JPH051990B2 - - Google Patents

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JPH051990B2
JPH051990B2 JP14551987A JP14551987A JPH051990B2 JP H051990 B2 JPH051990 B2 JP H051990B2 JP 14551987 A JP14551987 A JP 14551987A JP 14551987 A JP14551987 A JP 14551987A JP H051990 B2 JPH051990 B2 JP H051990B2
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JP
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semiconductor laser
light
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wavelength
absorption
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JP14551987A
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Koji Akyama
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Yokogawa Electric Corp
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Yokogawa Electric Corp
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • 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
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/06Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/068Stabilisation of laser output parameters
    • H01S5/0683Stabilisation of laser output parameters by monitoring the optical output parameters
    • H01S5/0687Stabilising the frequency of the laser

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 《産業上の利用分野》 本発明は、半導体レーザの波長を原子や分子の
吸収線に制御して安定化し、2つの波長のレーザ
光を出力することができる半導体レーザ波長安定
化装置に関する。
《従来の技術》 第10図は従来の半導体レーザ波長安定化装置
を示す構成ブロツク図である。半導体レーザLD
の電流に周波数mの変調信号を重畳して半導体
レーザの発振波長を変調し、ビームスプリツタ
BSで分離した光の一方を特定の波長で吸収を起
こす標準物質を封入した吸収セルCLに入射する。
ビームスプリツタBSで分離した他方の光はミラ
ーMで反射されて出力光となる。吸収セルCLか
らの出射光は光検出器PDで電気信号に変換され、
ロツクインアンプLAで同期整流される。電流制
御回路CTでロツクインアンプLAの出力が一定値
となるように半導体レーザLDの電流を制御する
ことにより、半導体レーザLDの波長を吸収セル
CL内の原子の吸収線にロツクさせることができ
る。
《発明が解決しようとする問題点》 しかしながら、上記のような構成の半導体レー
ザ波長安定化装置では、半導体レーザの出力光の
平均周波数は標準物質の吸収線にロツクされて安
定となるが、変調周波数mで常に周波数が変動
しているので、発振周波数の瞬時値は安定ではな
い。また単一の波長出力しか得られないので、2
つの波長のレーザ光が必要な場合は、ビームスプ
リツタ等を用いて、安定化出力光を合波しなけれ
ばならないが、この手段は、光軸を調整する必要
がある等、実用に適さない。また、それぞれの波
長に対して異なる吸収セルを必要とするので高価
である。
本発明はこのような問題点を解決するためにな
されたもので、発振周波数が瞬時的にも高安定
で、かつ1個の吸収セルで複数の波長の出力が得
られる半導体レーザ波長安定化装置を実現するこ
とを目的とする。
《問題点を解決するための手段》 本発明は標準物質の吸収スペクトル線に半導体
レーザの波長を制御して波長を安定化する半導体
レーザ波長安定化装置に係るもので、その特徴と
するところは2つの半導体レーザのそれぞれの出
力光を入射して偏光面が直交するように合波する
偏光ビームスプリツタとこの合波した光を周波数
変調する変調手段と、この変調手段の出力光を入
射して特定の複数の波長で吸収を起こす標準物質
を封入した吸収セルと、この吸収セルの透過光の
直交する偏光成分を分離する第2の偏光ビームス
プリツタと、分離された2つの出力光を電気信号
に変換する2つの光検出器と、この光検出器の出
力電気信号に基づく信号をそれぞれ入力して前記
半導体レーザのそれぞれの発振波長を制御する制
御手段とを備えた点にある。
《作用》 2つのレーザ光出力を偏光ビームスプリツタで
偏光方向が互いに直角となるように合波し、同一
の変調手段および吸収セルを通過した後偏光ビー
ムスプリツタで分離することにより、2周波数に
ついてそれぞれ独立に波長安定化することができ
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、本発明の一実施例を示した図であ
る。その構成は、まず、半導体レーザLD1とLD
2の出力光をそれぞれ偏光ビームスプリツタ
PBS1で互いに直交する偏光に分波し、異なる
光源からの互いに直交する偏光を合波した一方の
出力を光出力とする。そして、合波した他方の出
力を音響光学変調器UM1に導入する。この音響
光学変調器UM1の出力を吸収セルCL1に導入
する。吸収セルCL1の内部には、複数種の波長
のレーザ光を吸収する物質、例えばセシウムCs、
ルビジウムRb、アンモニアNH3、水H2O等が封
入されている。即ち、吸収セルCL1を透過した
光には、複数の吸収スペクトルが生じている。吸
収セルCL1を透過した偏光面の異なる2つのレ
ーザ光は第2の偏光ビームスプリツタPBS2で
互いに直角方向に分離されそれぞれ受光素子PD
1,PD2に照射されて、受光光パワーに応じた
電気信号となる。この信号をロツクインアンプ
LA1,LA2に入力した後、更に電流制御回路
CT1,CT2に加える。そして、電流制御回路
CT1,CT2の出力は半導体レーザLD1,LD2
に加えられる。従つて、半導体レーザLD1,LD
2は、各電流制御回路CT1,CT2から加えられ
る信号により、印加電流が定まるので、この電流
値により発振周波数が決定される。また前記音響
光学変調器UM1にはスイツチSW1を介して発
振器SG1(周波数Dは例えば80MHz)が接続さ
れ、スイツチSW1には発振器SG2(例えばm
=25kHz)が駆動用に接続されている。したがつ
て、音響光学変調器UM1を透過した光は周波数
mで発振波長が変調される。また、発振器SG2
の出力は、それぞれロツクインアンプLA1,LA
2にも加えられ、mで同期整流が行なわれる。
電流制御回路CT1,CT2およびロツクインアン
プLA1,LA2は制御手段を構成する。
上記のような構成の半導体レーザ波長安定化装
置の動作を以下に詳しく説明する。
ここでは、吸収セルCL1を構成する吸収物質
としてセシウムCsを用いた例で説明する。
半導体レーザLD1の出力光は偏光ビームスプ
リツタPBS1で2方向に分離され、反射光は外
部への出力光となり透過光は音響光学変調器UM
1に入射する。同様に半導体レーザLD2の出力
光は、透過光が外部への出力光となり反射光は音
響光学変調器UM1に入射する。スイツチSW1
がオンの時音響光学変調器UM1は信号発生器
SG1の周波数Dの出力で駆動されるので、周波
12の入射光の大部分は回折して周波数(ド
ツプラ)シフトを受け、1次回折光として周波数
1D2Dの光が吸収セルCL1に入射する。
スイツチSW1がオフのときは入射光は全て0次
回折光として周波数12で吸収セルCL1に入
射する。スイツチSW1は信号発生器SG2の周波
数mのクロツクで駆動されるので、吸収セルCL
1に入射する光は変調周波数m変調深さDの周
波数変調を受けることになる。
第2図は、Cs原子のエネルギー準位を示す図
である。同図において、波長が852.112nmの光を
Cs原子に当てると、6S1/2から6P3/2へ電子が励起
されるため、光はエネルギーを失い吸収が起き
る。ここで6S1/2,6P3/2の準位はそれぞれ2本、
4本の超微細構造を持つ。従つて、厳密に言え
ば、この準位間で6通りの波長(または周波数)
の光で吸収が起きる。しかし、実際は、原子の運
動によるドツプラー広がりのため、吸収スペクト
ル幅は、数百MHzになるので、通常6P3/2レベル
の微細構造は観測されない。従つて、吸収スペク
トル線は第3図に示すように、a,bの2つの吸
収として観測される。第3図に示す吸収信号のう
ちaは、第2図に示すa即ちF4からのものであ
り、第3図に示すbは、第2図のb即ちF3から
のものである。吸収セルCL1に音響光学変調器
UM1で変調された光が入射すると、第4図の動
作説明図に示すように吸収信号の箇所でのみ透過
光量が変調を受けて出力に信号が現れる。この信
号を光検出器PD1,PD2で電気信号に変換しロ
ツクインアンプLA1,LA2において周波数m
で同期整流すれば、第5図の周波数特性曲線図に
示すような1次微分波形が得られる。このときロ
ツクインアンプLA1の出力は=s−D/2で
0となる。
このCs原子に周波数12の光を透過させると
透過光量は、それぞれ12の変化に応じた第3
図の吸収信号が得られる。従つて、ロツクインア
ンプLA1,LA2の出力波形は、この受光素子
PD1,PD2からの信号(第3図)を微分した第
6図、第7図に示すような波形となる。
偏光ビームスプリツタPBS2における分離に
より、ロツクインアンプLA1の出力には、周波
2の光の影響は現れないし、ロツクインアンプ
LA2の出力には、周波数1の光の影響は現れな
い。従つて、ロツクインアンプLA1,LA2の出
力は、それぞれ独立に第6図(ロツクインアンプ
LA1の出力)、第7図(ロツクインアンプLA2
の出力)のような波形となる。そして、ロツクイ
ンアンプLA1の出力が第6図のA点、ロツクイ
ンアンプLA2の出力が第7図のB点となるよう
に電流制御回路CT1,CT2で、半導体レーザ
LD1,LD2の発振周波数を制御すれば、出力か
ら取出されるレーザ光は、波長=852.112nm付近
であつて、互いに9.2GHz異なる安定な2つの波
長の光となる。
このような構成の半導体レーザ波長安定化装置
によれば、レーザの発振周波数が変調されていな
いので、瞬時的にも非常に安定な光源となる。
また1個の吸収セルで複数の波長のレーザ光を
出力できるので構成が簡単である。
また複数のレーザ出力光は原子の吸収線にロツ
クされるので、高精度・高スペクトル純度であ
る。
さらに高価な音響光学変調器やその駆動回路が
1組で済むので調整および構成が簡単かつ安価と
なる。一般に音響光学変調器の調整は偏光ビーム
スプリツタに比べてはるかに困難である。
次に、Dsの代りにRbを用いた場合を説明す
る。この場合、Csと同様に基底準位がF=1,
F=2の超微細構造を持つ。F=1からの吸収を
起こす周波数を1,F=2からの吸収を起こす周
波数を2とすると、これらの差であるΔ=12
は、Rb87の時は、Δ=6.8GHz,Rb85の時は、Δ
3GHzとなる。また、RbのD1線(5S1/2準位から
5P3/2への励起794.7nm)とD2線(5S1/2から5P1/2
への励起780.0nm)を使用すれば、Δλ=14.7nm
となる。また、CsとRbを通すことにより、 Δλ=852.1−780(または794.7)=72.1(または57.4

nmにもなる。更に、H2OやNH3等の分子吸収線
を使用しても良い。
第8図のような構成を用いると、飽和吸収分光
(参考;堀、角田、北野、藪崎、小川:飽和吸収
分光を用いた半導体レーザの周波数安定化、信学
技報OQE82−116)によりドツプラ広がりが無く
なるので、第2図で説明した超微細構造を識別す
ることができるようになる。従つて、第9図に示
すように超微細構造に基づいたロツクインアンプ
の出力信号が得られるので、そのうち、どこにロ
ツクするかで、Δは、更に小さくすることがで
きる。なお、第8図が第1図と異なる所は、第8
図に示すように、ミラーM1,M2を使用した点
で、吸収セルCL1を出射した光をミラーM1で
反射して再び吸収セルCL1にプローブ光として
入射し、飽和吸収分光した光をミラーM2で反射
して偏光ビームスプリツタPBS2に導いている。
また、第1図で示したロツクインアンプに入力
される周波数は、mの高調波を使用しても良い。
この場合、3倍調波を用いると、第6図、第7図
のロツクインアンプのバイアス成分を無くせる効
果がある。
また上記の実施例では変調手段として音響光学
変調器を用いているが、これに限らず、例えば電
気光学素子を用いた位相変調器を用いてもよい。
これには例えば縦型変調器、横型変調器、進行波
形変調器などがある(Amnon Yarif:光エレク
トロニクスの基礎(丸善)、p24CL1〜p253)。
また上記の実施例では制御手段の出力で半導体
レーザの電流を制御しているが、これに限らず半
導体レーザの温度を制御してもよい。
《発明の効果》 以上述べたように本発明によれば、発振周波数
が瞬時的にも高安定で、かつ1個の吸収セルおよ
び1個の変調器で複数の波長の出力が得られる半
導体レーザ波長安定化装置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図は本発明に係る半導体レーザ波長安定化
装置の一実施例を示す構成ブロツク図、第2図は
Cs原子のエネルギー準位の微細構造を示す図、
第3図はCs原子による吸収を示す図、第4図は
第1図装置の動作を説明するための動作説明図、
第5図は第1図装置の動作を説明するための第2
の特性曲線図、第6図および第7図は第1図装置
におけるロツクインアンプの出力を示す図、第8
図は第1図装置の変形例を示す構成ブロツク図、
第9図は第8図装置におけるロツクインアンプの
出力を示す図、第10図は従来の半導体レーザ波
長安定化装置を示す構成ブロツク図である。 LD1,LD2……半導体レーザ、UM1……変
調手段、CL1……吸収セル、PD1,PD2……
光検出器、m……変調周波数、LA1,LA2…
…ロツクインアンプ、CT1,CT2……電流制御
回路、SG2……発振器。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 標準物質の吸収スペクトル線に半導体レーザ
    の波長を制御して波長を安定化する半導体レーザ
    波長安定化装置において、2つの半導体レーザの
    それぞれの出力光を入射して偏光面が直交するよ
    うに合波する偏光ビームスプリツタとこの合波し
    た光を周波数変調する変調手段と、この変調手段
    の出力光を入射して特定の複数の波長で吸収を起
    こす標準物質を封入した吸収セルと、この吸収セ
    ルの透過光の直交する偏光成分を分離する第2の
    偏光ビームスプリツタと、分離された2つの出力
    光を電気信号に変換する2つの光検出器と、この
    光検出器の出力電気信号に基づく信号をそれぞれ
    入力して前記半導体レーザのそれぞれの発振波長
    を制御する制御手段とを備えたことを特長とする
    半導体レーザ波長安定化装置。 2 変調手段として音響光学変調器を用いた特許
    請求の範囲第1項記載の半導体レーザ波長安定化
    装置。 3 変調手段として電気光学素子からなる位相変
    調器を用いた特許請求の範囲第1項記載の半導体
    レーザ波長安定化装置。 4 標準物質としてRbまたはCsを用いた特許請
    求の範囲第1項記載の半導体レーザ波長安定化装
    置。
JP14551987A 1987-06-11 1987-06-11 半導体レ−ザ波長安定化装置 Granted JPS63308985A (ja)

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