JPH0295224A - レーザ周波数計 - Google Patents

レーザ周波数計

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JPH0295224A
JPH0295224A JP24788488A JP24788488A JPH0295224A JP H0295224 A JPH0295224 A JP H0295224A JP 24788488 A JP24788488 A JP 24788488A JP 24788488 A JP24788488 A JP 24788488A JP H0295224 A JPH0295224 A JP H0295224A
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明 大手
Koji Akiyama
浩二 秋山
Satoru Yoshitake
哲 吉武
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、レーザの光周波数を」1定するレーザ周波数
計の改良に関するものである。
(従来の技術) 従来レーザ光の光周波数を測定する場合は、般にレーザ
の波長を測定して、演算により周波数を求めている。
第4図はレーザの波長を測定する波長計の第1の従来例
で、回折格子を利用したものを示す原理構成図である。
被測定光を回折格子に入射すると、回折格子31を回転
中心32の回りに回転することによって光の入射角θが
変化する。光検出器33に入射する光、の波長は入射角
θに依存するので、θを測ることで被測定光の波長値λ
8を一定することができる。
第5図は波長計の第2の従来例で、マイケルソン干渉計
を利用するものを示す原理構成図である。
ハーフミラ−41で未知の波長λ8の被測定光ビームと
既知の波長λ、。fの参照光ビーム(例えばHe−Ne
レーV 633nn等)を合波しマイゲルソン干渉計に
入射する0合波された光はハーフミラ−42で2方向に
分離され、一方は可動ミラー43で反射され他方は固定
ミラー44で反射されて光検出器45に入射する(被測
定光と参照光の分離手段は図では省略)。可動ミラー4
3がΔを動くと光検出器45に干渉縞が明暗の変化とな
って現れる。このとき被測定光の干渉縞変化数をM 、
参照光の干渉縞変化数をM、。、とすると、次式が成立
つ。
Δft−M  −λ /2中M   −λref/2x
     x        ref・・・ (1) したがって、 λ = (M、ef/M  )・λref   ’・・
(2)×× より被測定光の波長λ8を測定することができる。
(発明が解決しようとする課題) しかしながら、上記の各従来方式は共に機械的な可動部
分があるため、高速応答性が悪い。また第4図の方式の
場合は機械精度が測定精度に影響するので、高精度化が
困難で経時変化にも弱い。
また第5図の方式も可動距離が大きいので高精度化が困
難である。精度を上げるには第4図の場合には回折格子
と光検出器の距離を大きくし、第5図の場合は可動距離
へ2を大きくしなければならないが、いずれも光学系が
大きくなるという問題を生じる。また大型のファブリ・
ベロー干渉計を用いて圧力掃引により波長を精密に測定
する方式もあるが、大型で真空ポンプが必要等測定時間
が長くなり、実用的でない。
本発明はこのような課題を解決するためになされたもの
で、簡単な構成で高精度かつ高速応答でレーザ周波数を
測定できるレーザ周波数計を実現することを目的とする
(課題を解決するための手段) 本発明に係るレーザ周波数計は被測定レーザ光を第1の
周波数で位相変調する位相変調器と、この位相変調器の
出力光と第2の周波数で位相変調され発振周波数が既知
の参照レーザ光とを合波する光学手段と、この光学手段
の出力光を入射するファブリ・ペロー・エタロンと、こ
のファブリ・ペロー・エタロンを透過する光を検出する
光検出器と、この光検出器の出力を前記第1の周波数で
位相検波する第1の増幅手段と、この第1の増幅手段の
出力を記憶する第1のメモリ回路と、前記光検出器の出
力を前記第2の周波数で位相検波する第2の増幅手段と
、この第2の増幅手段の出力を記憶する第2のメモリ回
路と、前記ファブリ・ペロー・エタロンのミラー間隔を
微小変化させる掃引手段と、この掃引手段によるミラー
間隔の変化に対応する第1のメモリ回路出力と第2のメ
モリ回路出力に基づいて被測定レーザ光の周波数を演算
する周波数演算回路とを備えたことを特徴とする。
(作用) ファブリ・ペロー・エタロンの透過光は光検出器で検出
され、それぞれの増幅手段でそれぞれ被測定レーザ光お
よび参照レーザ光の干渉信号の1次微分信号が検出され
、メモリ回路を介して被測定レーザ光の周波数が演算さ
れる。
(実施例) 以下本発明を図面を用いて詳しく説明する。
第1図は本発明に係るレーザ周波数計の一実施例を示す
構成ブロック図である。1は参照し〜ザで、発振周波数
が安定な既知の周波数で、例えばRb吸収線に出力周波
数を制御した半導体レーザ(λ= 780.244nl
)を使用する。2.3はそれぞれ被測定レーザ光、参照
レーザ光を入射して位相変調するLiNbO3等の電気
光学結晶からなる第1.第2の位相変調器で、15は第
1の位相変調器2を第1の周波数f、で励振する第1の
発振器、16は第2の位相変調器3を第2の周波数f2
で励振する第2の発振器、4は第1の位相変調器2の出
力光をその一方の面に入射し他方の面に第2の位相変調
器3の出力光を入射して両方の光を合波する光学手段を
構成するハーフミラ−15,6はハーフミラ−4の出力
光を入射するピンホール、7はピンホール5.6の通過
光を入射するファブリ・ペロー・エタロンである。ファ
ブリ・ペロー・エタロン7は互いの焦点が他方の鏡面上
に来るように配置された2枚の半透性の凹面鏡71.7
2およびそのミラー間隔を微小に掃引する挿引手段を構
成するPZT等の圧電アクチュエータ73からなり、真
空チャンバ76内に構成されている。13は圧電アクチ
ュエータ73を駆動する例えば0.511zの三角波発
振器、8はファブリ・ペロー・エタロン7を透過する光
を入射する光検出器、9は発振器15の出力を参照信号
として光検出器8の出力信号を位相検波する第1の増幅
手段を構成するロックインアンプ、10は発振器16の
出力を参照信号として光検出器8の出力信号を位相検波
する第2の増幅手段を構成するロックインアンプ、11
はロックインアンプ9の出力信号を記憶する第1のメモ
リ回路、12はロックインアンプ10の出力信号を記憶
する第2のメモリ回路、14はメモリ回路9.10の出
力および発振器13の出力を入力して被測定光の周波数
値を演算する周波数演算回路である。
上記のような構成のレーザ周波数計の動作を次に説明す
る。被測定レーザ光は位相変調器2により周波数f、で
位相変調を受け、参照レーザ光は位相変調器3により周
波数f2で位相変調を受ける0位相変調された被測定レ
ーザ光および参照レーザ光はハーフミラ−4で合波され
る。被測定レーザ光および参照レーザ光は、それぞれピ
ンホール5.6の両方を通過するように光軸が調整され
ている。その結果、ハーフミラ−4において被測定レー
ザ光が透過し参照レーザ光が反射して合波されると、ピ
ンホール5.6を通過し同一光路を通ってファブリ・ペ
ロー・エタロン7に入射する。
ファブリ・ペロー・エタロン7に入射した光は凹面鏡7
1と72の間を3往復して入射光と干渉して凹面鏡72
を通過する。すなわち凹面鏡71と72の焦点は互いの
鏡面上にあるので、入射光は凹面鏡72で反射して焦点
74に至ってそこで反射し、凹面鏡72で反射して入射
光と平行光となりさらに凹面鏡71で反射して焦点75
に至って反射し、凹面1A71で反射して入射光と同一
経路に戻り、干渉する。ファブリ・ペロー・エタロン7
を透過した光は光検出器8で検出される。光検出器8の
出力はロックインアンプ9,10においてそれぞれ周波
数f、 、 f2で同期検波され、ロックインアンプ9
からは被測定レーザ光のファブリ・ペロー・エタロン7
の透過信号の1次微分波形が出力され、ロックインアン
プ10からは参照レーザ光のファブリ・ペロー・エタロ
ン7の透過信号の1次微分波形が得られる。ファブリ・
ペロー・エタロン7のミラー間隔は発振器13により三
角波で掃引されているので、ミラー掃引長とロックイン
アンプ9.10の出力信号との関係は第2図のようにな
る。ただし参照レーザ光の光周波数が0.78μm1、
被測定レーザ光の光周波数が1.55μm、三角波の掃
引周波数か0.511zの場合を一例として示している
。この1次微分波形がそれぞれメモリ回路11.12に
記憶され、メモリ回路11.12の出力と発振器13出
力から被測定レーザ周波数が周波数演算回路14で演算
される。
次に第2図に示す1次微分波形から周波数演算回路14
において被測定レーザ光波長λ8を演算する方法を説明
する。ただしファブリ・ペロー・エタロン7を通過した
2つの光ビームの干渉ピーク位置は第2図の1次微分波
形のセロクロス点と一致する。ファブリ・ペロー・エタ
ロン7は前述のような構成であるため、干渉ピークの間
隔はλ8/6.λ、。、/6となり、被測定光の干渉ピ
ーク数M に対応する掃引距離を△2、掃引距離△eに
対応する参照光の干渉ピーク数をM  、参照ef 光のミラー掃引距離の端数をα、βとすると、次式が成
立つ。
ΔQ=(λ /6)−(M  −1>=(λref /
x 6) −(M、。、 −t >十α十β・・・ (3) したがって、 λ =λ  −(Mr8.−1 )/ (Mx−1) 
+x     ref 6(α十β)/(Mx 1)   (nm)・・・ (
4) となり、被測定光周波数fxは次式で求められる。
f  =c/λ8       ・・・(5)次にα、
βの求め方を示す。被測定レーザ光のエタロン透過光が
干渉ピークa、bとなったときの圧電アクチュエータ7
3の印加電圧をそれぞれ■8、■bとし、参照レーザ光
のエタロン透過光が干渉ピークc、dとなったときの圧
電アクチュエタ73の印加電圧をそれぞれV、Vdとす
る。
参照レーザ光の干渉ピーク間隔はλref/6で一定で
あるので、ミラー掃引長ΔXは圧電アクチュエータ73
の印加電圧■の関数となり、Δx=G (V)    
    ・・・(6)と表すことができる。したがって
、α、βはそれぞれ次式で演算できる。
α=G (V  ) −G (V  )   ・・・(
7)b      d β−G(V  )−G(V  )   ・・・(8)a 上記の実施例における数値例として例えば、λref 
=780,244nnとしてλ =1.55μ11を測
定することができる。
このような構成のレーザ周波数計によれば、ファブリ・
ペロー・エタロンを使用しているのでマイケルソンの干
渉計を用いる場合よりも干渉縞のフィネス(fines
se:干渉ピークの鋭さ)が高い。
このため干渉ピークの印加電圧Va〜Vdを精度良く検
出でき、ミラー掃引距離の端数α、βも精度良く測定す
ることができる。したがってミラー掃引が微小量でも高
精度の測定ができる。
また参照レーザ光と被測定レーザ光のエタロン透過信号
を異なる変調周波数により分離するので、光検出器が1
つですみ、2つの光ビームを分離する光学手段も必要な
い。また参照レーザ光と被測定レーザ光が同一波長でも
信号を分離することができるので、測定可能である。
また被測定レーザ光の偏波面がいかなる場合でも、2つ
の光ビームの透過信号を分離することかできる0例えば
、円面波のレーザ光でも発振周波数を測定することがで
きる。
また平面ミラーのファブリ・ペロー・エタロンに比べて
同じ掃引長に対して3倍の干渉縞が観測できる。したが
って(4)式からも明らかなように、波長測定精度が3
倍向上する。
またPZTでミラー間隔を掃引するので高速掃引ができ
、測定時間の短縮を測ることができる。
また回折格子やマイケルソン干渉計を用いた波長針と比
べて小型で簡単な構成とすることができる。
また参照レーザ光の波長に絶対精度かでているため、被
測定レーザ光の波長値にも絶対精度がでる。したがって
回折格子の波長計のように校正する必要がない。
なお上記の実施例では焦点が互いの鏡面上にある2つの
凹面鏡を用いて掃引長に対する精度を高めているか、こ
れに限らす平面鏡を用いたファブリ・ペロー・エタロン
を使用することもできる。
また上記の実施例において、参照レーザ1として変調出
力のものを使用すれば、位相変調器3を省略することが
できる。
第3図は第1図のレーザ周波数計の変形例で、ファブリ
・ペロー・エタロンの凹面鏡の1つを半透性の平面鏡で
置換えたものを示す要部構成ブロック図である0図にお
いて、71は第1図と同じ四■1鏡、77はこの凹面鏡
71に平行に配置された半透性の平面鏡である。この平
面鏡77は、疑似的に平面鏡77の鏡面79に関して凹
面鏡71と対称な反対側の位置に点線で示した凹面鏡7
8があるのと同じ効果を生じる。すなわち凹面鏡71と
平面g77の間隔および平面鏡77と疑似的な凹面′I
J:A78との間隔は等しい、この疑似的な凹面鏡78
の焦点74か凹面MA71の鏡面上に来るように平面鏡
77の位置を定める。
凹面鏡71と疑似的な凹面IA78の特性は同じなので
、このようにすると凹面a71の焦点は疑似的な凹面鏡
78の鏡面上に来るようになる。動作は第1図の場合と
同様であるので、説明を省略する。このような構成のフ
ァブリ・ペロー・エタロンによれば、第1図の場合と比
べて鏡の間隔をさらに半分にすることができる。
(発明の効果) 以上述べたように本発明によれば、高精度かつ高速応答
でレーザ周波数を測定できるレーザ周波数計を簡単な構
成で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係るレーザ周波数計の一実施例を示ず
構成ブロック図、第2図は第1図装置の動作を示す説明
図、第3図は第1図装置の−変形例を示す要部構成ブロ
ック図、第4図および第5図は従来のレーザ周波数計を
示す原理図である。 2・・・位相変調器、4・・・光学手段、7・・・ファ
ブリ・ペロー・エタロン、8・・・光検出器、9・・・
第1の増幅手段、10・・・第2の増幅手段、11・・
・第1のメモリ回路、12・・・第2のメモリ回路、1
4・・・周波数演算回路、73・・・掃引手段、f、・
・・第1の周波数、f2・・・第2の周波数。 第 図 ?9 役則来シロ 4反唄ツffiりC5

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1.  被測定レーザ光を第1の周波数で位相変調する位相変
    調器と、この位相変調器の出力光と第2の周波数で位相
    変調され発振周波数が既知の参照レーザ光とを合波する
    光学手段と、この光学手段の出力光を入射するファブリ
    ・ペロー・エタロンと、このファブリ・ペロー・エタロ
    ンを透過する光を検出する光検出器と、この光検出器の
    出力を前記第1の周波数で位相検波する第1の増幅手段
    と、この第1の増幅手段の出力を記憶する第1のメモリ
    回路と、前記光検出器の出力を前記第2の周波数で位相
    検波する第2の増幅手段と、この第2の増幅手段の出力
    を記憶する第2のメモリ回路と、前記ファブリ・ペロー
    ・エタロンのミラー間隔を微小変化させる掃引手段と、
    この掃引手段によるミラー間隔の変化に対応する第1の
    メモリ回路出力と第2のメモリ回路出力に基づいて被測
    定レーザ光の周波数を演算する周波数演算回路とを備え
    たことを特徴とするレーザ周波数計。
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