JP4461018B2 - 後方散乱光のパルス変調を含む周波数安定化レーザーシステム - Google Patents

Description

本発明は、レーザーシステム、特に周波数安定化レーザーシステムに関する。

光学部品をレーザーシステムと共に使用するときの問題は、後方散乱（back scattering）である。それは、特に、周波数安定化レーザーが利用されるときである。そのようなレーザーシステムは、直角に偏向された２つの出力モードの強度のバランスによって、周波数が安定化されてもよい。他の方法は、単一モードレーザー用のラムディップ（Lamb dip）を使用すること、またはデュアルモードレーザーの２つのモード間のビート周波数（beat frequency）をモニターすることである。そして、各モードがバランスしていなければ、例えば、ヒーター回路を用いて、レーザーチューブ（laser tube）の長さ、ひいては出現するレーザービームの周波数を制御する。

２つの偏光状態（polarisation states）のサンプルを得るための１つの方法は、レーザービームを２つのサブビーム（sub-beams）に分けることであり、それぞれの偏光状態の１つは、例えば、複屈折のプリズム（birefringent prism）によって得られる。そして、それぞれのサブビームの一部は、強度比較用のフォトダイオードに転用される。他の方法は、それぞれの表面にて反射ビームを生成するガラス板を用いることであり、各反射ビームは、各直交ポラロイド（orthogonal Polaroids）を通過し、強度測定および比較用のレーザーから適切なモードを選ぶ。レーザー光源の温度を制御するヒーター回路は、フォトダイオードによって測定されるレーザービームの２つの直交偏光状態（orthogonal polarisation states）の強度の比の変化に応答する。

光学部品、例えば、フォトダイオードよりも更にビームパスに沿うレンズ、プリズム、またはファイバー光学カップリング（fibre optic coupling）は、後反射（back reflections）を導入することができ、それは、各フォトダイオードおよびレーザーチューブ内の光に転用された各サブビームの一部と干渉するであろう。

それぞれのサブビームにおける干渉の大きさは、その量と、それぞれのサブビームと関連する後方散乱光（back-scattered light）の方向と、に応じて変化するであろう。このことは、フォトダイオードによって記録される測定強度に不均衡を生じさせ、ヒーター回路が２つのサブビームの強度間の明らかな不均衡を補正するときに、レーザーの不安定を引き起こす。

本発明の第１の実施形態によれば、ビームパスに沿ってレーザービームを発するためのレーザー光源と、レーザービームの周波数を安定させる手段と、使用時に後方散乱光を生じさせる光学部品の少なくとも１つと、後方散乱光の位相を変調するための位相変調器と、を含むレーザーシステムを提供する。

本発明は、一例として添付図面を参照することにより説明される。

図１は、レーザービーム１２を発生するレーザー光源１０を示す。レーザービーム１２は、複屈折プリズム１５によって、直角に偏向された２つのビーム１４ａ，１４ｂに分けられる。偏向ビーム１４ａ，１４ｂのそれぞれはステアリングプリズム（steering prism）１６ａ，１６ｂに入射し、それらのプリズムは、偏向ビーム１４ａ，１４ｂをファイバーレンズカップリング（fibre-lens coupling）１８、そして偏向ビーム１４ａ，１４ｂの伝達用の光ファイバー２０内から、それぞれの光ファイバー２０の末端に導く。

レーザー光源１０から出るレーザービーム１２の制御は、フォトダイオード２４ａ，２４ｂに入射する偏向ビーム１４ａ，１４ｂのそれぞれの一部の反射２２ａ，２２ｂによって達成される。反射は、ステアリングプリズム１６ａ，１６ｂの入射面にて生じる。フォトダイオード２４ａ，２４ｂは、反射ビームパス（reflected bean path）内のそれぞれに並ぶ。フォトダイオード２４ａ，２４ｂによって測定される反射ビーム２２ａ，２２ｂの強度は、電子機器（electronics）２６内にて比較され、それらが等しくないときには、各ヒーターコイルに電力を供給するヒータードライバー３０に、信号２８が送られる。これは、レーザー管の長さ、ひいてはレーザービーム１２の周波数を変化させる。

フォトダイオード２４ａ，２４ｂから得られる測定値は、光ファイバーシステム内の他の構成要素から後方散乱３６される迷光（stray light）の影響を受ける。これは、存在しない各偏向ビーム１４ａ，１４ｂの強度の差を補正するヒータードライバー３０に帰着する。したがって、レーザーは、それを安定化させるように設計された機構によって、不安定にされるかもしれない。

図２は、本発明による位相変調器４０を示す。位相変調器４０は、変調つまりそれを通る光の位相を変えるためのものである。位相変調器４０は、偏向ビームパス（polarised bean path）内において、１０°と２５°との間のような小さい角度範囲で振動するガラスブロック（glass block）である。この振動は、ブロックを通る光の位相の変化を引き起こす。そのブロックの振動により、光がブロックに衝突したときの位相の変化は時間に依存する方法で変調され、すなわち位相の変化量は、光がブロックを通るときに、ブロックがその動きの周期のどこにあるかに依存する。

ガラスブロック４０は、各偏向ビームがビームステアリングプリズム１６ａ，１６ｂに入射してからのビームパス内に配置される。このことは本質的要素ではなく、ガラスブロックは、複屈折プリズム１５によるレーザービームの偏向前のレーザー光源の出口に配置することができる。

振動の角度範囲は、グラスブロックの厚さ、および要求される位相変化の量の両方の関数である。レーザーの安定化に影響する後方散乱光の効果的な減少を達成するために、ｎΠラジアン（ここで、ｎは整数である）の位相変化を達成すべきである。Π未満の位相変化は、後方散乱の影響を小さくするであろうが、要求される効果は得られないかもしれない。ｎΠを厳密に達成しないことによる最終的な残留位相（net residual phase）のシフト（shift）が無視できるように、後方散乱光の位相は、Πの様々な倍数によって変化されることが好ましい。

位相変調器４０を通過した後のビーム１４ａ，１４ｂは、それらが光ファイバーに合わせられる（coupled）まで、あるいは平面鏡、レンズまたは他の構成要素などによるような要求される方法において扱われるまで、それらのビームパスに沿って進み続ける。

各ビームが光ファイバー内に合わせられたときに、それらは各レンズによって集光される。ガラスブロックの動きによって生じる各ビームの変位の変化（changes in displacement）のために、カップリング効率（coupling）に変化がある。変位の範囲を超えて充分なカップリング効率を確保するために、ガラスブロック４０は、生じる最大変位が、許容可能なカップリング効率の限界内に収まる程度に充分に薄いものでなければならないが、要求される位相シフトを発生させるのに充分に厚いものでなければならない。

図３は、他の位相変調器５０を示す。この場合、位相変調器５０はガラスブロックであり、それは、ビームパスと、ビームパス内のガラスブロックの位置において周期変動を引き起こす回転軸と、の両方にオフセットされる（直角ではない）。ガラスブロックは、モータ５４によって回転または振動される。

図４ａおよび４ｂは、本発明の他の実施形態を示す。これらの例においては、システムに回転要素を加えずに、図４ａおよび４ｂのそれぞれに示されるように、位相差は、ファイバー２０またはファイバーレンズカップリング１８のいずれかの動き６０，６２によって導入される。要求される動きの量は、６３３ｎｍの波長用として０．１５ミクロンのオーダーであり、また既に説明したように事実上周期的である。

ファイバー２０の端部を物理的に動かす代わりに、ファイバーの端部６４の近くに配置される圧電素子（piezoelectric element）を使用する周期的な方法によって、ファイバーの長さを変化させてもよい。圧電素子を交流電圧源に接続することにより、圧電素子の長さは、交流電圧の周波数にて周期的に変化する。他の実施形態は、フレネルドラッグ（Fresnel drag）効果を用いて、光を位相変調する。それを達成する１つの方法は、ビームパス内に縦方向にガラスブロックを置いて、それをビームパス内にて前後に動かす。

位相変調器は、それを通る全ての光を変調するであろう。このことは、後方散乱光が入射および後方散乱の行路において２度変調されること、およびレーザービームの残留（後方散乱ではない部分）が一度変調されることを意味する。位相変調器の動きの周波数、およびこの変調器によって導入される最大パス長変化を慎重に選択することにより、後方散乱光の影響を軽減することができ、同時に、変調器によって導入されるレーザーの周波数のエラーは、本システムにおいて既に存在、すなわちシステムエラー結果の無視できる増加であるエラーのレベル以下に最小化される。

２０°の動きの角度範囲を有する１ｍｍの厚みのガラスブロック４０が１ｋＨｚの周波数で回転される場合、標準的なシステムエラーが真空では０．０１ｐｐｍ、空気中では１ｐｐｍであるが、レーザービームの周波数が０．００１ｐｐｍのオーダーで変化されて、導入される周波数エラーは無視できる。

後方散乱光は、レーザービーム１４ａ，１４ｂと干渉し（それは、前述したように、システムの精度を著しく低下させない）、より重大なことには、それぞれのビームの基準部２２ａ，２２ｂと干渉する。しかし、この後方散乱光の位相変調の効果は、その相互作用および周波数安定手段（図１では、ヒーターコイル３２を制御するヒータードライバー３０）への影響において、重大である。ヒータードライバーおよびヒーターコイルの熱応答時間（thermal response time)は、後方散乱光の位相変化よりも遅く、結局、それは低周波数バンドバスフィルター（low frequency bandpass filter）として機能する。後方散乱光の位相は、ヒータードライバーに関しては応答するのに早く変化しすぎるので、それはドライバーによって無視される。もしも、別の周波数安定化手段、または、より早い応答時間をもつヒータードライバーを用いるならば、別々の低周波数バンドパスフィルターを用いてもよい。それは、強度測定手段と、本例の場合のヒータードライバーであって強度測定の差に応答するデバイスと、の間の回路に、配置されるであろう。

図５は、レーザー光源７０を有するレーザー干渉計を示し、レーザー光源は２周波レーザービーム（dual frequency laser beam）７１を供給する。ポラロイド（polaroid）７２は、周波数（ひいては偏向）モードの１つがレーザービームパス７４に沿って連続することを阻止する。４分の１波長板（quarter wave plate）７３と共に、ポラロイド７２は光アイソレータ（optical isolator）を形成し、それは、後方散乱光がレーザー光源に戻ること、および、その不安定化が生じることを防止する。偏向された単一周波数レーザービーム７４は、”非偏向”板ビームスプリッター（"non-polarising" plate beamsplitter）７５と衝突し、それは、偏向されたレーザービーム７４を基準ビーム７６と測定ビーム７７とに分ける（基準ビーム７６は、明確化のために点線によって示される）。

基準ビーム７６は、”非偏向”板ビームスプリッター７５の第１面上の反射光として形成され、それは平面鏡７８によって反射されて、”非偏向”板ビームスプリッター７５に向かって戻る。基準ビームの部分は、”非偏向”板ビームスプリッター７５を通して空間的末端検出器（spatial fringe detector）７９に送られ、その残りは、”非偏向”板ビームスプリッター７５によって反射８０される。この反射ビーム８０は、実際には後方散乱光であり、システムが理想的に配置されることにより、この迷光（stray light）は、レーザー光源７０に向かって戻るようには導かれない。

測定ビーム７７は、”非偏向”板ビームスプリッター７５を通して送られる光から形成される。この測定ビーム７７は、平面鏡８１（それは、再帰反射器（retroreflector）に代えることができる）によって反射される。反射された測定ビームが”非偏向”板ビームスプリッター７５に再衝突したときに、反射された部分は、空間的末端検出器７９に向かって導かれる。残りの光は、”非偏向”板ビームスプリッター７５を通してレーザー光源７０に向かって戻るように送られる。光アイソレータ７２，７３を必要とするものがこの反射光である。残念ながら、光アイソレータ７２，７３は完全ではないので、レーザー光源７０を通る幾らかの後方散乱光は許容する。それは幾つかの理由のために完全ではなく、その理由は、アイソレータにおけるそれら自身の光学の不完全を含み、各”非偏向”ビームスプリッターは部分的に偏向するからである。この理由により、位相変調器が備えられる。位相変調器はガラスブロック８２であり、それは、レーザービームに対して斜めに置かれ、かつモータ８３によって回転される。ガラスブロック８２は、更に、その回転軸に対してオフセットされているので、モータ８３は、ビームパス内にてガラスブロック８２を回転８４させて、ビームのパス長を周期的に変化、ひいてはビームの位相を変調させる。

図６は、更なる位相変調器を示す。圧電素子１００は、サポート１０４に取り付けられるガラスブロック１０２に接続される。圧電素子１００とサポート１０４の両方は、同一線形順序に並ぶ開口（co-linear apertures）を有し、それは、ガラスブロック１０２を通るレーザービームの通過を可能とする。圧電素子１００は、交流電圧供給源１０６に電気的に接続され、ガラスブロックを周期的に圧縮して、パスを通る光の位相を変調する。

更なる他の位相変調器は、適合する変動電圧をもつガラスブロックであり、ガラスの屈折率の変化を引き起こす。当業者であれば、具体的に説明した以外の位相変調器の形成によって、ここに開示された発明の概念が達成できることは理解でき、ビームパスのパス長の周期的な変化を負わすことができるどの変調器も本目的に適する。

図７は、本発明によるレーザー干渉計を示す。レーザー光源１０からの単一周波数レーザービームは、”非偏向”板ビームスプリッター１１０に入射される。サブビーム（sub-beam）１１２ａ，１１２ｂは、板ビームスプリッター１１０のそれぞれの面から反射されて、ポラロイド（Polaroid）１１４ａ，１１４ｂのそれぞれを通過する。２つのポラロイド１１４ａ，１１４ｂは、各サブビームの異なる偏向状態（周波数など）をそれぞれ選択し、それらは個別のフォトダイオード２４ａ，２４ｂに入射する。レーザーの安定性は電子機器２６によって制御され、それは、２つのフォトダイオード２４ａ，２４ｂから受けた各信号強度を比較し、それらが等しくないときに信号２８をヒータードライバー３０に送る（このことは、図１おいてより詳しく説明される）。

板ビームスプリッター１１０を通過するレーザービーム１１６は、レーザービームの１つの周波数モードを阻止する第３のポラロイド（third Polaroid）１３０を通過する。この偏光ビーム１１８は不完全な光アイソレータ（imperfect optical isolator）１３２に入射され、それは、偏光立体ビームスプリッター（polarising cubic beam splitter）１３４と４分の１波長板（quarter wave plate）１３６とを含む。偏光ビームスプリッター１３２は、入射する偏光ビーム１１８を基準および測定ビームに分け、その後、測定ビームが平面鏡１３８によって反射されてから、それらを再結合させる。再結合されたビームは、検出器１４０によって検出される干渉ビームである。

光は、平面鏡１３８および不完全な光アイソレータのような様々な光学部品によって後方散乱される。この光は、普通には、フォトダイオード２４ａ，２４ｂによって得られる読み取り値に影響して、レーザーを不安定にさせるが、位相変調器１２０が備えられることによって、それを防止する。

位相変調器１２０は、モータ１２６によって回転および振動されるガラスブロック１２４を含む。ガラスブロック１２４は、モータ１２６の回転１２８の軸に対してある角度を成して設置されて、後方散乱光において位相シフトの周期変動を生じさせる。

本発明による位相変調器によって生じる位相シフトは、事実上周期的である。

図１は、ファイバー光学システムの図の概略を示す。 図２は、本発明の実施形態の断面図である。 図３は、本発明の他の実施形態の断面図である。 本発明の更なる実施形態の断面図である。 本発明の更なる実施形態の断面図である。 図５は、レーザー干渉計システムの図の概略を示す。 図６は、本発明の更なる実施形態の断面図である。 図７は、本発明によるレーザー干渉計の概略を示す。

Claims (9)

1. ビームパスに沿ってレーザービームを発するためのレーザー光源と、
   前記レーザービームの周波数安定化手段と、
   前記周波数安定化手段に作用して前記レーザービームを不安定にする傾向がある後方散乱光を、使用時に生じさせる光学部品を少なくとも１つと、
   前記周波数安定化手段および／または前記周波数安定化手段に用いられるフィルターの応答時間よりも速い周波数で前記後方散乱光の位相を変化させるように、前記後方散乱光の位相を変調することによって、前記周波数安定化手段に対する前記後方散乱光の影響を軽減する位相変調器と、
   を含み、
   前記位相変調器は、回転によって振動を生じるように、前記後方散乱光のパス内にて回転すべく設置されたガラスブロックを含むことを特徴とするレーザーシステム。
2. 前記光学部品は平面鏡であることを特徴とする請求項１に記載のレーザーシステム。
3. 前記光学部品は光ファイバーであることを特徴とする請求項１に記載のレーザーシステム。
4. 前記ガラスブロックの振動はモータによってなされることを特徴とする請求項２に記載のレーザーシステム。
5. 前記ガラスブロックは前記ビームパスに対して直角ではないことを特徴とする請求項１に記載のレーザーシステム。
6. 前記ガラスブロックは、前記モータの回転軸に対してある角度をもって設置されることを特徴とする請求項１に記載のレーザーシステム。
7. 前記光学部品は前記ビームパス内に位置し、前記周波数安定化手段は前記ビームパスの外にそらされた光を受けることを特徴とする請求項１に記載のレーザーシステム。
8. 前記位相変調器は、前記ビームパス内に位置することを特徴とする請求項７に記載のレーザーシステム。
9. 前記ガラスブロックは、１０°と２５°との間の小さな角度範囲で振動することを特徴とする請求項１に記載のレーザーシステム。

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