JPH02218189A - ガスレーザーの周波数安定化方法 - 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〕 本発明はガスレーザーの周波数安定化方法に関するもの
である。

〔従来技術とその問題点〕

ガスレーザー、例えば６３２８人のＨｅ　−Ｎｅレーザ
ーは約４７４７　Ｈｚを中心とする約１．５　Ｇ　Ｈｚ
の帯域（ドツプラー幅）内で発振することができる。こ
れは１．５　Ｇ　Ｈｚの帯域をもった光というのではな
く、レーザー発振器の特性で決まるほぼ等間隔に並んで
いる周波数でのみ発振可能となる。このほぼ等間隔に並
んで発振しているものを縦モードといい、その間隔は、 ０　　　　・・・　　・・・　　・・・　・・・■ｎＬ 但し、Ｃ：光速 ｎ：共振器内の屈折率 Ｌ：共振器長 で与えられる。

この縦モードの間隔は、レーザー管自体の放電熱や外部
からの熱影響等によりレーザー管の共振器長が変化する
と縦モードの間隔が変化する。

実際のレーザー例えば共振器長が２５Ｃ１１のものにつ
いて考えてみると屈折率ｎ＝１と近似してとなり６００
ＭＨｚの波長の１７２が共振器長と等しくなる。これが
このレーザーの基本波となり高調波が１．２　Ｇ　Ｈｚ
、　１．８　Ｇ　Ｉｌｚ、　２．４　Ｇ　ＩＩｚ＝と続
くと考えられるがレーザー発振できる周波数は４７４　
Ｔ　ｌｌｚを中心とする帯域約１．５　Ｇ　Ｈ２である
のでその中に最高３本の高調波が入ることができる。こ
れは６００ＭＨ２の基本波に対し第７９万次±１次高調
波でありこれがレーザーの縦モードである。

またレーザー発振器は放電管により作られたものでレー
ザー発振させるために高圧電源により励起電流を流すが
、ガスレーザーの効率はあまり良くないのでレーザー管
に与えられた電力の多くは熱量として消費されるのでレ
ーザー装置のスイッチをオンした直後からレーザー管自
身の放電熱により共振器長が熱膨張して行くので縦モー
ド間隔も徐々に狭くなって行く。

この共振器長変化はμｍのオーダーなので縦モードの間
隔だけの変化をみればわずかではあるが、レーザー発振
できる帯域では数１０万次高調波であるので縦モードの
場所（周波数）は大きく移動するそして１．５　Ｇ　Ｈ
ｚの帯域内の端からモードが抜けて行き縦モードが２本
だけの状態になり更に移動し行くと反射端から別のモー
ドが入ってきてまた３本の状態になる。

このような状態を繰返し、だんだん共振器の熱膨張もゆ
るやかになり、やがて熱平衡状態になって行く、ここま
でくるとあとは周囲温度の変化や振動等による共振器長
の変化だけになってくる。

周波数安定化を行なっていないレーザーは、この状態で
も縦モードが周波数の高い方へ移動したり又低い方へ移
動したりして周波数変化はドツプラー幅である１、５　
Ｇ　Ｈｚとなり、周波数安定度は、Δｆ　：周波数変動 ｆｏ：レーザー発振中心周波数 となる。

この安定度３Ｘ１０−’という値は単色性の良い光源で
はあるが、より精密な用途には更に高度な安定度のもの
が要求される。

従来この縦モードの変動が少ない周波数安定化レーザー
としてよう素安定化レーザー、ラムデイツプを利用した
安定化レーザー２本の縦モードを比較する方法による安
定化レーザー、外部より磁界を与えて縦モードを分離し
、そのビート信号を利用したゼーマンレーザー等がある
。

しかしこれら従来の安定化レーザーは出力縦モードが１
本であるか或いは周波数安定度が１０１になったとして
もレーザー光周波数の変動（縦モードの変動）が数ＭＨ
ｚであり、また縦モード間隔は１００ＫＨｚ程度変動す
る場合がある。

この変動を共振器長変化に換算すると数鵜の変化になっ
てしまう。通常周波数安定化されたレーザーの共振器長
の変化はレーザーの波長（６３２，８ｎｍ）よりも小さ
い。

この誤差原因としては共振器ミラーの異方性。

共振器内の屈折率の変化等が考えられるが従来方法では
仮に縦モード間隔が数１００にＨｚ変動してもそれを検
出し安定化することができなかった。

〔発明が解決しようとする課題］ 多モードレーザーを必要とする装置では、縦モード間隔
が数百ＭＨｚであるため、上記のように１００にＨｚの
変動は無視できない。

そこで、本発明はこの変動を消去する方法を提供するこ
とを課題とするものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、
第１の発明はレーザー管の出力光側にビームスプリッタ
−と、このビームスプリッタ−による反射成分又は透過
成分のどちらか一方から縦モード間隔のビート周波数を
検出する検出器を設け、且つ、加熱ヒーターやピエゾ素
子等を使ったレーザー管の共振器長制御装置を設け、こ
の共振器長制御装置によりレーザー管を所定の長さ以上
に伸長させ、運転中前記検出器による検出信号に応じて
前記共振器長制御装置を制御してレーザー管を所定の長
さに保持するようにしたものである。

また、第２の発明は、反射鏡から洩れる出力光からビー
ト周波数の変動を検出して、前記共振器長制御装置を制
御することにより、ガスレーザーの周波数安定化を行う
という方法である。

〔作　用〕

レーザー管の共振器長が変化した場合、縦モードは周波
数軸上を移動して行くが縦モード間隔のビート周波数は
レーザー管により動きは異なるが規則的な変化を繰り返
えすのでこのビート周波数を検出器で検出し、その信号
によりレーザー管の共振器長制御装置が動作して共振器
の長さに増減変化を与えレーザー光の周波数を安定化さ
せる。

〔実施例〕

以下本発明の数例の実施例について図面に基づき説明す
る。

ｌ旌勇上 第１図は本発明の一実施例のブロック図で、１はレーザ
ー管、２は出力光側に設けたビームスプリッタ−１３は
ビームスプリッタ−２による反射光から縦モード間隔の
ビート周波数を検出する受光検出器、４は周波数→電圧
変換器である。

５はレーザー管１を加熱して共振器長を伸長させるため
のヒーターで、ヒーター制御装置６によって制御される
。

そしてこのヒーター制御装置６は、運転中は基準電圧源
７の基準電圧ｖ０と周波数→電圧変換器４の出力電圧■
を入力とする比較器８の出力電圧Ｖ。

を電子スイッチ９を介して与えられヒーター５を制御す
るよう構成されている。

なおヒーター制御装置６内にはヒーター加熱の上限及び
下限を決めるリミッタ−６１が装備されている。

ＩＯは電子スイッチ９を介して起動時にヒーター制御装
置６に前記比較器８からの出力電圧以上の電圧を与える
初期電圧印加装置、１１は動作点電圧検出器、１２は動
作点電圧の変動範囲設定器、１３は判断回路、１４は比
較器８の出力信号により起動するタイマ、１５は高圧電
源、１６は直線偏光板で、縦モードの偏光面に対し、４
５°回転させる。この直線偏光板１６は出力光がランダ
ム偏光レーザー光の場合又はビームスプリッタ−１に偏
光ビームスプリッタ−を使用すれば不要である。

次にその運転について説明する。

先ずレーザー装置のスイッチをオンすると、高圧電源１
５によりレーザー管ｌに励起電流が流れレーザー発振す
ると共に、初期電圧印加装置ＩＯの電圧を電子スイッチ
９を介してヒーター制御回路６に与え、ヒーター５を定
電圧動作させてレーザー管ｌを加熱する。

するとレーザー管１の共振器長しはこのヒーターの熱及
び自分自身の放電の熱により膨張して行く。またレーザ
ー光りはビームスプリッタ−２により出力光を制御用の
光とに分けられ、制御用の光は検出器３により縦モード
間隔の光ビート周波数を電気的周波数として検出し、周
波数対電圧変換器４により周波数変化を電圧変化に変換
され比較器８へ送られる。

ここでは基準電圧源７の電圧ｖ０と周波数対電圧変換器
４の出力■とを比較し、その差電圧を増幅するが、比較
器８はわずかな差も制御できるように利得が高くなって
いるので■。と■が大きくくずれると出力電圧ｖ１は回
路の電源電圧である＋■６．又は−ＶＣＣまで行ってし
まう。このようなに出力Ｖ、が電源電圧まで飽和してし
まうと、制御ができないので、　ＶＣＣから＋Ｖｃｃへ
又はその逆に＋ＶＣＣから−ＶＣＣに移る時（Ｖ、とＶ
の差が小さくなった時）にタイマ１４をセットし判断回
路１３により電子スイッチ９を切換え閉ループを作り制
御を開始する。この時のｖｌは負電圧ではヒーター５が
制御されないので０〜＋ＶＣＣまでの正電圧になる。

また実際には比較器８の利得は有限なので、■はＶｏよ
りもＩ／利得だけずれた値に安定化される。

しかし共振器長りの膨脹がまだ大きく、その速度も早い
時は、すぐにＶ、の電圧は飽和状態になり、ヒーター制
御装置６もリミットまで行ってしまい、制御不可能とな
ってしまう。

そこで共振器長しの膨脹が十分少なくなってから制御を
開始すればヒーター５の変化範囲も少なく済み、■１の
電圧もすぐに飽和電圧まで行ってしまう心配もない、こ
の共振器長しの膨脹が十分少なくなったことを知る為に
はタイマ１４でセットした単位時間の間ヒーター制御装
置６の出力が飽和電圧よりも狭い設定範囲内に留まって
いるかどうかを判断すれば良い。

もし共振器長しの膨脹が大きくその速度も早い時はタイ
マ１４がタイムアツプする前にヒーター制御電圧は大き
く変化し、設定範囲を越えてしまう。

このようになった時は判断回路１３により電子スイッチ
９を初期電圧印加装置１０側へ切り換えてまた定電圧動
作状態に戻し、タイマ１４をリセットし、次の閉ループ
の待機をする。

こうして狭い範囲で制御したり、初期状態に戻したりす
るという動作を繰り返しているとやがて初期電圧印加装
置１０により与えられた電圧の熱量に対して共振器長し
が安定してくる。そして再びＶがＶ０近くなり閉ループ
になりタイマ１４がセットされヒーター５による制御を
開始し、タイムアツプしてもヒーター制御電圧が狭い設
定範囲内にあった場合（今まで与えられていた熱量に対
し安定してきたためヒーター制御電圧が少ない変化で済
むようになった場合）共振器長しの膨脹が十分少なくな
ったと判断し、ここからは閉ループを解くことなく広い
範囲までの制御を開始し安定化状態になる。

裏嵐尉Ｉ 第２図は異なる実施例を示すもので、上記実施例１の場
合は、ヒーター５の加熱制御により、共振器長の制御を
行うようにしたものであるが、この第２の実施例は高圧
電源１５によりレーザー管１に流す励起電流に応じた発
熱量の変化に比例した熱膨張を利用して周波数の安定化
を図るようにしたものである。

即ち、高圧電源回路に電流制御回路１７を設け、これを
前記実施例１と同じ手法で制御するようにしたものであ
る。

基本的動作は実施例１と同様であるが、実施例２の場合
は制御の手段が２重になっている。すなわちレーザー管
に流す励起電流による熱膨張と、実施例１と同様にヒー
ターによる熱膨張の２種類を利用している。この励起電
流による制御は、レーザー管に直接与えられる電力なの
で共振器長制御の応答を早くすることができる。しかし
励起電流の変化はレーザー出力の変化と比例関係にある
ので周囲の温度変化等を励起電流だけで制御すると、励
起電流が大幅に変化するため、レーザー出力の安定度が
悪くなる。

そこでレーザー管に巻いたヒーターにより励起電流を一
定に保つように制御すれば、周囲温度等の変化によるレ
ーザーの出力変動を小さ（することができる。

このように共振器長の早く小さい動きは励起電流により
制御し周囲温度等大きな動きはヒーターにより制御する
ようにしたものである。

次にその動作を説明すれば、レーザー装置のスイッチを
オンする”と、高圧電源によりレーザー管に励起電流が
流れるが、その値は初期電圧印加装置によって電子スイ
ッチ９を介して電流制御回路エフに与えられた電圧によ
って決定される。

またヒーターも初期電圧印加装置ｌＯ′により電子スイ
ッチ９′を介してヒーター制御回路６に与えられた電圧
により動作する。

レーザー光はビームスプリッタ−（この実施例では偏光
ビームスプリッタ−）２により出力と制御用に分けられ
、受光検出器３により、縦モード間隔のビート周波数を
電気的周波数として検出し、周波数対電圧変換器４へ送
られ、その出力■と基準電圧７の出力ｖ０とを比較器８
で比較増幅する。

そして実施例１と同様■と■。が近くなった時にタイマ
１４をセットし、判断回路１３ｂにより電子スイッチ９
を切り換え、比較器８の出力を電流制御ｆｉ回路１７に
与え、閉ループを作り、ビート周波数安定化制御を開始
する。しかしレーザー管がまだ冷えていて共振器長しの
膨張がまだ大きくその速度も早い時は、励起電流は大幅
に変化し、電流検出器１８で検出した電圧が範囲設定器
１９で設定した範囲をすぐに越えてしまう。その場合は
、判断回路１３ｂが動作して電子スイッチ９を切り換え
初期状態に戻す。これを繰り返すことにより初期電圧印
加装置１０′の電圧でヒーターにより加熱された熱量及
び初期電圧印加装置１０の電圧で流された励起電流の熱
量に対して共振器長しの熱膨張が安定してくる。

そして再びＶがＶ、、近（なりタイマ１４がセットされ
、閉ループになり励起電流による制御を開始し、タイマ
１４がタイムアツプしても励起電流が範囲設定器１９の
範囲内にあれば、励起電流の制御ループを電子スイッチ
９により解くことなく制御を開始すると同時に判断回路
１３ａにより電子スイッチ９′を切り換え、基準電圧７
′と電流検出器１８により検出された電圧を比較してい
る比較器Ｉ３の出力をヒーター制御回路６に与え励起電
流を一定に保つ動作をしこれで安定化状態になる。

裏庭■主 上記実施例１及び２はレーザー管１の加熱制御を行って
共振器長りを一定制御する方式のものであるが、ピエゾ
素子を用いて共振器長りを一定制御するようにしてもよ
い。

第３図はその実施例を示すもので、円筒状ピエゾ素子２
０の両端をレーザー管１の２点ａ、ｂに固定し、そのピ
エゾ素子２０を印加電圧制御装置２１によって制御する
ようにしたものである。

この場合の制御の手法は実施例１の場合と同様なので説
明を省略する。

なお、実施例１における同じものは同一の符号を付しで
ある。

実施班土 第４図は異なる実施例を示すもので、この実施例は１０
０％反射ミラー１ｂからの漏洩光を受光検出器３１によ
り検出してヒーター５を制御するようにしたもので、そ
の動作は実施例１の場合と同様なのでその説明は省略す
る。

〔発明の効果〕

本発明は加熱ヒーターやピエゾ素子等を使ったレーザー
管の共振器長制御装置を設け、この共振器長制御装置に
よりレーザー管の共振器長を所定の長さ以上に伸長させ
、運転中、共振器長で決まる縦モード間隔のビート周波
数を検出器により検出し、その検出信号に応じて前記共
振器長制御装置を制御してレーザー管の共振器長の一定
制御を行う方式で安定度の高いガスレーザーの周波数安
定化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図はそれぞれ本発明の実施例のブロック図
である。 １・・・レーザー管 ２・・・ビームスプリッター ３・・・受光検出器 ４・・・周波数→電圧変換回路 ５・・・ヒーター ６・・・ヒーター制御装置 ７・・・基準電圧源 ８・・・比較器 ９・・・電子スイッチ １０・・・初期電圧印加装置 １１・・・動作点電圧検出器 １２・・・動作電圧の変動範囲設定器 １３・・・判断回路 １４・・・タイマ １５・・・高圧電源 １６・・・直線偏光板

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザー管の出力光側にビームスプリッターと、
   このビームスプリッターによる反射成分から縦モード間
   隔のビート周波数を検出する検出器を設け、且つ、加熱
   ヒーターやピエゾ素子等を使ったレーザー管の共振器長
   制御装置を設け、この共振器長制御装置によりレーザー
   管共振器長を所定の長さ以上に伸長させ、運転中前記検
   出器によるビート信号に応じて前記共振器長制御装置を
   制御してレーザー管の共振器長を所定の長さに保持する
   ことを特徴とするガスレーザーの周波数安定化方法。
2. （２）レーザー管の反射鏡側に、この反射鏡からの洩れ
   出力光から縦モード間隔のビート周波数を検出する検出
   器を設け、且つ、加熱ヒーターやピエゾ素子等を使った
   レーザー管の共振器長制御装置を設け、この共振器長制
   御装置によりレーザー管の共振器長を所定の長さに伸長
   させ、運転中前記検出器によるビート信号に応じて前記
   共振器長制御装置を制御してレーザー管の共振器長を所
   定の長さに保持することを特徴とするガスレーザーの周
   波数安定化方法。