JPH0482072B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 この発明は、RF励起レーザの周波数安定化装
置であつて、レーザガスで充たされ、インピーダ
ンスを有する共振空洞、出力インピーダンスを有
する無線周波数（RF）交流電力発生器、該発生
器に接続されてレーザガスを励起するための電
極、および、レーザの周波数を変動するようにさ
れた手段が含まれているものに関するものであ
る。

従来技術の説明 レーザには、医療用だけではなく、例えば軍事
用のような多様な適用があることが想起される。

レーザの利得プロフイール、すなわち周波数の
関数としてのレーザの光強度を表わす曲線におい
て、特定の共振周波数に関する放射または吸収ス
ペクトル線は、長期間にわたり、レーザの安定
化、すなわちスペクトル線のひとつにおける放射
周波数の固定化のために用いられてきている。こ
のことを除き、光強度検知器が特に要求されてい
たが、これは実際的ではなかつた。

電子の衝突によるレーザガス媒体の分子の有効
な励起区分は、所与の分子についてはそれらの性
質に依存して、また、それらのエネルギ・レベル
に依存して変動することから、共振周波数の周辺
では、増幅または吸収に関与するレベルの程度は
入射光線の周波数の関数としての光強度と同様な
態様で変動することが認められる。こゝで、その
変動の程度はレーザ・プラズマの巨視的なイオン
化特性、したがつてそのインピーダンスにおける
変動に起因するものである。

レーザ・プラズマのインピーダンスは光強度と
して周波数とともに変動することから、それらの
インピーダンスによつてレーザを安定化させるこ
とが提案された。しかしながら、このような光電
流的な安定化は、いまでは、連続的な励起レーザ
のため、特にそれらをスペクトル線の頂部におい
て安定化させるためにだけ実現されている。この
光電流的な安定化技術を不連続の励起レーザに適
用しようとした試みは成功しなかつた。励起信号
および安定化信号の別異の性質は、その一方は連
続的であり他方は交番的であることから、この技
術を連続的な励起レーザの場合に適用することは
簡単であつたというべきである。

1980−1981年に光電流的なRF放電分光技術が
現われてから、本出願人は、不連続の励起レーザ
について、RF励起をもつて光電流的な安定化の
問題を再び検討した。それは、試験されるセルの
ガス媒体内で、該セルに結合された無線周波数発
振器であつて、該セルに対して固定された外部電
極によつて容量的に、または該セルを囲繞するコ
イルによつて誘導的に、のいずれかで生起される
プラズマによつて励起される原子を生成させるこ
とである。その結合のために、セルのガス媒体の
インピーダンスは発振器に対する負荷の一要素を
形成している。このインピーダンスは、変動する
周波数で入射レーザ光により生起される光子の吸
収で変調されるものであり、その周波数または振
幅が適当に変調される発振器のレベルにいて直接
的に、または、例えばアンテナによつて検知され
るものは、このインピーダンス変調である。この
レーザ分光技術は以下の文献類で特に説明されて
いる。1981年７月１日刊行の、デイー・アール・
リヨン（D.R.Lyons）他による「光学通信
（Optics Communications）」第38巻、第１号に
おける論文、および、1980年11月15日刊行の、シ
ー・スタンスレスク（C.Stanciulescu）他による
「応用物理学書簡（Applied Physics Letters）」
の37（10）における論文。

しかしながら、光電流的なRF放電のレーザ分
光によるガスの分析はひとつの事項であり、ま
た、レーザ空洞の光電流的な安定化は別異の事項
であるが、その理由は、提起された問題において
は、ガス媒体を含むセルおよびレーザ空洞は混合
されていること、および、既知の分光技術におい
ては、その役目を果すRF電力は特に小さいもの
であることによるだけのものである。

どのようなことがあるにしても、本出願人は
RF励起レーザの光電流的な安定化の問題につい
ての解決をして、この発明を提案したものであ
る。

発明の概要 この発明に関するものは、RF励起レーザの周
波数安定化装置において、レーザガスが充たさ
れ、インピーダンスを有する共振空洞、出力イン
ピーダンスを有する無線周波数（RF）交流電力
発生器、該レーザガスを励起るために該発生器に
接続されている電極、および、該レーザの周波数
を変動させるように適合された手段を含み、該発
生器および電極は該レーザ空洞のインピーダンス
を該発生器の出力インピーダンスに整合させる手
段によつて接続され、該手段は該空洞によつて反
射されたインピーダンス不整合信号を受入れるよ
うにされ、また、サーボ制御回路を通して周波数
を変動させるための手段に接続されていることを
特徴とするものである。

励起ヘツドのインピーダンスが供給線のそれと
整合されていることから、または、空洞部によつ
て反射される電力が最小にされることから、周波
数の変調はレーザ・プラズマのインピーダンスを
変調させることとなり、整合時において完全にゼ
ロではなくても、反射信号が現われること、また
はこの信号の変動が生じるようにされる。

この発明の装置の好適実施例においては、発生
器および不整合信号受入れ手段は結合手段によつ
て整合手段に接続され、励起信号が該受入れ手段
によつて受入れられること、および、不整合信号
が発生器によつて受入れられることを防止するよ
うにされる。

この場合、整合手段は、励起信号だけではな
く、反射された不整合信号をも伝送する線の端部
に設けられる。好ましくはサーキユレータまたは
方向性カプラである結合手段は、励起信号をレー
ザ空洞の電極に指向させ、また、反射された信号
をサーボ制御回路に指向させる。

この発明は、その好適実施例についての以下の
説明を添付図面とともに参照することによつて、
よりよく理解される。

好適実施例の説明 第１図にはレーザ１が示されているが、これに
含まれるものは、外部金属構造体２、例えばCO₂
をベースとする混合体であるレーザガスで充たさ
れ、その両端はミラー４および５で封止されてい
る共振空洞３、前記ミラー間で該構造体２の全長
にわたつて実質的に伸長されている２個の電極６
および７である。

電極６は接地されており、また、電極７は、無
線周波数（RF）交流電力発生器８に対し、RF電
力増幅器９、３経路サーキユレータ１０、同軸ラ
イン１１および整合回路１２を経由して接続され
ているが、これらの要素の全ては前述された順序
で接続されているものである。セルの電気的なポ
ンピングおよびレーザ放射は、こゝでは、横断フ
イールド、すなわち光軸に直交するフイールドに
よつてえられるものである。レーザは、セルの長
さ方向において、長手方向のRF励起について考
えることもできる。もつとも、この場合には、あ
る程度の横断励起も誘起されうるものである。

ミラー５は、理解しやすいように断面で示され
ている。チユーブ１３で形成された圧電セラミツ
ク素子の端部に搭載されており、その他方の実質
的に平面状の端部は構造体２に固着されている。
セラミツク１３を励起するとその圧縮が生じてミ
ラー５がミラー４から離れるように移動し、共振
空洞の長さが増大して、その結果としてレーザ周
波数が変動する。

それ自体は知られたやり方でインダクタンス１
４およびキヤパシタ１５を含んでいる整合回路１
２の目的は、所与の周波数について、レーザ１の
インピーダンスを発生器８の出力インピーダンス
に整合させ、ライン１１内のレーザヘツド３によ
つて反射される電力を最小にさせることである。
その整合状態から、レーザの周波数変調をさせる
ことはプラズマのインピーダンス変調の原因とな
り、その結果として、反射電力が変動することに
なる。この反射電力の変動で光電流信号が生成さ
れるが、この信号はサーキユレータ１０または別
異の方向性カプラによつてライン１１から抽出さ
れ、この光電流信号が発生器８によつて受入れら
れることを防止し、または、別異の条件で、空洞
３より発生器８に放射することを防止するように
される。

こゝで、サーキユレータ１０は３本の経路１
６，１７，１８を有するものである。１６から１
８への伝播方向において、すなわち発生器から空
洞へ向けて、サーキユレータ１０は経路１８と結
合することはない。これに対し、別異の方向で
は、サーキユレータ１０は経路１８と結合して、
反射光電流信号が経路１７から経路１８の方に向
けられることになる。一般的には、サーキユレー
タは多極性のものであり、そのひとつの経路は、
往復態様ではなく、ひとつの別異の経路にのみ結
合されている。

先ず、スペクトル線の頂部における安定化の場
合について考える。こゝでは、ライン周波数の頂
部については、レーザヘツドのインピーダンスが
発生器８の出力インピーダンスに整合されている
ことから、反射信号はゼロまたは実質的にゼロで
あつて、いずれの場合にも最小にされるというこ
とが再び強調される。サーキユレータ１０とセラ
ミツク１３との間に接続されているサーボ制御ル
ープ１９により、この安定化は確実なものにされ
る。

レーザ空洞３の周波数訂正走査は圧電セラミツ
ク１３にDC訂正電圧を加えることによつてなさ
れるが、この電圧は加えられるべき訂正の方向に
依存して正または負の電圧である。例えば、安定
化されるべき周波数が上回つているときには、
訂正電圧は負でなければならず、また、この反対
の場合には、それは正でなければならない。レー
ザ空洞３のスペクトル線、すなわち周波数の関数
としてのレーザ信号のエンベロープは、第２図に
おいてベル形状を有するものであることから、低
振幅の交流重ね合せ変調電圧Ｓ（第２図）が印加
されたときには、エンベロープ線は信号Ｔにした
がつて変調されることが注意される。こゝに、信
号Ｔも交流（第２図）であつて、周波数をこえ
ているときには信号Ｓに関して反対位相であり、
周波数を下回るときには同位相である。信号Ｔ
のピーク間振幅は、周波数のときにゼロを通
る。信号Ｔが、周波数の関数として、信号Ｓを
基準として同期検知またはロツク・イン増幅器に
印加されると、信号Ｄ（第３図）がえられる。こ
の信号Ｄの値は、周波数の関数としての信号Ｒ
の微分係数のそれに比例しており、また、この信
号Ｄは、点Ｆを下回るときには正であり、点Ｆを
こえたときには負である。この信号Ｄは、レーザ
の周波数を訂正するために圧電セラミツク１３に
印加されるべきDC電圧の振幅および極性を定め
るものである。

実際、共振空洞３内のプラズマがサーキユレー
タ１０を通してサーボ制御回路１９に不整合信号
を反射させたときには、これは周波数がではな
いからであり、この場合には、これから結果とし
て生じる積分信号Ｄは、この周波数を所望の方に
変調することになる。周波数がこのようなとき
にのみ、DC電圧はセラミツク１３に印加されず、
また、信号Ｄの値はゼロである。

次に、上述された諸種の信号を生成させるサー
ボ制御回路１９を、その構成について説明する。

このサーボ制御回路またはバルブには低周波発
振器２０が含まれており、この低周波発振器２０
は、こゝでは、数百Hzで動作して信号Ｓを伝送
し、これでセラミツク１３を励起して、これを低
振幅で振動させるためのものである。RFダイオ
ード２１は、例えば10dBの減衰器２２を通して
サーキユレータ１０の経路１８に接続されて、例
えば50mW程度の低い電力しか受入れることので
きないダイオードを保護するようにされている。
反射され、減衰された不整合信号を検知するダイ
オード２１は、この信号のエンベロープＴを、整
流のあとで伝送する。ダイオード２１の出力は、
発振器２０の出力と同様に、夫々に、同期検知ま
たはロツク・イン増幅器２３の信号入力および基
準入力に接続される。また、この増幅器２３は信
号Ｄを出力させるが、この信号Ｄは、発振器２０
およびダイオード２１によつて伝送される信号間
での位相シフト、および、ダイオード２１におけ
る信号の同期成分の振幅を表わしている。

信号Ｄは積分器２４において積分される。この
積分器２４の出力DC信号Ｐは、例えば、0Vから
5Vまで変動するものである。この信号Ｐは高電
圧増幅器２５で増幅される。前記増幅器２５は、
例えば0Vから1000Vまで変動する同様な信号を
伝送する。この信号は加算器２６を通してセラミ
ツク１３に印加される。前記加算器２６は、ま
た、発振器２０の出力信号Ｓをも入力として受入
れ、その出力はセラミツク１３に接続される。

スペクトル線の頂部における以外の周波数で
レーザを安定化させようとする場合には、座標軸
ｆを通る曲線Ｄの周波数をシフトさせるために、
発生器２７から伝送されるシフト信号またはオフ
セツト電圧をロツク・イン検知器２３に印加する
ことで充分である。

例えば極めて低圧の６フツ化イオウSF₆のセル
をレーザ空洞３に導入し、その固有のスペクトル
線に依存して、その周波数_SF6の周辺で第２図に
おけるスペクトル線Ｒを変調することにより、空
洞３の周波数は、この周波数_SF6において、より
容易にかつ精細に安定化されるが、その理由は、
このようにして生成された孔部の狭さおよびこの
周波数の各々の側における曲線の鋭い傾斜の導関
数のためである。

安定化されるべきこの周波数において、決して
到達されることのない理想は、レーザによつて反
射される信号は存在しないこと、および、インピ
ーダンス整合が完全なことである。このことにつ
いて、導波管レーザ、特にモノリシツク・レーザ
であつて、50Wのレーザ電力に対して数百mW以
内で整合が達成されるものについて、この光電流
の安定化をもたらすことが望ましい。このような
モノリシツク・レーザについては、特に、本出願
人によるフランス特許出願であつて、第2530087
号として公開されたものに説明されている。

こゝで説明された装置においては、サーキユレ
ータ１に接続されている同一のライン１１が、発
生器８を励起するための信号およびレーザによつ
て反射される不整合信号の双方のために使用され
た。

このような配列は、最も簡単かつ簡潔なもので
あるとしても、絶対に必要であるというものでは
ない。サーキユレータを必要とすることなく、ア
ンテナによつて光電流信号を集めるために、第２
の分離したラインを用いることもできる。たゞ
し、サーキユレータや方向性カプラではなく、１
本のラインおよびその先端の機器を排除する方が
よい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、RF励起レーザに適用されたこの発
明の装置のブロツク図、第２図は、第１図におけ
るレーザのスペクトル線のひとつ、および、それ
から生じる変調信号および不整合信号の図、第３
図は、印加されるべき訂正信号図である。 １はレーザ、２は外部金属構造体、３は共振空
洞、４，５はミラー、６，７は電極、８は（電
力）発生器、１０はサーキユレータ、１２は整合
回路、１３は圧電セラミツク、１９はサーボ制御
回路、２０は発振器、２１はダイオード、２２は
減衰器、２３はロツクク・イン増幅器、２４は積
分器、２５は増幅器、２６は加算器、２７は（シ
フト）発生器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ RF励起レーザの周波数安定化装置において、
   レーザガスが充たされ、インピーダンスを有する
   共振空洞、出力インピーダンスを有するRF無線
   周波数交流電力発生器、該レーザガスを励起する
   ために該発生器に接続されている電極、および、
   該レーザの周波数を変動させるように適合された
   手段を含み、前記発生器および前記電極は該レー
   ザの空洞を前記発生器の出力インピーダンスに対
   するインピーダンス整合のための手段によつて一
   緒に接続され、該手段に該空洞によつて反射され
   たインピーダンス不整合信号を受入れるようにさ
   れ、また、サーボ制御回路を通して周波数を変動
   させるための手段に接続されいるRF励起レーザ
   の周波数安定化装置。 ２ 前記発生器および前記不整合信号を受入れる
   前記手段は結合手段によつて整合手段に接続され
   て、励起信号の受入れ手段による受入れおよび不
   整合信号の該発生器による受入れを防止するよう
   にされている特許請求の範囲第１項記載のRF励
   起レーザの周波数安定化装置。 ３ 前記結合手段は３経路サーキユレータによつ
   て形成されている特許請求の範囲第２項記載の
   RF励起レーザの周波数安定化装置。 ４ 前記サーボ制御回路には、周波数変動手段を
   変調するようにされた手段、変調手段の信号と受
   入れ手段の信号の同期成分の振幅と同様な不整合
   信号を受入れる手段の信号との間の位相シフトを
   検知するようにされた手段、および、該周波数変
   動手段を制御するため該検知手段からの信号を積
   分するための手段が含まれている特許請求の範囲
   第１項記載のRF励起レーザの周波数安定化装置。 ５ 前記サーボ制御回路には、周波数変動手段に
   接続された発振器、空洞によつて反射された信号
   を指向させるためのRFダイオードおよび発振器
   とダイオードとの出力に接続された同期検知また
   はロツク・イン増幅器、その入力によつて同期増
   幅器の出力に、また、その出力によつて加算器を
   通して周波数変動手段に接続された積分器を含
   み、該加算器もその入力によつて前記発振器の出
   力に接続されている特許請求の範囲第１項記載の
   RF励起レーザの周波数安定化装置。 ６ 前記ダイオードは減衰器の出力に接続され、
   該積分器は増幅器の入力に接続されている特許請
   求の範囲第５項記載のRF励起レーザの周波数安
   定化装置。 ７ 前記検知手段はシフト発生器の出力に接続さ
   れている特許請求の範囲第４項記載のRF励起レ
   ーザの周波数安定化装置。 ８ 前記周波数変動手段には、前記共振空洞の２
   個のミラーの１個を支持する圧電セラミツクが含
   まれている特許請求の範囲第１項記載のRF励起
   レーザの周波数安定化装置。 ９ レーザの共振空洞には、極めて低圧の６フツ
   化イオウのセルが含まれている特許請求の範囲第
   １項記載のRF励起レーザの周波数安定化装置。 １０ 前記レーザはモノリシツク・レーザである
   特許請求の範囲第１項記載のRF励起レーザの周
   波数安定化装置。