JP6770971B2 - レーザー光源の周波数の変調を測定する方法、システムおよびコンピュータプログラム、ならびにライダーのレーザー光源の周波数を較正する方法 - Google Patents
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Description
−レーザー光源1と、デジタル設定点を格納する装置111および当該デジタル設定点をアナログ信号f0(t)に変換する変換器112を備えていて、周波数設定点f0(t)に対応する変調電圧のコントローラ11と、
−発光された光の一部を干渉計2へ送信すべくサンプリングするカプラー12と、
−一方のアームに遅延線21、他方のアームに自身がRF発生器221に関連付けられた音響光学変調器(または「AOM」)22を有する2アームMach−Zehnder干渉計2と、2個のカプラーの一方23が好適には2個の等しい部分への分割を可能にし、他方24が当該2本のアームを通過した光の再結合を可能にする2個のカプラーと、
−干渉計により生じたビートの光度信号をアナログ電気信号に変換可能なフォトダイオード3と、
−当該アナログ信号をデジタル信号に変換する変換器41、発生器221に直列接続されていて当該発生器のアナログ信号をデジタル信号に変換する変換器42、および変換器41、42により生じたデジタル信号を所定の時点で格納する装置43を含み、フォトダイオード3により伝達された信号を測定する装置4と、
−格納された信号を処理して、設定電圧をコントローラ11に送信する装置5と、
−格納装置43、音響光学変調器22(変換器42および発生器221を介して)、および電圧コントローラ11の間の同期装置6とを含んでいる。
x(t)∝cos(φ(t)−φ(t−τ)+2πfmaot)
ここにφ(t)はレーザー光源の位相、fmaoは音響光学変調器の周波数、およびτは光ファイバにより誘導されてMach−Zehnder干渉計2の2本のアーム間の経路差に対応する遅延である。位相差φ(t)−φ(t−τ)は以下の関係に従うレーザーの周波数f(t)の特徴を表す。
x(t)・exp(−2iπfmaot)
次いで、fmaoよりも低いカットオフ周波数の低域フィルタを適用するために、z(t)が次式のように得られる。
z(t)∝exp(iφ(t)−iφ(t−τ))
−レーザー光源1と、デジタル設定点を格納する装置111および当該デジタル設定点をアナログ信号f0(t)に変換する変換器112を備えていて、周波数設定点f0(t)に対応する変調電圧のコントローラ11と、
−発光された光の一部を干渉計2へ送信すべくサンプリングするカプラー12と、
−Fabry−Perot共鳴器2と、
−共鳴器2により生じた光度信号をアナログ電気信号に変換可能なフォトダイオード3と、
−当該アナログ信号をデジタル信号に変換する変換器41、および変換器41により生じたデジタル信号を所定の時点で格納する装置43を含み、フォトダイオード3により伝達された信号を測定する装置4と、
−格納された信号を処理して、設定電圧をコントローラ11に送信する装置5と、
−格納装置43と電圧コントローラ11との間の同期装置6とを含んでいる。
x(t)=A・F(f(t))
ここにAは注入電力に依存する比例定数、Fはレーザーの周波数f(t)=fmoy+Δf(t)の可能な変化範囲にわたる単調(従って可逆)な関数である。例えば、短遅延干渉計の場合、電力が完全に釣り合っていれば次式が得られる。
x(t)∝cos(φ(t)−φ(t−τ))+1≒cos(2πτf(t))+1
当該関数が可逆であるための必要条件は、τが充分小さいこと、すなわち|2πΔf(t)τ|<πである。
−レーザー光源1と、デジタル設定点を格納する装置111および当該デジタル設定点をアナログ信号f0(t)に変換する変換器112を備えていて、周波数設定点f0(t)に対応する変調電圧のコントローラ11と、
−発光された光の一部を干渉計2へ送信すべくサンプリングするカプラー12と、
−カプラー12が受光した光を好適には2個の等しい部分に分割するカプラー23を有し、一方のアームに遅延線21を有し、他方のアームにおいて光信号がカプラー25により、
・位相成分(当該位相成分は次いでカプラー241を用いて他方のアームを通過した光と再結合される)と、
・直交成分(四分の一波表板等の素子22を用いて得られ、次いでカプラー242を用いて他方のアームを通過した光と再結合される)とに分割される2アームMach−Zehnder干渉計2と、
−干渉計により生じた遅延信号と位相成分との間のビートの光度信号を第1のアナログ電気信号に変換可能な第1のフォトダイオード31と、
−干渉計により生じた遅延信号と直交成分との間のビートの光度信号を第2のアナログ電気信号に変換可能な第2のフォトダイオード32と、
−第1のダイオード31に接続された変換器41、第2のダイオード32に接続された変換器42、および変換器41、42により生じたデジタル信号を所定の時点で格納する装置43を含み、フォトダイオード31、32により伝達された信号を測定する装置4と、
−格納された信号を処理して、設定電圧をコントローラ11に送信する装置5と、
−格納装置43と電圧コントローラ11との間の同期装置6とを含んでいる。
−変調信号は周期的であり、
−ビート測定値は、一周波数の変調周期(典型的に数百μ秒)のスケールではほとんど変化しないが、測定の反復周期(数秒)のスケールではかなり変化する干渉計のアーム間で位相差に基づく別々の干渉条件下で異なる変調周期にわたり得られる。これにより、干渉信号の位相成分および直交成分を実質的に生成することができる。次いでレーザーの周波数変調がそこから導かれる。
−変調コントローラにより、レーザー光源を周期Tにわたり変調するステップと、
−所与の周期Tにおいて、レーザー光源の下流に位置していて2本のアーム間に遅延τを生じさせることが可能な干渉計の2本のアーム間でビート光度の測定を複数回実行し、変調の制御により当該測定を同期化するステップと、
−測定値から周波数f(t)を計算するステップとを含んでいる。
−各周期T中、f(t)は変化するが遅延τは一定であるとみなされ、
−遅延τは複数の周期Tにわたり時間の関数として変化し(実際には、τはλ/cに関して典型的には10%λ/cを上回る程度に顕著に変化するが、典型的には1%未満のように相対的には殆ど変化せず、cは光速度である)、
−所与の周期の時点tiで実行される測定は時点ti+kTで反復され(k≧1)、遅延τは実行される都度変化することを特徴とする。
−周期毎に均一な反復的測定値をベクトルx(t)の式(0≦t≦T)で編成するステップと、
−当該ベクトルx(t)が表す楕円柱の軸w0を計算するステップと、
−f(t)の関数である角度によりパラメータ化されている射影により、軸w0に沿って所定の平面上へ射影するステップとを含んでいる。実際には、当該関数を1次展開し、次いでf(t)に比例する角度で射影をパラメータ化することが有利である。
−レーザー光源の周波数を所定の周期的な制御電圧U(t)により変調するステップと、
−f(t)とU(t)との間の線形変換、例えばFTMと称する周波数変調の伝達関数の測定により得られる変換を設定するステップと、
−f0(t)および前記線形変換から第1の制御電圧U1(t)を計算するステップと、
−i=1から始めて、
・上述のようにレーザー光源の周波数fi(t)を測定するステップと、
・誤差Δfi(t)=fi(t)−f0(t)を計算し、Δfi(t)と前記線形変換から修正制御電圧を計算するステップと、
・前段の制御電圧Ui(t)および修正制御電圧から新たな制御電圧Ui+1(t)を設定するステップと
・i=i+1とするステップを反復するステップとを含んでいる。
−変調コントローラに関連付けられたレーザー光源と、
−一方のアームに遅延線を有する2アーム干渉計と、
−当該干渉計により生じたビート信号を測定する装置と、
−測定された信号を処理する装置と、
−変調コントローラおよび処理ユニットに接続された同期装置とを含み、
当該処理装置が上述の方法の実装に適していることを特徴とする。
−レーザー光源1と、デジタル設定点を格納する装置111および当該デジタル設定点をアナログ信号f0(t)に変換する変換器112を備えていて、周波数設定点f0(t)に対応する変調電圧のコントローラ11と、
−発光された光の一部を干渉計2へ送信すべくサンプリングするカプラー12と、
−一方のアームに遅延線21を有する2アームMach−Zehnder干渉計2と、2個のカプラーの一方23が好適には2個の等しい部分への分割を可能にし、他方24が当該2本のアームを通過した光の再結合を可能にする2個のカプラーと、
−干渉計2により生じた光度信号をアナログ電気信号に変換可能なフォトダイオード3と、
−当該アナログ信号をデジタル信号に変換する変換器41、および変換器41により生じたデジタル信号を所定の時点で格納する装置43を含み、ダイオード3により伝達された信号を測定する装置4と、
−格納された信号を処理して、設定電圧をコントローラ11に送信する装置5と、
−格納装置43と、同じく処理装置に接続された電圧コントローラ11との間の同期装置6とを含んでいる。
−レーザー光源1と、デジタル設定点を格納する装置111および当該デジタル設定点をアナログ信号f0(t)に変換する変換器112を備えていて、周波数設定点f0(t)に対応する変調電圧のコントローラ11と、
−発光された光の一部を干渉計2へ送信すべくサンプリングするカプラー12と、
−各アームの終端にミラー26、例えばファラデーミラーを有し、一方のアームに遅延線21を有する2アームMichelson干渉計2と、
・カプラー12からの光が入射した際に好適には2個の等しい部分への分割を可能にし、
・両方のアームを通過した光が出射する際に再結合可能にするカプラー23と、
−干渉計2により生じた光度信号をアナログ電気信号に変換可能なフォトダイオード3と、
−当該アナログ信号をデジタル信号に変換する変換器41、および変換器41により生じたデジタル信号を所定の時点で格納する装置43を含み、ダイオード3により伝達される信号を測定する装置4と、
−格納された信号を処理して、設定電圧をコントローラ11に送信する装置5と、
−格納装置43と、同じく処理装置に接続された電圧コントローラ11との間の同期装置6とを含んでいる。
x(t)=cos(φ(t)−φ(t−τ)+ψ(t,τ))
ここに時点tにおけるレーザーの位相は、
φ(t)+ψ(t)
と書かれ、式φ(t)は周波数変調に関連付けられた位相の変化を表し、ψ(t)は平均周波数、および寄生位相変動(例えば位相ノイズから生じる)に関連付けられた全ての項を含んでいる。ψ(t,τ)は、干渉計2のアーム間の光路の変化に依存するが、周波数変調の周期のスケールでは殆ど変動しない位相である。実際には、τはλ/c(典型的にはΔτ>10%λ/c、ここにcは光速度、λは光源の波長)に関して顕著に変化するが、ほとんど相対的に変化しない(典型的には1%未満、すなわち(Δτ/τ)<0.01、但しΔτは複数の周期Tにわたるτの変化)。
−f(t)は変化するがψ(t,τ)は一定である短い時間スケール、すなわち典型的には数μ秒、
−ψ(t,τ)が変化した長い時間スケール、すなわち典型的に数秒〜数分)
を用いて周波数f(t)を測定する。
xi(t)=x(t−kiT) ここに1≦i≦m,ki∈N,0≦t<T
ψ(t−kiT,τ)≒cste=ψi 但し0<t<T
であるように、熱および経時効果は充分に小さい、またはより一般に干渉条件が充分安定していると仮定する。
xi(t)=cos(2πτf(t−kiT)+ψi))=cos(2πτf(t)+ψi)
且つ時間依存ベクトルx(t)=(x1(t),...,xm(t))Tを考えることができ、
指数の記号Tは転置行列を意味する。
x(t)=(x1(t),x2(t))T=(cos(2πτf(t)+ψ1),cos(2πτf(t)+ψ2))T
は、図3aに示すようにψ1≠ψ2ならば楕円を表す。
ψ2−ψ1
により特徴付けられる楕円を表すが、ψ1およびψ2の楕円を導ける直接的な幾何学構造は存在しない。二次元において、楕円の全ての点からαを決定する一つの方式は、αの自然な定義(すなわち角度)に戻るべく楕円を円に変換するものである。これを行うため、以下の操作を行うことができる。
−楕円の偏心を決定する。これを行うため、楕円の軸が常に±45°であることを考慮して、軸(1,1)および(1,−1)上の点x(すなわち楕円)の経路の射影の最大値を決定することが必要である。(1,1)上での最大値をM1と表記し、(1,−1)上の最大値をM−1と表記する。
−パラメータ1/M1の軸(1,1)、およびパラメータ1/M−1を有する軸(1,−1)の拡張を実行する(例えば、−45度の回転、続いてパラメータ1/M1を有する横座標の軸およびパラメータ1/M−1を有する縦座標の軸の拡張、続いて+45度の回転を実行することにより)。
Γvi=λivi
λ1≧λ2≧...≧λm≧0: 固有値
(v1、v2、...、vm):
α(t)≒2πτf(t)
が成り立ち、従って、図4bに示すように時間経過に伴う周波数が導かれる。
−定数
−正弦
−放物線
−三角形
である部分を含む所与の複素周波数f(t)を適用することにより様々な周波数f(t)を同時に評価することができる。
−周波数設定点から、レーザーダイオードに印加する第1の電圧を、当該設定点の線形変換を用いて、例えば以下のような変調伝達関数を用いて計算し、
U1(t)=TF−1{TF{f0(t)}ν×FTM−1(ν)}
−上述の方法を用いて発光周波数f1(t)を測定し、
−前段の測定値から、設定点に関する周波数の誤差Δfi(t)=fi(t)−f0(t)を導き、
−当該誤差により、Δfi(t)および上述の関数(例えばFTM)から定まる制御電圧の修正が可能であり、
Ui+1(t)−Ui(t)−TF−1{TF{Δfi(t)}ν×FTM−1(ν)}
−本システムは、必要な制御電圧、従って発光周波数を改良すべく上述の3ステップを反復する。
Claims (13)
- レーザー光源(1)の周波数f(t)の変調を測定する方法であって、
−変調コントローラ(11)により、前記レーザー光源を周期Tにわたり変調するステップと、
−所与の周期Tにおいて、前記レーザー光源の下流に位置していて2本のアーム間に遅延τを生じさせることが可能な干渉計(2)の2本のアーム間でビート光度の測定を複数回実行し、変調の制御により前記測定を同期化するステップと、
−前記測定値から前記周波数f(t)を計算するステップとを含んでいて、
−各周期T中、前記周波数f(t)は変化し、
−複数の周期Tにわたり、前記遅延τが時間の関数としてΔτ>10%λ/cおよびΔτ/τ<0.01λ/cだけ変化し、ここにcは光速度、λは光源の波長であり、
−前記測定が所与の周期の時点tiで実行されて、時点ti+kTで反復され(k≧1)、遅延τは実行される都度変化し、
−前記周波数f(t)の変調が、前記遅延τの変化に起因して異なる干渉条件下で得られた反復測定値の全てから計算されることを特徴とする方法。 - 前記周波数f(t)の変調が、複数の測定値を用いて共分散行列から計算されることを特徴とする、請求項1に記載のレーザー光源の周波数f(t)の変調を測定する方法。
- 前記遅延τの時間の関数としての変化が圧電装置により誘導されることを特徴とする、請求項1または2に記載のレーザー光源の周波数f(t)の変調を測定する方法。
- 前記計算が、
−周期毎に均一な反復的測定値をベクトルx(t)形式(0≦t≦T)で編成するステップと、
−当該ベクトルx(t)が表す楕円柱の軸w0を計算するステップと、
−前記周波数f(t)の関数である角度によりパラメータ化されている射影により、前記軸w0に沿って所定の平面上へ射影するステップとを含んでいることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載のレーザー光源の周波数f(t)の変調を測定する方法。 - 前記角度の、前記周波数f(t)の関数が1次展開され、前記角度が前記周波数f(t)に比例することを特徴とする、請求項4に記載のレーザー光源の周波数f(t)の変調を測定する方法。
- 前記周期Tが概ね数μ秒であり、前記遅延が数秒〜数分の持続期間にわたり変化することを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載のレーザー光源の周波数f(t)の変調を測定する方法。
- ライダーのレーザー光源(1)の周波数f(t)を設定点f0(t)に較正する方法であって、
−前記レーザー光源(1)の周波数f(t)を所定の周期的な制御電圧U(t)により変調するステップと、
−前記周波数f(t)とU(t)との間の線形変換を設定するステップと、
−f0(t)および前記線形変換から第1の制御電圧U1(t)を計算するステップと、
−i=1から始めて、
・請求項1〜5のいずれか1項に記載のレーザー光源の周波数fi(t)を測定するステップと、
・誤差Δfi(t)=fi(t)−f0(t)を計算し、Δfi(t)と前記線形変換から修正制御電圧を計算するステップと、
・前段の制御電圧Ui(t)および前記修正制御電圧から新たな制御電圧Ui+1(t)を設定するステップと
・i=i+1とするステップを反復するステップとを含む方法。 - 前記周波数f(t)とU(t)との間の前記線形変換が、FTMと称する周波数変調の伝達関数の測定により得られることを特徴とする、請求項7に記載の較正方法。
- 反復回数が10より少ないことを特徴とする、請求項7または8のいずれか1項に記載の較正方法。
- コンピュータプログラムであって、前記コンピュータプログラムがコンピュータ上で実行された際に請求項1〜9のいずれか1項に記載の方法のステップを実行可能にするコード命令を含んでいるコンピュータプログラム。
- レーザー光源の周波数f(t)の変調を測定するシステムであって、
−変調コントローラ(11)に関連付けられたレーザー光源(1)と、
−一方のアームに遅延線(21)を有する2アーム干渉計(2)と、
−前記2アーム干渉計(2)により生じたビート信号を測定する装置(4)と、
−測定された信号を処理する装置(5)と、
−前記変調コントローラ(11)および前記測定された信号を処理する装置(5)に接続された同期装置(6)とを含み、
前記測定された信号を処理する装置(5)が請求項1〜9のいずれか1項に記載の方法を実現するように構成されていることを特徴とするシステム。 - 前記2アーム干渉計(2)がMach−ZehnderまたはMichelson型であることを特徴とする、請求項11に記載の周波数f(t)の変調を測定するシステム。
- 前記2アーム干渉計(2)が音響光変調器を一切含んでいないことを特徴とする、請求項11または12に記載の周波数f(t)の変調を測定するシステム。
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