JPH06342955A - Frequency stabilizing method for laser and frequency stabilized laser - Google Patents

Frequency stabilizing method for laser and frequency stabilized laser

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JPH06342955A
JPH06342955A JP5132012A JP13201293A JPH06342955A JP H06342955 A JPH06342955 A JP H06342955A JP 5132012 A JP5132012 A JP 5132012A JP 13201293 A JP13201293 A JP 13201293A JP H06342955 A JPH06342955 A JP H06342955A
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JP
Japan
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laser
frequency
total reflection
reflection surface
optical path
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Application number
JP5132012A
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Japanese (ja)
Inventor
Hisao Osawa
日佐雄 大澤
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To control a laser to stabilize its oscillation in a wide range without impairing a quality of a laser light. CONSTITUTION:A metal reflecting mirror 4 is disposed near a totally reflecting surface 6 of a laser medium 1, a distance between the mirror 4 and the surface 6 is regulated by a piezoelectric element 5 to vary a phase of a laser light to be totally reflected thereby to control a substantial optical path length of the medium 1, thereby stabilizing an oscillating frequency of the laser.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、レーザー共振器から出
射するレーザー光の発振周波数を能動的に安定化させる
周波数安定化レーザーに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a frequency stabilizing laser which actively stabilizes the oscillation frequency of laser light emitted from a laser resonator.

【0002】[0002]

【従来の技術】レーザーを用いた光計測、特にレーザー
光の干渉を利用した測長、測距の分野では、レーザーの
発振周波数制御が特に重要である。光の干渉を利用する
ということは、その光の波長、すなわち周波数を測定の
ものさしとしているからである。そこで、レーザーの発
振周波数を能動的に安定化する試みは数多く行われてお
り、そのうちのいくつかはすでに実用化されている。
2. Description of the Related Art Laser oscillation frequency control is particularly important in the field of optical measurement using a laser, particularly in the field of length measurement and distance measurement utilizing interference of laser light. The reason for utilizing the interference of light is that the wavelength of the light, that is, the frequency is used as a measuring rule. Therefore, many attempts have been made to actively stabilize the oscillation frequency of the laser, and some of them have already been put to practical use.

【0003】レーザーの発振周波数を決定する要因とし
ては、以下の二つがあげられる。 (1)レーザー媒質の利得領域 (2)レーザー共振器の実効的な光路長(実効長)L (1)と(2)はどちらも重要な因子であるが、(1)に示す
レーザー媒質の利得領域は主にレーザー媒質によって決
まり、外部からの擾乱によって変化しにくいものである
こと、および、もともと利得領域は周波数安定度の目標
値に比べると遥かに広いことから、発振周波数の安定性
にはあまり大きな影響を与えない。一例として、比較的
利得幅の狭いといわれているガスレーザーであっても利
得領域が約1GHz、光計測によく用いられるNd:Y
AGなどの固体レーザーでは約100GHz以上の利得
領域をもっている。一方、測長、測距の分野では1MH
z以下、場合によっては1kHz以下の安定度が必要と
される。また、(2)に示すレーザー共振器の実効長L
は、発振周波数νがそれと、
There are the following two factors that determine the oscillation frequency of the laser. (1) Gain region of laser medium (2) Effective optical path length (effective length) L of laser resonator L (1) and (2) are both important factors. The gain region is mainly determined by the laser medium, and it is difficult for it to change due to external disturbances, and since the gain region is originally much wider than the target value for frequency stability, the stability of the oscillation frequency is improved. Does not have much effect. As an example, even a gas laser, which is said to have a relatively narrow gain width, has a gain region of about 1 GHz and is often used for optical measurement of Nd: Y.
A solid-state laser such as AG has a gain region of about 100 GHz or more. On the other hand, 1 MH in the fields of length measurement and distance measurement
Stability of z or less, or 1 kHz or less in some cases is required. Also, the effective length L of the laser resonator shown in (2)
Is the oscillation frequency ν

【数1】 ν =nC/2L ……(1) (ただし、Cは真空中での光の速度、nは整数)という
関係があるため、発振周波数の安定度に直接的な影響を
与える。このため、発振周波数を安定化するためには、
そのレーザー共振器の実効的な光路長Lの制御を行う必
要がある。
## EQU1 ## ν = nC / 2L (1) (where C is the speed of light in a vacuum, and n is an integer), so that it directly affects the stability of the oscillation frequency. Therefore, in order to stabilize the oscillation frequency,
It is necessary to control the effective optical path length L of the laser resonator.

【0004】レーザー共振器の実効長Lを制御する技術
として現在までに提案されたものとしては、たとえば次
のようなものがある。 1.レーザー共振器を構成する反射鏡を光軸方向に動か
す 2.レーザー共振器内にガラス板を置き、その傾きによ
りガラス板中の光路を変化させる 3.レーザー共振器内に複屈折性結晶を置き、これを回
転させて屈折率を変化させる 4.レーザー媒質に圧力を加えて歪ませ、屈折率を変化
させる。 5.レーザー共振器内に印加電圧で屈折率の変化する電
気光学素子を置く。
The following techniques have been proposed as techniques for controlling the effective length L of the laser resonator, for example. 1. 1. Move the reflector that constitutes the laser resonator in the optical axis direction. 2. A glass plate is placed inside the laser resonator, and the optical path in the glass plate is changed by the inclination. 3. Place a birefringent crystal in the laser cavity and rotate it to change the refractive index. The pressure is applied to the laser medium to distort it and change the refractive index. 5. An electro-optical element whose refractive index changes with an applied voltage is placed in the laser resonator.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のレーザー発振周波数の安定化技術は、次に挙げ
るような問題を持っていた。まず、1〜3に示す技術で
は、反射鏡、ガラス板、複屈折性結晶という比較的重量
のある素子を移動させて発振周波数を制御しているた
め、制御できる発振周波数の帯域が狭い、という問題が
ある。すなわち、素子を駆動機構等により機械的に移動
させる場合、素子の重量で決まる発振周波数以上の周波
数で素子を移動させようとすると制御信号に対して大き
な位相遅れが生じる。素子の発振周波数は一般に重量の
平方根に逆比例し、重量が重くなるに連れて低くなる。
したがって、応答性よく素子を駆動制御するためには発
振周波数より低い周波数で素子を駆動制御する必要があ
り、重量のある素子ではその帯域が狭くなってしまう。
However, the above-mentioned conventional technique for stabilizing the laser oscillation frequency has the following problems. First, in the techniques shown in 1 to 3, since the relatively heavy elements such as the reflecting mirror, the glass plate, and the birefringent crystal are moved to control the oscillation frequency, the controllable oscillation frequency band is narrow. There's a problem. That is, when the element is mechanically moved by a drive mechanism or the like, a large phase delay occurs with respect to the control signal when the element is moved at a frequency higher than the oscillation frequency determined by the weight of the element. The oscillation frequency of the device is generally inversely proportional to the square root of the weight, and becomes lower as the weight becomes heavier.
Therefore, in order to drive and control the element with good responsiveness, it is necessary to drive and control the element at a frequency lower than the oscillation frequency, and the band is narrowed in a heavy element.

【0006】また、4に示す技術では、レーザー媒質に
圧力を加えてこのレーザー媒質の屈折率を変化させてお
り、この際、上述の制御帯域確保という理由によりレー
ザー媒質に圧力をかける素子を大きくすることができな
い。したがって、小さい素子によりレーザー媒質に圧力
をかけることになるが、小さい素子ではレーザー媒質に
均一に圧力がかからず、レーザー媒質に光軸方向の共振
器長を変化させるだけででなく、光軸に直交する方向へ
の歪みも生じさせてレーザー媒質内の屈折率に分布がで
きる。これにより、レーザー媒質内を通るレーザー光の
プロファイル(断面方向の光の質)に影響を与えるとい
う問題がある。
In the technique shown in FIG. 4, pressure is applied to the laser medium to change the refractive index of the laser medium. At this time, the element for applying pressure to the laser medium is enlarged because of the above-mentioned control band. Can not do it. Therefore, pressure is applied to the laser medium by the small element, but the small element does not uniformly apply pressure to the laser medium, so that not only does the laser medium change the cavity length in the optical axis direction, but also the optical axis. Distortion in the direction orthogonal to is also generated, and the refractive index in the laser medium can be distributed. As a result, there is a problem that the profile of the laser light passing through the laser medium (the quality of light in the cross-sectional direction) is affected.

【0007】さらに、2、3、5に示す技術では、レー
ザー共振器内に素子を挿入するための空間を必要として
共振器が全体として大きくなり不安定要因が増える、と
いう問題がある。不安定要因の一例としては、共振器の
大型化により温度揺らぎによる熱膨張の影響が大きくな
ることがある。上述の(1)式からも明らかなように、熱
膨張により共振器の実効長が変化し、これが発振周波数
の安定化を阻害する要因となる。また、除振器等により
除去しにくい低周波の振動が起こりやすくなることも挙
げられる。さらに、素子周囲の空間に空気の流れが生
じ、この空気の流れによってレーザー発振が不安定にな
るという問題もある。
Further, the techniques shown in 2, 3, and 5 have a problem that a space for inserting an element in the laser resonator is required, and the resonator as a whole becomes large, and an instability factor increases. As an example of the instability factor, the effect of thermal expansion due to temperature fluctuations may increase due to the size increase of the resonator. As is clear from the above formula (1), the effective length of the resonator changes due to thermal expansion, which becomes a factor that hinders stabilization of the oscillation frequency. Another problem is that low-frequency vibrations that are difficult to remove with a vibration eliminator or the like are likely to occur. Further, there is a problem that an air flow is generated in the space around the element, and the air flow makes the laser oscillation unstable.

【0008】本発明の目的は、レーザー光の質を損うこ
となく広範囲な制御帯域かつ安定な発振周波数を得るこ
との可能な周波数安定化レーザーを提供することにあ
る。
An object of the present invention is to provide a frequency-stabilized laser capable of obtaining a wide control band and a stable oscillation frequency without deteriorating the quality of laser light.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】一実施例を示す図1に対
応付けて説明すると、本発明のうち請求項1の発明は、
光路OPに全反射面6が介在されたレーザー共振器1か
ら出射するレーザー光の発振周波数を能動的に安定化さ
せるレーザーの周波数安定化方法に適用される。そし
て、上述の目的は、全反射面6からもれだすレーザー光
を全反射面6に向けて反射してレーザー共振器1の光路
長を制御することにより達成される。また、請求項2の
発明は、光路OPに全反射面6が介在されたレーザー共
振器1から出射するレーザー光の発振周波数を能動的に
安定化させる周波数安定化レーザーに適用される。そし
て、上述の目的は、全反射面6のレーザー光反射部に近
接して配置された反射体4により、全反射面6からもれ
だすレーザー光を全反射面6に向けて反射してレーザー
共振器1の光路長を制御することにより達成される。こ
こで、レーザー共振器1から出射するレーザー光の発振
周波数が所定周波数となるように、反射体4と全反射面
6との間の距離を変化させてレーザー共振器1の実効的
な光路長を制御する制御手段7〜9を設けてもよい。さ
らに、圧電素子5により反射体4を駆動制御してこの反
射体4と全反射面6との間の距離を変化させてもよい。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Explaining in association with FIG. 1 showing an embodiment, the invention of claim 1 of the present invention is as follows.
It is applied to a laser frequency stabilization method for actively stabilizing the oscillation frequency of laser light emitted from the laser resonator 1 in which the total reflection surface 6 is interposed in the optical path OP. The above-mentioned object is achieved by controlling the optical path length of the laser resonator 1 by reflecting the laser light leaking from the total reflection surface 6 toward the total reflection surface 6. Further, the invention of claim 2 is applied to a frequency-stabilized laser that actively stabilizes the oscillation frequency of the laser light emitted from the laser resonator 1 in which the total reflection surface 6 is interposed in the optical path OP. The above-described object is to reflect the laser light leaking from the total reflection surface 6 toward the total reflection surface 6 by the reflector 4 arranged in the vicinity of the laser light reflection portion of the total reflection surface 6 This is achieved by controlling the optical path length of the resonator 1. Here, the effective optical path length of the laser resonator 1 is changed by changing the distance between the reflector 4 and the total reflection surface 6 so that the oscillation frequency of the laser light emitted from the laser resonator 1 becomes a predetermined frequency. You may provide the control means 7-9 which controls. Further, the piezoelectric element 5 may drive and control the reflector 4 to change the distance between the reflector 4 and the total reflection surface 6.

【0010】[0010]

【作用】全反射とは、高い屈折率を持った媒質から低い
屈折率を持った媒質へ光が進むときに入射角がある角
(臨界角)を超えたとき、低い屈折率側の媒質への光の
伝播がなくなりすべての光が媒質間の界面で反射されて
しまう現象である。しかしながら、このとき微視的に見
るとすべての光が界面で反射されているわけではなく、
界面からわずかに光の波長程度の距離まで光がもれだし
ている。この光はエバネセント(evanescent)光と呼ば
れており、界面近傍だけに存在して界面から離れると指
数関数的に減衰してしまう。したがって、実際の全反射
は、界面での幾何学的な反射に比べて光の波長程度だけ
反射位置がずれるということが知られている。この現象
はグースヘンシェンシフト(Goos-Hanchen shift)と呼
ばれている。
[Function] Total reflection means that when the incident angle exceeds a certain angle (critical angle) when the light travels from a medium having a high refractive index to a medium having a low refractive index, the medium has a lower refractive index. Is a phenomenon in which all light is lost and all light is reflected at the interface between media. However, at this time, when viewed microscopically, not all light is reflected at the interface,
Light is leaking from the interface to a distance of about the wavelength of light. This light is called evanescent light, and it exists only near the interface and decays exponentially when it leaves the interface. Therefore, it is known that the actual total reflection shifts the reflection position by about the wavelength of light as compared with the geometrical reflection at the interface. This phenomenon is called the Goos-Hanchen shift.

【0011】さて、全反射面に物体を接近させた場合、
その物体が透明体あるいは光吸収体であるとその物体の
方に光が吸収され、全反射していた面の反射率が下がる
ということが知られていた。しかしながら、その物体が
反射体であった場合にどうなるか、また、この反射体を
全反射面に接近させたときに全反射をしていた光の位相
がどうなるか、そして、このような全反射面を含む光共
振器の実効的な長さがどのように変化するかということ
はあまりよく知られていなかった。
When an object is brought close to the total reflection surface,
It has been known that when the object is a transparent body or a light absorber, light is absorbed by the object, and the reflectance of the surface that is totally reflected is lowered. However, what happens when the object is a reflector, and what happens to the phase of the light that is totally reflected when the reflector is brought close to the total reflection surface, and such total reflection It has not been well known how the effective length of an optical resonator including a plane changes.

【0012】本発明者は、全反射面に反射体を接近させ
ることにより、反射体が全反射面近傍にあるうちは、全
反射をしていた光の位相がその接近距離によりほぼ指数
関数的に変化することを見出し、それをレーザー共振器
の実効長制御に応用した。すなわち、反射体4により全
反射面6からもれだすレーザー光を全反射面6に向かっ
て反射して全反射するレーザー光の位相を変化させ、こ
れによりレーザー共振器1の実効的な光路長を制御して
レーザー共振器1から出射するレーザー光の周波数を安
定化した。
The present inventor brings the reflector close to the total reflection surface so that the phase of the light that is totally reflected is almost exponential depending on the approach distance while the reflector is in the vicinity of the total reflection surface. It was found that the change of the laser beam was changed to, and it was applied to the effective length control of the laser cavity. That is, the laser light leaked from the total reflection surface 6 by the reflector 4 is reflected toward the total reflection surface 6 and the phase of the laser light totally reflected is changed, whereby the effective optical path length of the laser resonator 1 is changed. Was controlled to stabilize the frequency of the laser light emitted from the laser resonator 1.

【0013】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段と作用の項では、本発明を分かり易
くするために実施例の図を用いたが、これにより本発明
が実施例に限定されるものではない。
Incidentally, in the section of means and action for solving the above problems for explaining the constitution of the present invention, the drawings of the embodiments are used for making the present invention easy to understand. It is not limited to.

【0014】[0014]

【実施例】図1は、本発明による周波数安定化レーザー
が適用されたリング型YAGレーザーを示す概略構成図
である。図1において、1はNd:YAG(発振周波数
1064nm)からなるレーザー媒質であり、略半球状
に形成されている。このレーザー媒質1の表面(球面)
の2箇所には、波長1064nmの光に対しては90〜
99%反射、780nmの光にたいしては透過となるよ
うな部分反射コーティング2が形成されている。また、
レーザー媒質1の平面(図中において下面)には反射コ
ーティング等が施されずに全反射面6とされている。3
は波長780nmの励起用半導体レーザーであり、この
半導体レーザーからの光は一方の部分反射コーティング
2を介してレーザー媒質1内に入射されている。この入
射光は、図1に示す時計回りの光路OPを辿り、波長1
064nmのレーザー発振が起こる。したがって、この
光路の実効的な光路長Lが上述の(1)式を満足するよう
に、レーザー媒質1の寸法、形状および部分反射コーテ
ィング2の形成位置等が定められている。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a ring type YAG laser to which a frequency stabilized laser according to the present invention is applied. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a laser medium made of Nd: YAG (oscillation frequency 1064 nm), which is formed in a substantially hemispherical shape. Surface of this laser medium 1 (spherical surface)
90% for light with a wavelength of 1064 nm.
The partial reflection coating 2 is formed so as to be 99% reflective and transmissive for light of 780 nm. Also,
The plane (the lower surface in the figure) of the laser medium 1 is a total reflection surface 6 without any reflection coating or the like. Three
Is a semiconductor laser for excitation having a wavelength of 780 nm, and light from this semiconductor laser is incident on the laser medium 1 through one of the partially reflective coatings 2. This incident light follows the clockwise optical path OP shown in FIG.
Laser oscillation of 064 nm occurs. Therefore, the size and shape of the laser medium 1 and the formation position of the partial reflection coating 2 are determined so that the effective optical path length L of this optical path satisfies the above-mentioned expression (1).

【0015】一方、レーザー媒質1の全反射面6には金
属反射鏡4が近接配置されている。金属反射鏡4は、上
述のレーザー発振光路OPの反射部に対向するように配
置されており、かつ、裏面に配置された圧電素子アクチ
ュエータ5により全反射面6との間の距離が調節可能と
されている。ここで、全反射面6でレーザーのビーム径
が最も細くなるようにしておけば、金属反射鏡4の大き
さはその時のビーム径程度でよくおおよそ数10μmあ
れば充分である。
On the other hand, on the total reflection surface 6 of the laser medium 1, a metal reflecting mirror 4 is arranged in proximity. The metal reflecting mirror 4 is arranged so as to face the reflecting portion of the above-mentioned laser oscillation optical path OP, and the distance from the total reflection surface 6 can be adjusted by the piezoelectric element actuator 5 arranged on the back surface. Has been done. Here, if the laser beam diameter is made to be the smallest at the total reflection surface 6, the size of the metal reflecting mirror 4 may be about the beam diameter at that time, and several tens of μm is sufficient.

【0016】金属反射鏡4は、全反射面6との間の距離
に応じてこの全反射面6で反射する光の位相を変化さ
せ、結果的に光路OPの実質的な光路長Lを変化させ
る。図2は、本発明者の実験結果による金属反射鏡4と
全反射面6との間の距離と光の位相変化との関係を示す
図である。ここに、波長は1064nm、全反射面6へ
の光線の入射角は85゜、レーザー媒質1の屈折率は
1.5である。金属反射鏡4は、全反射面6における光
の位相を0〜2πだけ変化させればよく、したがって、
図2の場合は0〜80nmだけ金属反射鏡4を移動させ
ればよい。圧電素子アクチュエータ5による金属反射鏡
4の移動距離は、この金属反射鏡4により全反射面6に
おける光の位相を0〜2πだけ変化させることができる
ように定められており、入射角が臨界角にほぼ等しい場
合はレーザー光の波長の約2倍(2×1064nm≒2
μm)だけ必要であり、これが最大限の移動距離であ
る。
The metal reflecting mirror 4 changes the phase of the light reflected by the total reflection surface 6 according to the distance from the total reflection surface 6, and consequently changes the substantial optical path length L of the optical path OP. Let FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the distance between the metal reflecting mirror 4 and the total reflection surface 6 and the phase change of light according to the experimental results of the inventor. Here, the wavelength is 1064 nm, the incident angle of the light beam on the total reflection surface 6 is 85 °, and the refractive index of the laser medium 1 is 1.5. The metal reflecting mirror 4 may change the phase of light on the total reflection surface 6 by 0 to 2π, and therefore,
In the case of FIG. 2, the metal reflecting mirror 4 may be moved by 0 to 80 nm. The moving distance of the metal reflecting mirror 4 by the piezoelectric element actuator 5 is set so that the phase of light on the total reflection surface 6 can be changed by 0 to 2π by the metal reflecting mirror 4, and the incident angle is the critical angle. Is approximately twice the wavelength of the laser light (2 × 1064 nm≈2
μm), which is the maximum distance traveled.

【0017】レーザー発振により発生したレーザー光は
レーザー媒質1の他方の部分反射コーティング2から出
射し、このレーザー光は部分反射鏡7により分岐されて
その一方は光差周波数計測手段8へと導かれる。光差周
波数計測手段8の構成は任意であるが、本実施例では図
3に示すような光差周波数計測手段8を用いている。
The laser light generated by the laser oscillation is emitted from the other partial reflection coating 2 of the laser medium 1, this laser light is branched by the partial reflection mirror 7, and one of them is guided to the optical difference frequency measuring means 8. . The configuration of the optical difference frequency measuring means 8 is arbitrary, but in the present embodiment, the optical difference frequency measuring means 8 as shown in FIG. 3 is used.

【0018】図3において、部分反射鏡7からのレーザ
ー光は非線形光学素子10に導かれ、この非線形光学素
子10は1064nmのレーザー光に対して第2高調波
(波長:512nm)を発生する。第2高調波は光位相
変調器11により位相変調を受け、部分反射鏡12によ
り2方向に分岐され、分岐された2つの第2高調波ビー
ムは、複数の反射鏡を有する反射光学系13により沃素
ガスが満たされた沃素セル14に導かれ、この沃素セル
14内において略対向される。沃素原子は、レーザー光
の第2高調波に等しい512nmの飽和吸収線を有し、
数Hz以下の確度を持っている。
In FIG. 3, the laser light from the partial reflecting mirror 7 is guided to the non-linear optical element 10, and the non-linear optical element 10 generates the second harmonic (wavelength: 512 nm) for the 1064 nm laser light. The second harmonic wave is subjected to phase modulation by the optical phase modulator 11, is branched into two directions by the partial reflection mirror 12, and the two branched second harmonic waves are reflected by the reflection optical system 13 having a plurality of reflection mirrors. It is guided to the iodine cell 14 filled with iodine gas, and substantially opposes in the iodine cell 14. The iodine atom has a saturation absorption line of 512 nm which is equal to the second harmonic of the laser light,
It has an accuracy of several Hz or less.

【0019】沃素セル14を通過した一方の第2高調波
ビームの透過光強度は光検出器15により検出され、ロ
ックインアンプ16のINポートに入力される。ロック
インアンプ16は、発振器17からREFポートに入力
されたサイン波と光検出器15により検出された第2高
調波ビームの透過光強度との位相差を検出し、この位相
差および強度に応じた信号をOUTポートから出力す
る。発振器17からのサイン波は電圧−周波数変換器1
8を介して光位相変調器11に入力されている。
The transmitted light intensity of one of the second harmonic beams that has passed through the iodine cell 14 is detected by the photodetector 15 and input to the IN port of the lock-in amplifier 16. The lock-in amplifier 16 detects the phase difference between the sine wave input from the oscillator 17 to the REF port and the transmitted light intensity of the second harmonic beam detected by the photodetector 15, and depending on this phase difference and the intensity. Output signal from the OUT port. The sine wave from the oscillator 17 is the voltage-frequency converter 1
It is input to the optical phase modulator 11 via 8.

【0020】部分反射鏡7からのレーザー光の周波数が
所定の周波数であれば、沃素セル14からの透過光強度
は最大になり、ロックインアンプ16からの出力も最大
になる。一方、部分反射鏡7からのレーザー光の周波数
が高周波または低周波側にシフトすると沃素セル14か
らの透過光強度は減少するが、沃素原子の飽和吸収線は
512nmを中央としたほぼ左右対称の形を有している
ため、高周波または低周波のいずれの側にシフトしたか
が透過光強度からだけでは検出できない。そこで、第2
高調波に位相変調をかけ、高周波側および低周波側にシ
フトしたときに位相差が180゜になるようにして、い
ずれの側にシフトしたかを検出している。これにより、
第2高調波が沃素原子の飽和吸収線の中央に安定化され
る。
When the frequency of the laser beam from the partial reflecting mirror 7 is a predetermined frequency, the intensity of the transmitted light from the iodine cell 14 is maximized and the output from the lock-in amplifier 16 is also maximized. On the other hand, when the frequency of the laser beam from the partial reflecting mirror 7 shifts to the high frequency or low frequency side, the intensity of the transmitted light from the iodine cell 14 decreases, but the saturated absorption line of the iodine atom is substantially bilaterally symmetric with 512 nm at the center. Since it has a shape, it cannot be detected only from the transmitted light intensity whether it is shifted to the high frequency side or the low frequency side. Therefore, the second
The harmonics are phase-modulated, and when they are shifted to the high frequency side and the low frequency side, the phase difference is set to 180 °, and which side is shifted is detected. This allows
The second harmonic is stabilized in the center of the saturated absorption line of iodine atom.

【0021】なお、オフセット加算器19によりロック
インアンプ16の出力にオフセット値を加算すれば、5
12nmから所定周波数だけずれた周波数に安定させる
こともできる。
If the offset value is added to the output of the lock-in amplifier 16 by the offset adder 19, then 5
It is also possible to stabilize at a frequency deviating from 12 nm by a predetermined frequency.

【0022】光差周波数計測手段8から出力された基準
周波数との差分信号は圧電素子駆動電源9により適宜増
幅され、圧電素子5に印加される。これにより、レーザ
ー媒質1から出射するレーザー光の発振周波数が所定周
波数となるように、金属反射鏡4と全反射面6との間の
距離が調整、制御される。この時、図2に示すように、
金属反射鏡4と全反射面6との距離に対して、光路OP
の実効的な光路長の変化はほぼ指数関数的にあらわれる
ので、光差周波数計測手段8と圧電素子駆動電源9との
間には図示しない対数増幅器を入れておくことが望まし
い。この結果、レーザー媒質1内における光路OPの実
効的な光路長Lが一定に保たれ、レーザー発振周波数が
安定化できる。
The difference signal from the reference frequency output from the optical difference frequency measuring means 8 is appropriately amplified by the piezoelectric element driving power source 9 and applied to the piezoelectric element 5. Thereby, the distance between the metal reflecting mirror 4 and the total reflection surface 6 is adjusted and controlled so that the oscillation frequency of the laser light emitted from the laser medium 1 becomes a predetermined frequency. At this time, as shown in FIG.
For the distance between the metal reflector 4 and the total reflection surface 6, the optical path OP
Since the effective change in the optical path length of 1 appears almost exponentially, it is desirable to insert a logarithmic amplifier (not shown) between the optical difference frequency measuring means 8 and the piezoelectric element driving power supply 9. As a result, the effective optical path length L of the optical path OP in the laser medium 1 is kept constant, and the laser oscillation frequency can be stabilized.

【0023】したがって、本実施例によれば、レーザー
媒質1の全反射面6に近接して金属反射鏡4を配置し、
この金属反射鏡4と全反射面6との間の距離を調整する
ことにより光路OPの実質的光路長を変化させて発振周
波数の安定化を図っており、上述の従来例における制御
素子(反射鏡、ガラス板、結晶)に比較して駆動制御す
べき素子(金属反射鏡4)を十分小さくすることがで
き、結果として金属反射鏡4を軽量化できて広範囲な制
御帯域を確保することができる。また、上述の従来例と
異なりレーザー媒質1に圧力等を印加する必要もなくて
レーザー光の質を損うこともなく、加えてレーザー媒質
1(レーザー共振器)内に素子を挿入する必要もないた
め安定性の高い発振周波数制御を行うことができる。
Therefore, according to the present embodiment, the metal reflecting mirror 4 is arranged close to the total reflection surface 6 of the laser medium 1,
By adjusting the distance between the metal reflecting mirror 4 and the total reflection surface 6, the substantial optical path length of the optical path OP is changed to stabilize the oscillation frequency. The element (metal reflecting mirror 4) to be drive-controlled can be made sufficiently smaller than that of a mirror, a glass plate, or a crystal, and as a result, the metal reflecting mirror 4 can be made lighter and a wide control band can be secured. it can. Further, unlike the above-mentioned conventional example, there is no need to apply pressure or the like to the laser medium 1, the quality of laser light is not impaired, and in addition, it is necessary to insert an element into the laser medium 1 (laser resonator). Since it does not exist, highly stable oscillation frequency control can be performed.

【0024】なお、本発明の周波数安定化レーザーは、
その細部が上述の一実施例に限定されず、種々の変形が
可能である。一例として、一実施例ではNd:YAGレ
ーザー媒質を用い、励起源として半導体レーザーを用い
たが、これに限らず周知の媒質、励起源が使用可能であ
る。
The frequency-stabilized laser of the present invention is
The details are not limited to the one embodiment described above, and various modifications are possible. As an example, in one embodiment, the Nd: YAG laser medium is used and the semiconductor laser is used as the excitation source, but the known medium and the excitation source are not limited to this and can be used.

【0025】[0025]

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、レーザー共振器の全反射面からもれだすレーザー
光を反射体により反射させることによりレーザー共振器
の実質的光路長を変化させて発振周波数の安定化を図っ
ているので、上述の従来例における制御素子(反射鏡、
ガラス板、結晶)に比較して駆動制御すべき素子を十分
小さくすることができて広範囲な制御帯域を確保するこ
とができる。また、上述の従来例と異なりレーザー共振
器に圧力等を印加する必要もなくてレーザー光の質を損
うこともなく、加えてレーザー共振器内に素子を挿入す
る必要もないため安定性の高い発振周波数制御を行うこ
とができる。
As described in detail above, according to the present invention, the substantial optical path length of the laser resonator is changed by reflecting the laser light leaking from the total reflection surface of the laser resonator by the reflector. In order to stabilize the oscillation frequency, the control element (reflecting mirror,
The element to be drive-controlled can be made sufficiently smaller than that of a glass plate or crystal, and a wide control band can be secured. Further, unlike the above-mentioned conventional example, there is no need to apply pressure or the like to the laser resonator, the quality of the laser light is not impaired, and in addition, there is no need to insert an element in the laser resonator, so High oscillation frequency control can be performed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例であるリング型YAGレーザ
ーを示す概略構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a ring type YAG laser which is an embodiment of the present invention.

【図2】金属反射鏡と全反射面との間の距離と位相変化
との関係の一例を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing an example of a relationship between a distance between a metal reflecting mirror and a total reflection surface and a phase change.

【図3】一実施例における光差周波数計測手段の詳細を
示す概略構成図である。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing details of optical difference frequency measuring means in one embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 YAGレーザー媒質 2 部分反射コーティング 3 励起用半導体レーザー 4 金属反射鏡 5 圧電素子 6 全反射面 7 部分透過鏡 8 光差周波数計測手段 9 圧電素子駆動電源 1 YAG laser medium 2 Partial reflection coating 3 Excitation semiconductor laser 4 Metal reflector 5 Piezoelectric element 6 Total reflection surface 7 Partial transmission mirror 8 Optical difference frequency measuring means 9 Piezoelectric element driving power supply

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 光路に全反射面が介在されたレーザー共
振器から出射するレーザー光の発振周波数を能動的に安
定化させるレーザーの周波数安定化方法において、 前記全反射面からもれだすレーザー光を前記全反射面に
向けて反射することにより前記レーザー共振器の光路長
を制御することを特徴とするレーザーの周波数安定化方
法。
1. A laser frequency stabilizing method for actively stabilizing the oscillation frequency of laser light emitted from a laser resonator having a total reflection surface interposed in the optical path, wherein the laser light leaks from the total reflection surface. A method for stabilizing a frequency of a laser, wherein the optical path length of the laser resonator is controlled by reflecting light toward the total reflection surface.
【請求項2】 光路に全反射面が介在されたレーザー共
振器から出射するレーザー光の発振周波数を能動的に安
定化させる周波数安定化レーザーにおいて、 前記全反射面のレーザー光反射部に近接して配置された
反射体により、前記全反射面からもれだすレーザー光を
前記全反射面に向けて反射することにより前記レーザー
共振器の光路長を制御することを特徴とする周波数安定
化レーザー。
2. A frequency-stabilized laser that actively stabilizes the oscillation frequency of laser light emitted from a laser resonator having a total reflection surface interposed in the optical path, in the vicinity of the laser light reflection portion of the total reflection surface. The frequency-stabilized laser is characterized in that the optical path length of the laser resonator is controlled by reflecting the laser light leaking from the total reflection surface toward the total reflection surface by the reflectors arranged in this manner.
【請求項3】 請求項2に記載の周波数安定化レーザー
において、 前記レーザー共振器から出射するレーザー光の発振周波
数が所定周波数となるように、前記反射体と前記全反射
面との間の距離を変化させて前記レーザー共振器の実効
的な光路長を制御する制御手段とを備えたことを特徴と
する周波数安定化レーザー。
3. The frequency stabilized laser according to claim 2, wherein the distance between the reflector and the total reflection surface is such that the oscillation frequency of the laser light emitted from the laser resonator has a predetermined frequency. And a control means for controlling the effective optical path length of the laser resonator by changing the frequency.
【請求項4】 請求項3に記載の周波数安定化レーザー
において、 前記制御手段は、圧電素子により前記反射体を駆動制御
してこの反射体と前記全反射面との間の距離を変化させ
ることを特徴とする周波数安定化レーザー。
4. The frequency-stabilized laser according to claim 3, wherein the control unit drives and controls the reflector by a piezoelectric element to change the distance between the reflector and the total reflection surface. A frequency-stabilized laser.
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