JPS63503263A - 干渉計構造体の取り付け装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 レーザの周波数安定性における振動妨害の影響を少なくするための方法及び装置 アメリカ合衆国の政府は、契約Ｎｏ、Ｆ３３６５７−８３−Ｃ−，２，１３４、 Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｄｙｎａｍｉｃｓ　５７−３０１５６に従った発明の権利を有 する。

関連技術の背景 発明の分野 本発明は、光学干渉計の空洞の共振周波数を制御する方法及び装置、符にレーザ 周波数制卸に関する。

関連技術の説明 レーザ及び他の同様な干渉計共振装置は、共振空洞の物理的寸法を変化させる加 速力によって生じた共振空洞周波数において変化を受けやすい。レーザの場合に 、振動力は空洞反射面間の光学路長において変化を生じさせることができる、そ れ故に、構造が乱されなくかつ完全に精密であったならば得られるところのもの に比較してレーザ出力周波数において変化を生じる。多くのレーザ装置の性能は 、レーザ源の周波数安定性に依存するので、振動的に誘引する周波数変化からの 解放が重要な目標である。

過去において、多くの周波数安定化の解明が、提唱されている。主なアプローチ は、振動が有する影響を最少限にするために、干渉計空洞の共振周波数を限定す る寸法にできるがぎり精密に干渉計ＩＩ４造を作る試みを含んでいた。他の共通 のアプローチは、種々の圧面取付け８！１４１Ｉによって振動からレーザ構造を 分離することを試みる受動システムを含む。また周波数偏移の検出及び、空洞へ の補正力の付加を含む能動安定化が用いられた。これは能１７１電子工学、電気 機械型の変換器及び他の複合装置及び複合回器を含む。そのような能動システム において、周波数エラーの正確な検出についての付加的な問題があり、これは、 主要なレーザシステムにおいて周波数修正の必要性を生じている同じ振動的誘導 エラーをしばしば受けやすくできる。付加のアプローチは、スペクトル−物理学 の安定性のようなＨ［を含み、これはトルク及び他の歪み力を干渉空洞に結合す ることを最少にする試みにおいて、ピボットを使用する共振器ＩＩ４造取付はシ ステムである。他のアプローチは、増加した削性、緩衝取付は及び、問題を解決 するための試みにおける能動安定化の種々の組合せを使用する。前述のアプロー チまたはそのいくつかの組合わせは簡単、堅牢かつ安価を同時に満たす解決策を 提供しない。

発明の概略 干渉計の共振空洞周波数への振動妨害の影響を最少限にするように共振干渉計Ｉ Ｉ４造を取付ける方法及び装置が開示されている。振動分離を提供する代わりに 、本発明は、振動の第１位的影響及び同様の外部加速力を除く最適の取付は形状 の選択を提供する。

本発明は、Ｉ追上の取付は又は支持に対する最適位置を選択することによって簡 単に対象とする干渉計の共振周波数への共振妨害の影響を少なくする。本発明は 、簡単化、外部制御及び桟成部材の不要化及び、振動の影響を減少する有効な方 法を使用することを妨げない事実を含む多くの利点を有し、それ故にそれらの他 の方法も、所望なら使用されてもよい。

本発明は、軟性取付は及び、緩衝取付は振動絶縁の必要性を減らし又はなくす。

振動絶縁は、干渉計（例えば、レーザ）を正確な指示方向制御から更に分離する 望ましくない副次的影響を有する。

この発明の方法及び装置は、振動的誘導共振周波数変化から受ける共振干渉計の 空洞構造のほとんどあらゆる型に連続的に適用できるけれども、簡単および説明 のために、下記の明！１１害は、まずレーザについて論じる。

図面の簡単な説明 図１は、干渉計のｌｉ造のたわみのための空洞長の変化を図示する。

図２は、支持位置の対称な状態を図示する。

図３は、非対称支持位置を図示する。

図４は、縦振動入力を図示する。

図５は、調整可能な質量分布を有する干渉計空洞を図説する。

図６は、振動的に発生する周波数不安定を測定し最少化するための研究空実験を 示すブロックダイヤグラムである。

図７ａ及び７ｂは、３次元干渉計４Ｍ造のための単純な最適取付けを図示する。

発明の詳細な説明 レーザのような干渉計空洞の共振周波数は、ミラー間の光路に依存する。屈折率 が変化しなければ、周波数はミラー間の物理的距離に依存する、従って、 Δｆ／ｆ＝ΔＬ／Ｌ ｆは、レーザ光の光学的振動数であり、Δｆはこの振動数の変化であり、しは空 洞長であり、モしてΔＬは空洞長の変化である。この関係は、空洞長の変化に大 変敏感な周波数を形成する。例えば、１０．６マイクロメードル（μｍ）の波長 で動作する界外線炭酸ガスレーザは、２８Ｘ１０１２ヘルツの光学的振動数を有 する。ある期間３０キロヘルツ以内に周波数を安定に維持することは、この期間 に１／１０’の許容誤差に長さを固定維持することをを必要とする。レーザが２ ０センチの長さであれば、このことは、この期間に２オングストロ一ム以上にま で長さを変化しないことを必要とする。

振動が空洞長に影響を与える状態が第１図に示されこれは２つの支持部７及び８ により簡単に支持された単純はり（ビーム）１を示す。第１図に示されたはり構 造は理憇的なレーザ４１ｉＩ造であり、この場合はり１の端部５及び６は、レー ザのミラーを表わし、はり１は、ミラー支持ＩＩ４造を表わす。

実際にはマイクロメータ（μｍ）の１／１０のオーダーの支持部７及び８間のた わみは図において誇張されている。１ｉＡ２は、はりの中立軸、即ちたるみによ り伸縮も、圧縮もされない線を表わす。一般に、レーザの光軸３は、中立軸２の 上にはないが、図に指示されたようなオフセット上にある。

たるみによる空洞長の変化に２つの貢献がある。即ち中立軸２の端点１０及び１ １間を測定した弦の長さＣは、はりがたるむ前のはり１の非たるみ長しより小さ い。光軸が初めから中立軸と一致しなかったならば、はり１の端部５及び６の傾 斜は、光軸の端点１２及び１３の分離点を変える。

光軸が長さにおいて変化しなくても、ミラー傾斜によりレーザ周波数に影響があ ってもよい。ミラー上の照明点は、限定範囲にあり、それ故に光軸自体の長さが 、一定長に保たれ、これに対してミラーが傾斜していても光路の１部は延長し、 １部は短縮する。

たるみによる空洞長の変化は、 八Ｌ＝　（ｃ−Ｌ）＋２θを 但し、θは、ミラーの傾斜であり、ｔは中立軸２からの光軸のオフセットである 。第１項は、はりの形状を円に近づけることによりたるみから計算されうる。ミ ラーの傾斜角度は、たるみの値をめることができるように標準構造力学式かられ かる。（第１項は、正確に計算されるが、近似値が適切である第２項よりかなり 小さい）長さの僅かな変化は、次のようになる。

ΔＬ／Ｌ＝−８ｓ”　／３ｍ”　＋３２ｓｔ１５Ｌ”１ｇの加速領域において長 さ２５センチメートル、厚さ４．５センチメートルのステンレス鋼のｍ造に対し てたるみは０．１２マイクロメートル（μｍ）であり、傾斜角度は１．６マイク ロラジアン（μｒａｄ）である。光軸が中立線から１ミリメートル離れていれば 第１項は無視され得る。

Δｆ／ｆ＝ΔＬ／Ｌ＝１．３Ｘ１０−８そして、１０．６マイクロメードル（μ ｍ）の炭酸ガスレーザの周波数偏移は、３６０キロヘルツである。振動周波数が 、模造の共振周波数より充分以下である限り、これは加速度Ω当りのレーザ周波 数感度である。レーザは、この感度に加速度の大きさを乗じた値に等しい変調の 深さを持つ振動周波数で周波数変調される。

ΔＬ／Ｌにおける第２項は、ｔ／ｓの比率即ち約１００００倍だけ第１項よりも 大きいことに注目ずれば、ΔＬ／Ｌは、中立線に近接する光軸を動かすことによ って減少できた。しかし、計算は、すでにわずか１ミリメートルだけの誤差を仮 定し、軸が中立線により接近されたとしても、ミラーの照明領域の有限サイズは 、特にミラーの傾斜がレーザモードをわずかに変化させ照明領域を動かさせるの である影響を有する。

また、実際の構造においては中立軸を正確に位置付けすることは非常に困難であ り、または不可能である。

本発明は、端部または、機械技術者によって通常選択された最少応力位置でなく はりの端部の相対的傾斜がゼロとなるような位置にはりを保持することを教示し ている。両支持部が中央近くに動かされたことに注目すれば、はりは、図１に示 された傾斜とは反対の傾斜を与えることによりたわむ。従って、図２に示された ように、はり１の端部５及び６にてゼロの傾斜を与えるようにはりをたわませる 支持部７及び８のための中間位置が存在する。簡単に支持された単純ばり１に対 して、その位置は対称的に位置付けされ、はり１の長さの１／Ｊ３　（−０，５ ８）だけ分離された支持部を備えている。

図２に示された取付は、中立線上にない光軸による空洞長の変化の１部を除去す る。また、それは、ミラー上の照明点の有限サイズによるどのような影響も除去 する。それは、レーザモード形状においてとのような変化も除去する。唯−残っ た影響は、ミラー間の弦長の短縮である。これは、まず第１に他の影響のわずか １／１０．０００であった。弦長の短縮は、図２のはりの反曲形状のためにゼロ 傾斜取付構造のためにさらに小さい。

図２は干渉計の下の支持部を示し、これは、不所望の振動加速が垂直方向のみで あれば、適切である。他の方向に振動加速を含む状態において干渉計１１造を最 良に支持するために、支持部は、図７ａ及び７ｂに説明されるような位置の＠造 に取着されるべきである。これらの図において、干渉計は、簡単に支持した単純 ばり１として遠近法で示され、点３１．３２．３５及び３７で支持される。点３ １と３２間の線は、点３５と３７間の線のように、はり１の中立軸２を通過する 。

レーザが簡単に支持された単純ぼりでなければゼロ傾斜取付は位置は、必然的に 長さの１７ｆ３でないが、これらは常に存在する。図３に示したように、また非 対称ゼロ傾斜の取付けがあり、この場合、ミラー傾斜はゼロではなく、同じであ り、それ故に空洞長（そして故に共振周波数）の影響が相殺する。実際、同じ結 果を生じる非対称の対の支持位置は無限にある。

ここまでの論議は横振動入力の感度に焦点を合せてきた。

レーザはまた縦振動入力に対しても安定していなければならない。振動入力が端 部より供給されると、レーザ周波数の安定性は横振動よりも縦振動により敏感で あり、先に考えられていたよりもレーザ構造に対して３倍以上で感応する。釘妨 害は端部に印加されないが図４に示されたように２つの取付台に印加される。こ の点で図４において、前方支持部７の前方圧縮は後方支持部８の後への拡張を取 消し、支持部間の部分の前半分の拡張は支持部間の部分の後半分の圧縮を取消し 、組合長において純変化がゼロとなり、レーザ周波数変化を生じない。しかし、 縦方向相殺の効果は図４において（５と７間及び６と８間に夫々）、前後の張出 しを整合することに依存し：即ち、不整合のままの総空洞長の一部分が端部駆！ ＩＩ事態からの改良を決定する。即ちａ窄洞長の一部分が不整合とされると周波 数妨害の影響はこの部分によって増大される端部駆動事態の影響となる。

レーザの２つの端部は、出力結合周波数制御サーボループ及びスペクトル線選択 のような多数の要件のため通常異なっているので、張出し長の整合は適正でない 。

任意のレーザのオーバーハング影響を整合する取付は箇所が存在するが、これら は一般に横波振動の影響を補正することを必要としたものと同じでない。けれど も、縦方向は、指示精度にロスを生じさせない、ある程度に振動分離できるが、 横方向を分離することは指示精度にロスを生じる。従って、１つのアプローチは 縦波の影響を除去するため横方向の影響及び分離を最少限にする取付はシステム 使用することである。

この発明の利点の１つは発明の利益が、取引箇所を選択することによってだけで なく質量分布、支持アタッチメント（例えばフリーピボット又は堅牢接続）のタ イプ又は干渉計の＠追白の一様な剛性分布を選択し及び、または変えることによ って得られることであることが強調されるべきである。

連続的調整可能な質量分布機構が、図５に図示され、これは連続的可変質量分布 を提供するための一端部（または端部または任意の他の位置のいずれかに選択的 に）に配置したネジ型装置１５を示し、前記連続的可変質量分布は最少の振動的 誘導周波数変化を得るために構造を調節するために使用できる。

剛性分布は、下記事項を含む多くの周知の要素によって左右できる。

（１）　干渉計のｉＩ４造のための物質の選択：（２）　干渉計壁の厚み（これ は、例えば機械加工または溶接によって壁物質を付加又は削除にすることによっ て、変えることができる。）： （３）構成部材のサイズ： （４）横材または縦材のような補強材の存在、これは干渉計ＩＩ４造の一体部分 または、剛性を変化するために付加される付属装置のいずれかにできる。代表的 な応用において最適剛性分布は図６に図示された試験装置を使用し、上記方法の １つによって剛性を変えることによって実験的に見つけられる。

選択的に最適剛性はナサ栴造解析のようなダイナミックの機械的模型製作または 他の数理または計算は模型製作によって決定される。かつて、最適剛性分布は見 つけられ、将来の干渉計は、この最適形状を含めるよう設計できる。

炭酸ガスレーザへの代表的適用において、取扱うための２つの横軸及び１つの縦 軸がある。取付は箇所を選択するとき２つの軸の条件を満たす最適点を選ぶこと が通常可能であり、即ち、最高感度軸を充分に釣合うように試みることが最良で ある。

最良のレーザ装置は、空洞横断面を見ると左右同形、または左右対称になってい る。この対称は振動に対して最少感度である横軸となることがしばしばあり、そ れ故に取付は箇所、質量分布、または２つの最高感度軸、即ち垂直軸及び軸方向 軸における振動の影響を最少限にする剛性分布を選び出すことをより重要とする 。

図６に示した実験装置は振動テーブルの振動によって生じた周波数のずれを直接 測定さゼる。振動感度を減少させるため取付は台を動かすことができ、またはこ れができなければ、最適の配分が得られるまで重Φ分布または剛性分布を変える ことができる。図６に示された実験装置は、直接的周波数ずれ測定値が、ヘテロ ダイン混合器１６を介して得られるから、通路長の変化を実際に測定することを 不必要にする。

図６において、レーザ送信は２０は出力光学周波数ｆにおいて振動的に生じた不 安定性Δｆ　（ｔ）を慎重に導入するため振動器２１に機械的に結合される。ビ ーム分割器２２は、送信様出力を局部光振器レーザー２３からの固定周波数出力 信号ｆ−ｆ、に結合する。結合ビームは、ヘテロダイン混合器によって検出され る。混合器出力のＡＣ成分は、ｆｏ＋Δｆ（ｔ）である２つのレーザ間のビート 周波数である。安定化ループは、各レーザの出力周波数を制御する圧電形トラン スレータ（ｏｚｔｓ）に調整信号を供給することによって定数ｆｏを維持する。

ビート周波数の敏速な時間依存部分Δｆ（１，）であり、スペクトルアナライザ ー２６または、周波数弁別器２７及び、微分回路２８によって測定される。ＸＹ Ｚ加速計２９は、測定された周波数不安定性と比較するための加速度測定値を提 供する。

実際には取付は位置は、３つの理由のためｉｏ、ｏｏｏ倍まで周波数の安定性を 高められない。：（１）取付は箇所が位置付けできる精度。振動入力の影響は、 レーザの端部での取付けで影響からｆ３（Δ１／Ｌ）倍まで減少され、この場合 ΔＩ／Ｌは、取付は位置が見つけられるわずかな誤差である。これらはたぶん全 長の２％の精度まで位置付けでき、これが１／２９倍まで影響を減少する。

取付は位置を動かすことによって、またはレーザへの重みを除去するか、付加す るかまたは動かすことによって実験的同調が、１／２または、１／４倍までこれ を増進することができるかもしれない。

（２）　レーザ構造の握械的共振周波数は、振動周波数より充分上でなければな らなく、さもなければ、機械的共振の影響は、曲げの形を変える。

（３）　２つの取付は位置での振動入力は、相互に関係されねばならないが、一 致する必要がない。不一致振動入力は一致入力よりも異なる取付は位置を必要と する。振動入力が部分的に相関されていればこの発明は相関部分を補正する。

本光明の採用は、正確に指示でき、共振空洞周波数変化が関係している限り振動 に比較的無感応である堅牢取付レーザを生じる。この発明は、熱的に関係した周 波数不安定性の問題を解決しないが、熱的周波数不安定性を打消すために設計さ れるシステムの使用を妨げない。

発明の上述の実施例は、図説されただけであり、その変形は、その技術に熟練す るものにおこなえることは理解される。

従って、本発明は、ここに開示した実施例に限定されたようにみなされないが、 添附クレームによって限定されたようにだけ制限される。

Ｆ・ｉｇ、３゜ 国際調査報告 ｍ、−＋＋ｍｍｌ　Ａｓｅｋａｌｌｍ、＋ｉ、、ＰＣＴ／ＵＳ　８７１００６０ ２ＡＮＮＥＸ　Ｔｏ　ＴＨＥ　ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ　５ＥＡＲＣＨＲＥ ＰＯＲＴ　ＯＮＥ’Ｒ−Ａ−２１１３８０４３０１０６／７２　Ｎｏｎｅ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．相対的位置が干渉計空洞の共振空洞周波数を決定する空洞反射体を含む干渉 計構造において、前記干渉計構造のための取付手段は； 前記構造に結合される支持手段により構成され；前記支持手段は、少なくとも２ つの明確な位置で前記構造に結合され； 前記位置は、前記構造が、加速力を受けると前記共振空洞周波数において変化を 減少するために選択される。
2. ２．相対的位置が干渉計空洞の共振空洞周波数を決定する空洞反射体を含む干渉 計構造において、前記干渉計は少なくとも２つの位置で前記構造に結合される取 付手段を有し、加速力によって生じた前記共振空洞周波数内の変化を減少する方 法は： 加速力によって生じた前記共振周波数内の変化を減少させるように前記構造内の 質量分布を選択することにより構成される。
3. ３．相対的位置が干渉計空洞の共振空洞周波数を決定する空洞反射体を含む干渉 計構造において、前記干渉計は少なくとも２つの位置で前記構造に結合される取 付手段を有し、加速力によって生じた前記共振空洞周波数内の変化を減少する方 法は： 加速力によって生じた前記共振周波数内の変化を減少するように前記構造内の剛 性分布を選択することにより構成される。
4. ４．共振空洞周波数を有する干渉計の構造において、前記干渉計は少なくとも２ つの支持部に取付けられ、共振空洞周波数の振動感度を減少する方法は： 少なくとも１つの支持部を動かし、共振空洞周波数内の振動的に誘導する変化を モニタずること；共振空洞周波数の減少する振動感度を生じる位置に前記支持部 を取付けることによって構成される。
5. ５．共振空洞周波数を有する干渉計の構造にむいて、前記干渉計は少なくとも２ つの支持部に取付けられ、共振空洞周波数の振動感度を減少する方法は： 前記干渉計の構造の質量分布を変化し、振動励起によって生じた共振空洞周波数 の変化をモニターすること；共振空洞周波数の減少した振動感度を、生じる特定 の分布に前記質量分布を固定することによって構成される。
6. ６．取付け構造、重量分布及び剛性分布を有する干渉計において加速力により生 じた共振空洞周波数内の変化を減少する方法は： 前記周波数変化を減少するために前記取付け構造を前記干渉計に取付けるための 位置及び前記重量及び剛性分布を選択することにより構成される。
7. ７．取付け構造、亘童分布及び剛性分布を有する干渉計において加速力により生 じた共振空洞周波数内の変化を減少する方法は： 前記周波数変化を減少する位置で前記取付け構造を前記干渉計に取付ける位置を 選択することによって構成される。
8. ８．質量分布及び共振空洞周波数を有する干渉計構造は：前記質量分布を変える ため前記構造に取付ける手段；前記共振空洞周波数に振動的に誘導する変化を減 少するため前記質量分布を変えるため最初に名記した手段を調整する手段をを含 んでいる。