JP2000269596A - 周波数安定化レーザ光源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 吸収セルからの放出光の影響を低減すること
が可能な周波数安定化レーザ光源を実現する。 【解決手段】 レーザダイオードの出力光に変調をかけ
て周波数弁別素子内を透過させて、出力光の周波数を周
波数弁別素子の吸収線の中心周波数に制御することによ
り周波数を安定化させる周波数安定化レーザ光源におい
て、周波数弁別素子とこの周波数弁別素子の透過光を検
出する光検出器との間に偏光子を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、周波数安定化レー
ザ光源に関し、特にＳ／Ｎ比の改善が可能な周波数安定
化レーザ光源に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の周波数安定化レーザ光源は、レー
ザダイオードの出力光に変調をかけて吸収セル内を透過
させて、出力光の周波数を吸収セル内のガスの吸収線の
中心周波数に制御することにより周波数を安定化させる
ものである。

【０００３】図３はこのような従来の周波数安定化レー
ザ光源の一例を示す構成ブロック図である。図３におい
て１はレーザ光源であるレーザダイオード、２はビーム
スプリッタ、３はミラー、４は特定の波長で吸収を起こ
す標準物質が封入された吸収セル等の周波数弁別素子、
５はフォトダイオード等の光検出器、６はロックインア
ンプ、７は変調信号発生器、８はレーザダイオードの駆
動回路、９は加算器、１００は周波数安定化された出力
光である。

【０００４】レーザダイオード１の出力光の一部はビー
ムスプリッタ２で反射され、ミラー３で反射されて出力
光１００として出力される。レーザダイオード１の出力
光の残りはビームスプリッタ２を透過し、周波数弁別素
子４を介して光検出器５に入射される。光検出器５の出
力はロックインアンプ６に接続され、ロックインアンプ
６の出力は駆動回路８に接続され、駆動回路８の出力で
ある駆動電流が加算器９の一方の入力端子に接続され
る。

【０００５】また、変調信号発生器７の出力である変調
信号はロックインアップ６の参照信号の入力端子及び加
算器９の他方の入力端子にそれぞれ接続され、加算器９
の出力はレーザダイオード１に接続される。

【０００６】ここで、図３に示す従来例の動作を図４及
び図５を用いて説明する。図４は周波数弁別素子４の吸
収特性を示す特性曲線図、図５はレーザダイオード１の
出力光の波長とロックインアンプ６の出力との関係を示
す特性曲線図である。

【０００７】駆動回路８の駆動電流は加算器９において
変調信号発生器７の出力が加算されるのでレーザダイオ
ード１に供給される駆動電流が変調される。このため、
レーザダイオード１の出力光は変調信号発生器７の変調
信号の周波数により変調されることになる。この出力光
は吸収セル等の周波数弁別素子４を透過する。この時、
周波数弁別素子４は特定の周波数で光吸収率が最大にな
る特性を有するので、周波数弁別素子４の出力光は光量
が減少する。

【０００８】光検出器５は周波数弁別素子４からの出力
光を電気信号に変換してロックインアンプ６に出力す
る。ロックインアンプ６は光検出器５からの出力を変調
信号発生器７の出力に基づき同期検波する。

【０００９】例えば、図４に示すように周波数弁別素子
４の吸収特性が波長”λｒ”において最大の光吸収率に
なるとすれば、ロックインアンプ６の出力は図５中”Ｌ
Ａ０１”に示すようになり、図４中”ＡＢ０１”に示す
吸収線曲線を１次微分した波形になる。

【００１０】ここで、駆動回路８がレーザダイオード１
への注入電流を制御してロックインアンプ６の出力が図
５中”ＺＣＰ０”に示すゼロクロス点になるようにする
ことにより、レーザダイオード１の出力光の波長を周波
数弁別素子４の吸収線の中心波長”λｒ”に安定化させ
ることが可能になる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図３に示す従
来例では周波数弁別素子４である吸収セル等におけるレ
ーザダイオード１の出力光の吸収は、主に低いエネルギ
ー状態にある原子若しくは分子が出力光のエネルギーに
よって高いエネルギー状態に励起される誘導吸収によっ
て生じる。

【００１２】一方、高いエネルギー状態にある原子若し
くは分子は無秩序的に低いエネルギー状態へ遷移し、そ
の時余分なエネルギーを放出する自然放出光と、遷移す
るエネルギー差に等しい光の入射によって誘導される誘
導放出光との２種類の光を外部に放出する。

【００１３】例えば、図６は吸収セルから光検出器５に
入射される光の様子を示す斜視図、図７は光検出器５に
おける受光量等を示す特性曲線図である。図６中”ＩＬ
０１”に示す入射光は吸収セル内に封入された標準物質
による特定波長で吸収を受け図６中”ＴＬ０１”に示す
透過光が光検出器５に入射されると共に図６中”ＲＬ０
１”に示す前述の自然放出光や誘導放出光（以下、単に
放出光と呼ぶ。）の一部も併せて光検出器５に入射され
る。

【００１４】このため、実際に光検出器５で受光される
受光量は図７中”ＤＰ０１”に示す吸収セルからの透過
光の受光量と、図７中”ＲＰ０１”に示す吸収セルから
の放出光の一部の受光量とが加算された値となり、図７
中”ＤＰ０２”に示すようになってしまう。

【００１５】すなわち、ノイズ光である吸収セルからの
放出光の一部が光検出器５に入射されることによりＳ／
Ｎ比が悪化したり、検出される吸収線が図７中”ＤＰ０
２”に示すように歪んでしまうと言った問題点があっ
た。また、Ｓ／Ｎ比の悪化により周波数安定化される波
長の安定度の限界値を悪化させ、吸収線の歪は周波数安
定化レーザ光源の装置毎の特性差や長期的な安定化波長
のドリフトの原因となってしまうと言った課題があっ
た。従って本発明が解決しようとする課題は、吸収セル
からの放出光の影響を低減することが可能な周波数安定
化レーザ光源を実現することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】このような課題を達成す
るために、本発明のうち請求項１記載の発明は、レーザ
ダイオードの出力光に変調をかけて周波数弁別素子内を
透過させて、前記出力光の周波数を前記周波数弁別素子
の吸収線の中心周波数に制御することにより周波数を安
定化させる周波数安定化レーザ光源において、前記周波
数弁別素子と前記周波数弁別素子の透過光を検出する光
検出器との間に偏光子を備えたことにより、Ｓ／Ｎ比が
改善されるため、波長の安定度の限界値が改善され、吸
収線の歪も改善されるので周波数安定化レーザ光源の装
置毎の特性差や長期的な安定化波長のドリフトも改善さ
れることになる。

【００１７】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明である周波数安定化レーザ光源において、周波数安定
化レーザ光源が、レーザ光源と、このレーザ光源の変調
された出力光が入射される周波数弁別素子と、この周波
数弁別素子の透過光のうち直線偏光成分を透過させ無偏
光成分を減衰させる偏光子と、この偏光子の透過光を検
出する光検出器と、この光検出器の出力を前記出力光の
変調周波数に基づき同期検波するロックインアンプと、
前記レーザ光源の駆動電流を前記ロックインアンプの出
力に基づき制御する駆動回路と、前記駆動電流を前記変
調周波数で変調する加算器とから構成されたことによ
り、Ｓ／Ｎ比が改善されるため、波長の安定度の限界値
が改善され、吸収線の歪も改善されるので周波数安定化
レーザ光源の装置毎の特性差や長期的な安定化波長のド
リフトも改善されることになる。

【００１８】請求項３記載の発明は、レーザダイオード
の出力光に音響光学変調器を用いて変調をかけて周波数
弁別素子内を透過させて、前記出力光の周波数を前記周
波数弁別素子の吸収線の中心周波数に制御することによ
り周波数を安定化させる周波数安定化レーザ光源におい
て、前記周波数弁別素子とこの周波数弁別素子の透過光
を検出する光検出器との間に偏光子を備えたことによ
り、外部変調方式であってもＳ／Ｎ比が改善されるた
め、波長の安定度の限界値が改善され、吸収線の歪も改
善されるので周波数安定化レーザ光源の装置毎の特性差
や長期的な安定化波長のドリフトも改善されることにな
る。

【００１９】請求項４記載の発明は、請求項３記載の発
明である周波数安定化レーザ光源において、周波数安定
化レーザ光源が、レーザ光源と、このレーザ光源の出力
光が入射される音響光学変調器と、この音響光学変調器
の駆動信号を変調信号の周波数でオンオフするスイッチ
回路と、前記音響光学変調器の透過光が入射される周波
数弁別素子と、この周波数弁別素子の透過光のうち直線
偏光成分を透過させ無偏光成分を減衰させる偏光子と、
この偏光子の透過光を検出する光検出器と、この光検出
器の出力を前記変調信号に基づき同期検波するロックイ
ンアンプと、前記レーザ光源の駆動電流を前記ロックイ
ンアンプの出力に基づき制御する駆動回路とから構成さ
れたことにより、外部変調方式であってもＳ／Ｎ比が改
善されるため、波長の安定度の限界値が改善され、吸収
線の歪も改善されるので周波数安定化レーザ光源の装置
毎の特性差や長期的な安定化波長のドリフトも改善され
ることになる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面を
用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る周波数安定
化レーザ光源の一実施例を示す構成ブロック図である。
図１において１〜９は図３と同一符号を付してあり、１
０は偏光子で特定方向の偏光成分を透過させその他の成
分を減衰させるものであり、例えば、直線偏光成分を”
７０％”透過し無偏光成分を”３０％”透過させるもの
である。また、１００ａは周波数安定化された出力光で
ある。

【００２１】レーザダイオード１の出力光の一部はビー
ムスプリッタ２で反射され、ミラー３で反射されて出力
光１００ａとして出力される。レーザダイオード１の出
力光の残りはビームスプリッタ２を透過し、周波数弁別
素子４を介して偏光子１０に入射される。また、偏光子
１０の透過光は光検出器５に入射される。

【００２２】光検出器５の出力はロックインアンプ６に
接続され、ロックインアンプ６の出力は駆動回路８に接
続され、駆動回路８の出力である駆動電流が加算器９の
一方の入力端子に接続される。

【００２３】また、変調信号発生器７の出力である変調
信号はロックインアップ６の参照信号の入力端子及び加
算器９の他方の入力端子にそれぞれ接続され、加算器９
の出力がレーザダイオード１に接続される。

【００２４】ここで、図１に示す実施例の動作を用いて
説明する。但し、図３に示す従来例の動作と同様の部分
は説明を省略する。レーザダイオード１からの出力光は
特性上直線偏光である。例えば、レーザダイオードに限
らず一般的にレーザ光は共振器の構造に起因して直線偏
光であるものが多い。

【００２５】レーザダイオード１の出力光の一部はビー
ムスプリッタ２で反射され、ミラー３で反射されて出力
光１００ａとして出力される。レーザダイオード１の出
力光の残りはビームスプリッタ２を透過し、周波数弁別
素子４を介して偏光子１０に入射される。

【００２６】偏光子１０の透過軸は直線偏光のレーザ光
が透過する方向に配置されており、周波数弁別素子４か
らの透過光は”約７０％”が偏光子１０を透過して光検
出器５に入射されて電気信号に変換される。

【００２７】一方、周波数弁別素子４において生じる放
出光は特定の偏光成分がない無偏光であるので、光検出
器５方向に放出され偏光子１０に入射される放出光は”
約３０％”のみが透過する。

【００２８】すなわち、周波数弁別素子４によって特定
波長に吸収を生じたレーザ光の”約７０％”が偏光子１
０を透過し、周波数弁別素子４から入射される放出光
の”約３０％”が偏光子１０を透過するので、放出先に
よるノイズに関する限りＳ／Ｎ比は偏光子１０が無い場
合と比較して、”７０／３０＝２．３倍”に改善される
ことになる。

【００２９】この結果、周波数弁別素子４と光検出器５
との間に偏光子１０を設けることにより、Ｓ／Ｎ比が”
２．３倍”に改善される。このため、また、全ノイズの
うち放出先による成分の割合が無視できないほど大きい
場合には、波長の安定度の限界値が改善され、吸収線の
歪も改善されるので周波数安定化レーザ光源の装置毎の
特性差や長期的な安定化波長のドリフトも改善されるこ
とになる。

【００３０】また、図１に示す実施例はレーザダイオー
ド１の駆動電流を直接変調する方式であったが、外部変
調方式であっても良い。図２は外部変調方式を用いた本
発明に係る周波数安定化レーザ光源の一実施例を示す構
成ブロック図である。

【００３１】図２において１ａはレーザダイオード、２
ａはビームスプリッタ、４ａは周波数弁別素子、５ａは
光検出器，６ａはロックインアンプ、７ａは変調信号発
生器，８ａは駆動回路、１０ａは偏光子、１１は音響光
学変調器、１２は増幅器、１３は発振器、１４は制御回
路、１５はペルチエ素子、１６はスイッチ回路、１００
ｂは周波数安定化された出力光である。

【００３２】レーザダイオード１ａの出力光の一部はビ
ームスプリッタ２ａで反射されて出力光１００ｂとして
出力される。レーザダイオード１ａの出力光の残りはビ
ームスプリッタ２ａを透過して音響光学変調器１１に入
射される。

【００３３】音響光学変調器１１で生じた０次回折光及
び１次回折光は周波数弁別素子４ａを介して偏光子１０
ａに入射され、偏光子１０ａの各透過光は光検出器５ａ
に入射される。

【００３４】光検出器５ａの出力は増幅器１２で適宜増
幅されロックインアンプ６ａに接続され、ロックインア
ンプ６ａの出力は駆動回路８ａに接続され、駆動回路８
ａの出力である駆動電流がレーザダイオード１ａに接続
される。

【００３５】また、変調信号発生器７の出力である変調
信号はロックインアップ６の参照信号の入力端子及びス
イッチ回路１６の制御入力端子にそれぞれ接続される。
スイッチ回路１６の入力端子には発振器１３の出力が接
続され、スイッチ回路１６の出力端子は音響光学変調器
１１の制御入力端子に接続される。

【００３６】さらに、レーザダイオード１ａの温度が温
度検出器（図示せず。）で検出され出力が制御回路１４
に接続され、制御回路１４の制御信号がレーザダイオー
ド１ａに近接配置されたペルチエ素子１５の制御端子に
接続される。

【００３７】ここで、図２に示す実施例の動作を説明す
る。但し、図１に示す実施例と同様の動作に関しては説
明を省略する。レーザダイオード１ａは制御回路１４に
よりペルチエ素子１５を介して一定温度に制御されてお
り、レーザダイオード１の出力光はビームスプリッタ２
ａを透過して音響光学変調器１１に入射される。

【００３８】変調信号発振器７ａの出力信号によりスイ
ッチ回路１６が”ＯＮ”になると音響光学変調器１１は
発振器１３の出力信号で駆動されるので出力光の大部分
は回折して周波数シフトを受けて１次回折光として波長
弁別素子４ａ及び偏光子１０ａを介して光検出器５ａに
入射され電気信号に変換される。

【００３９】同様に変調信号発振器７ａの出力信号によ
りスイッチ回路１６が”ＯＦＦ”になった場合には音響
光学変調器１１は発振器１３の出力信号で駆動されない
ので前記回折は生じずに０次回折光として波長弁別素子
４ａ及び偏光子１０ａを介して光検出器５ａに入射され
電気信号に変換される。

【００４０】変調信号発生器７ａの出力周波数を”ｆ
ｍ”、発振器１３の出力周波数を”ｆｄ”とすれば、波
長弁別素子４ａに入射される光は変調周波数”ｆｍ”、
変調深さ”ｆｄ”の周波数変調を受けることになる。

【００４１】このように周波数変調された光を図１に示
す実施例と同様に変調信号発生器７ａの出力信号で同期
検波して、ロックインアンプ６ａの出力のゼロクロス点
にくるようにレーザダイオード１ａの駆動電流を制御す
ることにより、レーザダイオード１ａの出力光の波長を
周波数弁別素子４ａの吸収線の中心波長に安定化させる
ことが可能になる。

【００４２】また、偏光子１０ａの透過軸は直線偏光の
レーザ光が透過する方向に配置されており、周波数弁別
素子４ａからの透過光は”約７０％”が偏光子１０ａを
透過して光検出器５ａに入射されて電気信号に変換され
る。

【００４３】一方、周波数弁別素子４ａにおいて生じる
放出光は特定の偏光成分がない無偏光であるので、光検
出器５ａ方向に放出され偏光子１０ａに入射される放出
光は”約３０％”のみが透過する。

【００４４】すなわち、周波数弁別素子４ａによって特
定波長に吸収を生じたレーザ光の”約７０％”が偏光子
１０ａを透過し、周波数弁別素子４ａから入射される放
出光の”約３０％”が偏光子１０を透過するので、Ｓ／
Ｎ比は偏光子１０ａが無い場合と比較して、”７０／３
０＝２．３倍”に改善されることになる。

【００４５】この結果、周波数弁別素子４ａと光検出器
５ａとの間に偏光子１０ａを設けることにより、Ｓ／Ｎ
比が”２．３倍”に改善される。このため、また、波長
の安定度の限界値が改善され、吸収線の歪も改善される
ので周波数安定化レーザ光源の装置毎の特性差や長期的
な安定化波長のドリフトも改善されることになる。

【００４６】なお、図１及び図２において用いた偏光子
は直線偏光成分を”７０％”透過し、無偏光成分を”３
０％”透過させる例示をして説明したが、直線偏光成分
を透過し、無偏光成分の減衰させる偏光子であれば構わ
ない。好ましくは直線偏光成分を”１００％〜５１％”
透過させ、無偏光成分を”０％〜４９％”透過させる偏
光子が良い。

【００４７】また、図１に示す実施例ではビームスプリ
ッタ２の反射光を再度ミラー３で反射させているが、こ
のミラー３は出力光の光軸方向を調整するために設けら
れたものであり、プリズムや光ファイバ等であっても良
い。

【００４８】また、図２においてレーザダイオード１ａ
の温度制御を行う制御回路１４及びペルチエ素子１５に
関しては温度制御により周波数安定化を図るものであ
り、出力光の周波数を吸収セル内のガスの吸収線の中心
周波数に制御と共に用いることにより、周波数のより高
安定化が可能になる。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明によれば次のような効果がある。請求項１及び請
求項２の発明によれば、レーザダイオードの出力光に変
調をかける直接変調方式の周波数安定化レーザ光源にお
いて、周波数弁別素子と光検出器との間に偏光子を備え
たことにより、Ｓ／Ｎ比が改善されるため、波長の安定
度の限界値が改善され、吸収線の歪も改善されるので周
波数安定化レーザ光源の装置毎の特性差や長期的な安定
化波長のドリフトも改善されることになる。

【００５０】また、請求項３及び請求項４によれば、レ
ーザダイオードの出力光を音響光学変調器を用いて変調
をかける外部変調方式の周波数安定化レーザ光源におい
て、周波数弁別素子と光検出器との間に偏光子を備えた
ことにより、Ｓ／Ｎ比が改善されるため、波長の安定度
の限界値が改善され、吸収線の歪も改善されるので周波
数安定化レーザ光源の装置毎の特性差や長期的な安定化
波長のドリフトも改善されることになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る周波数安定化レーザ光源の一実施
例を示す構成ブロック図である。

【図２】外部変調方式を用いた本発明に係る周波数安定
化レーザ光源の一実施例を示す構成ブロック図である。

【図３】従来の周波数安定化レーザ光源の一例を示す構
成ブロック図である。

【図４】周波数弁別素子の吸収特性を示す特性曲線図で
ある。

【図５】レーザダイオードの出力光の波長とロックイン
アンプの出力との関係を示す特性曲線図である。

【図６】吸収セルから光検出器に入射される光の様子を
示す斜視図である。

【図７】光検出器における受光量等を示す特性曲線図で
ある。

【符号の説明】 １，１ａ レーザダイオード ２，２ａ ビームスプリッタ ３ ミラー ４，４ａ 周波数弁別素子 ５，５ａ 光検出器 ６，６ａ ロックインアンプ ７，７ａ 変調信号発生器 ８，８ａ 駆動回路 ９ 加算器 １０，１０ａ 偏光子 １１ 音響光学変調器 １２ 増幅器 １３ 発振器 １４ 制御回路 １５ ペルチエ素子 １６ スイッチ回路 １００，１００ａ，１００ｂ 出力光

フロントページの続き (72)発明者 大矢 彰 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横河 電機株式会社内 Ｆターム(参考） 2K002 AB07 AB12 HA10 5F073 AB21 AB25 AB29 EA03 GA02 GA12 GA14 GA23 GA24 GA38

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザダイオードの出力光に変調をかけて
   周波数弁別素子内を透過させて、前記出力光の周波数を
   前記周波数弁別素子の吸収線の中心周波数に制御するこ
   とにより周波数を安定化させる周波数安定化レーザ光源
   において、 前記周波数弁別素子と前記周波数弁別素子の透過光を検
   出する光検出器との間に偏光子を備えたことを特徴とす
   る周波数安定化レーザ光源。
2. 【請求項２】周波数安定化レーザ光源が、 レーザ光源と、 このレーザ光源の変調された出力光が入射される周波数
   弁別素子と、 この周波数弁別素子の透過光のうち直線偏光成分を透過
   させ無偏光成分を減衰させる偏光子と、 この偏光子の透過光を検出する光検出器と、 この光検出器の出力を前記出力光の変調周波数に基づき
   同期検波するロックインアンプと、 前記レーザ光源の駆動電流を前記ロックインアンプの出
   力に基づき制御する駆動回路と、 前記駆動電流を前記変調周波数で変調する加算器とから
   構成されたことを特徴とする請求項１記載の周波数安定
   化レーザ光源。
3. 【請求項３】レーザダイオードの出力光に音響光学変調
   器を用いて変調をかけて周波数弁別素子内を透過させ
   て、前記出力光の周波数を前記周波数弁別素子の吸収線
   の中心周波数に制御することにより周波数を安定化させ
   る周波数安定化レーザ光源において、 前記周波数弁別素子とこの周波数弁別素子の透過光を検
   出する光検出器との間に偏光子を備えたことを特徴とす
   る周波数安定化レーザ光源。
4. 【請求項４】周波数安定化レーザ光源が、 レーザ光源と、 このレーザ光源の出力光が入射される音響光学変調器
   と、 この音響光学変調器の駆動信号を変調信号の周波数でオ
   ンオフするスイッチ回路と、 前記音響光学変調器の透過光が入射される周波数弁別素
   子と、 この周波数弁別素子の透過光のうち直線偏光成分を透過
   させ無偏光成分を減衰させる偏光子と、 この偏光子の透過光を検出する光検出器と、 この光検出器の出力を前記変調信号に基づき同期検波す
   るロックインアンプと、 前記レーザ光源の駆動電流を前記ロックインアンプの出
   力に基づき制御する駆動回路とから構成されたことを特
   徴とする請求項３記載の周波数安定化レーザ光源。