JPH07109918B2 - ガスレーザーの周波数安定化方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はガスレーザーの周波数安定化方法に関するもの
である。

〔従来技術とその問題点〕

ガスザーザー、例えば6328ÅのHe−Neレーザーは約474T
Hzの帯域（ドップラー幅）内で発振することができる。
これは1.5G Hzの帯域をもった光というのではなく、レ
ーザー発振器の特性で決まるほぼ等間隔に並んでいる周
波数でのみ発振可能となる。このほぼ等間隔に並んで発
振しているものを縦モードといい、その間隔は、 但し、C:光速 n:共振器内の屈折率 L:共振器長 で与えられる。

この縦モードの間隔は、レーザー管自体の放電熱や外部
からの熱影響等によりレーザー管の共振器長が変化する
と、縦モードの間隔が変化する。

実際のレーザー、例えば共振器長25cmのものについて考
えてみると、屈折率ｎ＝１と近似して となり、600MHzの波長の1/2が共振器長と等しくなる。
これらがこのレーザーの基本波となり、高調波が1.2G H
z,1.8G Hz,……と続くと考えられるが、レーザー発振で
きる周波数は474T Hzを中心とする帯域約1.5 G Hzであ
るので、その中に最高３本の高調波が入ることができ
る。これは600MHzの基本波に対し第79万次±１次高調波
であり、これがレーザーの縦モードである。

また、レーザー発振器は放電管により作られたもので、
レーザー発振されるために高圧電源により励起電流を流
すが、ガスレーザーの効率はあまり良くないので、レー
ザー管に与えられた電力の多くは熱量として消費される
ので、レーザー装置のスイッチをオンした直後からレー
ザー管自体の放電熱により共振器長が熱膨張して行くの
で縦モード間隔も徐々に狭くなっていく。

この共振器長変化はμｍのオーダーなので、縦モードの
間隔だけの変化をみればわずかであるが、レーザー発振
できる帯域では数10万次高周波であるので、縦モードの
場所（周波数）は大きく移動する。そして1.5 G Hzの帯
域内の端からモードが抜けて行き、縦モードが２本だけ
の状態になり、更に移動し行くと反対端から別のモード
が入ってきてまた３本の状態になる。

このような状態を繰返し、だんだん共振器の熱膨張もゆ
るやかになり、やがて熱平衡状態になって行く。ここま
でくると、あとは周囲温度の変化や振動等による共振器
長の変化だけになってくる。

周波数安定化を行なっていないレーザーは、この状態で
も縦モードが周波数の高い方へ移動したり、又低い方へ
移動したりして、周波数変化はドップラー幅である1.5
G Hzとなり、周波数安定度は、 Δf:周波数変動 f₀:レーザー発振中心周波数 となる。

この安定度３×10^-6という値は、単色性の良い光源では
あるが、より精密な用途には更に光度な安定度のものが
要求される。

従来、この縦モードの変動が少ない周波数安定化レーザ
ーとして、よう素安定化レーザー，ラムディップを利用
した安定化レーザー２本の縦モードを比較する方法によ
る安定化レーザー、外部より磁界を与えて縦モードを分
離し、そのビート信号を利用したゼーマンレーザー等で
ある。

しかし、これら従来の安定化レーザーは出力縦モードが
１本であるか、或いは周波数安定度が10^-9になったとし
ても、レーザー光周波数の変動（縦モードの変動）が数
MHzであり、また縦モード間隔は100KHz程度変動する場
合がある。

この変動を共振器長変化に換算すると、数mmの変化にな
ってしまう。通常周波数安定化されたレーザーの共振器
長の変化は、レーザーの波長（632.8nm）よりも小さ
い。

この誤差原因としては、共振器ミラーの異方性、共振器
内の屈折率の変化等が考えられるが、従来方法では仮に
縦モード間隔が数100KHz変動しても、それを検出し安定
化することができなかった。

〔発明が解決しようとする課題〕

多モードレーザーを必要とする装置では、縦モード間隔
が数百MHzであるため、上記のように100KHzの変動は無
視できない。

そこで、本発明はこの変動を消去する方法を提供するこ
とを課題とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、
第１の発明はレーザー管の出力光側にビームスプリッタ
ーと、このビームスプリッターによる反射成分又は透過
成分のどちらか一方から縦モード間隔のビート周波数を
検出する受光検出器を設け、且つ、加熱ヒーターやピエ
ゾ素子等を使ったレーザー管の共振器長制御装置を設
け、この共振器長制御装置によりレーザー管を所定の長
さ以上に伸長させ、運転中前記受光検出器による検出信
号に応じて前記共振器長制御装置を制御してレーザー管
の所定の長さに保持するようにしたものである。

また、第２の発明は、反射鏡から洩れる出力光からビー
ト周波数の変動を検出して、前記共振器長制御装置を制
御することにより、ガスレーザーの周波数安定化を行う
という方法である。

〔作用〕

レーザー管の共振器長が変化した場合、縦モードは周波
数軸上をレーザーの利得曲線内の範囲で移動して行く
が、縦モード間隔のビート周波数はレーザー管により動
きは異なるが規則的な変化を繰り返すので、このビート
周波数を受光検出器で検出し、その信号によりレーザー
管の共振器長制御装置が動作して共振器の長さに増減変
化を与えレーザー光の周波数を安定化させる。

これを図を参照し乍ら説明すれば次の通りである。

今、第１図に示すレーザー管１において、最初の共振器
間隔をＬとした場合、その共振器間隔Ｌを広げて行く
と、第２図（ａ）〜（ｂ）〜（ｃ）〜（ｄ）〜（ｅ）へ
と、縦モードI₁,I₂,I₃（レーザーの光周波数）が変化し
て行く。

図中の山形曲線は、レーザーの利得曲線であり、この曲
線に沿って縦モードの強度も変化して行き、利得曲線の
端では、光強度が弱くなり、やがて利得曲線から抜けて
（第２図（ｂ））I₁はレーザー発振できなくなってしま
い、縦モード２本の発振状態が続く。更に変化して行く
と、周波数の高い側から新しい縦モードI₄が利得曲線内
に入ってきて、I₂,I₃,I₄の縦モードで発振するようにな
る。

このように共振器間隔Ｌを変化させることにより、光周
波数を変化させると、第３図に示すように縦モード間隔
のビート周波数（第２図のI₂とI₃又はI₃とI₄の間隔周波
数）も周期的に変化する。これは共振器間隔Ｌの変化と
共に、共振器内の屈折率ｎの変化や、縦モード間の相互
作用等が影響を与えるためである。

そこで、このレーザー光を受光検出器で受光すると、I₂
とI₃またはI₃とI₄の差周波数（縦モード間隔のビート周
波数）が検出され、光周波数の変化がビート周波数の変
化として検出される。従ってこのビート周波数を一定に
保つことにより、光周波数の安定化を行なうことができ
る。

本発明では、その検出信号によりレーザー管の共振器長
制御装置を動作させて共振器の長さＬを増減変化させ、
それによりレーザー光の周波数を安定化させるものであ
る。

〔実施例〕

以下本発明の数例の実施例について図面に基づき説明す
る。

実施例１ 第４図は本発明の一実施例のブロック図で、１はレーザ
ー管、２は出力光側に設けたビームスプリッター、３は
ビームスプリッター２による反射光から縦モード間隔の
モード周波数を検出する受光検出器（実施例ではフォト
ダイオードを使用）、４は周波数→電圧変換器である。

５はレーザー管１を加熱して共振器長を伸長させるため
のヒーターで、ヒーター制御装置６によって制御され
る。

そしてこのヒーター制御装置６は、運転中は基準電圧源
７の基準電圧V₀と周波数→電圧変換器４の出力電圧Ｖを
入力する比較器８の電力電圧V₁電子スイッチ９を介して
与えられ、ヒーター５を制御するように構成されてい
る。

なおヒーター制御装置６内にはヒーター加熱の上限及び
下限を決めるリミッター61が装備されている。

10は電子スイッチ９を介して起動時にヒーター制御装置
６に前記比較器８からの出力電圧以上の電圧を与える初
期電圧印加装置、11は動作点電圧検出器、12は動作点電
圧の変動範囲設定器、13は判断回路、14は比較器８の出
力信号により起動するタイマ、15は高圧電源、16は緒戦
偏光板で、縦モードの偏光面に対し、45゜回転させる。
この直線偏光板16は出力光が直線偏光レーザー光の場
合、又はビームスプリッター１に偏光ビームスプリッタ
ーを使用すれば不要である。

次にその運転について説明する。

先ずレーザー装置のスイッチをオンすると、高圧電源15
によりレーザー管１に励起電流が流れ、レーザー発振す
ると共に、初期電圧印加装置10の電圧を電子スイッチ９
を介してヒーター制御回路６に与え、ヒーター５を定電
圧動作させてレーザー管１を加熱する。

するとレーザー管１の共振器長Ｌはこのヒーターの熱及
び自分自身の放電の熱により膨張していく。またレーザ
ー光はビームスプリッター２により出力光を制御用の光
とに分けられ、制御用の光は検出器３により縦モード間
隔の光モード周波数を電気的周波数として検出し、周波
数対電圧変換器４により周波数変化を電圧変化に変換さ
れ比較器８へ送られる。

ここでは基準電圧源７の電圧V₀と周波数対電圧変換器４
の電力Ｖとを比較し、その差電圧を増幅するが、比較器
８はわずかな差も制御できるように利得が高くなってい
るので、V₀とＶが大きくくずれると出力電圧V₁は回路の
電源電圧である＋V_cc又は−V_ccまで行ってしまう。この
ような出力V₁が電源電圧まで飽和してしまうと、制御が
できないので、−V_ccに移る時（V₀とＶの差が小さくな
った時）にタイマ14をセットし判断回路13により電子ス
イッチ９を切換え閉ループを作り制御を開始する。この
時のV₁は負電圧ではヒーター５が制御されないので０〜
＋V_ccまでの正電圧になる。

また実際には比較器８の利得は有限なので、ＶはV₀より
も1/利得だけずれた値に安定化される。

しかし共振器長Ｌの膨張がまだ大きく、その速度も早い
時は、すぐにV₁の電圧は飽和状態になり、ヒーター制御
装置６もリミットまで行ってしまい、制御不可能となっ
てしまう。

そこで共振器長Ｌの膨張が十分少なくなってから制御を
開始すれば、ヒーター５の変化範囲も少なく済み、V₁の
電圧もすぐに飽和電圧まで行ってしまう心配もない。こ
の共振器長Ｌの膨張が十分少なくなったことを知る為に
タイマ14でセットした単位時間の間ヒータ制御装置６の
出力が飽和電圧よりも狭い設定範囲内に留まっているか
どうかを判断すれば良い。

もし共振器長Ｌの膨張が大きく、その速度も早い時はタ
イマ14がタイムアップする前にヒーター制御電圧は大き
く変化し、設定範囲を越えてしまう。このようになった
時は判断回路13により電子スイッチ９を初期電圧印加装
置10側へ切り換えてまた定電圧動作状態に戻し、タイム
14をリセットし、次の閉ループの待機をする。

こうして狭い範囲で制御したり、初期状態に戻したりす
るという動作を繰り返していると、やがて初期電圧印加
装置10により与えられた電圧の熱量に対して共振器長Ｌ
が安定してくる。そして再びＶがV₀近くなり閉ループに
なり、タイマ14がセットされヒーター５による制御を開
始し、タイムアップとしてもヒーター制御電圧が狭い設
定範囲内にあった場合（今まで与えられていた熱量に対
し安定してきたためにヒーター制御電圧が少ない変化で
済むようになった場合）共振器長Ｌの膨張が十分少なく
なったと判断し、ここからは閉ループを解くことなく広
い範囲までの制御を開始し安定化状態になる。

実施例２ 第５図は異なる実施例を示すもので、上記実施例１の場
合は、ヒーター５の加熱制御により、共振器長の制御を
行うようにしたものであるが、この第２の実施例は高圧
電源15によりレーザー管１に流す励起電流に応じた発熱
量の変化に比例した熱膨張を利用して周波数の安定化を
図るようにしたものである。

即ち、高圧電源回路に電流制御回路17を設け、これを前
記実施例１と同じ手法で制御するようにしたものであ
る。

基本的動作は実施例１と同様であるが、実施例２の場合
は制御の手段が２重になっている。すなわちレーザー管
に流す励起電流による熱膨張と、実施例１と同様にヒー
ターによる熱膨張の２種類を利用している。この励起電
流による制御は、レーザー管に直接与えられる電力なの
で、共振器長制御の応答を破約することができる。しか
し、励起電流の変化はレーザー出力の変化と比例関係に
あるので、周囲の温度変化等を励起電流だけで制御する
と、励起電流が大幅に変化するため、レーザー出力の安
定度が悪くなる。

そこで、レーザー管に巻いたヒーターにより励起電流を
一定に保つように制御すれば、周囲温度等の変化による
レーザーの出力変動を小さくすることができる。

このように共振器長の早く小さい動きは励起電流により
制御し、周囲温度等大きな動きはヒーターにより制御す
るようにしたものである。

次にその動作を説明すれば、レーザー装置のスイッチを
オンすると、高圧電源によりレーザー管に励起電流が流
れるが、その値は初期電圧印加装置によって電子スイッ
チ９を介して電流制御回路17に与えられた電圧によって
決定される。

またヒーターも初期電圧印加装置10′により電子スイッ
チ９′を介してヒーター制御回路６に与えられた電圧に
より動作する。

レーザー光はビームスプリッター（この実施例では偏光
ビームスプリッター）２により出力と制御用に分けら
れ、受光検出器３により、縦モード間隔のビート周波数
を電気的周波数として検出し、周波数対電圧変換器４へ
送られ、その出力Ｖと基準電圧７の出力V₀とを比較器_８
で比較増幅する。

そして実施例１と同様ＶとV₀が近くなった時にタイマ14
をセットし、判断回路13bにより電子スイッチ９を切り
換え、比較器８の出力を電流制御回路17に与え、閉ルー
プを作り、ビート周波数安定化制御を開始する。しかし
レーザー管がまだ冷えていて共振器長Ｌの膨張がまだ大
きく、その速度も早い時は、励起電流は大幅に変化し、
電流検出器18で検出した電圧が範囲設定器19で設定した
範囲をすぐに越えてしまう。その場合は、判断回路13b
が動作して電子スイッチ９を切り換え初期状態に戻す。
これを繰り返すことにより、初期電圧印加装置10′の電
圧でヒーターにより加熱された熱量及び初期電圧印加装
置10の電圧で流された励起電流の熱量に対して共振器長
Ｌの熱膨張が安定してくる。

そして再びＶがV₀近くなり、タイム14がセットされ、閉
ループになり励起電流による制御を開始し、タイマ14が
タイムアップしても励起電流が範囲設定器19の範囲内に
あれば、励起電流の制御ループを電子スイッチ９により
解くことなく制御を開始すると同時に、判断回路13aに
より電子スイッチ９を切り換え、基準電圧７′と電流検
出器18により検出された電圧を比較している比較器13の
出力をヒーター制御回路６に与え、励起電流を一定に保
つ動作をし、これで安定化状態になる。

実施例３ 上記実施例１及び２はレーザー管１の加熱制御を行って
共振器長Ｌを一定制御する方式のものであるが、ピエゾ
素子を用いて共振器長Ｌを一定制御するようにしてもよ
い。

第６図はその実施例を示すもので、円筒状ピエゾ素子20
の両端をレーザー管１の２点a,bに固定し、そのピエゾ
素子20を印加電圧制御装置21によって制御するようにし
たものである。

この場合の制御の手法は実施例１の場合と同様なので説
明を省略する。

なお、実施例１における同じものは同一の符号を付して
いる。

実施例４ 第７図は異なる実施例を示すもので、この実施例は100
％反射ミラー1bからの漏洩光を受光検出器31により検出
してヒーター５を制御するようにしたもので、その動作
は実施例１の場合と同様なのでその説明は省略する。

〔発明の効果〕

本発明は加熱ヒーターやピエゾ素子等を使ったレーザー
管の共振器長制御装置を設け、この共振器長制御装置に
よりレーザー管の共振器長を所定の長さ以上に伸長さ
せ、運転中、共振器長で決まる縦モード間隔のビート周
波数を検出器により検出し、その検出信号に応じて前記
共振器長制御装置を制御してレーザー管の共振器長の一
定制御を行う方式で、安定度の高いガスレーザーの周波
数安定化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明の原理説明図、第４図〜第７図
はそれぞれ本発明の実施例のブロック図である。 １……レーザー管 ２……ビームスプリッター ３……受光検出器 ４……周波数→電圧変換回路 ５……ヒーター ６……ヒーター制御装置 ７……基準電圧源 ８……比較器 ９……電子スイッチ 10……初期電圧印加装置 11……動作点電圧検出器 12……動作電圧の変動範囲設定器 13……判断回路 14……タイマ 15……高圧電源 16……直線偏光板

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザー管の出力光側にビームスプリッタ
   ーと、このビームスプリッターによる反射成分から縦モ
   ード間隔のビート周波数を検出する受光検出器を設け、
   且つ、加熱ヒーターやピエゾ素子等を使ったレーザー管
   の共振器長制御装置を設け、この共振器長制御装置によ
   りレーザー管共振器長を所定の長さ以上に伸長さぜ、運
   転中前記検出器によるビート信号に応じて前記共振器長
   制御装置を制御してレーザー管の共振器長を所定の長さ
   に保持することを特徴とするガスレーザーの周波数安定
   化方法。
2. 【請求項２】レーザー管の反射鏡側に、この反射鏡から
   の洩れ出力光から縦モード間隔のビート周波数を検出す
   る受光検出器を設け、且つ、加熱ヒーターやピエゾ素子
   等を使ったレーザー管の共振器長制御装置を設け、この
   共振器長制御装置によりレーザー管の共振器長を所定の
   長さに伸長させ、運転中前記受光検出器によるビート信
   号に応じて前記共振器長制御装置を制御してレーザー管
   の共振器長を所定の長さに保持することを特徴とするガ
   スレーザーの周波数安定化方法。