JPH0283422A - レーザ周波数計 - 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） 本発明は、レーザの光周波数を測定するレーザ周波数計
の改良に関するものである。

（従来の技術） 従来レーザ光の光周波数を測定する場合は、−般にレー
ザの波長を測定して、演算により周波数を求めている。

第５図はレーザの波長を測定する波長計の第１の従来例
で、回折格子を利用したものを示す原理構成図である。

被測定光を回折格子に入射すると、回折格子３１を回転
中心３２の回りに回転することによって光の入射角θが
変化する。光検出器３３に入射する光の波長は入射角θ
に依存するので、θを測ることで被測定光の波長値λ８
を測定することができる。

第６図は波長計の第２の従来例で、マイケルソン干渉計
を利用するものを示す原理構成図である。

ハーフミラ−４１で未知の波長λ８の被測定光ビームと
既知の波長λ、８．の参照光ビーム（例えばＨｅ−Ｎｅ
レーザ６３３ｒ＋ｎ等）を合波しマイゲルソン干渉計に
入射する０合波された光はハーフミラ−４２で２方向に
分離され、一方は可動ミラー４３で反射され他方は固定
ミラー４４で反射されて光検出器４５に入射する（被測
定光と参照光の分離手段は図では省略）、可動ミラー４
３がΔ２動くと光検出器４５に干渉縞が明暗の変化とな
って現れる。このとき被測定光の干渉縞変化数をＭｘ、
参照光の干渉縞変化数をＭｒｅｆとすると、次式が成立
つ。

Δｅ：Ｍ　　・λ　／２中Ｍｒｅｆ　　・λｒｅｆ／２
×　　　　　× ・・・　（１） したがって、 λ　＝　（Ｍ、、、　／ｙｔｘ）・λｒｅｆ　　　’・
・（２）× より被測定光の波長λ８を測定することができる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記の各従来方式は共に機械的な可動部
分があるため、高速応答性が悪い、また第５図の方式の
場合は機械精度が測定精度に影響するので、高精度化が
困難で経時変化にも弱い。

また第６図の方式も可動距離が大きいので高精度化が困
難である。精度を上げるには第５図の場合には回折格子
と光検出器の距離を大きくし、第６図の場合は可動距離
へ２を大きくしなければならないが、いずれも光学系が
大きくなるという問題を生じる。また大型のファブリ・
ペロー干渉計を用いて圧力掃引により波長を精密に測定
する方式もあるが、大型で真空ポンプが必要等測定時間
が長くなり、実用的でない。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもの
で、簡単な構成で高精度かつ高速応答でレーザ周波数を
測定できるレーザ周波数計を実現することを目的とする
。

（課題を解決するための手段） 本発明に係るレーザ周波数計は被測定レーザ光と発振周
波数が既知の参照レーザ光とを合波する第１の光学手段
と、この第１の光学手段の出力光を入射するファブリ・
ベロー・エタロンと、このファブリ・ベロー・エタロン
を透過する光を前記被測定レーザ光と前記参照レーザ光
の２つに分離する第２の光学手段と、この第２の光学手
段から出力される前記被測定レーザ光を検出する第１の
光検出器と、前記第２の光学手段から出力される前記参
照レーザ光を検出する第２の光検出器と、前記ファブリ
・ベロー・エタロンのミラー間隔を微小変化させる掃引
手段と、この掃引手段によりミラー間隔が変化したとき
の第１の光検出器出力と第２の光検出器出力に基づいて
被測定レーザ光の周波数を演算する周波数演算回路とを
備えたことを特徴とする。

（作用） ファブリ・ベロー・エタロンの高いフィネスにより、被
測定レーザ光および参照レーザ光の干渉縞ピークが正確
に検出できる。

（実施例） 以下本発明を図面を用いて詳しく説明する。

第１図は本発明に係るレーザ周波数計の一実施例を示す
構成ブロック図である。１は参照レーザで、発振周波数
が安定な既知の周波数で、例えばＲｂ吸収線に出力周波
数を制御した半導体レーザ（λ＝　７ｇｏ、２４４ｎｍ
）を使用する。２は第１の光学手段を構成し被測定レー
ザ光をその一方の面に入射し他方の面に参照レーザ１の
出力光を入射して両方の光を合波する偏光ビームスプリ
ッタ、３゜４は偏光ビームスプリッタ２の出力光を入射
するピンホール、５はピンホール３．４の通過光を入射
するファブリ・ベロー・エタロンである。ファブリ・ベ
ロー・エタロン５は互いの焦点が他方の鏡面上に来るよ
うに配置された２枚の半透性の凹面鏡５１．５２および
そのミラー間隔を微小に掃引する掃引手段を構成するＰ
　Ｚ　’Ｉ’等の圧電アクチュエータ５３からなり、真
空チャンバ５６内に構成されている。６は第２の光学手
段を構成しファブリ・ベロー・エタロン５を透過した光
を入射して２つに分離する偏光ビームスグリツタ、７は
偏光ビームスプリッタ６の一方の面から出力される被測
定レーザ光を入射する第１の光検出器、８は偏光ビーム
スプリッタ６の他方の面から出力される参照レーザ光を
入射する第２の光検出器、１０は圧電アクチュエータ５
３を駆動する例えば０．５Ｈ２の三角波発振器、９は光
検出器７，８の電気信号出力および発振器１０の出力を
入力して被測定光の周波数値を演算する周波数演算回路
である。

上記のような構成のレーザ周波数計の動作を次に説明す
る。被測定レーザ光と参照レーザ光はあらかじめ開先部
が互いに直角となるように配置されている。また被測定
レーザ光および参照レーザ光は、合波できるようににそ
れぞれピンホール３゜４の両方を通過するように光軸が
調整されている。

その結果、被測定レーザ光は偏光ビームスプリッタ２を
透過し、参照レーザ光は偏光ビームスプリブタ２で反射
されて合波され、ピンホール３，４を通過し同一光路を
通って７アプリ・ベロー・エタロン５に入射する。ファ
ブリ・ペロー・エタロン５に入射した光は凹面鏡５１と
５２の間を３往復して入射光と干渉して凹面１ａ５２を
通過する。すなわち凹面鏡５１と５２の焦点は互いの鏡
面上にあるので、入射光は凹面ｆｉ５２で反射して焦点
５４に至ってそこで反射し、凹面鏡５２で反射して入射
光と平行光となりさらに凹面鏡５１で反射して焦点５５
に至って反射し、凹面鏡５１で反射して入射光と同一経
路に戻り、干渉する。ファブリ・ペロー・エタロン５を
透過した光は偏光ビームスプリッタ６に入射し一被測定
レーザ光成分が透過して第１の光検出器７で検出され、
参照レーザ光成分が反射して第２・の光検出器８で検出
される。ファブリ・ペロー・エタロン５のミラー間隔は
発振器１０により三角波で掃引されているので、光検出
器７．８の出力信号の時間変化は第２図のタイムチャー
トのようになる。ただし参照レーザ光の光周波数が０．
７８μｍ１、被測定レーザ光の光周波数が１．．５５μ
ｍ、三角波の掃引周波数が０．５Ｈ２の場合を一例とし
て示している。ミラー掃引長と光検出器７．８の出力信
号の関係は第３図のようになる。

次に第３図に示す干渉波形から周波数演算回路９におい
て被測定レーザ光波長λ８を演算する方法を説明する。

ファブリ・ペロー・エタロン５は前述のような構成であ
るため、干渉ピークの間隔はλ　／６．λｒｅｆ／６と
なり、被測定光の干渉ピーク数Ｍｘに対応する掃引距離
をΔｅ、掃引距離Δｅに対応する参照光の干渉ピーク数
をＭｒｅｆ、参照光のミラー掃引距離の端数をα、βと
すると、次式が成立つ。

Δ２＝（λ　／６）・（Ｍ、−１）＝（λｒ８．／× ６）−（Ｍ、ｅ、−１）＋α＋β ・・・　（３） したがって、 λ　＝λ　　・（Ｍ、８．、−１　＞　／　（Ｍｘ−１
）　ｆｘ　　　　　ｒｅｆ ６（α＋β）　／　（Ｍ　ｘ　　１　）　　　（ｎ　ｍ
　）・・・　（４） となり、被測定光周波数はｆｘは次式で求められる。

ｆ　　＝ｃ／λ８　　　　　　・・・（５）次にα、β
の求め方を示す、光検出器７の出力が干渉ピークａ、ｂ
となったときの圧電アクチュエータ５３の印加電圧をそ
れぞれＶ　、　＋　Ｖ　ｂとし、光検出器８の出力が干
渉ピークｃ、ｄとなったときの圧電アクチュエータ５３
の印加電圧をそれぞれＶ、Ｖｄとする。ミラー掃引長Δ
Ｘは圧電アクチュエータ５３の印加電圧Ｖの関数で表す
ことができ、 Δｘ＝Ｇ　（Ｖ）　　　　　　　　　　　・・・（６）
と表すことができる。したがって、α、βはそれぞれ次
式で演算できる。

ａ　＝Ｇ　（Ｖｂ　）　　Ｇ　（Ｖｄ）　　　”　（７
）β＝Ｇ　（Ｖ　　）　−Ｇ　（Ｖ　　）　　　・・・
（８）ａ 上記の実施例における数値例として例えば、λｒｅｆ　
＝７８０，２４４ｎｍとしてλｘ　＝１．５５　μ１１
を測定することができる。

このような構成のレーザ周波数計によれば、ファブリ・
ペロー・エタロンを使用しているのでマイケルソンの干
渉計を用いる場合よりも干渉縞のフィネス（ｆｉｎｅｓ
ｓｅ：干渉ピークの鋭さ）が高い。

このため干渉ピークの印加電圧Ｖ　〜■、を精度良く検
出でき、ミラー掃引距離の端数α、βも精度良く測定す
ることができる。したがってミラー掃引が微小量でも高
精度の測定ができる。

また平面ミラーのファブリ・ペロー・エタロンに比べて
同じ掃引長に対して３＠の干渉縞が観測できる。したが
って（４）式からも明らかなように、波長測定精度が３
倍向上する。

またＰＺＴでミラー間隔を掃引するので高速掃引ができ
、測定時間の短縮を測ることができる。

また回折格子やマイケルソン干渉計を用いた波長計と比
べて小型で簡単な構成とすることができる。

また参照レーザ光の波長に絶対精度がでているため、被
測定レーザ光の波長値にも絶対精度がでる。したがって
回折格子の波長計のように校正する必要がない。

また偏波面を使って合波・分離を行っているので、参照
光と同一波長の被測定光も測定することができる。

なお上記の実施例では焦点が互いの鏡面上にある２つの
凹面鏡を用いて掃引長に対する精度を高めているが、こ
れに限らず平面鏡を用いたファブリ・ベロー・エタロン
を使用することもできる。

また被測定レーザと参照レーザの周波数が異なることが
あらかじめ分かっている場合には、偏光ビームスプリッ
タ２を用いずに、通常のビームスプリッタで開光面を平
行に合波するとともに、偏光ビームスグリツタ６の代り
に干渉フィルタで分離ずれば、精度を高めることができ
る。

また漏光ビームスプリッタ６の代りに回折格子を用いて
異なる波長光を分離することもできる。

゛ただしこの場合参照光と同一波長の被測定光は測定で
きない。

第４図は第１図のレーザ周波数計の変形例で、ファブリ
・ベロー・エタロンの凹面鏡の１つを半透性の平面鏡で
置換えたものを示す要部構成ブロック図である。図にお
いて、５１は第１図と同じ凹面鏡、５７はこの凹面鏡５
１に平行に配置された半透性の平面鏡である。この平面
鏡５７は疑似的に平面鏡５７の鏡面５９に関して凹面鏡
５１と対称な反対側の位置に点線で示した凹面！ｌ１ｓ
８があるのと同じ効果を生じる。すなわち凹面鏡５１と
平面鏡５７の間隔および平面鏡５７と疑似的な凹面！ｉ
５８との間隔は等しい、この疑似的な凹面鏡５８の焦点
５４が凹面鏡５１の鏡面上に来るように平面鏡５７の位
置を定める。凹面鏡５１と疑似的な凹面ｆｉ５８の特性
は同じなので、このようにすると凹面鏡５１の焦点は疑
似的な凹面鏡５８の鏡面上に来るようになる。動作は第
１図の場合と同様であるので、説明を省略する。この上
うな構成のファブリ・ペロー・エタロンによれば、第１
図の場合と比べて鏡の間隔をさらに半分にすることがで
きる。

（発明の効果） 以上述べたように本発明によれば、高精度かつ高速応答
でレーザ周波数を測定できるレーザ周波数計を簡単な構
成で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るレーザ周波数計の一実施例を示す
構成ブロック図、第２図は第１図装置の動作を示すタイ
ムチャート、第３図は第１図装置の動作を示す説明図、
第４図は第１図装置の一変形例を示す要部構成ブロック
図、第５図および第６図は従来のレーザ周波数計を示す
原理図である。 ２・・・第１の光学手段、５・・・ファブリ・ペロー・
エタロン、６・・・第２の光学手段、７・・・第１の光
検出器、８・・・第２の光検出器、９・・・周波数演算
回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被測定レーザ光と発振周波数が既知の参照レーザ光とを
   合波する第１の光学手段と、この第１の光学手段の出力
   光を入射するファブリ・ペロー・エタロンと、このフア
   ブリ・ペロー・エタロンを透過する光を前記被測定レー
   ザ光と前記参照レーザ光の２つに分離する第２の光学手
   段と、この第２の光学手段から出力される前記被測定レ
   ーザ光を検出する第１の光検出器と、前記第２の光学手
   段から出力される前記参照レーザ光を検出する第２の光
   検出器と、前記ファブリ・ペロー・エタロンのミラー間
   隔を微小変化させる掃引手段と、この掃引手段によりミ
   ラー間隔が変化したときの第１の光検出器出力と第２の
   光検出器出力に基づいて被測定レーザ光の周波数を演算
   する周波数演算回路とを備えたことを特徴とするレーザ
   周波数計。