JPH0228982A - 気体レーザの安定化方法 - Google Patents
気体レーザの安定化方法Info
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- JPH0228982A JPH0228982A JP17974388A JP17974388A JPH0228982A JP H0228982 A JPH0228982 A JP H0228982A JP 17974388 A JP17974388 A JP 17974388A JP 17974388 A JP17974388 A JP 17974388A JP H0228982 A JPH0228982 A JP H0228982A
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
- H01S3/13—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
- H01S3/139—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude by controlling the mutual position or the reflecting properties of the reflectors of the cavity, e.g. by controlling the cavity length
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- Plasma & Fusion (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
本発明は、気体レーザの安定化方法に係り、特に、レー
ザ管から突出した先端部に、レーザ光を反射して共振さ
せるための内部鏡が設けられた気体レーザに用いるのに
好適な、発振されたレーザ光の周波数や光強度を安定化
することが可能な気体レーザの安定化方法に関するもの
である。
ザ管から突出した先端部に、レーザ光を反射して共振さ
せるための内部鏡が設けられた気体レーザに用いるのに
好適な、発振されたレーザ光の周波数や光強度を安定化
することが可能な気体レーザの安定化方法に関するもの
である。
レーザにおいては、発振されたレーザ光の光強度や周波
数を安定化する必要がある。 気体レーザ全般に共通した光強度変動の原因としては、
励起の変化、共振器長の変化、共振器アラインメントの
変化があげられる。 このうち励起の安定化は、通常定電流制御によってなさ
れ、放電電流を検出して電流制御素子を制御したり、高
電圧を調節することが行われている。 又、共振器長の変化による光強度変動は、発振縦モード
の数が少ない場合に問題となり、共振器を保持するロッ
ドを熱膨張係数の小さい材料で構成することや、強制的
に共振器長を安定化することが行われている。 更に、共振器アラインメントの変化は、主として共振器
構成要素の熱膨脹が異なること及び機械的振動のために
起こり、この影響を緩和するため、共振器を板ばねや軸
受けを介して固定することが行われている。又、温度不
均一性をなくすため、ロッドを発熱体であるレーザ管の
上を避けて配置し、金属で囲む方法や、温度不均一が生
じないように強制冷却を行う方法が行われている。 一方、気体レーザの周波数安定化は、ある基準からの周
波数偏移を誤差信号として検出し、レーザ共振器長を制
御することによって行われており、例えばレーザ遷移ス
ペクトルを基準として、圧電素子により外部鏡の位置を
軸方向に変え、共振器長を微小変調してレーザ周波数を
変調し、安定化することが行われている。 しかしながら、レーザ管から突出した先端部に、レーザ
光を反射して共振させるための内部鏡が設けられた気体
レーザにおいては、前記先端部が強度的に弱い部分であ
るため、この先端部に力を加えることは全く検討されて
いなかった。 一般に気体レーザ、特に内部鏡型Ｈｅ−Ｎ’ｅレーザは
、レーザ管の熱膨脹により共振器のミラー間隔が変化し
、出力光強度が変動する。単一モードレーザ管では、そ
の出力光強度は、ゲインプロフィールに対応している。 よって、その出力光を観測すると、出力光強度曲線の頂
点に、第３図に示す如くラムデイツプ（窪み）が現れて
いる。その中心周波数は、０．６３３マイクロメートル
のスペクトルの中心と一致して安定であり、ラムデイツ
プの幅は、数十メガヘルツ程度で、ゲインプロフィール
の幅（数百メガ−千メガヘルツ）と比較して一桁小さい
。 そこで、前記レーザ遷移スペクトルを基準とする際に該
ラムデイツプを利用して、レーザの発振周波数を安定化
することが考えられる。しかしながら、前記ラムデイツ
プをレーザ出力光強度のレベルに基づいて検出したので
は、レーザ出力光強度が大幅に変動するとロック点が移
動してしまう恐れがあった。
数を安定化する必要がある。 気体レーザ全般に共通した光強度変動の原因としては、
励起の変化、共振器長の変化、共振器アラインメントの
変化があげられる。 このうち励起の安定化は、通常定電流制御によってなさ
れ、放電電流を検出して電流制御素子を制御したり、高
電圧を調節することが行われている。 又、共振器長の変化による光強度変動は、発振縦モード
の数が少ない場合に問題となり、共振器を保持するロッ
ドを熱膨張係数の小さい材料で構成することや、強制的
に共振器長を安定化することが行われている。 更に、共振器アラインメントの変化は、主として共振器
構成要素の熱膨脹が異なること及び機械的振動のために
起こり、この影響を緩和するため、共振器を板ばねや軸
受けを介して固定することが行われている。又、温度不
均一性をなくすため、ロッドを発熱体であるレーザ管の
上を避けて配置し、金属で囲む方法や、温度不均一が生
じないように強制冷却を行う方法が行われている。 一方、気体レーザの周波数安定化は、ある基準からの周
波数偏移を誤差信号として検出し、レーザ共振器長を制
御することによって行われており、例えばレーザ遷移ス
ペクトルを基準として、圧電素子により外部鏡の位置を
軸方向に変え、共振器長を微小変調してレーザ周波数を
変調し、安定化することが行われている。 しかしながら、レーザ管から突出した先端部に、レーザ
光を反射して共振させるための内部鏡が設けられた気体
レーザにおいては、前記先端部が強度的に弱い部分であ
るため、この先端部に力を加えることは全く検討されて
いなかった。 一般に気体レーザ、特に内部鏡型Ｈｅ−Ｎ’ｅレーザは
、レーザ管の熱膨脹により共振器のミラー間隔が変化し
、出力光強度が変動する。単一モードレーザ管では、そ
の出力光強度は、ゲインプロフィールに対応している。 よって、その出力光を観測すると、出力光強度曲線の頂
点に、第３図に示す如くラムデイツプ（窪み）が現れて
いる。その中心周波数は、０．６３３マイクロメートル
のスペクトルの中心と一致して安定であり、ラムデイツ
プの幅は、数十メガヘルツ程度で、ゲインプロフィール
の幅（数百メガ−千メガヘルツ）と比較して一桁小さい
。 そこで、前記レーザ遷移スペクトルを基準とする際に該
ラムデイツプを利用して、レーザの発振周波数を安定化
することが考えられる。しかしながら、前記ラムデイツ
プをレーザ出力光強度のレベルに基づいて検出したので
は、レーザ出力光強度が大幅に変動するとロック点が移
動してしまう恐れがあった。
本発明は、従来力を加えることなど全く考えられていな
かった、レーザ管の内部鏡が設けられた先端部に力を加
えることによって、レーザ光の周波数や光強度を安定化
することが可能な気体レーザの安定化方法を提供するこ
とを第１の目的とする。 本発明は、又、レーザ出力光強度のレベル変動に拘わら
ず、ラム、デイツプの位置を正確に検出して、確実にロ
ックできる気体レーザの安定化方法を提供することを第
２の目的とする。
かった、レーザ管の内部鏡が設けられた先端部に力を加
えることによって、レーザ光の周波数や光強度を安定化
することが可能な気体レーザの安定化方法を提供するこ
とを第１の目的とする。 本発明は、又、レーザ出力光強度のレベル変動に拘わら
ず、ラム、デイツプの位置を正確に検出して、確実にロ
ックできる気体レーザの安定化方法を提供することを第
２の目的とする。
本発明は、レーザ管から突出した先端部に、レーザ光を
反射して共振させるための内部鏡が設けられた気体レー
ザの安定化方法において、前記先端部に横方向から曲げ
荷重を加え、該曲げ荷重の大きさ及び方向の少なくとも
いずれか一方を制御することによって、発振されたレー
ザ光の縦モード即ち周波数又は光強度を安定化して、前
記第１の目的を達成したものである。 又、前記曲げ荷重を圧電素子により印加するようにした
ものである。 又、同様の気体レーザの安定化方法において、前記曲げ
荷重の交流成分によってレーザ光の周波数を微少範囲内
で変動させ、これによって周波数による光強度の１次微
分値を得て、該１次微分値に応じてレーザ管の温度を制
御することにより発振モードをラムデイツプに固定して
、前記第２の目的を達成したものである。
反射して共振させるための内部鏡が設けられた気体レー
ザの安定化方法において、前記先端部に横方向から曲げ
荷重を加え、該曲げ荷重の大きさ及び方向の少なくとも
いずれか一方を制御することによって、発振されたレー
ザ光の縦モード即ち周波数又は光強度を安定化して、前
記第１の目的を達成したものである。 又、前記曲げ荷重を圧電素子により印加するようにした
ものである。 又、同様の気体レーザの安定化方法において、前記曲げ
荷重の交流成分によってレーザ光の周波数を微少範囲内
で変動させ、これによって周波数による光強度の１次微
分値を得て、該１次微分値に応じてレーザ管の温度を制
御することにより発振モードをラムデイツプに固定して
、前記第２の目的を達成したものである。
レーザ管から突出した先端部に、レーザ光を反射して共
振させるための内部鏡が設けられた、いわゆる内部鏡型
Ｈｅ−Ｎｅレーザ（λ＝０．６３３マイクロメートル）
は、今日、広範囲の基礎研究や光学計測法に使用されて
いる０発明者が、この内部鏡型Ｈｅ−Ｎｅレーザの前記
先端部に横方向から曲げ荷重を加えて実験したところ、
縦モード移動と光強度変化の現象が観測された０本発明
は、これらの現象を利用して、レーザ光の周波数や光強
度の安定化を図ったものである。 発明者は、第１図に示すような実験装置を用いて、レー
ザ光を反射して共振させるための内部鏡（図示省略）が
設けられた、レーザ管１０から突出した先端部（前端部
１２Ｆ又は後端部１２Ｒ）に横方向から曲げ荷重を加え
、縦モード移動の状態を観測した。 ここで、レーザ管１０としては、ウシオ社製、ＵＮＬ−
２０５Ｒ３，ＵＮＬ−２０５Ｒ，ＵＮＬ−２１ＯＲ，Ｕ
ＮＬ−２２ＯＲを使用し、このレーザ管１０を、第２図
に示す如く、固定ネジ１６の先端により、レーザ管１０
の本体（太い中央部）の前後２箇所×同一円周上等間Ｉ
Ｉ（１２０°間隔）の３点で固定しな。 先端部への荷重方法は、フロントミラーが内蔵された前
端部１２Ｆ、リヤミラーが内蔵された後端部１２Ｒ共に
、そのミラ一端に、レーザ管１０の管軸に対して直角に
、重りで零から０．６ｋｇｆの範囲で力学的荷重を加え
た。又荷重方向は、第２図に示した如く、レーザ管ミラ
ー中心がらカソード端子１４方向を０度とし、右回りを
正、左回りを負とした。 縦モード郡動の観測のため、レーザ出力光をスペクトラ
ムアナライザに入射し、オシロスコープに第３区の上段
に示すようなレーザ光のゲインプロフィールを表示して
、その表示された縦モードを、荷重前後で読取り、縦モ
ード移動量（周波数移動量）を算出した。ここで、縦モ
ード間隔は、Ｃ／（２Ｌ）ヘルツ（Ｃは光速度、Ｌはレ
ーザ管共振器長）として計算した。 以上のような状態でレーザ管１０を固定し、既に述べた
荷重方向に荷重ヘッドを回転させ、−１８０度から＋１
６５度まで１５度単位でモード移動を観測したところ、
例えば第４図に示すような観測結果が得られた。なお、
ここでは荷重量を一定としている。 次に、荷重方向を同一（＋９０度又は−９０度）として
、零から、約５０又は１００ｇｆ単位で荷重を加え、こ
のときの縦モード移動を観測したところ、例えば第５図
に示すような観測結果が得られた。 多数の実験結果から、荷重角度θと縦モード移動量Δｆ
の関係を求めたところ、次式のような近似式が得られた
。 Δｆ ＝Ａ＋Ｂ−ｃｏｓ （θ＋α） ・・・（１）
ここで、Ａ、Ｂは定数（Ａ＜＜Ｂ）、αは位相である。 この近似式と実験値との相関係数を求めたところ、０．
８４７〜０．９８８の範囲であり、非常によい相関があ
ることが判明した。 又、同じく多数の実験結果から、荷重量Ｗと縦モードの
移動量Δｆの関係を求めたところ、次式のような近似式
が得られた。 Δｆ＝Ｃ−Ｗ ・・・（２） ここでＣは定数である。 これらの現象は、レーザ管１０の先端部１２に曲げ荷重
を加えた時、レーザ管１０に曲げが生じるので、レーザ
管１０を固定ねじ１６の位置で支持されたカンチレバー
と考えて、幾何光学と材料力学（カンチレバーの曲げ）
によって、荷重状態での光学的ミラー間距離とその変化
量をモデル計算したところ、前出（１）式及び（２）式
に対応する理論式が得られ、説明できることがわかった
。 なお、モデル計算では、レーザ管の両端ミラーを球面ミ
ラーとしたが、平面ミラーである場合にも同様な理論式
が得られることを確認している。 次に、先端部への荷重を圧電素子で行って、曲げ荷重に
よる光強度の変化について実験した。 レーザ管固定状態は、荷重装置部分が圧電素子に変わっ
た以外は、第１図及び第２図に示した纒モード移動の測
定に用いられた装置と同様である。 なお、レーザ管１０としては、ウシオ社製ＵＮＬ−２０
５Ｒ３を用い、その放電電流は５ミリアンペアとした。 先ず圧電素子を、駆動電圧零ボルト時にも、レーザ管１
０の先端部ミラー側面に対して加圧状態（先端部に曲げ
が生じる状態）となるように固定し、この時の加圧値を
Ｐとした。荷重は前端部１２Ｆで一１２０度方向に加え
、この状態で圧電素子にＯ〜１００Ｖの駆動電圧をかけ
て、レーザ管点灯後の光強度変化を観測した。 レーザ出力光強度の測定は、フロントビームをシリコン
フォトダイオードで受光し、その電流値を電圧に変換し
た後、ペンレコーダに記録することで行った。 レーザ管２０５Ｒ３は、通常、単一モードで発振してい
るため、光強度変化がゲインプロフィールをほぼ表して
いる。よって、レーザ管点灯１８分後の（１）ラムデイ
ツプでの光強度ＩＲ５（２）光強度変化の振幅Ｗ、（３
）ゲインプロフィールの形状について検討したところ、
下記第１表に示すような結果が得られた。 第 １ 表 第１表から明らかなように、ラムデイツプでの光強度Ｉ
Ｒは、荷重を増すに従ってほぼ線形に減少している。従
って、荷重を変化させることによって、光強度を変化さ
せられることがわかる。又、光強度を安定化するには、
逆に曲げｉ重を制御すればよいことがわかる。 なお、第１表から、光強度変化の振幅Ｗは変化しておら
ず、更に、ゲインプロフィールの形状は、ラムデイツプ
の窪みが荷重と共に浅くなるが、全体の形状はほぼ相似
であることもわかる。従って、第６図に示す如く、曲げ
荷重の交流成分によってレーザ光の周波数を微少範囲内
で変動させ、これによって第３図に示す如く周波数によ
る光強度の１次微分値（光強度の傾き・・・第６図のΔ
Ｉ／Δｆ）を得れば、ラムデイツプでは該１次微分値が
零となり、その前後で正負が反転するので、この信号を
誤差信号としてレーザ光の温度をフィードバック制御す
ることにより、レーザ出力光強度のレベル変動に拘わら
ず、発振モードを正確にラムデイツプの位置に固定して
、レーザ光の周波数及び光強度を同時に安定化できる。 なお前記説明においては、Ｈｅ−Ｎｅレーザが用いられ
ていたが、本発明の適用範囲はこれに限定されず、一般
の気体レーザにも同様に適用できることは明らかである
。 又、曲げ荷重をかける手段も圧電素子に限定されたい。
振させるための内部鏡が設けられた、いわゆる内部鏡型
Ｈｅ−Ｎｅレーザ（λ＝０．６３３マイクロメートル）
は、今日、広範囲の基礎研究や光学計測法に使用されて
いる０発明者が、この内部鏡型Ｈｅ−Ｎｅレーザの前記
先端部に横方向から曲げ荷重を加えて実験したところ、
縦モード移動と光強度変化の現象が観測された０本発明
は、これらの現象を利用して、レーザ光の周波数や光強
度の安定化を図ったものである。 発明者は、第１図に示すような実験装置を用いて、レー
ザ光を反射して共振させるための内部鏡（図示省略）が
設けられた、レーザ管１０から突出した先端部（前端部
１２Ｆ又は後端部１２Ｒ）に横方向から曲げ荷重を加え
、縦モード移動の状態を観測した。 ここで、レーザ管１０としては、ウシオ社製、ＵＮＬ−
２０５Ｒ３，ＵＮＬ−２０５Ｒ，ＵＮＬ−２１ＯＲ，Ｕ
ＮＬ−２２ＯＲを使用し、このレーザ管１０を、第２図
に示す如く、固定ネジ１６の先端により、レーザ管１０
の本体（太い中央部）の前後２箇所×同一円周上等間Ｉ
Ｉ（１２０°間隔）の３点で固定しな。 先端部への荷重方法は、フロントミラーが内蔵された前
端部１２Ｆ、リヤミラーが内蔵された後端部１２Ｒ共に
、そのミラ一端に、レーザ管１０の管軸に対して直角に
、重りで零から０．６ｋｇｆの範囲で力学的荷重を加え
た。又荷重方向は、第２図に示した如く、レーザ管ミラ
ー中心がらカソード端子１４方向を０度とし、右回りを
正、左回りを負とした。 縦モード郡動の観測のため、レーザ出力光をスペクトラ
ムアナライザに入射し、オシロスコープに第３区の上段
に示すようなレーザ光のゲインプロフィールを表示して
、その表示された縦モードを、荷重前後で読取り、縦モ
ード移動量（周波数移動量）を算出した。ここで、縦モ
ード間隔は、Ｃ／（２Ｌ）ヘルツ（Ｃは光速度、Ｌはレ
ーザ管共振器長）として計算した。 以上のような状態でレーザ管１０を固定し、既に述べた
荷重方向に荷重ヘッドを回転させ、−１８０度から＋１
６５度まで１５度単位でモード移動を観測したところ、
例えば第４図に示すような観測結果が得られた。なお、
ここでは荷重量を一定としている。 次に、荷重方向を同一（＋９０度又は−９０度）として
、零から、約５０又は１００ｇｆ単位で荷重を加え、こ
のときの縦モード移動を観測したところ、例えば第５図
に示すような観測結果が得られた。 多数の実験結果から、荷重角度θと縦モード移動量Δｆ
の関係を求めたところ、次式のような近似式が得られた
。 Δｆ ＝Ａ＋Ｂ−ｃｏｓ （θ＋α） ・・・（１）
ここで、Ａ、Ｂは定数（Ａ＜＜Ｂ）、αは位相である。 この近似式と実験値との相関係数を求めたところ、０．
８４７〜０．９８８の範囲であり、非常によい相関があ
ることが判明した。 又、同じく多数の実験結果から、荷重量Ｗと縦モードの
移動量Δｆの関係を求めたところ、次式のような近似式
が得られた。 Δｆ＝Ｃ−Ｗ ・・・（２） ここでＣは定数である。 これらの現象は、レーザ管１０の先端部１２に曲げ荷重
を加えた時、レーザ管１０に曲げが生じるので、レーザ
管１０を固定ねじ１６の位置で支持されたカンチレバー
と考えて、幾何光学と材料力学（カンチレバーの曲げ）
によって、荷重状態での光学的ミラー間距離とその変化
量をモデル計算したところ、前出（１）式及び（２）式
に対応する理論式が得られ、説明できることがわかった
。 なお、モデル計算では、レーザ管の両端ミラーを球面ミ
ラーとしたが、平面ミラーである場合にも同様な理論式
が得られることを確認している。 次に、先端部への荷重を圧電素子で行って、曲げ荷重に
よる光強度の変化について実験した。 レーザ管固定状態は、荷重装置部分が圧電素子に変わっ
た以外は、第１図及び第２図に示した纒モード移動の測
定に用いられた装置と同様である。 なお、レーザ管１０としては、ウシオ社製ＵＮＬ−２０
５Ｒ３を用い、その放電電流は５ミリアンペアとした。 先ず圧電素子を、駆動電圧零ボルト時にも、レーザ管１
０の先端部ミラー側面に対して加圧状態（先端部に曲げ
が生じる状態）となるように固定し、この時の加圧値を
Ｐとした。荷重は前端部１２Ｆで一１２０度方向に加え
、この状態で圧電素子にＯ〜１００Ｖの駆動電圧をかけ
て、レーザ管点灯後の光強度変化を観測した。 レーザ出力光強度の測定は、フロントビームをシリコン
フォトダイオードで受光し、その電流値を電圧に変換し
た後、ペンレコーダに記録することで行った。 レーザ管２０５Ｒ３は、通常、単一モードで発振してい
るため、光強度変化がゲインプロフィールをほぼ表して
いる。よって、レーザ管点灯１８分後の（１）ラムデイ
ツプでの光強度ＩＲ５（２）光強度変化の振幅Ｗ、（３
）ゲインプロフィールの形状について検討したところ、
下記第１表に示すような結果が得られた。 第 １ 表 第１表から明らかなように、ラムデイツプでの光強度Ｉ
Ｒは、荷重を増すに従ってほぼ線形に減少している。従
って、荷重を変化させることによって、光強度を変化さ
せられることがわかる。又、光強度を安定化するには、
逆に曲げｉ重を制御すればよいことがわかる。 なお、第１表から、光強度変化の振幅Ｗは変化しておら
ず、更に、ゲインプロフィールの形状は、ラムデイツプ
の窪みが荷重と共に浅くなるが、全体の形状はほぼ相似
であることもわかる。従って、第６図に示す如く、曲げ
荷重の交流成分によってレーザ光の周波数を微少範囲内
で変動させ、これによって第３図に示す如く周波数によ
る光強度の１次微分値（光強度の傾き・・・第６図のΔ
Ｉ／Δｆ）を得れば、ラムデイツプでは該１次微分値が
零となり、その前後で正負が反転するので、この信号を
誤差信号としてレーザ光の温度をフィードバック制御す
ることにより、レーザ出力光強度のレベル変動に拘わら
ず、発振モードを正確にラムデイツプの位置に固定して
、レーザ光の周波数及び光強度を同時に安定化できる。 なお前記説明においては、Ｈｅ−Ｎｅレーザが用いられ
ていたが、本発明の適用範囲はこれに限定されず、一般
の気体レーザにも同様に適用できることは明らかである
。 又、曲げ荷重をかける手段も圧電素子に限定されたい。
以下図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する
。 本実施例は、本発明によりレーザ光の光強度及び周波数
を同時に安定化することが可能なレーザ出力安定化回路
であり、第７図に示す如く構成されている。 本実施例は、レーザ管１０から突出した前端部１２Ｆと
後端部１２Ｒに、レーザ光を反射して共振させるための
内部鏡がそれぞれ設けられたレーザ管１ｏを備えている
。 該レーザ管１０は、例えばウシオ社製ＵＮＬ−２０５Ｒ
３とされ、その本体の中央部には、その温度を制御する
ための、例えばフィルム状のし−タ２０が配設されてい
る。 前記レーザ管１０の前端部１２Ｆの側方には、該前端部
１２Ｆに曲げ荷重を加えるための圧電素子２２が配設さ
れている。該圧電素子２２には、圧電素子駆動回路２４
が接続されており、該圧電素子駆動回路２４には、纒モ
ードの周波数を微小範囲内で振動させるための、例えば
百ヘルツの正弦波を発振する正弦波発振器２６が接続さ
れている。 前記後端部１２Ｈの後方（図の左方）には、光強度の１
次微分信号を得るためにレーザ光のリヤビームを受光す
るシリコンフォトデテクタ２８が配設されている。該シ
リコンフォトデテクタ２８には、その出力電流を電圧に
変換するための電流−電圧（Ｉ−Ｖ）変換器３０が接続
されている。 該ｒ −ｖ変換器３０には交流増幅器３２が接続され、
該交流増幅器３２には、例えばＱ＝５、遮断周波数ｆｃ
＝１００［（ｚの高域フィルタ３４が接続されている。 該高域フィルタ３４の出力はロックインアンプ３６に入
力されている。 このロックインアンプ３６には、前記正弦波発振器２６
から、圧電素子駆動電圧の交流成分と同期した信号が、
参照信号として入力されている。 このロックインアンプ３６で求められた信号の１次微分
値は、制御回路３８に入力される。この制御回路３８に
は差動増幅器（図示省略）が含まれており、該差動増幅
器によって基準電圧（理想は零ボルト）との差電圧が出
力される。この出力にって、前記ヒータ２０に流れる電
流が制御される。 ここで、制御回路３８に差動増幅器を設けているのは、
ラムデイツプでの１次微分値が、理論的には零ボルトと
なるはずであるが、実際には数ボルトの直流成分が存在
するためであり、該差動増幅器の基準電圧をこの直流成
分値に設定して、直流成分を削除している。 前記先端部１２Ｆの前方（図の右方）には、フロントビ
ームを受光して光強度を検出するシリコンフォトデテク
タ４０が設けられている。このシリコンフォトデテクタ
４０の出力は、Ｉ −Ｖ変換器４２で電圧信号に変換さ
れた後、ペンレコーダ４４に入力して安定度を監視する
ようにされている。 以下実施例の作用を説明する。 レーザ出力光強度の１次微分値を得るなめに、前記圧電
素子２２には、例えば直流成分数十ボルトと百ヘルツの
交流成分数ボルトの駆動電圧が、圧電素子駆動回路２４
から与えられており、縦モードの周波数を一定の微少範
囲内で移動するようにされている。 一方、レーザ管１０の後端部１２Ｒから出たりャビーム
は、シリコンフォトデテクタ２８で受光され、Ｉ−Ｖ変
換器３０でその電流値を電圧に変換した後、交流増幅器
３２及び高域フィルタ３４を介して、前記ロックインア
ンプ３６に入力される。 このロックインアンプ３６には、前記正弦波発振器２６
より、圧電素子駆動電圧の交流成分と同期した信号が、
参照信号として入力されており、このロックインアンプ
３６で、信号の１次微分値が求められる。 求められた１次微分信号は、制御回路３８に入力され、
内蔵された差動増幅器によって基準電圧との差電圧が出
力される。この出力によって、前記ヒータ２０に流れる
電流が、例えば零から百ミリアンペアの範囲で制御され
る。 レーザ出力の安定化に際しては、第８図に示す如く、レ
ーザ管１０の点灯（ステップ１１０）から数十秒経過し
た後に、先ず制御用基１！電圧を知るために、ラムデイ
ツプでの１次微分値を測定する（ステップ１１２．１１
４）。 その後、ヒータ２０で熱平衡状態以上にレーザ管１０を
プレシートする（ステップ１１６．１１８）。 次いで、加熱を停止すれば、レーザ管１０は収縮を始め
る（ステップ１２０）、そこで、縦モードがラムデイツ
プ近傍に存在するときに、制御を開始すればよい（ステ
ップ１２２．１２４）。 本実施例による、レーザ出力光強度（Ｉ−Ｖ変換器４２
出力）とその１次微分値（高域フィルタ３４出力）の関
係の例を第９図に示す０図から明らかな如く、レーザ出
力光強度は変動しているにも拘らず、基準電圧１．８ボ
ルトのところで、ラムデイツプを正確に捕らえているこ
とがわかる。 第１０図に示す如く、ラムデイツプでの、時間に対する
レーザ光強度１吹微分値の傾きをΔＩ／ΔＷとする。そ
して、１次微分値の変動周期をＷとすると、実施例のレ
ーザ管は単一モードで発振しているので、周期Ｗは、樅
モード間隔１２６０メガヘルツに対応していると考えら
れる。よって、ラムデイツプ近傍での１次微分値の変動
量ΔＶに対応する周波数変動量Δｆは、次式で表される
。 Δｆ［Ｍｔ［ｚ］ ＝（１２６０／Ｗ）・（ΔＷ／Δ工） ×ΔＶ［ｖｏｌｔ］ ・・・（３）又
、第１１図に制御開始後のレーザ出力光強度の安定状態
の一例を示す、光強度安定度を、平均光強度に対する変
動率とし、周波数安定度を、レーザ周波数４．７４Ｘ１
０”ヘルツに対する変動率と定義したところ、１０分間
の安定度では、光強度で±０．０３４〜±０．０８７％
、周波数で±０．４１〜１．３３Ｘ１０’の安定度を達
成することができた。又、１時間の安定度では、光強度
で±０．１２１〜０．３９３％、周波数で±０．４１〜
１．３３Ｘ１０−’の安定度を達成することができた。 これは、レーザ光強度のレベルを制御用信号とした場合
と比較して、１０分間の安定度は固定度であるが、１時
間の安定度では、より高い安定度であることが確認でき
た。 なお、本実施例においては、１次微分値を得るために周
波数を振動させているので、この振動の振幅以下に周波
数変動（光強度変動）を小さくすることは不可能である
。 なお、前記実施例においては、ヒータ２０によリレーザ
管１０の温度を制御していたが、レーザ管の温度を制御
する方法は、これに限定されず、例えば冷却ファンの回
転速度を制御しても良い。
。 本実施例は、本発明によりレーザ光の光強度及び周波数
を同時に安定化することが可能なレーザ出力安定化回路
であり、第７図に示す如く構成されている。 本実施例は、レーザ管１０から突出した前端部１２Ｆと
後端部１２Ｒに、レーザ光を反射して共振させるための
内部鏡がそれぞれ設けられたレーザ管１ｏを備えている
。 該レーザ管１０は、例えばウシオ社製ＵＮＬ−２０５Ｒ
３とされ、その本体の中央部には、その温度を制御する
ための、例えばフィルム状のし−タ２０が配設されてい
る。 前記レーザ管１０の前端部１２Ｆの側方には、該前端部
１２Ｆに曲げ荷重を加えるための圧電素子２２が配設さ
れている。該圧電素子２２には、圧電素子駆動回路２４
が接続されており、該圧電素子駆動回路２４には、纒モ
ードの周波数を微小範囲内で振動させるための、例えば
百ヘルツの正弦波を発振する正弦波発振器２６が接続さ
れている。 前記後端部１２Ｈの後方（図の左方）には、光強度の１
次微分信号を得るためにレーザ光のリヤビームを受光す
るシリコンフォトデテクタ２８が配設されている。該シ
リコンフォトデテクタ２８には、その出力電流を電圧に
変換するための電流−電圧（Ｉ−Ｖ）変換器３０が接続
されている。 該ｒ −ｖ変換器３０には交流増幅器３２が接続され、
該交流増幅器３２には、例えばＱ＝５、遮断周波数ｆｃ
＝１００［（ｚの高域フィルタ３４が接続されている。 該高域フィルタ３４の出力はロックインアンプ３６に入
力されている。 このロックインアンプ３６には、前記正弦波発振器２６
から、圧電素子駆動電圧の交流成分と同期した信号が、
参照信号として入力されている。 このロックインアンプ３６で求められた信号の１次微分
値は、制御回路３８に入力される。この制御回路３８に
は差動増幅器（図示省略）が含まれており、該差動増幅
器によって基準電圧（理想は零ボルト）との差電圧が出
力される。この出力にって、前記ヒータ２０に流れる電
流が制御される。 ここで、制御回路３８に差動増幅器を設けているのは、
ラムデイツプでの１次微分値が、理論的には零ボルトと
なるはずであるが、実際には数ボルトの直流成分が存在
するためであり、該差動増幅器の基準電圧をこの直流成
分値に設定して、直流成分を削除している。 前記先端部１２Ｆの前方（図の右方）には、フロントビ
ームを受光して光強度を検出するシリコンフォトデテク
タ４０が設けられている。このシリコンフォトデテクタ
４０の出力は、Ｉ −Ｖ変換器４２で電圧信号に変換さ
れた後、ペンレコーダ４４に入力して安定度を監視する
ようにされている。 以下実施例の作用を説明する。 レーザ出力光強度の１次微分値を得るなめに、前記圧電
素子２２には、例えば直流成分数十ボルトと百ヘルツの
交流成分数ボルトの駆動電圧が、圧電素子駆動回路２４
から与えられており、縦モードの周波数を一定の微少範
囲内で移動するようにされている。 一方、レーザ管１０の後端部１２Ｒから出たりャビーム
は、シリコンフォトデテクタ２８で受光され、Ｉ−Ｖ変
換器３０でその電流値を電圧に変換した後、交流増幅器
３２及び高域フィルタ３４を介して、前記ロックインア
ンプ３６に入力される。 このロックインアンプ３６には、前記正弦波発振器２６
より、圧電素子駆動電圧の交流成分と同期した信号が、
参照信号として入力されており、このロックインアンプ
３６で、信号の１次微分値が求められる。 求められた１次微分信号は、制御回路３８に入力され、
内蔵された差動増幅器によって基準電圧との差電圧が出
力される。この出力によって、前記ヒータ２０に流れる
電流が、例えば零から百ミリアンペアの範囲で制御され
る。 レーザ出力の安定化に際しては、第８図に示す如く、レ
ーザ管１０の点灯（ステップ１１０）から数十秒経過し
た後に、先ず制御用基１！電圧を知るために、ラムデイ
ツプでの１次微分値を測定する（ステップ１１２．１１
４）。 その後、ヒータ２０で熱平衡状態以上にレーザ管１０を
プレシートする（ステップ１１６．１１８）。 次いで、加熱を停止すれば、レーザ管１０は収縮を始め
る（ステップ１２０）、そこで、縦モードがラムデイツ
プ近傍に存在するときに、制御を開始すればよい（ステ
ップ１２２．１２４）。 本実施例による、レーザ出力光強度（Ｉ−Ｖ変換器４２
出力）とその１次微分値（高域フィルタ３４出力）の関
係の例を第９図に示す０図から明らかな如く、レーザ出
力光強度は変動しているにも拘らず、基準電圧１．８ボ
ルトのところで、ラムデイツプを正確に捕らえているこ
とがわかる。 第１０図に示す如く、ラムデイツプでの、時間に対する
レーザ光強度１吹微分値の傾きをΔＩ／ΔＷとする。そ
して、１次微分値の変動周期をＷとすると、実施例のレ
ーザ管は単一モードで発振しているので、周期Ｗは、樅
モード間隔１２６０メガヘルツに対応していると考えら
れる。よって、ラムデイツプ近傍での１次微分値の変動
量ΔＶに対応する周波数変動量Δｆは、次式で表される
。 Δｆ［Ｍｔ［ｚ］ ＝（１２６０／Ｗ）・（ΔＷ／Δ工） ×ΔＶ［ｖｏｌｔ］ ・・・（３）又
、第１１図に制御開始後のレーザ出力光強度の安定状態
の一例を示す、光強度安定度を、平均光強度に対する変
動率とし、周波数安定度を、レーザ周波数４．７４Ｘ１
０”ヘルツに対する変動率と定義したところ、１０分間
の安定度では、光強度で±０．０３４〜±０．０８７％
、周波数で±０．４１〜１．３３Ｘ１０’の安定度を達
成することができた。又、１時間の安定度では、光強度
で±０．１２１〜０．３９３％、周波数で±０．４１〜
１．３３Ｘ１０−’の安定度を達成することができた。 これは、レーザ光強度のレベルを制御用信号とした場合
と比較して、１０分間の安定度は固定度であるが、１時
間の安定度では、より高い安定度であることが確認でき
た。 なお、本実施例においては、１次微分値を得るために周
波数を振動させているので、この振動の振幅以下に周波
数変動（光強度変動）を小さくすることは不可能である
。 なお、前記実施例においては、ヒータ２０によリレーザ
管１０の温度を制御していたが、レーザ管の温度を制御
する方法は、これに限定されず、例えば冷却ファンの回
転速度を制御しても良い。
第１図は、本発明の詳細な説明するための、実験装置の
構成を示す正面図、 第２図は、同じく側面図、 第３図は、単一モードレーザのゲインプロフィールとそ
の１次微分曲線を比較して示す線図、第４図は、荷重方
向と縦モード移動の関係の例を示す線図、 第５図は、荷重量と縦モード移動の関係の例を示す線図
、 第６図は、曲げ荷重の交流成分による周波数変動とレー
ザ出力光変動の関係の例を示す線図、第７図は、本発明
に係るレーザ出力安定化回路の実施例の構成を示すブロ
ック線図、 第８図は、前記実施例において、安定化制御を開示する
までの手順を示す流れ図、 第９図は、前記実施例におけるレーザ出力光強度とその
１次微分値の関係の例を示す線図、第１０図は、レーザ
管熱膨脹時のレーザ出力とその１次微分値の関係の例を
示す線図 第１１図は、前記実施例におけるレーザ出力光強度の安
定状態を示す線図である。 ２０・・・ヒータ、 ２２・・・圧電素子、２４
・・・圧電素子駆動回路、 ２６・・・正弦波発振器、 ２８・・・シリコンフォトデテクタ、 ３４・・・高域フィルタ、 ３６・・・ロックインアンプ、 ３８・・・制御回路。
構成を示す正面図、 第２図は、同じく側面図、 第３図は、単一モードレーザのゲインプロフィールとそ
の１次微分曲線を比較して示す線図、第４図は、荷重方
向と縦モード移動の関係の例を示す線図、 第５図は、荷重量と縦モード移動の関係の例を示す線図
、 第６図は、曲げ荷重の交流成分による周波数変動とレー
ザ出力光変動の関係の例を示す線図、第７図は、本発明
に係るレーザ出力安定化回路の実施例の構成を示すブロ
ック線図、 第８図は、前記実施例において、安定化制御を開示する
までの手順を示す流れ図、 第９図は、前記実施例におけるレーザ出力光強度とその
１次微分値の関係の例を示す線図、第１０図は、レーザ
管熱膨脹時のレーザ出力とその１次微分値の関係の例を
示す線図 第１１図は、前記実施例におけるレーザ出力光強度の安
定状態を示す線図である。 ２０・・・ヒータ、 ２２・・・圧電素子、２４
・・・圧電素子駆動回路、 ２６・・・正弦波発振器、 ２８・・・シリコンフォトデテクタ、 ３４・・・高域フィルタ、 ３６・・・ロックインアンプ、 ３８・・・制御回路。
Claims (4)
- （１）レーザ管から突出した先端部に、レーザ光を反射
して共振させるための内部鏡が設けられた気体レーザの
安定化方法において、 前記先端部に横方向から曲げ荷重を加え、 該曲げ荷重の大きさ及び方向の少なくともいずれか一方
を制御することによつて、発振されたレーザ光の縦モー
ド即ち周波数を安定化することを特徴とする気体レーザ
の安定化方法。 - （２）請求項１に記載の気体レーザの安定化方法におい
て、前記曲げ荷重を圧電素子により印加することを特徴
とする気体レーザの安定化方法。 - （３）レーザ管から突出した先端部に、レーザ光を反射
して共振させるための内部鏡が設けられた気体レーザの
安定化方法において、 前記先端部に横方向から曲げ荷重を加え、 該曲げ荷重の大きさ及び方向の少くともいずれか一方を
制御することによつて、発振されたレーザ光の光強度を
安定化することを特徴とする気体レーザの安定化方法。 - （４）レーザ管から突出した先端部に、レーザ光を反射
して共振させるための内部鏡が設けられた気体レーザの
安定化方法において、 前記先端部に横方向から曲げ荷重を加え、 該曲げ荷重の交流成分によつてレーザ光の周波数を微少
範囲内で変動させ、 これによつて周波数による光強度の１次微分値を得て、 該１次微分値に応じてレーザ管の温度を制御することに
より発振モードをラムデイツプに固定することを特徴と
する気体レーザの安定化方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63179743A JPH0797683B2 (ja) | 1988-07-19 | 1988-07-19 | 気体レーザの安定化方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63179743A JPH0797683B2 (ja) | 1988-07-19 | 1988-07-19 | 気体レーザの安定化方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0228982A true JPH0228982A (ja) | 1990-01-31 |
| JPH0797683B2 JPH0797683B2 (ja) | 1995-10-18 |
Family
ID=16071088
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63179743A Expired - Lifetime JPH0797683B2 (ja) | 1988-07-19 | 1988-07-19 | 気体レーザの安定化方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0797683B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62120856A (ja) * | 1985-11-20 | 1987-06-02 | 株式会社クラレ | 血液の処理装置 |
| JP2007309545A (ja) * | 2006-05-16 | 2007-11-29 | Daikin Ind Ltd | 熱交換器 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5735389A (en) * | 1980-08-11 | 1982-02-25 | Nec Corp | Gas laser tube |
| JPS5939959U (ja) * | 1982-09-09 | 1984-03-14 | 日本航空電子工業株式会社 | レ−ザ波長調整構造 |
| WO1987006772A1 (en) * | 1986-04-28 | 1987-11-05 | Hughes Aircraft Company | Method and apparatus for reducing the effects of vibrational disturbances on the frequncy stability of a laser |
-
1988
- 1988-07-19 JP JP63179743A patent/JPH0797683B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5735389A (en) * | 1980-08-11 | 1982-02-25 | Nec Corp | Gas laser tube |
| JPS5939959U (ja) * | 1982-09-09 | 1984-03-14 | 日本航空電子工業株式会社 | レ−ザ波長調整構造 |
| WO1987006772A1 (en) * | 1986-04-28 | 1987-11-05 | Hughes Aircraft Company | Method and apparatus for reducing the effects of vibrational disturbances on the frequncy stability of a laser |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62120856A (ja) * | 1985-11-20 | 1987-06-02 | 株式会社クラレ | 血液の処理装置 |
| JP2007309545A (ja) * | 2006-05-16 | 2007-11-29 | Daikin Ind Ltd | 熱交換器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0797683B2 (ja) | 1995-10-18 |
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