JP6469472B2 - レーザ周波数安定化装置、及びレーザ周波数安定化方法 - Google Patents
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Description
レーザ周波数安定化装置100は、図5に示すように、レーザ発生部10と、レーザ光検出部20と、駆動制御部30とを備える。
レーザ発生部10は、波長808nmのレーザ光L1を放出する励起用半導体レーザ11と、レーザ光L1を入力し、波長532nmのレーザ光L2を出力する共振波生成部12とを備える。
共振波生成部12は、誘導輻射から波長1064nmの光を発光するNd:YVO4結晶121、波長1064nmの光の一部を波長532nmの光とするKTP結晶(非線形光学結晶)122、レーザ光の特定周波数のみを透過させるエタロン123、波長1064nmの光を反射させ波長532nmの光を透過させる反射鏡124等の光学素子が共振器筐体125に収納された構成を有する。
そして、共振器筐体125内部にエタロン123を配設することで、シングルモードのレーザ光L2が得られる。
また、共振器筐体125内部には、電圧の印加により反射鏡124の位置を変更(共振器長を変更)するピエゾ素子等のアクチュエータ126が配設されている。
また、レーザ光検出部20は、レーザ光L4を、第2偏光ビームスプリッタ23、λ/4板24、及びヨウ素セル(吸収セル)25を透過させた後、反射鏡26にてヨウ素セル25に向けて反射させる。
そして、レーザ光検出部20は、レーザ光L4を、再度、ヨウ素セル25及びλ/4板24を通過させた後、第2偏光ビームスプリッタ23にて変換装置としての光検出器27に向けて反射させ、光検出器27にて光電変換することで光出力信号S1を出力する。
なお、図6(A)は、各信号S1,S2の出力値を縦軸とし、アクチュエータ126への出力電圧Vを横軸とし、出力電圧Vを変化させた場合(共振器長を変化させた場合)での各信号S1,S2の波形をそれぞれ示す図である。図6(B)は、図6(A)の領域Arの2次微分信号S2を拡大した図である。
図6(A)に示すように、出力電圧Vを幅広く走査すると、吸収線M1〜M4(以下、説明の便宜上、ピーク群M1〜M4と記載)が周期的に繰り返して観測されることがわかる。なお、ピーク群M1とピーク群M3とは同一のピーク群であり、ピーク群M2とピーク群M4とは同一のピーク群である。
ここで、ピーク群M1〜M4は、飽和吸収線群が束となったものである。例えば、ピーク群M2は、図6(B)に示すように、出力電圧Vの低い側から順に、飽和吸収線群N1(飽和吸収線a1)と、飽和吸収線群N2(飽和吸収線a2〜a5)と、飽和吸収線群N3(飽和吸収線a6〜a9)と、飽和吸収線群N4(飽和吸収線a10)と、飽和吸収線群N5(飽和吸収線a11〜a14)と、飽和吸収線群N6(飽和吸収線a15)とで構成されている。
具体的に、駆動制御部30では、制御装置31の制御信号により、アクチュエータ制御器32がアクチュエータ駆動回路33を制御する(アクチュエータ駆動回路33に出力する電圧値V´を調整する)ことで、アクチュエータ126への出力電圧Vを変更する。
なお、駆動制御部30は、上述したアクチュエータ制御器32、アクチュエータ駆動回路33、及び制御装置31の他、周波数1f、2f、3fHzの信号を出力する変復調信号発生器34と、アクチュエータ駆動回路33にて周波数1fHzの信号に基づき変調されたレーザ光L2の励起により得られる光出力信号S1を周波数2f、3fHzでそれぞれ変調し、2次微分信号S2、3次微分信号S3をそれぞれ出力する生成装置としての2次微分用ロックインアンプ35、3次微分用ロックインアンプ36を備える。
ここで、制御装置31は、飽和吸収線を認定する際に、光出力信号S1やその2次微分信号S2に基づいて、ノイズ成分を除去した飽和吸収線の判定(特許文献1参照)を行う。これにより、ピーク群同士の間、同一のピーク群における飽和吸収線群の間、同一の飽和吸収線群における飽和吸収線同士の間において、本来観測されるはずのないピーク(ノイズ)があった場合でも、当該ノイズを飽和吸収線として認定することなく、目標とする任意の飽和吸収線にレーザ発振周波数を固定することが可能となる。
図7は、レーザ光の発振周波数を確認するためのシステム構成の概略である。
つまり、図7に示すように、レーザ周波数安定化装置100とは別に、発振周波数が既知となる基準レーザ光L5を出力する基準用レーザ光源装置200を用意する。
そして、基準レーザ光L5と、レーザ周波数安定化装置100から出力されたレーザ光L3との光軸を、例えば図7に示すような光軸調整反射鏡201及びビームスプリッタ202を用いて同軸平行にし、高速光検出器203に入射させる。また、高速光検出器203においてレーザ光L3と基準レーザ光L5との周波数差(ビート周波数)を検出し、高速光検出器203から出力されるビート信号からビート周波数を周波数カウンタ204により測定する。ここで、測定されたビート周波数が、目標周波数と基準レーザ光L5の周波数との周波数差と一致しているか否かを判定することで、レーザ周波数安定化装置100から出力されるレーザ光L3が所望の発振周波数のレーザ光であるか否かを判定することができる。
ここで、目標飽和吸収線が探索された際にアクチュエータに印加された出力電圧が前記所定範囲内にない場合、探索された飽和吸収線が目標飽和吸収線とは異なることが考えられ、出力されたレーザ光の発振周波数が所望のレーザ周波数から外れている場合がある。これに対して、目標飽和吸収線が探索された際にアクチュエータに印加された出力電圧が前記所定範囲内にある場合、この目標飽和吸収線にレーザ光の発振周波数を固定することで、所望の発振周波数のレーザ光を安定して出力することが可能となる。
すなわち、本発明では、別途、基準レーザ光を出力する基準用レーザ光源装置を用意して、レーザ周波数安定装置から出力されたレーザ光と基準レーザ光とのビート周波数を観測する必要がなく、簡素な構成で、かつ容易に、所望の発振周波数のレーザ光が出力されているかを判定することができる。
本発明では、前記所定範囲として、共振器長のバラつきに応じたマージンを含む範囲を設定している。つまり、アクチュエータに印加する電圧は、アクチュエータの経時変化を含む共振器長変化の影響を受けるため、ある程度のバラつきが発生する。目標飽和吸収線に対応して設定される電圧の前記所定範囲として、上記のようなバラつきを考慮しない値を設定すると、例えば経時変化等による共振器長変化が生じた際、所望の発振周波数のレーザ光が出力されていたとしても、発振周波数が異なると判定してしまう(エラーとなる)。これに対して、本発明では、上記のように、共振器長変化による電圧のバラつきを考慮して前記所定範囲を設定することで、共振器長変化が生じた場合でも、エラーを回避でき、所望の発振周波数のレーザ光を安定して出力することが可能となる。
本発明では、上記発明と同様、レーザ周波数安定化装置により出力されたレーザ光が、所望の発振周波数であるか否を確認するための基準用レーザ光源装置等の構成を不要にでき、簡素な構成でかつ容易にレーザ光の発振周波数のチェックを実施することができる。
〔レーザ周波数安定化装置の構成〕
図1は、第1実施形態におけるレーザ周波数安定化装置1を示すブロック図である。
レーザ周波数安定化装置1は、図1に示すように、従来のレーザ周波数安定化装置100と同様のレーザ発生部10、レーザ光検出部20、及び駆動制御部30を備える。
なお、本実施形態のレーザ周波数安定化装置1は、従来のレーザ周波数安定化装置100と比較して、制御装置37は、探索処理及び周波数固定処理を実施するとともに、周波数固定処理の前に、レーザ光の発振周波数が所望の発振周波数(目標周波数)と一致しているか否かをセルフチェックする点で、上記従来のレーザ周波数安定化装置100と相違する。
このため、以下では、従来のレーザ周波数安定化装置100と同様の機能及び構成については同様の符号を付して説明を省略又は簡略化し、制御装置37の機能について詳細に説明する。
図2は、制御装置37を示すブロック図である。
制御装置37は、CPU(Central Processing Unit)や、メモリ375等を備え、メモリ375に記憶されたプログラムにしたがって、種々の処理を実行する。なお、制御装置37の機能として、従来の制御装置37と同様の機能については、説明を省略又は簡略化する。
この制御装置37は、図1または図2に示すように、ノイズ識別手段371と、吸収線判定手段372と、電圧判定手段373と、周波数固定手段374と、メモリ375等を備える。
吸収線判定手段372は、ノイズ識別手段371の判定結果に応じて、飽和吸収線を判定する。
ノイズ識別手段371によるノイズの識別処理、吸収線判定手段372による飽和吸収線の判定処理としては、例えば特開2013−16713号公報の各種手法を用いることができる。
例えば、ノイズ識別手段371は、2次微分用ロックインアンプ35からの2次微分信号S2の出力値と第1閾値との比較、及び、光検出器27からの光出力信号S1の出力値と第2閾値との比較を行い、これらの比較結果に基づいてノイズを識別してもよい。
また、ノイズ識別手段371は、2次微分用ロックインアンプ35からの2次微分信号S2の出力値と大小関係にある第3、第4閾値とを比較し、出力電圧Vが変化した際の2次微分信号S2の出力波形の挙動に基づいてノイズを識別してもよい。
さらに、ノイズ識別手段371は、2次微分信号S2の出力値と第5閾値とを比較し、この比較結果と、2次微分信号S2の出力値と、当該2次微分信号S2が入力された際の出力電圧Vの電圧値と、を関連付けた情報をメモリ375に記憶する。そして、その記憶された情報に基づいて、2次微分信号S2の出力値が所定値となる出力電圧Vの各電圧値の差分値を算出し、その差分値と第6閾値とを比較することでノイズを識別してもよい。
ここで、正常電圧範囲Rは、出力電圧Vのバラつきに応じて設定されている。すなわち、レーザ光の発振周波数を、所定の目標飽和吸収線に合わせるための出力電圧Vは、アクチュエータ126の経時変化等を含む共振器長変化の影響を受けるため、バラつきの有る値となる。このため、正常電圧範囲Rにおける下限値V_lower及び上限値V_upperとしては、上記のようなバラつきを考慮したマージンを含んだ範囲に設定される。例えば、レーザ光の発振周波数を所定の目標飽和吸収線の周波数に固定する際の出力電圧Vが7.0〜9.0Vである場合、下限値V_lower=6.8V、上限値V_upper=9.2Vとした正常電圧範囲Rが設定される。
周波数固定手段374は、電圧判定手段373の判定結果に応じて、出力電圧Vを固定する周波数固定処理を実施する。
次に、上述したレーザ周波数安定化装置1の動作について説明する。
図3は、レーザ周波数安定化装置におけるレーザ周波数安定化方法(探索処理及び周波数固定処理)を説明するフローチャートである。また、図4は、光出力信号S1、2次微分信号S2、及び正常電圧範囲Rを示す図である。なお、図4(A)は、各信号S1,S2の出力値を縦軸とし、アクチュエータ126への出力電圧Vを横軸とし、出力電圧Vを変化させた場合での各信号S1,S2の波形をそれぞれ示す図である。図4(B)は、図4(A)の領域Arの2次微分信号S2を拡大した図である。
なお、本実施形態における探索処理及び周波数固定処理において、従来のレーザ周波数安定化装置100にて実施される探索処理及び周波数固定処理と略同様のステップは、説明を簡略化する。
また、以下では、説明の便宜上、目標とする飽和吸収線を飽和吸収線a10(当該飽和吸収線a10が属する飽和吸収線群及びピーク群がそれぞれN4,M2)とする。
先ず、制御装置37は、アクチュエータ駆動回路33の動作を制御し、アクチュエータ126に印加する出力電圧Vを最大電圧値に設定する(ステップST1A)。
ステップST1Bでは、制御装置37は、以下に示す処理を実行する。
すなわち、制御装置37は、ノイズ識別手段371及び吸収線判定手段372により、ノイズを除外して飽和吸収線のみを判定する飽和吸収線判定処理を実施し、飽和吸収線が観測された際にアクチュエータ126に印加していた出力電圧Vの電圧値をメモリ375の第1記憶部375A(図2)に記憶させる。
また、この際、ノイズ識別手段371は、光出力信号S1の出力値と第2閾値とを比較し、光出力信号S1の出力値が第2閾値以上であるか否かを判定する。そして、ノイズ識別手段371により光出力信号S1の出力値が第2閾値以上であると判定されると、吸収線判定手段372は、出力値が第1閾値以上となった2次微分信号S2を飽和吸収線であると認定する。この場合、吸収線判定手段372は、第2記憶部375Bに記憶された出力電圧Vの電圧値(2次微分信号S2の出力値が第1閾値以上となった際にアクチュエータ126に印加されていた出力電圧Vの電圧値)を、飽和吸収線が観測された際にアクチュエータ126に印加していた出力電圧Vの電圧値として第1記憶部375Aに記憶させ、第2記憶部375Bに記憶された出力電圧Vの電圧値を消去させる。
一方、ノイズ識別手段371により、光出力信号S1の出力値が第2閾値未満であると判定された場合は、吸収線判定手段372は、出力値が第1閾値以上となった2次微分信号S2を、飽和吸収線ではなく、ノイズが重畳された信号であると認定し、第2記憶部375Bに記憶された出力電圧Vの電圧値を消去させる。
なお、ノイズ識別手段371及び吸収線判定手段372による飽和吸収線判定処理としては、これに限定されず、上述したように、2次微分信号S2の出力波形に基づいたノイズ認定を行って、飽和吸収線を判定してもよい。
ここで、電圧値Vnewは、飽和吸収線が観測された際(最新で観測された際)の出力電圧Vの電圧値である。電圧値Voldは、直前に飽和吸収線が観測された際の出力電圧Vの電圧値である。
また、ΔV,ΔV´は、飽和吸収線群に属する隣接する飽和吸収線間の各出力電圧Vの差分値の最大値をVa(図4(B)参照)、隣接する飽和吸収線群間の各出力電圧Vの差分値の最小値をVb(図4(B)参照)及び最大値をVb´(図4(B))、各ピーク群間の各出力電圧Vの差分値の最小値をVc(図4(A))とした場合に、Va<ΔV<Vb、Vb´<ΔV´<Vcの関係を満たすように設定されている。
また、制御装置37は、電圧値Vnew,Voldの差分値とΔV´とを比較することで、現時点で観測された飽和吸収線が直前に観測された飽和吸収線と同一のピーク群に属するか否かを判別する。
なお、以降の説明において、上記のような、飽和吸収線がどの飽和吸収線群に属し、どのピーク群に属するかを判別する処理を、吸収線判別処理と称する。
そして、制御装置37は、出力電圧Vを最大電圧値から最小電圧値まで減少させた後、ピーク群M2を探索できたか否かを判定する(ステップST1C)。
ステップST1Cにおいて、制御装置37は、「No」と判定した場合には、エラー処理を実行する(ステップST1D)。
ここで、エラー処理としては、例えば、LED(Light Emitting Diode)等の点灯制御、あるいは、音声による報知制御により、エラーが生じた旨を作業者に知らせる処理が挙げられる。
ステップST1Eの後、制御装置37は、出力電圧Vを電圧値V0から徐々に増加させながら、ステップST1Bと同様に、ピーク群M2を再度、探索する(ステップST1F)。
そして、制御装置37は、出力電圧Vを増加させた結果、ピーク群M2を探索できたか否かを判定する(ステップST1G)。
ステップST1Gにおいて、制御装置37は、「No」と判定した場合には、ステップST1Dのエラー処理に移行する。
先ず、制御装置37は、ノイズ識別手段371及び吸収線判定手段372による飽和吸収線判定処理、及び吸収線判別処理を行いながら、最初に観測されるピーク群に属する飽和吸収線群として、当該飽和吸収線群が3回観測されるまで、出力電圧Vを減少させる。
なお、ステップST1Fにおいて、ピーク群M2を再度、探索した後の出力電圧Vは、飽和吸収線a15が観測される電圧値よりも若干、大きい電圧値V1(図4)である。このため、上記最初に観測されるピーク群は、ピーク群M2である。また、当該ピーク群M2に属する飽和吸収線群として、1回目に観測される飽和吸収線群は、飽和吸収線群N6であり、3回目に観測される飽和吸収線群は、飽和吸収線群N4である。
なお、上記飽和吸収線群N4に属する飽和吸収線は1つであるため、最初に観測される飽和吸収線が目標飽和吸収線となるが、複数の飽和吸収線を有する飽和吸収線群では、出力電圧Vが大きい方から数えて目標飽和吸収線を特定する。例えば、飽和吸収線群N2の飽和吸収線a4を目標飽和吸収線とする場合では、1回目に観測される飽和吸収線は、飽和吸収線a5であり、2回目に観測される飽和吸収線が飽和吸収線a4となる。
そして、制御装置37は、ステップST1Hにおける探索工程により飽和吸収線a10を探索できたか否かを判定する(ステップST1I)。
ステップST1Iにおいて、制御装置37は、「No」と判定した場合には、ステップST1Dのエラー処理に移行する。
ステップST1Jにおいて、「No」と判定された場合、ステップST1Dのエラー処理に移行する。
また、ステップST1Jにおいて、「Yes」と判定された場合、目標飽和吸収線a10が観測された際の出力電圧Vが、正常電圧範囲Rにおける上限値V_upper以下であるか否かを判定する(ステップST1K;電圧判定工程)。
すなわち、電圧判定手段373は、目標飽和吸収線a10が観測された際の出力電圧Vが、目標とする所望の発振周波数のレーザ光を出力させた際の出力電圧の理想範囲となる正常電圧範囲Rに含まれているか否かを判定するものである。
また、ステップST1Kにおいて、電圧判定手段373により「Yes」と判定された場合は、周波数固定手段374は、出力電圧Vを、当該飽和吸収線a10が観測された電圧値に固定する(ステップST1L;周波数固定工程)。
そして、ステップST1Lの処理により、レーザ光L2の発振周波数は、目標とする飽和吸収線a10に合致することとなる。
すなわち、ステップST1Mの処理では、制御装置37は、レーザ光L2の発振周波数が目標とする飽和吸収線a10に安定化しているか否かを監視している。
そして、制御装置37は、ステップST1Mにおいて、「No」と判定した場合には、ステップST1Dのエラー処理に移行する。
本実施形態では、制御装置37は、目標飽和吸収線が探索された後、その目標飽和吸収線が観測された際の出力電圧Vが、飽和吸収線毎に設定された正常電圧範囲R内であるか否かを判定し、正常電圧範囲R内である場合に、目標飽和吸収線が観測された際の出力電圧Vを固定することで、レーザ光の発振周波数を目標飽和吸収線に固定する。
これにより、出力されたレーザ光の発振周波数が所望のレーザ周波数に合致しているか否かをセルフチェックすることができ、レーザ光の発振波長を高精度に所望の目標周波数に合致させることができる。また、別途、基準レーザ光を出力する基準用レーザ光源装置等を用意する必要がなく、簡素な構成でかつ容易に、所望の発振周波数のレーザ光が出力されているかを判定することができる。
このため、アクチュエータ126の経時変化等によって共振器長変化が生じ、これによって、目標飽和吸収線が探索された際の出力電圧Vにバラつきが生じた場合でも、出力電圧Vが正常電圧範囲R外としてエラー処理されることがない。つまり、所望の発振周波数のレーザ光が出力されているにも関わらず、エラーとして処理される不都合を回避できる。
なお、本発明は、前記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。
前記実施形態において、ノイズ識別手段371は、2次微分信号S2の出力値と第1閾値との比較、及び光出力信号S1の出力値と第2閾値との比較を行ってノイズを識別する第1の識別方法、2次微分信号S2と第3、第4閾値との比較を行い、出力電圧Vが変化した際の2次微分信号S2の出力波形の挙動に基づいてノイズを判定する第2の識別方法、2次微分信号S2の出力値及び第5閾値の比較結果と、2次微分信号S2の出力値と、出力電圧Vの電圧値とを関連付けた情報に基づいて、2次微分信号S2の出力値が所定値となる出力電圧Vの各電圧値の差分値と、第6閾値と、を比較することでノイズを識別する第3の識別方法を示した。これに対して、これらのいずれか又は全部を組み合わせることでノイズを識別してもよい。
例えば、ピーク群M1〜M4同士の間では、第1の識別方法を用いて飽和吸収線であるか否かを判定し、同一のピーク群に属する飽和吸収線群同士の間や、同一の飽和吸収線群に属する飽和吸収線同士の間では第2の識別方法、或いは第3の識別方法にて飽和吸収線であるか否かを判定しても構わない。
25・・・ヨウ素セル(吸収セル)
27・・・光検出器(変換装置)
35・・・2次微分用ロックインアンプ(生成装置)
37・・・制御装置
126・・・アクチュエータ
371・・・ノイズ識別手段
372・・・吸収線判定手段
373・・・電圧判定手段
374・・・周波数固定手段
ST1H・・・探索工程
ST1J,ST1K・・・電圧判定工程
ST1L・・・周波数固定工程
Claims (3)
- レーザ光を吸収セルに照射して得られる光出力信号に含まれる飽和吸収線に基づき共振器長を変化させて前記レーザ光の発振周波数を特定の前記飽和吸収線に安定化させるレーザ周波数安定化装置であって、
前記吸収セルを介したレーザ光を前記光出力信号に変換する変換装置と、
印加される電圧に応じて前記共振器長を変化させるアクチュエータと、
前記アクチュエータに印加する前記電圧を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記光出力信号に基づいて、目標飽和吸収線を探索し、前記目標飽和吸収線が探索された際に前記アクチュエータに印加された前記電圧が、前記目標飽和吸収線に対応して予め設定された所定範囲内にある場合に、前記目標飽和吸収線に前記レーザ光の発振周波数を固定する
ことを特徴とするレーザ周波数安定化装置。 - 請求項1に記載のレーザ周波数安定化装置において、
前記所定範囲は、前記目標飽和吸収線に前記レーザ光の発振周波数を固定する際の前記電圧に対して、前記共振器長のバラつきに応じたマージンを含む範囲に設定されている
ことを特徴とするレーザ周波数安定化装置。 - レーザ光を吸収セルに照射して得られる光出力信号に含まれる飽和吸収線に基づき共振器長を変化させて前記レーザ光の発振周波数を特定の前記飽和吸収線に安定化させるレーザ周波数安定化装置におけるレーザ周波数安定化方法であって、
前記光出力信号に基づいて、目標飽和吸収線を探索する探索工程と、
前記目標飽和吸収線が探索された際に前記共振器長を変化させるアクチュエータに出力された電圧が、前記目標飽和吸収線に対応して予め設定された所定範囲内にあるか否かを判定する電圧判定工程と、
前記電圧が前記所定範囲内にあると判定された場合に、前記目標飽和吸収線に前記レーザ光の発振周波数を固定する周波数固定工程と、を含む
ことを特徴とするレーザ周波数安定化方法。
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