JPH0711456B2 - レーザ周波数計 - Google Patents

レーザ周波数計

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JPH0711456B2
JPH0711456B2 JP23578888A JP23578888A JPH0711456B2 JP H0711456 B2 JPH0711456 B2 JP H0711456B2 JP 23578888 A JP23578888 A JP 23578888A JP 23578888 A JP23578888 A JP 23578888A JP H0711456 B2 JPH0711456 B2 JP H0711456B2
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浩二 秋山
哲 吉武
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Yokogawa Electric Corp
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    • GPHYSICS
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    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/001Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements based on interference in an adjustable optical cavity

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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、一般にレー
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λ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。ハーフミラー
41で未知の波長λの被測定光ビームと既知の波長λ
refの参照光ビーム(例えばHe−Neレーザ633nm等)を合
波しマイケルソン干渉計に入射する。合波された光はハ
ーフミラー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43が△l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。
△l≒Mx・λ/2≒Mref・λref/2 …(1) したがって、 λ=(Mref/Mx)・λref …(2) より被測定光の波長λ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△l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この被
測定レーザ光と直交する偏波面で且つ発振周波数が既知
である参照レーザ光とを合波する第1の偏光ビームスプ
リッタと、この第1の偏光ビームスプリッタの出力光を
入射するファブリ・ペロー・エタロンと、このファブリ
・ペロー・エタロンを透過する光を前記偏波面に基づき
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の偏光ビームスプリッタと、この第2の偏光ビー
ムスプリッタ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の偏光ビームスプリッ
タ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。
《作用》 ファブリ・ペロー・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=780.244nm)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・
ペロー・エタロンである。ファブリ・ペロー・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PZT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・ペロー・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
ームスプリッタ、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53を駆動する例えば0.5Hz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偏光面
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
ッタ2で反射されて合波され、ピンホール3,4を通過し
同一光路を通ってファブリ・ペロー・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鏡52
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、入射光は凹面鏡52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で反射して入射光を同一経路に戻り、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、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0.78μm、被測定レーザ光
の光周波数が1.55μm、三角波の掃引周波数が0.5Hz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λ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Mxに対応する掃引距離を△l、掃引
距離△l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。
△l=(λ/6)・(Mx−1)=(λref/6)・(Mref
−1)+α+β …(3) したがって、 λ=λref・(Mref−1)/(Mx−1)+6(α+
β)/(Mx−1)(nm) …(4) となり、被測定光周波数はfxは次式で求められる。
fx=c/λ …(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Va、Vb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Vc、Vdとする。ミラー掃引長Δ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、 Δ=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。
α=G(Vb)−G(Vd) …(7) β=G(Vc)−G(Va) …(8) 上記の実施例における数値例として例えば、λref=78
0,244nmとしてλ=1,55μm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(finesse: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Va〜Vd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倍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・ペロー・エタロン
を使用することもできる。
また偏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
・ペロー・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51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鏡58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と疑似的な凹面鏡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と疑似的な凹面鏡58
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
よ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。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−152201(JP,A) N.Ito and K.Tanak a:Metrologia,14(1978) P.47−51 田幸敏治他編「光学的測定ハンドブッ ク」朝倉書店(1981)第384頁

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】被測定レーザ光とこの被測定レーザ光と直
    交する偏波面で且つ発振周波数が既知である参照レーザ
    光とを合波する第1の偏光ビームスプリッタと、この第
    1の偏光ビームスプリッタの出力光を入射するファブリ
    ・ペロー・エタロンと、このファブリ・ペロー・エタロ
    ンを透過する光を前記偏波面に基づき前記被測定レーザ
    光と前記参照レーザ光の2つに分離する第2の偏光ビー
    ムスプリッタと、この第2の偏光ビームスプリッタから
    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の偏光ビームスプリッタから出力される
    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。
JP23578888A 1988-09-20 1988-09-20 レーザ周波数計 Expired - Lifetime JPH0711456B2 (ja)

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CN113810103B (zh) * 2021-09-08 2022-09-09 中国矿业大学(北京) 波长测量系统以及波长测量方法
CN114545702B (zh) * 2022-04-21 2022-09-13 国科大杭州高等研究院 一种压电调谐f-p滤波器的高精度装调系统、装调及调谐方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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N.ItoandK.Tanaka:Metrologia,14(1978)P.47−51
田幸敏治他編「光学的測定ハンドブック」朝倉書店(1981)第384頁

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