JPH0918076A - 単一縦モード周波数可変レーザー発振器の発振周波数安定化装置及び方法と周波数掃引可能なレーザー発振装置及び方法 - Google Patents
単一縦モード周波数可変レーザー発振器の発振周波数安定化装置及び方法と周波数掃引可能なレーザー発振装置及び方法Info
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- JPH0918076A JPH0918076A JP7165954A JP16595495A JPH0918076A JP H0918076 A JPH0918076 A JP H0918076A JP 7165954 A JP7165954 A JP 7165954A JP 16595495 A JP16595495 A JP 16595495A JP H0918076 A JPH0918076 A JP H0918076A
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- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 構成が単純で経済的な周波数安定化と、高速
で周波数掃引が行えるようにする。 【構成】 ガス圧力・温度測定部１６により初期の所望
の周波数で発振しているときの圧力容器１２内のガス１
４の圧力と温度と、次いでそれらが変化したときの圧力
と温度とを測定する。これら測定された圧力と温度に基
づいてパーソナルコンピュータ２４によりガスの屈折率
が一定となる圧力を計算して、それに基づいて圧力変調
部１８によりガスの圧力を変化させ、所望の周波数を維
持するよう制御する。また、パーソナルコンピュータに
より掃引周波数に対応する圧力をガス圧力・温度測定部
により測定された圧力と温度とを用いて計算し、それに
基づいて圧力変調部１８によりガスの圧力を変化させ、
その変化に同期して、周波数選択素子３４の選択角度と
発振器１０の共振器長を補正する。
で周波数掃引が行えるようにする。 【構成】 ガス圧力・温度測定部１６により初期の所望
の周波数で発振しているときの圧力容器１２内のガス１
４の圧力と温度と、次いでそれらが変化したときの圧力
と温度とを測定する。これら測定された圧力と温度に基
づいてパーソナルコンピュータ２４によりガスの屈折率
が一定となる圧力を計算して、それに基づいて圧力変調
部１８によりガスの圧力を変化させ、所望の周波数を維
持するよう制御する。また、パーソナルコンピュータに
より掃引周波数に対応する圧力をガス圧力・温度測定部
により測定された圧力と温度とを用いて計算し、それに
基づいて圧力変調部１８によりガスの圧力を変化させ、
その変化に同期して、周波数選択素子３４の選択角度と
発振器１０の共振器長を補正する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、パルスレーザーで励起
される単一縦モード周波数可変レーザー発振器の周波数
安定化法及びその装置と周波数掃引可能なレーザー発振
装置及び方法に関するものである。産業上の利用分野と
しては、分光、光計測、光化学反応等の分野に利用でき
る。
される単一縦モード周波数可変レーザー発振器の周波数
安定化法及びその装置と周波数掃引可能なレーザー発振
装置及び方法に関するものである。産業上の利用分野と
しては、分光、光計測、光化学反応等の分野に利用でき
る。
【０００２】
【従来技術】高繰返しポンプレーザーによって励起され
る単一縦モード色素レーザー発振器の従来の周波数制御
法としては、小長井主税、佐藤俊雄による「ウラン濃縮
用色素レーザーシステムの波長制御」（レーザー研究第
２２巻第８号第９〜１８頁、平成６年８月刊行）に記載
されているように、機械掃引法が用いられてきた。この
方法は、色素レーザー発振器の構成要素であるグレーテ
ィング及びエタロンの周波数選択角度と共振器長を同期
して機械的に制御することにより単一縦モードの安定化
（即ち発振周波数の安定化）及び掃引を行う方法であ
る。
る単一縦モード色素レーザー発振器の従来の周波数制御
法としては、小長井主税、佐藤俊雄による「ウラン濃縮
用色素レーザーシステムの波長制御」（レーザー研究第
２２巻第８号第９〜１８頁、平成６年８月刊行）に記載
されているように、機械掃引法が用いられてきた。この
方法は、色素レーザー発振器の構成要素であるグレーテ
ィング及びエタロンの周波数選択角度と共振器長を同期
して機械的に制御することにより単一縦モードの安定化
（即ち発振周波数の安定化）及び掃引を行う方法であ
る。
【０００３】しかしながら、この方法では、エタロンの
制御方法及び制御角度を決定する為に、ロックイン増幅
器を用いたフェイズ・ロックド・ループ（ＰＬＬ）を利
用した位相検波法によるフィードバックループが必要と
なる。その結果、装置が複雑になると同時に高価な物に
なる。更に、ロックイン増幅器を用いたフィードバック
ループのため、周波数を安定化させるのに時間を要し、
また周波数掃引時間も遅くなる。
制御方法及び制御角度を決定する為に、ロックイン増幅
器を用いたフェイズ・ロックド・ループ（ＰＬＬ）を利
用した位相検波法によるフィードバックループが必要と
なる。その結果、装置が複雑になると同時に高価な物に
なる。更に、ロックイン増幅器を用いたフィードバック
ループのため、周波数を安定化させるのに時間を要し、
また周波数掃引時間も遅くなる。
【０００４】また、Ｇ．Ｂｏｌｌｅｎ，Ｈ．Ｊ．Ｋｌｕ
ｇｅ及びＫ．Ｗａｌｌｍｅｒｏｔｈによる”Ｈｉｇｈ−
ｐｏｗｅｒ ｐｕｌｓｅｄ ｄｙｅ ｌａｓｅｒ ｗｉ
ｔｈＦｏｕｒｉｅｒ−ｌｉｍｉｔｅｄ ｂａｎｄｗｉｄ
ｔｈ”（Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ／Ｖｏｌ．４，
Ｎｏ．３，／Ｍａｒｃｈ １９８７刊行，第３２９〜３
３６頁）には、色素レーザー発振器そのものは単一縦モ
ードで発振させないでマルチモードで発振させ、外部エ
タロンを用いて周波数の狭帯域化を付加的に行うことで
単一縦モードのみを取り出し、結果的に単一縦モード発
振を達成させている色素レーザー発振システムが開示さ
れている。このシステムにおいては、色素レーザー発振
器が配設されている密閉された容器内のガスの圧力を変
えることにより周波数を変える周波数掃引法を用いてお
り、周波数の安定化は、上記の狭帯域の外部エタロンに
より行っている。狭帯域の外部エタロンの通過ロスが大
きいため、色素レーザー発振器でのレーザー出力に比し
て外部エタロンを透過した出力が著しく小さくなる。そ
の結果、外部エタロンでの出力を大きく取るため、色素
レーザー発振器の出力を増大させる必要があり、それに
伴い色素レーザー発振器を駆動するためのポンプレーザ
ーとしてピークパワーの高いものが必要不可欠になる。
従って、一般的にピークパワーの低い高繰返しのポンプ
レーザーを用いた色素レーザーの発振は、不可能に近
い。
ｇｅ及びＫ．Ｗａｌｌｍｅｒｏｔｈによる”Ｈｉｇｈ−
ｐｏｗｅｒ ｐｕｌｓｅｄ ｄｙｅ ｌａｓｅｒ ｗｉ
ｔｈＦｏｕｒｉｅｒ−ｌｉｍｉｔｅｄ ｂａｎｄｗｉｄ
ｔｈ”（Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ／Ｖｏｌ．４，
Ｎｏ．３，／Ｍａｒｃｈ １９８７刊行，第３２９〜３
３６頁）には、色素レーザー発振器そのものは単一縦モ
ードで発振させないでマルチモードで発振させ、外部エ
タロンを用いて周波数の狭帯域化を付加的に行うことで
単一縦モードのみを取り出し、結果的に単一縦モード発
振を達成させている色素レーザー発振システムが開示さ
れている。このシステムにおいては、色素レーザー発振
器が配設されている密閉された容器内のガスの圧力を変
えることにより周波数を変える周波数掃引法を用いてお
り、周波数の安定化は、上記の狭帯域の外部エタロンに
より行っている。狭帯域の外部エタロンの通過ロスが大
きいため、色素レーザー発振器でのレーザー出力に比し
て外部エタロンを透過した出力が著しく小さくなる。そ
の結果、外部エタロンでの出力を大きく取るため、色素
レーザー発振器の出力を増大させる必要があり、それに
伴い色素レーザー発振器を駆動するためのポンプレーザ
ーとしてピークパワーの高いものが必要不可欠になる。
従って、一般的にピークパワーの低い高繰返しのポンプ
レーザーを用いた色素レーザーの発振は、不可能に近
い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、従来
技術におけるこのような様々な問題点を解消し、構成が
単純で経済的であり、また周波数掃引を高速で行うこと
ができる単一縦モード周波数可変レーザー発振器の発振
周波数安定化装置及び方法と周波数掃引可能なレーザー
発振装置及び方法とを提供することにある。
技術におけるこのような様々な問題点を解消し、構成が
単純で経済的であり、また周波数掃引を高速で行うこと
ができる単一縦モード周波数可変レーザー発振器の発振
周波数安定化装置及び方法と周波数掃引可能なレーザー
発振装置及び方法とを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、所定の気体を内部に含む密閉された容器の内部に配
置された単一縦モードで発振する周波数可変レーザー発
振器の発振周波数を安定化する本発明の装置は、前記気
体の圧力及び温度を測定する手段と、前記測定する手段
により異なる時間に測定された圧力及び温度とに基づい
て前記気体の屈折率を一定にするための圧力の補正量を
計算する手段と、前記の計算された圧力の補正量に応じ
て前記気体の圧力を変化させる手段とを備えることを特
徴とする。
め、所定の気体を内部に含む密閉された容器の内部に配
置された単一縦モードで発振する周波数可変レーザー発
振器の発振周波数を安定化する本発明の装置は、前記気
体の圧力及び温度を測定する手段と、前記測定する手段
により異なる時間に測定された圧力及び温度とに基づい
て前記気体の屈折率を一定にするための圧力の補正量を
計算する手段と、前記の計算された圧力の補正量に応じ
て前記気体の圧力を変化させる手段とを備えることを特
徴とする。
【０００７】上記目的を達成するため、所定の気体を内
部に含む密閉された容器の内部に配置された単一縦モー
ドで発振する周波数可変レーザー発振器の発振周波数を
安定化する本発明の方法は、前記気体の圧力及び温度を
測定するステップと、異なる時間に測定された圧力及び
温度とに基づいて前記気体の屈折率を一定にするための
圧力の補正量を計算するステップと、前記の計算された
圧力の補正量に応じて前記気体の圧力を変化させるステ
ップとを備えることを特徴とする。
部に含む密閉された容器の内部に配置された単一縦モー
ドで発振する周波数可変レーザー発振器の発振周波数を
安定化する本発明の方法は、前記気体の圧力及び温度を
測定するステップと、異なる時間に測定された圧力及び
温度とに基づいて前記気体の屈折率を一定にするための
圧力の補正量を計算するステップと、前記の計算された
圧力の補正量に応じて前記気体の圧力を変化させるステ
ップとを備えることを特徴とする。
【０００８】上記目的を達成するため、所定の気体を内
部に含む密閉された容器と、前記容器の内部に配置され
単一縦モードで発振する周波数可変レーザー発振器とを
有し、前記周波数可変レーザー発振器は、周波数選択手
段と、ビーム拡大手段と、発振媒体手段と、出力結合手
段とを含み、かつ前記周波数選択手段に含まれるグレー
ティングと前記出力結合手段間の光路長により規定され
る共振器長を有する、本発明のレーザー発振装置は、所
望の掃引発振周波数に対応する前記気体の圧力値と屈折
率とを逐次計算する手段と、前記計算する手段により逐
次計算された圧力値に応じて前記気体の圧力を変化させ
る圧力変化手段と、前記の逐次計算された気体の屈折率
に基づいて単一縦モードを維持するように前記共振器長
を変化させる手段と、前記気体の圧力の変化に起因する
前記ビーム拡大手段のレーザー光の屈折角の変化を補正
するため、前記周波数選択手段の前記ビーム拡大手段に
対して設定された角度を前記の逐次計算された気体の屈
折率に応じて変化させる手段とを備えることを特徴とす
る。
部に含む密閉された容器と、前記容器の内部に配置され
単一縦モードで発振する周波数可変レーザー発振器とを
有し、前記周波数可変レーザー発振器は、周波数選択手
段と、ビーム拡大手段と、発振媒体手段と、出力結合手
段とを含み、かつ前記周波数選択手段に含まれるグレー
ティングと前記出力結合手段間の光路長により規定され
る共振器長を有する、本発明のレーザー発振装置は、所
望の掃引発振周波数に対応する前記気体の圧力値と屈折
率とを逐次計算する手段と、前記計算する手段により逐
次計算された圧力値に応じて前記気体の圧力を変化させ
る圧力変化手段と、前記の逐次計算された気体の屈折率
に基づいて単一縦モードを維持するように前記共振器長
を変化させる手段と、前記気体の圧力の変化に起因する
前記ビーム拡大手段のレーザー光の屈折角の変化を補正
するため、前記周波数選択手段の前記ビーム拡大手段に
対して設定された角度を前記の逐次計算された気体の屈
折率に応じて変化させる手段とを備えることを特徴とす
る。
【０００９】上記目的を達成するため、所定の気体を内
部に含む密閉された容器と、前記容器の内部に配置され
単一縦モードで発振する周波数可変レーザー発振器とを
有し、前記周波数可変レーザー発振器は、周波数選択手
段と、ビーム拡大手段と、発振媒体手段と、出力結合手
段とを含み、かつ前記周波数選択手段に含まれるグレー
ティングと前記出力結合手段間の光路長により規定され
る共振器長を有する、レーザー発振装置を単一縦モード
で周波数を掃引する本発明の方法は、所望の掃引発振周
波数に対応する前記気体の圧力値と屈折率とを逐次計算
するステップと、前記計算する手段により逐次計算され
た圧力値に応じて前記気体の圧力を変化させるステップ
と、前記の逐次計算された気体の屈折率に基づいて単一
縦モードを維持するように前記共振器長を変化させるス
テップと、前記気体の圧力の変化に起因する前記ビーム
拡大手段のレーザー光の屈折角の変化を補正するため、
前記周波数選択手段の前記ビーム拡大手段に対して設定
された角度を前記の逐次計算された気体の屈折率に応じ
て変化させるステップとを備えることを特徴とする。
部に含む密閉された容器と、前記容器の内部に配置され
単一縦モードで発振する周波数可変レーザー発振器とを
有し、前記周波数可変レーザー発振器は、周波数選択手
段と、ビーム拡大手段と、発振媒体手段と、出力結合手
段とを含み、かつ前記周波数選択手段に含まれるグレー
ティングと前記出力結合手段間の光路長により規定され
る共振器長を有する、レーザー発振装置を単一縦モード
で周波数を掃引する本発明の方法は、所望の掃引発振周
波数に対応する前記気体の圧力値と屈折率とを逐次計算
するステップと、前記計算する手段により逐次計算され
た圧力値に応じて前記気体の圧力を変化させるステップ
と、前記の逐次計算された気体の屈折率に基づいて単一
縦モードを維持するように前記共振器長を変化させるス
テップと、前記気体の圧力の変化に起因する前記ビーム
拡大手段のレーザー光の屈折角の変化を補正するため、
前記周波数選択手段の前記ビーム拡大手段に対して設定
された角度を前記の逐次計算された気体の屈折率に応じ
て変化させるステップとを備えることを特徴とする。
【００１０】
【作用】本発明の単一縦モード周波数可変レーザー発振
器の発振周波数安定化装置及び方法は、上記のように構
成されていることにより、前記測定する手段により異な
る時間に測定された圧力及び温度とに基づいて前記気体
の屈折率を一定にするための圧力の補正量が計算され
る。当該計算された圧力の補正量に応じて前記気体の圧
力のみが変化させられることにより、気体の屈折率が一
定に維持され、その結果発振周波数が一定に維持され
る。
器の発振周波数安定化装置及び方法は、上記のように構
成されていることにより、前記測定する手段により異な
る時間に測定された圧力及び温度とに基づいて前記気体
の屈折率を一定にするための圧力の補正量が計算され
る。当該計算された圧力の補正量に応じて前記気体の圧
力のみが変化させられることにより、気体の屈折率が一
定に維持され、その結果発振周波数が一定に維持され
る。
【００１１】本発明の周波数掃引可能な単一縦モードレ
ーザー発振装置及び方法は、所望の掃引発振周波数に対
応する前記気体の圧力値と屈折率とが逐次計算され、当
該逐次計算された圧力値に応じて前記気体の圧力が変化
させられる。また、前記の逐次計算された気体の屈折率
に応じて単一縦モードを維持するように前記共振器長が
変化させられる。更に、前記気体の圧力の変化に起因す
る前記ビーム拡大手段のレーザー光の屈折角の変化を補
正するため、前記周波数選択手段の前記ビーム拡大手段
に対して設定された角度が前記の逐次計算された気体の
屈折率に応じて変化させられる。
ーザー発振装置及び方法は、所望の掃引発振周波数に対
応する前記気体の圧力値と屈折率とが逐次計算され、当
該逐次計算された圧力値に応じて前記気体の圧力が変化
させられる。また、前記の逐次計算された気体の屈折率
に応じて単一縦モードを維持するように前記共振器長が
変化させられる。更に、前記気体の圧力の変化に起因す
る前記ビーム拡大手段のレーザー光の屈折角の変化を補
正するため、前記周波数選択手段の前記ビーム拡大手段
に対して設定された角度が前記の逐次計算された気体の
屈折率に応じて変化させられる。
【００１２】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。
する。
【００１３】図１は、本発明の一実施例である単一縦モ
ード周波数可変レーザー発振装置の構成を概略示す図で
ある。図１において、１０は単一縦モードレーザー発振
器を、１２はその中に単一縦モードレーザー発振器１０
が配設された密閉構造を有する圧力容器を、１４はこの
圧力容器１２に充填されているガスをそれぞれ示す。な
お、ここでのガスは、空気等を含む種々の気体の総称で
あり、本実施例では空気である。更に、図１において、
１６は圧力容器１２内に充填されたガス１４の圧力及び
温度を測定するガス圧力・温度測定部を、１８は圧力容
器１２内の圧力を変える圧力変調部を、２０は周波数選
択角度を任意の角度に設定するため周波数選択素子を駆
動する周波数選択素子駆動部を、２２は単一縦モードレ
ーザー発振器１０の共振器長を変えるための共振器長駆
動部を、２４は１６〜２２で示される要素をコントロー
ルするためのパーソナルコンピュータをそれぞれ示す。
パーソナルコンピュータ２４は、後述する制御を行う制
御プログラムを格納するＲＯＭとワークエリアを有する
ＲＡＭと、ＲＯＭから読出された制御プログラムを実効
するＣＰＵとを含む。
ード周波数可変レーザー発振装置の構成を概略示す図で
ある。図１において、１０は単一縦モードレーザー発振
器を、１２はその中に単一縦モードレーザー発振器１０
が配設された密閉構造を有する圧力容器を、１４はこの
圧力容器１２に充填されているガスをそれぞれ示す。な
お、ここでのガスは、空気等を含む種々の気体の総称で
あり、本実施例では空気である。更に、図１において、
１６は圧力容器１２内に充填されたガス１４の圧力及び
温度を測定するガス圧力・温度測定部を、１８は圧力容
器１２内の圧力を変える圧力変調部を、２０は周波数選
択角度を任意の角度に設定するため周波数選択素子を駆
動する周波数選択素子駆動部を、２２は単一縦モードレ
ーザー発振器１０の共振器長を変えるための共振器長駆
動部を、２４は１６〜２２で示される要素をコントロー
ルするためのパーソナルコンピュータをそれぞれ示す。
パーソナルコンピュータ２４は、後述する制御を行う制
御プログラムを格納するＲＯＭとワークエリアを有する
ＲＡＭと、ＲＯＭから読出された制御プログラムを実効
するＣＰＵとを含む。
【００１４】単一縦モードレーザー発振器１０は、グレ
ーティング３０とエタロン３２とを含む周波数選択素子
３４と、２つのプリズム３６及び３８とから成るビーム
拡大器４０と、両側をガラス４１で挟まれ色素溶液が入
れられたレーザー発振媒体４２と、出力カプラー４４と
を含む。エタロン３２は、両側にガラス３２１が配設さ
れ、中央部には気体を入れる気体貯留部３２２が設けら
れ、この気体貯留部３２２は外部のガス１４と連通して
おり、その結果ガス１４と同じものが入っている。
ーティング３０とエタロン３２とを含む周波数選択素子
３４と、２つのプリズム３６及び３８とから成るビーム
拡大器４０と、両側をガラス４１で挟まれ色素溶液が入
れられたレーザー発振媒体４２と、出力カプラー４４と
を含む。エタロン３２は、両側にガラス３２１が配設さ
れ、中央部には気体を入れる気体貯留部３２２が設けら
れ、この気体貯留部３２２は外部のガス１４と連通して
おり、その結果ガス１４と同じものが入っている。
【００１５】圧力容器１２は、レーザービームを外部に
放出するためのウインドウ５０が設けられている。な
お、圧力容器１２には、図示されていないが、ポンプ光
導入ウインドウとポンプ光集光用レンズも設けられてい
る。グレーティング３０及びエタロン３２のそれぞれに
は周波数選択素子駆動部２０により駆動されそれぞれの
角度を変えるためのステッピングモーター５２及び５４
が取り付けられている。出力カプラー４４には、共振器
長駆動部２２に駆動され矢印で示されるレーザービーム
の方向に沿って出力カプラー４４を移動させるピエゾ駆
動素子５６が取り付けられている。
放出するためのウインドウ５０が設けられている。な
お、圧力容器１２には、図示されていないが、ポンプ光
導入ウインドウとポンプ光集光用レンズも設けられてい
る。グレーティング３０及びエタロン３２のそれぞれに
は周波数選択素子駆動部２０により駆動されそれぞれの
角度を変えるためのステッピングモーター５２及び５４
が取り付けられている。出力カプラー４４には、共振器
長駆動部２２に駆動され矢印で示されるレーザービーム
の方向に沿って出力カプラー４４を移動させるピエゾ駆
動素子５６が取り付けられている。
【００１６】単一縦モードレーザー発振器１０の置かれ
た環境の温度変化によって生じる、３０〜４４によって
示される要素の各々の位置変化を最小に抑える為に、こ
れらの要素は、図示されていない膨張係数の小さなスー
パーインバーの台に取り付けられている。
た環境の温度変化によって生じる、３０〜４４によって
示される要素の各々の位置変化を最小に抑える為に、こ
れらの要素は、図示されていない膨張係数の小さなスー
パーインバーの台に取り付けられている。
【００１７】圧力変調部１８は、ステッピングモーター
と、それにより駆動される圧力シリンダーとで構成され
ている。当該圧力シリンダーは圧力容器１２に接続され
ており、圧力シリンダーの内部圧力は、ステッピングモ
ーターによるシリンダーシャフトの回転で変化させる。
周波数選択素子駆動部２０は、グレーティング３０及び
エタロン３２の周波数選択角度を任意の角度に設定する
為それらに取り付けられたステッピングモーター５２及
び５４を駆動する。共振器長駆動部２２は、共振器長を
変化させる為出力カプラー４４の位置をピエゾ素子５６
を駆動して変化させる。周波数選択素子駆動部２０及び
共振器長駆動部２２は、レーザー発振周波数の掃引を行
う場合必要となる。
と、それにより駆動される圧力シリンダーとで構成され
ている。当該圧力シリンダーは圧力容器１２に接続され
ており、圧力シリンダーの内部圧力は、ステッピングモ
ーターによるシリンダーシャフトの回転で変化させる。
周波数選択素子駆動部２０は、グレーティング３０及び
エタロン３２の周波数選択角度を任意の角度に設定する
為それらに取り付けられたステッピングモーター５２及
び５４を駆動する。共振器長駆動部２２は、共振器長を
変化させる為出力カプラー４４の位置をピエゾ素子５６
を駆動して変化させる。周波数選択素子駆動部２０及び
共振器長駆動部２２は、レーザー発振周波数の掃引を行
う場合必要となる。
【００１８】初めに、発振周波数を安定化する動作につ
いて説明する。図示されていないポンプレーザーからの
レーザー光が矢印により示されるレーザービームの方向
に対して直交する方向からレーザー発振媒体４２に対し
て入射されると、グレーティング３０と出力カプラー４
４との間にエタロン３２、ビーム拡大器４０及びレーザ
ー発振媒体４２を介して定在波が生じ、レーザー光を発
振する。この発振したレーザー光の周波数状態（縦モー
ド）は、圧力容器１２内のガス１４の屈折率変化に依存
する。この屈折率は、ガス１４の圧力と温度とが変化す
ると変化する。従って、ガス１４の圧力と温度が変化し
ても、単一縦モードからマルチモード（複数の発振周波
数状態）に移行させない、いわゆる単一縦モード発振の
安定化を行う為には、この屈折率が一定値になるように
制御すればよい。そのため、パーソナルコンピュータ２
４で得られた屈折率を逐次比較する事で、初期状態から
の偏位量を相殺するように圧力変調部１８を用いてガス
圧力を変化させて、その屈折率が一定になるように制御
する。
いて説明する。図示されていないポンプレーザーからの
レーザー光が矢印により示されるレーザービームの方向
に対して直交する方向からレーザー発振媒体４２に対し
て入射されると、グレーティング３０と出力カプラー４
４との間にエタロン３２、ビーム拡大器４０及びレーザ
ー発振媒体４２を介して定在波が生じ、レーザー光を発
振する。この発振したレーザー光の周波数状態（縦モー
ド）は、圧力容器１２内のガス１４の屈折率変化に依存
する。この屈折率は、ガス１４の圧力と温度とが変化す
ると変化する。従って、ガス１４の圧力と温度が変化し
ても、単一縦モードからマルチモード（複数の発振周波
数状態）に移行させない、いわゆる単一縦モード発振の
安定化を行う為には、この屈折率が一定値になるように
制御すればよい。そのため、パーソナルコンピュータ２
４で得られた屈折率を逐次比較する事で、初期状態から
の偏位量を相殺するように圧力変調部１８を用いてガス
圧力を変化させて、その屈折率が一定になるように制御
する。
【００１９】詳細には、ガス１４が本実施例のように空
気の場合、空気の屈折率はエドレンの式において、標準
空気での炭酸ガス含有率を１０％、水蒸気圧を１０Ｔｏ
ｒｒとすると、以下の式で与えられる。
気の場合、空気の屈折率はエドレンの式において、標準
空気での炭酸ガス含有率を１０％、水蒸気圧を１０Ｔｏ
ｒｒとすると、以下の式で与えられる。
【００２０】
【数１】 ηair＝１＋１０-6 ×［０．０１５｛１／λ2−３｝2 ＋１．５９３｛１／λ2−３｝ ＋｛−０．３８５（Ｐ−７６０）＋Ｔ−２０｝ ×｛−０．００６（１／λ2−３）−０．９３２｝ ＋２７２．０３］ （１） ここで、ηairは空気屈折率を、λは波長（μｍ）を、
Ｐは空気圧力（Ｔｏｒｒ）を、Ｔは空気温度（℃）をそ
れぞれ表す。
Ｐは空気圧力（Ｔｏｒｒ）を、Ｔは空気温度（℃）をそ
れぞれ表す。
【００２１】波長と発振周波数とは反比例する関係にあ
るので、この式（１）から屈折率が変化すれば波長即ち
発振周波数が変化することが分かる。
るので、この式（１）から屈折率が変化すれば波長即ち
発振周波数が変化することが分かる。
【００２２】また、この式（１）から、圧力及び温度に
よる空気屈折率の変化量は、次式で与えられる。
よる空気屈折率の変化量は、次式で与えられる。
【００２３】
【数２】 例えば、５７０ｎｍの波長における空気屈折率は圧力に
より、
より、
【数３】 で変化する。
【００２４】また、温度によっても
【数４】 の変化が生じる。
【００２５】従って、単一縦モードレーザー発振器１０
がガス（空気）１４のある圧力と温度の環境下で所望の
周波数で発振している場合と、次いで、ガス（空気）１
４の圧力及び温度が変化した場合とのそれぞれの場合に
ついて、ガス（空気）１４の圧力と温度をガス圧力・温
度測定部１６により測定して圧力変化量ΔＰ及び温度変
化量ΔＴを求める。次に、求めた圧力変化量ΔＰと温度
変化量ΔＴと式（２）とから空気の屈折率の変化量Δη
airを求める。この空気屈折率の変化量Δηairを外部か
ら温度を変えることをせずに外部から圧力のみを変化さ
せて相殺するに要する圧力変化量ΔＰは、式（２）にお
いて温度一定即ちΔＴ＝０で、先に求めた空気屈折率の
変化量Δηairの負のものを代入して求めることができ
る。
がガス（空気）１４のある圧力と温度の環境下で所望の
周波数で発振している場合と、次いで、ガス（空気）１
４の圧力及び温度が変化した場合とのそれぞれの場合に
ついて、ガス（空気）１４の圧力と温度をガス圧力・温
度測定部１６により測定して圧力変化量ΔＰ及び温度変
化量ΔＴを求める。次に、求めた圧力変化量ΔＰと温度
変化量ΔＴと式（２）とから空気の屈折率の変化量Δη
airを求める。この空気屈折率の変化量Δηairを外部か
ら温度を変えることをせずに外部から圧力のみを変化さ
せて相殺するに要する圧力変化量ΔＰは、式（２）にお
いて温度一定即ちΔＴ＝０で、先に求めた空気屈折率の
変化量Δηairの負のものを代入して求めることができ
る。
【００２６】パーソナルコンピュータ２４は、ガス圧力
・温度測定部１６で得られた測定圧力及び温度を用い
て、上記のようにして、ガス（空気）１４の圧力及び温
度が変化しても発振周波数が一定となるのに要する圧力
変化量を計算する。圧力変調部１８は、当該計算された
圧力変化量に応じてステッピングモータを回転して圧力
シリンダーを駆動し、ガス（空気）１４の圧力を所要圧
力変化量だけ変化させる。このようにしてガス（空気）
１４の屈折率は一定に制御され、その結果発振周波数も
一定に制御される。なお、ガス圧力・温度測定部１６に
よる圧力及び温度を測定する間隔は、例えばパーソナル
コンピュータ２４から出力されるクロック信号による一
定時間間隔でもよく、また圧力及び／又は温度を常時測
定して所定量偏倚したときパーソナルコンピュータ２４
が取り込むようにしてもよい。
・温度測定部１６で得られた測定圧力及び温度を用い
て、上記のようにして、ガス（空気）１４の圧力及び温
度が変化しても発振周波数が一定となるのに要する圧力
変化量を計算する。圧力変調部１８は、当該計算された
圧力変化量に応じてステッピングモータを回転して圧力
シリンダーを駆動し、ガス（空気）１４の圧力を所要圧
力変化量だけ変化させる。このようにしてガス（空気）
１４の屈折率は一定に制御され、その結果発振周波数も
一定に制御される。なお、ガス圧力・温度測定部１６に
よる圧力及び温度を測定する間隔は、例えばパーソナル
コンピュータ２４から出力されるクロック信号による一
定時間間隔でもよく、また圧力及び／又は温度を常時測
定して所定量偏倚したときパーソナルコンピュータ２４
が取り込むようにしてもよい。
【００２７】以上述べたようなガス圧力・温度測定部１
６、パーソナルコンピュータ２４及び圧力変調部１８か
ら成る本発明の発振周波数安定化装置及び方法は前述し
た従来の機械掃引法より単一縦モードレーザーの周波数
安定化を廉価で簡潔に行うことができ、また従来技術が
用いた位相検波法が不要のため従来より短い時間で周波
数が安定化する。
６、パーソナルコンピュータ２４及び圧力変調部１８か
ら成る本発明の発振周波数安定化装置及び方法は前述し
た従来の機械掃引法より単一縦モードレーザーの周波数
安定化を廉価で簡潔に行うことができ、また従来技術が
用いた位相検波法が不要のため従来より短い時間で周波
数が安定化する。
【００２８】次に、発振周波数を掃引する動作について
説明する。発振周波数の掃引を行う場合には、圧力変調
部１８による圧力変化（従来の圧力掃引法）に同期し
て、周波数選択素子駆動部２０による角度補正及び共振
器長駆動部２２による共振器長補正を行うことで、単一
縦モードを維持したまま、発振周波数を変化させること
が可能になる。
説明する。発振周波数の掃引を行う場合には、圧力変調
部１８による圧力変化（従来の圧力掃引法）に同期し
て、周波数選択素子駆動部２０による角度補正及び共振
器長駆動部２２による共振器長補正を行うことで、単一
縦モードを維持したまま、発振周波数を変化させること
が可能になる。
【００２９】図２は、共振器長の補正について説明する
ための発振周波数の掃引の概念図である。図２の参照番
号で図１のものと同じものは同一の要素を示す。モード
数は、定在波の数を示し、１つの波は波線の一周期で定
義する。実効共振器長Ｌeffは、図１のグレーティング
３０から出力カプラー４４までのレーザー共振器内の各
光学素子を通過するレーザー光の伝播長を真空における
値に換算して示した長さである。図中の波線は、レーザ
ー発振器１０内の定在波を示す。ａ）は、モード数＝１
１の単一縦モードで発振している初期の状態であると仮
定する。四角で囲った固定部１００は、図１において３
２１、３６、３８及び４１で示されるガラスの部分の全
体とレーザー発振媒体４２の部分との総体に相当し、こ
れらの屈折率はガス圧力の変化に依存しない。発振周波
数の掃引を行う為に、圧力のみを増加させていくと固定
部１００を除くレーザー共振器内のガスで満たされた部
分の屈折率のみが増加し、実効共振器長がｂ）で表され
るように長くなる。しかしながら、圧力の増加に伴う実
効共振器長の増加のみでは、後述するように、レーザー
発振周波数の状態を表すモード数を初期の１１に維持す
ることは出来なく、モード数は１０と１つ減少した値に
変化してしまう。ａ）の状態であるモード数＝１１、す
なわち初期の単一縦モード発振を維持した状態で周波数
掃引を行う為には、モード数１１が必要とする実効共振
器長を示すｃ）とｂ）との差△Ｌeffだけ共振器長を補
正する必要がある。
ための発振周波数の掃引の概念図である。図２の参照番
号で図１のものと同じものは同一の要素を示す。モード
数は、定在波の数を示し、１つの波は波線の一周期で定
義する。実効共振器長Ｌeffは、図１のグレーティング
３０から出力カプラー４４までのレーザー共振器内の各
光学素子を通過するレーザー光の伝播長を真空における
値に換算して示した長さである。図中の波線は、レーザ
ー発振器１０内の定在波を示す。ａ）は、モード数＝１
１の単一縦モードで発振している初期の状態であると仮
定する。四角で囲った固定部１００は、図１において３
２１、３６、３８及び４１で示されるガラスの部分の全
体とレーザー発振媒体４２の部分との総体に相当し、こ
れらの屈折率はガス圧力の変化に依存しない。発振周波
数の掃引を行う為に、圧力のみを増加させていくと固定
部１００を除くレーザー共振器内のガスで満たされた部
分の屈折率のみが増加し、実効共振器長がｂ）で表され
るように長くなる。しかしながら、圧力の増加に伴う実
効共振器長の増加のみでは、後述するように、レーザー
発振周波数の状態を表すモード数を初期の１１に維持す
ることは出来なく、モード数は１０と１つ減少した値に
変化してしまう。ａ）の状態であるモード数＝１１、す
なわち初期の単一縦モード発振を維持した状態で周波数
掃引を行う為には、モード数１１が必要とする実効共振
器長を示すｃ）とｂ）との差△Ｌeffだけ共振器長を補
正する必要がある。
【００３０】単一縦モードレーザー発振器１０内に配置
された周波数選択素子３４のグレーティング３０及びエ
タロン３２の圧力変化による選択周波数の変化は、それ
ぞれ次のように表される。
された周波数選択素子３４のグレーティング３０及びエ
タロン３２の圧力変化による選択周波数の変化は、それ
ぞれ次のように表される。
【００３１】グレーティング３０について、
【数５】 エタロン３２について
【数６】 ここで、νGratingはグレーティングの選択周波数を、
νEtalonはエタロンの選択周波数を、ｃは光速度をそれ
ぞれ表す。なお、その他の記号は前述したものと同様で
ある。
νEtalonはエタロンの選択周波数を、ｃは光速度をそれ
ぞれ表す。なお、その他の記号は前述したものと同様で
ある。
【００３２】式（５）及び式（６）は、グレーティング
とエタロンの波長は同一であることから同一の式とな
り、従って同一の圧力環境下では、同じ周波数変化を生
じる。例えば、波長５７０ｎｍ、温度２０℃におけるこ
の値は、
とエタロンの波長は同一であることから同一の式とな
り、従って同一の圧力環境下では、同じ周波数変化を生
じる。例えば、波長５７０ｎｍ、温度２０℃におけるこ
の値は、
【数７】 となり、レーザー発振周波数の変化１ＧＨｚ当たりの圧
力変化量は、約−５．４Ｔｏｒｒ／ＧＨｚとなる。
力変化量は、約−５．４Ｔｏｒｒ／ＧＨｚとなる。
【００３３】これに対して、単一縦モードレーザー発振
器１０による縦モードの発振周波数νCavityの変化は、
器１０による縦モードの発振周波数νCavityの変化は、
【数８】 なる。以下に示すように、この縦モードの発振周波数の
変化ΔνCavityは周波数選択素子による周波数変化Δν
GratingあるいはΔνEtalonとの間に差が生じる。
変化ΔνCavityは周波数選択素子による周波数変化Δν
GratingあるいはΔνEtalonとの間に差が生じる。
【００３４】波長５７０ｎｍ、温度２０℃でのこの縦モ
ードの発振周波数の変化量の値は、
ードの発振周波数の変化量の値は、
【数９】 となる。この縦モードの発振周波数の変化ΔνCavity＝
−１０５．５ＭＨｚ／Ｔｏｒｒと周波数選択素子による
周波数変化ΔνGrating＝ΔνEtalon＝−１８５．５Ｍ
Ｈｚ／Ｔｏｒｒとの間の差が、レーザー発振周波数の状
態を単一モードからマルチモードへ変化させてしまう。
モード変化を起こさせないためには、次式で示す共振器
長変化で補正する必要がある。
−１０５．５ＭＨｚ／Ｔｏｒｒと周波数選択素子による
周波数変化ΔνGrating＝ΔνEtalon＝−１８５．５Ｍ
Ｈｚ／Ｔｏｒｒとの間の差が、レーザー発振周波数の状
態を単一モードからマルチモードへ変化させてしまう。
モード変化を起こさせないためには、次式で示す共振器
長変化で補正する必要がある。
【００３５】
【数１０】 ここで、Ｌeffは有効共振器長で次式により表される。
【００３６】
【数１１】 Ｌeff＝ηglassＬglass＋ηairＬair＋ηdyeＬdye （１１） ここで、Ｌglassは固定部１００のうちのガラスの部分
の長さ、即ち、図１において３２１、３６、３８及び４
１で示されるガラスの部分の全体の長さである。なお、
当該ガラスは通常石英ガラスで作られている。Ｌdyeは
図１のレーザー発振媒体４２の入れられている色素溶液
の長さである。また、ηglassは石英ガラスの屈折率
を、ηdyeは色素溶液の屈折率をそれぞれ表す。
の長さ、即ち、図１において３２１、３６、３８及び４
１で示されるガラスの部分の全体の長さである。なお、
当該ガラスは通常石英ガラスで作られている。Ｌdyeは
図１のレーザー発振媒体４２の入れられている色素溶液
の長さである。また、ηglassは石英ガラスの屈折率
を、ηdyeは色素溶液の屈折率をそれぞれ表す。
【００３７】この計算結果から共振器長の補正量は、周
波数変化１ＧＨｚ当たり−１１０．０ｎｍと計算され
る。なお、式（１０）のδＬeffが図２に示されるΔＬ
に相当する。
波数変化１ＧＨｚ当たり−１１０．０ｎｍと計算され
る。なお、式（１０）のδＬeffが図２に示されるΔＬ
に相当する。
【００３８】従って、周波数掃引のためパーソナルコン
ピュータ２４が指示する圧力の増加（又は減少）方向の
変化に応答して圧力変調部１８のステッピングモータが
回転して圧力シリンダーが駆動されてガス（空気）１４
の圧力が増加（又は減少）へと変化するにつれて即ち同
期して、共振器長駆動部２２はパーソナルコンピュータ
２４が指示する圧力の増加（又は減少）方向の変化に応
答してピエゾ駆動素子５６を駆動し式（１０）に従って
出力カプラー４４を有効共振器長が増加（又は減少）す
るように移動させる。
ピュータ２４が指示する圧力の増加（又は減少）方向の
変化に応答して圧力変調部１８のステッピングモータが
回転して圧力シリンダーが駆動されてガス（空気）１４
の圧力が増加（又は減少）へと変化するにつれて即ち同
期して、共振器長駆動部２２はパーソナルコンピュータ
２４が指示する圧力の増加（又は減少）方向の変化に応
答してピエゾ駆動素子５６を駆動し式（１０）に従って
出力カプラー４４を有効共振器長が増加（又は減少）す
るように移動させる。
【００３９】次に、図３を用いてグレーティング及びエ
タロンでの発振周波数選択角度の補正について説明す
る。図３の参照番号で図１のものと同一のものは同一の
要素を示す。この補正は、圧力の変化によって生じるビ
ーム拡大器４０でのレーザー光の屈折角変化を相殺する
為の補正である。プリズム３８、３６を通過する光の伝
播方向は、その入射面及び出射面内外の材質であるガラ
ス３８、３６とガス１４の屈折率比に依存する。周波数
を掃引するため圧力を変化させると、前述のようにガス
１４の屈折率は変化する。この結果、ビーム拡大器４０
から出射する光の出射角度は、初期の状態から異なった
角度になる。グレーティング及びエタロンにおいて選択
されるレーザー発振周波数は、これらの素子に入射する
光の入射角度によっても変化する。図３においては、発
振周波数の掃引を開始する初期のレーザー光伝播状態を
実線１０２で、掃引中の任意の状態を破線１０４で各々
示す。ビーム拡大器４０の出口における両者の差を△θ
で表す。この△θが補正量となる。このビーム拡大器４
０からの出射角度の変化は、グレーティング３０及びエ
タロン３２への入射角度変化と同一であることから周波
数選択角度の補正が必要となる。
タロンでの発振周波数選択角度の補正について説明す
る。図３の参照番号で図１のものと同一のものは同一の
要素を示す。この補正は、圧力の変化によって生じるビ
ーム拡大器４０でのレーザー光の屈折角変化を相殺する
為の補正である。プリズム３８、３６を通過する光の伝
播方向は、その入射面及び出射面内外の材質であるガラ
ス３８、３６とガス１４の屈折率比に依存する。周波数
を掃引するため圧力を変化させると、前述のようにガス
１４の屈折率は変化する。この結果、ビーム拡大器４０
から出射する光の出射角度は、初期の状態から異なった
角度になる。グレーティング及びエタロンにおいて選択
されるレーザー発振周波数は、これらの素子に入射する
光の入射角度によっても変化する。図３においては、発
振周波数の掃引を開始する初期のレーザー光伝播状態を
実線１０２で、掃引中の任意の状態を破線１０４で各々
示す。ビーム拡大器４０の出口における両者の差を△θ
で表す。この△θが補正量となる。このビーム拡大器４
０からの出射角度の変化は、グレーティング３０及びエ
タロン３２への入射角度変化と同一であることから周波
数選択角度の補正が必要となる。
【００４０】周波数選択素子３４における所要の角度補
正量は次のようにして求めることが可能である。
正量は次のようにして求めることが可能である。
【００４１】異なる媒質中を進む光の屈折角を表すスネ
ルの式は次のとおりである。
ルの式は次のとおりである。
【００４２】
【数１２】 ηairｓｉｎθ1＝ηglassｓｉｎθ2 （１２） ここで、θ1は入射角度を、θ2は屈折角度をそれぞれ表
す。
す。
【００４３】式（１２）から、ビーム拡大器４０を構成
する１番目のプリズム３８を透過するレーザー光の圧力
変化に伴う屈折角度の変化は、次式のようになる。
する１番目のプリズム３８を透過するレーザー光の圧力
変化に伴う屈折角度の変化は、次式のようになる。
【００４４】
【数１３】 ここで、Ｘは
【数１４】 であり、θ1(1st)は１番目のプリズム３８への入射角度
を、θ4(1st)は１番目のプリズム３８の出射面での屈折
角度をそれぞれ表す。
を、θ4(1st)は１番目のプリズム３８の出射面での屈折
角度をそれぞれ表す。
【００４５】この角度変化は、２番目のプリズム３６へ
の入射角度変化を引き起こすので、次式が成り立つ。
の入射角度変化を引き起こすので、次式が成り立つ。
【００４６】
【数１５】 ここで、θ1(2nd)は２番目のプリズム３６への入射角度
を表す。
を表す。
【００４７】これらの式より、ビーム拡大器４０を通過
した（即ち２番目のプリズム３６を通過した）レーザー
光の圧力変化に伴う屈折角度の変化は、次式のとおりで
ある。
した（即ち２番目のプリズム３６を通過した）レーザー
光の圧力変化に伴う屈折角度の変化は、次式のとおりで
ある。
【００４８】
【数１６】 ここで、θ4(2nd)は２番目のプリズム３６の出射面での
屈折角度を表す。
屈折角度を表す。
【００４９】式（１６）より、２番目のプリズム３６の
出射面での屈折角度θ4(2nd)の変化は、次式のようにな
る。
出射面での屈折角度θ4(2nd)の変化は、次式のようにな
る。
【００５０】
【数１７】 式（１７）におけるΔηairは、波長５７０ｎｍ、温度
２０℃において、式（７）に基づくレーザー光の空気圧
力に対する発振周波数の変化量−５．４Ｔｏｒｒ／ＧＨ
ｚと、式（３）とから
２０℃において、式（７）に基づくレーザー光の空気圧
力に対する発振周波数の変化量−５．４Ｔｏｒｒ／ＧＨ
ｚと、式（３）とから
【数１８】 Δηair＝−１．９３８６×１０-6 ／ＧＨｚ （１８） となり、従って、
【数１９】 Δθ4(2nd)＝１３２μｄｅｇ．／ＧＨｚ （１９） となる。
【００５１】従って、周波数掃引時にビーム拡大器４０
で生じるこの角度変化を相殺するように、周波数選択素
子３４のビーム拡大器４０に対する角度を変化させて補
正する必要がある。
で生じるこの角度変化を相殺するように、周波数選択素
子３４のビーム拡大器４０に対する角度を変化させて補
正する必要がある。
【００５２】詳細には、周波数を掃引するためパーソナ
ルコンピュータ２４が指示する圧力の増加（又は減少）
方向の変化に応答して圧力変調部１８のステッピングモ
ータが回転して圧力シリンダーが駆動されてガス（空
気）１４の圧力が増加（又は減少）へと変化するにつれ
て即ち同期して、周波数選択素子駆動部２０は、パーソ
ナルコンピュータ２４が指示する圧力の増加（又は減
少）方向の変化に応答してステッピングモータ５２及び
５４を式（１９）に従ってグレーティング３０及びエタ
ロン３２の各角度を変える。
ルコンピュータ２４が指示する圧力の増加（又は減少）
方向の変化に応答して圧力変調部１８のステッピングモ
ータが回転して圧力シリンダーが駆動されてガス（空
気）１４の圧力が増加（又は減少）へと変化するにつれ
て即ち同期して、周波数選択素子駆動部２０は、パーソ
ナルコンピュータ２４が指示する圧力の増加（又は減
少）方向の変化に応答してステッピングモータ５２及び
５４を式（１９）に従ってグレーティング３０及びエタ
ロン３２の各角度を変える。
【００５３】なお、例えばガス１４の温度が一定に保た
れるような短い時間内に周波数の掃引を行う場合、即
ち、ガス１４の圧力のみで掃引中の発振周波数が決まる
場合には、ガス圧力・温度測定部１６は必ずしも必要で
なく、パーソナルコンピュータ２４が掃引周波数に対応
する所要圧力を計算して、その計算結果の指示値を適時
圧力変調部１８、周波数選択素子駆動部２０及び共振器
長駆動部２２に付与すればよい。しかし、例えば１時間
に１ＧＨｚ掃引するというゆっくりとした掃引の場合に
は、ガス１４の温度が掃引中に変化するので、その温度
変化を加味して圧力変調部１８を制御する必要がある。
かかる場合には、掃引中にガス圧力・温度測定部１６に
よりガス１４の温度を測定して、前述の発振周波数の安
定化と同様にパーソナルコンピュータ２４において温度
の変化を含めて所望の掃引周波数となる圧力を計算し
て、圧力変調部１８を制御する。更に、掃引周波数の精
度を上げるため、ガス圧力・温度測定部１６により測定
された圧力を用いて所望の掃引周波数となる圧力を補正
してもよい。
れるような短い時間内に周波数の掃引を行う場合、即
ち、ガス１４の圧力のみで掃引中の発振周波数が決まる
場合には、ガス圧力・温度測定部１６は必ずしも必要で
なく、パーソナルコンピュータ２４が掃引周波数に対応
する所要圧力を計算して、その計算結果の指示値を適時
圧力変調部１８、周波数選択素子駆動部２０及び共振器
長駆動部２２に付与すればよい。しかし、例えば１時間
に１ＧＨｚ掃引するというゆっくりとした掃引の場合に
は、ガス１４の温度が掃引中に変化するので、その温度
変化を加味して圧力変調部１８を制御する必要がある。
かかる場合には、掃引中にガス圧力・温度測定部１６に
よりガス１４の温度を測定して、前述の発振周波数の安
定化と同様にパーソナルコンピュータ２４において温度
の変化を含めて所望の掃引周波数となる圧力を計算し
て、圧力変調部１８を制御する。更に、掃引周波数の精
度を上げるため、ガス圧力・温度測定部１６により測定
された圧力を用いて所望の掃引周波数となる圧力を補正
してもよい。
【００５４】前述したように構成された実施例の実験模
式図を図４に示す。図４において、２００は、図１に示
される構成を有する単一縦モード周波数可変レーザー発
振装置の全体を示し、２０２は図１の単一縦モードレー
ザー発振器１０に相当する部分を、２０４はその発振し
たレーザー光の周波数を制御する部分（図１の１６〜２
０、及び５２〜５６）を示す。実験においては発振器と
して、ヘンシュ型単一縦モード色素レーザー発振器を使
用している。２１０は、ヘンシュ型単一縦モード色素レ
ーザー発振器２０２を励起させるためのポンプレーザー
で、６．５ｋＨｚの高い繰返し数で発振するピークパワ
ーの低い銅蒸気レーザーである。２２０は、ヘンシュ型
単一縦モード色素レーザー発振器２０２で発振した色素
レーザー光の周波数状態を観測する為のスペクトラムア
ナライザーである。なお、共振器内ガスとして空気を用
いた。また、単一モード発振を行う為に、色素レーザー
の共振器長は可能な限り短くしている。
式図を図４に示す。図４において、２００は、図１に示
される構成を有する単一縦モード周波数可変レーザー発
振装置の全体を示し、２０２は図１の単一縦モードレー
ザー発振器１０に相当する部分を、２０４はその発振し
たレーザー光の周波数を制御する部分（図１の１６〜２
０、及び５２〜５６）を示す。実験においては発振器と
して、ヘンシュ型単一縦モード色素レーザー発振器を使
用している。２１０は、ヘンシュ型単一縦モード色素レ
ーザー発振器２０２を励起させるためのポンプレーザー
で、６．５ｋＨｚの高い繰返し数で発振するピークパワ
ーの低い銅蒸気レーザーである。２２０は、ヘンシュ型
単一縦モード色素レーザー発振器２０２で発振した色素
レーザー光の周波数状態を観測する為のスペクトラムア
ナライザーである。なお、共振器内ガスとして空気を用
いた。また、単一モード発振を行う為に、色素レーザー
の共振器長は可能な限り短くしている。
【００５５】１時間の観測結果から、周波数の安定性は
１００ＭＨｚ／時間以下であった。更に、周波数掃引に
ついては、約３０ＧＨｚの周波数幅にわたって単一縦モ
ードを維持しつつ、発振周波数を変化させることが可能
であった。
１００ＭＨｚ／時間以下であった。更に、周波数掃引に
ついては、約３０ＧＨｚの周波数幅にわたって単一縦モ
ードを維持しつつ、発振周波数を変化させることが可能
であった。
【００５６】この場合の、レーザーの発振周波数に対す
る色素レーザー共振器内圧力変化、周波数選択素子角度
の補正量及び共振器長補正量を図５に示す。図５は、レ
ーザー発振周波数と３つの制御量（色素レーザー共振器
内圧力変化、周波数選択素子角度の補正量及び共振器長
補正量）の関係を示した図である。実線は、空気温度一
定、この場合は２５℃のときのレーザー発振周波数と空
気圧力の関係を示す。垂直に引いた破線は、グレーティ
ング及びエタロンの選択角度の補正量を、水平の一点鎖
線は、共振器長補正量を示す。７６０Ｔｏｒｒ、０ｍｄ
ｅｇ．、０μｍで示される紙面中央の交点Ａは、周波数
掃引を行う際の初期の単一縦モード発振状態を意味す
る。この交点Ａにおける状態は、中心波長が５７０ｎ
ｍ、グレーティング選択角度が４３．１度、エタロン選
択角度が０．８５度、空気圧力が約７７０Ｔｏｒｒ、空
気温度が２５℃である。単一縦モード発振状態を維持し
つつ、周波数掃引を行う為には実線で示された圧力の変
化に同期して、これら３つの補正量を実線に沿って変化
させることが必要である。例えば、温度一定において、
上記交点Ａにおける発振周波数から１０ＧＨｚ増加の方
向に掃引する場合、交点Ａの発振周波数＋約３．７ＧＨ
ｚ（図中のＢ）では、空気圧力を７５０Ｔｏｒｒにし、
グレーティング及びエタロンの選択角度を０．５ｍｄｅ
ｇ．増し、共振器長を約０．４μｍ減じ、交点Ａの発振
周波数＋約７．１ＧＨｚ（図中のＣ）では、空気圧力を
約７３０Ｔｏｒｒにし、グレーティング及びエタロンの
選択角度を１．０ｍｄｅｇ．増し、共振器長を約０．８
μｍ減じ、交点Ａの発振周波数＋約８．９ＧＨｚ（図中
のＤ）では、空気圧力を約７２０Ｔｏｒｒにし、グレー
ティング及びエタロンの選択角度を約１．２ｍｄｅｇ．
増し、共振器長を１．０μｍ減じ、交点Ａの発振周波数
＋１０ＧＨｚ（図中のＥ）では、空気圧力を約７１５Ｔ
ｏｒｒにし、グレーティング及びエタロンの選択角度を
約１．３ｍｄｅｇ．増し、共振器長を約１．１μｍ減ず
る。なお、交点Ａから図中のＥの＋１０ＧＨｚまで掃引
する場合、単一縦モード発振を維持するため、図中の制
御曲線に従って、空気圧力を減少させるの応じて連続的
にグレーティング及びエタロンの選択角度を増し、一方
共振器長を減ずる。また、掃引中に温度が変化する場合
には、図５には示していないが、図中に空気圧力と発振
周波数の関係を示す実線が温度をパラメータにして更に
引くことができ、温度変化を考慮した線上を空気圧力を
変えつつ、グレーティング及びエタロンの選択角度及び
共振器長を変えればよい。
る色素レーザー共振器内圧力変化、周波数選択素子角度
の補正量及び共振器長補正量を図５に示す。図５は、レ
ーザー発振周波数と３つの制御量（色素レーザー共振器
内圧力変化、周波数選択素子角度の補正量及び共振器長
補正量）の関係を示した図である。実線は、空気温度一
定、この場合は２５℃のときのレーザー発振周波数と空
気圧力の関係を示す。垂直に引いた破線は、グレーティ
ング及びエタロンの選択角度の補正量を、水平の一点鎖
線は、共振器長補正量を示す。７６０Ｔｏｒｒ、０ｍｄ
ｅｇ．、０μｍで示される紙面中央の交点Ａは、周波数
掃引を行う際の初期の単一縦モード発振状態を意味す
る。この交点Ａにおける状態は、中心波長が５７０ｎ
ｍ、グレーティング選択角度が４３．１度、エタロン選
択角度が０．８５度、空気圧力が約７７０Ｔｏｒｒ、空
気温度が２５℃である。単一縦モード発振状態を維持し
つつ、周波数掃引を行う為には実線で示された圧力の変
化に同期して、これら３つの補正量を実線に沿って変化
させることが必要である。例えば、温度一定において、
上記交点Ａにおける発振周波数から１０ＧＨｚ増加の方
向に掃引する場合、交点Ａの発振周波数＋約３．７ＧＨ
ｚ（図中のＢ）では、空気圧力を７５０Ｔｏｒｒにし、
グレーティング及びエタロンの選択角度を０．５ｍｄｅ
ｇ．増し、共振器長を約０．４μｍ減じ、交点Ａの発振
周波数＋約７．１ＧＨｚ（図中のＣ）では、空気圧力を
約７３０Ｔｏｒｒにし、グレーティング及びエタロンの
選択角度を１．０ｍｄｅｇ．増し、共振器長を約０．８
μｍ減じ、交点Ａの発振周波数＋約８．９ＧＨｚ（図中
のＤ）では、空気圧力を約７２０Ｔｏｒｒにし、グレー
ティング及びエタロンの選択角度を約１．２ｍｄｅｇ．
増し、共振器長を１．０μｍ減じ、交点Ａの発振周波数
＋１０ＧＨｚ（図中のＥ）では、空気圧力を約７１５Ｔ
ｏｒｒにし、グレーティング及びエタロンの選択角度を
約１．３ｍｄｅｇ．増し、共振器長を約１．１μｍ減ず
る。なお、交点Ａから図中のＥの＋１０ＧＨｚまで掃引
する場合、単一縦モード発振を維持するため、図中の制
御曲線に従って、空気圧力を減少させるの応じて連続的
にグレーティング及びエタロンの選択角度を増し、一方
共振器長を減ずる。また、掃引中に温度が変化する場合
には、図５には示していないが、図中に空気圧力と発振
周波数の関係を示す実線が温度をパラメータにして更に
引くことができ、温度変化を考慮した線上を空気圧力を
変えつつ、グレーティング及びエタロンの選択角度及び
共振器長を変えればよい。
【００５７】上述したような方法で測定した結果、測定
値は以下の表に示すように計算値とほぼ一致した。
値は以下の表に示すように計算値とほぼ一致した。
【００５８】
【表１】 パーソナルコンピュータ２４が掃引周波数に対応する圧
力を所望の掃引速度に対応した間隔で逐次計算し、それ
と共に当該計算された圧力に基づいてガスの屈折率を計
算し、更に必要なグレーティング及びエタロンの選択角
度の補正量及び共振器長の補正量を計算し、それぞれ求
められた値に応じて圧力変調部１８、周波数選択素子駆
動部２０、共振器長駆動部２２が駆動される。掃引中に
温度変化が生じる場合には、ガス圧力・温度測定部１６
により測定された温度を用いてパーソナルコンピュータ
２４において圧力変調部１８に指示される圧力が修正さ
れ、それに伴いグレーティング及びエタロンの選択角度
の補正量及び共振器長の補正量も修正される。更に、掃
引周波数の精度を上げるため、ガス圧力・温度測定部１
６により測定された圧力を用いて上記指示される圧力を
補正してもよい。従って、本実施例の掃引法は、従来の
ものより構成が単純で、経済的であり、しかも応答が早
いため高速で周波数掃引を行うことが可能である。
力を所望の掃引速度に対応した間隔で逐次計算し、それ
と共に当該計算された圧力に基づいてガスの屈折率を計
算し、更に必要なグレーティング及びエタロンの選択角
度の補正量及び共振器長の補正量を計算し、それぞれ求
められた値に応じて圧力変調部１８、周波数選択素子駆
動部２０、共振器長駆動部２２が駆動される。掃引中に
温度変化が生じる場合には、ガス圧力・温度測定部１６
により測定された温度を用いてパーソナルコンピュータ
２４において圧力変調部１８に指示される圧力が修正さ
れ、それに伴いグレーティング及びエタロンの選択角度
の補正量及び共振器長の補正量も修正される。更に、掃
引周波数の精度を上げるため、ガス圧力・温度測定部１
６により測定された圧力を用いて上記指示される圧力を
補正してもよい。従って、本実施例の掃引法は、従来の
ものより構成が単純で、経済的であり、しかも応答が早
いため高速で周波数掃引を行うことが可能である。
【００５９】なお、本発明の実施例の実験にはヘンシュ
型共振器を用いているが、本発明は、かかる共振器に適
用が限定されることなく、リトロー型等の単一縦モード
を発振するいずれの型の共振器にも適用可能である。
型共振器を用いているが、本発明は、かかる共振器に適
用が限定されることなく、リトロー型等の単一縦モード
を発振するいずれの型の共振器にも適用可能である。
【００６０】
【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ていることにより、以下のような作用効果を奏する。
ていることにより、以下のような作用効果を奏する。
【００６１】本発明の単一縦モード周波数可変レーザー
発振器の発振周波数安定化装置及び方法は、レーザー共
振器内のガスの圧力及び温度から算出されるその屈折率
を制御パラメータに用いて、即ち圧力による共振器内ガ
スの屈折率変化のみを用いて、発振周波数の安定化を図
っているため、位相検波法等の複雑なループから成る従
来技術より構成が単純で経済的であり、位相検波法が不
要のため従来より短時間で周波数が安定化する。
発振器の発振周波数安定化装置及び方法は、レーザー共
振器内のガスの圧力及び温度から算出されるその屈折率
を制御パラメータに用いて、即ち圧力による共振器内ガ
スの屈折率変化のみを用いて、発振周波数の安定化を図
っているため、位相検波法等の複雑なループから成る従
来技術より構成が単純で経済的であり、位相検波法が不
要のため従来より短時間で周波数が安定化する。
【００６２】本発明の周波数掃引可能な単一縦モードレ
ーザー発振装置及び方法は、圧力のみを変え、それに同
期させて周波数選択素子の選択角度と共振器長の補正を
行うことにより発振周波数を掃引しているので、従来技
術のような位相検波法が不要で、そのため高速で周波数
掃引が可能である。
ーザー発振装置及び方法は、圧力のみを変え、それに同
期させて周波数選択素子の選択角度と共振器長の補正を
行うことにより発振周波数を掃引しているので、従来技
術のような位相検波法が不要で、そのため高速で周波数
掃引が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である単一縦モード周波数可
変レーザー発振装置の構成を概略示す図である。
変レーザー発振装置の構成を概略示す図である。
【図２】共振器長の補正について説明するための発振周
波数の掃引の概念図である。
波数の掃引の概念図である。
【図３】グレーティング及びエタロンでの発振周波数選
択角度の補正について説明するための図である。
択角度の補正について説明するための図である。
【図４】図１に示される実施例の実験模式図である。
【図５】レーザー発振周波数と３つの制御量（色素レー
ザー共振器内圧力変化、周波数選択素子角度の補正量及
び共振器長補正量）の関係を示した図である。
ザー共振器内圧力変化、周波数選択素子角度の補正量及
び共振器長補正量）の関係を示した図である。
１０：単一縦モードレーザー発振器 １２：圧力容器 １４：ガス １６：ガス圧力・温度測定部 １８：圧力変調部 ２０：周波数選択素子駆動部 ２２：共振器長駆動部 ２４：パーソナルコンピュータ ３０：グレーティング ３２：エタロン ３４：周波数選択素子 ３６，３８：プリズム ４０：ビーム拡大器 ４２：レーザー発振媒体 ４４：出力カプラー ５２，５４：ステッピングモータ ５６：ピエゾ駆動素子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 丸山 庸一郎 茨城県那珂郡東海村白方字白根２番地の４ 日本原子力研究所東海研究所内 (72)発明者 有沢 孝 茨城県那珂郡東海村白方字白根２番地の４ 日本原子力研究所東海研究所内
Claims (6)
- 【請求項１】 所定の気体を内部に含む密閉された容器
の内部に配置された単一縦モードで発振する周波数可変
レーザー発振器の発振周波数を安定化する装置におい
て、 前記気体の圧力及び温度を測定する手段と、 前記測定する手段により異なる時間に測定された圧力及
び温度とに基づいて前記気体の屈折率を一定にするため
の圧力の補正量を計算する手段と、 前記の計算された圧力の補正量に応じて前記気体の圧力
を変化させる手段とを備えることを特徴とする発振周波
数安定化装置。 - 【請求項２】 所定の気体を内部に含む密閉された容器
と、前記容器の内部に配置され単一縦モードで発振する
周波数可変レーザー発振器とを有し、 前記周波数可変レーザー発振器は、周波数選択手段と、
ビーム拡大手段と、発振媒体手段と、出力結合手段とを
含み、かつ前記周波数選択手段に含まれるグレーティン
グと前記出力結合手段間の光路長により規定される共振
器長を有する、レーザー発振装置において、 所望の掃引発振周波数に対応する前記気体の圧力値と屈
折率とを逐次計算する手段と、 前記計算する手段により逐次計算された圧力値に応じて
前記気体の圧力を変化させる圧力変化手段と、 前記の逐次計算された気体の屈折率に基づいて単一縦モ
ードを維持するように前記共振器長を変化させる手段
と、 前記気体の圧力の変化に起因する前記ビーム拡大手段の
レーザー光の屈折角の変化を補正するため、前記周波数
選択手段の前記ビーム拡大手段に対して設定された角度
を前記の逐次計算された気体の屈折率に応じて変化させ
る手段とを備えることを特徴とする単一縦モード周波数
掃引型レーザー発振装置。 - 【請求項３】 請求項２記載の単一縦モード周波数掃引
型レーザー発振装置において、 前記気体の圧力と温度とを測定する手段を更に設け、 前記計算する手段が、前記の測定された圧力と温度とに
基づいて所望の掃引発振周波数に対応する前記気体の圧
力値と屈折率とを逐次計算することを特徴とする単一縦
モード周波数掃引型レーザー発振装置。 - 【請求項４】 所定の気体を内部に含む密閉された容器
の内部に配置された単一縦モードで発振する周波数可変
レーザー発振器の発振周波数を安定化する方法におい
て、 前記気体の圧力及び温度を測定するステップと、 異なる時間に測定された圧力及び温度とに基づいて前記
気体の屈折率を一定にするための圧力の補正量を計算す
るステップと、 前記の計算された圧力の補正量に応じて前記気体の圧力
を変化させるステップとを備えることを特徴とする方
法。 - 【請求項５】 所定の気体を内部に含む密閉された容器
と、前記容器の内部に配置され単一縦モードで発振する
周波数可変レーザー発振器とを有し、 前記周波数可変レーザー発振器は、周波数選択手段と、
ビーム拡大手段と、発振媒体手段と、出力結合手段とを
含み、かつ前記周波数選択手段に含まれるグレーティン
グと前記出力結合手段間の光路長により規定される共振
器長を有する、レーザー発振装置を単一縦モードで周波
数を掃引する方法において、 所望の掃引発振周波数に対応する前記気体の圧力値と屈
折率とを逐次計算するステップと、 前記計算する手段により逐次計算された圧力値に応じて
前記気体の圧力を変化させるステップと、 前記の逐次計算された気体の屈折率に基づいて単一縦モ
ードを維持するように前記共振器長を変化させるステッ
プと、 前記気体の圧力の変化に起因する前記ビーム拡大手段の
レーザー光の屈折角の変化を補正するため、前記周波数
選択手段の前記ビーム拡大手段に対して設定された角度
を前記の逐次計算された気体の屈折率に応じて変化させ
るステップとを備えることを特徴とする方法。 - 【請求項６】 請求項５記載の方法において、 前記気体の圧力と温度とを測定するステップを更に設
け、 前記計算するステップが、前記の測定された圧力と温度
とに基づいて所望の掃引発振周波数に対応する前記気体
の圧力値と屈折率とを逐次計算することを特徴とする方
法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16595495A JP3759640B2 (ja) | 1995-06-30 | 1995-06-30 | 単一縦モード周波数可変レーザー発振器の発振周波数安定化装置及び方法と周波数掃引可能なレーザー発振装置及び方法 |
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