JPH04215487A - 電気・光レーザシステムにおけるレーザ光の振幅変化を校正する方法及び装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は電気・光クリスタル変
調レーザシステムに関し、特にレーザシステム内の電気
・光クリスタルの複屈折に関する。

【０００２】

【従来の技術】導波管ＣＯ２　レーザのような一般的な
クリスタル変調レーザはレーザ共振器内に電気・光クリ
スタルを有し、レーザ増幅媒体により発生したレーザ光
を周波数変調する。これはクリスタルに周期的に変化す
る電圧を印加することによって行なわれる。この周期的
に変化する電圧により、クリスタルの屈折率が変調電圧
に同期して変化する。これによりレーザ共振器の光学的
有効長を変化させ、その結果レーザ光の周波数は変調さ
れる。

【０００３】Ｕ．Ｓ．特許Ｎｏ．４，６６６，２９５に
開示され、又この文書で参照されるような線形ＦＭチャ
ープレーザクリスタル変調レーザはこの一例であり、こ
のレーザは、共振器内（ｉｎｔｒａ−ｃａｖｉｔｙ）Ｆ
Ｍ−ｃｕｔ　　ＣｄＴｅ電気・光変調器に電圧を加える
ことにより、周波数チャープ（ｃｈｉｒｐｅｄ）　出力
をＣＯ２　導波管レーザから出力する。印加される電圧
はクリスタルの屈折率を変化させ、クリスタルはＦＭチ
ャープを発生する。この線形ＦＭチャープレーザシステ
ムはレーザレーダシステムにおいて開発され、システム
に必要なチューニング範囲及びパルス圧縮の線形性を提
供する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】レーザの原理によれば
、変調光出力即ちＦＭチャープの振幅は、総合周波数変
化がゲイン幅に比べ比較的小さければ、殆ど変化しない
。しかし、この原則とは対照的に、線形ＦＭチャープレ
ーザシステムによって発生した周波数チャープ出力は、
周波数スペクトル内の振幅に著しい落ち込み（ｄｉｐ）
　を示す。この現象は高ゲインレーザシステムでは更に
著しく発生する。

【０００５】このレーザ振幅の変化、即ちＡＭ降下は電
気・光クリスタル内の複屈折の結果生じる。複屈折は異
なる偏光に関する異なる屈折率によって特徴付けられる
、ある種のクリスタルの特徴である。高複屈折クリスタ
ルは光を一つの偏光から異なる偏光へ回転することがで
きが、レーザの効率を下げる損失を生じる。線形ＦＭチ
ャープレーザの場合、共振器内で線形偏光されたレーザ
光の一部はＦＭ・チャープカット（ｃｈｉｒｐ　ｃｕｔ
）　ＣｄＴｅクリスタルを介した経路で楕円偏光する。 共振器内の要素は線形の偏光感度を有するので、複屈折
による楕円偏光は変調出力に振幅損失を生じやすい。

【０００６】これら著しい振幅変化はレーザレーダシシ
ステムに多くの問題を生じさせることがある。例えば、
この変化はレーザのロッキングを著しく困難にする。シ
ステム内のロッキングはゲイン変化によって生じる僅か
な振幅変化に依存し、レーザ周波数をライン中心に保持
する。クリスタル複屈折が僅かな振幅変化を圧倒するこ
とによって生じる著しい振幅の変化がロックループによ
る場合、周波数制御は難しくなる。

【０００７】変調出力の振幅変化を実際的に校正する方
法は知られていない。現在用いられている方法は、クリ
スタルの温度を特定の値に保ちながらレーザを動作する
ことである。クリスタル内の複屈折はレーザ動作の前に
知ることは一般にできないので、手続きを実験的に行っ
て最適な動作温度を決定しなければならない。思考錯誤
の結果、一般に０．５度以下の極めて狭い温度範囲が見
付けられ、レーザは最小の振幅変動で動作する。この手
続きには膨大な時間が費やされ、温度を要求される範囲
以内に維持するのには高価な電気的温度フィードバック
回路を必要とするので、振幅変化の大部分は校正されな
い。

【０００８】従って、電気・光変調レーザシステムの損
失を生じる複屈折を校正する効果的な方法及び装置を提
供することが切望される。

【０００９】

【課題を解決するための手段と作用】この発明は電気・
光クリスタル変調レーザシステムで発生する周波数変調
レーザ光の振幅変化を大幅に改善する。この改善は共振
器内のクリスタル複屈折を補償することによって行なわ
れる。その結果、困難なクリスタルの温度制御をするこ
となく、レーザシステムの変調出力振幅の落ち込みを実
質的に減少することができる。

【００１０】電気・光変調レーザシステムは大ゲイン媒
体により、線形に偏光されたレーザ光を発生し、反射器
及び出力カプラ（ｏｕｔｃｏｕｐｌｅｒ）により定義さ
れる共振器内に配置される。電気・光クリスタル変調器
は、共振器内のレーザ増幅媒体と出力カプラの光軸内に
配置される。 電圧がクリスタル変調器に印加され、変調器は変調出力
を変化させる。

【００１１】この発明によれば、変調出力の変化は楕円
偏光を線形偏光に変えることにより校正される。この校
正は、Ｄ．Ｃ．バイアス電圧を直接電気・光クリスタル
に印加するか、又は、電気・光クリスタル変調器と出力
カプラの間の共振器にクオータ波プレート（ｑｕａｒｔ
ｅｒ−ｗａｖｅ　ｐｌａｔｅ）を挿入し、クリスタルの
複屈折による損失を減少することによって達成される。 クリスタル内の複屈折は一般に未知のファクタであるの
で、クリスタルに印加されるＤ．Ｃ．バイアス電圧は振
幅損失が最小になるまで調節される。

【００１２】クオータ波プレートが共振器に挿入された
とき、又はＤ．Ｃバイアス電圧がクリスタルに印加され
たとき、クリスタルの複屈折によって生じた楕円偏光は
校正され、出力偏光は線形になるが、共振器内の光に対
してある角度で傾いている。そこでレーザは出力カプラ
から反射し、共振器内にありレーザシステムを再び通過
する。このとき、光は校正され、光は元の導波管ボア（
ｂｏｒｅ）で元の偏光状態に戻る。ここで再びクリスタ
ルの複屈折の大きさは未知のファクタであるのでクオー
タ波プレートは回転するように搭載され、プレートを未
知の複屈折を補償するように調整することができる。従
って振幅の追加損失は見られず、レーザの振幅変化が校
正される。

【００１３】

【実施例】この発明は好適実施例に結び付いて説明され
るが、この発明はその実施例に限定されるものではない
。この発明は特許請求の範囲によって限定されるような
発明の範囲に含まれる修正、変更、又は同等な装置を全
てカバーするものである。

【００１４】図１はここで詳細に説明される従来の周波
数変調レーザシステムのブロック回路図であり、１０と
して示される。レーザ増幅媒体１６は導波管ＣＯ２　レ
ーザである。この導波管は線形に偏光したレーザ光２２
を発生し、出力カプラ１２及びエンドリフレクタ（ｅｎ
ｄ　ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）　１４によって定義される共
振器の内側に位置する。ＦＭカットＣｄＴｅクリスタル
（ＦＭ−ｃｕｔ　ＣｄＴｅ　ｃｒｙｓｔａｌ）　２５を
使用する電気・光クリスタル変調器２０は、レーザ増幅
媒体１６と出力カプラ１２の間の共振器内部に位置する
。線形傾斜電圧（ｖｏｌｔａｇｅ　ｒａｍｐ）発生器２
４が変調器２０に適用され、レーザ光２２の周波数を変
化し、所望出力２７を発生する。傾斜電圧発生器２４は
、変調器２０に適用されたとき、クリスタル２５の屈折
率を変化し、共振器内のレーザ光２２の周波数を順次変
える。変調の結果は周波数チャープ出力２７である。あ
る実施例では、レーザシステム１０は、パルス圧縮に必
要なチューニング範囲及び線形性を提供するレーザ送信
器を有するレーザレーダシステムを提供する。

【００１５】システムが動作中のとき、増幅媒体１６に
より発生した線形偏光レーザ光２２は所望の線形偏光出
力２７を発生するためにクリスタル２５を通過する。理
想的な条件の下では、クリスタル２５を通過したレーザ
光は完全に線形偏光されるが、一般にクリスタル内の複
屈折によって、部分的にレーザ光が楕円偏光される。複
屈折は、複屈折クリスタルを通過する光が一つの偏光か
ら他の偏光へ変化するある種のクリスタルの特徴であり
、ＦＭカットＣｄＴｅクリスタル内の複屈折の場合、導
波管ＣＯ２　レーザからの線形偏光された光の一部は楕
円偏光になる。更に、複屈折による損失は、傾斜電圧発
生器２４による、クリスタル２５に印加される電圧の大
きさに依存し、その電圧に従って変化する傾向がある。

【００１６】楕円偏光された光は共振器内で損失を生じ
、それはレーザ出力２７の振幅を減少させる。これは、
エンドリフレクタ１４及び増幅媒体１６が線形偏光感知
要素であるために生じ、又、共振器内の楕円偏光レーザ
光が、線形偏光感知要素に直交する成分に関して実質的
な減衰性を有することによって生じる。

【００１７】図２はレーザシステム１０からの出力を示
し、スペクトルアナライザに表示される周波数スペクト
ルの複製を表す。尚、その周波数スペクトルは振幅に大
きなデップ２８を有し、この落ち込み２８はクリスタル
２５内部の複屈折によって生じる。この望ましくない落
ち込み２８は、レーザシステム１０がレーザレーダシス
テムに配備されるときに特に多くの問題を発生する。

【００１８】傾斜電圧発生器２４とレーザ出力２７の振
幅損失の間の関係が図３に示される。ここで、出力２７
は傾斜電圧発生器２４からの変調電圧に従って変動する
傾向がある。それ故、出力２７は変調電圧とクリスタル
内の複屈折による損失の間の関係を示す。

【００１９】この発明の一実施例によれば、電圧源３０
からのＤ．Ｃ．バイアスが図４に示されるようにクリス
タル２５の複屈折を補償するために、クリスタル２５に
直接印加される。複屈折を補償するためにクリスタルに
印加されるＤ．Ｃ．バイアスの大きさは、傾斜電圧発生
器２４に適用される電圧源の大きさと同一のオ−ダ（ｏ
ｒｄｅｒ）　である。クリスタル２５に印加される電圧
源３０からのＤ．Ｃ．バイアス電圧によって、複屈折は
補償され、一度楕円偏光された光２６は線形偏光される
が、共振器内の偏光感知要素に関して傾斜する。線形偏
光した光は出力カプラ１２を反射しシステム１０を通過
する。 そしてその光は元の導波管ボア１６に戻る。

【００２０】異なるクリスタルの複屈折は変化するので
、複屈折を校正するのに必要となる電圧源３０からのＤ
／Ｃバイアスの大きさを、レーザを動作させる前に決定
するのは困難である。この場合、クリスタル２５に印加
される電圧源３０のＤ．Ｃ．バイアスを調整可能とし、
それによってレーザのオペレータは、特定クリスタルの
複屈折損失を校正するために、クリスタル２５に加えら
れる電圧源の大きさを規制できる。クリスタル内の複屈
折損失は最小限に保持され、レーザ出力２７の振幅の落
ち込み２８は、適切なバイアス電圧源がクリスタルに一
度印加されと校正される。

【００２１】図５に示されるこの発明の他の実施例にお
いて、電気・光変調器２０と出力カプラ１２の間の共振
器内にはクオータ波プレート（ｑｕａｒｔｅｒ−ｗａｖ
ｅ　ｐｌａｔｅ）３２が挿入される。このウエーブプレ
ートは線形複屈折材料であり、一般にクオーツ（ｑｕａ
ｒｔｚ）や方解石、又は他の複屈折クリスタルのＸカッ
ト部を準備することによって作られる。ウエーブプレー
トは一対の直交座標を有し、これら直交座標は高速及び
低速に示される。光がウエーブプレートを通過するとき
、高速軸に平行な成分は、低速軸に平行な成分より速く
通過し、これら成分の間に位相シフトが発生する。クオ
ータ波プレートは、高速成分と低速成分の間に９０°の
位相シフトを有する。楕円偏光した光は、楕円の主軸と
副軸に平行な二つの線形成分により構成された光と考え
られる。クオータ波プレートの軸が楕円の軸に平行であ
れば、送信される二つの成分は０°又は１８０°の位相
差を有し、且つ線形である。従ってクオータ波プレート
３２は、クリスタル２５内の複屈折によって楕円に偏光
された光を校正し、線形に偏光された光を出力するが、
共振器内の偏光感知要素導波管ボアに対して傾いている
。そして光は出力カプラ１２を反射し、ウエーブプレー
ト３２及び変調器２０を二回通過し、導波管ボアの入口
、即ちボアの壁に平行に偏光を校正する。

【００２２】再び、クリスタル２５内の複屈折は未知の
ファクタであるので、クリスタルから放出される楕円偏
光された光の構成軸は未知である。従ってプレート３２
は、振幅の落ち込みを効果的に校正する正しい方向を得
るために、ウエーブプレート３２の光軸についての回転
に関して調整可能でなければならない。これに適合する
ために、ウエーブプレート３２の光軸が楕円偏光軸に平
行になるように、レーザシステム内のレーザ光に平行な
軸について回転するようにクオータプレート３２が搭載
される。

【００２３】図６はクリスタル２５に加えられるＤ．Ｃ
．バイアス電圧源又は共振器内に挿入されるクオータ波
プレート３２を有する出力２７の周波数スペクトルを示
す。ここで、周波数チャープ出力には振幅変化２８は既
にない。

【００２４】図７はこの発明を実施したときの変調傾斜
電圧発生器２４とレーザ出力２７の間の関係を示す。出
力２７は傾斜電圧発生器２４からの変調電圧に関わらず
に一定に保たれる。

【００２５】この発明の他の利点は、この発明によって
レーザは広い温度範囲で動作できることである。クリス
タル温度で比較して、異なるレーザ出力を示す表を次に
示す。

【００２６】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　パワー出力　　　　クリスタル　　　　クオ
ータプレート　　クオータプレート　　　　Ｄ．Ｃ．バ
イアス　　　　　　　　温度　　　　　　　　　　無し
　　　　　　　　　　　　　　有り　　　　　　　　　
　　　　　電圧印加　　　　　　３０°Ｃ　　　　　　
　　　　　１０Ｗ　　　　　　　　　　　　　１１ｗ　
　　　　　　　　　　　　　　１１Ｗ　　　　　４０°
Ｃ　　　　　　　　　　　　　９Ｗ　　　　　　　　　
　　　　１１ｗ　　　　　　　　　　　　　　　１１Ｗ
　　　　　５０°Ｃ　　　　　　　　　　　　　０Ｗ　
　　　　　　　　　　　　１１ｗ　　　　　　　　　　
　　　　　　　８Ｗ　　　　　６０°Ｃ　　　　　　　
　　　　　　０Ｗ　　　　　　　　　　　　　１１ｗ　
　　　　　　　　　　　　　　　　８Ｗ　クリスタルは
レーザ増幅媒体からの熱に影響されやすいので、容易に
５０°Ｃの温度に達する。ここでクリスタルの温度が約
４０°Ｃのとき、クオータ波プレ−ト又はＤ．Ｃ．バイ
アス電圧を使用しなければ、レーザ効率はかなり低下す
る。従ってこの発明により、レーザシステムの出力に含
まれる振幅の落ち込みを簡単にしかも効果的に校正する
技術が提供できるのは明らかである。

【００２７】この発明は線形ＦＭチャープレーザに関し
て説明されたが、当業者は多くの変更や修正や変化を考
えることができるのは前述の説明から明らかである。従
って、これらの変更や修正や変化は特許請求の範囲に含
まれるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のクリスタル変調レーザシステムの略図。

【図２】従来のレーザシステムの出力を表し、周波数ス
ペクトルに対応する振幅変化を示す図である。

【図３】従来のレーザ出力波形であり、出力の振幅変化
を示す図である。

【図４】この発明の一実施例の略図であり、この実施例
では変調器のクリスタル複屈折を校正する図である。

【図５】この発明の他の実施例の略図であり、この実施
例では共振器内の繰り捨てる複屈折を校正する図である
。

【図６】特許請求の範囲に示されるレーザの出力の周波
数スペクトルを示す図である。

【図７】特許請求の範囲に示されるレーザの出力波形を
示す図である。

【符号の説明】

１４……エンドリフレクタ、１６……レーザ増幅媒体、
２０……変調器、２５……クリスタル、２４……傾斜電
圧発生器、１２……出力カプラ、３０……電圧源、３２
……クオータウエーブプレート。

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　レーザシステム内で電気・光クリスタ
   ル内の複屈折によって生じる振幅変化を校正する方法で
   あって、 ａ）レーザ増幅媒体を動作させて線形偏光したレーザ光
   を放出し、ここで前期増幅媒体はエンドリフレクタ及び
   出力カプラによって定義される共振器の内部に配置され
   、 ｂ）前記共振器内に配置される電気・光クリスタル変調
   器に前記光を通過させることにより、前記光を周波数変
   調し、ここで前記電気・光クリスタル変調器内のクリス
   タル複屈折は、前記線形偏光に楕円偏光を生じ、及び前
   記周波数変調レーザ光に振幅変化を生じ、ｃ）前記共振
   器内で前記楕円偏光を線形偏光に変えることにより前記
   振幅変化を校正する、ステップを有することを特徴とす
   るレーザ光の振幅変化校正方法。
2. 【請求項２】　　前記ステップｃ）はＤ．Ｃ．バイアス
   電圧を前記電気・光クリスタルに直接印加することを含
   むことを特徴とする請求項１記載の校正方法。
3. 【請求項３】　　前記ステップｃ）は前記共振器内のレ
   ーザ光の光軸上にクオータ波プレートを挿入することを
   含むことを特徴とする請求項１記載の校正方法。
4. 【請求項４】　　前記クリスタルに印加される前記Ｄ．
   Ｃ．バイアス電圧を、前記振幅変化が最小に保持される
   まで調節するステップを更に含むことを特徴とする請求
   項２記載の校正方法。
5. 【請求項５】　　前記クオータ波プレートの方向を、前
   記振幅変化が最小に保持されるまで、前記クオータ波プ
   レートを前記レーザ光に平行な軸について回転すること
   によって調節するステップを更に含むことを特徴とする
   請求項３記載の校正方法。
6. 【請求項６】　　ａ）線形偏光されたレーザ光を放出す
   るレーザ増幅媒体と、ここで前記増幅媒体はエンドリフ
   レクタおよび出力カプラにより定義される共振器内に配
   置され、 ｂ）前記レーザ増幅媒体の光軸上に位置する前記共振器
   の内部に設けら、前記レーザ光を周波数変調する電気・
   光クリスタル変調手段と、ここで前記電気・光変調手段
   の複屈折は前記線形偏光された光に楕円偏光を生じ、及
   び前記周波数変調レーザ光の振幅変化を生じ、及びｃ）
   前記振幅変化を、前記楕円偏光された光を前記共振器内
   で線形偏光に変えることにより校正する校正手段、を有
   することを特徴とする電気・光変調レーザシステム。
7. 【請求項７】　　前記校正手段は、Ｄ．Ｃ．バイアス電
   圧を前記電気・光変調手段に直接印加する電圧源手段を
   更に具備することを特徴とする請求項６記載の電気・光
   変調レーザシステム。
8. 【請求項８】　　前記校正手段は前記レーザ光の光軸上
   の前記共振器内に設けられるクオータ波プレートを更に
   具備することを特徴とする請求項６記載の電気・光変調
   レーザシステム。
9. 【請求項９】　　前記レーザ増幅媒体は導波管ＣＯ２　
   レーザを更に具備することを特徴とする請求項６記載の
   電気・光変調レーザシステム。
10. 【請求項１０】　　前記電気・光クリスタルはＦＭカッ
    トＣｄＴｅクリスタルを更に具備することを特徴とする
    請求項６記載の電気・光変調レーザシステム。
11. 【請求項１１】　　前記周波数変調レーザ光は周波数線
    形チャープを有することを特徴とする請求項６記載の電
    気・光変調レーザシステム。
12. 【請求項１２】　　前記電気・光クリスタル変調器は、
    線形傾斜電圧発生器による電圧が供給されることを特徴
    とする請求項６記載の電気・光変調レーザシステム。
13. 【請求項１３】　　前記レーザシステムはレーザレーダ
    システムに使用されることを特徴とする請求項６記載の
    電気・光変調レーザシステム。
14. 【請求項１４】　　前記校正手段は、前記線形偏光され
    た光に対して傾いている線形偏光された光を出力するこ
    とにより前記楕円偏光された光を校正することを特徴と
    する請求項６記載の電気・光変調レーザシステム。
15. 【請求項１５】　　前記出力光は前記出力カプラを反射
    し、前記システムを通過し、前記レーザシステム内で線
    形偏光された光に戻ることを特徴とする請求項１４記載
    の電気・光変調レーザシステム。
16. 【請求項１６】　　前記クオータ波プレートは前記電気
    ・光変調手段と前記クリスタル出力カプラの間に設けら
    れることを特徴とする請求項８記載の電気・光変調レー
    ザシステム。
17. 【請求項１７】　　前記クオータ波プレートは、前記共
    振器内の前記レーザ光に平行な軸について回転するよう
    に搭載されることを特徴とする請求項８記載の電気・光
    変調レーザシステム。
18. 【請求項１８】　　前記電気・光クリスタルに印加され
    る前記Ｄ．Ｃ．バイアス電圧の値は調整可能であること
    を特徴とする請求項７記載の電気・光変調レーザシステ
    ム。