JPH03250682A - 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】 く：産業上の利用分野〉 本発明は、半導体レーザを用い７３周波数安定化レーザ
光源の安定性の改善に関する。

〈従来の枝術〉 第４図は周波数安定化１．−ザ光源の一従来例を示すブ
ロック図て゛、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ｍ
づるものを示している。〒導体１．・−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回路５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、ＰＩ制御回路６
は同期検波口１５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６１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、安定度が限定されるという問題が
ある。また音響光学変調器は消費電力が大きく、高価で
あり、ドライバが大型であるという問題もある。

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
ザ光源を音響光学変調器を用いずに実現することを目的
とする。

〈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発振器と、
こ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および第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、この第
２の光検出器から出力される信号の周波数を電圧に変換
する周波数／＠圧変換回路と、この周波数／を正変換回
路の出力から変調周波数における交流電圧成分を除去す
るローパスフィルタと、このローパスフィルタの出力が
一定となるように前記第２の半導体レーザの発振周波数
を制御する第２のＭ＃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。

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は第１の半導体レーザの発振
の中心周波数からローパスフィルタ出力の設定値に対応
した周波数だけずれたところに制御され、無変調なので
、出力周波数が高安定となる。

〈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安定化レーザ光源の第１の
実施例を示す構成ブロック図である。第４図と同じ部分
は同一の記号を付して説明を省略する。なお半導体レー
ザＩに加わるバイアス電流は省略している。また第４図
の同期検波回路５とＰＩ制御回路６からなる部分を第１
の制御部１０として表している。１１は第２の半導体レ
ーザ、１２は半導体レーザ１１の出力光を２方向に分離
するビームスプリッタ、１３はビームスプリッタ１２の
透過光とビームスプリッタ２の透過光を合波する光学手
段を構成するビームスプリッタ、１４はビームスプリッ
タ１３から出射された光を入射してビート信号を検出す
る第２の光検出器、１５は光検出器１４の出力を入力し
てその周波数を電圧に変換する電圧／周波数変換器、１
６は周波数／電圧変換器１５の出力を入力し、対応する
制御出力が半導体レーザ１１の電流を駆動する第２の制
御部である。第２図は第２の制御部１６の構成を示し、
１６１は周波数／電圧変換器１５の出力に含まれる変調
成分を除去するローパスフィルタ、１６２はローパスフ
ィルタ１６１の出力にバイアス電圧ｖ８を加算するバイ
アス加算回路、１６３はバイアス加算回路１６２の出力
を入力するＰＩ制御回路である。ＰＩ制御回路１６３の
制御出力は半導体レーザ１１の電流を駆動する。吸収セ
ル３内の標準物質としては例えばアセチレン。

シアン化水素、ルビジウム、セシウム等が用いられる、 上記の構成の装置の動作を次に説明する。

１ｉ導体レーザ１の周波数は、従来例で説明したように
、電流変調により標準物質の吸収線に制御されている（
第３図（Ａ）（Ｂ））、半導体レーザ１は変調周波数ｆ
１の正弦波で電流変調されており、その出力ｅ１は ｅｌ　＝Ｅ１　ｓ　ｉ　ｎ　（２πｆ１ｔ＋ｋｓ　ｉ　
ｎ２ｙｒｆＩＮ　　ｔ＋ψ１　）　　　　　　　　　　
　　　　　・・・（１）で表される。ここでＥｌは振幅
、ｆｌは発振周波数、ｋは係数１ψは位相である。この
ような半導体レーザーの出力光はビームスプリッタ２を
介し°ζ出射され、ビームスプリッタ−２を介して出射
される半導体レーザー−１の出力光とビームスプリッタ
−３で合波される。ビームスブリツタ１３から出射され
た光は光検出器１４に入射し”ζビ４−ト信号が検出さ
れる。半導体レーザ２の出力は変調を受けていないので
、その発振周波数をｆ２．振幅をｈ２．位相をｒ２とす
ると、 ｅ２＝Ｅ２ｓ　ｉ　ｎ　（２ｙｒｆ２　を十Ｐ２　）・
・・　（２） となる。したが−）て、これらが合波された光検出器１
４の出力電流ｉは、ｆ　１＋ｒ　２の成分と直流分を除
くと、 １　（）Ｃ（ｅ１＋　ｅ　２　） ＝　２　Ｅ　１Ｅ　２　ＣＯＳ　（２π（ｆｌ−ｆ２）
ｔ＋ψ１−ψ２±ｋｓｉｎ２ｒｆ、ｔ）　　＝（３）と
なる、この出力を周波数／電圧変換器１５に通ずと、（
３）式の周波数（ｆｌ−ｆ２　）に対応する直流電圧と
、ｋｓ　ｉ　ｎ２πｆｔに対応する１覆 弦波電圧が変調周波数成分として出力に現れる。

この出力は第２の制御部１６のローパスフィルタ１６１
で変調周波数成分が除去された後、加算回路１６２でバ
イアス電圧Ｖｅと加算され、ＰＩ制御回路１６３を介し
、半導体レーザー１に帰還される。この結果、ローパス
フィルタ１６１の出力が ＶＢ　＝ｇ　（ｆ、−ｆ２）　　　　　　　・・・（４
）すなわち １ ｆ２−ｆｌ−ｇ　（ＶＢ）　　　　　・・・（５）とな
るように半導体レーザ１１の周波数が制御される（第３
図（Ｃ））、ここでｇ（ｆ）は周波数／電圧変換回路の
変換特性を示す関数、ｇ”１（Ｖ）はその逆関数である
。このようにし、て半導体レーザ１１の発振周波数が吸
収線から一定の周波数シフトした点に無変調で制御され
、ビームスプリッタ１２から外部へ取出される。

このような構成の周波数安定化ｌ／−ザ光源によれば、
半導体し・−ザ１の発振の中心周波数１１を電流変調で
吸収線周波数に高確度、周波数高安定状態で制御し、半
導体レーザ１１の発振周波数で２を半導体レーザ１の出
力光の中心周波数から一定周波数シフトした周波数とな
るように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。したがってコヒーレント
光計測器や干渉測長器等の光源として最適である。

また音響光学変調器を用いずに、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
が起きず、周波数安定度が優れている。また小型で安価
、低消費電力とすることができる。

なお上記の実施例において、半導体レーザ１゜１１の発
振スペクトル幅が広＜　Ｓ／Ｎ比が悪いとき、あるいは
両発振周波数の間隔を広くするときは周波数／＄庄突変
換器前に入力高周波を低周波に変換する分周器からなる
ブリスゲーラを挿入すればよい。

また周波数／電圧変換器の出力にバイアス電圧を加える
のではなく、周波数／＠庄突変換器前でバイアス周波数
をミキサで差引いてもよい。

またバイアス電圧を変えることにより、出力光周波数を
可変にすることができる。

また同期検波の参照周波数はｆＬｌｌを用いて１次微分
信号の０クロスポイントに制御していたが、３ｆｌ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ｆｌの奇数倍の参照周波数を
用いて奇数次の微分信号のＯクロスポイントに制御する
ことができる。

また上記の各実施例において半導体レーザ１の出射光の
一部をポンプ光として吸収セル３に入射し、他の一部を
反対の方向から細い光束でプローブ光として吸収セル３
に入射して飽和吸収信号を得る飽和吸収法（堀、角田、
龍野、薮崎、小川：飽和吸収分光を用いた半導体レーザ
の周波数安定化、信学技報０ＱＥ８２−１．１．６）を
用いれば、より安定な周波数安定化レーザ光源を実現す
ることができる。

〈発明の効果〉 以上述べたように本発明によれば、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音響光学変詞器
を用いずに実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る周波数安定化レーザ光源の一実施
例を示す構成ブロック図、第２図はその第２の制御部１
６を示す部分構成ブロック図、第３図は第１図装置の動
作を示す説明図、第４図は周波数安定化レーザ光源の従
来例を示す構成ブロック図である。 １・・・第１の半導体レーザ、３・・・吸収セル、４・
・・第１の光検出器、５・・・第１の同期検波回路、６
・・・第１の制御回路、８・・・発振器、１１・・・第
２の半導体レーザ、１３・・・光学手段、１４・・・第
２の光検出器、１５・・・周波数／電圧変換器、１６１
・・・ローパスフィルタ、１６３・・・第２の制御回路
、ｆｌ・・・第１の半導体レーザの発振周波数、ｆ２・
・・第２の半→

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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
   える発振器と、こ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および第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、この第２の光検出器から出力される信号の周波
   数を電圧に変換する周波数／電圧変換回路と、この周波
   数／電圧変換回路の出力から変調周波数における交流電
   圧成分を除去するローパスフィルタと、このローパスフ
   ィルタの出力が一定となるように前記第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。