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
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Abstract
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
〔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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、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。
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。
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。
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。
Claims (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、
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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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