JPH0774762B2 - レーザ周波数計 - Google Patents

レーザ周波数計

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JPH0774762B2
JPH0774762B2 JP24788488A JP24788488A JPH0774762B2 JP H0774762 B2 JPH0774762 B2 JP H0774762B2 JP 24788488 A JP24788488 A JP 24788488A JP 24788488 A JP24788488 A JP 24788488A JP H0774762 B2 JPH0774762 B2 JP H0774762B2
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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4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5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・λx/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4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5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4図の場合には回折格子と光検出器の距離を大きく
し、第5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を第1の
周波数で位相変調する位相変調器と、この位相変調器の
出力光と第2の周波数で位相変調され発振周波数が既知
の参照レーザ光とを合波する光学手段と、この光学手段
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検出する
光検出器と、この光検出器の出力を前記第1の周波数で
位相検波する第1の増幅手段と、この第1の増幅手段の
出力を記憶する第1のメモリ回路と、前記光検出器の出
力を前記第2の周波数で位相検波する第2の増幅手段
と、この第2の増幅手段の出力を記憶する第2のメモリ
回路と、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、この掃引手段によるミラ
ー間隔の変化に対応する第1のメモリ回路出力と第2の
メモリ回路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・エタロンの透過光は光検出器で検出
され、それぞれの増幅手段でそれぞれ被測定レーザ光お
よび参照レーザ光の干渉信号の1次微分信号が検出さ
れ、メモリ回路を介して被測定レーザ光の周波数が演算
される。
《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。2,3はそれぞれ被測定レーザ光,参照レーザ光を入
射して位相変調するLiNbO3等の電気光学結晶からなる第
1,第2の位相変調器で、15は第1の位相変調器2を第1
の周波数f1で励振する第1の発振器、16は第2の位相変
調器3を第2の周波数f2で励振する第2の発振器、4は
第1の位相変調器2の出力光をその一方の面に入射し他
方の面に第2の位相変調器3の出力光を入射して両方の
光を合波する光学手段を構成するハーフミラー、5,6は
ハーフミラー4の出力光を入射するピンホール、7はピ
ンホール5,6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7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71,72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73か
らなり、真空チャンバ76内に構成されている。13は圧電
アクチュエータ73を駆動する例えば0.5Hzの三角波発振
器、8はファブリ・ペロー・エタロン7を透過する光を
入射する光検出器、9は発振器15の出力を参照信号とし
て光検出器8の出力信号を位相検波する第1の増幅手段
を構成するロックインアンプ、10は発振器16の出力を参
照信号として光検出器8の出力信号を位相検波する第2
の増幅手段を構成するロックインアンプ、11はロックイ
ンアンプ9の出力信号を記憶する第1のメモリ回路、12
はロックインアンプ10の出力信号を記憶する第2のメモ
リ回路、14はメモリ回路9.10の出力および発振器13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。被測定レーザ光は位相変調器2により周波数f1で位
相変調を受け、参照レーザ光は位相変調器3により周波
数f2で位相変調を受ける。位相変調された被測定レーザ
光および参照レーザ光はハーフミラー4で合波される。
被測定レーザ光および参照レーザ光は、それぞれピンホ
ール5,6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、ハーフミラー4において被測定レーザ光
が透過し参照レーザ光が反射して合波されると、ピンホ
ール5,6を通過し同一光路を通ってファブリ・ペロー・
エタロン7に入射する。ファブリ・ペロー・エタロン7
に入射した光は凹面鏡71と72の間を3往復して入射光と
干渉して凹面鏡72を通過する。すなわち凹面鏡71と72の
焦点は互いの鏡面上にあるので、入射光は凹面鏡72で反
射して焦点74に至ってそこで反射し、凹面鏡72で反射し
て入射光と平行光となりさらに凹面鏡71で反射して焦点
75に至って反射し、凹面鏡71で反射して入射光と同一経
路に戻り、干渉する。ファブリ・ペロー・エタロン7を
透過した光は光検出器8で検出される。光検出器8の出
力はロックインアンプ9,10においてそれぞれ周波数f1,f
2で同期検波され、ロックインアンプ9からは被測定レ
ーザ光のファブリ・ペロー・エタロン7の透過信号の1
次微分波形が出力され、ロックインアンプ10からは参照
レーザ光のファブリ・ペロー・エタロン7の透過信号の
1次微分波形が得られる。ファブリ・ペロー・エタロン
7のミラー間隔は発振器13により三角波で掃引されてい
るので、ミラー掃引長とロックインアンプ9,10の出力信
号との関係は第2図のようになる。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。この一次微分波形がそれぞれメモリ回路
11,12に記憶され、メモリ回路11,12の出力と発振器13出
力から被測定レーザ周波数が周波数演算回路14で演算さ
れる。
次に第2図に示す1次微分波形から周波数演算回路14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。ただしファブリ・ペロー・エタロン7を通過した2
つの光ビームの干渉ピーク位置は第2図の1次微分波形
のゼロクロス点と一致する。ファブリ・ペロー・エタロ
ン7は前述のような構成であるため、干渉ピークの間隔
はλx/6,λref/6となり、被測定光の干渉ピーク数Mx
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=(λx/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。被測定レーザ光のエタロン
透過光が干渉ピークa,bとなったときの圧電アクチュエ
ータ73の印加電圧をそれぞれVa、Vbとし、参照レーザ光
のエタロン透過光が干渉ピークc,dとなったときの圧電
アクチュエータ73の印加電圧をそれぞれVc、Vdとする。
参照レーザ光の干渉ピーク間隔はλref/6で一定である
ので、ミラー掃引長Δxは圧電アクチュエータ73の印加
電圧Vの関数となり、 Δx=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) 上記の実施励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。
また参照レーザ光と被測定レーザ光のエタロン透過信号
を異なる変調周波数により分離するので、光検出器が1
つですみ、2つの光ビームを分離する光学手段も必要な
い。また参照レーザ光と被測定レーザ光が同一波長でも
信号を分離することができるので、測定可能である。
また被測定レーザ光の偏波面がいかなる場合でも、2つ
の光ビームの透過信号を分離することができる。例え
ば、円偏波のレーザ光でも発振周波数を測定することが
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。
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。
また上記の実施例において、参照レーザ1として変調出
力のものを使用すれば、位相変調器3を省略することが
できる。
第3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、71は第1図と同じ凹面鏡、72はこの凹面鏡71に平
行に配置された半透性の平面鏡である。この平面鏡77
は、疑似的に平面鏡77の鏡面79に関して凹面鏡71と対称
な反対側の位置に点線で示した凹面鏡78があるのと同じ
効果を生じる。すなわち凹面鏡71と平面鏡77の間隔およ
び平面鏡77と疑似的な凹面鏡78との間隔は等しい。この
疑似的な凹面鏡78の焦点74が凹面鏡71の鏡面上に来るよ
うに平面鏡77の位置を定める。凹面鏡71と疑似的な凹面
鏡78の特性は同じなので、このようにすると凹面鏡71の
焦点は疑似的な凹面鏡78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
ぱ、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説明
図、第3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4図および第5図は従来のレーザ周波数計を
示す原理図である。 2……位相変調器、4……光学手段、7……ファブリ・
ペロー・エタロン、8……光検出器、9……第1の増幅
手段、10……第2の増幅手段、11……第1のメモリ回
路、12……第2のメモリ回路、14……周波数演算回路、
73……掃引手段、f1……第1の周波数、f2……第2の周
波数。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】被測定レーザ光を第1の周波数で位相変調
    する位相変調器と、この位相変調器の出力光と第2の周
    波数で位相変調され発振周波数が既知の参照レーザ光と
    を合波する光学手段と、この光学手段の出力光を入射す
    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検出する光検出器と、この
    光検出器の出力を前記第1の周波数で位相検波する第1
    の増幅手段と、この第1の増幅手段の出力を記憶する第
    1のメモリ回路と、前記光検出器の出力を前記第2の周
    波数で位相検波する第2の増幅手段と、この第2の増幅
    手段の出力を記憶する第2のメモリ回路と、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、この掃引手段によるミラー間隔の変化に対応
    する第1のメモリ回路出力と第2のメモリ回路出力に基
    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。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140055125A (ko) * 2012-10-30 2014-05-09 에스케이텔레콤 주식회사 주파수 측정 방법 및 장치

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KR20140055125A (ko) * 2012-10-30 2014-05-09 에스케이텔레콤 주식회사 주파수 측정 방법 및 장치

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