JPH01184889A

JPH01184889A - レーザ波長の安定化方法及び波長安定化レーザ装置

Info

Publication number: JPH01184889A
Application number: JP63006126A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Yasuda; 憲一安田; Hajime Nakatani; 元中谷; Hiromi Kaneko; 金子　弘美
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1988-01-13
Filing date: 1988-01-13
Publication date: 1989-07-24

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図は例えが雑誌ｒｃＡＮ、Ｊ、ＰＨＹｓ、ＶＯＬ６
３（’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、（１）はレーザ媒質、（２）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（１」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
、たとえばエキ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り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ファブリペローエ
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−を得ることもできる。

ここでは、特に粗調用エタロン（４］と微調用エタロン
（６）の２枚のエタロン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、（ａ）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λｍ
１は（１）式で表わせる波長となる。

２ｎｌｄｌｃｏｓｏ監 λｍ１■□　　　　　　・・・（１）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、θ１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。（１）式から明ら
かなように、ｎやｄやθを変えることにより山のピーク
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と略す
）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６人、は
（３）式％式％（３）で示される。ここでｙはフィネスと呼び、エタロンの性
能により決まるものである。

一方、第６図（Ｃ）はレーザ媒質のゲインの分光特性を
示したものである。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
λｍ、をゲインが存在する範囲のどこかの波長λ。に等
しくなるよう、しかも、ゲインが存在する波長内にλｍ
８以外の他のピークがこないようｄｌ等を決定すれば、
粗調エタロンノ存在により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
，の最低値は決まり、また、フイネスブはエタロンの性
能により決まり、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−枚微調用のエタロン（５）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λ町をλＧに等しくり、、
ＦＳＲ，はＦＳＲ，≧Δλ、となるようにすればよい。

さらに狭（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は２枚のエタロンを用いること
により、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λ０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、レーザビームの線幅は２枚のエタロンにより
決まる波長幅の７〜−となる。

Ｏ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り入
射角θを小さくすることにより改善されるが、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（ａ）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、エタロンのギャップ長を変え、
その結果波長をシフトさせる。こ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
。

λｍ Δ人−□Δｄ　　　　　　　　　　・・・（４］ここで
、波長シフトの方向はエタロンの構造等により決まり、
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（ａ）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（ｆｉ）のようになる。

微調エタロンの波長シフト量はエタロン間隔ｄ８が粗調
エタロンの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λｍ１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Ａｍｌ”Ａｍｌ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（ｃ）に示す。長時間発振後、レーザ出力はλ０
からＡｍｌに波長シフトするとともに出力が減少する。

またシフト量も大きい時は微調エタロンの他のモードの
発振も起こりうる。

〔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
６５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
たもので、狭帯域化した際の波長の安定化が可能でおる
とともに出力の減少も抑えられるようにしたものである
。

〔課題を解決するための手段〕

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一部を分光し
、分光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、レーザ媒質に印加する電圧を測
定して電圧変化を解析し、もう−枚のエタロンを制御す
ることにより、レーザ出力の減少をも抑えるようにした
ものである。

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
を備えることにより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たレーザビームの一部を波長モ
ニタ機構に導いて、発振波長を測定し、第１のサーボ機
構により微調用エタロンを駆動して波長を変化させ、レ
ーザ媒体へ供給する印加電圧を測定し、測定した印加電
圧の変化をもとに粗調用エタロンを制御するサーボ機構
を備えたものである。

〔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、（１）〜（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）は印加電圧発生機構、αｏ（ｔｎはエタロ
ンを制御するだめのサーボ機構、口はインテグレータ、
口はファブリペローエタロン、Ｑ４は結像レンズ、（至
）はファブリペローエタロン側により生じた干渉縞を観
測するための撮像素子であり１例えば−次元のイメージ
センサである。ａθは干渉縞を解析するための画像処理
部である。

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）　（５）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λ０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た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７：ｆ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。波長モニタ機構（７）は例えば雑
誌「ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌ
ｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ＱＥ−１４（’７８）　１７　Ｊ
にあるようにエタロンを用いたり、プリズム、グレーテ
ィングフィゾ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図に示したようにエタロン
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り、拡散
させたりするインテグレータ四とエタロン時とレンズα
４とからなっている。インテグレータ四により生じた発
散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α４にいたる。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レ
ンズの軸よりｆθ離れたところに集まり、円形の干渉縞
を形成する。そこで、撮像素子αＧにより光の集まる位
置を観測すればθがもとまり、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、横軸は干渉縞の中心からの距
離Ｘを示す。冬山はエタロンの次波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、冬山はレーザビー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Ｑ・が必要となる。さらにここでは曳在の波長λを
計算し、サーボ機ｌｉｔ　ＱＯを通じて発振器の波長の
調整を行なう。

第４図（８）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ャート図であり、レー
ザビームの窒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Ｏηでエタロン酸によりレーザビームを分光し
、ステップ側で撮像素子αＱにより一次元の光強度分布
を測定する。ステップＱｌではこの測定データを平滑化
し、ノイズをとる等の画像処理をし、ステップ（ホ）で
最大強度を示す位置Ｘを求め、次にステップ（至）で得
られる値ｘｏ（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ｘ　＞　ＸＯかｘ　＜　ＫＯに
よりサーボ機構ＱＧ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λ町を変化させ（ステ
ップ＠］、再びステップσηにもどりＸ　”　ＸＱとな
るまでこの動作をくり返す。

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保たれる。

次に、粗調用エタロン（４）の制御機構について説明す
る。第１図において、印加電圧発生機構（９）でレーザ
媒体（１）に供給する印加電圧を分圧した電圧を制御機
構（８）で測定・記録し粗調用エタロン（４）をどちら
かの方向に制御した時、レーザ出力が増加するか、減少
するかを判断し、次に粗調エタロン（４）をいかに調整
するかを決定する。この決定に従って、サーボ機構叩に
より粗調エタロン（４）の中心波長λｍ雪を調整する。

この−整のフローチャートを第４図の）に示す。レーザ
発振が始まると第７図で示したことが生じ、レーザ出力
が変化する。そこで、ステップ■で出力Ｖを測定し、そ
の結果を記録しておき、ステップ（至）において前回の
測定結果Ｖ。と比較でる。出力が異なる時はＶ　＞　Ｖ
ｏか■くｖｏによりサーボ機構αυを用いて粗調用エタ
ロン（４）を調整する。この作業は粗調用エタロン（４
）が熱平衡に達し、レーザ出力が一定になるまで続けら
れる。

ところで、２つのエタロン（４）　、　（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（５
）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、両測部を監
視するために、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（２）［Ｆ］）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但）
を優先し、動作がある程度安定してからは囚の制御を優
先させている。

また、上記実施例では波長モニタ製溝としてエタロンを
用いたが、フィゾーの干渉計や、グレーティングやプリ
ズム等の分光素子であればよく、分光された光強度分布
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。

また、上記実施例では波長モニタ機構として分光さねた
レーザ光の光強度分布を画像処理して波長ズレを求め微
調用エタロンを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モニタできる方法であれば同様
の効果を奏することは言うまでもない。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ｘ　ｓ”　Ｘ
Ｏに光センサーを配置して波長モニタ機構とし、微調用
エタロンを最適状態から前後に変化させて、その時のｘ
ｓ−ｘｇ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微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、２枚のエタロンを用
いたレーザ発振器において、一方はレーザビームの分光
結果をもとに制御し、他方はレーザパワーによって制御
するようにしたので、波長を安定化できるとともにレー
ザ出力の変動も小さくできるという効果がある。

また、この発明の別の発明によれば、光共振器内に粗調
用と微調用の２枚のエタロンを配してレーザ発振波長を
選択できるレーザ発振器、このレーザ発振器から取り出
されｒこレーザビームの一部を分光し、発振波長を求め
、上記の結果により微調用エタロンを制御するサーボ機
構と、印加電圧を測定し、電圧変化の方向により粗調用
エタロンを制御するサーボ機構とを設けたので、レーザ
の発振波長が安定に保たれるばかりではなく、出力も安
定になるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

ｇ１４１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搬像素子上
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概略を示す
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
た説明図でおる。図において、（υはレーザ媒質、（４）は粗調エタロン
、（５１は微調エタロン、（７）は波長モニタ機構、（
３）は制御機構、（９）はパワーモニタ機構、ＱＧ　、
　０１１はサーボ機構である。なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

　（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、レ
ーザ媒質に供給する印加電圧を測定して、上記第２のフ
アブリペローエタロンを制御し、上記レーザ発振器の出
力を安定化する過程とからなるレーザ波長の安定化方法
。
　（２）光共振器内にレーザ発振波長を選択するための
、微調用フアブリペローエタロンと粗調用フアブリペロ
ーエタロンを有し、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、上記波長モニタ機構からの
信号をもとに上記微調用フアブリペローエタロンを制御
するための第１のサーボ機構と、レーザ媒体に供給する
印加電圧を測定して、印加電圧の変化を解析する制御機
構と、この制御機構からの信号をもとに上記粗調用フア
ブリペローエタロンを制御するための第２のサーボ機構
を備えたことを特徴とする波長安定化レーザ装置。