JP2008251723A - パルスレーザ光源 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】モード同期レーザ光源1の共振器内にモードホップ抑制回路7を備え、クロック抽出器51及びPLL回路6からの繰り返し周波数調整用信号を、再生モード同期回路内におけるマイクロ波の位相制御回路5に負帰還して、該レーザの発振縦モードの周波数間隔を安定化し、光フィルタ2及び周波数基準セル3及び位相敏感検波回路(光位相変調器41、発振器42、光検出器43、位相比較器44、低域通過型フィルタ45)からの絶対周波数調整用信号を励起電力8に負帰還して、該レーザの発振縦モードのうちその一本の発振周波数を安定化することによって、全ての発振縦モードを同時に絶対周波数安定化する。
【選択図】図3
Description
fN=Nfrep+fCEO (1)
と表すことができる。ここで、Nは整数で、モードの次数を表す。
fCEO=(ΔΦCEO/2π)frep (2)
と表される。ここでΔΦCEOは、搬送波周波数ωc、共振器長lc、共振器内の群速度vgおよび位相速度vpを用いて
ΔΦCEO=ωClC(1/vg−1/vp) (3)
で与えられる。
図3は、第1の実施形態のパルスレーザ光源の概略構成を示すブロック図である。なお、図中実線は光信号、点線は電気信号をそれぞれ示す(以下同様)。
図3において、パルスレーザ光源は、モード同期レーザ光源1、光フィルタ2、周波数基準セル3、光位相変調器41、発振器42、光検出器43、位相比較器44、低域通過型フィルタ45、負帰還制御回路46、マイクロ波の位相制御回路5、クロック抽出回路51、PLL(Phase Locked Loop)回路6、モードホップ抑制回路7、モード同期レーザ光源1の励起光源8、光強度変調器又は光位相変調器9を備える。
このモード同期レーザ光源1は、ファイバレーザを用いたものであり、再生モード同期回路(クロック抽出回路51、PZT52、増幅器53、電圧制御型移相器54)、モードホップ抑制回路(エタロン素子又は多波長反射型ファイバブラッググレーティング光フィルタ素子71、該素子71に付与されたPZT711又はペルチェ素子712、光検出器72、位相比較器73、発振器74、低域通過型フィルタ75、負帰還制御回路76、加算器77)、励起光源8、光強度変調器又は光位相変調器9、ペルチェ(温度制御回路)付ファイバ10、エルビウムファイバ11、WDMカプラ12、カップラ13〜15を備える。モード同期レーザ光源1は、再生モード同期により光パルスを発生している。発振縦モードの周波数間隔の負帰還制御には、再生モード同期回路におけるPZT52又は電圧制御型移相器54を用いる。発振縦モードのうち一本の発振周波数の負帰還制御には、励起光源部8、ペルチェ付ファイバ10を用いる。
励起光源8で発生した励起光をWDMカップラ12を介してエルビウムファイバ11に入射するとエルビウムイオンが励起され、連続したレーザ光が発振する。このレーザ光は、カップラ13〜15により出力される。クロック抽出回路51は、出力光からクロック信号を出力する。この正弦波のクロック信号は、増幅器53で増幅された後、光強度変調器又は光位相変調器9に供給される。光強度変調器又は光位相変調器9は、クロック抽出回路51で抽出されたクロック信号で駆動され、その繰り返し周波数のパルスを発生させる役割を果たしている。従って、モード同期レーザ光源1は、正弦波のクロック信号に同期した周波数で、レーザ光が強度変調又は位相変調されている。
まず、モードホップの抑制原理について説明する。エタロン素子又は多波長反射型ファイバブラッググレーティング光フィルタ素子71は、等周波数間隔に複数本の透過バンドを有する光フィルタである。ここで、各透過バンドの周波数間隔をモード同期レーザ光源1の発振縦モードの周波数間隔と一致させることにより、レーザ発振可能な縦モードは、該透過バンドのピーク周波数付近のものに制限される。レーザ共振器長を短くすることにより、共振縦モードの周波数間隔fFSRを広げ、また該透過バンドの3dB帯域fFilterを狭めることにより、該透過バンド内に存在する共振縦モードの本数が減り、その結果、該透過バンド内で一本の縦モードのみが発振可能なレーザ共振器を構成することができる。このような共振器において、該透過バンドのピーク周波数をレーザ発振周波数と常に一致するように負帰還制御すれば、モードホップを完全に抑制することができる。この負帰還制御には位相敏感検波法が有効である。
図6のように、繰り返し周波数がfmの発振器74の出力電圧信号を、エタロン素子71のピーク周波数を可変するPZT711に印加することにより、前記透過ピーク周波数がfmの周波数で変調される。そのため、該エタロン素子71を通過する光の強度がfmの繰り返し周波数で変調を受け、その結果、レーザ出力光にAM変調成分が付加される。このとき、該透過ピーク周波数がレーザ発振周波数と一致する場合には、該AM変調成分のうち周波数fmの成分がゼロとなり、該透過ピーク周波数がレーザ発振周波数とずれた場合には、そのずれ量に比例した大きさで、その周波数ずれの方向に対応した符号のfm成分がレーザ出力光に付与される。したがって、光検出器72、位相比較器73および低域通過型フィルタ74を用いて、レーザ出力強度に付加されたAM変調成分のうち発振器74の出力周波数fmに同期した成分を抽出することにより、該透過ピーク周波数とレーザ発振周波数とのずれ量を検出することができる。このようにして検出した誤差信号を、加算器76を介して該PZT711の印加電圧に負帰還することにより、該透過ピーク周波数がレーザ発振周波数に一致するように変化する。以上の動作により、モードホップが完全に抑制される。
光フィルタ2によってその透過特性で定められる一本の縦モードを抽出し、光位相変調器41を介して周波数基準セル3に入力する。次に、光検出器43、位相比較器44および低域通過型フィルタ45によって、該縦モードの周波数と分子の共鳴周波数との誤差信号を検出し、励起光源8の励起電流に負帰還し、発振周波数が分子の共鳴周波数に一致する方向に負帰還することにより、モード同期レーザ光源1の発振周波数を変化させる。すなわち、該縦モード一本の絶対周波数fを安定化させる。なお、ここで励起光源8のパワー変化により、ファイバレーザの増幅媒質であるエルビウムファイバ11中でのクラマース・クローニッヒの関係から媒質の屈折率が変化し、周波数が変化する原理を用いている。これにより、繰り返し周波数frepとは独立に発振周波数fを安定化させることができる。このように、適当な縦モードを光フィルタ2で抽出すれば、その周波数を吸収線の周波数に安定化することができる。光フィルタ2は、ある程度の波長可変性を有しているので、所望のモードを抽出することが可能である。
図5は、第2の実施の形態のパルスレーザ光源の概略構成の一例を示すブロック図である。
モード同期レーザ光源1における発振周波数変化の殆どは微小な温度変化によるため、誤差信号は温度変化を反映している。そこで、周波数基準セル3から誤差信号をレーザ共振器内のペルチェ付ファイバ9に負帰還する方法もある。励起光源8のみ用いた負帰還制御では、共振器内の温度変動が大きい場合、周波数安定化動作に伴いその励起パワーが大きく変化するため、その結果レーザ出力強度が大きく変動してしまう。そのため、この誤差信号を共振器温度に負帰還し、その誤差信号の一部を減衰器47を介して励起光源8に同時に負帰還することにより、出力強度変動の少ない発振周波数の安定化が実現できる。また、この共振器温度制御の応答速度は、数秒程度と低速である。そのため、共振器温度の制御時に(数2)式のloptも同時に変化してしまうが、その変化は低速であり、PZT52又は電圧制御型移相器54による比較的高速応答が可能な負帰還制御には影響が少ない。
2 光フィルタ
3 周波数基準セル
41 光位相変調器
42 発振器
43 光検出器
44 位相比較器
45 低域通過型フィルタ
46 負帰還制御回路
47 減衰器
5 マイクロ波の位相制御回路
51 クロック抽出回路
52 PZT
53 増幅器
54 電圧制御型移相器
6 PLL回路
61 シンセサイザ
62 位相比較器
63 負帰還制御回路
7 モードホップ抑制回路
71 エタロン素子又は多波長反射型ファイバブラッググレーティング光フィルタ素子
711 PZT
712 ペルチェ素子
72 光検出器
73 位相比較器
74 発振器
75 低域通過型フィルタ
76 負帰還制御回路
77 加算器
8 励起光源
9 光強度変調器又は光位相変調器
10 ペルチェ付ファイバ
11 エルビウムファイバ
12 WDMカップラ
13 カップラ
14 カップラ
15 カップラ
Claims (9)
- 光パルスを発生させる再生モード同期レーザと、前記レーザの発振を安定化するための回路とを備え、前記回路が、前記レーザに対して、そのレーザの発振の縦モードスペクトルの間隔と該縦モードスペクトルのうちその一本の縦モードの発振周波数とをそれぞれ独立に安定化することによって、全ての発振縦モードを同時に絶対周波数安定化することを特徴とする二重周波数安定化モード同期パルスレーザ光源において、
レーザ共振器内にモードホップを抑える回路並びに再生モード同期用PLL回路内にマイクロ波の位相制御回路を挿入することを特徴とするパルスレーザ光源。 - 請求項1に記載のパルスレーザ光源において、該レーザの共振器内に、エタロン素子と、該エタロン素子の透過ピーク周波数を該レーザの発振縦モード周波数にトラッキングするための位相敏感検波系を用いた制御回路から成るモードホップ抑制回路とを挿入することを特徴とするパルスレーザ光源。
- 請求項2に記載のモードホップ抑制回路において、前記位相敏感検波系で検出した誤差信号を前記エタロン素子の温度に負帰還することにより該エタロン素子の透過ピーク周波数を制御することを特徴とするパルスレーザ光源。
- 請求項2に記載のモードホップ抑制回路において、前記エタロン素子を構成するファブリー・ペロー共振器の長さを圧電素子で制御する機構を備え、前記位相敏感検波系で検出した誤差信号を該圧電素子への印加電圧に負帰還することにより前記エタロン素子の透過ピーク周波数を制御することを特徴とするパルスレーザ光源。
- 請求項2乃至4に記載の前記エタロン素子の代わりに、多波長反射型ファイバブラッググレーティング光フィルタ素子を用いることを特徴とするパルスレーザ光源。
- 請求項1に記載のパルスレーザ光源において、前記再生モード同期用PLL回路で検出した繰り返し周波数制御用信号を前記マイクロ波の位相制御回路に負帰還すると同時に、前記レーザの出力光パルスから1本の縦モード周波数を狭帯域光フィルタにより抽出し、該周波数が分子の共鳴周波数からずれた場合に発生する誤差信号を絶対周波数制御用信号として用いて前記レーザの励起光源のパワーに負帰還させることにより、全ての発振縦モードを同時に絶対周波数安定化することを特徴とするパルスレーザ光源。
- 請求項1に記載のマイクロ波の位相制御回路において、前記再生モード同期用PPL回路の一部を構成する光ファイバの長さを圧電素子で制御する機構を備え、前記再生モード同期用PLL回路で検出した繰り返し周波数制御用信号を該圧電素子への印加電圧に負帰還することにより、前記レーザの繰り返し周波数を安定化することを特徴とするパルスレーザ光源。
- 請求項1に記載のマイクロ波の位相制御回路において、前記再生モード同期用PPL回路に電圧制御型マイクロ波移相器を挿入し、前記再生モード同期用PLL回路で検出した繰り返し周波数制御用信号を該電圧制御型マイクロ波移相器の駆動電圧に負帰還することにより前記レーザの繰り返し周波数を安定化することを特徴とするパルスレーザ光源。
- 請求項6に記載のパルスレーザ光源において、前記絶対周波数制御用信号をレーザ共振器の温度制御用信号として利用することにより、温度を超高精度に制御することを特徴とするパルスレーザ光源。
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