JP2021114579A - レーザ周波数安定化装置およびレーザ周波数安定化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロバスト性が向上されたレーザ周波数安定化装置を提供する。【解決手段】レーザ周波数安定化装置１は、レーザ光Ｌｏを出射するレーザ光源２と、レーザ光源２から出射したレーザ光Ｌｏをレーザ光Ｌ１，Ｌ２に分割するビームスプリッタ３２と、特定波長の光を吸収するガスが封入されたガスセル５と、ガスセル５を透過したレーザ光Ｌ１を受光し、レーザ光Ｌ１の光強度を示す第１光強度信号Ｓｄ１を出力する第１光検出部７１と、レーザ光Ｌ２の周波数をシフトさせる周波数シフト部６と、周波数シフト部６によって周波数をシフトされた後にガスセル５を透過したレーザ光Ｌ２を受光し、レーザ光Ｌ２の光強度を示す第２光強度信号Ｓｄ２を出力する第２光検出部７２と、第１光強度信号Ｓｄ１と第２光強度信号Ｓｄ２との比が一定になるようにレーザ光源２から出射されるレーザ光Ｌｏの周波数を制御する制御部８と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ周波数安定化装置およびレーザ周波数安定化方法に関する。

従来、気体分子の吸収線を周波数基準として用いることによってレーザ光の周波数を安定化させるレーザ周波数安定化装置が知られており、このようなレーザ周波数安定化装置の代表例として、ヨウ素安定化ヘリウムネオンレーザが存在する（例えば特許文献１参照）。
一般に、ヨウ素安定化ヘリウムネオンレーザでは、ヨウ素セルを通過するレーザ光の光強度に基づいて、ヨウ素分子の吸収線に現れる飽和吸収線（ラムディップ）を検出し、検出されたラムディップを周波数基準としてレーザ光の周波数をフィードバック制御することにより、レーザ光の周波数を安定化させている。

特開２０１７−１８３７６０号公報

しかし、前述のヨウ素安定化ヘリウムネオンレーザでは、周波数基準となるラムディップの周波数幅が数ＭＨｚであるため、外乱によってレーザ光の周波数が変動した場合には周波数基準を見失い易い。すなわち、特許文献１に記載のレーザ周波数安定化装置では、フィードバック制御可能な周波数範囲が狭いことにより、外乱に対するロバスト性が低い。

本発明は、ロバスト性が向上されたレーザ周波数安定化装置およびレーザ周波数安定化方法を提供することを目的とする。

本発明のレーザ周波数安定化装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射した前記レーザ光を第１レーザ光と第２レーザ光とに分割する光分割部と、
入射光の周波数に応じて透過率が変化する透過スペクトルを示すガスが封入されたガスセルと、
前記ガスセルを透過した前記第１レーザ光を受光し、前記第１レーザ光の光強度を示す第１光強度信号を出力する第１光検出部と、
前記第２レーザ光の周波数をシフトさせる周波数シフト部と、
前記周波数シフト部によって周波数をシフトされた後に前記ガスセルを透過した前記第２レーザ光を受光し、前記第２レーザ光の光強度を示す第２光強度信号を出力する第２光検出部と、
前記第１光強度信号と前記第２光強度信号との比が一定になるように前記レーザ光源から出射される前記レーザ光の周波数を制御する制御部と、を備え、
前記ガスセルに入射する前記第１レーザ光の周波数と、前記ガスセルに入射する前記第２レーザ光の周波数とは、前記透過スペクトルにおける前記透過率の傾きが互いに異なる周波数に設定されていることを特徴とする。

本発明のレーザ周波数安定化装置では、外乱などによりレーザ光源の発振周波数が変動した場合、ガスセルを透過する第１レーザ光の透過率と、ガスセルを透過する第２レーザ光の透過率とが互いに異なる変化を示し、第１光強度信号と第２光強度信号との比（光強度比）が変動する。よって、この光強度比が一定になるようにレーザ光の周波数を制御することで、レーザ光の周波数を安定化させることができる。
また、ガスセルに振動などの外乱が生じた場合には、第１光強度信号および第２光強度信号に同様の誤差が生じるため、第１光強度信号と第２光強度信号との比（光強度比）を用いて制御を行うことにより、当該誤差の影響を低減することができる。
さらに、ガスセルに封入されたガス（封入ガス）は、分子または原子に固有の吸収線を示すものであり、封入ガスが示す透過スペクトルでは、１つの吸収線に対応して透過率が変化する周波数範囲が１ＧＨｚほどの広がりを持っている。本発明では、この周波数範囲における透過率の傾きを制御に利用することができるため、ヨウ素吸収線のラムディップを利用した従来の制御と比べて、制御可能な周波数範囲が広くなる。
したがって、本発明によれば、ロバスト性が向上されたレーザ周波数安定化装置が提供される。

本発明のレーザ周波数安定化装置において、前記ガスセルに入射する前記第１レーザ光の周波数と、前記ガスセルに入射する前記第２レーザ光の周波数とは、前記透過スペクトルにおいて前記透過率の傾きの正負が互いに異なる周波数に設定されていることが好ましい。
このような構成では、外乱などによりレーザ光源の発振周波数が変動した場合に光強度比が変動する割合を大きくすることができ、この光強度比が一定になるようにレーザ光源を制御することで、レーザ光の周波数をより高精度に安定化させることができる。

本発明のレーザ周波数安定化装置において、前記ガスセルに入射する前記第１レーザ光の周波数と、前記ガスセルに入射する前記第２レーザ光の周波数とは、それぞれ、前記透過スペクトルにおいて前記透過率が負ピークに対して所定の比率となる周波数に設定されていることが好ましい。
このような構成では、レーザ光源の発振周波数が変動した場合において、第１レーザ光および第２レーザ光の各透過率の傾きに正負の切り替わりが生じることを抑制できる。これにより、レーザ周波数安定化装置のロバスト性をより向上させることができる。

本発明のレーザ周波数安定化装置において、前記第１レーザ光の周波数を前記レーザ光の周波数からシフトさせる補助周波数シフト部をさらに備えることが好ましい。
このような構成では、レーザ光源の発振周波数の調整可能な範囲が、透過スペクトルにおいて透過率が変化する周波数範囲から外れている場合であっても、第１レーザ光の周波数を、当該周波数範囲内に設定することができる。これにより、様々な仕様のレーザ光源を利用してレーザ光の周波数を高精度に安定化させることができる。

本発明のレーザ周波数安定化方法は、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射した前記レーザ光を第１レーザ光と第２レーザ光とに分割する光分割部と、入射光の周波数に応じて透過率が変化する透過スペクトルを示すガスが封入されたガスセルと、前記ガスセルを透過した前記第１レーザ光を受光し、前記第１レーザ光の光強度を示す第１光強度信号を出力する第１光検出部と、前記第２レーザ光の周波数をシフトさせる周波数シフト部と、前記周波数シフト部によって周波数をシフトされた後に前記ガスセルを透過した前記第２レーザ光を受光し、前記第２レーザ光の光強度を示す第２光強度信号を出力する第２光検出部と、を備えたレーザ周波数安定化装置におけるレーザ周波数安定化方法であって、前記ガスセルに入射する前記第１レーザ光の周波数と、前記ガスセルに入射する前記第２レーザ光の周波数とを、前記透過スペクトルにおける前記透過率の傾きが互いに異なる周波数に設定する設定ステップと、前記第１光強度信号と前記第２光強度信号との比が一定になるように前記レーザ光源から出射される前記レーザ光の周波数を制御する制御ステップと、を含むことを特徴とする。
本発明によれば、前述したレーザ周波数安定化装置の効果と同様の効果を奏することができる。

本発明の一実施形態に係るレーザ周波数安定化装置を示す模式図。 前記実施形態のレーザ周波数安定化装置の制御部を示すブロック図。 封止ガスの透過スペクトルの例を示すグラフ。 前記実施形態のレーザ周波数安定化装置における初期設定方法を説明するフローチャート。 図３に示す透過スペクトルの一部を拡大して示すグラフ。 前記実施形態のレーザ周波数安定化方法を説明するフローチャート。 図３に示す透過スペクトルの一部を拡大して示すグラフ。 前記実施形態のレーザ周波数安定化装置の変形例を示す模式図。 封止ガスの透過スペクトルの例を示すグラフ。

本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
〔レーザ周波数安定化装置の構成〕
図１において、レーザ周波数安定化装置１は、所定周波数に安定化されたレーザ光を出射する装置であり、レーザ光源２、ビームスプリッタ３１，３２、第１光学系４１、第２光学系４２、ガスセル５、周波数シフト部６、第１光検出部７１、第２光検出部７２、制御部８、レーザ駆動部９を備えている。

レーザ光源２は、例えば半導体レーザなどのシングルモードレーザである。レーザ光源２は、レーザ駆動部９から与えられる駆動電流または駆動電圧により発振して所定周波数のレーザ光Ｌｏを出射する。

ビームスプリッタ３１は、レーザ光源２から出射されたレーザ光Ｌｏを反射光と透過光に分割する。ビームスプリッタ３１で反射された反射光は、外部で利用するレーザ光としてレーザ周波数安定化装置１から外部に出射される。ビームスプリッタ３１を透過した透過光は、ビームスプリッタ３２に入射する。

ビームスプリッタ３２は、本発明の光分割部に相当し、ビームスプリッタ３１の透過光（レーザ光Ｌｏ）を、２つのレーザ光Ｌ１，Ｌ２に分割する。ビームスプリッタ３２を透過したレーザ光Ｌ１は、第１光学系４１によって導かれ、ビームスプリッタ３２で反射されたレーザ光Ｌ２は、第２光学系４２によって導かれる。
なお、本実施形態において、レーザ光Ｌ１は、本発明の第１レーザ光に相当し、レーザ光Ｌ２は、本発明の第２レーザ光に相当する。

第１光学系４１は、レーザ光Ｌ１がガスセル５を往復するようにレーザ光Ｌ１を導き、ガスセル５を往復したレーザ光Ｌ１を取り出して、第１光検出部７１に入射させる。具体的には、第１光学系４１は、偏光ビームスプリッタ４１１、１／４波長板４１２およびミラー４１３を含む。

偏光ビームスプリッタ４１１は、ビームスプリッタ３２から入射されたレーザ光Ｌ１のうち、Ｐ偏光を透過させる。偏光ビームスプリッタ４１１を透過したレーザ光Ｌ１（Ｐ偏光）は、１／４波長板４１２を通過した後、ミラー４１３を介してガスセル５を同一光路で往復し、１／４波長板４１２を再通過する。レーザ光Ｌ１（Ｐ偏光）は、１／４波長板４１２を２回通過することで、レーザ光Ｌ１（Ｓ偏光）となる。
偏光ビームスプリッタ４１１は、１／４波長板４１２から入射されたレーザ光Ｌ１（Ｓ偏光）を反射させ、第１光検出部７１に入射させる。

第２光学系４２は、レーザ光Ｌ２がガスセル５を往復するようにレーザ光Ｌ２を導き、ガスセル５を往復したレーザ光Ｌ２を取り出して、第２光検出部７２に入射させる。具体的には、第２光学系４２は、ミラー４２１、偏光ビームスプリッタ４２２、１／４波長板４２３およびミラー４２４を含んでおり、ミラー４２１と偏光ビームスプリッタ４２２との間に周波数シフト部６が配置されている。

ミラー４２１は、ビームスプリッタ３２から入射したレーザ光Ｌ２を反射させて周波数シフト部６に導く。後述するように、周波数シフト部６を通過したレーザ光Ｌ２の周波数は、所定量だけシフトする。

偏光ビームスプリッタ４２２は、周波数シフト部６を通過したレーザ光Ｌ２のうち、Ｐ偏光を透過させる。偏光ビームスプリッタ４２２を透過したレーザ光Ｌ２（Ｐ偏光）は、１／４波長板４２３を通過した後、ミラー４２４を介してガスセル５を同一光路で往復し、１／４波長板４２３を再通過する。レーザ光Ｌ２（Ｐ偏光）は、１／４波長板４２３を２回通過することで、レーザ光Ｌ２（Ｓ偏光）となる。
偏光ビームスプリッタ４２２は、１／４波長板４２３から入射されたレーザ光Ｌ２（Ｓ偏光）を反射させ、第２光検出部７２に入射させる。

ガスセル５は、入射光の周波数に応じて透過率が変化する透過スペクトルを示すガスを封入した光吸収セルである。本実施形態では、ガスセル５の封入ガスとしてルビジウムガスを用いる。

周波数シフト部６は、例えば音響光学素子であって、レーザ光Ｌ２の周波数を所定量（シフト量ΔＦ）だけシフトさせる。なお、周波数シフト部６は、複数の音響光学素子によって構成されてもよい。

第１光検出部７１および第２光検出部７２は、例えばフォトダイオードである。
第１光検出部７１は、ガスセル５を往復したレーザ光Ｌ１を受光し、レーザ光Ｌ１の光強度に応じた大きさの第１光強度信号Ｓｄ１を出力する。
第２光検出部７２は、周波数シフト部６を経由してガスセル５を往復したレーザ光Ｌ２を受光し、レーザ光Ｌ２の光強度に応じた大きさの第２光強度信号Ｓｄ２を出力する。

制御部８は、例えばコンピュータにより構成され、記憶部および演算部等を含んで構成されている。記憶部は、メモリまたはハードディスク等により構成されたデータ記録装置であり、レーザ周波数安定化装置１を制御するためのプログラムが記録されている。演算部は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算回路およびＲＡＭ（Random Access Memory）等の記録回路により構成される。
具体的には、図２に示すように、制御部８は、演算部８１が記憶部８２に記録されたプログラムを読み込み実行することで、データ取得部８１１、光強度比算出部８１２、周波数制御部８１３および設定部８１４として機能する。なお、演算部８１の各機能は、専用のハードウェアにより実現されてもよい。

データ取得部８１１は、第１光検出部７１から入力される第１光強度信号Ｓｄ１および第２光検出部７２から入力される第２光強度信号Ｓｄ２をそれぞれ所定周期で取得する。

光強度比算出部８１２は、データ取得部８１１により取得された第１光強度信号Ｓｄ１および第２光強度信号Ｓｄ２に基づいて、第１光強度信号Ｓｄ１と第２光強度信号Ｓｄ２との比である光強度比Ｒｐを算出する。本実施形態において、光強度比Ｒｐ＝第１光強度信号Ｓｄ１／第２光強度信号Ｓｄ２であるが、第１光強度信号Ｓｄ１と第２光強度信号Ｓｄ２との関係は逆であってもよい。

周波数制御部８１３は、レーザ駆動部９に対して制御信号Ｓｃを出力する。レーザ駆動部９は、周波数制御部８１３から入力された制御信号Ｓｃに従って、レーザ光源２に注入する駆動電流または駆動電圧を調整する。これにより、レーザ光源２の発振周波数が制御される。すなわち、周波数制御部８１３は、レーザ光源２から出射されるレーザ光Ｌｏの周波数を制御する。
また、周波数制御部８１３は、レーザ周波数安定化装置１の稼働中、光強度比Ｒｐが一定値になるように制御信号Ｓｃを出力する。
設定部８１４は、後述するように、レーザ周波数安定化装置１の初期設定を行う。

〔初期設定〕
図３は、本実施形態における封入ガス（ルビジウムガス）の透過スペクトルを示している。図３には、８ＧＨｚほどの周波数範囲内において、それぞれ１ＧＨｚほどの広がりを有する３つの吸収線Ｎ１〜Ｎ３が観察される。
以下、ガスセル５の封入ガス（ルビジウムガス）が示す吸収線Ｎ１〜Ｎ３のうち、任意の１つである吸収線Ｎ２を利用する場合について説明する。

レーザ周波数安定化装置１の初期設定方法について、図４に示すフローチャートを参照しながら説明する。
図４において、制御部８は、封入ガスの吸収線Ｎ２を探索する（ステップＳ１）。具体的には、周波数制御部８１３が、レーザ光源２の発振周波数を所定範囲で走査すると共に、データ取得部８１１が第１光強度信号Ｓｄ１および第２光強度信号Ｓｄ２を取得する。

図５は、図３に示す透過スペクトルの一部を拡大したものであり、ステップＳ１におけるレーザ光Ｌ１，Ｌ２の各周波数の走査範囲を示している。ここで、第１光強度信号Ｓｄ１は、レーザ光Ｌ１の周波数に対応する透過率の比例値を示し、第２光強度信号Ｓｄ２は、レーザ光Ｌ２の周波数に対応する透過率の比例値を示す。すなわち、ステップＳ１における第１光強度信号Ｓｄ１および第２光強度信号Ｓｄ２は、それぞれ、図５に示すような封入ガスの透過スペクトルを描く。
ステップＳ１において、設定部８１４は、第１光強度信号Ｓｄ１が示す負ピーク（透過率の負ピーク）の１つを封入ガスの吸収線（吸収線Ｎ２）として検出する。なお、吸収線Ｎ２の検出には、記憶部８２に記憶された封入ガスの透過スペクトルのデータを利用してもよい。

次に、設定部８１４は、レーザ光源２の発振周波数を、ステップＳ１で検出された吸収線Ｎ２に基づいて設定する（ステップＳ２；設定ステップ）。
具体的には、設定部８１４は、第１光強度信号Ｓｄ１の負ピーク（吸収線Ｎ２）に対応する周波数範囲のうち、第１光強度信号Ｓｄ１の傾き（透過率の傾き）が負となる周波数範囲Ｒｆ１内に、レーザ光源２の発振周波数を設定する。この周波数範囲Ｒｆ１は、第１光強度信号Ｓｄ１が単純減少している範囲であり、かつ、ディップを含まない範囲である。
特に、本実施形態において、レーザ光源２の発振周波数は、周波数範囲Ｒｆ１のうち、第１光強度信号Ｓｄ１の負ピークに対して所定の比率、例えば負ピーク高さＨの１／２となる周波数ｆｓ１に設定される。
これにより、レーザ光源２の発振周波数、すなわちガスセル５に入射するレーザ光Ｌ１の周波数は、周波数ｆｓ１に設定される。

なお、上述のステップＳ２によれば、ガスセル５に入射するレーザ光Ｌ２の周波数は、周波数ｆｓ１からシフト量ΔＦずれた周波数ｆｓ２に設定される。
ここで、本実施形態のシフト量ΔＦは、封入ガスの吸収線Ｎ２の半値幅に相当する値に設定されている。
このため、ガスセル５に入射するレーザ光Ｌ２の周波数は、第２光強度信号Ｓｄ２の負ピーク（透過率の負ピーク）に対応する周波数範囲のうち、第２光強度信号Ｓｄ２の傾き（透過率の傾き）が正となる周波数範囲Ｒｆ２内に設定される。この周波数範囲Ｒｆ２は、第２光強度信号Ｓｄ２が単純減少している範囲である。
特に、本実施形態では、ガスセル５に入射するレーザ光Ｌ２の周波数は、周波数範囲Ｒｆ２のうち、第２光強度信号Ｓｄ２の負ピークに対して所定の比率、例えば負ピーク高さＨの１／２となる周波数ｆｓ２に設定される。

次に、設定部８１４は、レーザ光源２の発振周波数が周波数ｆｓ１である場合の第１光強度信号Ｓｄ１と第２光強度信号Ｓｄ２との比を、目標光強度比Ｒｉとして記憶部８２に記憶させる（ステップＳ３）。
以上により、レーザ周波数安定化装置１の初期設定が終了する。

〔周波数安定化方法〕
次に、レーザ周波数安定化装置１の周波数安定化方法について、図６に示すフローチャートを参照しながら説明する。レーザ周波数安定化装置１が稼働開始すると、図６に示すフローチャートが開始する。なお、レーザ周波数安定化装置１の稼働開始時、レーザ光源２は、前述の初期設定で設定された周波数ｆｓ１に制御されたレーザ光Ｌｏを出射する。

まず、データ取得部８１１は、第１光強度信号Ｓｄ１および第２光強度信号Ｓｄ２をそれぞれ取得し、光強度比算出部８１２は、第１光強度信号Ｓｄ１と第２光強度信号Ｓｄ２との比である光強度比Ｒｐを算出する（ステップＳ１１）。

周波数制御部８１３は、目標光強度比Ｒｉに対する光強度比Ｒｐの変化（低下または上昇）を監視する（ステップＳ１２）。光強度比Ｒｐが変化していない場合、周波数制御部８１３は、レーザ光源２の発振周波数が安定していると判定し、フローはステップＳ１１に戻る。

一方、光強度比Ｒｐが変化している場合、周波数制御部８１３は、光強度比Ｒｐの変化方向、すなわち光強度比Ｒｐが増加または減少のいずれに変化しているかを判定し（ステップＳ１３）、判定結果に応じてレーザ光源２の発振周波数を減少（ステップＳ１４）または増加（ステップＳ１５）させる。

例えば、図７に示すように、レーザ光源２の温度変化等によりレーザ光源２の発振周波数が上昇し、レーザ光Ｌ１，Ｌ２の周波数ｆｓ１，ｆｓ２がそれぞれΔｆだけ上昇した場合、レーザ光Ｌ１の透過率が低下すると共にレーザ光Ｌ２の透過率が上昇する。すなわち、第１光強度信号Ｓｄ１が減少すると共に、第２光強度信号Ｓｄ２が増加する。このため、光強度比Ｒｐ（第１光強度信号Ｓｄ１／第２光強度信号Ｓｄ２）は減少する。この場合、周波数制御部８１３は、レーザ光源２の発振周波数を減少させるように制御信号Ｓｃを出力する（ステップＳ１４）。

一方、図７に示す場合とは逆に、レーザ光源２の発振周波数が減少した場合、レーザ光Ｌ１の透過率が上昇すると共にレーザ光Ｌ２の透過率が低下する。すなわち、第１光強度信号Ｓｄ１が増加すると共に、第２光強度信号Ｓｄ２が減少する。このため、光強度比Ｒｐ（第１光強度信号Ｓｄ１／第２光強度信号Ｓｄ２）は増加する。この場合、周波数制御部８１３は、レーザ光源２の発振周波数を増加させるように制御信号Ｓｃを出力する（ステップＳ１５）。

よって、上述のステップＳ１４またはＳ１５において、周波数制御部８１３は、目標光強度比Ｒｉに対する光強度比Ｒｐの差が０となる方向にレーザ光源２の発振周波数を変化させる制御信号Ｓｃを出力する。レーザ駆動部９は、周波数制御部８１３から入力された制御信号Ｓｃに従ってレーザ光源２に注入する駆動電流または駆動電圧を制御し、レーザ光源２の振周波数を変化させる。

その後、制御部８の処理はステップＳ１１に戻る。制御部８は、以上の処理の繰り返しにより、光強度比Ｒｐが目標光強度比Ｒｉで安定するように、レーザ光源２の振周波数をフィードバック制御する。以上のステップＳ１１〜Ｓ１５は、本発明の制御ステップに相当する。
なお、フィードバック制御に関して、目標光強度比Ｒｉに対する光強度比Ｒｐの差を０にするような制御方法に限られず、当該差が所定の閾値よりも小さくなるような制御方法であってもよい。

〔効果〕
以上に説明したように、本実施形態では、外乱などによりレーザ光源２の発振周波数が変動した場合、ガスセル５を透過するレーザ光Ｌ１の透過率と、ガスセル５を透過するレーザ光Ｌ２の透過率とが互いに異なる変化を示し、第１光強度信号Ｓｄ１と第２光強度信号Ｓｄ２との比である光強度比Ｒｐが変動する。よって、この光強度比Ｒｐが一定になるようにレーザ光源２の発振周波数を制御することで、レーザ光Ｌｏの周波数を安定化させることができる。
また、ガスセル５に振動などの外乱が生じて透過スペクトルが変化した場合には、第１光強度信号Ｓｄ１および第２光強度信号Ｓｄ２に同様の誤差が生じるため、第１光強度信号Ｓｄ１と第２光強度信号Ｓｄ２との比である光強度比Ｒｐに対する誤差の影響を低減することができる。
さらに、本実施形態で利用するルビジウムなどの封入ガスは、分子または原子に固有の吸収線を示すものであり、封入ガスが示す透過スペクトルでは、１つの吸収線に対応して透過率が変化する周波数範囲が１ＧＨｚほどの広がりを持っている。本実施形態では、この周波数範囲における透過率の傾きを制御に利用することができるため、ヨウ素吸収線のラムディップを利用した従来の制御と比べて、制御可能な周波数範囲が広くなる。
したがって、本実施形態によれば、ロバスト性が向上されたレーザ周波数安定化装置１が提供される。

本実施形態において、ガスセル５に入射するレーザ光Ｌ１の周波数と、ガスセル５に入射するレーザ光Ｌ２の周波数とは、透過スペクトルにおける透過率の傾きの正負が互いに異なる。これにより、レーザ光源２の発振周波数が変動した場合に光強度比Ｒｐが変動する割合を大きくすることができ、この光強度比Ｒｐが一定になるようにレーザ光源２を制御することで、レーザ光Ｌｏの周波数をより高精度に安定化させることができる。

本実施形態において、ガスセル５に入射する第１レーザ光の周波数、および、前記ガスセルに入射する前記第２レーザ光の周波数は、それぞれ、透過率が負ピークに対して所定の比率（例えば１／２）となる周波数に設定されている。これにより、レーザ光源２の発振周波数が変動した場合において、レーザ光Ｌ１，Ｌ２の各透過率の傾きに正負の切り替わりが生じることを抑制でき、その結果、ロバスト性をより向上させることができる。

なお、従来のヨウ素安定化ヘリウムネオンレーザでは、ヨウ素吸収線のラムディップを検出した状態を保つために、共振器長を調整するピエゾ素子を常に正弦波駆動させる必要がある。このため、従来のヨウ素安定化ヘリウムネオンレーザでは、ピエゾ素子を原因とした故障が生じやすい。また、従来のヨウ素安定化ヘリウムネオンレーザは、ピエゾ素子を正弦波駆動することでレーザ光の中央周波数を制御しているが、レーザ光の瞬時の周波数が一定していないため、レーザ光の用途が限られてしまう。
このような従来技術に対して、本実施形態のレーザ周波数安定化装置１は、ピエゾ素子を有する必要がないため、故障になり難い。また、レーザ光Ｌｏの瞬時の周波数が一定になるため、レーザ光Ｌｏの用途が従来技術よりも広くなる。

〔変形例〕
本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形などは本発明に含まれる。

例えば、前記実施形態において、レーザ周波数安定化装置１は、第１光強度信号Ｓｄ１または第２光強度信号Ｓｄ２の少なくとも一方を増幅させる増幅器を有していてもよい。これにより、レーザ光源２の発振周波数が変動した場合に光強度比Ｒｐが変動する割合を大きくすることができ、この光強度比Ｒｐが一定になるようにレーザ光源２を制御することで、レーザ光Ｌｏの周波数をより高精度に安定化させることができる。

前記実施形態では、ガスセル５に入射するレーザ光Ｌ１が周波数範囲Ｒｆ１内に設定され、ガスセル５に入射するレーザ光Ｌ２の周波数が周波数範囲Ｒｆ２内に設定されるが、これらの組み合わせは逆であってもよい。この場合、前記実施形態の周波数安定化方法において、ステップＳ１３の判定結果に対するステップＳ１４，Ｓ１５の関係を逆にすればよい。

図８に示すように、変形例に係るレーザ周波数安定化装置１Ａは、ビームスプリッタ３２により分割されたレーザ光Ｌ１の周波数をシフトさせる補助周波数シフト部６Ａをさらに備えてもよい。このような構成では、レーザ光源２の発振周波数の調整可能な範囲が周波数範囲Ｒｆ１，Ｒｆ２から外れている場合であっても、レーザ光Ｌ１の周波数を、周波数範囲Ｒｆ１内または周波数範囲Ｒｆ２内に設定することができる。これにより、様々な仕様のレーザ光源２を利用してレーザ光Ｌｏの周波数を高精度に安定化させることができる。

前記実施形態では、ガスセル５に入射するレーザ光Ｌ１，Ｌ２の周波数を、１つの吸収線（吸収線Ｎ２）に対応する周波数範囲（周波数範囲Ｒｆ１，Ｒｆ２）内に設定しているが、本発明はこれに限られない。すなわち、封入ガスの透過スペクトルが複数の吸収線を有する場合、ガスセル５に入射するレーザ光Ｌ１，Ｌ２の周波数を、互いに異なる吸収線に対応する周波数範囲内に設定してもよい。
例えば、図９では、本実施形態の封止ガスの透過スペクトルにおいて、透過率が負ピークのピーク高さの半分になる周波数Ｆ１〜Ｆ６を例示している。レーザ周波数安定化装置１の各構成、例えばレーザ光源２の発振周波数の調整可能範囲や周波数シフト部６によるシフト量などに応じて、ガスセル５に入射するレーザ光Ｌ１，Ｌ２の各周波数を、周波数Ｆ１〜Ｆ６の任意の組み合わせに設定することができる。

また、レーザ光Ｌ１，Ｌ２の各周波数は、透過スペクトルの透過率の傾きが正または負となる周波数に設定されることに限られず、透過率の傾きが互いに異なる周波数であればよい。例えば、レーザ光Ｌ１，Ｌ２の一方の周波数が、透過スペクトルにおいて透過率が一定となる周波数範囲内に設定され、レーザ光Ｌ１，Ｌ２の他方の周波数が、透過率の傾きが正または負となる周波数に設定されてもよい。このような場合であっても、光強度比Ｒｐに基づいてレーザ光Ｌｏの周波数を安定化させることができる。

前記実施形態において、ガスセル５の封入ガスは、ルビジウムガス以外であってもよい。具体的には、少なくとも１つの吸収線の周波数領域と、ガスセル５に入射するレーザ光Ｌ１，Ｌ２の少なくとも一方の周波数とが重なるように調整可能な範囲で、種々の封入ガスを利用することができる。
前記実施形態では、本発明の光分割部がビームスプリッタ３２であるが、偏光ビームスプリッタなど、他の光学部材であってもよい。

前記実施形態では、レーザ光源２に入力する駆動電流または駆動電圧を制御することで、レーザ光源２の発振周波数を制御しているが、本発明はこれに限られない。
例えば、レーザ光源２に温度調整手段が設けられている場合、周波数制御部８１３は、当該温度調整手段を制御することで、レーザ光源２の発振周波数を制御してもよい。
また、レーザ光源２が共振器の一端部を移動させる移動機構を有する場合、周波数制御部８１３は、当該移動機構を制御することで、レーザ光源２の発振周波数を制御してもよい。

前記実施形態のレーザ周波数安定化装置１は、所望の波長のレーザ光を出射できる波長可変レーザ周波数安定化装置として構成されてもよい。
例えば、レーザ光Ｌ１の周波数が周波数範囲Ｒｆ１に位置し、かつ、レーザ光Ｌ２の周波数が周波数範囲Ｒｆ２内に位置する範囲内で、レーザ光源２の発振周波数と光強度比Ｒｐとの対応関係を示すテーブルを作成し、記憶部８２に記憶させる。そして、制御部８は、所望の波長が入力された場合、当該波長を周波数に変換し、当該周波数に対応する光強度比Ｒｐの値（参照値）をテーブルから取得する。周波数制御部８１３は、光強度比Ｒｐが参照値を保つようにレーザ光源２の発振周波数を制御する。これにより、レーザ周波数安定化装置１は、所望の波長のレーザ光Ｌｏを出射することができる。

１，１Ａ…レーザ周波数安定化装置、２…レーザ光源、３１…ビームスプリッタ、３２…ビームスプリッタ、４１…第１光学系、４１１…偏光ビームスプリッタ、４１２…１／４波長板、４１３…ミラー、４２…第２光学系、４２１…ミラー、４２２…偏光ビームスプリッタ、４２３…１／４波長板、４２４…ミラー、５…ガスセル、６…周波数シフト部、６Ａ…補助周波数シフト部、７１…第１光検出部、７２…第２光検出部、８…制御部、８１…演算部、８１１…データ取得部、８１２…光強度比算出部、８１３…周波数制御部、８１４…設定部、８２…記憶部、９…レーザ駆動部、Ｌ１…レーザ光（第１レーザ光）、Ｌ２…レーザ光（第２レーザ光）、Ｌｏ…レーザ光、Ｒｆ１，Ｒｆ２…周波数範囲、Ｓｃ…制御信号、Ｓｄ１…第１光強度信号、Ｓｄ２…第２光強度信号。

Claims (5)

1. レーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射した前記レーザ光を第１レーザ光と第２レーザ光とに分割する光分割部と、
   入射光の周波数に応じて透過率が変化する透過スペクトルを示すガスが封入されたガスセルと、
   前記ガスセルを透過した前記第１レーザ光を受光し、前記第１レーザ光の光強度を示す第１光強度信号を出力する第１光検出部と、
   前記第２レーザ光の周波数をシフトさせる周波数シフト部と、
   前記周波数シフト部によって周波数をシフトされた後に前記ガスセルを透過した前記第２レーザ光を受光し、前記第２レーザ光の光強度を示す第２光強度信号を出力する第２光検出部と、
   前記第１光強度信号と前記第２光強度信号との比が一定になるように前記レーザ光源から出射される前記レーザ光の周波数を制御する制御部と、を備え、
   前記ガスセルに入射する前記第１レーザ光の周波数と、前記ガスセルに入射する前記第２レーザ光の周波数とは、前記透過スペクトルにおける前記透過率の傾きが互いに異なる周波数に設定されている
   ことを特徴とするレーザ周波数安定化装置。
2. 請求項１に記載のレーザ周波数安定化装置において、
   前記ガスセルに入射する前記第１レーザ光の周波数と、前記ガスセルに入射する前記第２レーザ光の周波数とは、前記透過スペクトルにおいて前記透過率の傾きの正負が互いに異なる周波数に設定されている
   ことを特徴とするレーザ周波数安定化装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のレーザ周波数安定化装置において、
   前記ガスセルに入射する前記第１レーザ光の周波数と、前記ガスセルに入射する前記第２レーザ光の周波数とは、それぞれ、前記透過スペクトルにおいて前記透過率が負ピークに対して所定の比率となる周波数に設定されていることを特徴とするレーザ周波数安定化装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のレーザ周波数安定化装置において、
   前記第１レーザ光の周波数を前記レーザ光の周波数からシフトさせる補助周波数シフト部をさらに備える
   ことを特徴とするレーザ周波数安定化装置。
5. レーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射した前記レーザ光を第１レーザ光と第２レーザ光とに分割する光分割部と、
   入射光の周波数に応じて透過率が変化する透過スペクトルを示すガスが封入されたガスセルと、
   前記ガスセルを透過した前記第１レーザ光を受光し、前記第１レーザ光の光強度を示す第１光強度信号を出力する第１光検出部と、
   前記第２レーザ光の周波数をシフトさせる周波数シフト部と、
   前記周波数シフト部によって周波数をシフトされた後に前記ガスセルを透過した前記第２レーザ光を受光し、前記第２レーザ光の光強度を示す第２光強度信号を出力する第２光検出部と、を備えたレーザ周波数安定化装置におけるレーザ周波数安定化方法であって、
   前記ガスセルに入射する前記第１レーザ光の周波数と、前記ガスセルに入射する前記第２レーザ光の周波数とを、前記透過スペクトルにおける前記透過率の傾きが互いに異なる周波数に設定する設定ステップと、
   前記第１光強度信号と前記第２光強度信号との比が一定になるように前記レーザ光源から出射される前記レーザ光の周波数を制御する制御ステップと、を含む
   ことを特徴とするレーザ周波数安定化方法。

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