JPH01183873A - レーザ波長の安定化方法及び波長安定化レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、レーザ波長の安定化方法及び波長安定化レ
ーザ装置に関するものである。

〔従来の技術〕

第５　図ｔ’！　例、ｔハｆｉ　ｍ　ｒ　ＣＡＮ、Ｊ、
ＰｆｆｆＳ、　ＶＯＬ６３（’８５）２１４」に示され
た従来の狭帯域レーザを示す構成図である。図において
、ｆｉｌはレーザｖＥ、＊、ｔｚ＋は全反射鏡、（３）
は部分反射鏡、（４）は粗調エタロン、（５）は微調エ
タロン、（６）はレーザビームである。

次に動作について説明する。第５図において、通常、レ
ーザ媒質ｆｌ）は全反射鏡（２）と部分反射鏡（３）か
らなる光共振器に囲まれ光はこの光共振器を何。

度も往復する間に増幅され、レーザビーム（６）として
取り出される。ところで、レーザ発振器のうちのいくつ
かのもの、たとえば１士シマレーザや半導体レーザ、色
素レーザや一部の固体レーザは発振波長幅が広く、光共
振器内に分光素子を挿入することによシ発振波長幅を狭
くできる。たとえば、この例のように複数個の７アプリ
ペ０−エタロン（以下エタロンと略す）を用いれば限り
なく単色光に近いレーザビームを得ることもできる。

ここでは、持に粗調用エタロン（４）と微調用エタロン
（５）の２枚のエタＯ：／を光共振器内に挿入した場合
について述べる。第６図はレーザの発振幅が狭くなる原
理を示した図で、（、）は粗調用エタロンの分光特性を
示す。この分光特性のそれぞれの山のピークの位置λ山
１はｆｉｌ式 であられせる波長となる。ここで、ｎはエタロンを構成
する２枚の鏡面の間にある物質の屈折率、ｄは鏡面の間
の距離、ａｌは光がエタロンに入射するときの角度、ｍ
は整数である。いくつかあるピークはｍの違いに対応し
ている。この式から明らかなように、ｎ＋ｄやθを変え
ることによシ山のピーク波長を自由に変えることができ
る。一方、ピークとピークの間の距離は自由スペクトル
領域（以下ＦＳＲと１４す）と呼ばれ、（２）式で示さ
れる。また、それぞれのピークの半値幅Δλ１は（３）
式 で示される。ここでｆＶｉフィネスと呼び、エタロンの
性能によシ決まるものである。

一方、第６図（６）はレーザ媒質のゲインの分光特性を
示し念ものである。光共振器中に分光素子が存在しなけ
れば、このゲインが存在する範囲で光は増幅されレーザ
ビームとなる。その際、粗調用エタロンのピークの位置
λｍｌをゲインが存在する範囲のどこかの波長人。に等
しくなるよう、しかも、ゲインが存在する波長内にλｍ
ｌ以外の他のピークがこないようａｌ等を決定すれば、
粗調エタロンの存在によりλ。のところだけロスが少な
い状態が実現し、その波長附近でのみ光は増幅され発振
する。

ところで、ピークが１つだけになるようにするとＦＳＲ
ｌの最低値は決まり、また、フィネスｆはエタロンの性
能によシ決まり、せいぜい２０程度であるから、粗調用
エタロン１枚のみで狭くできる波長幅には限度がある。

そこで、もう１枚倣調用のエタロン（６）を用いること
になる。その分光特性は例えば、第６図（ｂ）のように
すればよい。その際ピーク波長λｍ２をλ０に等しくシ
、ＦＳＲ２はＦＳＲ２之Δλｌとなるようにすればよい
。

さらに狭くしたい時には、また−枚エタロンを用いれば
よい。

このようにして、もともと第６図（ｃ）のような分光特
性であったレーザビームｆｉ２枚のエタロンを用いるこ
とによ）、第６図（ｄ）に示すようにそれぞれのエタロ
ンのピークが重なるλＧを中心とした狭い範囲でのみ発
振することになる。実際には、発振中にエタロンを何度
も通るから、レーザビームさて、以上のようにして、レ
ーザビームの波長幅を狭くすることができるのであるが
、雑誌にも記されているように短期間の安定性について
は光共振器を改良したシ入射角θを小さくすることによ
シ改善されるが、長期的には熱的な問題、特にレーザビ
ームがエタロンを透過する時の発熱による波長シフトが
大きな問題である。

この問題を第７図を用いて説明する。

第７図（−）は粗調用エタロンの分光特性を拡大したも
のであり、実線で描いであるのは発振直後の分光特性で
ある。ところで、発振後、レーザビームによる発熱が生
じエタロンが変形する。この変形はエタロンの特性を劣
化させる程ではないが、エタロンの千ヤップ長を変え、
その結果波長をシフトさせる。そのシフト量とエタロン
の変形によるｄの変化との間には（４）式の関係がある
。

ここで、波長シフトの方向はエタロンの構造等によシ決
まり、特定のエタロンを用いればレーザビームによる発
熱によって、一方向にシフトする。

その時のシフトの様子を第７図（＆）の点線で示す。

一方、微調用エタロンもまた同様な波長シフトが生じて
いる。その様子は第７図（ｂ）のようになる。

ａ調エタロンの波長シフト量はエタロン間隔ｄ２が粗調
エタ０ンのｄｌより大きい分だけ小さくなる。

さて、その際の問題は２枚のエタロンの分光特性のピー
ク波長λｍｌとλｍ２がずれることである。

その時、両者を重ねた時の光透過量はλｍ１−λｍ２の
場合にくらべて減少する。その際のレーザ発振の様子を
第７図（６）に示す。長時間発振後、レーザ出力はλ０
からλｍ２に波長シフトするとともに出力が減少する。

またシフト量が大きい時は微調エタロンの他のモードの
発振も起こりつる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の狭帯域レーザ装置は以上のように構成されており
、エタロンの熱的な問題による波長シフトを補正する手
段を持たないばかりではなく、２枚のエタロンを用いた
時の出力減少を止める手段をも持たないため、熱的な変
形が小さい低出力レーザにしか適用できないという問題
があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
念もので、狭帯域化した際の波長の安定化が可能である
とともに出力の減少も抑えられるようにし念ものである
。

この発明に係るレーザ波長の安定化方法は、２枚のエタ
ロンにより波長選択されたレーザビームの解析結果をも
とに一枚のエタロンを制御することによって、レーザビ
ームの波長を安定化させるとともに、レーザ出力を測定
して時分割によシレーザ媒体に供給する印加電圧と他の
一枚のエタロンを制御することによってレーザ出力を安
定化させるようにしたものである。

〔課題を解決するための手段〕

また、この発明の別の発明に係る波長安定化レーザ装置
は、微調用エタロンと粗調用エタロンの２枚のエタロン
を備えることによシ波長を選択するとともに、このレー
ザ発振器から取り出され念レーザビームを波長モニタ機
構に導いて、発振波長を測定し、測定波長によシ微調用
エタロンを駆動し、波長を変化させるサーボ機構を備え
、さらに、レーザビームをパワーモニタ機構でレーザ出
力を測定し、レーザ媒体に供給する印加電圧制御と粗調
用エタロンの制御を時分割で行うことによシ、し、−ザ
出力が一定になるようにしたものである。

〔作用〕

この発明におけるレーザ波長の安定化方法及び波長安定
化レーザは波長のズレを測定して任意の波長に固定でき
るとともに、波長がずれた際に生ずる出力減少を抑える
ことができる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図及び第２図において、＋１１〜（６）は従来例と同様
のものである。（７）は波長モニタ機構、（８）は制御
機構、（９）はパワーモニタ機構、（１ｏｌ（１１）は
エタロンを制御するためのサーボ機構、（１２）はイン
テグし一タ、０講はファプリペＤ−エタＯン、０荀は結
像レンズ、Ｏ均はファづリペ０−エタＯ：／（１′４に
よシ生じ穴子渉縞を観測するための撮像素子であり、例
えば−次元のイメージｔ！ンサである。囮は干渉縞を解
析するための画像処理部、α乃は時分割制御手段である
。

次に動作について説明する。従来例と同様に２枚のエタ
ロン＋４）ｆ５１を光共振器内に挿入することにより発
振波長幅が狭く、かつゲインが存在する範囲の任意の波
長式０のレーザビーム（６）を得ることができる。しか
し、それだけではすでに述べ九ように波長も出力も不安
定であるから、以下に述べるようなエタロンの制御機構
が必要となる。

まず、微調用エタロンの制御機構から説明する。

第２図において、レーザビーム（６）の一部を波長モニ
タ機構（７）に導く。波長モニタ（褐構（７）は例えば
雑誌ｒＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅ
１＠ｏＬｒｏｎｉｏｓ　ＱＥ−１４（’７８）　１７Ｊ
にあるようにエタロンを用いたシ、プリズム、グレーテ
インジフイ・ノーの干渉計等を用いて分光する機能を持
てばよいが、本実施例では第２図に示し念ようにエタロ
ンと撮像素子を用いた場合について説明する。

波長モニタ機構（７）はレーザビームを弱めたシ、拡散
させたりするイシテジレータ０＠とエタロンＯ萄とレン
ズリ荀とからなっている。インデジレータ０匂によシ生
じた発成成分のうち特定の入射角度θを持つ成分のみが
エタロンを透過し結像レンズ０褐にい念る。レンズの焦
点距離をｆとすれば、θの成分を持つ光は焦点位置にお
いてしンズの軸よりｒθ屋れたところに集まシ、円形の
干渉縞を形成する。そこで、撮像素子（１０によシ光の
集まる位置を観測すればθがもとまシ、先に示したエタ
ロンの透過波長の式よりλが計算できるというわけであ
る。

ところで、撮像素子上の光の強度分布は第３図のように
なっている。縦軸は出力、横ＩＩＩＩＩＩは干渉縞の中
心からの距Ｉ４ｘを示す。冬山はエタロンの次数ｍの違
いに対応している。そして、冬山の間隔は自由スペクト
ル領域と呼ばれ、この範囲で波長を一意的に決めること
ができる。しかも自由スペクトル領域はＦＰの設計によ
り決めることができるので波長シフトが予想される値よ
りも広めに設計しておく。

また、冬山はレーザじ一ムの波長分布に対応した光強度
分布を持つからこれを処理して、θを出すために画像処
理部−が必要となる。さらにここでは現在の波長λを計
算し、サーボ機構（１０１を通じて発振器の波長の調整
を行なう。

第４図ＧＡ）は、この発明の一実施例によるレーザ波長
の安定化方法の概略を示すフロチセート図であり、レー
ザビームの空間的な光強度分布が最大になる位置を求め
て、発振波長の制御を行なう例を示す。

ステップ霞でエフ０ンα萄・こよシレーザピームを分光
し、ステップ（ｌ勢で撮像素子Ｈによシー次元の光強度
分布を測定する。ステップ園ではこの測定データを平滑
化してノイズをとる等の画像処理をし、ステップＱυで
最大強度を示す位置Ｘを求め、次にステップ乃でｚｏ（
指定波長に対応する指定された位置座標）と比較し、異
なる時は！＞！Ｏかｘ〈ｘｏによりサーボ機構−を通じ
て微調エタロン（５）を制御してエタロンの透過域の中
心波長λｍ２を変化させ（ステップ乃）、再びステップ
寓にもど！＋　１　＝ＩＯとなるまでこの動作をくシ返
す。以上のようにして微調用エタロンを調整することに
よりレーザの発振波長は一定に釆たれる。

次に、粗調用エタロ：／　ｆｉｌの制御機構について説
明する。第１図において、レーザビーム（６）の一部は
パワーモニタ機構（９）に導かれている。パワーモニタ
機構（９）はレーザ出力を測定する部分と得られ之レー
ザ出力を記録する部分からできており、このレーザ出力
値を時分割制御手段すηで取り込み、現在レーザ媒質ｆ
１＋に供給している印加電圧値から、印加電圧と粗調エ
タロンのどちらを制御するか判断し、印加電圧制御と粗
調エタロン制御を時分割で制御することにより、レーザ
出力が一定になるように調整を行う。

第４図（Ｂ）は、この発明の一実施例によるレーザ出力
安定化制御方法の概略を示すフローチャート図である。

まず、ステップ（至）でパワーモニタ機構（９）により
レーザ出力を測定し、この測定データをステップ四で時
分割制御手段（１７）によりＮ回の平均値処理して、現
在のレーザ出力値ＰＮを求める。次にステップ（支）で
指定されたレーザ出力ｆｌＰｏ（外部から設定可能な値
）との差の絶対値１ΔＰ１を求め、このＩΔＰ１値と指
定されたレーザ出力のバラッ牛許容値ＰＡ　（外部から
設定可能な値）をステップ（２）で比較し、１ΔＰＩ＞
ＰＡの場合、ステップ・層で現在の印加電圧の値から印
加電圧を制御するか、粗調エタロン（４）を制御するか
を判定する。まず印加電圧を制御する場合は、ステップ
（支）で１ΔＰ１より印加電圧の制御量を求め、次にス
テップＣ０でΔｐ＝ｐ、−ｐｏの極性により印加電圧を
増加又は減少のどちらに制御するかを決定する。この結
果に従ってステップ口υでレーザ出力が一定になるよう
に印加電圧を制御する。又、粗調エタロン（４）を制御
する場合は、ステップい匂で１ΔＰ１の値から粗調エタ
ロン（４）の制御量を求め、次にステップ關でΔＰ＝＝
ＰＮ−Ｐｏの極性により粗調エタロン（４）をどちらの
方向に制御するかを決定し、ステップ（財）でサーボ機
構（川を用いてレーザ出力が一定になるように粗調エタ
ロン（４）を調整する。なお１Δｐ（＜ｐ人の場合は現
犬のまま発振を継続する。この作業をレーザが発振中継
続することによシレーザ出力が一定になるように制御す
ることができる。

ところで、２つのエタロン＋４１＋５１の制御は同時に
行なってもよいが、たとえば、微調エタロン（６）の中
心波長を動かしすぎたためにレーザ出力が変動すること
もあり、無秩序に制御を行なうと出力の変動がかえって
助長されることもありうる。そこで、開制御を監視する
念めに、制御機構（８）を設け、第４図のフローチャー
トの一番最初の部分（６）（Ｂ）制御の選択を行なわせ
る。本実施例ではレーザ発振の開始直後は（Ｂ）を優先
し、動作がある程度安定してからは■の制御を優先させ
ている。

なお、上記実施例では波長でニタ機構（７）とパワーで
ニタ機構（９）を別に設は念が、そもそも波長モニタ機
構の画像処理部では第３図のような光強度分布が得られ
ておシ、制御をかけずに長時間動作させると破線で示し
念ように、波長シフトと出力変化が生じる。そこで、画
像処理部にあられれ念ピークの強度変化を測定すれば、
パワーモニタ機構を設けたのと同等の効果がある。

また、上記実施例では波長モニタ機構としてエタロンを
用いたが、フイリーの干渉計や、クレーテインタやプリ
ズム等の分光素子であればよく、分光され九光強度分布
を測定することにより、上記実施例と同様の効果を奏す
る。

ま之、上記実施例では波長モニタ機構として分光され之
レーザ光の光強度分布を画像処理して波長ズレを求め倣
調用エタｏ：／’に駆動する方法を示したが、光強度分
布を画像処理しなくとも波長上、二夕できる方法であれ
ば同様の効果を奏することはぎうまでもない。光強度分
布を画像処理しない方法として、例えば第３図の工＝句
に光ｔシサーを配置して波長七二り機構とし、徽調用エ
タ０ンを最適状態から前後に変化させて、その時のＸ：
＝：ｘｏにおける光強度の変化具合から微調用エタロン
の最適状態の方向を予測してｆｊ＆調用エタロンの制御
をかけるという方法もある。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、一方のエタロンは１
ノ−ザピームの分光結果をもとに制御することにより波
長の安定化ができるとともに、レーザ出力をもとにレー
ザ媒体に供給する印加電圧と他方のエタロンを時分割で
制御することによシ、レーザ出力の安定化ができるため
、波長及びレーザ出力の安定し九レーザビームが得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による波長安定化レーザを
示す構成図、第２図はこの発明における波長モニタ機構
を示す構成図、第３図は波長モニタ部の撮像素子上での
干渉縞の強度分布を示す分布図、第４図はこの発明の一
実施例によるレーザ波長の安定化方法の慨略を示すフロ
ーチャート図、第５図は従来の狭帯域化レーザを示す構
成図、第６図は２枚のエタロンによる波長の決定方法を
説明するための説明図、第７図は２枚のエタロンの波長
シフトの違いにより出力変化が生ずることを説明した説
明図である。 図において、（ｌ）はレーザ媒質、（４）は粗調エタロ
ン、（５）Ｖｉ倣調エタロン、（７）は波長モニタ機構
、（８）は制御機構、（９）はパワーモニタ機構、ｔ＋
ｏｌ　（ｎｌはサーボ機構、ＣＩ？）は時分割制御手段
である。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１のフアブリペローエタロン及び第２のフアブ
   リペローエタロンを用いて発振波長が可変なレーザ発振
   器から放射されたレーザビームの一部を取り出して波長
   モニタ機構で分光し、発振波長を決定する過程、上記発
   振波長により、上記第１のフアブリペローエタロンを制
   御して上記レーザ発振器の波長を安定化する過程、上記
   レーザビームの一部を取り出してパワーモニタ機構でレ
   ーザ出力を測定して、レーザ出力が一定になるようにレ
   ーザ媒質に供給する印加電圧の制御と上記第２のファブ
   リペローエタロンの制御を時分割で行うことにより上記
   レーザ発振器の出力を安定化する過程とを備えたレーザ
   波長の安定化方法。
2. （２）光共振器内にレーザ発振波長を選択するための微
   調用の第１のファブリーペローエタロンと粗調用の第２
   のフアブリーペローエタロンを有する波長が可変なレー
   ザ発振器と、このレーザ発振器から取り出されたレーザ
   ビームの波長をモニタする波長モニタ機構と、この波長
   モニタ機構からの信号をもとに上記第１のフアブリーペ
   ローエタロンを制御する第１のサーボ機構と、上記レー
   ザビームの出力をモニタするパワーモニタ機構と、この
   パワーモニタ機構からの信号をもとに、上記レーザ発振
   器のレーザ媒質に供給する印加電圧の制御と上記第２の
   フアブリーペローエタロンの制御信号の出力とを時分割
   で行なう時分割制御手段と、この時分割制御手段からの
   制御信号によつて上記第２のフアブリーペローエタロン
   を制御する第２のサーボ機構とを備えた波長安定化レー
   ザ装置。