JPH06324204A - 光路長差形成光学部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 周囲環境が変化しても光源装置から出力され
る光の波長の安定化を実現する。 【構成】 第１経路と第２経路において、所定の光路長
差を与える光路長差形成光学部材において、第１経路を
形成する第１部材と、第２経路を形成する第２部材とを
有し、温度が変化しても両方の光路長差が変化しないよ
うにしたことを特徴とする光路長差形成光学部材。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、波長安定化光源装置そ
の他に適用できる光路長差形成光学部材に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザは、可干渉性光源として各
種の分野で広く用いられている。しかし半導体レーザの
発振波長は、温度の変動と注入電流の変動に対して非常
に敏感であるので、これらの変動を極力抑える必要があ
る。

【０００３】そこで従来から、半導体レーザに、ペルチ
ェ素子のような電子加熱冷却素子と、半導体レーザ自体
の温度を測定するサーミスタのような温度検出素子を設
け、サーミスタの出力信号に従って、半導体レーザの温
度が一定になるようにペルチェ素子を駆動することが行
われている。また、より高精度な安定化方法では、エタ
ロン板や原子・分子吸収線などの波長基準を備えて、そ
こからの誤差信号を半導体レーザの温度と注入電流に帰
還させ発振波長を安定化させる外部フィードバック方式
が採られている。

【０００４】しかしながら、上記のような波長基準は高
価であり、かつ大型なものが多く、非常に大掛かりなシ
ステムとなってしまい、さらに安定化の精度は、誤差信
号検出時の検出特性の帯域幅とそのピーク値の検出精度
に依存するものである。

【０００５】そこで、本出願人は特願平４−１５１１３
３号発明を提案して、上記の問題を解決した波長安定化
光源装置を実現した。これは、たとえば特定の光路差を
持たせる光学的手段を備えた縞走査干渉計において、光
路差の異なる２つのフリンジスキャン干渉信号の位相を
ある特定の値に保つことによりたとえば半導体レーザの
発振波長を安定化させるようにしたものであり、簡単な
構成の波長安定化半導体レーザ光源のような波長安定化
光源装置である。また、たとえばパルス駆動した複数の
交互発振する半導体レーザのような光源装置の発振波長
を同時に安定化させる。さらに、たとえば半導体レーザ
のような光源装置への注入電流を変調することにより、
１つの半導体レーザのような光源装置から、安定化され
た２つの異なる波長を得る。

【０００６】このような特願平４−１５１１３３号発明
を図１〜８を参照してさらに具体的に説明する。

【０００７】図１は、特願平４−１５１１３３号発明の
波長安定化光源装置を実施した半導体レーザ光源装置の
構成を示すものである。

【０００８】光源部１は、半導体レーザ１１、サーミス
タ１２、ペルチェ素子１３、放熱板１４からなる。光源
部１より連続して出射された光は、コリメートレンズ３
でコリメートされ、アイソレータ３３を通り、その光Ｐ
の一部の光Ｐ１がビームスプリッター３０で反射され
る。光Ｐの他の部分はビームスプリッター３０を通り出
力光Ｐ２となる。

【０００９】この光Ｐ１はビームスプリッター３１で反
射光Ｐ３と透過光Ｐ４に分割される。反射光Ｐ３は、集
光レンズ５を経てスキャニングミラー３５で反射する。
そして反射光Ｐ３は、同一光路を戻って再びビームスプ
リッター３１に入射し、ビームスプリッター３１を透過
して集光レンズ６へ向かう。一方、透過光Ｐ４は段差ミ
ラー３４の２つの第１反射面Ａと第２反射面Ｂで反射
し、同一光路を戻ってビームスプリッター３１で反射
し、スキャニングミラー３５からの反射光Ｐ３と重なっ
た干渉光となり、集光レンズ６により集光される。段差
ミラー３４の２つの第１反射面Ａと第２反射面Ｂは、段
差量Ｌだけ段差がついている。段差ミラー３４は固定さ
れている。この段差量Ｌは、光Ｐ１と透過光Ｐ４の方向
にそって設定されている。この干渉光のうち、段差ミラ
ー３４の２つの第１反射面Ａと第２反射面Ｂによる干渉
光は、プリズム７で分割されてそれぞれ検出器４１，４
２で検出される。

【００１０】なお、スキャニングミラー３５は、例えば
ＰＺＴなどの圧電素子３６に取付けられて、発振器３
８、パルス信号発生器３９、およびＰＺＴドライバ３７
からのランプ波Ｗで、半導体レーザ１１の発振波長の数
波長分だけ図１の矢印方向に掃引される。

【００１１】今、ビームスプリッター３１からスキャニ
ングミラー３５までの光路長ｄ２と段差ミラー３４の第
１反射面Ａまでの光路長ｄ１が、ほぼ等しいとすると、
検出器４１からの出力信号は光路長差が０付近のフリン
ジスキャン信号であり、４２からの出力信号は光路長差
が２Ｌ付近のフリンジスキャン信号である。これらの出
力信号を用いて半導体レーザの波長安定化を行う。これ
らの出力信号は、位相比較器１００で位相比較され、２
つの信号の位相が完全に一致するように光源駆動回路１
０を経て発光部１に指令がフィードバックされる。

【００１２】上記のフィードバック系についてさらに詳
細に説明する。図２にフィードバック系の構成の一例
を、図３に図２のフィードバック系の各部の信号を示す
（回路上での位相遅れは無視）。

【００１３】検出器４１，４２の出力からＡＣ成分のみ
を取り出した信号は、それぞれ図３の信号ａ，ｂのよう
になる。前述のように、信号ａは光路長差０付近のフリ
ンジスキャン信号、信号ｂは光路長差２Ｌ付近のフリン
ジスキャン信号である。これらの信号ａ、ｂの位相を比
較して、２つの信号の位相が完全に一致するように、図
２の光源駆動回路１０を経て発光部１にフィードバック
することで、図１の半導体レーザ１１の発振波長を安定
化させる。２つの信号の位相を一致させるには、半導体
レーザ１１の温度や注入電流を変化させて発振波長λを
変えてやれば良い。

【００１４】検出器４１からの信号ａは、図２のコンパ
レータ６０で位相の反転した２つの矩形信号ｃ，ｄに変
換される。検出器４２からの信号ｂは、サンプルホール
ド６１，６２において信号ｃ，ｄの立上がりのタイミン
グでサンプルホールドされ、そのサンプルホールドした
出力信号はそれぞれｅ，ｆとなる。

【００１５】さらに、出力信号ｅ，ｆをサンプルホール
ド６３，６４でホールド部分を取り出し、ローパスフィ
ルタ６５，６６に通すと出力ｇ，ｈが得られる。これら
の出力ｇ，ｈを差動アンプ７０にて差動増幅したもの
が、信号ａ，ｂの位相差に対応したフィードバック信号
となる。このフィードバック信号を温度もしくは注入電
流にフィードバックさせれば、発振波長を安定化させる
ことができる。

【００１６】図２の回路構成は、温度と注入電流の両方
にフィードバックする場合を示している。ここでは差動
アンプ７０の出力を、時定数および増幅度の異なる２つ
のローパスフィルタ８１，８２に通したものを、信号
ａ，ｂの位相差に対応したフィードバック信号とする。
ローパスフィルタ８１の出力は、温度制御回路１０ａを
経て発光部１に、そしてローパスフィルタ８２の出力
は、電流制御回路１０ｂ、駆動回路１０ｃを経て発光部
１にフィードバックされる。このうち温度制御の方は、
応答が遅いため時定数を長くしてあり、かつ波長変化率
が大きいため粗調整として用いられる。電流制御の方
は、応答が速いため時定数を短くしてあり、かつ波長変
化率が小さいため微調整として用いられる。

【００１７】信号ａは数式１で表され、信号ｂは数式２
で表される。

【００１８】

【数１】

【００１９】

【数２】 ここでα（ｔ）はスキャニングミラー３５の移動量（図
１の矢印方向）を表す。この２つの信号ａ、ｂの位相を
一致させるには、２Ｌ／λ＝ｎ（ｎは整数）となる必要
があり、発振波長λはλ＝２Ｌ／ｎに固定される。ただ
し、ｎの値を間違うと別の波長に設定されるので、半導
体レーザ１１の温度は、ある設定温度（モードホップが
近傍にない温度）を基準に、常にある温度範囲内で制御
する必要がある。その温度制御範囲は、半導体レーザの
発振波長の温度依存性と段差量Ｌで決まる。長期の安定
性は、例えば段差ミラー３４を温度制御して段差量Ｌの
変動を抑えることで良くすることができる。

【００２０】以上の手法により、検出器４１，４２から
の信号ａ，ｂの位相を合わせることができ、半導体レー
ザ１１の発振波長λは、λ＝２Ｌ／ｎにロックされるこ
とになる。なお、この方法によれば、スキャニングミラ
ー３５は単に干渉縞を走査すれば良く、その動きの非直
線性や振幅変動および原点変動は何ら問題にならない。
ヨーイング等のスキャニングミラー３５の動きの影響
も、図１のように、スキャニングミラー３５の前に適当
な長さの焦点距離を持つ集光レンズ５を用いることによ
り除去できる。

【００２１】このように、２光束干渉計において光路差
の異なる２つのフリンジスキャン信号ａ、ｂの位相を合
わせることにより、半導体レーザの発振波長を安定化さ
せることができる。さらにＡＰＣ（オートパワーコント
ロール）回路と組み合わせることにより、波長・出力安
定化半導体レーザ光源を実現することができる。

【００２２】なお、図１〜図３の装置は、１つの半導体
レーザ（光源部あるいは発光部）を連続発振駆動した場
合の例である。つまりＤＣ点灯させた場合の例である。

【００２３】特願平４−１５１１３３号発明の波長安定
化光源装置は、ＤＣ点灯させた場合だけでなく、半導体
レーザをパルス駆動した場合にも適用可能である。図４
の半導体レーザ光源装置の場合、交互発振する複数の半
導体レーザ（光源部あるいは発光部）の同時安定化が可
能となる。

【００２４】簡単のために、一例として２個の半導体レ
ーザを用いた場合の構成を図４に示す。図４の装置にお
いて図１の装置と同じものは同一符号を付けてある。

【００２５】図４において、２は第２の発光部、１０
Ｘ，２０Ｘはそれぞれ第１の発光部１および第２の発光
部２の光源駆動回路、４０は各種のパルス信号発生器、
そして１１０は位相比較器である。

【００２６】発光部２からの出射光は、コリメートレン
ズ４でコリメートされ、ビームスプリッター３２で発光
部１からの光と同一の光軸とされる。発光部１，２の半
導体レーザ１１、２１をそれぞれ図５の（１），（２）
の信号でパルス駆動すると、その時の波長変化の様子は
波形（３），（４）のようになり、パルス発振している
レーザ光はその波長が常に変化している状態にある。こ
こでは、パルス発振において一定のタイミングでの波長
を安定化させる。具体的には、検出器４１，４２の出力
から（５），（６）のタイミングで信号を取り出し、こ
のタイミング（５）、（６）での波長を安定化させる。
なお、スキャニングミラー３５の掃引周波数は、信号
（１），（２）の周波数より十分遅いものである。

【００２７】図６にフィードバック系の構成を示す。図
２と同じものは同一符号を付けてある。簡単のため発光
部１のみについて示してあるが、発光部２に対するフィ
ードバック系の構成も同様である。

【００２８】検出器４１，４２の出力は、それぞれサン
プルホールド５０，５１においてタイミング信号（５）
によりサンプルホールドされる。これらのサンプルホー
ルド５０，５１の出力はそれぞれ図７のａ１，ｂ１とな
る。これらをフィルタ５２，５３に通すとａ２，ｂ２と
なり、これは、実施例１で説明したＤＣ点灯させた場合
のフリンジスキャン信号（図３の信号ａ，ｂ）と同等で
ある。よって、これ以後は前述の実施例１における信号
処理を行うことにより、波長を安定化させることができ
る。発光部２についても同様である。サンプルホールド
５０，５１とフィルタ５２，５３は、検出器４１、４２
の出力のためのサンプリング部を構成している。

【００２９】図４の装置のように、半導体レーザをパル
ス駆動する場合には、パルス幅を制御するフィードバッ
ク方法でも良い。図５のサンプリングのタイミング信号
（５），（６）および駆動パルス（１），（２）の消光
のタイミングが固定とすると、駆動パルス（１），
（２）の発光タイミングを変えてやれば、波長変化の波
形（３），（４）が変化するので発振波長が変わる。こ
の関係を用いてフィードバックをかけることができる。

【００３０】図６に示したように、ローパスフィルタ８
１の出力は、前述のように温度制御回路１０ａを経て発
光部１へ、そしてローパスフィルタ８２の出力は、パル
ス幅制御回路１０ｄ、パルス駆動回路１０ｅを経て発光
部１へフィードバックされる。ただしこの場合、パルス
幅はデューティ５０が最大となる。このフィードバック
方法は、波長の安定化を温度とパルス幅の制御で行うた
め、注入電流の制御をＡＰＣ単独で使うことができる。

【００３１】このように、パルス駆動した半導体レーザ
においても、一定のタイミングでの波長を安定化させる
ことができ、交互発振する複数の波長安定化半導体レー
ザ光源を実現することができる。出力光から同じタイミ
ングでの光を取り出して信号処理することにより、複数
の波長の信号を同時に得ることができる。

【００３２】フィードバックがかかった状態では、一定
のタイミングでの半導体レーザ１１，１２の発振波長λ
１，λ２は、数式３と数式４で示すように固定されるこ
とになる。

【００３３】

【数３】

【００３４】

【数４】 ここでｎ１，ｎ２は整数である。この２つの波長の組み
合わせより合成波長を扱う場合、その合成波長Λは、数
式５となり、Λも２Ｌの整数分の１に固定されることに
なる。

【００３５】

【数５】 従って、２つの半導体レーザを適当に選別することによ
り、任意の合成波長を作ることができる。

【００３６】さらに、このパルス駆動の場合を応用し
て、１つの半導体レーザから２つの異なる波長を得るこ
ともできる。図８にドライブ波形を示す。波形１）は使
用する半導体レーザの数が１つの場合であり、波形２）
は複数の場合である。前述の方法により、Ａのタイミン
グでの発振波長を安定化させる。そこから注入電流を増
加（もしくは減少）させることにより、Ｂのタイミング
で異なる波長を得ることができる。Ｂのタイミングの波
長はＡとわずかに異なるだけなので、その安定化は、図
６のフィルタ５２，５３の出力ａ２，ｂ２の位相差が適
当な値になるように、増加（もしくは減少）させる電流
値を制御してやれば良い。あるいは、単に増加（もしく
は減少）させる電流値を精度良く抑えることだけでも安
定化できる。特に、Ａ，Ｂのタイミングの波長から合成
波長を扱う場合には、これで十分である。Ａ，Ｂのタイ
ミングの波長をλＡ，λＢとすると、合成波長はλＡ・
λＢ／｜λＡ−λＢ｜であり、その安定度はλＡ−λＢ
で決まると言って良い。従って、電流値が安定なら、波
長λＢは波長λＡに追従して変動するので、合成波長自
体の変動は小さい。

【００３７】このような波長安定化光源装置を用いるこ
とにより、半導体レーザの注入電流を変調することで、
１つの半導体レーザから安定化された２つの異なる波長
を得ることができる。

【００３８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
波長安定化光源装置においては、周囲環境の変化によ
り、段差ミラーの段差量（Ｌ）で規定した光路長が変化
してしまう。具体的には、ガラスの熱膨張および空気の
屈折率変化により、波長基準としての光路長差が（２
Ｌ）が変化してしまう。従って、波長の長期安定性を維
持するには、段差ミラーそのものを温度制御するなどの
対策を施さなくてはならない。

【００３９】本発明は、上記のような問題を解決し、耐
環境性にすぐれた波長安定化光源装置を実現することが
できる光路長差形成光学部材を提供することを目的とす
る。

【００４０】

【課題を解決するための手段】本願の第１発明は、次の
ような光路長差形成光学部材を要旨としている。すなわ
ち、第１経路と第２経路において、所定の光路長差を与
える光路長差形成光学部材において、第１経路を形成す
る第１部材と、第２経路を形成する第２部材とを有し、
温度が変化しても両方の光路長差が変化しないように下
記の数式を満足させたことを特徴とする光路長差形成光
学部材。

【００４１】 ｛ΔＬ2 ( ｎ2 ＋Δｎ2 ) −ΔＬ1 ( ｎ1 ＋Δｎ1 ) ｝＋ (Δｎ2 Ｌ2 − Δｎ1 Ｌ1 ) ＝ (ｎ＋Δｎ) × (ｈ1 ＋ΔＬ2 −ΔＬ1 ) −ｎ×ｈ1 ・・数式６ ここで、Ｌ1 ：第１部材の長さ、 ΔＬ1 ：温度の変化に伴う第１部材の長さの変化量 Ｌ2 ：第２部材の長さ、 ΔＬ2 ：温度の変化に伴う第２部材の長さの変化量 ｎ1 ：第１部材の屈折率、 Δｎ1 ：温度の変化に伴う第１部材の屈折率の変化量 ｎ2 ：第２部材の屈折率、 Δｎ2 ：温度の変化に伴う第２部材の屈折率の変化量 ｎ：第１部材と第２部材との長さの差をしめる媒質の屈
折率、 Δｎ：温度の変化に伴う第１部材と第２部材との長さの
差をしめる媒質の屈折率の変化量 ｈ１：基準温度での第１部材と第２部材の長さの差 本願の第２発明は、前記第１発明の光路長差形成光学部
材において、第１部材と第２部材との長さを略同じに設
定したものである。

【００４２】本願の第３発明は、さらに第１部材と第２
部材との膨脹率がほぼ同じとなる材質を選択したもので
ある。

【００４３】好ましくは、第１発明において、第１部材
と第２部材のガラス自体の長さ（寸法）を略等しくし
て、前述の数式６を満足するように、所定の膨脹率、屈
折率の温度係数のガラスを選択する。

【００４４】また、好ましくは、第１発明において、第
１部材と第２部材のガラス自体の長さ（寸法）を、略等
しくした上で、第１部材と第２部材のガラス自体の膨脹
率α₁ とα₂ を略等しくして、数式６を満足するような
屈折率の温度係数のガラスを選択する。すると、温度変
化が生じたとしても、一方の光路のみに空気層部分が入
ることを極力防止でき、気圧の変化で空気の屈折率が変
化して、光路長差に生じる影響を極力小さくできる。

【００４５】図９を参照して、本発明の原理と前述の数
式６の求め方を以下に説明する。

【００４６】まず、基準温度におけるガラス製の第１部
材と第２部材での光路長をＬａ1 、Ｌａ2 とする。

【００４７】（Ｌ1 、Ｌ2 第１、第２部材の長さ、ｎ1
、ｎ2 ：第１、第２部材の屈折率） Ｌａ1 ＝ｎ1 ×Ｌ1 Ｌａ2 ＝ｎ2 ×Ｌ2 光路長差は次のとおりである。

【００４８】 ΔＬａ＝Ｌａ2 −Ｌａ1 −ｎ×ｈ1 ＝ｎ2 ×Ｌ2 −ｎ1 ×Ｌ1 −ｎ×ｈ1 ・・ ・数式７ ここで、光路長差というのは、第１、第２部材の内長い
方の長さにおける光路長差をいう。短いガラスの場合に
は空気層（ｎ×ｈ1 ）が含まれる。ｎは空気の屈折率、
ｈ1 は基準温度での第１、第２部材の長さの差である。
次に、温度がΔｔだけ変化したときの第１部材、第２部
材の光路長をＬｂ1 、Ｌｂ2 とする。この温度変化によ
り、α₁ とα₂ は、第１部材、第２部材の膨脹係数であ
り、β1，β2 ，βは、それぞれ第１部材、第２部材、
空気の屈折率の温度係数である。

【００４９】Ｌｂ1 ＝（ｎ1 ＋β1 Δｔ）×Ｌ1 ×（１
＋α₁ Δｔ）＝（ｎ1 ＋Δｎ1 ）×（Ｌ1 ＋ΔＬ1 ） Ｌｂ2 ＝（ｎ2 ＋β2 Δｔ）×Ｌ2 ×（１＋α2 Δｔ）
＝（ｎ2 ＋Δｎ2 ）×（Ｌ2 ＋ΔＬ2 ） ただし、Δｎ1 ＝β1 Δｔ，Δｎ2 ＝β2 Δｔ、 ΔＬ1 ＝Ｌ1 α₁ Δｔ，ΔＬ2 ＝Ｌ2 α₂ Δｔ また、光路長差ΔＬｂは次のようにして求める。

【００５０】 ΔＬｂ＝Ｌｂ2 −Ｌｂ1 −（ｎ＋βΔｔ）×ｈ2 ＝Ｌｂ2 −Ｌｂ1 −（ｎ＋ Δｎ）×ｈ2 ＝Ｌｂ2 −Ｌｂ1 −（ｎ＋Δｎ）×（ｈ1 ＋ΔＬ2 − ΔＬ1 ） ＝（ｎ2 ＋Δｎ2 ）×（Ｌ2 ＋ΔＬ2 ）−（ｎ1 ＋Δｎ1 ）× （Ｌ1 ＋ΔＬ1 ）−（ｎ＋Δｎ）×（ｈ1 ＋ΔＬ2 −ΔＬ1 ）・・数 式８ ただし、ｈ2 は温度がΔｔ変化した後の第１、第２部材
のガラスの長さの差であり、次のとおりである。

【００５１】ｈ2 ＝ｈ1 ＋ΔＬ2 −ΔＬ1 基準温度のときの光路長差ΔＬａに対して温度がΔｔだ
け変化したときの光路長差ΔＬｂとがどのくらい変化し
たか、その変化量ΔＬを次のようにして求める。

【００５２】 ΔＬ＝ΔＬｂ−ΔＬａ＝（ｎ2 ＋Δｎ2 ）×（Ｌ2 ＋ΔＬ2 ）−（ｎ1 ＋ Δｎ1 ）×（Ｌ1 ＋ΔＬ1 ）−（ｎ＋Δｎ）× （ｈ1 ＋ΔＬ 2 −ΔＬ1 ）−｛ｎ2 ×Ｌ2 −ｎ1 ×Ｌ1 −ｎ×ｈ1 ｝ ＝（ｎ2 ΔＬ2 ＋Δｎ2 Ｌ2 ＋Δｎ2 ΔＬ2 ）−（ｎ1 ΔＬ1 ＋Δｎ1 Ｌ1 ＋Δｎ1 ΔＬ1 ）−ｎ×（ΔＬ2 −ΔＬ1 ）−Δｎ×（ｈ１＋ΔＬ2 −ΔＬ1 ） ＝｛ΔＬ2 （ｎ2 ＋Δｎ2 ）−ΔＬ1 （ｎ1 ＋Δｎ1 ） ｝＋（Δｎ2 Ｌ2 −Δｎ1 Ｌ1 ）−（ｎ＋Δｎ）×（ ｈ1 ＋ΔＬ2 −ΔＬ1 ）＋ｎ×ｈ1 ・・・数式９ ΔＬ＝０のとき温度変化によって、光路長差に変化が生
じない。

【００５３】理想の状態としてΔＬ＝０として、移項す
ると、前述の数式６が得られる。その数式６を説明する
と、左辺第１項は、温度がΔｔだけ変化した後の第１部
材と第２部材のガラス長さの変化量（ΔＬ2 ，ΔＬ1 ）
に、それぞれ、温度がΔｔだけ変化した後の第１部材、
第２部材のガラスの屈折率（ｎ2 ＋Δｎ2 ）、（ｎ1＋
Δｎ1 ）を乗じたものの差であり、左辺第２項は、温度
がΔｔだけ変化する前の第１部材、第２部材のガラス長
さ（Ｌ1 ，Ｌ2 ）に、それぞれ、温度がΔｔだけ変化し
たときの屈折率の変化量（Δｎ1 ，Δｎ2 ，）を乗じた
ものの差であり、右辺は、温度がΔｔだけ変化した後の
第１部材、第２部材のガラス長さの差による空気層の光
路長（ｎ＋Δｎ）ｈ2 から温度変化前の第１部材、第２
部材のガラス長さの差による空気層の光路長（ｎ×ｈ1
）を引いたものである。

【００５４】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。

【００５５】図１０は、本発明の光路長差形成光源部材
を採用した波長安定化光源装置（半導体レーザ光源装
置）の構成を示すものである。図１０の実施例において
図１〜８と同じものは同一符号を付けてある。

【００５６】光源部１からの出射光Ｐの一部であるＰ１
は、ビーム分割器５０により間隔２ｘの２つの平行ビー
ムＰ１Ａ、Ｐ１Ｂに分割される。これらのビームはさら
にビームスプリッタ３１で、反射光Ｐ３Ａ、Ｐ３Ｂと透
過光Ｐ４Ａ、Ｐ４Ｂに分割される。

【００５７】これらのビームの通る光路を図１０及び図
１１により詳細に説明する。図１１は図１０の構成の一
部をとり出して別の視点から見た図である。

【００５８】Ｐ３Ａ、Ｐ３Ｂは、集光レンズ５の光軸と
はｙだけ異なる光軸高さから集光レンズ５に入り、スキ
ャニングミラー３５で反射し、集光レンズ５の光軸とは
ｙだけ異なる光軸高さから集光レンズ５を出て、ビーム
スプリッタ３１へ向かう。集光レンズ５とスキャニング
ミラー３５は、いわゆるキャッツアイ光学系を構成して
いる。

【００５９】スキャニングミラー３５は、例えばＰＺＴ
などの圧電素子３６に取付けられて、発振器３８、パル
ス信号発生器３９、およびＰＺＴドライバ３７からのラ
ンプ波Ｗで、半導体レーザ１１の発振波長の数波長分だ
け矢印方向に掃引されている。

【００６０】あるいは、集光レンズ５と、スキャニング
ミラー３５は一体化されて、例えばＰＺＴなどの圧電素
子３６に取付けられて、発振器３８、パルス信号発生器
３９およびＰＺＴドライバ３７からのランプ波Ｗで、半
導体レーザ１１の発振波長の数波分だけ矢印方向に掃引
されている。

【００６１】一方、Ｐ４Ａ、Ｐ４Ｂは、コーナーキュー
ブ５３の光軸とはｙだけ異なる光軸高さからコーナーキ
ューブ５３に入り、コーナーキューブ５３の光軸とはｙ
だけ異なる光軸高さからコーナーキューブ５３を出る。
ここで図１２に示すように、Ｐ４Ａ、Ｐ４Ｂがコーナー
キューブ５３の稜線にぶつからないように、ｘおよびｙ
が決められている。この後、Ｐ４Ａは低屈折率ガラス５
１を経て、ビームスプリッタ３１へ向かう。またＰ４Ｂ
は、高屈折率ガラス５２を経て、ビームスプリッタ３１
へ向かう。

【００６２】Ｐ３ＡとＰ４Ａは、ビームスプリッタ３１
で合波され、干渉し、干渉光Ｐ５Ａは検出器４１で検出
される。Ｐ３ＢとＰ４Ｂは、ビームスプリッタ３１で合
波され干渉し、干渉光Ｐ５Ｂは検出器４２で検出され
る。

【００６３】なお、キャッツアイ光学系とコーナーキュ
ーブとは、同一機能を果たすものであるので、集光レン
ズ５とスキャニングミラー３５をコーナーキューブに置
き換えても良く、コーナーキューブ５３を、キャッツア
イ光学系に置き換えても良い。

【００６４】また、本発明においては、キャッツアイ光
学系およびコーナーキューブで光軸をシフトさせている
ため、光源部１への戻り光が存在せず、図１〜８の装置
におけるアイソレータ３３が不要となる。

【００６５】いま、低屈折率ガラス５１（図９の第１部
材に相当）のガラス長をＬ1 、屈折率をｎ1 、高屈折率
ガラス５２（図９の第２部材に相当）のガラス長さをＬ
2 、屈折率をｎ2 、空気の屈折率をｎとすると、検出器
４１からの出力信号と検出器４２からの出力信号とは光
路長差ΔＬａだけ異なる２つのフリンジスキャン信号で
ある。すなわち、 ΔＬａ＝ｎ2 ×Ｌ2 −ｎ1 ×Ｌ1 −ｎ×（Ｌ2 −Ｌ1 ） ただし、Ｌ2 ＞Ｌ１とする。

【００６６】本発明においては、このように２種類の異
なるガラスを用いて波長安定化のための光路長差ΔＬａ
を設定する。その際、ガラスの膨脹係数と屈折率の温度
係数、空気の屈折率の温度係数などを考慮して、前述の
数式６〜９を使用して、ガラスの材料と長さを決める。

【００６７】こうして設定した光路長差がΔＬａだけ異
なる２つのフリンジスキャン信号を用いて半導体レーザ
１１の波長安定化を行う。これらの信号は、位相比較器
１００で位相比較され、２つの信号の位相が特定の位相
差に保持されるように光源駆動回路１０を経て光源部１
にフィードバックされる。フィードバック系については
上記の通りであるので説明を省略する。

【００６８】なお、上記の光学系（図１０）では、ビー
ムの通る光路を明確に表すためビーム分割器５０を用い
たが、図１３に示すように、光源部１からの出射光を絞
り６０を用いて２つに分けても良い。ここで、絞り６０
の位置は図１３の位置に限られることはなく、例えば検
出器の手前の位置でもよい。

【００６９】例１ 屈折率の温度係数・・・・低屈折率ガラス ＞ 高屈折
率ガラス 膨脹係数・・・・・・・・低屈折率ガラス 〜 高屈折
率ガラス 本発明による波長安定化のための光路長差ΔＬの安定度
を、具体例を示し詳細に説明する。半導体レーザ１１を
７８０ｎｍ帯の半導体レーザとして考える。安定度は、
２３度（℃）および７６０ｍｍＨｇを基準として±３
℃、±１０ｍｍＨｇで考える。

【００７０】例えば、低屈折率ガラス５１の材料を表１
の特軽フリントガラス『ＬＬＦ６』とし、高屈折率ガラ
ス５２の材料を表１のランタンフリントガラス『ＬａＦ
０２』とする。それぞれの特性を表すと次のようにな
る。

【００７１】 ＬＬＦ６ ＬａＦ０２ 屈折率（７８０ｎｍ） ２０℃ 1.524916 1.709736 ２３℃ 1.524909 1.709733 ２６℃ 1.524902 1.709730 （屈折率の温度係数（／℃） 2.3 ×10^-6 1.0 ×10^-6） 膨脹係数（／℃） 8.3 ×10^-6 8.0 ×10^-6

【００７２】

【表１】 また、波長７８０ｎｍにおける空気の屈折率は次のよう
になる。湿度変化による影響は小さいので、ここでは５
０％とする。

【００７３】 温度／気圧 750mmHg 760mmHg 770mmHg ２０℃ 1.000268 1.000271 1.000275 ２３℃ 1.000265 1.000268 1.000272 ２６℃ 1.000262 1.000265 1.000269 ガラス長をＬ1 ＝１９ｍｍ、Ｌ2 ＝１９．０３ｍｍとす
ると、２３度、７６０ｍｍＨｇでの光路長差ΔＬは次の
ようになる。

【００７４】ΔＬ＝1.709733×19.03-1.524909×19-1.0
00268 ×(19.03-19) ＝３．５３２９３９９５ ｍｍ ２つの信号の位相が完全に一致するように制御する場
合、半導体レーザ１１の波長λは、上述のようにΔＬの
整数分の１に安定化されるので次のようになる。

【００７５】Ｎ＝（ΔＬ／７８０ｎｍの小数点以下を四
捨五入した値）＝４５２９ λ＝ΔＬ／４５２９＝７８０．０７０６４４７ ｎｍ 整数Ｎは、ΔＬ間に含まれる波の数である。半導体レー
ザ１１の設定温度を変えることにより、整数Ｎを別の値
に設定でき、別の波長を得ることもできる。

【００７６】以上のことを考慮して、２３±３℃および
７６０±１０ｍｍＨｇでの光路長差ΔＬの安定度を計算
すると、次のようになる。

【００７７】 温度／気圧 750mmHg 760mmHg 770mmHg ２０℃ 0.025 -0.0003 -0.034 ２３℃ 0.025 ------- -0.034 ２６℃ 0.025 -0.001 -0.035 単位（ｐｐｍ） このように、上記のガラスの組合わせにおいて、±３℃
の温度変化および±１０ｍｍＨｇの気圧変化に対し、光
路長差ΔＬの安定度は、およそ±０．０４ｐｐｍとな
り、実用上問題のない波長基準を実現することができ
る。

【００７８】例２ 屈折率の温度係数・・・・低屈折率ガラス ＜ 高屈折
率ガラス 膨脹係数・・・・・・・・低屈折率ガラス ＞ 高屈折
率ガラス 本発明による波長安定化のための光路長差ΔＬの安定度
を、具体例を示し詳細に説明する。半導体レーザ１１を
７８０ｎｍ帯の半導体レーザとして考える。安定度は、
２３℃および７６０ｍｍＨｇを基準として±３℃、±１
０ｍｍＨｇで考える。

【００７９】例えば、低屈折率ガラス５１の材料を表１
のフリントガラス『Ｆ５』とし、高屈折率ガラス５２の
材料を表１のランタンクラウンガラス『ＬａＫ１８』と
する。それぞれの特性を表すと次のようになる。

【００８０】 Ｆ５ ＬａＫ１８ 屈折率（７８０ｎｍ） ２０℃ 1.593641 1.720540 ２３℃ 1.593649 1.720551 ２６℃ 1.593657 1.720562 （屈折率の温度係数（／℃） 2.6 ×10^-6 3.7 ×10^-6） 膨脹係数（／℃） 8.8 ×10^-6 5.9 ×10^-6 また、波長７８０ｎｍにおける空気の屈折率は次のよう
になる。湿度変化による影響は小さいので、ここでは５
０％とする。

【００８１】 温度／気圧 750mmHg 760mmHg 770mmHg ２０℃ 1.000268 1.000271 1.000275 ２３℃ 1.000265 1.000268 1.000272 ２６℃ 1.000262 1.000265 1.000269 ガラス長をＬ1 ＝２２．３７ｍｍ、Ｌ2 ＝２２．３ｍｍ
とすると、２３℃、７６０ｍｍＨｇでの光路長差ΔＬは
次のようになる。

【００８２】ΔＬ＝1.720551×22.3+1.000268 ×(22.37
-22.3)-1.593649 ×22.37 ＝２．７８８３７７９３ ｍｍ ２つの信号の位相が完全に一致するように制御する場
合、半導体レーザ１１の波長λは、上述のようにΔＬの
整数分の１に安定化されるので次のようになる。

【００８３】Ｎ＝（ΔＬ／７８０ｎｍの小数点以下を四
捨五入した値）＝３５７５ λ＝ΔＬ／３５７５＝７７９．９６５８５４５ ｎｍ 整数Ｎは、ΔＬ間に含まれる波の数である。半導体レー
ザ１１の設定温度を変えることにより、整数Ｎを別の値
に設定でき、別の波長を得ることもできる。

【００８４】以上のことを考慮して、２３±３℃および
７６０±１０ｍｍＨｇでの光路長差ΔＬの安定度を計算
すると、次のようになる。

【００８５】 温度／気圧 750mmHg 760mmHg 770mmHg ２０℃ -0.076 -0.001 0.099 ２３℃ -0.075 ------- 0.100 ２６℃ -0.076 -0.00002 0.101 単位（ｐｐｍ） このように、上記のガラスの組合わせにおいて、±３℃
の温度変化および±１０ｍｍＨｇの気圧変化に対し、光
路長差ΔＬの安定度は、およそ±０．１ｐｐｍとなり、
実用上問題のない波長基準を実現することができる。

【００８６】例３ 屈折率の温度係数・・・・低屈折率ガラス ＞ 高屈折
率ガラス 膨脹係数・・・・・・・・低屈折率ガラス ＜ 高屈折
率ガラス 本発明による波長安定化のための光路長差ΔＬの安定度
を、具体例を示し詳細に説明する。半導体レーザ１１を
７８０ｎｍ帯の半導体レーザとして考える。安定度は、
２３℃および７６０ｍｍＨｇを基準として±３℃、±１
０ｍｍＨｇで考える。

【００８７】例えば、低屈折率ガラス５１の材料を表１
の重クラウンガラス『ＳＫ２』とし、高屈折率５２の材
料を表１の重フリントガラス『ＳＦＬ１４』とする。そ
れぞれの特性を表すと次のようになる。

【００８８】 ＳＫ２ ＳＦＬ１４ 屈折率（７８０ｎｍ） ２０℃ 1.600622 1.744507 ２３℃ 1.600633 1.744510 ２６℃ 1.600644 1.744513 （屈折率の温度係数（／℃） 3.6 ×10^-6 0.9 ×10^-6） 膨脹係数（／℃） 6.3 ×10^-6 8.7 ×10^-6 また、波長７８０ｎｍにおける空気の屈折率は次のよう
になる。湿度変化による影響は小さいので、ここでは５
０％とする。

【００８９】 温度／気圧 750mmHg 760mmHg 770mmHg ２０℃ 1.000268 1.000271 1.000275 ２３℃ 1.000265 1.000268 1.000272 ２６℃ 1.000262 1.000265 1.000269 ガラス長をＬ1 ＝２６．０８ｍｍ、Ｌ2 ＝２６ｍｍとす
ると、２３℃、７６０ｍｍＨｇでの光路長差ΔＬは次の
ようになる。

【００９０】ΔＬ＝1.744510×26+1.000268 ×(26.08-2
6)-1.600633 ×26.08 ＝３．６９２７７２８ ｍｍ ２つの信号の位相が完全に一致するように制御する場
合、半導体レーザ１１の波長λは、上述のようにΔＬの
整数分の１に安定化されるので次のようになる。

【００９１】Ｎ＝（ΔＬ／７８０ｎｍの小数点以下を四
捨五入した値）＝４７３４ λ＝ΔＬ／４７３４＝７８０．０５３４００９ ｎｍ 整数Ｎは、ΔＬ間に含まれる波の数である。半導体レー
ザ１１の設定温度を変えることにより、整数Ｎを別の値
に設定でき、別の波長を得ることもできる。

【００９２】以上のことを考慮して、２３±３℃および
７６０±１０ｍｍＨｇでの光路長差ΔＬの安定度を計算
すると、次のようになる。

【００９３】 温度／気圧 750mmHg 760mmHg 770mmHg ２０℃ -0.065 -0.0004 0.087 ２３℃ -0.065 ------- 0.087 ２６℃ -0.067 -0.002 0.084 単位（ｐｐｍ） このように、上記のガラスの組合わせにおいて、±３℃
の温度変化および±１０ｍｍＨｇの気圧変化に対し、光
路長差ΔＬの安定度は、およそ±０．０９ｐｐｍとな
り、実用上問題のない波長基準を実現することができ
る。

【００９４】なお、上記の説明とは異なる任意の硝材の
組合わせでも、同様の安定度の波長基準を実現すること
ができる。

【００９５】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、波長基
準そのものを温度制御するなどの方法を必要とすること
なく、簡単な構成でありながら耐環境性に優れた波長基
準を実現することができ、従って簡単な構成でありなが
ら耐環境性に優れた波長安定化光源装置を実現すること
ができる。

【００９６】また、環境変化に対して安定した波長基準
を実現することができ、長期安定性に優れ、かつ簡単な
構成の波長安定化光源装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】特願平４−１５１１３３号発明の波長安定化光
源装置を示す図。

【図２】図１における光源部のフィードバック系を示す
図。

【図３】図２のフィードバック系における各種信号波形
を示す図。

【図４】特願平４−１５１１３３号発明の別の波長安定
化光源装置を示す図。

【図５】図４における光源部の駆動信号などを示す図。

【図６】図４における光源部のフィードバック系を示す
図。

【図７】図６におけるサンプリングホールドした信号と
波形整形した信号を示す図。

【図８】特願平４−１５１１３３号発明の他の例におけ
るドライブ波形を示す図。

【図９】本発明の原理を示す図。

【図１０】本発明による光路長差形成光学部材を使用し
た波長安定化光源装置を示す図。

【図１１】図１０の装置から部分的に抜き出して別の視
点から見た図。

【図１２】平行ビームの説明図。

【図１３】図１０の装置の変形例。

【符号の説明】

１ 発光部（光源部） ３ コリメートレンズ ５ 集光レンズ １０ 光源駆動回路（波長安定化部） １０Ｘ 光源駆動回路（波長安定化部） ２０Ｘ 光源駆動回路（波長安定化部） １１ 半導体レーザ １２ サーミスタ １３ ペルチェ素子 １４ 放熱板 ３０ ビームスプリッター ３１ ビームスプリッター ３３ アイソレータ ３４ 段差ミラー（反射部） Ａ 第１反射面 Ｂ 第２反射面 ３５ スキャニングミラー ３８ 発振器（駆動部） ４０ パルス信号発生器（駆動部） ４１ 検出器（第１受光部） ４２ 検出器（第２受光部） ５０ サンプルホールド部（サンプリング部） ５１ サンプルホールド部（サンプリング部） ５２ フィルタ（サンプリング部） ５３ フィルタ（サンプリング部） １００ 位相比較器（位相検出部） １１０ 位相比較器（位相検出部）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１経路と第２経路において、所定の光
   路長差を与える光路長差形成光学部材において、第１経
   路を形成する第１部材と、第２経路を形成する第２部材
   とを有し、温度が変化しても両方の光路長差が変化しな
   いように下記の数式を満足させたことを特徴とする光路
   長差形成光学部材。 ｛ΔＬ2 ( ｎ2 ＋Δｎ2 ) −ΔＬ1 ( ｎ1 ＋Δｎ1 ) ｝
   ＋ (Δｎ2 Ｌ2 −Δｎ1 Ｌ1 ) ＝ (ｎ＋Δｎ) × (ｈ1
   ＋ΔＬ2 −ΔＬ1 ) −ｎ×ｈ1 ここで、Ｌ1 ：第１部材の長さ、 ΔＬ1 ：温度の変化に伴う第１部材の長さの変化量 Ｌ2 ：第２部材の長さ、 ΔＬ2 ：温度の変化に伴う第２部材の長さの変化量 ｎ1 ：第１部材の屈折率、 Δｎ1 ：温度の変化に伴う第１部材の屈折率の変化量 ｎ2 ：第２部材の屈折率、 Δｎ2 ：温度の変化に伴う第２部材の屈折率の変化量 ｎ：第１部材と第２部材との長さの差をしめる媒質の屈
   折率、 Δｎ：温度の変化に伴う第１部材と第２部材との長さの
   差をしめる媒質の屈折率の変化量 ｈ１：基準温度での第１部材と第２部材の長さの差
2. 【請求項２】 請求項１の光路長差形成光学部材におい
   て、第１部材と第２部材との長さを略同じに設定したこ
   とを特徴とする光路長差形成光学部材。
3. 【請求項３】 請求項２の光路長差形成光学部材におい
   て、第１部材と第２部材との膨脹率がほぼ同じとなる材
   質を選択したことを特徴とする光路長差形成光学部材。