前記ビート信号の周波数を測定して、前記レーザの発振周波数を測定する手段と、
    を備えたことを特徴とする、光周波数コムを使ったレーザ周波数測定装置。
  12. 前記周波数シンセサイザに周波数変更の指令を与えるようにされていることを特徴とする、請求項11に記載の光周波数コムを使ったレーザ周波数測定装置。
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