JPH05167171A - パルス発振レーザの同調制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 パルス発振レーザを単一周波数発振させるた
めの共振器同調の自動制御をオンラインリアルタイムで
円滑安定に行う制御系を提供し、長時間にわたって単一
周波数発振を安定に維持する。 【構成】 共振器ミラーの微小ステップ移動を行い発振
遅延時間とそのばらつきを計測し、発振遅延時間が過去
の最小値より一定値以上増加、または発振遅延時間のば
らつきが一定値以上であったら、共振器ミラーの移動方
向を反転させて共振器長を制御するレーザ同調制御に於
て、共振器ミラー移動方向反転後一定ステップ数だけ移
動するまでは再度の反転を行わないようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザの同調制御に関
するものであり、特にパルス発振レーザを単一周波数で
発振させる場合の共振器の制御と発振周波数の安定化に
有用な手段に関する。

【０００２】

【従来の技術】パルス発振レーザを単一周波数発振させ
るための共振器同調制御に関する従来の技術を、注入同
期形レーザの場合を例に以下に述べる。注入同期形レー
ザの一般的構成を図４に示す。図４に於て１はマスター
レーザであり、２は１からの出力光すなわちマスター光
である。３から６はスレーブレーザの構成要素であり、
３は一般に放電によって励起されるレーザ媒質、４は出
力ミラー、５はリアミラー、６はマスター光をスレーブ
レーザに注入するための注入ミラー、７はスレーブレー
ザ共振器の長さを精密に調節する微動装置である。図
５、図６は、注入同期形レーザの動作原理を示す図で、
図５は、マスター光の周波数とスレーブレーザ共振器の
縦モード周波数が一致していない場合、図６はマスター
光の周波数とスレーブレーザ共振器の縦モード周波数が
一致して同調状態にある場合である。ａはマスター光の
スペクトルを、ｂはスレーブレーザ共振器の縦モードス
ペクトルを、ｃをスレーブレーザの発振スペクトルを示
す。

【０００３】図４において、マスターレーザ１から出射
されたマスター光２の一部は、注入ミラー６によりスレ
ーブレーザの共振器内に導かれる。これによりスレーブ
レーザ内においては注入されたマスター光と同じ周波数
のパルスレーブ光が発振を起こし易い状態が作られる。
この時微動装置７を調節しスレーブレーザ共振器の長さ
をマスター光の１／２波長の整数倍に等しく、図６に示
すような同調状態にすると、スレーブレーザ共振器の縦
モード周波数の一つとマスター光周波数が一致し、スレ
ーブレーザはマスター光と同じ周波数で単一周波数発振
を起こす。

【０００４】このように単一周波数で発振するレーザに
は、共振器長を精密に調節する手段が備えられている。
さらに共振器長の変動を防ぐため、スレーブレーザ共振
器に膨張率の小さい材料を用いたり、共振器の周囲温度
を安定化する等の処理がなされる。注入同期形レーザに
限らず、共振器長の精密調節手段と共振器長の変動防止
処理は単一周波数発振レーザに従来から広く用いられて
いる技術である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】パルス発振繰返し率が
大幅に変化する場合や、長時間にわたってレーザ発振さ
せる場合には、従来の技術では単一周波数発振を安定に
維持することは困難である。なぜならば、共振器光学部
品の僅かなレーザ光吸収による温度上昇や、レーザ媒質
の温度変化等が共振器の光学的長さを変化させ、同調条
件が満足されなくなるからである。そこで、スレーブレ
ーザの発振出力光の状態から直接同調状態を判定して共
振器長を制御するオンラインリアルタイムの自動制御系
が考えられる。そのような同調の自動制御系の一つに、
スレーブレーザの励起開始からレーザ発振までの時間
（発振遅延時間と呼ぶ）を計測してこれが最小になるよ
うに帰還系を介してスレーブ共振器の長さを制御する方
法がある。これは、注入同期形を始めとして単一周波数
発振レーザにおいて、同調条件が満足されたときに発振
遅延時間が最小になることを利用した制御である。図７
は、スレーブ共振器の長さを変化させたときの発振遅延
時間の変化を示す図である。図７において横軸は共振器
長の変化量、縦軸は発振遅延時間である。発振遅延時間
は、１／２波長の共振器長変化を周期として増減を繰り
返している。発振遅延時間の小さい領域が同調条件が成
立またはそれに近い状態（以後便宜上同調領域と呼ぶ）
で、単一周波数発振が得られる領域である。発振遅延時
間の大きい領域は、同調が成立していない離間領域で、
単一周波数発振は得られない領域である。上記制御系は
発振遅延時間を計測しながらスレーブ共振器の一方のミ
ラーを移動させ、発振遅延時間が増加したら移動方向を
反転させることにより、常に発振遅延時間が短い状態す
なわち同調状態を維持するものである。しかし、実際の
レーザにおいて共振器長変化に対する発振遅延時間の変
化の様子は、図７のような滑らかな曲線ではなく、ある
幅の中でばらつきを持ったものである。このような特性
を持つレーザに上記のような制御方式を用いると、同調
領域と離間領域との境界付近で制御が不安定になったり
ハンチングを起こしたりする。また極端な場合には、制
御系が暴走して同調状態を維持できなくなる可能性があ
る。

【０００６】本発明の目的とすることろは、このような
問題を解決して、同調の自動制御をオンラインリアルタ
イムで円滑安定に行う制御系を提供し、長時間にわたっ
て単一周波数発振を安定に維持することを可能ならしめ
るにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明のレーザ制御装置
は、パルス動作の単一周波数発振レーザにおいて、出力
パルスレーブ光の一部を受光し、その波形を測定する検
出部と、この検出部からの波形信号から発振遅延時間を
計測し、その発振遅延時間に応じて共振器の長さを制御
する制御部と、共振器長を変化させる微動装置とを備え
たことを特徴としている。

【０００８】

【作用】以上のような構成を有する本発明において同調
の自動制御は制御部のプログラムにより以下のような順
序に従って行われる。まず発振遅延時間を計測しながら
微動装置により共振器長を１／２波長だけ変化させる。
この間に得られた最小の発振遅延時間が得られた位置
へ、微動装置により共振器長を速やかに変化させる（こ
の動作を、初期スキャンと呼ぶ）。１／２波長に比べて
十分狭い微小ステップづつ微動装置を送り共振器長を変
化させて行きその都度発振遅延時間を一定数のパルスに
ついて計測する。この計測結果を処理演算して次の
（イ）または（ロ）の条件を満たした場合は微動装置に
よるステップ送りの方向を反転させてステップ送りと発
振遅延時間の計測を続ける。 （イ） 計測された発振遅延時間が過去の最小値より一
定値以上増加している。 （ロ） 計測された発振遅延時間のばらつきが一定値以
上である。

【０００９】このいずれの条件も満たされなければ、方
向を反転させずにステップ送りと発振遅延時間の計測を
続行する。ただし、ステップ送りの方向を反転させた後
一定ステップ数を通過するまでは、計測結果の値にかか
わらず再度の反転は行わない。さらに、ステップ送りと
計測を続けている過程に於て連続して一定回数以上
（イ）の条件が満たされたら、改めて上に述べた初期ス
キャン動作からやり直す。また、計測結果の処理演算に
用いる過去の発振遅延時間最小値は、最新の反転とその
一つ前の反転の間に得られたものに常に更新する。

【００１０】

【実施例】以下に本発明を注入同期形ＴＥＡ−ＣＯ₂ レ
ーザに適用した実施例を図１を参照しながら説明する。
図１に於て、１はマスターレーザであり、２はマスター
レーザ１の出力光すなわちマスター光である。３から６
はスレーブレーザの構成要素であり、３はレーザ媒質を
含むＴＥＡ−ＣＯ₂ レーザ放電部、４は出力ミラー、５
はリアミラー、６はマスター光をスレーブレーザに注入
するための注入ミラーである。７はスレーブレーザ共振
器の長さを精密に調節するための微動装置でピエゾ素子
でありリアミラー５が取り付けられている。８はピエゾ
素子に印加する高電圧を駆動信号に応じて発生するピエ
ゾドライバであり、９は計算機である。10はスレーブレ
ーザの出力光である。11はスレーブレーザの出力光の一
部を取り出すためのビームスプリッター、12は波形観測
用の高速応答の光検出器である。13は光検出器12の出力
信号をデジタル信号に変換するトランジェントレコーダ
である。14はレーザ媒質を励起するための放電電源、15
はトランジェントレコーダ13にトリガ信号を供給するた
めの分圧器である。

【００１１】前記のとおりの構成の実施例についてその
主な作用を図２のフローチャートを参照しながら以下に
説明する。制御運転を開始するとまず、前に述べた初期
スキャンを行いリアミラー５は最小発振遅延時間の得ら
れた位置へ移動する。次に、トランジェントレコーダ13
によりレーザ光波形の測定を開始する。トランジェント
レコーダ13からは放電開始時点を時間原点とするレーザ
出力波形のデジタル信号化された波形データが計算機９
に出力される。計算機９は10個の波形データを取り込
み、放電開始からレーザ発振開始までの時間すなわち発
振遅延時間を各波形データ毎に計測し記憶して発振遅延
時間の平均値を計算する。また、取り込んだデータの中
での最小値と最大値の差すなわち発振遅延時間のばらつ
きを計測する。計測された平均発振遅延時間と既に記憶
している過去の最小発振遅延時間と比較し、同様にばら
つきも既に記憶している設定値と比較する。その結果、
次の（イ）（ロ）の条件が満たされているか否かを判定
する。 （イ）計測された発振遅延時間が過去の最小値より５０
ｎｓ以上増加している。 （ロ）計測された発振遅延時間のばらつきが６０ｎｓ以
上である。

【００１２】この（イ）（ロ）の条件がいずれも満たさ
れていなければ、今までと同じ方向へピエゾ素子７を駆
動する１ステップ0.05μｍ分の駆動信号をピエゾドライ
バ８に出力する。（イ）（ロ）のいずれかの条件を満た
されていれば、今までと反対の方向に10ステップ0.5 μ
ｍピエゾ素子７を駆動する信号をピエゾドライバ８に出
力する。さらにこの時は、記憶している最小発振遅延時
間の値を、最新のピエゾ素子反転とその一つの前の反転
の間で得られた最小の発振遅延時間の値に置き換える。
以後はステップ送りと、発振遅延時間の計測を続行す
る。

【００１３】さらに、上記のような制御動作を行ってい
る過程で連続する20ステップにわたって（イ）の条件が
成り立ったら、動作点が同調領域から外れたと見なして
再度初期スキャンを実施して制御をやり直す。

【００１４】以上のように、本実施例に於て制御系は共
振器長のステップ送り、発振遅延時間とそのばらつきの
計測、ステップ送り方向反転条件の判定を常に繰り返し
ていく。しかして、ステップ送り方向を行ったら、比較
対象の最小発振遅延時間の更新、10ステップの再反転禁
止を実行する。さらに制御外れの状態になった場合は再
度初期スキャンからやり直す。このようにして、同期領
域と離間領域の境界付近での不安定動作の発生、ハンチ
ングの発生さらには制御系の暴走等を防止して同調状態
を安定に維持することが実際のレーザについて実現でき
る。前記のような作用を行う本発明実施例に於ては、以
下に説明するような効果を発揮する。

【００１５】実際のレーザは周囲条件の変化等により共
振器長が変化し、最小の発振遅延時間が得られる位置が
変化する。また放電による媒質気体の変化により最小発
振遅延時間の値も変化する。しかし、変発明のような制
御動作を行うことにより、共振器はその時の条件下で発
振遅延時間が最も短い状態すなわち同調状態に維持され
る。さらに、共振器の同調領域と離調領域との境界付近
で、制御が不安定になったり暴走したりすることを防ぐ
ことが可能となる。

【００１６】本発明はその構成、作用の説明から明らか
なように、注入同期放電励起のレーザに於てのみその効
果を発揮するものではない。レーザをシング縦モードす
なわち単一周波数で発振させるためには必ず共振器の同
調制御が必要である。そしてパルス発振レーザを単一数
発振させる場合には、注入同期方式を始めどのような形
式によるものであっても本発明は有用な効果を発揮する
ものである。以下にその例として、一般に低圧ガスセル
形と呼ばれている形式によってＴＥＡ−ＣＯ₂レーザを
単一周波数発振させる場合の本発明実施例を説明する。

【００１７】図３は低圧ガスセル形ＴＥＲ−ＣＯ₂ ガス
レーザにおいて本発明を実施した場合の説明図である。
図３に於て、16は連続発振をする低ガス圧のレーザ管、
17はレーザ管16を放電させるための電源である。その他
は図１に示してあるものと同じであるので説明は省略す
る。ただし、マスターレーザと注入ミラーはこの実施例
に於ては用いられないので図３には示されていない。

【００１８】低圧ガスセル形の単一周波数発振ＴＥＲ−
ＣＯ₂ レーザは、共振器内にＴＥＡ−ＣＯ₂ レーザ放電
部と低ガス圧ＣＷ動作のＣＯ₂ レーザ管を直列に配置し
たもので、ＣＷレーザとＴＥＲ−ＣＯ₂ レーザが共振器
を共有して働くものである。このような構成のレーザに
於て、単一周波数発紙を得るには、共振器の長さを精密
に調整して縦モードスペクトルをＣＷレーザ光の周波数
に一致させることが必要である。すなわち共振器の精密
な同調が必要である。また、長時間安定に単一周波数発
振を維持するためには、自動制御系による同調の安定化
が必要である。そして、同調状態の時に発振遅延時間は
注入同期形と同様に最小となる。

【００１９】以上の点から、発振遅延時間を最小に保つ
ように制御する本発明が、低圧ガスセル形のＴＥＲ−Ｃ
Ｏ₂ レーザに於てもその効果を発揮することは説明する
までもなく明らかである。注入同期形、低圧ガスセル形
以外のエタロン形等、パルス発振をするレーザで共振器
長を制御することにより単一周波数発振を得る場合に、
本発明はなんら本質的変更なく利用可能でありその効果
を発揮するものである。

【００２０】

【発明の効果】以上の説明で理解されるように、本発明
によるレーザ制御系は、以下に説明するような効果を発
揮する。

【００２１】レーザを単一周波数で発振させようとする
場合に於て、レーザは周囲条件の変化等により共振器長
が変化し、最小の発振遅延時間が得られる位置が変化す
る。また放電による媒質気体の変化により最小発振遅延
時間の間も変化する。しかし、本発明のような制御動作
を行うことにより、共振器をその時の条件下での発振遅
延時間が最も短い状態すなわち同調状態に維持すること
が可能である。さらに、共振器の同調領域と離間領域と
の境界付近で、制御が不安定になったり暴走したりする
ことを防ぐことが可能となる。よって、長時間にわたっ
て単一周波数発振を安定に維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を注入同期形ＴＥＡ−ＣＯ₂ レーザに適
用した実施例を示すブロック図。

【図２】本発明のフローチャート。

【図３】本発明の他の実胞例として、低圧ガスセル形Ｔ
ＥＡ−ＣＯ₂ レーザに適用した場合を示すブロック図。

【図４】注入同期形レーザの一般的構成を示す図。

【図５】注入同期形レーザの動作原理を示す特性図。

【図６】同じく注入同期形レーザの動作原理を示す特性
図。

【図７】注入同期形レーザの共振器長と発振遅延時間の
特性を示す図。

【符号の説明】

１…マスターレーザ ２…マスター光 ３…ＴＥＡ−ＣＯ2 レーザ放電部 ４…出力ミラー ５…リアミラー ６…注入ミラー ７…ピエゾ素子 ８…ピエゾドライバ ９…計算機 10…スレーブレーザ出力光 11…ビームスプリッタ 12…光検出器 13…トランジェントレコーダ 14…放電電源 15…分圧器

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 共振器ミラーの微小ステップ移動を行い
   発振遅延時間とそのばらつきを計測し、発振遅延時間が
   過去の最小値より一定値以上増加、または発振遅延時間
   のばらつきが一定値以上であったら、共振器ミラーの移
   動方向を反転させて共振器長を制御するレーザ同調制御
   に於て、共振器ミラーの移動方向反転後一定ステップ数
   だけ移動するまでは再度の反転を行わないことを特徴と
   するパルス発振レーザ同調制御方法。
2. 【請求項２】 発振遅延時間の計測に於て、複数個のレ
   ーザパルスの発振遅延時間の平均値を一個の測定値とし
   過去の最小値と比較することを特徴とする請求項１記載
   のパルス発振レーザ同調制御方法。
3. 【請求項３】 共振器ミラーの移動方向を反転したら、
   発振遅延時間の過去の最小値を最後の反転とその一つ前
   の反転の間に得られた最小値に置き換えることを特徴と
   する請求項１記載のパルス発振レーザ同調制御方法。
4. 【請求項４】 一定回数連続して過去の最小発振遅延時
   間より一定値以上の発振遅延時間が計測されたら、共振
   器ミラーを１／２波長にわたってステップ移動させてそ
   の間に得られた最小発振遅延時間を、新たに過去の最小
   値として置き換えることを特徴とする請求項１記載のパ
   ルス発振レーザ同調制御方法。