JPH0228982A - Stabilizing method for gaseous laser - Google Patents

Stabilizing method for gaseous laser

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JPH0228982A
JPH0228982A JP17974388A JP17974388A JPH0228982A JP H0228982 A JPH0228982 A JP H0228982A JP 17974388 A JP17974388 A JP 17974388A JP 17974388 A JP17974388 A JP 17974388A JP H0228982 A JPH0228982 A JP H0228982A
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彰 佐々木
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Mitsutoyo Kiko Co Ltd
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    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/13Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
    • H01S3/139Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude by controlling the mutual position or the reflecting properties of the reflectors of the cavity, e.g. by controlling the cavity length

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Abstract

PURPOSE:To stabilize frequency by applying flexural load to a front end section, to which an internal mirror is installed, from the lateral direction. CONSTITUTION:The driving voltage of a DC component at several dozen volt and an AC component at several volt of one hundred Hertz is applied to a piezoelectric element 22 from a piezoelectric-element driver circuit 24, and the frequency of a longitudinal mode is shifted within a constant fine range. Rear beams emitted from the rear end section 12R of a laser tube 10 are received by a silicon photo-detector 28, and input to a lock-in amplifier 36 end the primary differential value of a signal is acquired. The primary differential signal is input to a control circuit 38, and currents flowing through a heater 20 are controlled by differential voltage with reference voltage. When a laser output is stabilized, the laser tube 10 is lit, the primary differential value in a Lamb dip is measured in order to determine reference voltage for control, the laser tube 10 is pre-sheeted to the state of thermal equilibrium or more by the heater 20, and the laser tube 10 begins to shrink when heating is stopped. When there is the longitudinal mode near the Lamb dip, control may be started.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention] 【産業上の利用分野】[Industrial application field]

本発明は、気体レーザの安定化方法に係り、特に、レー
ザ管から突出した先端部に、レーザ光を反射して共振さ
せるための内部鏡が設けられた気体レーザに用いるのに
好適な、発振されたレーザ光の周波数や光強度を安定化
することが可能な気体レーザの安定化方法に関するもの
である。
The present invention relates to a method for stabilizing a gas laser, and particularly to a method for stabilizing a gas laser, and in particular, an oscillation method suitable for use in a gas laser, which is provided with an internal mirror at the tip protruding from a laser tube to reflect and resonate laser light. The present invention relates to a gas laser stabilization method capable of stabilizing the frequency and light intensity of laser light.

【従来の技術】[Conventional technology]

レーザにおいては、発振されたレーザ光の光強度や周波
数を安定化する必要がある。 気体レーザ全般に共通した光強度変動の原因としては、
励起の変化、共振器長の変化、共振器アラインメントの
変化があげられる。 このうち励起の安定化は、通常定電流制御によってなさ
れ、放電電流を検出して電流制御素子を制御したり、高
電圧を調節することが行われている。 又、共振器長の変化による光強度変動は、発振縦モード
の数が少ない場合に問題となり、共振器を保持するロッ
ドを熱膨張係数の小さい材料で構成することや、強制的
に共振器長を安定化することが行われている。 更に、共振器アラインメントの変化は、主として共振器
構成要素の熱膨脹が異なること及び機械的振動のために
起こり、この影響を緩和するため、共振器を板ばねや軸
受けを介して固定することが行われている。又、温度不
均一性をなくすため、ロッドを発熱体であるレーザ管の
上を避けて配置し、金属で囲む方法や、温度不均一が生
じないように強制冷却を行う方法が行われている。 一方、気体レーザの周波数安定化は、ある基準からの周
波数偏移を誤差信号として検出し、レーザ共振器長を制
御することによって行われており、例えばレーザ遷移ス
ペクトルを基準として、圧電素子により外部鏡の位置を
軸方向に変え、共振器長を微小変調してレーザ周波数を
変調し、安定化することが行われている。 しかしながら、レーザ管から突出した先端部に、レーザ
光を反射して共振させるための内部鏡が設けられた気体
レーザにおいては、前記先端部が強度的に弱い部分であ
るため、この先端部に力を加えることは全く検討されて
いなかった。 一般に気体レーザ、特に内部鏡型He−N’eレーザは
、レーザ管の熱膨脹により共振器のミラー間隔が変化し
、出力光強度が変動する。単一モードレーザ管では、そ
の出力光強度は、ゲインプロフィールに対応している。 よって、その出力光を観測すると、出力光強度曲線の頂
点に、第3図に示す如くラムデイツプ(窪み)が現れて
いる。その中心周波数は、0.633マイクロメートル
のスペクトルの中心と一致して安定であり、ラムデイツ
プの幅は、数十メガヘルツ程度で、ゲインプロフィール
の幅(数百メガ−千メガヘルツ)と比較して一桁小さい
。 そこで、前記レーザ遷移スペクトルを基準とする際に該
ラムデイツプを利用して、レーザの発振周波数を安定化
することが考えられる。しかしながら、前記ラムデイツ
プをレーザ出力光強度のレベルに基づいて検出したので
は、レーザ出力光強度が大幅に変動するとロック点が移
動してしまう恐れがあった。
In lasers, it is necessary to stabilize the light intensity and frequency of oscillated laser light. The causes of light intensity fluctuations common to all gas lasers are:
These include changes in excitation, changes in resonator length, and changes in resonator alignment. Among these, stabilization of excitation is usually achieved by constant current control, and the discharge current is detected to control a current control element or to adjust the high voltage. In addition, fluctuations in optical intensity due to changes in the resonator length become a problem when the number of oscillation longitudinal modes is small. Efforts are being made to stabilize the Furthermore, changes in resonator alignment occur primarily due to different thermal expansions of the resonator components and mechanical vibrations, and to alleviate this effect, the resonator can be fixed via leaf springs or bearings. It is being said. In addition, in order to eliminate temperature non-uniformity, methods are used to avoid placing the rod above the laser tube, which is the heating element, and surrounding it with metal, and using forced cooling to prevent temperature non-uniformity. . On the other hand, frequency stabilization of gas lasers is performed by detecting the frequency deviation from a certain reference as an error signal and controlling the laser resonator length. For example, using the laser transition spectrum as a reference, external The laser frequency is modulated and stabilized by changing the position of the mirror in the axial direction and minutely modulating the resonator length. However, in a gas laser in which an internal mirror for reflecting and resonating the laser beam is provided at the tip protruding from the laser tube, the tip is weak in strength, so no force is applied to the tip. No consideration was given to adding . In general, in a gas laser, particularly in an internal mirror type He-N'e laser, the mirror spacing of the resonator changes due to thermal expansion of the laser tube, and the output light intensity fluctuates. In a single mode laser tube, its output light intensity corresponds to its gain profile. Therefore, when the output light is observed, a ram dip appears at the apex of the output light intensity curve as shown in FIG. Its center frequency is stable, coinciding with the center of the spectrum at 0.633 micrometers, and the width of the Lamb dip is on the order of tens of megahertz, compared to the width of the gain profile (hundreds of megahertz to thousands of megahertz). An order of magnitude smaller. Therefore, it is conceivable to stabilize the oscillation frequency of the laser by using the Lamb dip when using the laser transition spectrum as a reference. However, if the ram dip is detected based on the level of the laser output light intensity, there is a risk that the lock point will shift if the laser output light intensity changes significantly.

【発明が達成しようとする課題】[Problem to be achieved by the invention]

本発明は、従来力を加えることなど全く考えられていな
かった、レーザ管の内部鏡が設けられた先端部に力を加
えることによって、レーザ光の周波数や光強度を安定化
することが可能な気体レーザの安定化方法を提供するこ
とを第1の目的とする。 本発明は、又、レーザ出力光強度のレベル変動に拘わら
ず、ラム、デイツプの位置を正確に検出して、確実にロ
ックできる気体レーザの安定化方法を提供することを第
2の目的とする。
The present invention makes it possible to stabilize the frequency and light intensity of laser light by applying force to the tip of the laser tube, where the internal mirror is installed, which was previously unthinkable. The first object is to provide a method for stabilizing a gas laser. A second object of the present invention is to provide a gas laser stabilization method that can accurately detect and reliably lock the positions of the ram and dip regardless of level fluctuations in the laser output light intensity. .

【課題を達成するための手段】[Means to achieve the task]

本発明は、レーザ管から突出した先端部に、レーザ光を
反射して共振させるための内部鏡が設けられた気体レー
ザの安定化方法において、前記先端部に横方向から曲げ
荷重を加え、該曲げ荷重の大きさ及び方向の少なくとも
いずれか一方を制御することによって、発振されたレー
ザ光の縦モード即ち周波数又は光強度を安定化して、前
記第1の目的を達成したものである。 又、前記曲げ荷重を圧電素子により印加するようにした
ものである。 又、同様の気体レーザの安定化方法において、前記曲げ
荷重の交流成分によってレーザ光の周波数を微少範囲内
で変動させ、これによって周波数による光強度の1次微
分値を得て、該1次微分値に応じてレーザ管の温度を制
御することにより発振モードをラムデイツプに固定して
、前記第2の目的を達成したものである。
The present invention provides a method for stabilizing a gas laser in which a tip protruding from a laser tube is provided with an internal mirror for reflecting and resonating laser light, in which a bending load is applied to the tip from the lateral direction. By controlling at least one of the magnitude and direction of the bending load, the longitudinal mode, that is, the frequency or the light intensity of the emitted laser light is stabilized, thereby achieving the first object. Further, the bending load is applied by a piezoelectric element. In addition, in a similar method for stabilizing a gas laser, the frequency of the laser beam is varied within a very small range by the AC component of the bending load, thereby obtaining the first differential value of the light intensity depending on the frequency, and calculating the first differential value. The second objective is achieved by fixing the oscillation mode to the ram dip by controlling the temperature of the laser tube according to the temperature.

【作用及び効果】[Action and effect]

レーザ管から突出した先端部に、レーザ光を反射して共
振させるための内部鏡が設けられた、いわゆる内部鏡型
He−Neレーザ(λ=0.633マイクロメートル)
は、今日、広範囲の基礎研究や光学計測法に使用されて
いる0発明者が、この内部鏡型He−Neレーザの前記
先端部に横方向から曲げ荷重を加えて実験したところ、
縦モード移動と光強度変化の現象が観測された0本発明
は、これらの現象を利用して、レーザ光の周波数や光強
度の安定化を図ったものである。 発明者は、第1図に示すような実験装置を用いて、レー
ザ光を反射して共振させるための内部鏡(図示省略)が
設けられた、レーザ管10から突出した先端部(前端部
12F又は後端部12R)に横方向から曲げ荷重を加え
、縦モード移動の状態を観測した。 ここで、レーザ管10としては、ウシオ社製、UNL−
205R3,UNL−205R,UNL−21OR,U
NL−22ORを使用し、このレーザ管10を、第2図
に示す如く、固定ネジ16の先端により、レーザ管10
の本体(太い中央部)の前後2箇所×同一円周上等間I
I(120°間隔)の3点で固定しな。 先端部への荷重方法は、フロントミラーが内蔵された前
端部12F、リヤミラーが内蔵された後端部12R共に
、そのミラ一端に、レーザ管10の管軸に対して直角に
、重りで零から0.6kgfの範囲で力学的荷重を加え
た。又荷重方向は、第2図に示した如く、レーザ管ミラ
ー中心がらカソード端子14方向を0度とし、右回りを
正、左回りを負とした。 縦モード郡動の観測のため、レーザ出力光をスペクトラ
ムアナライザに入射し、オシロスコープに第3区の上段
に示すようなレーザ光のゲインプロフィールを表示して
、その表示された縦モードを、荷重前後で読取り、縦モ
ード移動量(周波数移動量)を算出した。ここで、縦モ
ード間隔は、C/(2L)ヘルツ(Cは光速度、Lはレ
ーザ管共振器長)として計算した。 以上のような状態でレーザ管10を固定し、既に述べた
荷重方向に荷重ヘッドを回転させ、−180度から+1
65度まで15度単位でモード移動を観測したところ、
例えば第4図に示すような観測結果が得られた。なお、
ここでは荷重量を一定としている。 次に、荷重方向を同一(+90度又は−90度)として
、零から、約50又は100gf単位で荷重を加え、こ
のときの縦モード移動を観測したところ、例えば第5図
に示すような観測結果が得られた。 多数の実験結果から、荷重角度θと縦モード移動量Δf
の関係を求めたところ、次式のような近似式が得られた
。 Δf =A+B−cos  (θ+α) ・・・(1)
ここで、A、Bは定数(A<<B)、αは位相である。 この近似式と実験値との相関係数を求めたところ、0.
847〜0.988の範囲であり、非常によい相関があ
ることが判明した。 又、同じく多数の実験結果から、荷重量Wと縦モードの
移動量Δfの関係を求めたところ、次式のような近似式
が得られた。 Δf=C−W    ・・・(2) ここでCは定数である。 これらの現象は、レーザ管10の先端部12に曲げ荷重
を加えた時、レーザ管10に曲げが生じるので、レーザ
管10を固定ねじ16の位置で支持されたカンチレバー
と考えて、幾何光学と材料力学(カンチレバーの曲げ)
によって、荷重状態での光学的ミラー間距離とその変化
量をモデル計算したところ、前出(1)式及び(2)式
に対応する理論式が得られ、説明できることがわかった
。 なお、モデル計算では、レーザ管の両端ミラーを球面ミ
ラーとしたが、平面ミラーである場合にも同様な理論式
が得られることを確認している。 次に、先端部への荷重を圧電素子で行って、曲げ荷重に
よる光強度の変化について実験した。 レーザ管固定状態は、荷重装置部分が圧電素子に変わっ
た以外は、第1図及び第2図に示した纒モード移動の測
定に用いられた装置と同様である。 なお、レーザ管10としては、ウシオ社製UNL−20
5R3を用い、その放電電流は5ミリアンペアとした。 先ず圧電素子を、駆動電圧零ボルト時にも、レーザ管1
0の先端部ミラー側面に対して加圧状態(先端部に曲げ
が生じる状態)となるように固定し、この時の加圧値を
Pとした。荷重は前端部12Fで一120度方向に加え
、この状態で圧電素子にO〜100Vの駆動電圧をかけ
て、レーザ管点灯後の光強度変化を観測した。 レーザ出力光強度の測定は、フロントビームをシリコン
フォトダイオードで受光し、その電流値を電圧に変換し
た後、ペンレコーダに記録することで行った。 レーザ管205R3は、通常、単一モードで発振してい
るため、光強度変化がゲインプロフィールをほぼ表して
いる。よって、レーザ管点灯18分後の(1)ラムデイ
ツプでの光強度IR5(2)光強度変化の振幅W、(3
)ゲインプロフィールの形状について検討したところ、
下記第1表に示すような結果が得られた。 第   1   表 第1表から明らかなように、ラムデイツプでの光強度I
Rは、荷重を増すに従ってほぼ線形に減少している。従
って、荷重を変化させることによって、光強度を変化さ
せられることがわかる。又、光強度を安定化するには、
逆に曲げi重を制御すればよいことがわかる。 なお、第1表から、光強度変化の振幅Wは変化しておら
ず、更に、ゲインプロフィールの形状は、ラムデイツプ
の窪みが荷重と共に浅くなるが、全体の形状はほぼ相似
であることもわかる。従って、第6図に示す如く、曲げ
荷重の交流成分によってレーザ光の周波数を微少範囲内
で変動させ、これによって第3図に示す如く周波数によ
る光強度の1次微分値(光強度の傾き・・・第6図のΔ
I/Δf)を得れば、ラムデイツプでは該1次微分値が
零となり、その前後で正負が反転するので、この信号を
誤差信号としてレーザ光の温度をフィードバック制御す
ることにより、レーザ出力光強度のレベル変動に拘わら
ず、発振モードを正確にラムデイツプの位置に固定して
、レーザ光の周波数及び光強度を同時に安定化できる。 なお前記説明においては、He−Neレーザが用いられ
ていたが、本発明の適用範囲はこれに限定されず、一般
の気体レーザにも同様に適用できることは明らかである
。 又、曲げ荷重をかける手段も圧電素子に限定されたい。
This is a so-called internal mirror type He-Ne laser (λ = 0.633 micrometers), in which an internal mirror is provided at the tip protruding from the laser tube to reflect and resonate the laser beam.
is currently used in a wide range of basic research and optical measurement methods.The inventor conducted an experiment by applying a bending load from the lateral direction to the tip of this internal mirror type He-Ne laser.
Phenomena of longitudinal mode movement and light intensity change were observed.The present invention utilizes these phenomena to stabilize the frequency and light intensity of laser light. Using an experimental apparatus as shown in FIG. Alternatively, a bending load was applied to the rear end portion 12R) from the lateral direction, and the state of longitudinal mode movement was observed. Here, the laser tube 10 is manufactured by Ushio Corporation, UNL-
205R3, UNL-205R, UNL-21OR, U
Using the NL-22OR, the laser tube 10 is fixed with the tip of the fixing screw 16 as shown in FIG.
2 places on the front and back of the main body (thick center part) x equal distance on the same circumference I
Fix it at three points I (120° intervals). The method of applying a load to the tip is to apply a weight from zero to one end of the mirror, perpendicular to the tube axis of the laser tube 10, for both the front end 12F with a built-in front mirror and the rear end 12R with a built-in rear mirror. A mechanical load was applied in a range of 0.6 kgf. As shown in FIG. 2, the load direction was 0 degrees from the center of the laser tube mirror toward the cathode terminal 14, and clockwise rotation was positive and counterclockwise rotation was negative. In order to observe the longitudinal mode movement, the laser output light is input to a spectrum analyzer, the gain profile of the laser light as shown in the upper row of Section 3 is displayed on the oscilloscope, and the displayed longitudinal mode is measured before and after loading. The vertical mode movement amount (frequency movement amount) was calculated. Here, the longitudinal mode spacing was calculated as C/(2L) Hertz (C is the speed of light and L is the laser tube resonator length). The laser tube 10 is fixed in the above state, and the load head is rotated in the load direction mentioned above, from -180 degrees to +1
When observing mode movement in 15 degree increments up to 65 degrees,
For example, the observation results shown in Figure 4 were obtained. In addition,
Here, the load amount is constant. Next, with the load direction being the same (+90 degrees or -90 degrees), a load was applied from zero in units of about 50 or 100 gf, and the longitudinal mode movement at this time was observed. The results were obtained. From a large number of experimental results, the load angle θ and the longitudinal mode movement amount Δf
When we calculated the relationship, we obtained an approximate expression as shown below. Δf=A+B-cos (θ+α)...(1)
Here, A and B are constants (A<<B), and α is the phase. When we calculated the correlation coefficient between this approximate formula and the experimental values, we found that it was 0.
It was found that the correlation was in the range of 847 to 0.988, and that there was a very good correlation. Further, when the relationship between the load amount W and the longitudinal mode movement amount Δf was determined from the same large number of experimental results, the following approximate expression was obtained. Δf=C−W (2) where C is a constant. These phenomena occur when a bending load is applied to the tip 12 of the laser tube 10, so the laser tube 10 is bent, so the laser tube 10 is considered to be a cantilever supported at the position of the fixing screw 16, and this phenomenon can be explained using geometric optics. Material mechanics (cantilever bending)
When the optical inter-mirror distance and the amount of change thereof in a loaded state were calculated using a model, theoretical formulas corresponding to the above-mentioned formulas (1) and (2) were obtained and found to be explainable. Note that in the model calculation, the mirrors at both ends of the laser tube were spherical mirrors, but it has been confirmed that similar theoretical formulas can be obtained when using flat mirrors. Next, a load was applied to the tip using a piezoelectric element, and an experiment was conducted to examine changes in light intensity due to bending load. The laser tube fixed state is the same as the device used to measure the fiber mode movement shown in FIGS. 1 and 2, except that the loading device is replaced with a piezoelectric element. Note that the laser tube 10 is UNL-20 manufactured by Ushio Corporation.
5R3 was used, and the discharge current was 5 milliamps. First, the piezoelectric element is connected to the laser tube 1 even when the driving voltage is 0 volts.
The tip was fixed to the side surface of the mirror of No. 0 in a pressurized state (a state where the tip was bent), and the pressurization value at this time was set as P. A load was applied in the direction of 1120 degrees at the front end 12F, and in this state a driving voltage of 0 to 100 V was applied to the piezoelectric element, and changes in light intensity after the laser tube was turned on were observed. The laser output light intensity was measured by receiving the front beam with a silicon photodiode, converting the current value into voltage, and then recording it on a pen recorder. Since the laser tube 205R3 normally oscillates in a single mode, the change in light intensity almost represents the gain profile. Therefore, 18 minutes after the laser tube is turned on, (1) the light intensity IR5 at the ram dip, (2) the amplitude W of the light intensity change, (3
) After considering the shape of the gain profile, we found that
The results shown in Table 1 below were obtained. Table 1 As is clear from Table 1, the light intensity I at the lamb dip
R decreases almost linearly as the load increases. Therefore, it can be seen that the light intensity can be changed by changing the load. Also, to stabilize the light intensity,
On the contrary, it can be seen that it is sufficient to control the bending i weight. From Table 1, it can be seen that the amplitude W of the light intensity change does not change, and furthermore, the shapes of the gain profiles are almost similar, although the ram dip becomes shallower with the load. Therefore, as shown in FIG. 6, the frequency of the laser beam is varied within a minute range by the alternating current component of the bending load, and as a result, as shown in FIG. ...Δ in Figure 6
If I/Δf) is obtained, the first-order differential value becomes zero in the Lamb dip, and the positive and negative values are reversed before and after that. Therefore, by using this signal as an error signal and feedback-controlling the temperature of the laser light, the laser output light intensity can be adjusted. Regardless of level fluctuations, the oscillation mode can be accurately fixed at the position of the ram dip, and the frequency and light intensity of the laser beam can be stabilized at the same time. Note that in the above description, a He-Ne laser was used, but the scope of application of the present invention is not limited thereto, and it is clear that it can be similarly applied to a general gas laser. Furthermore, the means for applying bending load should also be limited to piezoelectric elements.

【実施例】【Example】

以下図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する
。 本実施例は、本発明によりレーザ光の光強度及び周波数
を同時に安定化することが可能なレーザ出力安定化回路
であり、第7図に示す如く構成されている。 本実施例は、レーザ管10から突出した前端部12Fと
後端部12Rに、レーザ光を反射して共振させるための
内部鏡がそれぞれ設けられたレーザ管1oを備えている
。 該レーザ管10は、例えばウシオ社製UNL−205R
3とされ、その本体の中央部には、その温度を制御する
ための、例えばフィルム状のし−タ20が配設されてい
る。 前記レーザ管10の前端部12Fの側方には、該前端部
12Fに曲げ荷重を加えるための圧電素子22が配設さ
れている。該圧電素子22には、圧電素子駆動回路24
が接続されており、該圧電素子駆動回路24には、纒モ
ードの周波数を微小範囲内で振動させるための、例えば
百ヘルツの正弦波を発振する正弦波発振器26が接続さ
れている。 前記後端部12Hの後方(図の左方)には、光強度の1
次微分信号を得るためにレーザ光のリヤビームを受光す
るシリコンフォトデテクタ28が配設されている。該シ
リコンフォトデテクタ28には、その出力電流を電圧に
変換するための電流−電圧(I−V)変換器30が接続
されている。 該r −v変換器30には交流増幅器32が接続され、
該交流増幅器32には、例えばQ=5、遮断周波数fc
=100[(zの高域フィルタ34が接続されている。 該高域フィルタ34の出力はロックインアンプ36に入
力されている。 このロックインアンプ36には、前記正弦波発振器26
から、圧電素子駆動電圧の交流成分と同期した信号が、
参照信号として入力されている。 このロックインアンプ36で求められた信号の1次微分
値は、制御回路38に入力される。この制御回路38に
は差動増幅器(図示省略)が含まれており、該差動増幅
器によって基準電圧(理想は零ボルト)との差電圧が出
力される。この出力にって、前記ヒータ20に流れる電
流が制御される。 ここで、制御回路38に差動増幅器を設けているのは、
ラムデイツプでの1次微分値が、理論的には零ボルトと
なるはずであるが、実際には数ボルトの直流成分が存在
するためであり、該差動増幅器の基準電圧をこの直流成
分値に設定して、直流成分を削除している。 前記先端部12Fの前方(図の右方)には、フロントビ
ームを受光して光強度を検出するシリコンフォトデテク
タ40が設けられている。このシリコンフォトデテクタ
40の出力は、I −V変換器42で電圧信号に変換さ
れた後、ペンレコーダ44に入力して安定度を監視する
ようにされている。 以下実施例の作用を説明する。 レーザ出力光強度の1次微分値を得るなめに、前記圧電
素子22には、例えば直流成分数十ボルトと百ヘルツの
交流成分数ボルトの駆動電圧が、圧電素子駆動回路24
から与えられており、縦モードの周波数を一定の微少範
囲内で移動するようにされている。 一方、レーザ管10の後端部12Rから出たりャビーム
は、シリコンフォトデテクタ28で受光され、I−V変
換器30でその電流値を電圧に変換した後、交流増幅器
32及び高域フィルタ34を介して、前記ロックインア
ンプ36に入力される。 このロックインアンプ36には、前記正弦波発振器26
より、圧電素子駆動電圧の交流成分と同期した信号が、
参照信号として入力されており、このロックインアンプ
36で、信号の1次微分値が求められる。 求められた1次微分信号は、制御回路38に入力され、
内蔵された差動増幅器によって基準電圧との差電圧が出
力される。この出力によって、前記ヒータ20に流れる
電流が、例えば零から百ミリアンペアの範囲で制御され
る。 レーザ出力の安定化に際しては、第8図に示す如く、レ
ーザ管10の点灯(ステップ110)から数十秒経過し
た後に、先ず制御用基1!電圧を知るために、ラムデイ
ツプでの1次微分値を測定する(ステップ112.11
4)。 その後、ヒータ20で熱平衡状態以上にレーザ管10を
プレシートする(ステップ116.118)。 次いで、加熱を停止すれば、レーザ管10は収縮を始め
る(ステップ120)、そこで、縦モードがラムデイツ
プ近傍に存在するときに、制御を開始すればよい(ステ
ップ122.124)。 本実施例による、レーザ出力光強度(I−V変換器42
出力)とその1次微分値(高域フィルタ34出力)の関
係の例を第9図に示す0図から明らかな如く、レーザ出
力光強度は変動しているにも拘らず、基準電圧1.8ボ
ルトのところで、ラムデイツプを正確に捕らえているこ
とがわかる。 第10図に示す如く、ラムデイツプでの、時間に対する
レーザ光強度1吹微分値の傾きをΔI/ΔWとする。そ
して、1次微分値の変動周期をWとすると、実施例のレ
ーザ管は単一モードで発振しているので、周期Wは、樅
モード間隔1260メガヘルツに対応していると考えら
れる。よって、ラムデイツプ近傍での1次微分値の変動
量ΔVに対応する周波数変動量Δfは、次式で表される
。 Δf[Mt[z] =(1260/W)・(ΔW/Δ工) ×ΔV[volt]         ・・・(3)又
、第11図に制御開始後のレーザ出力光強度の安定状態
の一例を示す、光強度安定度を、平均光強度に対する変
動率とし、周波数安定度を、レーザ周波数4.74X1
0”ヘルツに対する変動率と定義したところ、10分間
の安定度では、光強度で±0.034〜±0.087%
、周波数で±0.41〜1.33X10’の安定度を達
成することができた。又、1時間の安定度では、光強度
で±0.121〜0.393%、周波数で±0.41〜
1.33X10−’の安定度を達成することができた。 これは、レーザ光強度のレベルを制御用信号とした場合
と比較して、10分間の安定度は固定度であるが、1時
間の安定度では、より高い安定度であることが確認でき
た。 なお、本実施例においては、1次微分値を得るために周
波数を振動させているので、この振動の振幅以下に周波
数変動(光強度変動)を小さくすることは不可能である
。 なお、前記実施例においては、ヒータ20によリレーザ
管10の温度を制御していたが、レーザ管の温度を制御
する方法は、これに限定されず、例えば冷却ファンの回
転速度を制御しても良い。
Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. This embodiment is a laser output stabilizing circuit capable of simultaneously stabilizing the light intensity and frequency of laser light according to the present invention, and is configured as shown in FIG. This embodiment includes a laser tube 1o in which a front end 12F and a rear end 12R protruding from the laser tube 10 are each provided with internal mirrors for reflecting and resonating laser light. The laser tube 10 is, for example, UNL-205R manufactured by Ushio.
3, and a film-shaped shutter 20, for example, for controlling the temperature is disposed in the center of the main body. A piezoelectric element 22 is disposed on the side of the front end 12F of the laser tube 10 for applying a bending load to the front end 12F. The piezoelectric element 22 includes a piezoelectric element drive circuit 24.
is connected to the piezoelectric element drive circuit 24, and a sine wave oscillator 26 that oscillates a sine wave of, for example, 100 hertz is connected to the piezoelectric element drive circuit 24. Behind the rear end portion 12H (on the left side of the figure), a light intensity of 1
A silicon photodetector 28 is provided to receive the rear beam of the laser beam in order to obtain a second-order differential signal. A current-voltage (IV) converter 30 is connected to the silicon photodetector 28 for converting its output current into a voltage. An AC amplifier 32 is connected to the r-v converter 30,
The AC amplifier 32 has, for example, Q=5 and a cutoff frequency fc.
= 100 [(z) A high-pass filter 34 is connected. The output of the high-pass filter 34 is input to a lock-in amplifier 36.
, a signal synchronized with the AC component of the piezoelectric element drive voltage is
It is input as a reference signal. The first-order differential value of the signal obtained by the lock-in amplifier 36 is input to the control circuit 38. This control circuit 38 includes a differential amplifier (not shown), and the differential amplifier outputs a voltage difference from a reference voltage (ideally zero volts). The current flowing through the heater 20 is controlled by this output. Here, the reason why the control circuit 38 is provided with a differential amplifier is because
Theoretically, the first differential value at the Lamb dip should be zero volts, but in reality there is a DC component of several volts, and the reference voltage of the differential amplifier is set to this DC component value. settings to remove the DC component. A silicon photodetector 40 is provided in front of the tip portion 12F (on the right side of the figure) for receiving the front beam and detecting the light intensity. The output of this silicon photodetector 40 is converted into a voltage signal by an I-V converter 42, and then input to a pen recorder 44 to monitor stability. The operation of the embodiment will be explained below. In order to obtain the first-order differential value of the laser output light intensity, the piezoelectric element 22 is supplied with a drive voltage of, for example, several tens of volts for a DC component and several volts for an AC component of 100 hertz, using a piezoelectric element drive circuit 24.
The frequency of the longitudinal mode is shifted within a certain minute range. On the other hand, the laser beam emitted from the rear end 12R of the laser tube 10 is received by the silicon photodetector 28, and after converting its current value into voltage by the IV converter 30, it is passed through the AC amplifier 32 and the high-pass filter 34. The signal is input to the lock-in amplifier 36 via the signal. This lock-in amplifier 36 includes the sine wave oscillator 26.
Therefore, the signal synchronized with the AC component of the piezoelectric element drive voltage is
The signal is input as a reference signal, and the lock-in amplifier 36 calculates the first differential value of the signal. The obtained first-order differential signal is input to the control circuit 38,
A built-in differential amplifier outputs the difference voltage from the reference voltage. This output controls the current flowing through the heater 20, for example in the range of zero to 100 milliamps. When stabilizing the laser output, as shown in FIG. 8, after several tens of seconds have elapsed since the laser tube 10 was turned on (step 110), the control base 1! To find out the voltage, measure the first differential value at the lamb dip (step 112.11).
4). Thereafter, the laser tube 10 is pre-sheeted to a temperature above the thermal equilibrium state using the heater 20 (steps 116 and 118). Next, when the heating is stopped, the laser tube 10 begins to contract (step 120), and the control may then be started when the longitudinal mode exists near the ram dip (steps 122 and 124). According to this embodiment, the laser output light intensity (IV converter 42
As is clear from Figure 9, which shows an example of the relationship between the output) and its first derivative value (output of the high-pass filter 34), the reference voltage 1. It can be seen that the ram dip is captured accurately at 8 volts. As shown in FIG. 10, the slope of the one-stroke differential value of the laser light intensity with respect to time at the lamb dip is assumed to be ΔI/ΔW. Assuming that the period of variation of the first-order differential value is W, since the laser tube of the embodiment oscillates in a single mode, the period W is considered to correspond to the fir mode interval of 1260 MHz. Therefore, the frequency fluctuation amount Δf corresponding to the fluctuation amount ΔV of the first-order differential value near the lamb dip is expressed by the following equation. Δf[Mt[z] = (1260/W)・(ΔW/Δwork) ×ΔV[volt] ...(3) Also, Fig. 11 shows an example of the stable state of the laser output light intensity after the start of control. , the light intensity stability is the fluctuation rate with respect to the average light intensity, and the frequency stability is the laser frequency 4.74X1
Defined as the rate of fluctuation with respect to 0" Hertz, the stability for 10 minutes is ±0.034 to ±0.087% in light intensity.
, it was possible to achieve a stability of ±0.41 to 1.33×10' at the frequency. In addition, the stability for one hour is ±0.121 to 0.393% for light intensity and ±0.41 to ±0.41% for frequency.
A stability of 1.33×10 −′ could be achieved. Compared to the case where the level of laser light intensity is used as a control signal, it was confirmed that the stability for 10 minutes is a fixed degree, but the stability for 1 hour is higher. . In this embodiment, since the frequency is oscillated in order to obtain the first-order differential value, it is impossible to reduce the frequency fluctuation (light intensity fluctuation) below the amplitude of this oscillation. In the above embodiment, the temperature of the laser tube 10 was controlled by the heater 20, but the method of controlling the temperature of the laser tube is not limited to this, for example, controlling the rotation speed of a cooling fan may be used. Also good.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、本発明の詳細な説明するための、実験装置の
構成を示す正面図、 第2図は、同じく側面図、 第3図は、単一モードレーザのゲインプロフィールとそ
の1次微分曲線を比較して示す線図、第4図は、荷重方
向と縦モード移動の関係の例を示す線図、 第5図は、荷重量と縦モード移動の関係の例を示す線図
、 第6図は、曲げ荷重の交流成分による周波数変動とレー
ザ出力光変動の関係の例を示す線図、第7図は、本発明
に係るレーザ出力安定化回路の実施例の構成を示すブロ
ック線図、 第8図は、前記実施例において、安定化制御を開示する
までの手順を示す流れ図、 第9図は、前記実施例におけるレーザ出力光強度とその
1次微分値の関係の例を示す線図、第10図は、レーザ
管熱膨脹時のレーザ出力とその1次微分値の関係の例を
示す線図 第11図は、前記実施例におけるレーザ出力光強度の安
定状態を示す線図である。 20・・・ヒータ、    22・・・圧電素子、24
・・・圧電素子駆動回路、 26・・・正弦波発振器、 28・・・シリコンフォトデテクタ、 34・・・高域フィルタ、 36・・・ロックインアンプ、 38・・・制御回路。
Fig. 1 is a front view showing the configuration of an experimental apparatus for explaining the present invention in detail, Fig. 2 is a side view, and Fig. 3 is a gain profile of a single mode laser and its first derivative. Figure 4 is a diagram showing an example of the relationship between load direction and longitudinal mode movement; Figure 5 is a diagram showing an example of the relationship between load amount and longitudinal mode movement; FIG. 6 is a diagram showing an example of the relationship between frequency fluctuations due to alternating current components of bending load and laser output light fluctuations, and FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of an embodiment of the laser output stabilization circuit according to the present invention. , FIG. 8 is a flowchart showing the procedure up to the disclosure of stabilization control in the above embodiment, and FIG. 9 is a line showing an example of the relationship between the laser output light intensity and its first derivative value in the above embodiment. 10 is a diagram showing an example of the relationship between the laser output and its first derivative value during thermal expansion of the laser tube. FIG. 11 is a diagram showing the stable state of the laser output light intensity in the above example. . 20... Heater, 22... Piezoelectric element, 24
...Piezoelectric element drive circuit, 26...Sine wave oscillator, 28...Silicon photodetector, 34...High-pass filter, 36...Lock-in amplifier, 38...Control circuit.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)レーザ管から突出した先端部に、レーザ光を反射
して共振させるための内部鏡が設けられた気体レーザの
安定化方法において、 前記先端部に横方向から曲げ荷重を加え、 該曲げ荷重の大きさ及び方向の少なくともいずれか一方
を制御することによつて、発振されたレーザ光の縦モー
ド即ち周波数を安定化することを特徴とする気体レーザ
の安定化方法。
(1) A method for stabilizing a gas laser in which a tip protruding from a laser tube is provided with an internal mirror for reflecting and resonating laser light, which includes applying a bending load to the tip from the lateral direction, and bending the tip. A method for stabilizing a gas laser, comprising stabilizing the longitudinal mode, that is, the frequency, of an oscillated laser beam by controlling at least one of the magnitude and direction of a load.
(2)請求項1に記載の気体レーザの安定化方法におい
て、前記曲げ荷重を圧電素子により印加することを特徴
とする気体レーザの安定化方法。
(2) The method for stabilizing a gas laser according to claim 1, wherein the bending load is applied by a piezoelectric element.
(3)レーザ管から突出した先端部に、レーザ光を反射
して共振させるための内部鏡が設けられた気体レーザの
安定化方法において、 前記先端部に横方向から曲げ荷重を加え、 該曲げ荷重の大きさ及び方向の少くともいずれか一方を
制御することによつて、発振されたレーザ光の光強度を
安定化することを特徴とする気体レーザの安定化方法。
(3) A method for stabilizing a gas laser in which a tip protruding from a laser tube is provided with an internal mirror for reflecting and resonating laser light, which includes applying a bending load to the tip from the lateral direction, and bending the tip. 1. A method for stabilizing a gas laser, comprising stabilizing the intensity of an emitted laser beam by controlling at least one of the magnitude and direction of a load.
(4)レーザ管から突出した先端部に、レーザ光を反射
して共振させるための内部鏡が設けられた気体レーザの
安定化方法において、 前記先端部に横方向から曲げ荷重を加え、 該曲げ荷重の交流成分によつてレーザ光の周波数を微少
範囲内で変動させ、 これによつて周波数による光強度の1次微分値を得て、 該1次微分値に応じてレーザ管の温度を制御することに
より発振モードをラムデイツプに固定することを特徴と
する気体レーザの安定化方法。
(4) A method for stabilizing a gas laser in which a tip protruding from a laser tube is provided with an internal mirror for reflecting and resonating laser light, comprising: applying a bending load to the tip from a lateral direction; The frequency of the laser beam is varied within a minute range by the alternating current component of the load, thereby obtaining the first derivative value of the light intensity according to the frequency, and controlling the temperature of the laser tube according to the first derivative value. A method for stabilizing a gas laser characterized by fixing the oscillation mode to the ram dip.
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