JPH0286180A - 発振波長が５４３ｎｍの内部ミラー型ヘリウム・ネオンレーザの周波数の安定化方法 - 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、レーザ管内にレーザ細管が配置された構造を
有する内部ミラー型ヘリウム・ネオンレーザ装置から発
振される発振波長が５４３ｎｍのレーザの周波数の安定
化方法に関する。

〔技術の背景〕

内部ミラー型ヘリウム・ネオンレーザの発振波長として
は、従来、６３３ｎｍ　（赤色）が知られてぃこの発振
波長が６３３ｎｍの内部ミラー型ヘリウム・ネオンレー
ザ（以下ｒ６３３ｎｍ　Ｈｅ−Ｎｅレーザ」ともいう。

）の発振周波数を安定化する手段としては、例えば２モ
ード法、ラムデイツプ法、ヨウ素吸収セル法、縦ゼーマ
ン法、横ゼーマン法、磁気変調法等、多くの制御手段が
既に確立されている。

これに対して、発振波長が５４３ｎｍ　（緑色）の内部
ミラー型ヘリウム・ネオンレーザ（以下「５４３ｎｍＨ
ｅ−Ｎｅレーザ」ともいう。）は、１９７０年にベリー
によって最初の発振報告がなされた比較的新しいレーザ
である（＃照文献：　Ｄ、Ｌ、　Ｐｅｒｒｙ、　ｌＥＥ
［Ｅ　Ｊ。

Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　　０８−７（１９
７１）　１０２）。

この５４３ｎｍ　Ｈｅ−Ｎｅレーザは、６３３ｎｍ　Ｈ
ｅ−Ｎｅレーデよりも発振波長が短いことから、精密計
測に適用する場合に計測精度の向上が期待できる。

しかし、反面、この５４３ｎｍ　Ｈｅ−Ｎｅレーザは遷
移（３Ｓ２　→２　ｐｒｏ）の利得が６３３ｎｍ　Ｈｅ
−Ｎｅレーザに比して１／１５〜１／１７程度と極めて
小さく、そのため実用化が長らく困難であった。

しかして、最近になってレーザミラーの性能が向上した
ことにより、４Ｑｃｍ程度の共振器長で５４３ｎｍＨｅ
−Ｎｅレーザの発振出力を実用的な程度にまで高くする
ことが可能となった。

１９８７年には、Ｔ、フェルマンらによって、市販の５
４３ｎωＨｅ−Ｎｅレーザを用いて行われた周波数安定
化の実験結果が報告された（参照文献；＾ｐｐｌｅｄ　
０ｐｔｉｃｓ、　　ｖｏ１２６．Ｎｏ、１４．　　Ｐ２
７０５．　１９８７年）。

この報告によると、縦モードが利得中心に対して対称配
置となる付近で直交直線偏光している各縦モードの偏光
方位が突然９０°変化する、いわゆるボラリゼーンヨン
フリッピング（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｆｌｉｐｐｉ
ｎｇ）　（以下「偏光反転」ともいう。）が存在するこ
とが明らかにされた。

従って、５４３ｎｍ　Ｈｅ−Ｎｅレーザの周波数の安定
化を２モード法により行う際には、上記偏光反転が起こ
る領域（以下「偏光反転領域」という。）を避ける必要
がある。

ここで、２モード法とは、隣接する縦モードの偏光が常
に直交直線偏光している性質を利用したものであり、隣
接する縦モードの偏光を例えば偏光ビームスプリッタ（
ＰＢＳ）等の手段により分離し、その強度差または強度
比をレーザの発振周波数の誤差信号として利用して周波
数の安定化を図る方法である。

しかして、現在市販されているレーザ装置は、レーザ出
力を実用レベルにまで高めるために、その共振器長は約
４９ｃｍ程度となっている。このため発振される５４３
ｎｍＨｅ−Ｎａレーザの縦モードを観測すると、第１図
に示すように、５４３ｎｍ　Ｈｅ−Ｎｅレーザは、通常
、縦モードが３〜４本の範囲で発振している。そして、
電源が投入されると、レーザ管が熱膨張して共振器長が
伸びるため、縦モードは、第１図において、（ａ）→ら
）→（Ｃ）→（ｄ）→（ａ）・・・のように繰り返し変
化する。Ｃ１およびＣ３はレーザ管の固有偏光方位であ
り、Ｃ１が光強度が弱い方位、Ｃ２が光強度が強い方位
である。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかして、５４３ｎｍ　Ｈｅ−Ｎｅレーザにおいては、
（１）隣接する縦モードが必ず直交偏光しているのでは
な（、平行偏光の組が必ず存在すること、（２）モード
間の利得競合が激しくなるような縦モード配置の場合、
すなわち、第１図のら）または（ｄ）の場合には、各モ
ードの偏光方位が急激に９０゛変化する偏光反転が生ず
ること、 の２点において、すでに実用化が進んでいる６３３ｎｍ
Ｈｅ−Ｎｅレーザと大きく相違する。

このため、２モード法をそのまま適用して５４３ｎｍＨ
ｅ−Ｎａレーザの周波数の安定化を行うと、以下の問題
がある。

（１）　周波数安定化可能領域が狭い。

（２）第１図の（ａ）または（Ｃ）に示したモード配置
および偏光状態でしか周波数を安定化できないので、一
方の偏光成分には、周波数の差が縦モード間隔となる２
つの周波数成分を含むようになり、偏光干渉計用の光源
として用いる場合に不利となる。

本発明は以上の如き事情に基づいてなされたものであっ
て、その目的は、２モード法により５４３ｎｍＨｅ−Ｎ
ａレーザの発振周波数を十分に安定化できる周波数の安
定化方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明は、レーザ管内にレー
ザ細管が配置された構造を有する内部ミラー型ヘリウム
・ネオンレーザ装置から発振される発振波長が５４３ｎ
ｍのレーザの周波数の安定化方法であって、前記レーザ
細管内に下記条件［１］〜［３］を満足する静磁界を印
加して、発振波長が５４３ｎｍのレーザの隣接する縦モ
ードの偏光方位を互いに直交直線偏光とし、この隣接す
る縦モードの強度差または強度比を検出してこれを誤差
信号として利用して共振器長をフィードバック制御する
ことにより発振波長が５４３ｎｍのレーザの周波数を安
定化することを特徴とする。

条件■ 静磁界の方向がレーザ細管の軸に垂直で、かつ、静磁界
の方向とレーザ管の固有偏光方位とのなす角が３０〜４
２°であること。

条件■ 静磁界の大きさが、当該静磁界を印加したときにπおよ
び±σ遷移間のゼーマン周波数と縦モード間隔とが等し
くなる大きさであること。

条件■ 静磁界の大きさが、レーザ細管の長手方向に沿ってほぼ
一様であること。

〔作用〕

レーデ細管内に上記条件［１］〜［３］を満足する特定
の静磁界を印加すると、詳細は後述する実験結果から理
解されるように、各縦モードが利得中心に対して対称配
置となる付近において直交直線偏光している場合であっ
ても各縦モードの偏光方位が突然９０°変化することが
ない。

従って、２モード法を適用して、すなわち隣接する縦モ
ードの強度差または強度比を検出してこれを誤差信号と
して利用して共振器長をフィードバック制御することに
より広い範囲で５４３ｎｍ　ＨｅＮｅ　レーザの発振周
波数を安定化することができる。

〔発明の具体的構成〕

以下、本発明を具体的に説明する。

本発明者は、レーザ管内にレーザ細管が配置された構造
を有する内部ミラー型ヘリウム・ネオンレーザ装置から
発振される発振波長が５４３ｎｍのレーザの静磁界中で
の偏光特性を調べているうち、特有の現象を見出した。

すなわち、５４３ｎｍ　Ｈｅ−ＮＩＬ／−ザルレーザ細
管内に特定の静磁界を印加することにより、各縦モード
が利得中心に対して対称配置となる付近に右いて直交直
線偏光している場合であっても隣接する縦モードが偏光
反転を伴わずに安定に直交直線偏光状態を維持すること
を見出した。

このときの静磁界は次の条件［１］〜［３］を満足する
ものであった。

条件■ 静磁界の方向がレーザ細管の軸に垂直で、かつ、静磁界
の方向とレーザ管の固有偏光方位とのなす角が３０〜４
２°であること。

条件■ 静磁界の大きさが、当該静磁界を印加したときにπおよ
び±σ遷移間のゼーマン周波数と縦モード間隔とが等し
くなる大きさであること。

条件■ 静磁界の大きさが、レーザ細管の長手方向に沿ってほぼ
一様であること。

そして、上記静磁界を印加した状態においては、レーザ
利得曲線の広範囲にわたって縦モードが２本で発振する
ことを見出した。

本発明は斯かる知見に基づいてなされたものであって、
５４３ｎｍＨｅ−Ｎｅレーデにおイテ、レーザ細管内に
特定の静磁界を印加するという構成を採用して、隣接す
る縦モードの偏光方位を互いに直交直線偏光として偏光
反転を防止し、この状態で隣接する縦モードの強度差ま
たは強度比を検出してこれを誤差信号として利用して共
振器長をフィードバック制御し、もって発振波長が５４
３ｎｍのレーザの周波数を安定化するものである。

第２図（ａ）は、静磁界の印加手段の一例を示す説明図
である。レーザ管１０の外周を囲むようマグネット２０
を配置し、このマグネット２０により、レーザ細管１１
内に当該レーザ細管１１の管軸すなわち光軸に対して垂
直な方向の静磁界を印加する。

この静磁界の大きさは、当該静磁界を印加したときにπ
および±σ遷移間のゼーマン周波数と縦モード間隔とが
等しくなる大きさである。

そして、静磁界の方向は、レーザ細管１１の管軸に対し
て垂直方向であって、しかも、第２図ら）に示すように
、レーザ管１０の固有偏光方位Ｃ０と、静磁界の方向Ｈ
とのなす角θが３０〜４２°となる方向である。

ここで、本発明においては、固有偏光方位ＣおよびＣ２
において、直線偏光板を通して出力をモニタしたときピ
ーク光強度が弱い方位をＣ強い方位を０２と定義する。

そして、静磁界は、レーザ細管１１の長手方向に沿って
一様である。

静磁界を形成するためのマグネット２０は、例えばフェ
ライト性の永久磁石であってもよいし、あるいは電磁石
であってもよい。

第３図は、第２図に示した条件下で静磁界を印加したと
きの縦モードの変化の一例を示す図である。縦モードは
、第３図において（ａ）−（ｂ）−（Ｃ）−（ｄ）→（
ｅ）→（ｆ）→（ａ）・・・と繰り返して変化する。す
なわち、レーザ利得曲線を移動する間は、各々の縦モー
ドの偏光方位は変化しない。

従って、第３図の（ｂ）、（Ｃ）、（ｅ）、（ｆ）のモ
ード配置となる場合を利用すれば、５４３ｎｍ　Ｈｅ−
Ｎｅレーザにおいても６３３ｎｍ　Ｈｅ−Ｎｅレーザと
同様に２モード法による周波数の安定化が可能となる。

このように偏光反転の発生を有効に防止することにより
、以下の利点が得られる。

（１）周波数の安定化できる範囲が、Ｔ、フェルマンら
の方法に比して約６倍に広がる。

（２）オートロツタ回路をきわめて簡単に構成すること
ができる。なお、オートロック回路とは、モードロック
を自動的に行うための回路をいう。

次に、本発明の有効性を裏付けるために行った実験につ
いて説明する。

〔実験１〕 市販されている、レーザ管内にレーザ細管が配置された
構造を有する発振波長が５４３ｎｍの内部ミラー型ヘリ
ウム・ネオンレーザ装置（０５−ＬＧＲ１７１、ＭＢＬ
ＬＥＳ　ＧＲＩＯＴ社製）を用いて、静磁界を印加しな
い状態（ゼロ磁界）で、レーザの偏光特性を調べた。

上記レーザ装置の主な特徴は、本発明者の分析結果によ
ると次のとおりである。

’Ｈｅ／２２Ｎｅ＝１０／１ ・全圧力＝１８６．２　ｐａ　（１，４Ｔｏｒｒ）・共
振器長＋　４０２ｍｍ（縦モード間隔３７３ＭＨｚ）・
レーザ細管の直径：１゜５ｍｍ ・レーザ細管の長さ：　３３０ｍｍ ・出力側ミラーの曲率半径＋　８００＋１１０１・高反
射側ミラーの曲率半径；■ 第４図にファブリ・ペロー干渉計を用いた縦モード観測
の結果を模式的に示す。同図には典型的なモード配置と
その偏光状態を示しである。常に３本から４本の縦モー
ドで発振し、各モードは直線偏光しているが、６３３ｎ
ｍの赤色Ｈｅ−Ｎｅレーザの場合とは異なり、隣接する
縦モードが必ずしも直交偏光ではなく、平行偏光となる
場合が存在する。

電源を投入してレーザ装置を駆動すると、共振器が熱膨
張し、そのため縦モードは利得幅内を低周波側へ移動し
、モード配置は、第４図において、（ａ）→ら）→（Ｃ
）→（ｄ）→（ａ）・・・と繰り返し移り変わる。

同図のら）や（ｄ）のように各縦モード強度が左右対称
に近いモード配置となる場合には、各縦モードの偏光方
位が突然９０°変化する偏光反転が生じる。

実際に、既述の市販されている同型のレーザ装置を２台
用いて別個に実験を行ったところ、２台のレーザ装置の
いずれにおいても偏光反転を観測することができた。

第５図は、ファブリ・ペロー干渉計の前方に、ピーク光
強度が弱い固有偏光方位Ｃ１と平行になるように直線偏
光板をおいて、１回の偏光反転が生じた後、次の偏光反
転が生じる瞬間までの固有偏光方位Ｃ１における縦モー
ドの動きを、蓄積型オシロスコープで追跡した結果を模
式的に示すものであり、第４図の（Ｃ）→（ｄ）のモー
ド配置の変化に対応するもので、（ｄ）における偏光反
転に対応する。

左側の２つのモードは偏光反転したことにより生じたも
ので、この時点で蓄積型オシロスコープへの蓄積を停止
した。この実験において、１回の偏光反転から次の偏光
反転までの偏光方位が安定な範囲は、右よそ９３ＭＨｚ
であった。

次に、縦モード間の結合によるビートの観測を試みた。

観測には、ピーク光強度が弱い固有偏光方位Ｃ１とのな
す角度を４５°で設定した直線偏光板と、０〜２０ＭＨ
ｚに感度のある広帯域増幅器とを用いた。

第６図（ａ）は、第４図（ａ）、　（Ｃ）に相当するモ
ード配置での観測結果を模式的に示す図である。同図か
ら理解されるよ・うに、５０ＭＨｚ近傍にビートが観測
された。なお、観測時、１００ＭＨｚの近傍にも瞬間的
にビートが見られたが、その強度は５０ｋＨｚビートに
比べ１／１０以下程度であった。

第６図ら）は、第４図（ｂ）に相当するモード配置での
観測結果を模式的に示す図である。同図から理解される
ように、５０ｋＨｚ付近で２個以上のスペクトルの複雑
な変化が見られた。

以上のように、ゼロ磁界では、３本から４本の縦モード
で発振し、その固有偏光方位やビートも共振器能ｍ（ｃ
ａｖｉｔｙ　ｄｅｔｕｎｉｎｇ）　に対し複雑な変化を
示し周波数の安定化に利用可能と思われる特性は見い出
せなかった。

従って、このレーザ装置において、２モード法を適用し
て周波数の安定化を行うためには、偏光反転領域を避け
る必要があり、それだけ安定化できる領域が狭くなる。

また、一方の固有偏光方位の縦モードには、周波数の差
が縦モード間隔となる２つの周波数成分が必ず含まれる
こととなり、そのため偏光干渉計用の光源として用いる
場合に不利となる。

〔実験２〕 実験１と同様のレーザ装置を用いて、レーザ細管内にそ
の管軸に垂直方向の静磁界を印加した場合（横磁界）の
偏光特性を調べる実験を行った。

Ｎｅ　６３３ｎｍ遷移では周波数安定化の手段として、
２モード法、ラムデイツプ法、縦ゼーマン法、横ゼーマ
ン法等がすでに実用化されている。

特に、横ゼーマン法は、共振器長が比較的長い（約２６
〜２８ｃｍ）　　レーザ装置に適用でき、この方法で安
定化されたレーザは光ヘテロゲイン計測用光源としても
利用でき有用であることが知られている。

そこで、Ｎｅ　５４３ｎｍ遷移にも横ゼーマン法が適用
可能か否かを確認するために横磁界中での偏光特性を調
べる実験を行った。

第７図は、横磁界中でのＮｅ　５４３ｎｍ遷移を模式％
式％ 遷移は禁止される。一方、６３３ｎｍ遷移の場合、上下
両準位のランデグ（Ｌａｎｄｅｇ）因子は、各々、ｇ１
＝１．２９５、ｇ、＝１．３０１でほとんど等しく、ゼ
ーマン分離周波数Ｆｚは、 Ｆｚ　＝μａ　ｇ−Ｂ／　ｈ　　　　　　・・・（１）
（μＢ　：ボーア磁子、Ｂ；磁束密度）と考えてよいが
、５４３ｎｍ遷移の場合ｇｂ　＝　１．９８４であり、
ｇ６　とは無視できない差がある。

横ゼーマン法では、縦モード間隔に等しいＦｚとなる磁
界、すなわち、特性横磁界を印加して３本の縦モード間
の結合（利得の競合）を強めることにより単一縦モード
化を達成している。

これには上または下準位を共有準位とするπ、σ遷移間
の結合が直接関係している。５４３ｎｍ遷移では、下準
位を共有するπおよびσ遷移は、ｍａｌ、０からｍ、＝
１への遷移、ｍ、　＝Ｑ、　　−１からｍ、＝−１への
遷移の２種類あり、それらのσ、π遷移間の周波数差は
上記式（１）で与えられる。

一方、上準位を共有するπおよびσ遷移もｍ。

＝１からｍｂ＝１．０への遷移、ｍａ＝　　１がらｍ、
＝Ｑ、−１への遷移の２種類あるが、それらのσ、π遷
移間のゼーマン分離周波数Ｆ’ｚは、Ｆ　ｚ＝μＢｇｂ
　Ｂ／ｈ　　　　　　−（２）となる。すなわち、５４
３ｎｍ遷移は、６３３ｎｍ遷移とは異なり特性横磁界に
は２つの値が存在することになる。この実験では、前者
の方を選んだ。この場合、特性横磁界を与える磁束密度
は２０６　Ｇａｕｓｓであった。

第８図は、実験装置の概略を示す説明図である。

レーザヘッドは、その両端部が切削加工により取除かれ
、出力側（陽極側）のレーザ細管の端部が目視でき、ま
たレーザ管の後部の高反射ミラー側からもレーザ光を取
出せるように改造しである。

横磁界Ｈは、厚さ６ｍｍの鉄板にフェライトマグネット
　（ＦＢ４Ｂ材、ＴＤＫ製）　３０Ｘ４０Ｘ１０ｍｍを
適当な間隔で固定配置して形成した。レーザー細管長（
３３０ｍ＋ｎ）の約７８％の部分に磁束密度が２０２±
８にａｕｓｓの−様な横磁界（均一度±４％）を印加し
た。

なお、横磁界Ｈの方向とピーク光強度が弱い固有偏光方
位Ｃ３とのなす角θが０°または９０°のときが横ゼー
マン法の場合に相当する。

この第８図において、ＬＰは直線偏光板、ＰＤはＰＩＮ
フォトダイオード、ＶＡはビデオアンプ、Ｏ８はオシロ
スコープ、ＳＡはスペクトル分析器、ＰＨはピンホール
、ＦＰＩはファブリ・ペロー干渉計、ＳＴは蓄積型オシ
ロスコープである。

（１）θ＝０°の場合 第９図は、θ＝０°に設定した場合の実験結果を示す図
である。

上段には典型的な縦モード配置を、中段および下段には
その縦モード位置でのビートスペクトルおよびビート波
形を示しである。な右、直線偏光板ＬＰは、固有偏光方
位Ｃ１とのなす角度が４５゜に設定されている。

この第９図から理解されるように、横磁界を印加すると
、ゼロ磁界の場合に比べ縦モード数が１本減って２〜３
モードで発振している。

一方、ビートスペクトルは、５０ｋＨｚ近傍に、縦モー
ド数に対応した本数だけ現われた。ただし、３モ一ド発
振の場合、第９図（Ｃ）の両端の縦モード強度が弱いの
で、ビートスペクトルは中央の縦モードに対応するもの
が主になり、あたかも１本のように見える。直線偏光板
ＬＰを回転しその方位を、固有偏光方位Ｃ１またはＣ２
に一致させるとビートスペクトルは消失した。

また、固有偏光方位Ｃ５とのなす角度を４５°に設定し
た直線偏光板ＬＰを介してファブリ・ベロー干渉計ＦＰ
Ｔで縦モードを観測すると、各縦モードに振幅変調が見
られ、直線偏光板ＬＰを、固有偏光方位ＣＩまたはＣ２
に平行にするとその変調波形が消失した。ただし、この
場合、縦モードそのものは消失しなかった。

以上の実験結果より、これらのビートスペクトルはσお
よびπ遷移に起因する同−縦モード内ゼーマンビートと
考えることができる。

また、第９図から理解されるように、低周波側縦モード
には低周波側ビートスペクトルが対応−ている。そして
、縦モードが利得幅内を動くとき、ビート周波数の変化
は数ｋＨｚ以下であった。なお、第９図の下段のビート
波形は、中段のビートスペクトルの合成として説明でき
るものである。

以上のようにθ＝０゛の場合には、同−縦モード内ゼー
マンビートが観察され、ゼロ磁界の場合よりも縦モード
数が１本減ったが単一縦モード化は達成できなかった。

その原因としては、６３３ｎｍ遷移と比べた場合、下準
位のＪ数の相違によるσ−π遷移間結合係数の相違、ｇ
値の相違、ミラー品質の差（面内異方性の差）、共振器
長の差等が密接に関係すると考えられる。

なお、第９図（Ｃ）に示すように、３モ一ド発振の場合
、中央の縦モードに発振が集中している傾向が見られる
。従って、レーザの励起強度を下げることによって単一
縦モード化を実現できる可能性がある。

しかし、レーザの励起強度を下げると、単一縦モード化
は可能であるが、レーザ出力が非常に小さくなり、実用
化には不都合となる。

（２）θ≠０°の場合 次に、特性横磁界中で、ピーク光強度が弱い固有偏光方
位ＣＩが横磁界方向と合致しない一般の角度の場合につ
いて調べた。

その結果、本発明者は、θがおよそ３６°±６゜の範囲
では２本から３本の縦モードで発振し、かつ、隣接する
縦モードの偏光は常に直交直線偏光であり、利得幅内を
縦モードが移動する間は偏光反転の生じないことを見い
出した。また、このとき直線偏光板ＬＰをいずれの固有
偏光方位に設定しても縦モード内ゼーマンビートは観測
されなかった。

第１０図は、特性横磁界中でθ＝３３°に設定し、直線
偏光板ＬＰを用いずに縦モード観測した結果を示す図で
ある。同図から理解されるように、２〜３モ一ド発振で
ある。

次に、ファブリ・ペロー干渉計ＦＰＩの前に直線偏光板
ＬＰを挿入し、その方位をピーク光強度が弱い固有偏光
方位Ｃ３と合致させた状態でモード観測すると、第１１
図（ａ）およびら）に示すように、隣接モードが消失し
、縦モード間隔の２倍だけ離れた２本の縦モード発振と
なった。

このとき直線偏光板ＬＰを９０°回転すると、それまで
消失していた縦モードが現われ、逆にそれまで現われて
いた縦モードが消失した。すなわち、隣接縦モードが２
つの固有偏光方位に沿って直交直線偏光していること、
同−縦モード内ゼーマンビートが生じないことが確認で
きた。

第１２図は、共振器の熱膨張による一連のモードの動き
と偏光状態を模式的に示す図である。同図において、（
ａ）−（ｂ）−（Ｃ）−（ｄ）−（ｅ）−（ｆ）を１サ
イクルとしてモード変化が繰り返される。

第１３図は、ピーク光強度が弱い固有偏光方位ｃ１の直
線偏光が単一縦モード発振となっている期間を、蓄積型
オシロスコープ上に記録した結果を示す図であり、単一
モード領域は、約５９１ＭＨｚであった。

第１４図は、レーザ出力を偏光ビームスプリッタＰＢＳ
を用いて固有偏光方位Ｃ６およびＣ２の各方位の成分光
に分離し、その時間変化を同時記録した結果を示す図で
ある。なお、このとき、高反射ミラー側からの漏れ光を
検出して縦モードの動きも同時にモニタした。

これにより、第１４図のＸおよび已に対応する領域以外
は各成分光が単一縦モードであることを確認した。従っ
て、第１４図の直線的なスロープ部を利用すると、６３
３ｎｍ遷移の場合と同様に、５４３ｎｍ遷移においても
偏光反転を伴わずに２モード法による周波数の安定化が
可能である。

この場合、Ｔ、フェルマンらの方法に比べ、横磁界を必
要とする不利があるが、偏光反転の発生を防止できるの
で周波数の安定化可能範囲が広がり、各固有偏光方位成
分のいずれもが単一縦モード発振する利点がある。

なお、θ≠０６で縦モード内ゼーマンピートが消失する
現象は、６３３ｎｍ　Ｈｅ−Ｎｅレーザにおいては既に
知られている。すなわち、ビートが消失する理由は、同
−縦モード内の発振がθ＝０°の場合とは異なり完全偏
光化しているからである、と解されている。５４３ｎｍ
遷移においても同様の理由でビートが消失するものと解
することができる。

すなわち、共振器ミラーの有する複屈折異方性と磁界に
よりレーザ媒質に誘起された複屈折異方性とが、θを調
節することにより相殺されたと考えることにより、縦モ
ードの安全偏光化を十分に説明でき、またビート消失も
十分に説明できる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について具体的に説明するが、本
発明が当該実施例に限定されるものではない。

第１５図は、本発明の実施に好適なレーザ装置の概略を
示す。同図において、ＬＡは内部ミラー型ヘリウム・ネ
オンレーザ管、ＭＧはマグネット、ＰＢＳは偏光ビーム
スプリフタ、ＰＤＩ、ＰＤ２はＰＩＮフォトダイオード
、ＡＭＩ、ＡＭ２は増幅器（ＬＰ３５６）　、ＤＡは差
動増幅器、ＢＡは緩衝増幅器、ＤＢは直流バイアス電圧
、ＰＲはペンレコーダの接続端子、Ｒは抵抗、Ｄはダイ
オード、Ｔｒｉ、Ｔｒ２はトランジスタ、ＨＥは共振器
長を制御するヒータ、Ｅはヒータ電源、ＰＨはピンホー
ル、ＬＰは直線偏光板、ＦＰＩはファブリ・ペロー干渉
計、ＳＴは蓄積型オシロスコープである。

ヒータＨＥは、レーザ管ＬＡの後部のガラス製外管に３
８ｍｍ幅でバイファイラ巻きされた直径０．２６鮒のニ
クロム線（抵抗２０Ω）により構成され、その上にテフ
ロンテープが一層巻付けられて当該ニクロム線が固定さ
れている。

レーザ管ＬＡから発振された５４３０ｍＨｅ−Ｎｅレー
ザは、偏光ビームスプリフタＰＢＳによりそれぞれ固有
偏光方位ＣＩおよびＣ２の各成分光に分離され、これら
の成分光がそれぞれＰＩＮフォトダイオードＰＤＩおよ
びＰＤ２、増幅器ＡＭＩおよびＡＭ２により直流的に検
波、増幅される。

増幅器ＡＭＩおよびＡＭ２からの出力が、差動増幅器Ｄ
Ａに人力されて、ここで各成分光に対応する出力の差（
強度差）が検出される。

この強度差が誤差信号として差動増幅器ＤＡにより増幅
され、この増幅された誤差信号に基づいて、トランジス
タＴｒ２のコレクタ電流が制御される。従って、当該制
御されたコレクタ電流によりヒータＨＥの供給電力が制
御され、これによりレーザ管ＬＡの共振器長が補正され
、その結果、５４３ｎｍ　Ｈｅ−Ｎｅレーザの縦モード
が一定の周波数位置となるように安定化される。

上記構成のレーザ装置により、室温を制御していない部
屋において、５４３ｎｍ　Ｈｅ−Ｎｅレーデの周波数を
安定化する試験を行い、緩衝増幅器ＢＡの出力をペンレ
コーダにより記録したところ、第１６図に示す結果が得
られた。なお、縦軸のレーザ周波数変化幅への換算は、
緩衝増幅器ＢＡの出力と縦モードの利得幅内での動きと
を同時観測することにより行った。

この第１６図から理解されるように、室温を制御してい
ない部屋において、約２．ｌＸ１０−’　（５８分間）
の周波数安定度が得られた。

以上、各成分光の強度差を検出してこれを誤差信号とし
て利用する場合について説明したが、各成分光の強度比
を検出してこれを誤差信号として利用する構成を採用し
てもよい。具体的には、例えば第１５図において、差動
増幅器ＤＡを割算回路に変更すればよい。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように、本発明によれば、発振波長
が５４３ｎｍである内部ミラー型ヘリウム・ネオンレー
ザ装置のレーザ細管内に特定の静磁界を印加することに
より偏光反転を有効に防止したうえ、隣接する縦モード
の強度差または強度比を検出してこれを誤差信号として
利用して共振器長をフィードバック制御するので、広い
範囲で発振波長が５４３ｎｍの内部ミラー型ヘリウム・
ネオンレーザの周波数を安定化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の５４３ｎｍＨｅ−Ｎｅレーザの縦モード
を示す図、第２図は静磁界の印加手段の一例を示す説明
図、第３図は静磁界を印加したときの縦モードの変化の
一例を示す図、第４図は静磁界を印加しない状態でファ
ブリ・ベロー干渉計を用いて観測した縦モードを示す図
、第５図は偏光反転が生じた後次の偏光反転が生ずる瞬
間までの固有偏光方位Ｃ８における縦モードの動きを蓄
積型オンロスコープで追跡した結果を示す図、第６図（
ａ）は第４図（ａ）、　（Ｃ）に相当するモード配置で
のビートの観測結果を示す図、第６図０））は第４図ら
）に相当するモード配置でのビートの観測結果を示す図
、第７図は横磁界中でのＮｅ　５４３ｎｍ遷移を示す説
明図、第８図はレーザの実験装置の概略を示す説明図、
第９図は特性横磁界中でθ＝０°に設定したときの縦モ
ード配置、ビートスペクトルおよびビート波形を示す図
、第１０図は特性横磁界中でθ−３３°に設定し直線偏
光板を用いずに観測した縦モード配置を示す図、第１１
図は直線偏光板を挿入しその方位を固有偏光方位Ｃ１に
合致させた状態で観測したときの縦モード配置を示す図
、第１２図は共振器の熱膨張によるモードの動きと偏光
状態を示す図、第１３図は固有偏光方位Ｃ１の直線偏光
が単一縦モード発振となっている期間を蓄積型オシロス
コープで記録した結果を示す図、第１４図はレーザ出力
を偏光ビームスプリッタＰＢＳを用いて固有偏光方位Ｃ
１およびＣ２の各方位の成分光に分離し、その時間変化
を同時記録したときの結果を示す図、第１５図は本発明
の実施に好適なレーザ装置の概略を示す説明図、第１６
図は本発明の実施例における周波数の安定化の結果を示
す図である。 １０・・・レーザ管　　　　　１１・・・レーザ細管２
０・・・マグネット ＣＩ・・・光強度が弱い固有偏光方位 Ｃ２・・・光強度が強い固を偏光方位 ＬＰ・・・直線偏光板 ＰＤ　　ＰＤＩ、ＰＤ２・・・ＰＩＮフォトダイオード
ＶＡ・・・ビデオアンプ　　Ｏ３・・・オシロスコープ
ＳＡ・・・スペクトル分析器 ＰＨ・・・ピンホール ＦＥＴ・・・ファブリ・ペロー干渉計 ＳＴ・・・蓄積型オシロスコープ ＭＧ・・・マグネット　　　ＬＡ・・・レーザ管ＡＭＩ
、ＡＭ２・・・増幅器 ＤＡ・・・差動増幅器　　　ＢＡ・・・緩衝増幅器ＤＢ
・・・直流バイアス電圧 ＰＲ・・・ペンレコーダの接続端子 Ｒ・・・抵抗　　　　　　　Ｄ・・・ダイオードＴｒｉ
、Ｔｒ２・・・トランジスタ ＨＥ・・・ヒータ　　　　　　Ｅ・・・ヒータ電源＋２ ＣＧ） （ｂ） ４９７一 ＋８図 ＋ ４図 ＋１０図 ＋１ 図 （ｂ） 十９ 図 （ｂ） （Ｃ） （ｄ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ管内にレーザ細管が配置された構造を有す
   る内部ミラー型ヘリウム・ネオンレーザ装置から発振さ
   れる発振波長が５４３ｎｍのレーザの周波数の安定化方
   法であって、 前記レーザ細管内に下記条件［１］〜［３］を満足する
   静磁界を印加して、発振波長が５４３ｎｍのレーザの隣
   接する縦モードの偏光方位を互いに直交直線偏光とし、 この隣接する縦モードの強度差または強度比を検出して
   これを誤差信号として利用して共振器長をフィードバッ
   ク制御することにより発振波長が５４３ｎｍのレーザの
   周波数を安定化することを特徴とする発振波長が５４３
   ｎｍの内部ミラー型ヘリウム・ネオンレーザの周波数の
   安定化方法。 条件［１］ 静磁界の方向がレーザ細管の軸に垂直で、かつ、静磁界
   の方向とレーザ管の固有偏光方位とのなす角が３０〜４
   ２°であること。 条件［２］ 静磁界の大きさが、当該静磁界を印加したときにπおよ
   び±σ遷移間のゼーマン周波数と縦モード間隔とが等し
   くなる大きさであること。 条件［３］ 静磁界の大きさが、レーザ細管の長手方向に沿ってほぼ
   一様であること。