WO1989004075A1 - Method of stabilizing laser wavelength and laser device with stabilized wavelength - Google Patents

Description

明 細 ' 書

発明の名称

レ ーザ波長の安定化方法及び波長安定化レ ーザ装置 技術分野

この発明は レーザ波長の安定化方法及び波長安定化レ 一ザ装置に関する も のであ る。

背景技術

第 1 図は例えば雑誌 「 CAN. J . PHYS . VOL 6 3 ( ' 8 5 ) 2 1 4」 に示された従来の狭帯域 レーザを示す構成図であ る O

図において、 （1)は レーザ媒質、 （²)は全反射鏡、 （3)は部

'分反射鏡、 （⁴)は粗調エ タ ロ ン、 （⁵)は微調エ タ ロ ン、 （⁶)は レ ーザ ビームであ る。

次に動作について説明する。 第 1 図において、 通常、 レーザ媒質（1)は全反射鏡（2) と部分反射鏡（3)か ら なる光共 振器に囲まれ光は こ の光共振器を何度 も往復する間に増 幅され、 レーザビー ム（⁶) と して取 り 出 さ れる。 と こ ろで、 レ ーザ発振器の う ちのい く つかの も の、 た と えばエキ シ マ レ —ザや半導体レ ーザ、 色素 レ ーザや一部の固体 レ ー ザは発振波長幅が広 く 、 光共振器内に分光素子を挿入す る こ と によ り 発振波長幅を狭 く で き る。 た と えば、 こ の 例のよ う に複数個の フ ァ プリ ペ ロ ーエタ 口 ン （ 以下エ タ 口 ン と 略す ） を用いれば限 り な く 単色光に近い レーザ ビ — ム を得る こ と も で き る。 こ こでは、 特に粗調用エタ ロ ン（⁴) と微調用エタ ロ ン （5) の 2 枚のエタ 口 ンを光共振器内に挿入した場合について 述べる。 第 2 図は レ ーザの発振幅が狭 く なる原理を示し た図で、 （a)は粗調用エタ ロ ンの分光特性を示す。 この分 光特性のそれぞれの山の ピーク の位置 え _{m i}は（1)式で表わ せる波長となる。

2 n j d 1 c o s -θ '

(l)

m i

こ こで、 n はエ タ ロ ンを構成する 2枚の鏡面の間にあ る物質の屈折率、 d は鏡面の間の距離、 は光がエタ 口 ンに入射する と き の角度、 mは整数であ る。 い く つかあ る ピーク は mの違いに対応じてい る。 （1)式力 > ら明 らかな よ う に、 η や d ゃ を変える こ と によ り 山の ピーク波長 を 自由に変える こ とができ る。 一方、 ピーク と ピーク の 間の距離は自由ス ぺ ク ト ル領域 （ 以下 F S Rと略す ） と呼 ばれ、 （2)式

で示される。 また、 それぞれの ピーク の半値幅△ λ！は（3) 式

F S R

(3) で示される。 こ こで^は フ イ ネ ス と 呼び、 エ タ ロ ンの性 能によ り 決ま る も のであ る。 —方、 第 2 図（c)は レ ーザ媒質のゲイ の分光特性を示し た も のであ る。 光共振器中に分光素子が存在しなければ、 こ のゲイ ンが存在する範囲で光は増幅され レーザビーム と なる。 その際、 粗調用エ タ ロ ンの ピー ク の位置 A _MIを ゲイ ンが存在する範囲の ど こかの波長 λ _ηに等し く なる よ う 、 しか も 、 ゲイ ンが存在する波長内に A _MI以外の他の ピーク がこ ないよ う 等を決定すれば、 粗調エタ ロ ンの 存在に よ り λ。 の と こ ろだ け ロ スが少ない状態が実現し、 その波長附近でのみ光は増幅され発振する。

と こ ろで、 ピー ク 力 1 つだけになる よ う にする と FSR! の最低値は決ま り 、 ま た、 フ イ ネ ス はヱ タ ロ ンの性能 によ り 決ま り 、 せいぜい 20程度であ るか ら 、 粗'調用エタ 口 ン 1 枚のみで狭 く で き る波長幅には限度があ る。

そ こ で も う 一枚微調用のエ タ 口 ン（⁵)を用い る こ と にな る。 その分光特性は例えば、 第 2 図（b)のよ う にすればよ い。 その際 ピーク波長 A _{M 2} を ^に等し く し 、 _{F S} R ₂ は F S R₂> A λ ϊ となるよ う に すればよ い。

さ ら に狭 く したい時には、 また一枚エ タ 口 ンを用いれ ばよ い。

こ の よ う に して 、 も と も と第 2 図（c)のよ う な分光特性 であ っ た レーザビー ム.は 2 枚のエタ ロ ンを用いる こ と に よ り 、 第 2 図（d)に示すよ う にそれぞれのエタ ロ ンの ピー クが重なる λ。を中心と した狭い範囲でのみ発振する こ と にな る。 実際には、 発振中にエ タ ロ ンを何度 も 通る力 > ら、 レ ーザ ビームの線幅は 2枚のエタ 口 ンによ り 決ま る波長 幅の"! 〜 ^ と なる。

さ て、 以上のよ う にして、 レーザビームの波長幅を狭 く する こ とができ るのであ るが、 雑誌に も記されている よ う に短期間の安定性については光共振器を改良した り 入射角 を小さ く する こ と によ り 改善されるが、 長期的 には熱的な問題、 特に レ ーザビー ムがエタ ロ ンを透過す る時の発熱によ る波長シ フ トが大き な問題であ る。 こ の 問題を第 3 図を用いて説明する。

第 3 図（a)は 粗調用エタ ロ ンの分光特性を拡大した も の であ り 、 実線で描いてあ るのは発振直後の分光特性であ る。 と こ ろで、 発振後、 レーザビーム によ る発熱が生 じ エ タ ロ ンが変形する。 こ の変形はエ タ ロ ンの特性を劣化 さ せる程ではないが、 エタ ロ ンのギャ ッ プ長を変え、 そ の結果波長を シ フ ト さ せる。 こ の シ フ ト量と エ タ ロ ンの 変形によ る d の変化と の間には（⁴)式の関係がある。

Δλ = -^ - Δ ά … （₄₎

α こ こで、 波長シ フ ト の方向はエ タ 口 ンの構造等によ り 決 ま り 、 特定のエタ 口 ンを用いれば レーザビーム によ る発 熱によ っ て、 一方向に シ フ トする。 その時のシ フ ト の.様 子を第 3 図（a)の点線で示す。 一方、 微調用エタ ロ ン も ま た同様な波長シ フ トが生 じている。 その様子ば第 3 図（b) のよ う になる。 微調エ タ ロ ンの波長シ フ ト量はエタ ロ ン 間隔 d₂が粗調エタ 口 ンの d !よ り 大き い分だ け小さ く な る さ て、 その際の問題は 2 枚のエ タ ロ ンの分光特性の ピ ー ク波長 A _miと A _{m 2} がずれる こ と であ る。 その時、 両者 を重ねた時の光透過量は A _mi = A _m2の場合に く らベて減 少する。 その際の レ ーザ発振の様子を第 3 図（c)に示す。 長時間発振後、 レ ーザ出力は λ。か ら A _{m 2} に波長シ フ ト す る と と も に出力が減少する。 また シ フ ト量 も 大き い時は 微調エ タ 口 ンの他のモ ー ドの発振 も 起こ り う る つ

従来の狭帯域レ ーザ装置は以上のよ う に構成されてお り 、 エタ ロ ンの熱的な問題によ る波長シ フ ト を補正する 手段を持たないばか り ではな く 、 2 枚のエ タ ロ ンを用い た時の出力減少を止める手段を も 持たないため、 熱的な 変形が小さ い低出力 レ ーザに しか適用で き ない と い う 問 題力 Sあ つ た。

発明の開示

本発明に係る. レ ーザ波長の安定化方法は、 2 枚のエタ 口 ンによ り 波長選択された レ ーザ ビー ム の一部を分光し、 分光された レーザ ビー ム の解析結果を も と に一枚のエタ ロ ンを制御する こ と によ っ て、 レーザビー ム の波長を安 定化させる と と も に、 レーザビー ム の一部よ り レ ーザ出 力の変化を測定し 、 上記出力変化を解析 して も う 一枚の エ タ ロ ンを制御する こ と に よ っ て 、 レ ーザ出力の減少を も 抑え る よ う に し た も のであ る。

また、 本発明の別の発明に係る波長安定化 レ ーザ装置 は、 微調用エタ ロ ン と粗調用エタ ロ ンの 2 枚のエタ ロ ン を備え る こ と によ り 波長を選択する と と も に、 この レ一 ザ発振器か ら取 り 出されたレーザ ビー ム の一部を波長乇 ニタ機構に導いて、 発振波長を測定し、 上記測定波長に よ り 微調用エ タ ロ ンを駆動し、 波長を変化させるサ一ポ 機構を備え、 さ ら に、 波長モニタ機構と は別に レーザ出 力の変化を測定する ためのパワーメ ータ と、 出力変化を 記録する部分か ら なるパ ワ ー モ ニ タ 機構を備え、 上記パ ヮ ー モニ タ機構から の信号を も と に粗調エ タ ロ ンを制御 する サーボ機構を備えた も のである。

また、 こ の発明の別の発明に係る波長安定化レーザ装 置は、 微調用エタ ロ ン と粗調用エタ ロ ンの 2 枚のエタ 口 ンを備える こ と によ り波長を選択する と と も に、 こ の レ —ザ発振器から取 り 出 された レーザビーム の一部を波長 モニタ 機構に導いて、 発振'波長を測定し、 第 1 のサ一ポ 機構によ り 微調用エタ 口 ン を駆動して波長を変-化させ、 レーザ媒体へ供給する印加電圧を測定し、 測定した印加 電圧の変化を も と ^粗調甩エタ 口 ンを制御するサ一ボ機 構を備えた も のであ る。

また、 こ の発明の別の発明に係る波長安定化レーザ装 置は、 微調用エタ ロ ン と粗調用エタ ロ ンの 2 枚のエタ 口 ンを備える こ と に よ り 波長を選択する と と も に 、 こ の レ —ザ発振器力 ら取 り 出 された レーザ ビーム を波長モ ニ タ 機構に導いて、 発振波長を測定し、 上記測定波長によ り 微調用エタ ロ ンを駆動し、 波長を変化さ せるサーボ機構 を備え、 さ ら にパ ワ ー モ ニ タ機構で レーザ出力を測定し， レーザ媒体に供給する印加電圧を制御する と と も に、 印 加電圧を測定して、 その解析結果によ り 粗調用エ タ ロ ン を制御する サーボ機構を備えた も のであ る。

また 、 こ の発明の別の発明に係る波長安定化レ ーザ装 置は、 微調用ヱタ ロ ン と粗調用エ タ ロ ンの 2 枚のエタ 口 ンを備える こ と によ り 波長を選択する と と も に、 この レ —ザ発振器か ら取 り 出 された レ ーザ ビー ム を波長モ ニ タ 機構に導いて、 発振波長を測定し、 測定波長によ り 微調 用エタ ロ ンを駆動し、 波長を変化さ せるサーボ機構を備 え 、 さ ら に 、 レ ー ザ ビー ム を ノ、。 ヮ 一 モ ニ タ機構で レ ー ザ 出力を測定し'、 'レ ーザ媒体に供給する印加電圧制御と粗 調用エ タ ロ ンの制御を時分割で行 う こ と によ り 、 レーザ 出力が一定になる よ う に した も のであ る。

図面の簡単な説明

第 1 図は従来の狭帯域化レ ーザを示す構成図、 第 2 図 は 2 枚のエタ 口 ンによ る波長の決定方法を説明するた め の説明図、 第 3 図は 2 枚のエ タ 口 ン の波長シ フ トの違い によ り 出力変化が生ずる こ と を説明 した説明図、 第 4 図 は波長モ ニ タ機構及びパ ヮ 一 モ ニ タ 機構を用いた本発明 の一実施例によ る波長安定化レ ーザを示す構成図、 第 5 図は波長モ ニ タ機構を示す構成図、 第 6 図は波長モ ニ タ 部の撮像素子上での干渉縞の強度分布を示す分 図、 第 7 図は第 4 図の波長安定化レーザ装置を使用する場合の レーザ波長の安定化方法の概略を示すフ 口 一チ ャ 一 ト 図， 第 8 図は第 4 図の波長安定化レーザ装置を使用する場合 の レーザ波長の安定化方法の概略を示す別のフ 口 一 チ ヤ 一 ト 図、 第 9.図は印加電圧発生機構を用いた本発明の別 の実施例によ る波長安定化レーザを示す構成図、 第 10図 は第 5 図の波長安定化レーザ装置を使用する場合の レ ー ザ波長の安定化方法の概略を示す別の フ 口 ーチ ャ 一 ト 図、 第 11図は レーザ出力の平行制御を示すフ ロ ー チ ヤ 一 ト図, 第 12図は レーザ出力の時分割制御を示すフ 口 一 チ ヤ 一 ト 図、 第 13図は第 1 1図のフ ロ ーを実現するため の波長安定 化レーザ装置、 第 14図は第 12図の フ 口 一を実現するため の波長安定化レーザ装置である _σ

発明を実施する為の最良の形態

以下、 本発明の一実施例を図について説明する。 第 4 図及び第 5 図において、 （1) 〜（5)は従来例と 同様の も ので あ る 。 （⁶) は レ ーザ ビー ム 、 ひ） は波長モ ニ タ機構、 (8)は制 制機構、 （⁹) はパ ワ ー モニ タ機構、 な d ， 0¾は エ タ ロ ン を制 御する ためのサーボ機構、 0¾はイ ンテ グレ ータ 、 ^はフ ア ブ リ べ ロ ー エ タ ロ ン、 （ ) は結像 レ ン ズ、 ^ は フ ア プ リ ベ ロ 一エタ ロ ン ^ によ り 生 じた干渉縞を観測するた め の 撮像素子であ り 、 例えば一次元のィ メ 一 ジセ ンサであ る < ^は干渉縞を解析するた め の画像処理部であ る。

次に動作について説明する。 従来例と 同様に 2枚のェ タ 口 ン（4) ,' (5)を光共振器内に挿入する こ と によ り 発振波 長が狭 く 、 かつゲイ ンが存在する範囲の任意の波長 λ。の レ ーザ ビー ム（⁶)を得る こ と がで き る。 し力 >し、 それだ け ではすでに述べたよ う に波長 も 出力 も 不安定であ るか ら 以下に述べる よ う なエ タ ロ ンの制御機構が必要と な る。

まず、 微調用エ タ 口 ンの制御機構か ら説明す.る。

第 5 図において 、 レーザビー ム（⁶)の一部を波長モニ タ 機構（7)に導 く 。 波長モ ニ タ機構ひ）は例えば雑誌 「 IEEE J ournal Quantum Electronics QE - 14 (， 78 ) 17」 に あ る よ う にエタ ロ ンを用いた り 、 プ リ ズム、 グレ ーテ ィ ング フ ィ ゾ一の干渉計等を用いて分光する機能を持てばよ い が、 本実施例では第 5 図に示したよ う にエタ ロ ン と撮像 素子を用いた場合について説明する。

波長モニタ 機構（7)は レ ーザ ビームを弱めた り 、 拡散さ せた り する ィ ン テ グレ 一タ （^ と エ タ 口 ン（^ と レ ンズ（ ) と か ら な つ ている。 イ ンテ グレータ ^によ り 生 じた発散成 分の う ち特定の入射角度 を持つ成分のみがエタ 口 ンを 透過し結像レ ンズ 4) にいた る。 レ ンズの焦点距離を f と すれば、 の成分を持つ光は焦点位置において レ ンズの 軸よ り f 離れた と こ ろに集ま り 、 円形の干渉縞を形成 する。 そ こで、 撮像素子^によ り 光の集ま る位置を観測 すれば が も と ま り 、 先に示したエ タ ロ ン の透過波長の- 式よ り λ が計算で き る とい う わけである。

と こ ろで、 撮像素子上の光の強度分布は第 6 図のよ う にな っ ている。 縦軸は出力、 横軸は干渉縞の中心か ら の 距離 f を示す。 各山はエタ 口 ンの次数 mの違いに対応し ている。 そ して、 各山の間隔は自由スぺク トル領域と 呼 ばれ、 こ の範囲で波長を一意的に決め る こ と がで き る。 しか も 自由ス ぺ ク ト ル領域は F P の設計によ り 決め る こ とができ る ので波長シフ トが予想される値よ り も 広めに I し お く 。

また、 各山はレ ーザ ビーム の波長分布に対応した光強 度分布を持つか ら これを処理して、 を出すために画像 処理部^が必要と なる。 さ ら にこ こ では現在の波長 λ を 計算し、 サーボ機構^を通じて発振器の波長の調整を行 な う 。

第 7 図 (Α)は、 本発明の一実施例によ る レーザ波長の安 定化方法の概略を示すフ ロ ー チ ヤ 一 ト 図であ り 、 レーザ ビー ム の空間的な光強度分布が最大にな る位置を求めて， 発振波長の制御を行な う例を示す。

ステ ツ プ^でエタ 口 ン ^によ り レ ーザ ビー ムを分光し . ステ ッ プ 8)で撮像素子^によ り 一次元の光強度分布を測 定する。 ス テ ッ プ ^ではこの測定データ を平滑化し、 ノ ィ ズを と る等の画像処理を し、 ス テ ッ プ ^で最大強度を 示す位置 X を求め、 次にス テ ッ プ Φΐで得られる値 χ。 ·（ 指 定波長に対応する指定された位置座標 ） と比較し、 異な る時は X > χ。 力 Xく χ。 によ り サーボ機構 ωを通 じて微調 エタ 口 ン（⁵)を制御してエタ ロ ン の透過域の中心波長 λ πι₂ を変化さ せ （ ス テ ッ プ © ) 、 再びス テ ッ プ ?）に も ど り X = X。 と なる まで こ の動作を く り 返す。 以上のよ う にし て 微調用エ タ 口 ンを調整する こ と に よ り レーザの発振波長 は一定に保たれる。

次に、 粗調用エ タ ロ ン (4)の制御機構について説明する 第 4 図において、 レーザ ビー ム （⁶) の一部は ノヽ⁰ ヮ ー モ ニ タ 機構（⁹)に導かれている。 パ ワ ー モ ニ タ機構（⁹) は レ ー ザ出 力を測定する部分と得 られた レーザ出力を記録する部分 か ら で き てお り 、 粗調用エ タ 口 ン（⁴)を ど ち ら かの方向に 制御した時、 レーザ出力が増加するか減少するかを判定 し、 次に粗調エタ ロ ン（⁴)をいかに調整するかを決定する この決定に従 っ て、 サーボ機構（U)によ り 粗調エタ ロ ン（ の中心波長 Am₂ を調整する。 こ の調整のフ ロ ーチ ャ ー ト を第 7 図 (Β) に示す。 レ ーザ発振が始ま る と第 3 図で示し た こ と が生じ、 -レ ーザ出力が変化する。 そ こで、 ス テ ツ プ ^で出力 ρ を測定し、 その結果を記録し てお き 、 ス テ ッ プ において前回の測定結果 ρ οと 比較する。 出力が異 なる時は ρ〉 ρ。 ρ < ρ ο に よ り サーボ機構（Ιίを用いて粗 調用エタ 口 ン（ を調整する。 こ の作業は粗調用エタ ロ ン

(⁴)が熱平衡に達し、 レ ーザ出力が一定になる まで続け ら れる。

と こ ろで、 2 つ のエ タ ロ ン （⁴) ， (5)の制御は同時に行な つ て も よ いカ 、 た と えば、 微調エ タ ロ ン（5)の中心波長を 動かしすぎたた めに レ ーザ出力が変動する こ と も あ り 、 無秩序に制御を行な う と 出力の変動がかえ っ て助長され る こ と も あ り う る。 そ こで、 両制御を監視する ために、 制御機構（⁸)を設け、 第 4 図のフ ロ ー チ ャ ー ト の一番最初 の部分 (A) (B)制御の選択を行なわせる。 本実施例では レ — ザ発振の開始直後は（B)を優先し、 動作があ る程度安定し てか ら は（A)の制御を優先させている。

次に、 レーザ出力に 目標値 （ 目標値 < レーザ最大出力 であ る。 ） を設定し、 こ の目標値に レーザ出力を安定化 する と と も に発振開始直後に無制御時間を設けた場合の 粗調エタ ロ ン（ の制御について、 フ ロ ーチ ャ ー ト第 8 図 で説明する。 まずス テ ッ プ^でレーザ出力の測定を行な い 、 ス テ ッ プ ^で N 回の測定データの平均値処理によ り 現在の レーザ出力 PN を求め、 ステ ッ プ ^で現在の レ ー ザ出力 PN と レーザ出力の 目標値 （ 外部よ り 設定可能な 値 ） PQとの差の絶対値 i Px l を求める。 次に発振開始か ら の時間が無制御時内以内かど う かの判断を行ない、 無 制御時間以内であれば粗調エタ 口 ン（⁴)の制御は行なわず、 レーザ発振中であ る こ と を確認してス テ ッ プ (¾に も ど る。 発振開始から の時間が無制御時間を こ える と 、 上記 I Px I と指定された レーザ出力のバラ ツキ許容値 （ 外部よ り 設 定可能な値 ） PA と の比較を行ない I Px Iく PA の場合は 粗調エ タ ロ ン（ の制御は行なわずス テ ッ プ ! ¾ に も ど り 、

| Ρχ ί > Ρ_Αの場合は、 ス テ ッ プ ^で I Px ! に よ り 制御量 を計算し、 ス テ ッ プ ^で Px =P_N - P。 の極性から制御方 向を決め、 ス テ ッ プ でサーボ機構 !）を駆動し粗調エタ ロ ン（⁴)を レーザ出力が設定された 目標値と 一致する よ う に調整する。 この制御 レ ーザ発振期間中継続して行 う こ と によ り 、. 長時間の レ ーザ出力の安定化を行 う 。

'上述した制御では粗調エ タ 口 ンの制御をパヮ 一モニ タ によ り レ ーザ出力を モニタ して行な っ ていたが第 9 図に 示すよ う にパ ヮ 一モニ タ の変わ り に印加電圧発生機構を 用いて第 10図（Β)のよ う な制御を行な っ て も よ い。 さ ら に， レ ーザ出力制御を第 11 図に示すよ う に印加電圧制御と粗 調エタ ロ ン制御両者を平行に行な っ て も よ い し、 第 12図 に示すよ う に時分割に制御して も よ い。 まず第 11図に示 した平行制御.について説明する。 こ の場合の装置は例え ば第 1-3図に示す も のカ ある。

は じめに、 印加電圧の制御について説明する。 まず、 パ ワ ー モニ タ機構（⁹)で レ ーザ出力を測定し、 こ の測定デ ータ を印加電圧発生手段^で Ν回の平均値処理して、 現 在の レーザ出力値 ΡΝ を求める。 次に指定された レーザ 出力値 Ρο ( 外部か ら 設定可能な値 ） と の差の絶対値 ΙΔΡ！ = ΡΝ - Ρ。を求め、 こ の ΙΔΡ Ι 値と指定さ れた レ ーザ出力 のバラ ツ キ許容値 PA ( 外部か ら設定可能な値 ） と を比 較し、 ΙΔΡ'Ι ≤ ΡΔ の場合は現状の印加電圧のま ま発振 を継続する。 一方、 ！ΔΡ I 〉 PAの場合は ΙΔΡ I 力ゝ ら 印加 電圧の制御量を求め る。 次に、 ΔΡ = P N - P。 の極性によ り 印加電圧の制御方向を決定し、 上記の制御量と制御方 向に従 っ て レーザ出力が一定になる よ う 印加電圧を制御 する。

次に粗調エタ ロ ン（⁴)の制御について説明する。 まず、 ス テ ッ プ ^で印加電圧発生手段^から レ ーザ媒質（1) に供 給する印加電圧を制御機構（⁸)によ つ て測定する。

次に、 ステ ツ プ^でこ の測定データ を M回測定し平均 値処理を行い現在の印加電圧値 V N を求め、 ス テ ッ プ ^ で指定された 目標印加電圧値 V。 （ 外部か ら設定可能な値） との差 AV = V_N - V。 を求め記録する。 しかし、 レーザ発 振直後は発振が不安定であ るため、 ス テ ッ プ ^ の よ う に 粗調エタ ロ ン（ の制御には無制御時間を設け、 こ の期間 は上記△ V を求める処理は行 うが粗調エタ 口 ン（4)の制御 は行なわない。 レーザ発振時間が無制御時間を越える と ス テ ッ プ ^で I AV I と指定された印加電圧のバラ ツ キ許 容値 V_A ( 外部から設定可能な値 ） と を比較し、 AV≤V_A . の場合は粗調エタ 口 ン（⁴)の制御は行なわず発振を継続す o

—方、 〉 V_A の場合は、 ステ ッ プ ^で 値よ り 粗 調エ タ 口 ン（ の制御量を求め、 が最少値になるよ う

( 最初は指定された制御方向に、 次か ら は ス テ ッ プ拗で 現在の Δν と前回の を比較し、 現在の く 前回の △V の場合は前回 と 同 じ制御方向に、 現在の AV > 前回 の AV の場合はス テ ッ プ ^で前回 と制御方向を反転する。 ） ス テ ッ プ ^でサーボ機構 ίを駆動し粗調エタ ロ ン（4)を調 整する。

上記のよ う に印加電圧制御と粗調エタ 口 ン（4)の制御を レ ーザが発振中継続する こ と によ り レーザ出力を一定に 制御する こ と がで き る 。

と こ ろで、 2 つのエタ ロ ン（⁴) (S)の制御は同時に行な つ て も よ いが、 た と えば、 微調エ タ ロ ン（⁵)の中心波長を動 かしすぎたために レ ーザ出力が変動する こ と も あ り 、 無 . 秩序に制御を行な う と 出力の変動がかえ っ て助長される こ と も あ り う る。 そ こ で、 両制御を監視する ため に、 制 御機構（8)を設け第 4 図のフ ロ ー チ ヤ ― ト の一番最初の部 分 (A) (B)制御の選択を行なわせる。 本実施例では レーザ発 振 開如直後は (B)を優先し、 動作がある程度安定してか ら は（A)の制御を優先さ せてい る 。

次に時分割制御を第 12図に従 っ て説明する。 この場合 の装置は例えば第 14図に示す も のがあ る。

まず、 ス テ ッ プ ^でノ、。 ヮ 一 モニ タ機構（⁹)によ り レ ー ザ -出力を測定し、 こ の測定デー タ を ス テ ッ プ ^で時分割制 御手段 (53)によ り N回の平均値処理して、 現在の レーザ出 力値 P N を求め る。 次にス テ ッ プ ^で指.定された レーザ 出力値 Po ( 外部か ら設定可能な値 ） と の差の絶対値 Ι ΔΡ I を求め、 この I ΔΡ i 値と指定された レ ーザ出力のバラ ッ キ許容値 ( 外部か ら設定可能な値 ） を ス テ ッ プ ®で 比較し 、 I ΔΡ I > P Aの場合、 ス テ ッ プ ^で現在の印加電 圧の値か ら時分割によ り 印加電圧を制御するか、 粗調ェ タ 口 ン（4)を制御するかを判定する。 例えば印加電圧が予 め設定されている下限電圧以下の場合には印加電圧のみ で出力を制御し、 印加電圧が下限電圧よ り 大き く 、 予め 設定されている上限電圧以下の場合、 印加電圧と粗調ェ タ 口 ン制御を可変な時間間隔で切り 換えながら交互に制 御する。 さ ら に印加電圧が上限電圧を越えた場合、 粗調 エタ 口 ンのみを出力が最大と なる よ う制御するのである。 このよ う に印加電圧の大き さ によ り 制御を切 り換えてい る

そ し て印加電圧を制御する場合は、 ス テ ッ プ ^で ΙΔΡ i よ り 印加電圧の制御量を求め、 次にステ ッ プ ^で ΔΡ = P N - P。 の極性によ り 印加電圧を増加又は減少のど ち ら に制御するかを決定する。 この結果に従っ てス テ ッ プ ^ で レーザ出力が一定になる よ う に印加電圧を制御する。 又、 粗調エ タ ロ ン（⁴) を制御する場合は、 ス テ ッ プ で Ι ΔΡ I の値か ら粗調エタ ロ ン（⁴)の制御量を求め、 次にス テ ッ プ (a)で ΔΡ = Ρ _Ν - P。 の極性" ίこよ り 粗調エタ ロ ン（4)を ど ち ら の方向に制御するかを決定し、 ステ ッ プ^でサ一 ポ機構 &ίを用いて レーザ出力が一定になる よ う に粗調ェ タ ロ ン（⁴)を調整する。 なお Ι ΔΡ I≤ P A の場合は現状の まま発振を継続する。 こ の作業を レ ーザが発振中継する こ と によ.り レーザ出力が一定になる よ う に制御する こ と 力 >で き る。

上述したい く つかの実施例で波長モニタ機構と してェ タ ロ ン を 用いた力 >'、 フ イ ソ 一の干渉計や、 グ レ ーテ ィ ン グゃプ リ ズム等の分光素子であればよ く 、 分光された光 強度分布を測定する こ と に よ り 、 上記実施例と 同様の効 果を奏する。

また、 上記実施例では波長モニ タ 機構と し て分光さ れ た レーザ光の光強度分布を画像処理して波長ズレを求め 微調用エタ ロ ンを駆動する方法を示したが、 光強度分布 を画像処理しな く と も 波長モ ニ タ で き る方法であれば同 様の効果を奏する こ と は言 う まで も ない。 光強度分布を 画像処理しない方法と して、 例えば第 3 図の x = x。 に光 セ ンサ 一を配置して波長モニ タ機構と し、 微調用エ タ 口 ンを最適状態か ら前後に変化さ せて、 その時の χ = χ。に. おける光強度の変化具合か ら微調用エタ 口 ンの最適状態 の方向を予測して微調用エタ ロ ンの制御をかけ る と い う 法 も め な 。

産業上の利用可能性

こ の発明は レーザ装置、 例えばエ キ シマ レ ーザ装置の 波長安定化に適用で き る。

Claims

請 求 の 範 囲 (1)第 ； [ の フ ア ブ リ ペ ロ ーエタ ロ ン及び第 2 の フ ア ブリ ペロ ーエタ 口 ンを甩い て発振波長が可変な レ ーザ発振器 か ら放射された レーザ ビー ム の一部を取 り 出 して波長モ ニタ機構で分光し、 発振波長を決定する過程、 上記発振 波長によ り 、 上記第 1 の フ ア ブリ ペ ロ ーエタ ロ ンを制御 して上記レーザ発振器の波長を安定化する過程、 上記レ —ザビー ム の一部を取 り 出 してパ ワ ー モ ニ タ機構で レ ー ザ出力を測定して上記第 2 のフ ァ プリ ぺ ロ 一エタ 口 ンを 制御し、 上記レ ーザ発振器の出力を安定化する過程を行 う レーザ波長の安定化方法。 (6)光共振器内に レーザ発振波長を選択するため の、 微 調用フ ア ブリ ペ ロ ーエタ 口 ン と粗調用フ ア ブリ ぺロ 一ェ タ ロ ンを有し、 波長が可変な レーザ発振器と 、 こ の レ ー ザ発振器から取 り 出された レ ーザ ビームの波長を モ ニ タ する波長モニ タ 機構と 、 上記波長モ ニ タ 機構からの信号 を も と に上記微調用 フ ア ブリ ペ ロ ーエタ ロ ンを制御する ため のサーボ機構と 、 上記レーザ ビー ム の出力を測定し て レーザ岀力の変化を解析するパ ワ ー モニ タ機構と 、 上 記パ ワ ー モニ タ機構から の信号を も と に上記の粗調用の フ ァ プ リ ぺ ロ 一エタ 口 ンを制御する ためのサーボ機構を 備えた こ と を特徴とする波長安定化レーザ装置。 (1)第 1 の フ ア ブ リ ペ ロ ーエタ ロ ン及び第 2 の フ ア ブリ ベロ 一エタ 口 ン を用いて発振波長が可変な レーザ発振器 力 > ら放射された レ ーザ ビームの一部を取 り 出して波長モ ニ タ機構で分光し、 発振波長を決定する過程、 上記発振 波長によ り 、 上記第 1 の フ ア ブ リ ペ ロ ーエ タ ロ ンを制御 して上記レーザ発振器の波長を安定化する過程、 上記レ —ザ ビー ム の一部を取 り 出 してパ ワ ー モ ニ タ機構で レ ー ザ出力を測定して上記第 2 の フ ァ プリ ペ ロ ーエタ 口 ンを 制御し 、 上記レーザ発振器の出力を 目標値に安定化する 過程か ら なる レーザ波長の安定化方法。 (2)第 1 の フ ア ブリ ペロ ーエタ ロ ン及び第 2 の フ ア ブ リ ペ ロ ーエタ 口 ン を用いて発振波長が可変な レ ーザ発振器 か ら放射された レーザ ビー ム の一部を取 り 出 して波長モ ニ タ機構で分光し、 発振波長を決定する過程、 上記発振 波長によ り 、 上記第 1 の フ ア ブリ ペ ロ ーエ タ ロ ンを制御 して上記レーザ発振器の波長を安定化する過程、 上記レ 一ザビー ム の出力パワ ーを検出 し、 目標パワ ー と の差を 求める過程、 レーザ発振してか ら所定の時間の無制御時 間を設けて上記第 2 の フ ァ プ リ ぺ ロ 一エタ 口 ンの制御を 行なわず、 上記無制御時間の経過後に上記 レ ーザビー ム の上記出力パ ヮ 一 と上記目標パ ヮ 一 と の差が レーザ出力 のバラ ツ キ許容値を越えた と き 、 上記出力パヮ と上記目 標パ ワ ー と の差が最少になる よ う に上記第 2 の フ ァ ブ リ ペ ロ ーエタ 口 ン を制御する過程カゝ ら なる レーザ波長の安 定化方法。 (1)第 1 の フ ァ プ リ ペ ロ ーユ タ 口 ン及び第 2 の フ ァ プ リ ぺ ロ 一エタ 口 ン を用いて発振波長が可変な レ ーザ発振器 力 ら放射された レーザ ビー ム の一部を取 り 出して波長モ ニタ機構で分光し、 発振波長を決定する過程、 上記発振 波長によ り 、 上記第 1 の フ ア ブリ ペ ロ ーエタ ロ ンを制御 して上記レーザ発振器の波長を安定化する過程、 レーザ 媒質に供給する印加電圧を測定して、 上記第 2 の フ ァ ブ リ ペ ロ ーエタ 口 ン を制御し、 上記レーザ発振器の出力を 安定化する過程とか ら なる レーザ波長の安定化方法。 (2)光共振器内に レーザ発振波長を選択する ため の、 微 調用 フ ア ブリ ペ ロ ーエ タ ロ ンと粗調用フ ア ブリ ペ ロ ーェ タ ロ ンを有し、 波長が可変な レ ー ザ発振器と 、 こ の レ ー i 発振器から取 り 出された レーザビー ム の波長をモ ニ タ する波長モ ニ タ機構と 、 上記波長モ ニ タ 機構か ら の信号 を も と に上記微調用 フ ア ブリ ペ ロ ーエタ ロ ンを制御する - た め の第 1 のサーボ機構と、 レーザ媒体に供給する印加 電圧を測定して、 印加電圧の変化を解析する制御機構と， こ の制御機構からの信号を も と に上記粗調用 フ ア ブリ ぺ 口 一エタ 口 ンを制御するための第 2 のサーボ機構を備え た こ と を特徴とする波長安定化レーザ装置。 (1)第 1 の フ ァ ブ リ ぺ ロ 一エタ 口 ン及び第 2 の フ ァ プリ ぺ ロ 一エタ ロ ンを用いて発振波長が可変な レーザ発振器 力 ら放射された レ ーザ ビー ムを波長モ ニ タ 機構でモ ニ タ して発振波長を決定する過程、 上記発振波長によ り 上記 第 1 の フ ァ プリ ペ ロ ーエタ 口 ン を制御して上記レーザ発 振器の波長を安定化する過程、 上記レーザビー ム を パ ヮ — モニ タ機構で レ ーザ出力を測定して、 レ ーザ出力が一 定と なる よ う に レ ーザ媒質に供給する 印加電圧を制御す る過程、 上記印加電圧を測定して上記第 2 の フ ァ プ リ ぺ 口 一エ タ ロ ンを制御する過程と を備えた レ ーザ波長の安 定化方法。 (2)第 1 の フ ア ブリ ペ ロ ーエ タ ロ ン及び第 2 の フ ア ブ リ ' ペ ロ ーエタ ロ ンを用いて発振波長が可変な レ ーザ発振器 か ら放射された レーザ ビー ムを波長モ ニ タ 機構でモ ニ タ して発振波長を決定する過程、 上記発振波長によ り 上記 第 1 の フ ァ プ リ ぺ 口 一エ タ 口 ン を制御して上記レ ー ザ発 振器の波長を安定化する過程、 上記レーザ発振器の レ ー ザ媒質への供給電圧を検出し、 目標印加電圧と の差電圧 を求める過程、 レ ーザ発振してか ら所定の時間の無制御 時間を設けて上記第 2 -の フ ア ブ リ ペ ロ ーエ タ ロ ンの制御 を行なわず、 上記制御時間の経過後に上記差電圧が印加 電圧のバラ ツキ許容値を越えた と き 、 上記差電圧が最少 になる よ う に上記第 2 の フ ア ブ リ ペ ロ ーエタ ロ ンを制御 する過程か ら なる レ ーザ波長の安定化方法。

(1)第 1 の フ ア ブ リ ペ ロ ーエタ ロ ン及び第 2 の フ ア ブリ ペ ロ ーエ タ 口 ン を用いて発振波長が可変な レ ーザ発振器 か ら放射された レ ーザ ビー ム の一部を取 り 出 して波長モ ニ タ機構で分光し、 発振波長を決定する過程、 上記発振 波長によ り 、 上記第 1 の フ ア ブリ ペ ロ ーエ タ ロ ンを制御 して上記レーザ発振器の波長を安定化する過程、 上記レ 一ザビーム の一部を取 り 出してパ ワ ー モ ニ タ機構で レ 一 ザ出力を測定して、 レーザ出力が一定になる よ う に レ ー ザ媒質に供給する 印加電圧の制御と上記第 2 の フ ァ プリ ペ ロ ーエタ 口 ンの制御を時分割で行う こ と によ り 上記レ 一ザ発振器の出力を安定化する過程と を備えたレーザ波 長の安定化方法。

(2)光共振器内にレーザ発振波長を選択するため の微調 用の第 1 の フ マ ブリ ーペロ ーエ タ 口 ン と粗調用の第 2 の フ ァ プリ 一ペ ロ ーエタ 口 ンを有する波長が可変なレーザ 発振器と 、 こ の レーザ発振器から取 り 出 されたレーザビ ー ム の波長を モ ニ タ す る波長モ ニ タ機構と 、 こ の波長モ ニ タ機構か ら の信号を も と に上記第 1 の フ ア ブリ 一ぺ ロ —エタ ロ ンを制御する第 1 のサーボ機構と 、 上記レーザ ビーム の出力 を モニ タ する パ ワ ーモ ニ タ 機構 と 、 こ のパ ヮ一モニ タ機構か ら の信号を も と に、 上記レーザ発振器 のレーザ媒質に供給する印加電圧の制御と上記第 2 の フ ア ブリ 一ペ ロ ーヱタ 口 ンの制御信号の出力 と を時分割で 行な う 時分割制御手段と、 この時分割制御手段から の制 御信号によ つ て上記第 2 の フ ァ プリ 一ペ ロ ーエタ 口 ンを 制御する第 2 のサーボ機構と を備えた波長安定化レーザ 装