JPH01184891A

JPH01184891A - レーザ波長の安定化方法

Info

Publication number: JPH01184891A
Application number: JP63006128A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Yasuda; 憲一安田; Hiroyuki Mukumoto; 椋本　裕之
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に関するものである
。

〔従来の技術〕

第５図は例えば雑誌ｒ　ＣＡＮ、Ｊ　、ＰＨＹＳ、ＶＯ
Ｌ６３シ５ｓ）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ζ（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
微調工タロン、（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ム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
（５）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λｍｌ
は（υ式％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、θ１は光がエタロンに入射するときの角夏、ｍ
は整数である。いくつかめるピークは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△λ１は（３）式で示される。ここでテはフィネスと呼び、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
λｍ１をゲインが存在する範囲のどこかの波長λ０に等
しくなるよう、しかも、ゲインが存在する波長内にλｍ
１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１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λｍ２をλ０に等しくし
、ＦＳＲ２はＦＳＲ，２Δλ１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ｉ〜±となる。

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ねるが、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。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
。

λｍ Δλ謡□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り発熱によっ
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ｄ２が粗調
エタロンのｄ２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（ｃ）に示す。長時間発振後、レーザ出力は＾。

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
があった。

この発明は上記のような問題点を解消するｔこめになさ
れたもので、狭帯域化した際の波長の安定化が可能であ
るとともに出力の長時間安定化を可能にしたものである
。

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、レーザビームの一部よりレーザ
出力の変化を測定し、上記出力変化を解析してもう一枚
のエタロンを制御することによって、レーザ出力が長時
間安定化した狭帯域レーザ装置を得ることを目的とする
。

〔課題を解決するための手段〕

また、本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、上記測定波長によ
り微調用エタロンを駆動し、波長を変化させるサーボ機
構を備えたこと。

さらに、波長モニタ機構とは別にレーザ出力の変化を測
定するためのパワーメータと、出力変化を記録する部分
からなるパワーモニタ機構を備え、上記パワーモニタ機
構からの信号をもとに粗調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〕

本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、本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）はパワーモニタ機構、ＣＩＧ　ｇｎは
エタロンを制御するためのサーボ機構、口はインテグレ
ータ、口はファブリペローエタロン、α４は結像レンズ
、明はファブリペローエタロンロにより生じた干渉縞を
観測するための撮像素子であり、例えば−次元のイメー
ジセンサである。（４）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（４１（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
長人。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。波長モニタ機構（７）は例えば雑
誌［ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌ
ｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ＱＥ−１４（’７８　Ｊ１７　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゛るインチグレータロとエタロン酸とレンズ
口とからなっている。インチグレータロにより生じた発
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とすね、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離ねたところに集まり、円形の干渉
縞を形成する。そこで、撮像素子（至）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
［Ｘ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ＥＰ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Ｑ６が必要となる。さらにここでは現在の波長人を
計算し、サーボ機構αＯを通じて発振器の波長の調整を
行なう。

第４図囚は、本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αηでエタロン口によりレーザビームを分光し
、ステップ（至）で撮像素子αｅにより一次元の光強度
分布を測定する。ステップαｌ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、ステップ翰で
最大強度を示す位ｔｅｘを求め、次にステップゆで得ら
れる値Ｘ。（指定波長に対応する指定された位置座！！
３）と比較し、異なる時はｘ　＞　ＸＱかＸ＜Ｘ、によ
りサーボ機構αＯ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（財）〕、再びステップ時にもどりＸ　”　ｘ（、
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（旬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ｍ（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たレーザ出力
を記録する部分からできており、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
か減少するかを判定し、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、サーボ機構部により粗調エタロン（
４］の中心波長λｍ２を調整する。この調整のフローチ
ャートを第４図（６）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ｐを測定し、その結果を記憶して
おき、ステップ（至）において前回の測定結果ｐｏと比
較する。出力が異なる時はｐ　＞　ｐｏかｐ　＜　ｐｏ
によりサーボ機構部を用いて粗調用エタロン（４）をレ
ーザ出力が最大になるように調整する。この制御はレー
ザ発振期間中継続する。

次に、レーザ出力に目標値（目標値くレーザ最大出力で
ある。］を設定し、この目標値にレーザ出力を安定化す
るとともに発振開始直後に無制御時間を設けた場合の粗
鯛エタロン（４）の制御について、フローチャート第４
図（Ｏで説明する。まずステップ（至）でレーザ出力の
測定を行ない、ステップ勿で８回の測定データの平均値
処理により現在のレーザ出力ＰＮを求め、ステップ（至
）で現在のレーザ出力ＰＮとレーザ出力の目標値（外部
より設定可能な値）Ｐｏとの差の絶対値１Ｐｘｌを求め
る。次に発振開始からの時間が無制御陵内以内かどうか
の判断を行ない、無制御時間以内であれば粗調エタロン
（４）の制御は行なわず、レーザ発振中であることを確
認してステップ（至）にもどる。発振開始からの時間が
無制御時間をこえると、上記ＩＰｘｌと指定されたレー
ザ出力のバラツキ許容値（外部より設定可能な値）ＰＡ
との比較を行ない１ＰｘｌｓＰＡの場合は粗調エタロン
（４）の制御は行なわずステップ（至）にもどり、ＩＰ
ＸＩ＞ＰＡの場合は、ステップ四で１Ｐｘｌにより制御
量を計算し、ステップ（７）でＰｘ■ＰＮ−ｐ、の極性
から制御方向を決め、ステップｃ３ｐでサーボ機構回を
駆動し粗調エタロン（４）をレーザ出力が設定された目
標値と一致するように調整する。

この制御レーザ発振期間中継続して行うことにより、長
時間のレーザ出力の安定化を行う。

なお、上記実施例では波長モニタ機構（７）とパワーモ
ニタ機構（９）を別に設けたが、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
ており、制御をかけずに長時間動作させると破線で示し
たように、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た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れた
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　”　ｘ（
１に光センサーを配置して波長モニタ機構とし、ｇＩｔ
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＝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める。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、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、本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
れたレーザビームの一部を分光し、発振波長を決め、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
、レーザビームの出力を測定し、出力変化の方向により
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】

第１図は本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図は本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図は本発明の一実施例
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性を説明す
るための説明図、＠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、（１］はレーザ媒質、（４）は粗調エタロ
ン、（５）は微調エタロン、（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、αＯ１
αυハサーボ機構である。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、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目標値に安定化
する過程からなるレーザ波長の安定化方法。
　（２）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
記レーザビームの出力を検出し、目標電力との差電力を
求める過程、レーザ発振してから所定の時間の無制御時
間を設けて上記第２のフアブリペローエタロンの制御を
行なわず、上記無制御時間の経過後に上記差電力がレー
ザ出力のバラツキ許容値を越えたとき、上記差電力が最
少になるように上記第２のフアブリペローエタロンを制
御ずる過程からなるレーザ波長の安定化方法。