KR930004636B1

KR930004636B1 - 레이저 파장 안정화 방법 및 파장 안정화 레이저 장치

Info

Publication number: KR930004636B1
Application number: KR1019890014193A
Authority: KR
Inventors: 겐이찌 야스다; 히또시 와까따; 하지메 나까따니
Original assignee: 미쯔비시 덴끼 가부시끼 가이샤; 시끼 모리야
Priority date: 1988-10-20
Filing date: 1989-10-04
Publication date: 1993-06-02
Also published as: GB2224389B; DE3935081A1; CA1286711C; GB2224389A; KR900007146A; GB8913042D0; US4947398A

Abstract

내용 없음.

Description

레이저 파장 안정화 방법 및 파장 안정화 레이저 장치

제1a 및 1b도는 본 발명이 적용된 레이저 장치를 도시하는 구성도.

제2도는 제1a 및 1b도의 파장 모니터 기구를 상세히 도시하는 구성도.

제3도는 제2도내의 촬상소자상에 나타난 간섭호의 분광강도 분포를 도시하는 설명도.

제4a 및 4b도는 측파대 파장의 검출 동작을 설명하기 위한 분광 특성도.

제5도는 측파대 파장의 검출 원리를 설명하기 위한 간섭호의 분광강도 분포를 도시하는 설명도.

제6도는 본 발명의 한 실시예를 도시하는 플로우 챠트도.

제7도는 본 발명의 다른 적용 실시예를 도시하는 플로우 챠트도.

제8도는 종래의 협대역 레이저 장치를 나타내는 구성도.

제9도는 레이저 빔의 파장 협대역화 동작을 설명하기 위한 분광 특성도.

제10a 및 제10b도는 레이저 빔의 파장 및 출력 시프트 상태를 도시하는 설명도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 레이저 매질 2 : 전반사경

3 : 부분 반사경 4 : 거친조정 에탈론

5 : 미세조정 에탈론 6 : 레이저 빔

7, 8 : 에탈론 콘트롤 9 : 파장 모니터 기구

10 : 출력 모니터 기구 11 : 거친조정 서어보 기구

12 : 미세조정 서어보 기구 13 : 제어수단

21 : 적분기 22 : 레이저 빔 분광수단

23 : 결상렌즈 24 : 촬상소자

25 : 화상처리부 70, 80 : 빔 스플리터

: 파장정보 P : 출력정보

C : 거친조정 지령 D : 미세조정 지령

V : 인가전압 지령 X_o: 설정위치

λ_o: 설정파장 P_o: 설정출력

T : 발진 정지 시간 T_o: 설정시간

A_y(T), Z_z(T) : 보정 제어량

K : 코울드 또는 핫을 나타내는 파라미터

본 발명은 파장 안정화 레이저 장치로서, 특히 파장 모니터 기구 및 레이저 파장의 안정화 방법에 관한 것이다.

제8도는 예컨대 잡지 「CAN. J. PHYS. VOL. 63(’85)(214)」에 도시된 종래의 협대역 레이저를 도시하는 구성도이다. 동도면에서 (1)은 레이저 매질 (2)는 전반사경, (3)은 부분 반사경, (4)는 거친조정용 에탈론, (5)는 미세조정용 에탈론, (6)은 레이저 빔이다.

다음에 동작에 대하여 설명한다. 제8도에서, 통상, 레이저 매질(1)은 전반사경(2)과 부분 반사경(3)으로 이루어지는 광공진기로 둘러쌓이고, 광은 그 광공진기를 몇번이나 왕복하는 사이에 증폭되고, 레이저 빔(6)으로서 방출된다. 그런데, 레이저 발진기중 몇개, 예컨대, 엑시머 레이저 또는 반도체 레이저, 색소 레이저 또는 일부 고체 레이저는 발진 파장폭이 넓고, 광공진기내에 분광소자를 삽입하므로서, 발진 파장폭을 좁게 할 수 있다. 예를 들면, 이 예와같이 복수개의 패브리페로 에탈론(Fabry-perot etalon)(이하 에탈론이라 약한다)을 사용될 뿐아니라 단색광에 가까운 레이저 빔을 얻을 수 있다.

여기에서는, 특히 거친조정용 에탈론(4)과 미세조정용 에탈론(5)의 2장의 에탈론을 광공진기내에 삽입한 경우에 대하여 서술한다. 제9도는 레이저의 발진폭이 좁게되는 원리를 도시한 도면으로서 (a)는 거친조정용 에탈론의 분광 특성을 도시한다. 이 분광 특성의 각각의 산의 피크 위치(λ_m)는 (1)식

으로 나타내는 파장으로 된다. 여기서, n은 에탈론을 구성하는 2장의 거울면사이에 있는 물질의 굴절율, d는 거울면사이의 거리, θ는 광이 에탈론에 입사할 때의 각도, m은 정수이다. 몇개의 피크는 m의 차이에 대응하고 있다. 이 식에서 알 수 있듯이, n이나 d나 θ를 변경함으로서 산의 피크 파장을 자유로이 변경할 수 있다. 한편, 피크와 피크사이의 거리는 자유 스펙트럼 영역(이하 FSR이라 약한다)으로 불리우며, (2)식

로서 나타낸다. 또한, 각각의 피크의 반치 폭(Wλ)은 (3)식

으로 나타낸다. 여기서 F는 피네스라 하고, 에탈론의 성능에 의해 결정되는 것이다.

한편, 제9c도는 레이저 매질의 게인 분광 특성을 나타낸 것이다. 광공진기 중에 분광 소자가 존재하지 않으면, 이 게인이 존재하는 범위로 광은 증폭되어 레이저 빔으로 된다. 그때, 거친조정용 에탈론(4)의 피크 위치(λ_m1)를, 게인이 존재하는 범위의 어디인가에 대한 파장(λ_O)과 일치하게 되고, 그것도, 게인이 존재하는 파장내에 λ_m1이외의 다른 피크가 나오지 않도록 거친조정 에탈론의 자유스펙트럼 영역 FSR₁을 결정하면, 거친조정용 에탈론(4)의 존재에 의해 λ_O만큼 손실이 적은 상태가 실현되며, 그 파장 부근에서만 광은 증폭되어 발진한다.

그런데, 피크가 1개만으로 되도록 하면, FSR의 최저치는 결정되며, 또한, 피네스(F)는 에탈론의 성능에 의해 결정되고, 겨우 20정도 이므로, 거친조정용 에탈론 1장만으로 좁게할 수 있는 파장폭에는 한도가 있다.

그래서, 한장의 미세조정용 에탈론(5)을 더 사용하게 된다. 그 분광 특성은 예컨대, 제9b도와 같이하면 좋다. 이때 피크 파장 λ_m2을 λ_O와 일치하게 하여, 미세조정 에탈론의 자유스텍트럼 영역 FSR₂은 FSR₂≥wλ₁이 되도록 하면 좋다.

더 좁게하고자 할 때에는, 한장의 에탈론을 더 사용하면 좋다.

이와같이 하여, 원래 제9c도와 같은 분광 특성인 레이저 빔은 2장의 에탈론을 사용함으로서, 제9d도에 도시한 바와 같이 각각의 에탈론의 피크가 겹치는 λ_O를 중심으로 한 좁은 범위에서만 발진하게 된다. 실제로는, 발진중에 에탈론을 여러번 통과하기 때문에, 레이저 빔의 선폭은 2장의 에탈론에 이해 결정되는 파장폭이 1/2-1/10이 된다.

그리고, 이상과 같이하여, 레이저 빔의 파장폭을 좁게할 수 있지만, 상기 잡지에도 기재되어 있듯이 단기간의 안정성에 대하여는 광공진기를 개량하거나, 입사각(θ)을 작게함으로서 개선되지만, 장기적으로는, 열적인 문제, 특히 레이저 빔이 에탈론을 투과할 때의 발열에 의한 파장 시프트가 큰 문제로 된다. 이 문제를 제10a도를 사용하여 설명한다.

제10a-(a)도는 거친조정용 에탈론(4)의 피크 파장 λ_m1, 동도의 (b)도는 미세조정용 에탈론(5)의 피크 파장 λ_m2, 동도 (c)는 레이저 빔(6)의 출력 경우를 저마다 나타내고 실선은 발진 직후의 분광특성, 파선은 경시 변화후의 분광특성이다.

제10a도로 명백하듯이, 발진직후(실선)는 각 피크 파장 λ_m1및 λ_m2이 설정 파장 λ_O과 일치하고 있으나, 발열에 따라 에탈론이 변형하면, 각 갭의 길이(거울면 간격) d₁및 d₂가 변화하여, 피크 파장 λ_m1및 λ_m2는 파선과 같이 시프트한다. 이때, 파장 시프트 양(△λ)과 거울면 간격 d의 변화량(△d)의 관계는

△λ=(λm/d)·△d………………………………………………………………(4)

로 표시되고, 파장 시프트 방향은 에탈론의 구조 등에 의해 결정된다. 제10a도 및 (4)식으로 명백하듯이, 거울면 간격 d₁이 작은 거친조정용 에탈론(4)의 파장 시프트양 △λ은 거울면 간격 d₂가 큰 미세조정 에탈론(5)의 파장 시프트양 △λ₂보다도 커진다.

이와같이 발열에 따라 각 피크 파장 λ_m1및 λ_m2가 시프트했다면,

λ_m1≠ λ_m2

로 되며, 또한 양자를 겹쳤을 때의 광투과량은

λ_m1=λ_m2

의 경우와 비교하여 감소한다. 따라서, 레이저 빔(6)은 제9c도에 나타내듯이 중심 파장이 설정 파장 λ_O으로부터 미세조정용 에탈론(5)의 피크 파장 λ_m2로 시프트함과 동시에, 출력이 △P만큼 감소한다.

또한, 시프트양이 클 때는 미세조정용 에탈론(5)의 다른 모드(측파대 파장)에서의 발진도 일어날 수 있다.

마찬가지로 제10b도를 사용하여 설명하면, 제10b-(a)도는 거친조정용 에탈론의 분광 특성을 확대한 것이고, 실선으로 그려져 있는 것은 발진 직후의 분광 특성이다. 그런데, 발진후, 레이저 빔에 의한 발열에 의하여 에탈론이 변형한다. 이 변형은 에탈론의 특성을 열화시킬 정도는 아니지만, 에탈론의 갭 길이를 변화시켜, 그 결과 파장을 시프트 시킨다. 그 시프트양과 에탈론의 변형에 의한 d의 변화사이에는 전술한 (4)식의 관계가 성립한다.

한편, 미세조정용 에탈론도 또한 같은 파장 시프트가 발생하고 있다. 그 모양은 제10b-(b)도와 같이 된다. 미세조정용 에탈론의 파장 시프트량은 에탈론 간격 d₂가 거친조정용 에탈론의 간격 d₁보다 큰만큼 작게된다.

그리고, 이때의 문제는 2장의 에탈론의 분광 특성의 피크 파장 λ_m1과 λ_m2가 어긋나는 것이다. 이때, 양자를 겹치는 경우의 광투과량은 λ_m1=λ_m2의 때에 비하여 감소한다. 그때의 모양을 제10b-(c)도에 표시한다. 장시간 발진후, 레이저 출력은 λ_O로부터 λ_m2로 파장 시프트하는 동시에 출력이 감소한다. 또 시프트양이 클 때는 미세조정용 에탈론의 다른 모드(측파대 파장 제10b-(c)도중

,

)에서의 발진도 일어날 수 있다.

따라서, 협대역화된 레이저를 안정하게 동작시키기에는 반드시 파장을 모니터하여 그 정보에 따라서 발진파장을 제어하는 기구가 필요하게 된다. 예컨대, Proc. SPIE 633(1986)나, 일본 공개 특허공보의 소화 63-228693에 표시된 것 같은 구성이 필요로 된다. 전자는 파장 모니터용으로서 2개의 모니터용, 에탈론을 사용하여, 한쪽에서 중심 파장의 흔들림을, 다른쪽에서 측파대를 모니터하겠끔하고, 그 정보에 따라서 레이저의 광공진기내에 있는 2개의 에탈론 광공진기내에 가지는 레이저의 파장을 광공진기내의 에탈론의 FSR보다 넓은 FSR을 가지는 에탈론을 사용하고, 파장의 흔들림 그 자체를 보는 대신에, 주된 파장과 측파대의 강도비를 이용하여 파장 제어하겠끔한 것이다.

이상과 같이 종래의 협대역 레이저 장치는 에탈론의 열적인 문제에 의한 파장 시프트를 보정하는 수단, 및 측파대 파장의 검출 수단을 갖지 않을뿐 아니라, 2장의 에탈론을 사용할 때의 출력 감소를 방지하는 수단도 갖지 않기 때문에, 열적인 변형이 작은 저출력 레이저에만 적용되는 문제가 있었고 또한, 장시간 동작시키면 파장이 안정하지 않거나, 파장을 모니터하는 기구를 구비하고 있어도, 모니터용으로서 2개의 에탈론을 이용할 필요가 있거나, 강도비를 이용하기 위한 측파대가 완전히 없게된 상태에서는 제어되지 않은 것이나, 레이저 매질의 상태(가스압력, 혼합비 등)에 의하여 개인의 파장에 대한 분포가 바꿔지고, 강도비도 그것에 따라 변경할 필요가 있다. 또, 모니터용 에탈론에 의한 간섭호의 흔들림을 이용하여 파장을 제어하려해도, 모니터용으로서 넓은 FSR의 것을 사용하였기 때문에 파장의 흔들림을 해석할 능력이 부족하는 등의 문제가 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 이루어진 것으로서, 협대역화 한때의 파장의 안정화, 및 레이저 출력의 안정화가 가능함과 동시에, 에탈론의 열비틀림 및 경시적인 특성 열화에 의하여 발생하는 측파대 파장의 검출을 가능하게 한 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 간단한 구성으로 파장의 흔들림과 측파대를 검출할 수 있어, 파장이 안정화된 레이저를 공급하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적들을 성취하기 위하여, 본 발명에 관한 협대역 레이저 장치의 측파대 검출 방법은 2장의 에탈론에 의하여 파장 선택된 레이저 빔의 일부를 분광하고, 분광된 레이저 빔의 해석 결과를 기본적으로 미세조정용 에탈론을 제어함으로서 레이저 빔의 파장을 안정화시킴과 동시에, 출력 모니터 기구로 레이저 출력을 측정하여, 레이저 매질에 대한 인가전압이나 거친조정용 에탈론을 시분할 제어함으로서, 레이저 출력을 안정화되면서, 상기 2장의 에탈론의 자유스펙트럼 영역, 및 파장 모니터 기구에 사용하는 에탈론의 자유스펙트럼 영역의 특성에서 측파대 파장의 검출을 행하는 것이다.

또한, 본 발명에 관한 파장 안정화 레이저는 적어도 한장의 에탈론을 광공진기 중에 가지고 협대역함과 동시에, 파장을 관측하기 위한 모니터 에탈론의 FSR와 광공진기내의 미세조정용 에탈론의 FSR 사이에 적당한 관계가 성립하게 함으로서, 중심 파장과 함께 측파대도 모니터할 수 있게끔하여, 중심 파장의 흔들림과 측파대의 유무의 정보를 기본으로 광공진기내에 있는 에탈론의 제어가 가능하겠끔 한것이다.

본 발명에 있어서 협대역 레이저 장치의 측파대 파장 검출 방법은, 2장의 에탈론의 자유스펙트럼 영역의 특성과, 레이저 게인(Gain)특성에서 발생하기 쉬운 측파대 파장을 설정하여, 파장 모니터 기구에 사용하는 에탈론의 자유스펙트럼 영역보다, 간섭호를 관측하는 촬상소자상에 있어서, 상기 설정한 측파대 파장이 나타나는 포인트를 구하여 두고, 파장 선택된 레이저 빔의 간섭호의 해석 결과를 기본으로 미세조정용 에탈론을 제어하여 레이저 빔의 파장 제어를 행함과 동시에, 측파대 파장의 유무를 검출한다.

본 발명에 있어서의 파장 안정화 레이저는 중심 파장과 측파대가 분리할 수 있고, 또 중심 파장의 흔들림을 고분해능으로 검출할 수 있게끔 하였기 때문에, 중심파장의 흔들림보다 광공진기내의 미세조정 에탈론을 조절하며, 또 측파대의 발생 형편에 따라 그외의 에탈론을 조절할 수 있게끔 하였기 때문에 발진 파장을 바람직하게 조정할 수 있을뿐 아니라, 그 외의 에탈론의 조정 불량에 의하여 발생하는 출력저하를 방지할 수 있다.

이하 본 발명의 한 실시예를 도면을 참조하여 설명한다. 제1도는 본 발명이 적용되는 협대역 레이저 장치를 나타내는 구성도이며, (1) 내지 (6)은 전술한 것과 같은 것이다.

(70 및 80)은 레이저 빔(6)의 일부를 반사시키는 빔 스플리터, (9)는 빔 스플리터(70)로 반사된 일부의 레이저 빔(6A)에 의해서 레이저 빔(6)의 파장 정보 λ_x를 출력하는 파장 모니터 기구, (10)은 빔 스플리터(80)로 반사된 일부의 레이저 빔(6B)에 의해서 레이저 빔(6)의 출력 정보 P를 출력하는 출력 모니터 기구, (11)은 거친조정 에탈론(4)을 조정하기 위한 거친조정용 서어보 기구, (12)는 미세조정 에탈론(5)을 조정하기 위한 미세조정용 서어보 기구이다.

(13)은 cpu 및 메모리 등을 갖고 레이저 장치의 시스템 전체를 제어하기 위한 제어 수단이며, 출력정보 P에 따라서, 레이저 매질(1)에 대한 인가전압 지령 V 또는 거친조정용 서어보 기구(11)에 대한 거친조정용 지령 C를 출력함과 동시에, 파장 정보 λ_x에 따라서, 미세조정용 서어보 기구(12)에 대한 미세조정 지령 D를 출력하도록 되어 있다.

또한, 제2도는 제1도내의 파장 모니터 기구(9)를 상세히 나타내는 구성도이며, (21)은 빔 스플리터(70)에서의 레이저 빔(6A)를 약하게 하기도 하고 확산시키기도 하는 적분기이다.

(22)는 적분기(21)를 통한 레이저 빔(6A)을 분광하는 수단이며, 예컨대 미세조정 에탈론(5)보다도 더욱 좁은 반치폭(Wλ)의 투과 특성을 갖는 에탈론으로 구성되어 있다.

(23)은 에탈론(22)를 통한 레이저 빔(6A)을 집광시키는 결상렌즈, (24)는 결상렌즈(23)에 의해 결상된 레이저 빔(6A)의 간섭호를 관측하기 위한 일차원 이미지 센서로 이루어진 촬상소자, (25)는 촬상소자(24)상의 간섭호를 해석하기 위한 화상 처리부이다.

다음에, 제3도의 간섭호 분포도를 참조하면서, 제2도에 도시한 파장 모니터 기구(9)의 동작에 대해서 설명한다.

빔 스플리터(70)에 의해 분할된 일부 레이저 빔(6A)은 적분기(21)에 의해 약하게 되거나 확산된 후, 에탈론(22)을 통해 결상렌즈(23)에 도달한다. 이때 적분기(21)로 인해 생긴 발산 성분 중, 에탈론(22)에 대해 특정한 입사각 θ를 가진 성분만이 에탈론(22)을 투과하여 결상렌즈(23)에 도달한다.

그리고, 결상렌즈(23)에 의해 집속된 레이저 빔(6A)은 촬상소자(24)상에 결상된다. 이때 결상렌즈(23)의 초점거리를 f라고 하면, 입사각 θ의 성분을 가지는 레이저 빔(6A)은 초점 위치에 있어서, 결상렌즈(23)축으로부터 fθ만큼 떨어진 위치에 집광되어, 제3도와 같이 원형의 간섭호를 형성한다. 여기서, 간섭호 출력의 각 피크 위치 X는 에탈론(22)의 차수 m의 차이에 대응하고 있고, 각 산의 피크 간격은 자유스펙트럼영역이라 부르며, 이 범위에서 파장 λ을 일의적으로 결정할 수 있다. 이 자유스펙트럼 영역은 에탈론(22)의 설계에 의해 결정할 수 있으며, 예측되는 파장 시프트 △λ의 값보다도 넓게 설정되어 있다.

또한 간섭호 중심에서의 거리 즉, 피크 위치 X는 레이저 빔(6A)의 파장 분포에 대응한 광강도 분포를 가지고 있으므로, 피크 위치 X를 관측하면 입사각 θ가 구해지며, 또한 전술한 식(1)에 의해 파장 λ를 계산할 수가 있다. 이때 입사각 θ를 구하기 위해 화상 처리부(25)가 사용된다.

게다가 제어를 걸지않고 장시간 발진 동작시키면, 전술한 파장 시프트에 의해, 제3도의 파선과 같이, 피크 위치 X가 설정 파장 λ_O에 대응하는 소정 위치 X로부터 시프트한다.

이때 피크 위치의 광강도도 감소하기 때문에, 이 강도 변화를 측정하므로써, 파장 모니터 기구(9)가 출력 모니터 기구(10)를 겸용할 수도 있다.

다음에 제4a도(제9도, 제10a도), 제5도를 참조하면서, 측파대 파장의 검출방법에 대하여 설명한다.

제4a도(제9도, 제10a도)에 표시한, 레이저 파장을 협대역하기 위한 원리도로부터 알 수 있는 바와 같이, 지금, 레이저가 설정 파장 λ_O에서 발진 제어되고 있다고 하면, 거친조정 에탈론(4)의 자유스펙트럼 영역(FSR₁)과 미세조정 에탈론(5)의 자유스펙트럼 영역(FSR₂) 및 레이저 게인(Gain) 특성에서, 에탈론(4), (5)의 열 비틀림, 및 경시적인 특성 열화(예컨대, 반치폭(Wλ)의 확대 등) 등에 의하여 발생할 수 있는 측파대 파장은, 예컨대, 제4a도의 레이저 출력 특성에 표시한 ① 내지 ④와 같이 설정할 수 있어, 그것들의 파장은 다음식으로 표시된다.

측파대 파장=(λ_O)±i×FSR₂……………………………………………………(5)

(단 i는 에탈론의 차수에 상당하는 정수)

이것들의 측파대 파장은, 상기의 파장 모니터 기구(9)에서의 적분기(21), 에탈론(22), 결상렌즈(23)를 거쳐서 촬상소자(24)에서 간섭호를 관측하면, 에탈론(22)의 자유스펙트럼 영역(FSR₃)의 특성으로부터, 레이저의 설정 파장에 대하여,

측파대 파장=λ_O＋i×FSR₂-j×FSR₃≤λ_O±FSR₃……………………………(6)

또는,

측파대 파장=λ_O-i×FSR₂＋j×FSR₃≤λ_O±FSR₃……………………………(7)

(단, FSR₂＞FSR₃, j는 에탈론의 차수에 상당하는 정수)

(6), (7)식과 같이 표시되어, 제5도에 도시한 바와 같이 설정 파장(λ_O)에 대하여, 에탈론(22)의 자유스펙트럼 영역(FSR₃)이내에서 일의적으로 결정한 파장이 어긋남의 장소에 나타난다.

따라서, 2장의 에탈론(4), (5)에 의하여, 파장 선택된 레이저 빔(6)의 일부를 분광하고, 분광된 레이저 빔(6A)의 간섭호를 해석함으로서, 설정 파장(λ_O)과 현재의 발진 파장과의 파장 어긋남양, 및, 측파대 파장의 유무를 검출하여, 미세조정 에탈론(5)을 제어함으로서 레이저 파장의 안정화 제어를 행한다.

다음에, 거친조정 에탈론(4)의 제어 기구에 대하여 설명한다. 제1도에 있어서, 빔 스플리터(80)에 의하여 분할된 일부의 레이저 빔(6B)은, 출력 모니터 기구(10)에 인도된다. 출력 모니터 기구(10)에서 측정한 레이저 출력값을 제어수단(13)에서 받아들이고, 필요에 따라서, 레이저 매질(1)에 공급하고 있는 인가전압, 또는 거친조정 에탈론(4)을 시분할로 제어함으로서, 레이저 출력이 일정하게끔 조정한다.

제6도는 본 발명의 한 실시예에 의한 레이저 파장의 안정화 방법에 대한 개략 플로우 챠트도로서, 동도면을 참조하면서, 본 발명의 한 실시예에 대하여 설명한다.

레이저의 발진이 개시되면, 우선 파장을 제어하던지, 레이저 출력을 제어하던지를 선택한다(스텝 S11). 이때, 각 제어는 예컨대 시분할로 선택적으로 실행되거나 또는 동시에 실행되어 좋다.

파장 제어의 경우는 파장 모니터 기구(9)를 제어하여, 일부 레이저 빔(6A)를 적분기(21)에 의해 발산시킨 후, 에탈론(22)으로 분광하고(스텝 S12), 또한 결상렌즈(23)에 의해 촬상소자(24)상에 집광한다.

이어서, 촬상소자(24) 및 화상 처리부(25)에 이해 간섭호(제3도, 제5도 참조)의 일차원 광강도 분포를 측정하고(스텝 S13), 측정 데이타를 평활하하여 노이즈를 제거하는 동의 화상 처리를 행하고(스텝 S14), 최대 강도의 피크 위치(X)를 결정하며(스텝 S15), 이를 레이저 빔(6)의 파장(λ)에 대응하는 파장 정보(λ_x)로서 취득한다.

그리고, 피크 위치 X를 설정 위치 X_o와 비교하여(스텝 S16), X=X_O의 경우는 미세조정 에탈론(5)을 제어하지 않고 스텝 S18로 나아가고 X≠X_O의 경우는 미세조정 지령 D에 의해 미세조정 서어보 기구(12)를 거쳐서 미세조정 에탈론(5)을 구동한다(스텝 S17).

다음에 상기 간섭호(제5도 참조)의 1차원 광강도 분포로부터, 측파대 파장의 출현 장소 근방(R1-R4)에 대하여, 측파대 파장 유무의 해석 처리(예컨대, R1-R4 포인트의 근방에 작은 최대 강도의 유무)를 행하고 (스텝 S18), 스텝 S19에서, 측파대 파장의 유무를 판단하여(예컨대, 소정의 기준치와 비교하는 등), 측파대 파장이 없는 경우는 스텝 S21로 나아가고, 측파대 파장이 있는 경우는 이상 처리를 행한다(스텝 S20). 최후로, 스텝 S21에서, 발진 정지인가 아닌가를 판정하고, 발진 정지가 아니면 제어 선택 스텝 S11로 되돌아가, 파장 제어 스텝 S12 내지 S20을 반복한다.

이렇게하여, 미세조정 에탈론(5)의 투과 특성의 중심 파장 λ_m2(제10a도 참조)가 설정 파장 λ_O와 일치하도록 파장 제어가 행하여짐으로서, 레이저 빔(6)의 발진 파장 λ는 일정하게 유지된다.

한편, 출력 제어의 경우는, 출력 모니터 기구(10)를 구동 제어하여, 일부의 레이저 빔 (6B)에 의하여 레이저 빔(6)의 출력을 측정하고(스텝 S22), 이 측정 데이타를 출력정보 P로서 취득하고, 그 N회의 평균치 처리에 의하여 현재 출력 P_N(N회의 평균치 처리는 안하여도 좋다)를 구하고, 그 수치를 기억하여(스텝 S23), J의 수치를 1증분한다(스텝 S24).

이어서, 현재 출력 P_N과 설정 출력 P_O와의 차의 절대치,

│△P│=P_N-P_O

를 구하여(스텝 S25), 설정된 허용치 P_A와 비교하여(스텝 S26), │△P│≤P_R의 경우는 인가전압을 가변하지 않고 스텝 S31로 나아가, 현재의 인가전압을 기억한다. 한편, │△P│＞P_R의 경우는 J와 K(설정치)의 수치를 비교하여, 레이저 매질(1)에 대한 인가전압의 제어인가, 거친조정 에탈론(4)의 제어인가를 판정한다(스텝 S27).

만일, J＜K이라면, 절대치 │△P│에서 인가전압의 제어량을 계산하고(스텝 S28), 또 출력차 △P의 극성에 의하여 제어방향(증가 또는 R감소)를 결정하고(스텝 S29) 이들 제어량 및 제어방향에 근거하여 인가전압 지령 V를 출력하며, 레이저 매질(1)에 대한 인가전압을 변화시킨다(스텝 S30). 동시에 스텝 S31로 나아가, 현재의 인가전압을 기억한다.

또, 스텝 S27에서, J≥K이라면, 상기 스텝 S31에서 기억한 인가전압의 M(K-1)회의 평균치 V_N를 계산하고(스텝 S32), 전회의 평균치 V_O과 현재의 평균치 V_N을 비교하여(예컨데, 인가전압이 최소로 되겠끔), 거친조정 에탈론(4)의 제어량과 제어방향을 결정(스텝 S33)한 후, V_N을 V_O로서 기억하고(스텝 S34), 스텝 S33에서 구한 제어량과 제어방향에 근거하여 거친조정 지령 C를 출력하고, 거친조정 서어보 기구(11)를 통하여 거친조정 에탈론(4)을 구동(스텝 S35)한 후, J의 수치를 0으로 리셋트하고(스텝 S36), 스텝 S21에서, 발진 정지인가 아닌가를 판단하여, 발진 정지가 아니면 제어선택 스텝 S11로 되돌아간다.

이상과 같이, 레이저 발진중에 있어서, 파장 제어 스텝 S12 내지 S20, 및 출력 제어 스텝 S22 내지 S26을 실행함으로서, 레이저 빔(6)의 파장 및 출력은 일정하게 제어된다.

또, 상기의 설명에서는 출력 제어의 경우, 인가전압의 제어를 우선하고 있지만, 인가전압의 제어와 거친 조정 에탈론(4)의 제어를 교대로 하거나, 역으로 거친조정 에탈론(4)의 제어를 우선시켜도 동등의 효과가 있다.

또, 상기 실시예에서는 파장 모니터 기구(9)로서 에탈론(22)을 사용하였지만, 프리즘이나, 그레이팅 파조의 간섭계의 분광 소자로도 좋고, 분광된 광강도 분포를 측정함으로서, 상기 실시예와 동등의 효과가 얻어진다.

다음에 제7도의 플로우 챠트도를 참조하면서, 본 발명의 다른 실시예에 대하여 설명한다.

전원이 투입되면, 제어수단(13)은 우선 시스템을 초기화함과 동시에, 각종 파라미터를 초기화하고(스텝 S41), 레이저 발진의 개시를 대기한다(스텝 S42).

스텝 S42에 있어서 레이저 발진의 개시를 판정하면, 코울드(K=0) 또는 핫(K-1)을 나타내는 파라미터(K)가 0인지 아닌지를 판정하고(스텝 S43), 만약, K=0이 아니면(즉, K=1이면), 스텝 S47으로 나아가고, K=0이면 스텝 S44로 나아가 워밍업 운전처리를 실행한다.

즉 레이저 매질(1)에 대한 인가전압을 일정하게 유지하면서, 파장 모니터 기구(9) 및 미세조정 서어보 기구(12)를 사용하여 미세조정 에탈론(5)을 제어하고, 레이저 빔(6)의 파장(λ)이 설정파장(λ_o)과 일치하도록 안정화함과 동시에, 거친조정 에탈론(4)을 무제어 상태로 하든지, 또는 출력 모니터 기구(10) 및 거친조정 서어보 기구(11)를 사용하여 레이저 빔(6)의 출력이 최대로 되도록 제어한다.

이어서 출력 모니터 기구(10) 및 거친조정 서어보 기구(11)를 사용하여거친조정 에탈론(4)을 최적화하기 위한 서어치 제어, 예를 들면 압력 서어치 처리를 실행하고(스텝 S45), 이 서어치 처리 결과에 의하여 최적 압력의 설정 처리를 실행한다(스텝 S46).

즉, 거친조정 에탈론(4)의 거울면간 압력 또는 각도를 특정의 범위로 변화시키는 셈이지만, 제4A도의 설명에서 알수 있듯이, 거친조정 에탈론(4)의 거울면간 압력 또는 각도를 변화시키면, 측파대 파장이 발생한다. 따라서, 상기에서 설명한 측파대 파장의 검출 기능을 적용하고, 서어치 제어의 범위를 제어수단(13)의 내부에서 자동 설정하여(이 기능을 적용함으로서, 거친조정 에탈론(4)의 특성 변화 및 교환 등을 하여도, 서어치 제어 범위는 자동보정할 수 있다), 서어치 제어를 행하는 레이저 빔(6)의 출력이 최대로 되는 거울면 간격(d₂) 또는 입사각(θ₂)의 최적위치를 검출하고(스텝 S45), 이 검출 결과에 의하여, 거친조정 에탈론(4)의 압력 또는 각도를 최적위치로 설정한다(스텝 S46). 여기에서는, 서어치 제어 스텝 S45에 있어서 압력을 변화시키고, 최적 위치 설정 스텝 S46에 있어서 최적 압력으로 설정하는 경우를 나타낸다.

다음에, 레이저 빔(6)의 출력이 설정치에 대하여 소정의 범위내인지 아닌지를 판정하고(스텝 S47), 또, 레이저 빔(6)의 파장이 설정치에 대하여 소정의 범위내에 들어가 있는지(OK) 아닌지를 판정하고(스텝 S48), 동시에 OK이면 파라미터 K를 1(핫)로 셋트한다(스텝 S49).

또한 이상의 시스템 기동 제어 스텝(S44 내지 S48)의 실행중에 있어서, 레이저 빔(6)은 셔터(shutter)(도시하지 않음)에 의하여 차단되어 있으며, 불안정한 레이저 빔(6)이 사용되지 않는다.

이렇게하여, 시스템 기동 제어가 완료하여, 셔터 등이 개방되어 레이저 빔(6)은 실제로 사용가능한 상태로 된다. 통상 발진 동작 중에서, 제어 수단(13)은 레이저 빔(6)의 출력 및 파장을 항시 설정치에 대하여 소정의 범위내로 되도록 제어한다(스텝 S50).

레이저 제어 스텝 S50의 상세는 제6도에 나타내어 있으며, 상기에서 설명한 대로이다.

레이저의 발진이 정지되면, 발진 정지시간(T)을 계산하고(스텝 S51), 설정시간(T_O)과 비교하여(스텝 S52), T≤T_O의 경우는 스텝 S54로 나아가며, T＞T_O의 경우는 파라미터(K)를 0으로 셋트하고(스텝 S53), 시스템이 코울드 상태인 것을 나타낸다.

그리고, 발진이 제개되었는지 아닌지를 판정하고(스텝 S54), 발진 개시한 경우는 스텝 S43으로 되돌아가고, 발진이 개시하고 있지 않은 경우는 스텝 S55로 나아가며, 전원이 오프인지 아닌지를 판정한다. 만약 전원이 오프이면 시스템을 정지시키며, 전원이 오프로 되지 않았으면 파라미터(K)가 1인지 아닌지를 판정하고(스텝 S56), K=1이면 정지시간 스텝 S51로 되돌아가며, K=0이면, 발진 개시 판정 스텝 S54로 되돌아간다.

본 발명의 또 다른 실시예에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 제1b도, 제2도에 있어서, (1) 내지 (6)은 종래예와 같은 것이다. (7), (8)는 에탈론 콘트롤, (9)는 파장 모니터 기구, (21)은 적분기, (22)는 모니터용의 패브리페로 에탈론, (23)은 결상렌즈, (24)는 촬상소자, (25)는 화상 처리부이다.

다음에 동작에 대하여 설명한다. 종래예와 같은 목적으로하는 파장폭에 따라서, 적어도 1장의 에탈론을 광공진기내에 삽입하고, 협대역화를 행한다. 그러나, 그것만으로는 이미 기술한 것같이 파장도 출력도 불안정하기 때문에, 이하에 기술한 것 같은 제어 기구가 필요하게 된다.

제1b도에 있어서, 협대역화된 레이저 빔(6)의 일부를 파장 모니터 기구(9)에 인도하고, 이 예에서는 빔 스플리터를 이용하였지만, 전반사경으로부터의 누출광을 이용하여도 좋다. 파장 모니터 기구(9)의 적분기는 레이저 빔을 약하게 하거나, 빔내의 파장 분포를 평균화하거나, 확산시키거나 하는 것으로서, 확산판, ND필터, 간섭필터 등으로 이루어진다. 빔 스플리터로부터의 광을 집광하여 광 화이퍼에 넣으면, 광의 전송이 용이하게될 뿐아니라, 적분기로서의 기능도 갖게 할 수 있다. 그런데, 적분기에 의하여 발생한 발산 성분중 특성의 입사각도 θ를 가진 성분만이 모니터 에탈론(22)을 투과하고, 렌즈에 도달한다. 렌즈의 초점거리를 f라고 하면, θ의 성분을 가진 광은 초점 거리에 있어서 렌즈의 축보다 fθ 떨어진 곳에 집속하여, 원형의 간섭호(이하 프린지라고 칭한다)를 형성한다. 그래서, 초점위치에 환상 소자(24)를 배치하고, 얻어진 강도 분포를 화상 처리부(25)에서 처리하면 θ가 구해지고, 앞서 표시한 에탈론의 투과 파장의 식(1)로부터 λ가 계산될 수 있다.

그런데, 환상 소자상의 광강도 분포는 제3도와 같이 되어있다. 종축은 광강도, 횡축은 프린지의 중심으로부터의 거리를 도시한다. 각 피크는 모니터 에탈론(22)의 차수 m의 차에 대응하고 있다. 그리고 각 피크의 간격은 모니터 에탈론의 자유스펙트럼 영역 FSRM에 대응하고 있다. FSRM 이하의 어긋남, 예컨대 제3도의 파선과 같은 것이라면 일의적으로 결정할 수 있다. 그러나, 마침 FSRM 또는 그 정수배만큼 레이저의 파장이 어긋나면 원래의 광강도 분포와 거의 같게되며, 파장 어긋남의 검출이 될 수 없게 되고 만다. 그래서, 발열 등으로 예상된 파장 시프트 보다도 넓게 FSRM를 설정한다.

만일, 처음에 프린지의 피크가 위치 X_O로부터 별도의 위치 X로 이동하였다고 하면 원래의 위치로 되돌아가도록 에탈론 콘트롤(8)을 동작시킨다. 에탈론의 콘트롤은 에탈론의 각도를 변경하거나, 에어갭 타입의 에탈론이라면 스페어서를 PZT로서 갭 길이를 변경하거나, 에탈론을 용기에 봉입하여 용기내의 압력을 변경하거나 하면 좋다.

원래의 위치 X_O로 되돌아 갔음에도 불구하고 피크 강도가 낮으면 에탈론 콘트롤(7)을 동작시켜, 강도가 최대로 되도록 한다. 이와 같이 하여 레이저의 발진 파장을 보정할 수 있다.

그런데, 제10b-(c)도에 도시한 바와 같이 측파대가 발생한 경우, 그 파장이 중심 파장에 비해 많이 어긋나기 때문에, 모니터 에탈론의 프린지로부터 일의적으로 파장을 결정하는 것이 곤란하게 된다. 일의적으로 결정하려고 하면 FSRM은 레이저의 게인이 임의의 범위와 같은 정도로 하지 않으면 안된다. 예컨데 KrF에키시머 레이저에서는 게인의 폭이 400pm이상있다. 한편 모니터 에탈론의 피네스는 공진기에 넣은 것에 비해 크게할 수 있지만 겨우 50이고, 그결과, 파장 분해능은 8pm로 되고 만다. 이것으로는 중심 파장의 흔들림을 아주 정확하게 검출하는 것은 어렵다. 그래서, 2장의 모니터 에탈론을 사용하여 한쪽에서 중심파장을, 다른쪽에서 측파대를 보거나, 1장의 FSRM의 큰 에탈론으로 보는 대신에 중심 파장과 측파대의 강도비를 이용하여 파장 제어하는 방법이 생각되었다.

본 발명에서는 FSRM은 중심 파장의 흔들림이 관측할 수 있도록 작게하여도, 광공진기에 삽입된 에탈론중, 가장 작은 FSR를 가진 에탈론, 실시예에서는 미세조정 에탈론의 FSR와의 관계를 적당히 유지함으로서 측파대의 검출이 가능하게 된다.

제4b도, 제10b도를 참조하면서 측파대의 검출방법에 대하여 설명한다. 제10b도에 표시한 레이저 파장을 협대역화하기 위한 원리도에 있어서, 설정 파장 λ_O로 발진하도록 에탈론 콘트롤(8)을 사용하여, 미세조정 에탈론(5)이 제어되고 있는 경우를 생각한다. 이경우 미세조정 에탈론의 투과성은 고정된다. 그러나, 거친조정 에탈론의 투과특성은 파장모니터에 양으로는 나타나지 않고, 제10b도와 같이 어긋난 경우에는 도면중

,

의 위치에 측파대가 발생한다. 거친조정의 특성이 역방향으로 어긋난 경우는 λ_O를 끼운 대칭의 위치에 측파대가 나타난다. 거친조정 에탈론의 투과특성 시프트 외에도 측파대가 출현하는 원인으로서는 에탈론의 열비틀림이나 면정밀도 열화에 의하여 피네스가 작게되어 투과 파장폭이 넓혀지는 것도 생각할 수 있다.

그런데, 측파대가 출현하는 파장은 광공진기에 들어가게된 에탈론 중, 가장 FSR이 작은 에탈론(실시예에서는 미세조정 에탈론)의 투과 파장 중에서 출현하는 것을 알 수 있다. 그 파장 λ_S는 다음식으로 표시된다.

λ_S=λ_O＋i×FSR₂………………………………………………………………(10)

여기에서, i는 정수로서 제10b도

의 측파대는 i=-2,

는 i=1로 된다.

다음에 이들 측파대가 파장 모니터에서는 어떻게 보이는가를 제4b도를 사용하여 설명한다. 제4b도는 촬상소자(24)상에 나타나는 간섭호의 분포에 대응하는 화상 처리부(25)의 출력이다. 실선으로 도시한 것이 레이저의 발진 파장 λ_O에 상당하는 피크로서, 각각의 피크는 모니터용 에탈론(22)의 몇장의 차수에 대응하고 있다. 파선으로 표시한 것이 측파대에 의한 간섭호의 피크이다.

모니터 에탈론의 자유스텍트럼 영억 FSRM는 파장 분해능을 올리기 때문에 매우 크게 할 수 없다. 따라서, 제4b도에 도시한 바와 같이 측파대에 의한 간섭호의 피크가 본래의 파장의 피크의 바로 옆에 나타난다하여도 2장의 파장의 차가 작다는 것이 아니고, 몇주기가 늦은 레이싱카가 때마침 같은 곳을 주행하고 있는 것과 같은 것으로, FSRM의 정수배분이 어긋나고 있다. 외형상의 파장 λ′를 식으로 표시하면 다음식과 같이된다.

λ′=λ_S＋j×FSRM=λ_O＋i×FSR₂＋j×FSRM=λ_O＋R …………………………(11)

R=i×FSR₂＋j×FSRM=λ_S-λ_O＋j×FSRM……………………………………(12)

단, j는 R의 절대치가 최소로 되도록 선정된 정 또는 부의 정수이고, 측파대의 파장과 모니터용 에탈론의 FSRM이 결정된다. 예컨데 FSR₂=80pm, FSRM=25pm로 하면,

i j R

-2 6 -10pm

1 -3 5pm

로 되고, 측파대

의 파장 모니터상에서의 위치는 본래의 파장보다 -10pm, 또

의 위치는 5pm어긋난곳에 출현하게 되며, 제4b도

,

에 대응한다. j를 다른 정수로 한 경우는 전부 구해진 피크에 겹치고 있다.

그런데, R가 0 또는 FSRM일 때 파장 모니터상에서의 측파대 출현 위치는 본래의 파장의 피크와 겹치고, 측파대의 검출이 불가능하게 된다. 그래서,

R≠0 또는 FSRM ...............................................(13)

으로 되도록 FSRM을 결정할 필요가 있다. 또, 축파대

,

에 대응하는 R을 각각 R_A, R_B로 하면,

R_A≠R_B........................................................(14)

로 하여,

,

의 R이 다르도록 하여 두면 파장 모니터에 나타나는 피크의 위치에 의하여 측파대 파장을 결정할 수 있다. 또, 공진기내에 있는 에탈론의 투과 특성이 제10b도와 역으로 움직이는 경우는 파장 모니터상, 측파대

,

는 중심파장에 대하여 반대측에 나타난다. 따라서, 양에는 검출할 수 없는 거친 조정 에탈론의 투과특성 시프트를 판단할 수 있다.

이렇게 하여, 측파대를 검출하는 경우, 측파대가 없어지도록 에탈론 콘트롤(7)을 동작시켜, 거친 조정 에탈론을 제어한다.

실시예에서는 공진기내에 2장의 에탈론을 사용한 경우에 대하여 기술하였지만, 3장 이상으로 되어도 같은 생각이 성립된다. 또, 거친조정 에탈론 대신에 다른 분산 소자인 그레이팅이나 프리즘을 사용한 경우에도 똑같이 취급할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 의하면, 2장의 에탈론에 의하여 파장 선택된 레이저 빔의 일부를 분광하고, 분광된 레이저 빔의 해석결과를 기본으로 미세조정용 에탈론을 제어하고, 측파대 파장의 검출을 행함으로서, 레이저 빔의 파장을 안정화시킴과 동시에, 출력 모니터 기구로 레이저 출력을 측정하고, 레이저 매질에 대한 인가전압과 거친조정 에탈론을 시분할로 제어함으로서, 레이저 출력을 안정화시키는 협대역 레이저의 파장 안정화 방법이 얻어지는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면 적어도 1장 이상의 에탈론을 사용하여 파장 선택한 레이저 빔의 일부를 분광하고, 그 결과를 기초로 파장 제어를 하는 시스템에 있어서 공진기내에 있는 가장 좋은 FSR의 에탈론과 분광에 사용하는 에탈론의 FSR의 관계를 적당하게 유지함으로, 1장의 모니터용 에탈론이라도 아주 정확한 파장 제어와 측파대 발생의 억제도 할 수 있다.

Claims

제1의 패브리페로 에탈론 및 제2의 패브리페로 에탈론을 사용하여, 발진 파장이 가변한 레이저 발진기에서 방사된 레이저 빔의 일부를 꺼내서 파장 모니터 기구에서 분광하고, 발진 파장을 결정하는 과정과, 상기 발진 파장에 의해, 상기 제1의 패브리페로 에탈론을 제어하여 상기 레이저 발진기의 파장을 안정화하는 과정과, 상기 레이저 빔의 일부를 꺼내서 출력 모니터 기구에서 레이저 출력을 측정하고, 레이저 매질에 대한 인가전압의 제어와 상기 제2의 패브리페로 에탈론의 제어를 시분할로 행하여 상기 레이저 발진기의 출력을 안정화하는 과정과, 상기 제1 및 제2의 패브리페로 에탈론의 자유스펙트럼 영역과, 레이저의 게인 특성에서 발생할 수 있는 측파대 파장이 설정될 수 있기 때문에, 상기 파장 모니터 기구에 사용하는 모니터용 패브리페로 에탈론의 자유 스펙트럼을 통하여, 간섭호를 관측함으로서, 상기 설정한 측파대 파장의 유무를 검출하는 과정을 구비하는 것을 특징으로 하는 협대역 레이저의 파장 안정화 방법.
광공진기 중에 적어도 1장의 패브리페로 에탈론을 사용하여 발진 파장을 협대역화하는 레이저와, 발진파장을 모니터용의 패브리페로 에탈론을 이용하여, 분광하는 수단과, 상기 분광 결과에 의하여 상기 광공진기 중의 패브리페로 에탈론을 제어하는 수단을 구비하는 파장 안정화 레이저 장치에 있어서, 모니터용의 패브리페로 에탈론의 자유 스펙트럼 영역 FSRM을 광공진기 중에 있는 패브리페로 에탈론의 내부에, 가장 자유스펙트럼 영역이 좁은 패브리페로 에탈론의 자유스펙트럼 영역 FSR₂으로부터 결정되는 정수 R(여기서, R=i×FSR₂＋j×FSRM으로 하며, 단, i는 본래의 레이저 파장이외에 발진할 수 있는 파장(측파대)에 대응하는 정 또는 부의 정수이고, j는 R의 절대치가 가장 작게되도록 선택된 정 또는 부의 정수임)이 0 또는 FSRM으로 되지 않도록 선택하는 것을 특징으로 하는 파장 안정화 레이저 장치.