JPH0797683B2

JPH0797683B2 - 気体レーザの安定化方法

Info

Publication number: JPH0797683B2
Application number: JP63179743A
Authority: JP
Inventors: 彰佐々木
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1988-07-19
Filing date: 1988-07-19
Publication date: 1995-10-18
Anticipated expiration: 2010-10-18
Also published as: JPH0228982A

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野】

本発明は、気体レーザの安定化方法に係り、特に、レー
ザ管から突出した先端部に、レーザ光を反射して共振さ
せるための内部鏡が設けられた気体レーザに用いるのに
好適な、発振されたレーザ光の周波数や光強度を安定化
することが可能な気体レーザの安定化方法に関するもの
である。

【従来の技術】

レーザにおいては、発振されたレーザ光の光強度や周波
数を安定化する必要がある。気体レーザ全般に共通した光強度変動の原因としては、
励起の変化、共振器長の変化、共振器アライメントの変
化があげられる。このうち励起の安定化は、通常定電流制御によつてなさ
れ、放電電流を検出して電流制御素子を制御したり、高
電圧を調節することが行われている。又、共振器長の変化による光強度変動は、発振縦モード
の数が少ない場合に問題となり、共振器を保持するロツ
ドを熱膨脹係数の小さい材料で構成することや、強制的
に共振器長を安定化することが行われている。更に、共振器アラインメントの変化は、主として共振器
構成要素の熱膨脹が異なること及び機械的振動のために
起こり、この影響を緩和するため、共振器を板ばねや軸
受けを介して固定することが行われている。又、温度不
均一性をなくすため、ロツドを発熱体であるレーザ管の
上を避けて配置し、金属で囲む方法や、温度不均一が生
じないように強制冷却を行う方法が行われている。一方、気体レーザの周波数安定化は、ある基準からの周
波数偏移を誤差信号として検出し、レーザ共振器長を制
御することによつて行われており、例えばレーザ遷移ス
ペクトルを基準として、圧電素子により外部鏡の位置を
軸方向に変え、共振器長を微小変調してレーザ周波数を
変調し、安定化することが行われている。しかしながら、レーザ管から突出した先端部に、レーザ
光を反射して共振させるための内部鏡が設けられた気体
レーザにおいては、前記先端部が強度的に弱い部分であ
るため、この先端部に力を加えることは全く検討されて
いなかつた。一般に気体レーザ、特に内部鏡型He−Neレーザは、レー
ザ管の熱膨脹により共振器のミラー間隔が変化し、出力
光強度が変動する。単一モードレーザ管では、その出力
光強度は、ゲインプロフイールに対応している。よつ
て、その出力光を観測すると、出力光強度曲線の頂点
に、第３図に示す如くラムデイツプ（窪み）が現れてい
る。その中心周波数は、0.633マイクロメートルのスペ
クトルの中心と一致して安定であり、ラムデイツプの幅
は、数十メガヘルツ程度で、ゲインプロフイールの幅
（数百メガ〜千メガヘルツ）と比較して一桁小さい。そこで、前記レーザ遷移スペクトルを基準とする際に該
ラムデイツプを利用して、レーザの発振周波数を安定化
することが考えられる。しかしながら、前記ラムデイツ
プをレーザ出力光強度のレベルに基づいて検出したので
は、レーザ出力光強度が大幅に変動するとロツク点が移
動してしまう恐れがあつた。

【発明が達成しようとする課題】

本発明は、レーザ出力光強度のレベル変動に拘わらず、
ラムデイツプの位置を正確に検出して、確実にロツクで
きる気体レーザの安定化方法を提供することを目的とす
る。

【課題を達成するための手段】

本発明は、レーザ管から突出した先端部に、レーザ光を
反射して共振させるための内部鏡が設けられた気体レー
ザの安定化方法において、前記先端部に横方向から曲げ
荷重を加え、該曲げ荷重の交流成分によつてレーザ光の
周波数を微少範囲内で変動させ、これによつて周波数に
よる光強度の１次微分値を得て、該１次微分値に応じて
レーザ管の温度を制御することにより発振モードをラム
デイツプに固定して、前記目的を達成したものである。又、前記曲げ荷重を圧電素子により印加するようにした
ものである。

【作用及び効果】

レーザ管から突出した先端部に、レーザ光を反射して共
振させるための内部鏡が設けられた、いわゆる内部鏡型
He−Neレーザ（λ＝0.633マイクロメートル）は、今
日、広範囲の基礎研究や光学計測法に使用されている。
発明者が、この内部鏡型He−Neレーザの前記先端部に横
方向から曲げ荷重を加えて実験したところ、縦モード移
動と光強度変化の現象が観測された。本発明は、これら
の現象を利用して、レーザの安定化を図つたものであ
る。発明者は、第１図に示すような実験装置を用いて、レー
ザ光を反射して共振させるための内部鏡（図示省略）が
設けられた、レーザ管10から突出した先端部（前端部12
F又は後端部12R）に横方向から曲げ荷重を加え、縦モー
ド移動の状態を観測した。ここで、レーザ管10としては、ウシオ社製、UNL−205R
S、UNL−205R、UNL−210R、UNL−220Rを使用し、このレ
ーザ管10を、第２図に示す如く、固定ネジ16の先端によ
り、レーザ管10の本体（太い中央部）の前後２箇所×同
一円周上等間隔（120゜間隔）の３点で固定した。先端部への荷重方法は、フロントミラーが内蔵された前
端部12F、リヤミラーが内蔵された後端部12R共に、その
ミラー端に、レーザ管10の管軸に対して直角に、重りで
零から0.6kgfの範囲で力学的荷重を加えた。又荷重方向
は、第２図に示した如く、レーザ管ミラー中心からカソ
ード端子14方向を０度とし、右回りを正、左回りを負と
した。縦モード移動の観測のため、レーザ出力光をスペクトラ
ムアナライザに入射し、オシロスコープに第３図の上段
に示すようなレーザ光のゲインプロフイールを表示し
て、その表示された縦モードを、荷重前後で読取り、縦
モード移動量（周波数移動量）を算出した。ここで、縦
モード間隔は、C/（2L）ヘルツ（Ｃは光速度、Ｌはレー
ザ管共振器長）として計算した。以上のような状態でレーザ管10を固定し、既に述べた荷
重方向に荷重ヘツドを回転させ、−180度から＋165度ま
で15度単位でモード移動を観測したところ、例えば第４
図に示すような観測結果が得られた。なお、ここでは荷
重量を一定としている。次に、荷重方向を同一（＋90度又は−90度）として、零
から、約50又は100gf単位で荷重を加え、このときの縦
モード移動を観測したところ、例えば第５図に示すよう
な観測結果が得られた。多数の実験結果から、荷重角度θと縦モード移動量Δｆ
の関係を求めたところ、次式のような近似式が得られ
た。 Δｆ＝Ａ＋Ｂ・cos（θ＋α） …（１）ここで、Ａ、Ｂは定数（Ａ＜＜Ｂ）、αは位相である。
この近似式と実験値との相関係数を求めたところ、0.84
7〜0.988の範囲であり、非常によい相関があることが判
明した。又、同じく多数の実験結果から、荷重量Ｗと縦モードの
移動量Δｆの関係を求めたところ、次式のような近似式
が得られた。 Δｆ＝Ｃ・Ｗ …（２）ここでＣは定数である。これらの現象は、レーザ管10の先端部12に曲げ荷重を加
えた時、レーザ管10に曲げが生じるので、レーザ管10を
固定ねじ16の位置で支持されたカンチレバーと考えて、
幾何光学と材料力学（カンチレバーの曲げ）によつて、
荷重状態での光学的ミラー間距離とその変化量をモデル
計算したところ、前出（１）式及び（２）式に対応する
理論式が得られ、説明できることがわかつた。なお、モ
デル計算では、レーザ管の両端ミラーを球面ミラーとし
たが、平面ミラーである場合にも同様な理論式が得られ
ることを確認している。次に、先端部への荷重を圧電素子で行つて、曲げ荷重に
よる光強度の変化について実験した。レーザ管固定状態は、荷重装置部分が圧電素子に変わつ
た以外は、第１図及び第２図に示した縦モード移動の測
定に用いられた装置と同様である。なお、レーザ管10と
しては、ウシオ社製UNL−205RSを用い、その放電電流は
５ミリアンペアとした。先ず圧電素子を、駆動電圧零ボルト時にも、レーザー管
10の先端部ミラー側面に対して加圧状態（先端部に曲げ
が生じる状態）となるように固定し、この時の加圧値を
Ｐとした。荷重は前端部12Fで−120度方向に加え、この
状態で圧電素子に０〜100Vの駆動電圧をかけて、レーザ
管点灯後の光強度変化を観測した。レーザ出力光強度の測定は、フロントビームをシリコン
フオトダイオードで受光し、その電流値を電圧に変換し
た後、ペンレコーダに記録することで行つた。レーザ管205RSは、通常、単一モードで発振しているた
め、光強度変化がゲインプロフイールをほぼ表してい
る。よつて、レーザ管点灯18分後の（１）ラムデイツプ
での光強度IR、（２）光強度変化の振幅Ｗ、（３）ゲイ
ンプロフイールの形状について検討したところ、下記第
１表に示すような結果が得られた。第１表から明らかなように、ラムデイツプでの光強度IR
は、荷重を増すに従つてほぼ線形に減少している。従つ
て、荷重を変化させることによつて、光強度を変化させ
られることがわかる。なお、第１表から、光強度変化の振幅Ｗは変化しておら
ず、更に、ゲインプロフイールの形状は、ラムデイツプ
の窪みが荷重と共に浅くなるが、全体の形状はほぼ相似
であることもわかる。従つて、第６図に示す如く、曲げ
荷重の交流成分によつてレーザ光の周波数を微少範囲内
で変動させ、これによつて第３図に示す如く周波数によ
る光強度の１次微分値（光強度の傾き…第６図のΔI/Δ
ｆ）を得れば、ラムデイツプでは該１次微分値が零とな
り、その前後で正負が反転するので、この信号を誤差信
号としてレーザ光の温度をフイードバツク制御すること
により、レーザ出力光強度のレベル変動に拘わらず、発
振モードを正確にラムデイツプの位置に固定して、レー
ザ光の周波数及び光強度を同時に安定化できる。なお前記説明においては、He−Neレーザが用いられてい
たが、本発明の適用範囲はこれに限定されず、一般の気
体レーザにも同様に適用できることは明らかである。又、曲げ荷重をかける手段も圧電素子に限定されない。

【実施例】

以下図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明す
る。本実施例は、本発明によりレーザ光の光強度及び周波数
を同時に安定化することが可能なレーザ出力安定化回路
であり、第７図に示す如く構成されている。本実施例は、レーザ管10から突出した前端部12Fと後端
部12Rに、レーザ光を反射して共振させるための内部鏡
がそれぞれ設けられたレーザ管10を備えている。該レーザ管10は、例えばウシオ社製UNL−205RSとされ、
その本体の中央部には、その温度を制御するための、例
えばフイルム状のヒータ20が配設されている。前記レーザ管10の前端部12Fの側方には、該前端部12Fに
曲げ荷重を加えるための圧電素子22が配設されている。
該圧電素子22には、圧電素子駆動回路24が接続されてお
り、該圧電素子駆動回路24には、縦モードの周波数を微
小範囲内で振動させるための、例えば百ヘルツの正弦波
を発振する正弦波発振器26が接続されている。前記後端部12Rの後方（図の左方）には、光強度の１次
微分信号を得るためにレーザ光のリヤビームを受光する
シリコンフオトデテクタ28が配設されている。該シリコ
ンフオトデテクタ28には、その出力電流を電圧に変換す
るための電流−電圧（Ｉ−Ｖ）変換器30が接続されてい
る。該Ｉ−Ｖ変換器30には交流増幅器32が接続され、該
交流増幅器32には、例えばＱ＝５、遮断周波数fc＝100H
zの高域フイルタ34が接続されている。該高域フイルタ3
4の出力はロツクインアンプ36に入力されている。このロツクインアンプ36には、前記正弦波発振器26か
ら、圧電素子駆動電圧の交流成分と同期した信号が、参
照信号として入力されている。このロツクインアンプ36
で求められた信号の１次微分値は、制御回路38に入力さ
れる。この制御回路38には差動増幅器（図示省略）が含
まれており、該差動増幅器によつて基準電圧（理想は零
ボルト）との差電圧が出力される。この出力につて、前
記ヒータ20に流れる電流が制御される。ここで、制御回路38に差動増幅器を設けているのは、ラ
ムデイツプでの１次微分値が、理論的には零ボルトとな
るはずであるが、実際には数ボルトの直流成分が存在す
るためであり、該差動増幅器の基準電圧をこの直流成分
値に設定して、直流成分を削除している。前記先端部12Fの前方（図の右方）には、フロントビー
ムを受光して光強度を検出するシリコンフオトデテクタ
40が設けられている。このシリコンフオトデテクタ40の
出力は、Ｉ−Ｖ変換器42で電圧信号に変換された後、ペ
ンレコーダ44に入力して安定度を監視するようにされて
いる。以下実施例の作用を説明する。レーザ出力光強度の１次微分値を得るために、前記圧電
素子22には、例えば直流成分数十ボルトと百ヘルツの交
流成分数ボルトの駆動電圧が、圧電素子駆動回路24から
与えられており、縦モードの周波数を一定の微少範囲内
で移動するようにされている。一方、レーザ管10の後端部12Rから出たリヤビームは、
シリコンフオトデテクタ28で受光され、Ｉ−Ｖ変換器30
でその電流値を電圧に変換した後、交流増幅器32及び高
域フイルタ34を介して、前記ロツクインアンプ36に入力
される。このロツクインアンプ36には、前記正弦波発振器26よ
り、圧電素子駆動電圧の交流成分と同期した信号が、参
照信号として入力されており、このロツクインアンプ36
で、信号の１次微分値が求められる。求められた１次微分信号は、制御回路38に入力され、内
蔵された差動増幅器によつて基準電圧との差電圧が出力
される。この出力によつて、前記ヒータ20に流れる電流
が、例えば零から百ミリアンペアの範囲で制御される。レーザ出力の安定化に際しては、第８図に示す如く、レ
ーザ管10の点灯（ステツプ110）から数十秒経過した後
に、先ず制御用基準電圧を知るために、ラムデイツプで
の１次微分値を測定する（ステツプ112、114）。その後、ヒータ20で熱平衡状態以上にレーザ管10をプレ
ヒートする（ステツプ116,118）。次いで、加熱を停止すれば、レーザ管10は収縮を始める
（ステツプ120）。そこで、縦モードがラムデイツプ近
傍に存在するときに、制御を開始すればよい（ステツプ
122、124）。本実施例による、レーザ出力光強度（Ｉ−Ｖ変換器42出
力）とその１次微分値（高域フイルタ34出力）の関係の
例を第９図に示す。図から明らかな如く、レーザ出力光
強度は変動しているにも拘らず、基準電圧1.8ボルトの
ところで、ラムデイツプを正確に捕らえていることがわ
かる。第10図に示す如く、ラムデイツプでの、時間に対するレ
ーザ光強度１次微分値の傾きをΔI/Δｗとする。そし
て、１次微分値の変動周期をＷとすると、実施例のレー
ザ管は単一モードで発振しているので、周期Ｗは、縦モ
ード間隔1260メガヘルツに対応していると考えられる。
よつて、ラムデイツプ近傍での１次微分値の変動量ΔＶ
に対応する周波数変動量Δｆは、次式で表される。 Δｆ［MHz］＝（1260/W）・（ΔW/ΔＩ）×ΔＶ［v₀lt］ …（３）又、第11図に制御開始後のレーザ出力光強度の安定状態
の一例を示す。光強度安定度を、平均光強度に対する変
動率とし、周波数安定度を、レーザ周波数4.7×10¹⁴ヘ
ルツに対する変動率と定義したところ、10分間の安定度
では、光強度で±0.034〜±0.087％、周波数±0.41〜1.
33×10^-8の安定度を達成することができた。又、１時間
の安定度では、光強度で±0.121〜0.393％、周波数で±
0.41〜1.33×10^-8の安定度を達成することができた。こ
れは、レーザ光強度のレベルを制御用信号とした場合と
比較して、10分間の安定度は同定度であるが、１時間の
安定度では、より高い安定度であることが確認できた。なお、本実施例においては、１次微分値を得るために周
波数を振動させているので、この振動の振幅以下に周波
数変動（光強度変動）を小さくすることは不可能であ
る。なお、前記実施例においては、ヒータ20によりレーザ管
10の温度を制御していたが、レーザ管の温度を制御する
方法は、これに限定されず、例えば冷却フアンの回転速
度を制御しても良い。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の原理を説明するための、実験装置の
構成を示す正面図、第２図は、同じく側面図、第３図は、単一モードレーザのゲインプロフイールとそ
の１次微分曲線を比較して示す線図、第４図は、荷重方向と縦モード移動の関係の例を示す線
図、第５図は、荷重量と縦モード移動の関係の例を示す線
図、第６図は、曲げ荷重の交流成分による周波数変動とレー
ザ出力光変動の関係の例を示す線図、第７図は、本発明に係るレーザ出力安定化回路の実施例
の構成を示すブロツク線図、第８図は、前記実施例において、安定化制御を開示する
までの手順を示す流れ図、第９図は、前記実施例におけるレーザ出力光強度とその
１次微分値の関係の例を示す線図、第10図は、レーザ管熱膨脹時のレーザ出力とその１次微
分値の関係の例を示す線図第11図は、前記実施例におけるレーザ出力光強度の安定
状態を示す線図である。 10……レーザ管、 12F……前端部、12R……後端部、 20……ヒータ、22……圧電素子、 24……圧電素子駆動回路、 26……正弦波発振器、 28……シリコンフオトデテクタ、 34……高域フイルタ、 36……ロツクインアンプ、 38……制御回路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ管から突出した先端部に、レーザ光
を反射して共振させるための内部鏡が設けられた気体レ
ーザの安定化方法において、前記先端部に横方向から曲げ荷重を加え、該曲げ荷重の交流成分によつてレーザ光の周波数を微少
範囲内で変動させ、これによつて周波数による光強度の１次微分値を得て、該１次微分値に応じてレーザ管の温度を制御することに
より発振モードをラムデイツプに固定することを特徴と
する気体レーザの安定化方法。
【請求項２】請求項１に記載の気体レーザの安定化方法
において、前記曲げ荷重を圧電素子により印加すること
を特徴とする気体レーザの安定化方法。