JP2009117566A - 周波数安定化レーザ装置及びレーザ周波数安定化方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】共振器により励起光を共振させてレーザ光を生成し、レーザ光を吸収セルに照射して得られる光出力信号に基づき共振器長を変化させてレーザ光の発振周波数を安定化させる周波数安定化レーザ装置が与えられる。当該レーザ装置は、共振器長を変化させるアクチュエータと、アクチュエータに変位を与える電圧を印加するアクチュエータ駆動部と、共振器の温度を検出する温度検出器と、共振器を加熱又は冷却する変温装置と、予め与えられた指令温度と温度検出器で検出された共振器の温度とに基づいて変温装置を制御する共振器温度制御部と、アクチュエータへの印加電圧がほぼ一定になるように共振器温度制御部に与える指令温度を補正する指令温度補正部とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図1
Description
アクチュエータ制御信号S3に変復調用信号発生部41からの周波数1fHzの信号を加えたアクチュエータ駆動信号S5によって、アクチュエータ25が変形し、アクチュエータ寸法X1が変化する。それにより、共振器長Xが変化して、レーザ光L3の発振周波数が変調される。そのため、レーザ検出部3内のレーザ光L3〜8は変調された光となり、レーザ光L8を光電変換した光出力信号S1も変調された信号となる。この光出力信号S1をロックインアンプ42で復調することで3次微分信号が得られる。3次微分信号には、1.5GHzの周波数幅でヨウ素分子の共鳴吸収による飽和吸収信号のピーク及びバレーが複数箇所検出される。この飽和吸収線の中から任意の飽和吸収線を選択し、発振周波数が常に選択した飽和吸収線の中心になるように、共振器長Xを制御することでレーザ光の共振周波数の安定化を実現することができる。この点について、図面を使って詳細に説明する。
この変化率kを予め求めておけば、印加電圧の変化ΔVから共振器の温度変化ΔTを予測することができる。
共振器温度制御器54は、例えば熱電対などから成る温度検出器51により検出された温度Tdをフィードバックして制御しているため、温度検出器51の温度は指令温度Tdcに等しくなる(すなわち、Td=Tdc)。温度検出器51がペルチェ素子52と離れていると温度制御が安定しない可能性があるため、多くの場合、温度検出器51はペルチェ素子52に近接して配置されている。光路部の温度Txは図6の熱回路モデルより以下のように表される。
レーザ共振器2の温度は、共振器温度制御器54により制御されるが、実際の温度検出器51の位置と、レーザ光路部の位置は一致しないため、熱抵抗R2に起因してTdとTxは等しくならない(すなわち、Td≠Tx)。
Tdc’=Tdc+T’ (6)
ここで、TdFは、周囲(外気)温度Ta=20℃とした場合に、アクチュエータの印加電圧VaがVa=Vc(Vcは印加電圧範囲の中心値(=Vmin+(Vmax−Vmin)/2)となるような指令温度Tdcとする。
実際には、Tdcを補正した後に、共振器の温度が安定化されるまでの過渡状態において、アクチュエータ25の印加電圧V(N)が飽和しない程度に上記式(7)の範囲でVth1を設定する。
一方、周波数安定化動作中であれば、ステップS108において、アクチュエータ制御部43で、サンプリング間隔st3を決定し、M=1とする。ここで、Mは自然数である。
Claims (9)
- 対向する位置に一対のミラーを配置してなる共振器により励起光を共振させてレーザ光を生成し、前記レーザ光を吸収セルに照射して得られる光出力信号に基づき共振器長を変化させて前記レーザ光の発振周波数を安定化させる周波数安定化レーザ装置において、
前記共振器長を変化させるアクチュエータと、
前記アクチュエータに変位を与える電圧を印加するアクチュエータ駆動部と、
前記共振器の温度を検出する温度検出器と、
前記共振器を加熱又は冷却する変温装置と、
予め与えられた指令温度と前記温度検出器で検出された前記共振器の温度とに基づいて前記変温装置を制御する共振器温度制御部と、
前記アクチュエータへの印加電圧がほぼ一定になるように前記共振器温度制御部に与える指令温度を補正する指令温度補正部と
を備えたことを特徴とする周波数安定化レーザ装置。 - 前記指令温度補正部は、
前記アクチュエータへの印加電圧が前記アクチュエータの印加電圧範囲のほぼ中心値に追従するように前記共振器温度制御部に与える指令温度を補正する
ことを特徴とする請求項1記載の周波数安定化レーザ装置。 - 前記指令温度補正部は、
前記アクチュエータへの印加電圧の変化が所定の範囲を超えたら前記変化を吸収するように前記共振器温度制御部に与える指令温度を補正する
ことを特徴とする請求項1記載の周波数安定化レーザ装置。 - 対向する位置に一対のミラーを配置してなる共振器により励起光を共振させてレーザ光を生成し、前記レーザ光を吸収セルに照射して光出力信号を得ると共に共振器長を変化させるアクチュエータの印加電圧を制御することにより、前記光出力信号のレーザ発振周波数を、前記光出力信号に含まれる特定の飽和吸収線の中心に安定化させるレーザ周波数安定化方法において、
前記レーザ発振周波数が前記飽和吸収線の中心となる前記アクチュエータの印加電圧を観測する工程と、
観測された前記アクチュエータの印加電圧に基づいて前記アクチュエータの印加電圧がほぼ一定となるように前記共振器に対する指令温度を補正する工程と、
前記補正された指令温度に基づいて前記共振器の温度を制御する工程と
を備えたことを特徴とするレーザ周波数安定化方法。 - 周波数安定化動作前においては、
前記アクチュエータの印加電圧を観測する工程は、
前記アクチュエータへの印加電圧を印加電圧範囲内で連続的に変化させる走査工程と、
この走査工程でレーザ発振周波数が前記特定の飽和吸収線の中心となる前記アクチュエータの印加電圧を観測する工程とを含み、
前記指令温度を補正する工程は、前記レーザ発振周波数が前記特定の飽和吸収線の中心となるアクチュエータの印加電圧が、前記アクチュエータの印加電圧範囲のほぼ中心の電圧値となるように前記指令温度を補正する工程である
ことを特徴とする請求項4記載のレーザ周波数安定化方法。 - 周波数安定化動作後においては、
前記アクチュエータの印加電圧を観測する工程は、所定のサンプリング周期で前記アクチュエータの印加電圧を観測する工程であり、
前記指令温度を補正する工程は、前記アクチュエータの印加電圧の変化が所定の範囲を超えたときに前記指令温度を補正する工程である
ことを特徴とする請求項4または5記載のレーザ周波数安定化方法。 - 前記共振器の温度が安定化したかどうかを判定する判定工程を備え、
前記アクチュエータの印加電圧を観測する工程は、前記判定工程で前記共振器の温度が安定化したと判定された後に実行される
ことを特徴とする請求項4から6のいずれか1項記載のレーザ周波数安定化方法。 - 周波数安定化動作前においては、
前記判定工程は、所定のサンプリング周期で、
前記アクチュエータへの印加電圧を印加電圧範囲内で連続的に変化させる走査工程と、
この走査工程でレーザ発振周波数が前記特定の飽和吸収線の中心となる前記アクチュエータの印加電圧を観測する工程と、
この工程で観測されたアクチュエータの印加電圧と前回のサンプリングで観測されたアクチュエータの印加電圧との差分値が、所定値を下回るかどうかを判定する工程と
を繰り返し、
前記差分値が所定値を下回ったと判定されたときに前記共振器の温度が安定化したと判定する工程である
ことを特徴とする請求項7記載のレーザ周波数安定化方法。 - 周波数安定化動作後においては、
前記判定工程は、所定のサンプリング周期で、
前記アクチュエータの印加電圧を観測する工程と、
この工程で観測されたアクチュエータの印加電圧と前回のサンプリングで観測されたアクチュエータの印加電圧との差分値が、所定値を下回るかどうかを判定する工程と
を繰り返し、
前記差分値が所定値を下回ったと判定されたときに前記共振器の温度が安定化したと判定する工程である
ことを特徴とする請求項7記載のレーザ周波数安定化方法。
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