JPH03250680A - 周波数安定化レーザ光源 - 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、半導体レーザを用いた周波数安定化レーザ光
源の安定性の改善に関する。

〈従来の技術〉 第７図は周波数安定化レーザ光源の第１の従来例を示す
ブロック図で、半導体レーザを直接変調して、その発振
周波数を原子および分子の吸収線の中心に制御するもの
を示している。半導体レーザ１の出力光はビームスプリ
ッタ２で２つの方向に分離し、一方の光は標準物質が封
入された吸収セル３に入射する。吸収セル３を透過した
光は光検出器４で検出されて電気信号に変換され、ロッ
クインアンプ等からなる同期検波口＃１５に入力する。

半導体レーザ１の発振周波数は発振器８の出力で電流変
調されており、同期検波回路５は発振器８の出力を参照
信号として同期検波を行う、Ｐ■制御回路６は同期検波
回路５の出力が一定となるように半導体レーザ１の電流
を制御する。ＰＩ制御回路６９発振器８の発振出力およ
びバイアス電流源９の出力は加算回路７で加算されて半
導体レーザ１に入力される。この結果、半導体レーザ１
の発振周波数は吸収セル３の標準物質の原子または分子
の吸収線の中心に制御され、ビームスプリッタ２の他方
の出力光は原子または分子で決まる絶対値が高精度の周
波数となる。

しかしながら、上記のような装置では、出力光が周波数
変調されているため、瞬時周波数の安定性がなく、干渉
計測等の応用には不適当となり、応用範囲が狭くなると
いう欠点を有する。

このような欠点を解決するために、半導体レーザ出力光
を音響光学変調器で外部変調し原子および分子の吸収線
に制御することにより、無変調出力を得るように構成し
たものがある。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、そのような装置の場合には、音響光学変
調器が不安定なため、安定度が不十分であるという問題
がある。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもの
で、発振周波数が高安定に制御された周波数安定化レー
ザ光源を簡単な構成で実現することを目的とする。

く課題を解決するための手段〉 本発明に係る周波数安定化レーザ光源は第１の半導体レ
ーザと、この第１の半導体レーザの出力光を入力して特
定の周波数で吸収する物質を封入した吸収セルと、この
吸収セルを透過した光を検出する第１の光検出器と、前
記第１の半導体レーザの電流に変調を加える第１の発振
器と、この第１の発振器の出力またはその奇数倍周波数
の信号を参照信号として前記第１の光検出器の出力を入
力する第１の同期検波回路と、この第１の同期検波回路
の出力に基づいて前記第１の半導体レーザの発振周波数
を前記吸収セルの吸収線に制御する第１の制御回路と、
第２の半導体レーザと、前記第１．第２の半導体レーザ
の出力光を合波する光学手段と、この光学手段から出力
される出力光のビート信号を検出する第２の光検出器と
、第２の発振器と、この第２の発振器の出力と前記第２
の光検出器の出力を混合するミキサと、前記第１の発振
器の出力またはその奇数倍周波数の信号を参照信号とし
て前記ミキサの出力を同期検波する第２の同期検波回路
と、この第２の同期検波回路の出力に基づいて前記第１
の半導体レーザの発振周波数との差が前記第２の発振器
の発振周波数と等しくなるように前記第２の半導体レー
ザの発振周波数を制御する第２の制御回路とを備え、第
２の半導体レーザの出力が無変調となるように構成した
ことを特徴とする。

さらに第３の発振器と、第２の発振器の出力を前記第３
の発振器の出力で周波数変調または位相変調する変調回
路とを備え、変調回路の出力と第２の光検出器の出力を
ミキサで混合し、第３の発振器の出力またはその奇数倍
周波数の信号を第２の同期検波回路の参照信号としても
よい。

く作用〉 第１の半導体レーザは電流変調で高安定となり、第２の
半導体レーザの発振周波数が第１の半導体レーザの発振
の中心周波数から第２の発振器の発振周波数だけずれた
ところに制御されるので、周波数が無変調かつ高安定と
なる。

〈実施例〉 以下本発明を図面を用いて詳しく説明する。

第１図は本発明に係る周波数左室化レーザ光源の第１の
実施例を示す構成ブロック図である４第６図と同じ部分
は同一の記号を付して説明を省略する。】０は第２の半
導体レーザ、１１は半導体レーザ１０の出力光を２方向
に分離スるビームスプリッタ、１２はビームスプリッタ
１１を透過した光とビームスプリッタ２を透過した光を
合波する光学手段を構成する偏光ビームス１リツタ、１
３は２つの光が干渉するように偏波面を合せる偏光ビー
ムスプリッタ、１４は偏光ビームスグリツタから出射さ
れた光を入射［７てビーｈｆＳ号を検出する第２の光検
出器、１＋５はマイクロ波発振器行う第２の発振器、１
６は発振器１５の出力と光検出器１４の出力を混合（ミ
キシング）するマイクロ波ミキサ、１７はミキサ１６の
出力を入力１７、発振器８の出力を参照信号とするロッ
クインアンプ等からなる第２の同期検波回路、】８は同
期検波回路１７の出力を入力して対応する制御出力を第
２の半導体Ｌ−ザ１０に加える第２のＰ１制御回路であ
る。

」−記の構成の装置の動作を次に説明する。従来例の説
明て′述べたように、標準′ｌＩＪ質の吸収線に制御さ
れた半導体Ｌ−ザ１の出力光はビームスプリッタ２を介
して出射され、ビームスプリッタ１１を介して出射され
る＃″導体シーサ１０の出力光ど偏光ビームスグリツタ
１２で合波される。偏光ビムスプリッタ１２から出射さ
れた光は偏光ビムスプリッタ１３て偏波面か合わされた
後、光検出器１４でと−１−信号が検出される。；＊ｖ
ｘ６でこのビーｌ−借号を発振器１５の出力と混合した
後、同期検波回路１７において発振器８の出力を参照信
号として同期検波を行う、Ｆ）■制御回路１８は同期検
波出力がＯとなるように半導体し　→ｒ１０の発振周波
数を制御し、その結果半導体レーザ１０の発振周波数は
半導体レーザ１の中心周波数から発振器１５の発振周波
数だυずれた値どなり、ビームスプリッタ１１を介して
その一部が出力される。

この動作を数式を用いて説明すると次のようになる。半
導体レーザ１の電界振幅Ｅ１はＥ　　＝ｅ　　５ｉｎｆ
２ｒｆ１ｔ　−（Δｆ／ｆＩＩ）１ ｃｏｓ２ｒｆ　　　Ｌ＋Ｆ　　　（ｔ））　　　　−（
１）１１１ で表される。ただしｆｌは半導体レーザーの発振の中心
周波数、ψ１　は）は半導体レーサーの位相ノイズ、ｆ
　は発振器８の発振周波数、Δでは最大周波数偏移であ
る。また半導体レーザー０の電界振幅Ｅ２は Ｅ　　＝ｅ　　ｓ　ｉ　ｎ　（２ｙｒｆ２ｔ＋ｓｉ’２
　　（ｔ）　’ｔ２ ・・・　（２） で表される。ただしψ２　（ｔ）は半導体レーザ２の位
相ノイズである。光検出器１４に誘起される光電流１．
。は、 １　　（Ｘ：（Ｅ　　＋Ｅ２） ＰＤ　　　　１ ２ｅ　　ｅ　　ｃｏｓ　（２π（ｆ　　−ｆ２　）ｔｌ
　２　　　　　　　　１ ＋ψ（１，）−ψ２は）−（Δｆ／ｆ□）ｃ。

Ｓ２πｆｔ　＋　＋Ｉ　ＤＣ・＝　（３）となる。ここ
で ９１’（ｔ）＝Ｐ　　（ｔ）　−９５，、ｃｔ＞とし、
直流分Ｉ。０はＡＣ結合することで除去すると、 Ｉ　　＝Ｋ　　ｃｏｓ　（２π（ｆ、　−ｆ２）ｔ、→
−ψＰＤ　　　　１ （ｔ）　　−（Δ　ｆ／ｆ　　　　）ｃｏｓ２　　π　
ｆ　□　土、　）・・・　（４） となる。マイクロ波発振器１５の出力■８をＶ　　−＝
　ｅ　　ｓ　ｉ、　ｎ、　２　ｘ　ｆ　３ｔ　　　　　
−（５）３ とすると、ミー８ガ１６の出力■ＨＩｘはＶ　　　＝Ｋ
　　［５ｉｎ（２π（ｆ　　−ｆ　　−ｆ３）旧×　　
２　　　　　　　　１　２ ｔ５」ψ（ｔ）−（Δｆ　、’　ｆ　　）　ｃ　ｏ　ｓ
　２πｆ□ｔ）−Ｉ　ｓ　ｉ　ｎ　（２ｒ　（ｆｌ−ｆ
２＋ｆ３　）　ｔ＋ｓｏ　（ｔ）（Ａｆ／ｆ　　）ｃｏ
ｓ２πｆ、ｔ、）］・・　（６） となる。ここでｆ”ｆｌ”ｆ２　ｆ３の成分のみを考え
ると、 Ｖｕｘ−＝　Ｋ２　Ｓ　］、　ｎ　！　２　ｙｒ　ｆ　
ｔ　　（Δｆ′ｆＩＩ）ｃｏｓ２πｆ　　ｔ＋ｐ　（ｔ
）ｉ　　　　　＝・（７）躇 となる。半導体レーザのスペクトル線幅は冒−レンツ分
布をし、スペクトル線の半値幅をΔｆ１とすると、（７
）式はローレンツ分布を持ったとｌ−信号が周波数ｆ□
、最大周波数制移Δｆで正弦波的に変化していると考え
られる（第２図）。したがって（７）式はローレンツ分
布の一般式を用いて次のように書換えることができる。

■ＮＪＸ−”Ｋ／　［１＋　＋　（ｆ＋Δｆｓｆｎ２ｙ
ｒｆ。

１）／Δｆ１）　］　　　　　　　　・・・（８）ただ
しＫは比例定数である。（８ン式の５ｉｎ２πｆｌｔ成
分振幅Ｖｔ工は、 ５ｉｎ２πｆ　　ｔ＝−１ および ５ｉｎ２　π　ｆ　　　ｔ＝１ ２　　　　　　　　　　　　２　　　２−２ｆΔｆ）−
Δｆ　　　　　−に／（Δｆ　　　　＋ｆ１ ±Δｆ２＋２ｆΔｆ） ２２２２ ＋Δｆ　　　）　　　−４ｆ　　　Δで　　）　　　　
・・・　（９）同期検波回路１７の出力はこのｖｆｌに
比例し、例えば半導体レーザ１，１０のスペクトル線幅
Δｆ１を３０ＭＨ２，ｆｉ大周波数偏移Δｆを３０ＭＨ
２とし、ｆを−５００〜５００ＭＨｚ！で掃引したとき
の同期検波出力ｖｆＩｌは第３図のようになる。

第３図の同期検波出力の０クロスポイントａに半導体レ
ーザ１０の発振周波数を制御すれば、ｔ＝ｒ１−ｆ２−
ｆ３＝Ｏ・　（１０）すなわち ｆ１ｆ２＝ｆ３　　　　　・・・（１１）となるので、
ビート周波数は発振器１５のマイクロ波周波数と一致す
る。すなわち第４図に示すように、半導体レーザ１の発
振の中心周波数ｆ１は吸収線周波数に高確度、周波数高
安定状態で制御されており、マイクロ波周波数ｆ３も安
定なので、半導体レーザ１０の発振周波数で２も高安定
度となる。

このような構成の周波数安定化レーザ光源によれば、第
１の半導体レーザの発振周波数を電流変調で吸収線周波
数に制御し、マイクロ波でオフセットをかけて第２の半
導体レーザの発振周波数を制御することにより、無変調
、周波数高安定度の光出力を得ることができる。

またマイクロ波の周波数を変えることで、光出力周波数
を高安定・高確度で掃引することかできる０例えば２０
０’ｒＨｚに対して１〜２ＧＨ２掃引することができる
。

電流変調で吸収線に制御しているので、音響光学変調器
における光路変化等が起きないため、周波数安定度が優
れている。

なお上記の実施例において、同期検波の参照周波数はｆ
ｌを用いて１次微分信号の０クロスポイン１〜に制御し
ていたが、３ｆ、を参照周波数として３次微分信号の０
クロスポイントに制御することもできる。一般にｆ、の
奇数倍の参照周波数を用いて奇数次の微分信号の０クロ
スポイントに制御することができる。

またＶ　　出力のｆｉ　　ｆ２＋ｆ３の信号を用ＩＸ いても同様に制御することができる。この場合にはｆ　
　　ｆ２　ｆ３の信号を用いる場合より出力光の周波数
が２ｆ３だけ高くなる。

またミキサー５を省略してｆ３＝０とすれば、ｆ　２　
＝　ｆ　１で安定化することができる。ただしこの場合
にｆ２の周波数掃引はできない。

第５図は本発明に係る周波数安定化レーザ光源の第２の
実施例を示す構成ブロック図である。第１図と同じ部分
は同一の記号を付して説明を省略する。１９は変調用の
第３の発振器、２０は発振器１５のマイクロ波出力信号
を発振器１９の出力で周波数変調する変調回路である。

ミキサ１６は変調回路２０の出力と光検出器１４の出力
を混合し、同期検波回路１７は発振器１９の出力を参照
信号として同期検波を行う。その他の構成は第１図の場
合と同じである。

発振器１５から出力されるマイクロ波は変調回路２０に
より変調周波数１□２で周波数変調されるので、ミキサ
１６の出力と−１・信号はｆｒａ２で変調されている。

同期検波回路１７においてミキサ１６の出力を’ｎ２で
同期検波し、その出力がＯになるように制御すれば、半
導体レーザ１，１０間のビート周波数がマイクロ波中心
周波数と等しくなる。

このような構成の周波数安定化レーザ光源によれば、二
重変調とすることにより、半導体レーザ１の発振周波数
を吸収線周波数に制御するための周波数偏移と、半導体
レ−リ゛１０ｅ。′ｆ′尋体１．−ザ１の発振周波数１
１Ｊオフセツトを（、っ′て制御丈るメ１ｚめの周波数
偏移どが独立で、イれぞれに最適値を選ぶことができ（
１の゛て゛、安定度やＳ／Ｎが向１するにｈ　Ｊｊ吸収
綜ｆ鹸全輻と４′＃体Ｌ７〜ザのスペクトル線幅か大き
く異なる場合に有効下゛ある。

また半導体１．−９−リ′１０を！１″導体Ｌ−ヂ１の
発振周波数にオフセラ１−をもンて制御１′る制御系に
おいて、変調をフイ；ｉ　ｏ波Ｃ３かげているのて゛、
１′導体レーサ］の発振周波数を吸収線周波数に制ｔ＆
Ｉｌｌツ゛ｚ１制御系ｒ、こ゛１暫をり−えることなく
、安定度を向ｌτる、ご゛とができる、 なお上記の実施例ζ゛は半導体ｔ、−ザ】９１ｏども１
次微分て゛制御するように棺［戊Ｉているが、参照周波
数Ｃ１，それぞれ３ｆ　　　３ｆ、、２を用いて３次１
１゛ 微分のＯりＤスボイントに制御し、又もよい。一般にｆ
ｎ’ｌ　ｆｌ２の奇数１きの参照周波数を用い′て奇数
次の微分信−号の０り冒ζポインｌ＝に制御リ−ること
がでさ２）。

また変調回路２０て゛位相変調をが０てもよい。

２、ｉ、、−、、、−、に、：、　ｉｉこノ＠　ＪＲ施
ｍｌ　ｔ＝、　Ｓ　イて、’−ｒ’４　ｆ）ｒ＝　ｌｙ
−サ１　ノ出射光の一部を、ｊテング光、とり、て吸収
セル３Ｃ５１人射Ｉ２１、伯の　部を反対の方向から細
い光束て′グＵブ光とし、で吸収）ニル３に入射Ｉ５て
飽和吸収（ｒ’＋　”’ｊを得る＃ｌ！ｌ和吸収法〈堀
５角田１北野、数崎。小川９飽和吸収分光を用いた゛ｒ
導導体ｌ／ササ周波数７、電化、信学１、ｋ報ＯＱ　Ｅ
　８２−１１６　）を用い′ｉ０１ば、Ｊり安定な周波
数ジ定化１．−ザ尤源を実現づる、：Ｊかできる。

・Ｓ発明の効脣ト・ 以１　、、ｆ＝べなように本発明によれば、介、１も（
周波数か高安定ｔ、二制御さ７ン、な周波数安定化し　
サ光ａｆａを節部な積数て・実現する１丁とかできる。

４、）予−ｎ　ＦｆＪｊの簡単な説明 第１図は本発明に係る周波数安定化し−１７Ｆ光源の第
１の実施例を事″づ”棺成ブ冒ツク図　第２し１・−第
４し１は第１図装置の動作を示τ゛諜、明図、第５５し
は本発明に係る周波数安定化し、・−ザ光源の第二２の
実施例を示１桐成ブＣ７ツク図、第６図は周べ数支定化
し−ザ光源の従来例を示′１楕成プロ・ツク図である。

１・・・第１の半導体レーザ、３・・・吸収セル、・ト
・・第１の光検出器、５・・・第１の同期検波回路、６
・・・ｍｉの制御回路、８・・・第１の発振器、１ｏ・
・・第；１の￥′導体Ｌ・−ザ、１２・・・光′Ｙ：１
絞、１・１・・・第２の光検出器、１５・・第２の発掘
・器、１６・・・ミ人ザ、１７・・・第２の同期検波回
路、１８・・・第２の制御１１：１回路、１０・・・第
３の発振器、２０・・・鴇′調１１１１路　　ｆｌ・・
第１の半導体Ｙ・−ザの発振周波数、ｆ２・・・第２の
半導体レーザ“の発振周波数。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１の半導体レーザと、この第１の半導体レーザ
   の出力光を入力して特定の周波数で吸収する物質を封入
   した吸収セルと、この吸収セルを透過した光を検出する
   第１の光検出器と、前記第１の半導体レーザの電流に変
   調を加える第１の発振器と、この第１の発振器の出力ま
   たはその奇数倍周波数の信号を参照信号として前記第１
   の光検出器の出力を入力する第１の同期検波回路と、こ
   の第１の同期検波回路の出力に基づいて前記第１の半導
   体レーザの発振周波数を前記吸収セルの吸収線に制御す
   る第１の制御回路と、第２の半導体レーザと、前記第１
   、第２の半導体レーザの出力光を合波する光学手段と、
   この光学手段から出力される出力光のビート信号を検出
   する第２の光検出器と、第２の発振器と、この第２の発
   振器の出力と前記第２の光検出器の出力を混合するミキ
   サと、前記第１の発振器の出力またはその奇数倍周波数
   の信号を参照信号として前記ミキサの出力を同期検波す
   る第２の同期検波回路と、この第２の同期検波回路の出
   力に基づいて前記第１の半導体レーザの発振周波数との
   差が前記第２の発振器の発振周波数と等しくなるように
   前記第２の半導体レーザの発振周波数を制御する第２の
   制御回路とを備え、第２の半導体レーザの出力が無変調
   となるように構成したことを特徴とする周波数安定化レ
   ーザ光源。
2. （２）第３の発振器と、第２の発振器の出力を前記第３
   の発振器の出力で周波数変調または位相変調する変調回
   路とを備え、変調回路の出力と第２の光検出器の出力を
   ミキサで混合し、第３の発振器の出力またはその奇数倍
   周波数の信号を第２の同期検波回路の参照信号とする請
   求項１記載の周波数安定化レーザ光源。