JPH11145544A - レーザ装置の波長安定化装置 - Google Patents

レーザ装置の波長安定化装置

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JPH11145544A
JPH11145544A JP30712297A JP30712297A JPH11145544A JP H11145544 A JPH11145544 A JP H11145544A JP 30712297 A JP30712297 A JP 30712297A JP 30712297 A JP30712297 A JP 30712297A JP H11145544 A JPH11145544 A JP H11145544A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 常に一定なレーザ発振器の熱的平衡状態を検
出し、再現性の高いレーザ光の波長安定化を実現可能に
したレーザ装置の波長安定化装置を提供する。 【解決手段】 周囲温度設定装置４１により、レーザ光
源ユニット１１の外周囲を被覆する被覆外筒４２の内部
温度でもあるレーザ発振器１１ａに対する外部環境温度
を設定値に制御維持した状態のまま、レーザ発振器１１
ａの伸び速度からレーザ発振器１１ａの熱的平衡状態を
検出した上で、ヒータ加熱器１２を制御することで共振
器長を一定に保持させる。この構成によって、外部環境
温度の変化やレーザ発振器自体の状態の如何等に拘ら
ず、再現性の高いレーザ光の波長安定化が容易に実現可
能になる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ装置の波長
安定化装置に関する。さらに詳しくは、ヘリウム・ネオ
ン（Ｈｅ−Ｎｅ）レーザ装置において、外部環境温度等
の変化に拘らず、共振器長を可及的一定に保持させるこ
とで、レーザ光の波長安定化を容易に可能にした波長安
定化装置に関する。
【０００２】
【背景技術】Ｈｅ−Ｎｅレーザ（以下、単にレーザとも
いう）における出力レーザ光の波長安定化方法として
は、従来から、いわゆるラムディプ法、２モード法、ゼ
ーマン法等がよく知られている。その制御手段には、PZ
T チューニングやヒータチューニングによる手法、ある
いは、ファン、放電電流等を制御する手法を用いるのが
一般的であるが、現在においては、機械的な制御手法に
代えて、これよりも種々の点で一層効果的なサーマルチ
ューニング、つまり、レーザのレーザ発振器を加熱制御
することで、その共振器長を可及的一定に保持するよう
にした波長安定化手法が主流を占めている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、レーザ出力
の波長安定化のためのサーマルチューニングの場合、レ
ーザ光源ユニットを構成するレーザ発振器の共振器長を
常に一定もしくはほぼ一定に保持させるのには、レーザ
発振器の熱的な平衡状態よりも高い温度によってレーザ
発振器の加熱を制御する必要がある。
【０００４】即ち、上記サーマルチューニングにおいて
は、レーザ装置の点灯作動に伴い、波長安定化制御のた
めのオフセット加熱を含めて、レーザ発振器自体が熱的
な平衡状態になったことを検出した時点で、その共振器
長を一定に保持するための制御を開始するようにしてい
る。このレーザ発振器での熱的平衡状態の検出には、通
常の場合、レーザ発振器に対する加熱時間、あるいは、
その管壁温度等を利用することが多い。しかし、レーザ
発振器にあっては、熱的な平衡状態に達するまでの時間
が点灯時の外部環境温度の影響を受けて異なるために一
定せず、また、たとえレーザ発振器の管壁温度が平衡か
つ安定になっていたとしても、必ずしもレーザ発振器全
体が熱的な平衡状態にあるものとは言い難い。
【０００５】ここで、レーザ装置における点灯時からの
レーザ発振器の管壁温度とレーザ発振器の共振器の伸び
量とを測定した結果の一例を図３に示す。この図３から
明らかなように、レーザ発振器の管壁温度とレーザ発振
器の共振器の伸び量の整定時間とを比較すると、レーザ
発振器が熱的な平衡状態に達するまでに要する時間は、
管壁温度で約４０分、伸び量で約４８分となっており、
この結果、レーザ発振器の管壁温度が平衡状態になった
ことを検出した時点で加熱制御を開始すると、その後に
おいてもレーザ発振器自体が徐々に伸び続けようとする
ために、ここでの制御量および加熱量をそれぞれに抑制
していかなければならない。
【０００６】この対策として、例えば、レーザ発振器に
対するヒータの温度制御範囲を広く設定したとすると、
これに対応して波長安定化制御のためのヒータのオフセ
ット加熱温度を高くとる必要があり、結果的に必要以上
のヒータパワーを必要とする。また一方で、レーザ発振
器を高い温度で使用することは、レーザ発振器の耐用寿
命に関して決して望ましいものではなく、さらには、先
にも述べたように、レーザ発振器の管壁温度とレーザ発
振器の共振器の伸び量との関係がレーザ発振器点灯時の
外部環境温度の影響によって左右されることから、波長
安定化におけるレーザ発振器の状態、共振器長等が種々
に異なり、この結果、レーザ装置の波長安定化性能に相
違を生ずる原因になる。
【０００７】本発明の目的は、上記従来におけるレーザ
装置の欠点に鑑み、外部環境温度の変化やレーザ発振器
自体の状態の如何等に拘らず、常に一定なレーザ発振器
の熱的平衡状態を検出し、再現性の高いレーザ光の波長
安定化を実現可能にしたレーザ装置の波長安定化装置を
提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のレーザ装置の波長安定化装置においては、
レーザ発振器の熱的平衡状態をレーザ発振器の共振器の
伸び速度から検出して、その共振器長の制御をなすとと
もに、レーザ発振器の共振器の伸び速度による共振器長
制御に併せて、レーザ発振器における外部環境温度を所
定値に維持制御することにより、レーザ発振器への外部
環境温度の変化による熱影響を排除し、レーザ光の出力
波長を常に安定して一定に保持させるようにしたもので
ある。
【０００９】即ち、本発明に係るレーザ装置の波長安定
化装置は、レーザ発振器を用いたレーザ光源ユニット
と、前記レーザ発振器の共振器長を変化させる加熱手段
と、前記レーザ光源ユニットからのレーザ光出力を基に
レーザ発振器の共振器の伸び速度を検出する検出手段
と、この検出手段によるレーザ発振器の共振器の伸び速
度が所定値に達したとき、前記加熱手段を制御して前記
共振器長を一定に保持する制御手段とを備えたことを特
徴とする。
【００１０】上記構成によれば、加熱手段を制御して共
振器長を一定に保持するための制御を開始する熱的平衡
状態の検出を、レーザ発振器の共振器の伸び速度で行う
ようにしたから、従来のレーザ発振器に対する加熱時間
やレーザ発振器の管壁温度等を利用して行う場合に比
べ、安定な制御開始時期を検出でき、常に同じ制御状態
を再現できる。しかも、加熱手段の制御量も少なくてす
み、かつ、レーザ発振器温度を低い状態で制御できるか
ら、レーザ発振器の耐用寿命を向上させることができ
る。
【００１１】また、本発明に係るレーザ装置の波長安定
化装置は、レーザ発振器を用いたレーザ光源ユニット
と、前記レーザ発振器の共振器長を変化させる第１の加
熱手段と、前記レーザ光源ユニットからのレーザ光出力
を基にレーザ発振器の共振器の伸び速度を検出する第１
の検出手段と、この第１の検出手段によるレーザ発振器
の共振器の伸び速度が所定値に達したとき、前記第１の
加熱手段を制御して前記共振器長を一定に保持する第１
の制御手段と、前記レーザ発振器の外周部側を包囲して
被覆する被覆外筒と、前記レーザ発振器の周囲温度に対
応する被覆外筒の内部温度を変化させる第２の加熱手段
と、前記内部温度を検出する第２の検出手段と、この第
２の検出手段の温度検出値により前記第２の加熱手段を
制御して前記内部温度を設定値に維持する第２の制御手
段とを備えたことを特徴とする。
【００１２】上記構成によれば、レーザ発振器に対する
外部環境温度を所定の設定値に制御維持した状態のま
ま、レーザ発振器の共振器の伸び速度からレーザ発振器
の熱的平衡状態を検出し、かつ、第１の加熱手段を制御
して共振器長を一定に保持させるようにしてあるため、
外部環境温度の変化やレーザ発振器自体の状態の如何等
に拘らず、常に同じ共振器長での制御が可能である。
【００１３】上記構成において、前記第１の検出手段
は、前記レーザ発振器からのレーザ光の偏光出力を取り
出す光学素子と、この光学素子によって取り出された偏
光出力を電気信号に変換する光電変換素子と、この光電
変換素子で変換された信号の変動周期を検出する変動周
期検出手段とを含んで構成されていることが望ましい。
この場合、光学素子および光電変化素子を、被覆外筒の
内部に収納配置するようにすれば、これらが外部環境温
度の変化の影響を受けることが少ないので、より安定し
た制御ができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施の一
形態を図１および図２を参照して詳細に説明する。
【００１５】図１は、本実施形態による波長安定化装置
を適用したＨｅ−Ｎｅレーザ装置の概要を模式的に示す
構成説明図である。
【００１６】この図１において、本レーザ装置は、レー
ザ発振器１１ａを用いたレーザ光源ユニット１１と、前
記レーザ発振器１１ａの共振器長制御のためにレーザ発
振器１１ａの両端部周面に巻かれた第１の加熱手段とし
ての一組のヒータ加熱器１２，１２と、前記レーザ光源
ユニット１１からのレーザ出力光を基にレーザ発振器１
１ａの共振器の伸び速度を検出する第１の検出手段とし
ての検出手段３１と、この検出手段３１によるレーザ発
振器１１ａの共振器の伸び速度が所定値に達したとき、
前記ヒータ加熱器１２，１２を制御して前記共振器長を
一定に保持する第１の制御手段としての制御手段２１
と、前記レーザ発振器１１ａの周囲温度を設定値に維持
する周囲温度設定装置４１とを備える。なお、図中の符
号１３はレーザ駆動電源である。
【００１７】前記制御手段２１は、前記レーザ発振器１
１ａからのレーザ出力光を分離する偏光ビームスプリッ
タ２２と、この偏光ビームスプリッタ２２で分離された
一方の光を２波に分離するビームスプリッタ２３と、前
記偏光ビームスプリッタ２２で分離された他方の光およ
びビームスプリッタ２３の一方の光を電気信号に変換す
る光電変換素子２４ａ，２４ｂと、この各光電変換素子
２４ａ，２４ｂの出力を増幅するアンプ２５ａ，２５ｂ
と、この両アンプ２５ａ，２５ｂの出力を比較する比較
器２６と、この比較器２６の出力、つまり、両アンプ２
５ａ，２５ｂの出力の比が一定となるようにドライバ２
８を介して前記ヒータ加熱器１２，１２への加熱電力を
制御する制御器２７とから構成されている。なお、図中
の符号２９はレーザ発振器１１ａのヒータ加熱器１２，
１２にオフセット電圧を与えるためのオフセット電圧源
である。
【００１８】前記検出手段３１は、前記ビームスプリッ
タ２３と、前記光電変換素子２４ｂと、前記アンプ２５
ｂと、このアンプ２５ｂからの出力信号の変動周期を検
出する変動周期検出器３２とを含んで構成されている。
変動周期検出器３２は、アンプ２５ｂからの出力信号の
変動周期が予め設定された値を超えたときに、スイッチ
３３を投入して、前記制御手段２１による制御を開始さ
せる。つまり、本実施形態では、レーザ発振器１１ａの
共振器の伸び速度を、レーザ光源ユニット１１からの偏
光出力のパワー変化の周期によって検出し、この周期が
予め設定された値を超えたときにレーザ発振器１１ａの
熱的平衡状態と認識するようにしている。
【００１９】ちなみに、図２には、レーザ光源ユニット
１１におけるレーザ発振器１１ａの共振器の伸び量Ａと
レーザ光出力パワーの変化量Ｂとの関係を測定した結果
を示す。この図２の測定結果から明らかなように、この
レーザ発振器１１ａの場合には、レーザ光のパワー変化
の周期が３分を超えたとき、その熱的平衡状態であると
認識することにより、その後のレーザ発振器１１ａの伸
び量Ａがおおよそ±λ（５４３ｎｍ）以内の範囲に納ま
っていることが確認された。従って、この場合、共振器
長を制御するためのヒータ加熱器１２，１２は、±λ程
度の制御能力を有していればよいことになる。従って、
ヒータ加熱器１２，１２の制御量も少なくてすみ、か
つ、レーザ発振器温度を低い状態で制御できるから、レ
ーザ発振器１１ａの耐用寿命を向上させることができ
る。
【００２０】前記周囲温度設定装置４１は、前記レーザ
発振器１１ａの外周部側を包囲して被覆する被覆外筒４
２と、前記レーザ発振器１１ａの周囲温度に対応する被
覆外筒４２の内部温度を変化させる第２の加熱手段とし
てのヒータ加熱器４３と、この内部温度を検出する第２
の検出手段としての一組のサーミスタ等からなる温度セ
ンサ４４，４４と、この温度センサ４４，４４の温度検
出値の平均値と予め所定温度に設定された外部温度設定
信号Ｔrefとを比較する温度比較器４５と、この温度比
較器４５の比較出力によりヒータ加熱器４３の加熱を制
御するドライバ４６とから構成されている。なお、前記
温度比較器４５とドライバ４６とから、前記ヒータ加熱
器４３を制御して前記被覆外筒４２の内部温度を設定値
に維持する第２の制御手段４７が構成されている。
【００２１】ここで、前記被覆外筒４２は、ヒータ加熱
器１２，１２を設けたレーザ発振器１１ａの周辺部を全
周で包囲する外周囲部分、この実施形態の場合は、前記
ビームスプリッタ２２，２３および光電変換素子２４
ａ，２４ｂを配置した外周囲部分をも包囲する十分な長
さをもつ。つまり、これらのビームスプリッタ２２，２
３および光電変換素子２４ａ，２４ｂも、被覆外筒４２
の内部に収納配置されている。また、温度センサ４４，
４４は、レーザ発振器１１ａの軸方向長さの両端位置に
対応する各部分にそれぞれ配置されている。
【００２２】従って、各温度センサ４４，４４によって
検出される被覆外筒４２の内部雰囲気温度の検出信号、
ひいては、レーザ光源ユニット１１でのレーザ発振器１
１ａの外部環境温度の平均値である温度検出信号は、温
度比較器４５に入力されて予め所定温度に設定された外
部温度設定信号Ｔrefと比較された後に、その比較出力
でドライバ４６を介してヒータ加熱器４３が制御され
る。これにより、レーザ発振器１１ａの外部環境温度が
設定値に制御維持されるから、レーザ発振器１１ａへの
外部環境温度の変化による熱影響を効果的に排除するこ
とができる。
【００２３】いま、ヒータ加熱器４３の加熱制御による
実験結果の一例を挙げると、この加熱制御によって、被
覆外筒４２内相当の温度変化の範囲は、被覆外筒４２を
用いない従来の場合に比較するとき、おおよそ１／５０
程度まで緩和できた。つまり、実験装置を電気炉内に収
納した状態で、外部温度を１０〜３０℃の温度範囲内で
変化させた場合、レーザ発振器１１ａの共振器の伸び量
は、０．０２７μｍ／℃になることが確認された。これ
は、外部温度が１℃変化したときに、被覆外筒４２内の
温度は０．０２℃しか変化していないことに相当する。
なお、上記のようにレーザ発振器１１ａを含む各光学素
子（ビームスプリッタ２２，２３）や光電変換素子２４
ａ，２４ｂ等を被覆外筒４２内に装備させることで、こ
れらについても外部温度による熱影響を良好に緩和でき
る。
【００２４】従って、上記のようにレーザ装置における
レーザ光出力の波長安定化制御を開始するためのレーザ
発振器１１ａの熱的平衡状態の検出に関し、このレーザ
発振器１１ａに対する外部環境温度の変化に伴う熱影響
を良好に排除した状態のまま、レーザ発振器１１ａの共
振器の伸び速度に対応して行うことで、常に安定した制
御開始時期を容易に検出できるもので、結果的には、同
一の各条件下での共振器長制御、ひいては、目的とする
波長安定化制御を再現性よく効果的に実行できる。
【００２５】
【発明の効果】以上の通り、本発明のレーザ装置の波長
安定化装置によれば、加熱手段を制御して共振器長を一
定に保持するための制御を開始する熱的平衡状態の検出
を、レーザ発振器の共振器の伸び速度で行うようにした
から、従来のレーザ発振器に対する加熱時間やレーザ発
振器の管壁温度等を利用して行う場合に比べ、安定な制
御開始時期を検出でき、常に同じ制御状態を再現でき
る。しかも、加熱手段の制御量も少なくてすみ、かつ、
レーザ発振器温度を低い状態で制御できるから、レーザ
発振器の耐用寿命を向上させることができる。また、レ
ーザ発振器に対する外部環境温度を所定の設定値に制御
維持した状態のまま、レーザ発振器の共振器の伸び速度
からレーザ発振器の熱的平衡状態を検出し、かつ、加熱
手段を制御して共振器長を一定に保持させるようにして
あるため、外部環境温度の変化やレーザ発振器自体の状
態の如何等に拘らず、常に同じ共振器長での制御が可能
である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による波長安定化装置を適
用したヘリウム・ネオンレーザ装置の概要を模式的に示
す構成説明図である。
【図２】同上装置のレーザ光源ユニットにおけるレーザ
発振器の共振器の伸び量とレーザパワーの変化量との関
係を測定した結果を示すグラフである。
【図３】一般的なレーザ装置の点灯時からのレーザ発振
器の管壁温度とレーザ発振器の共振器の伸び量とを測定
した結果の例を示すグラフである。
【符号の説明】
１１ レーザ光源ユニット １１ａ レーザ発振器 １２ ヒータ加熱器（第１の加熱手段） ２１ 制御手段（第１の制御手段） ２２ 偏光ビームスプリッタ（光学素子） ２３ ビームスプリッタ（光学素子） ２４ａ，２４ｂ 光電変換素子 ３１ 検出手段（第１の検出手段） ３２ 変動周期検出器（変動周期検出手段） ４１ 周囲温度設定装置 ４２ 被覆外筒 ４３ ヒータ加熱器（第２の加熱手段） ４４ 温度センサ（第２の検出手段） ４７ 第２の制御手段

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 レーザ発振器を用いたレーザ光源ユニッ
    トと、前記レーザ発振器の共振器長を変化させる加熱手
    段と、前記レーザ光源ユニットからのレーザ光出力を基
    にレーザ発振器の共振器の伸び速度を検出する検出手段
    と、この検出手段によるレーザ発振器の共振器の伸び速
    度が所定値に達したとき、前記加熱手段を制御して前記
    共振器長を一定に保持する制御手段とを備えたことを特
    徴とするレーザ装置の波長安定化装置。
  2. 【請求項２】 レーザ発振器を用いたレーザ光源ユニッ
    トと、前記レーザ発振器の共振器長を変化させる第１の
    加熱手段と、前記レーザ光源ユニットからのレーザ光出
    力を基にレーザ発振器の共振器の伸び速度を検出する第
    １の検出手段と、この第１の検出手段によるレーザ発振
    器の共振器の伸び速度が所定値に達したとき、前記第１
    の加熱手段を制御して前記共振器長を一定に保持する第
    １の制御手段と、前記レーザ発振器の外周部側を包囲し
    て被覆する被覆外筒と、前記レーザ発振器の周囲温度に
    対応する被覆外筒の内部温度を変化させる第２の加熱手
    段と、前記内部温度を検出する第２の検出手段と、この
    第２の検出手段の温度検出値により前記第２の加熱手段
    を制御して前記内部温度を設定値に維持する第２の制御
    手段とを備えたことを特徴とするレーザ装置の波長安定
    化装置。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載のレーザ装置の波長安定
    化装置において、前記第１の検出手段は、前記レーザ発
    振器からのレーザ光の偏光出力を取り出す光学素子と、
    この光学素子によって取り出された偏光出力を電気信号
    に変換する光電変換素子と、この光電変換素子で変換さ
    れた信号の変動周期を検出する変動周期検出手段とを含
    んで構成されていることを特徴とするレーザ装置の波長
    安定化装置。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載のレーザ装置の波長安定
    化装置において、前記光学素子および光電変化素子は、
    前記被覆外筒の内部に収納配置されていることを特徴と
    するレーザ装置の波長安定化装置。
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