JPH02201987A - レーザの周波数安定化装置 - Google Patents

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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、）７ブリベロ共振器を使用したレーザの周波
数安定化装置に関し、特に、ファブリペロ共振器の共振
器長を負帰還制御して高精度に周波数の安定化を行なう
レーザの周波数安定化装置に関する。

［従来の技術］ ＡｒレーザやＣ０２レーザなど、比較的大型のガスレー
ザでは、光学部品による共振器を構成することによって
レーザからの出射光の周波数を安変化している。そして
、従来では、レーザ光の周波数安定化を図る際、レーザ
光に変調をかけることなくファブリペロ共振器のみを使
用し、このファブリペロ共振器からの透過光（または半
対光）を直流的にモニタしていた。

第４図は、従来におけるレーザの周波数安定化装置の構
成図である。

同図において、１はレーザ、２は位相変調器、３はレー
ザ１に固定した圧電素子、４，２６はハーフミラ−９は
ファブリペロ共振器、１０゜２３はフォトダイオード、
１１．２４はプリアンプ、１７．１８はフィルタ、１９
．２０は高圧アンプ、２１は出力パワー安定化部、２２
は光アイソレータ、２５は比較アンプである。

ここで、フォトダイオードｌＯへの入力は、レーザｌか
らの出射光に比例しており、時刻ｔの関数として、 １ｉ：　８＝　ｅｉｉ＋ｔ　　　　　　　　　　　　　
　　、、、　（１）であるとする（ωは光の角周波数）
。一方、フォトダイオード２３への人力は、ファブリペ
ロ＃振器共振器９からの反射光であり、 １−Ｒβ２ｅ〜２ ・・・　（２） である。従って、これらの光の間の信号パワーの比Ｐｏ
ｕｔ／Ｐｉｎは となる。ここに１ 、−皿 β”＝＝ｌ−α２　α：結合損失 Ｃ：光速 Ω：ファブリベロ共振器長　である。

第５図は、この（３）式の１１σをレーザ光の角周波数
ωの関数として示したグラフである。すなわち、比較ア
ンプ２５からの出力は、本来あるべきレーザの角周波数
ω８からのずれを表しており、このずれを補正するべく
位相変調器２は圧電素子３に負帰還をかけて共振器長を
変化させ、周波数の安定化を図っていた。

［解決すべき課題］ 上述した従来のレーザの周波数安定化装置は、次のよう
な課題があった。

■周波数でなくパワーが短時間に微少に変化したとき、
（３）式を見る限りではノイズを生じないのであるが、
入射光と反射光を別々に測定している結果、共振器内に
はＦ−Ｑ／ｃ　（Ｆ：フィネス）時間前に入った光も干
渉に寄与し、ノイズが生じることになる。従って、この
出力レベル変化を抑圧するべく出力パワーの安定化を図
る機構が必要となる。

■レーザ光のωからの角周波数のずれをδω、ファブリ
ペロ共振器長の９からのずれをδＱとすると、（３）式
の出力は、 ・・・　（４） に比例する。このため周波数安定度δω／ω。の程度に
応じて共振器長の安定度δＱ／Ｑが必要となり、この条
件が共振器振動のＤＣ成分で定まってしまう結果、ファ
ブリペロ共振器長Ｑの微少な変化に対して、これが直接
出力に現れてしまう。

本発明は、上記課題にかんがみてなされたもので、出力
パワーの安定機構を要することなく、より発振周波数を
安定化せしめるレーザの周波数安定化装置の提供を目的
とする。

［！！！題の解決手段］ 上記目的を達成するため、本発明のレーザの周波数安定
化装置は、共振長が可変である第１のファブリペロ共振
器と、第２のファブリペロ共振器と、レーザ光の一部を
入射して上記第１および第２のファブリベコ共振器へ導
くとともに、それぞれの出射光による干渉光を出力する
光学系と、この光学系によってレーザ光が上記第１およ
び第２のファブリペロ共振器へ導かれる際に当該レーザ
光に位相変調をかけるとともに、その変調周波数信号を
出力する位相変調部と、上記光学系からの干渉光を検出
する第１および第２の光検出部と、上記第１の光検出部
からの検出信号を上記位相変調部からの変調周波数信号
によって同期検波し、その検波信号にもとづいてレーザ
の共振器長を負帰還制御するレーザ共振器長制御信号を
出力する帰還制御部と、上記第２の光検出部からの検出
信号を上記位相変調部からの変調周波数信号によって同
期検波し、その検波信号にもとづいて上記第１のファブ
リペロ共振器の共振器長を負帰還制御する共振器長安定
化部とを備えた構成としである。

かかる構成とすることにより、レーザ光に対して位相変
調器で位相変調を施し、しかる後に第１および第２のフ
ァブリペロ共振器にレーザ光の一部を導き、共振長安定
化部がこの第１および第２のファブリペロ共振器による
干渉光を用いて第１のファブリペロ共振器における共振
長を一定に制御するとともに、帰還制御部が上記第１お
よび第２の共振器の反射光の干渉光を同期検波した信号
を用いてレーザ周波数を一定に保つべく帰還制御を行な
う。

［実施例］ 以下、図面にもとづいて本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明の一実施例に係るレーザの周波数安定
化装置の構成図である。なお、従来例と共通または対応
する部分については同一の符号で表す。

同図において、３−１．３−２は圧電素子、５は変調用
の位相変調器、である。また、６はλ／２板、７は偏光
ビームスプリッタ、８は入／４板であり、偏光ビームス
プリッタ７と入／４板８によってアイソレータを構成し
ている。

さらに、９−１．９−２はファブリペロ共振器、１０−
１．１０−２はフォトダイオード、１１−１．１１−２
はプリアンプ、１２−１．１２−１゜１７−１．１７−
２はフィルタ、１９−１．１９−２．２０は高圧アンプ
、１４はオツシレータ、１５−１．１５−２は移相器、
１６−１．１６−２は乗算器である。

ここで、ハーフミラ−４と位相変調器δε入／２板６と
偏光ビームスプリッタ７と入／４板８とファブリペロ共
振器９は光学部Ａを構成し、高圧アンプ１３とオツシレ
ータ１４は変調部Ｂを構成し、フォトダイオード１０と
プリアンプ１１は光検出部Ｃを構成し、フィルタ１２−
１と移相器１５−１と乗算器１６−１は同期検波部りを
構成し、フィルタ！７−１とフィルタ１８と高圧アンプ
１９−１と高圧アンプ２０は帰還側ｖｓ部Ｅを構成し、
圧電素子３−２とフォトダイオード１〇−２とプリアン
プ１１−２とフィルタ１２−２と移相器１５−２と乗算
器１６−２とフィルタ１７−２と高圧アンプ１９−２が
共振長安定化部Ｆを構成している。

上記構成において、レーザ１から出射された光は、ハー
フミラ−４によって一部分が位相変調器５に導かれ、こ
こでオッシレータ１４と高圧アンプ１３によりレーザ光
に位相変調がかけられる。

なお、入／２板６はファブリペロ共振器９−１゜９−２
からの反射光による干渉光が偏光ビームスプリッタ７で
正しく反射されるために必要である。

また、λ／４板８は、偏光ビームスプリッタ７と組み合
わせてアイソレータを構成し、レーザｌへの光の反射を
防いでいる。

さて、フォトダイオード】Ｏ−１による受信信号はプリ
アンプ１】−１で増幅され、オツシレータ１４からの変
調信号と乗ぜられて（移相器１５−１で同期させ、乗算
には乗算器１６−１を用いる）同期検波される。そして
、検波出力をフィルタ１７−１．１８と高圧アンプ１９
−１．２０を用いてレーザ内の位相変調器２と圧電素子
３−１１に負帰還し、レーザｌの共振長を変化させてレ
ーザ光の周波数を一定に保つ。

一方、共振長安定化部は二台の共振器からの干渉光を利
用することにより、共振長に対する感度を増加させてお
り、この部分で独立した制御部を形成しているのが特徴
である。すなわち、フィルタ１７−１と高圧アンプ１９
−１と圧電素子３−１とによるのと同様の制御をフィル
タ１７−２と高圧アンプ１９−２と圧電素子３−２によ
って行なっている。

欧に、位相変調器５への入射光をｅｌ　ｊｌ　ｔ　とし
、これにｇｓｉｎ２πｆｔという変調をかけたときの出
射光は、 ｅ・ＬＷ１１ａ９ｉｎ２　　１＋ ＝ｌ／２Σε。Ｊ２．、ｌ（ｇ） ［ｅ−１°２ｎ２１ｔｌ　＋ｅ　ｉ　１ｗＬ−２ｎ２１
ｔｌ］π ＋ΣＪ　２ｎ＋ｌ　（ｇ　）　　・［ｅｉ　＋ｉ＋ｔ◆
ｆ２ｎす１１２　１ｔ１４　ｅｉ　＋ｗｔ−１２ｎ゛１
１　２　ｆｔ１１　　、・、（５）となる。ここに、Ｅ
、：　１　（ｎ＝０）、２　（ｎ≧１）である。

第２図は、く５）式の被変調光のスペクトルを示す図で
ある。これは、すなわちファブリペロ共振器９−１．９
−２に入射する光のスペクトルを示す図である。

ここで、第５図に示すファブリペロ共振器９の反射特性
を参照すると、レーザ角周波数がファブリペロ共振器の
中心周波数ω。に一致する場合には、反射光スペクトル
は第３図のようになる。なお、第３図に示すスペクトル
で二次以上の高調波成分は十分小さいので無視して良い
。すなわち、（５）式てｎ＝０の項のみ取れば良い。

従って、同期検波によって周波数ｆの成分を取り出すと
、これはΔωが小さい場合は △ωＸｆＸＪｏ（ｇ）　・Ｊ　＋　（ｇ）に比例した信
号となっている（但し、Δωはレーザ周波数ωのω。か
らのずれである。）。これを用いて負帰還制御を施し、
レーザの周波数を安定化するのである。なお、第１図の
構成では反射光をフォトダイオード１０−１で検出して
いるが、透過光を検出しても同様である。但し、その場
合は側波帯がファブリペロ共振器の透過域になければな
らないので、変調周波数ｆが小さくなり注意が必要であ
る。

そして、以上のことから、次のことがいえる。

位相変調器を用いてレーザ光に変調を施しているために
（４）式におけるレーザ高周波数安定度δω／ωがδＱ
／Ｑの変調周波数成分でその限界を定められることにな
り（通常、振動成分δ９／Ｑは高周波にいくほど小さく
なっている）、レーザの周波数の安定度が数桁改善され
ると期待される。特に、ファブリペロ共振器の長さの安
定度は温度変化により大きな影響を受けるが、独立の共
振長安定化部によって帰還制御を施しているためにファ
ブリペロ共振器の温度変化による影響が低減できる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明は、レーザ光に位相変調をか
けてファブリペロ共振器に導くとともに、その反射光を
受信して同期検波したあと共振長を安定化するようフィ
ードバックを施すことにより、優れた安定度を達成する
レーザの周波数安定化装置を提供できるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るレーザの周波数安定化
装置の構成図、第２図は被変調光のスペクトルを示す図
、第３図は被変調光がファブリペロ共振器で反射した場
合のスペクトルを示す図、第４図は従来のレーザの周波
数安定化装置の構成図、第５図はファブリペロ共振器の
反射特性を示す図である。 ３：圧電素子　　　　　　　４＝ハーフミラ−５：位相
変調器　　　　　　６：λ／２板７：偏光ビームスプリ
ッタ　８二人７４仮９：ファブリペロ共娠器 ｌＯ：フォトダイオード　　１１：ブリアンプ１２．１
７．１８：フィルタ １３．１９，２０：高圧アンプ １４：オッシレータ　　　　１５：移相器１６：乗算器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 共振長が可変である第１のファブリペロ共振器と、第２
   のファブリペロ共振器と、レーザ光の一部を入射して上
   記第１および第２のファブリペロ共振器へ導くとともに
   、それぞれの出射光による干渉光を出力する光学系と、
   この光学系によってレーザ光が上記第１および第２のフ
   ァブリペロ共振器へ導かれる際に当該レーザ光に位相変
   調をかけるとともに、その変調周波数信号を出力する位
   相変調部と、上記光学系からの干渉光を検出する第１お
   よび第２の光検出部と、上記第１の光検出部からの検出
   信号を上記位相変調部からの変調周波数信号によって同
   期検波し、その検波信号にもとづいてレーザの共振器長
   を負帰還制御するレーザ共振器長制御信号を出力する帰
   還制御部と、上記第２の光検出部からの検出信号を上記
   位相変調部からの変調周波数信号によって同期検波し、
   その検波信号にもとづいて上記第１のファブリペロ共振
   器の共振器長を負帰還制御する共振器長安定化部とを具
   備することを特徴とするレーザの周波数安定化装置。