JPS60140773A - 周波数安定化レ−ザ発振装置 - 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】 本発明は横ゼーマンレーザ発振器を有する周波数安定化
レーザ発振装置に関するものである。

一般にゼーマン分離周波数が気体レーザの基本軸モード
間隔と一致するような磁場を、レーザ光軸に直角な方向
に印加して発振されるレーザは横ゼーマンレーザと叶ば
れている。セしてレーザ出力が０．５〜２ｍＷ程度の低
出力型の小型のヘリウム−ネオンレーザ発振装置におい
てレーザ物質として比較的低コストである同位元素含有
比率が天然比（２ＯＮｅ　：　２２Ｎｅ＝９１　：　９
　）であるネオンとヘリウムとの混合ガスを用いた場合
には通常２〜８本の軸モーＰで発振する。このレーザを
横ゼーマンレーザにすると、ドツプラ中心周波数近傍の
約１００ＭＨ３〜４００ＭＨｚの発振領域においてレー
ザ光がその出力をほとんど減することなく単一軸モード
化することが知られている。しかもこの単一軸モード化
領域内では、レーザ光は磁場方向及びそれと直角方向の
直交直線偏光からなること、及び各偏光成分間の発振周
波数差が数ＫＨｚ〜数１ＫＨｚ程度と小さいものである
ことが知られている。即ちこの横ゼーマンレーザは単一
軸モード化領域内では直交三周波レーザとなるので、こ
のレーザの発振周波数をこの単一軸モーＰ化領域内で特
定周波数に安定化させると、高精度光波干渉計、エリプ
ソメータなどの精密計測用機器において用いることがで
きるほどに実用性の高い周波数安定化レーザ発振装置を
得ることができ、この点で広い分野での応用が期待され
る。

周波数安定化の方法としては、前記直交三周波レーザ間
のビート周波数を誤差信号として利用するシステムが提
案されている。このシステムは。

ビート周波Ｖ、が発振周波数の変化に対応して変化する
ことを利用するもので１例えば第１図に示すように、レ
ーザ発振器１の外周に巻回したヒータ２と、このヒータ
２の通電電流を制御する電流制御回路とによシサーゼ機
構５０が構成され、このサーボｔａ構５０によって共振
器長が微小コントロールされる。前記電流制御回路は、
ビート周波数を検出するフォトセンサ８と、このフォト
センサ８よりのビート周波数信号を電圧信号に変換する
周波数−電圧コンノ々−夕４と、この周波数−電圧コン
ノ々−夕４よりの電圧の大きさとオフセット電圧源６よ
シの電圧の大きさとの差に応じた信号を出力する差動ア
ンプ５と、この差動アンプ５よシの信号を増幅する直流
アンプ７と、この直流アンプ７の後段に介挿された手動
スイッチ８と、この手動スイッチ８が閉じられたときに
直流アンプ７よりの信号を抵抗９を介して受けてヒータ
２の電流をコントロールするトランジスタ１０とにより
構成されている。１１はレーザ電源、１２はレーザ発振
方向に１１角にＲ場を形成するための磁場形成機構であ
る。このようなシステムにおいては、ビート周波数の変
動を検出し、この変動に対応する信号を負帰還せしめる
ことによってビート周波数が一定化するように発振周波
数を安定化するものである。しかしながらこのようなシ
ステムにおいては手動スイッチ８を閉じてもそのままで
はレーザの発振状態が横ゼーマンレーザの単一軸モーＰ
化領域内に入っているとは限らず、単一軸モード化領域
外の周波数に安定化される可能性もある。このため１例
えば７アブリ・ペロ干渉計による軸モーＰモニタ、或い
はビート周波数の変化ノぐターンをモニタする手段など
を用いてレーザの発振状態が単一軸モーＰ化領域に入っ
ていることを確認したうえで手動により手動スイッチ８
を閉じてサー？機構５０を作動せしめなけれはならない
。

このように、この棟のヘリウム−ネオンレーザ発振装置
においては１周波数の安定化制御を自動的に達成するこ
とができず、実用上大きな障害となっていた。

本発明は以上の如き事情に基いてなされたものであって
、単一軸モーｒ化領域内にあることを自動的に検出する
ことによって自動的にサーゼ機構による安定化制御を開
始することができる埼波数安定化レーザ発振装置を提供
することを目的とし。

その特徴とするところは、波長６８２．８ｎｍで発振す
る同位元素含有比率が天然比であるネオンを用Ｔ−あフ
τ、′シの いたヘリウム−ネオン横ゼーマンレゝｒ７ゴト周波数の
共振器離調特性がドツプラ中心周波数に対して非対称で
あって、当該ビート周波数を周波数−電圧変換して得ら
れる電圧出力において単一軸モード化領域に先行して極
太ピークまたはその位相反転としての極小ディップが現
われる横ゼーマンレーザ発振器と、この横ゼーマンレー
ザ発振器の共振器長を安定化制御するサーメ機構と、横
ゼーマンレーザの発振周波数が共振器長の増大に伴なっ
て変化する過程において、前記電圧出方の前記極太ピー
クまたはその位相反転としての極小ディ［ツブを脱した
ことを検出して前記サーゼ機倶による安定化制御動作を
開始させる自動スイッチ機構とを具えて成る点にある。

以下本発明の詳細な説明する。

第２図は本発明の構成を模式的に示す説明図である。１
０１はレーザの発振方向に直角に磁場が印変換する検出
部、１０８はその作動時は検出部１０２よシの信号に基
いて共振器長を安定化制御する制御部、１０４は検出部
１０２よシの電圧出力に基いて制御部１０８の動作を自
動的に開始させるスイッチ部であり、検出部１０２と制
御部１０８とによりサーボ機構５０が構成され、検出部
１０２とスイッチ部１０４とにより自動スイッチ機構７
０が構成きれている。

横ゼーマンレーザ発振器１０１において、レーザ管内に
は同位元素含有比率が天然比 （２ＯＮｅ、　２２Ｎｅ＝ｇ　１　：　９　）であるネ
オンとヘリウムの混合ガスが封入され、レーザの発振波
長は６８２，８ｎｍであシ、共振器長は例えば２００〜
２５０ｍｍ程度であシ、レーザ出力は例えは０．５〜Ｚ
ｍＷ程度である。

このような横ゼーマンレーザ発振器１０１によシ発振さ
れる横ゼーマンレーザ光における直交二周波レーザ間の
ビート周波数ｆｂを周波数−電圧変換して得られる電圧
出力（以下単にｒ　Ｆ　−Ｖ出力」という。）は共振器
長の変化に応じて例えば第８図に曲線Ｉで示すように変
化する。卸ち第８図において、横軸はレーザ発振周波数
を表わし、このレーザ発振周波数は共振器長に対応する
ものであるので、装置の点灯直後は放電による熱により
共振器長が次第に増加するから、これに応じてＦ−Ｖ出
力は第３図の曲線Ｉ上を右手方向に移動しながら同一の
パターンを繰り返すような固有の態様で変化する。即ち
極大ピークＰＬとこれに続く通常ビークＰ２を含むパタ
ーンである。今、１つのパターン中において、特定のビ
ート周波数ｆ１を与えるレーザ発振周波数はＡ点、Ｂ点
、０点、Ｄ点と４個あり、単一軸モード化領域にあるも
のは０点である。

ここに、極大ビークＰ１が現われる理由は、第４図に示
すように、し・−ザ軸モードのドツプラ曲線内配置にお
いて、ドツプラ中心周波数ν。よりも大きい周波数ν２
におけるモーｒ（以下「ν２モード」という。）のレー
ザ利得が、Ｐツプラ中心周波数ν０よりも小さい周波数
ν１におけるモード（以下「シ１モーＰ」という。）の
レーザ利得よりも犬きくなっている状態においては、ビ
ート周波数ｆｂが大きく歪み、高次の低調波及び高調波
を含んでいるためである。また、この現象はレーザ媒質
としてのネオンが天然のネオン即ち同位元素含有比率が
天然比（２ＯＮｅ：　２２Ｎｅ”９１　：　９　）であ
ることに起因しておシ、ドツプラ利得曲線自体が非対称
となるためである。同第８図の曲線Ｉはビート周波数ｆ
ｂを周波数−電圧コンノ々−夕によシミ圧信号に変換し
た後これを反転増幅器などを用いて反転増幅して得られ
たものであシ、単に周波数−電圧コンバータによシミ圧
信号に変換したときにはビート周波数ｆｂにおける歪及
び高次の低調波並びに高調波は出力電圧が低下する方向
に変換されるので、この場合には極太ピークＰＬの代シ
にその位相反転としての極小ディップＣ＜＃’！み−）
が現われる。

一方第５図に示すように、レーザ軸モードのドツプラ曲
線内配置においてν２モードのレーザ利得がν１モード
のレーザ利得よシも小さくなっている状態においてはビ
ート周波数ｆｂはほとんど歪のないものとなる。

このようにこのレーザ発振器の横ぞ−マンレーザにおい
ては、ビート周波数ｆｂの約１０　ＫＨｚ〜１．５ＭＨ
ｚの範囲内において当咳ビート周波数ｆｂの共振器離調
特性がＰツプラ中心周波数ν０に対して非対称となって
おり、このビート周波数ｆｂを周波数−電圧変換して得
られるＦ−■出力において単一軸モード化領域の通常ピ
ークＰ２に先行して必ず極太ビークＰ１またはその位相
反転としての、＆小デイツゾが現わ扛る。本発明におい
てはこの現象を利用するものであシ、共掘器長が増大す
る過程において極太ピークＰ１またはその位相反転とし
ての極小ディップを検出してその状態を脱した直後に自
動スイッチ機構７０によりサーボ機構５０のスイッチか
自動的に投入されるようにする。

本発明によれはＦ−■出力における非対称性を利用して
単一軸モード化領域に入ることを電気的に自動的に確認
することができる。川」ち第８図の場合には曲線■にお
けるＡ点とＢ点との間に現われているＦ−〜出力の極太
ビークＰ１をマーカとしてこれを検出することにより、
レーザ発振周波数のドツプラ幅内でのモード位置の弁別
が可能となシ１箱朱としｔ軸モードが畦−軸モード化領
域に入ったことを電気的に自動的に不゛ｔＬ認すること
ができ、その領域内で所定の周波数位置でレーザ周波数
を安定化できるのである。

以下に本発明装置の具体的な構成の一例について説明す
る。第６図は本発明装置の一実施例を示す説明用ブロッ
ク図であり、第７図は第６図に示した装置の動作を説明
するためのタイムチャートであり、第７図における上部
にはＦ−Ｖ出力の変化ノぞターンを併せて示しである。

５０は共振器長を安定化制御するためのサーボ機構であ
る。このサーボ機構５０は発振されたレーザ光のゼーマ
ンレーザビート周波数を検出するフォトセンサ５１と、
このフォトセンサ５１よりの出力を増幅するプリアンプ
５ｚと、このプリアンプ５２よりのゼーマンレーザビー
ト周波数に対応した信号を電圧信号に変換する周波数−
電圧コンバータ（以下単にＩＰ−Ｖコンノ々−タ」トイ
ウ。）５３と、このＦ−Ｖコンバータ５８よシの信号を
受けるノ々ツファアンプ５４と、このバッファアンプ５
４よシの出力信号即ちＦ−Ｖ出力を増幅する直流増幅器
５５と、直流増幅器５５の出力側に接続したスイッチ回
路５６と、このスイッチ回路５６に順に接続した抵抗５
７及びヒータ電流コントロール用トランジスタ５８と、
このトランジスタ５８のエミッタに接続され、レーザ発
振器１の外周に巻回して設けたヒータ２と、トランジス
タ５８のコレクタに接続されたヒータ用電源＋ＶＢと、
このヒータ用電源＋ＶＢよりの電圧を分圧してトランジ
スタ５８にノ々イアス電流を供給し共振器長の安定化制
御が開始される前にもある程度のヒータ電流を流すため
のバイアス抵抗６１とにより構成されている。

前記スイッチ回路５６は、後述する自動スイッチ機構７
０に含まれるリレーコイル８５の動作ニより自動的に接
点が切り換わるリレー接点５６１を有し、リレーコイル
８５に電流が流れているときにはトランジスタ５８のペ
ースはリレー接点５６１によりバイアス抵抗６１から切
り離されて直流増幅器５５の出力側に接続された状態と
される。

逆にリレーコイル８５に電流が流れていないときにはト
ランジスタ５８のペースはリレー接点５６１により直流
増幅器５５の出力側から切り離されてノ々イアス抵抗６
１に接続された状態となる。

７０は自動スイッチ機構であり、この自動スイッチ機構
７０は、前記ブー２機構５０におけるフォトセンサ５１
、プリアンプ５２、Ｆ’−Ｖコンノ々−タ５３及びノ々
ツファアンゾ５４とを兼用し、前記ノ々、ツファアンプ
５４のＦ−Ｖ出力側にそれぞれ並列に接続された、第１
のコンノぞレータ７１、第２のコンパレータ７２及び第
３のコンノぞレータ７３と、第１のコンパレータ７１の
出力端子にその一方の入力端子を接続したアンド回路７
４と、このアンド回路７４の出力端子にその入力端子Ｓ
を接続したフリップ・フロップ回路７５と、前記７７２
回路７４の他方の入力端子にその出力端子Ｑが接続され
たフリップ・フロップ回路７６と、このフリップ・フロ
ップ回路７６０入力端子Ｓにその出力端子が接続されか
つ前記第２のコンパレータ７２の出力端子にその一方の
入力端子が接続されたアンド回路７７と、前記第３のコ
ンパレータ７３の出力端子にその一力の入力端子が接続
されかつその出力端子が前記フリップ・フロップ回路７
５のクリア端子Ｃに接続されたオア回％７８と、アンド
回路７７の他方の入力端子に接続された、閉じたときに
７７２回路７７にオン信号を供給するためのロック用ス
イッチ７９と、前記フリップ・フロップ回路７５の出力
端子に抵抗８３を介してそのペースが接続されたロック
用トランジスタ８４と、このロック用トランジスタ８４
のコレクタと前記サー？機構５゜のヒータ用電源＋Ｖｎ
との間に接続されたリレーコイル８５と、前記ヒータ用
電源＋ＶＢに順に接続された、リレー接点８６、抵抗８
７及び表示灯を構成する発光ダイオ−Ｐ８８とにより構
成されている。

前記リレー接点８６はスイッチ回路５６におけるリレー
接点５６１に連動するようリレーコイル８５により作動
され、このリレー接点８６は、サーボ機構５０による制
御がなされているが否かを発光ダイオード８８の発光の
有無によって表示させるためのものである。

前記第ｔの＝＋ンノぞレータ７１．第２＋７）コンパレ
ータ７２、第３のコンノぐレータ７３の出力動作を第７
図を参照しながら説明すると、曲線Ｈで示されたＦ−Ｖ
出力波形において、第１のコンパレータ７１は波底値Ｖ
。よりはわずかに大きい電圧レベルＹより小さい電圧レ
ベルの信号が入力されている間「ノ〜イレベル」の信パ
号を出力し、第２のコンノぞレータ７２は単一軸モーｒ
化領域における波頭値■、よりは大きい電圧レベルＸを
越える電圧レベルの信号が入力されている間「ノ・イレ
ペル」の信号を出力し、第３のコンパレータ７３は前記
波頭値ｖ１よりはわずかに小さい電圧レベルＺを越える
電圧レベルの信号が入力されている間「ノ・イレベル」
の信号を出力するよう構成されている。

前記フリップ・フロップ回路７５及び７６は何れも「ハ
イレベル」の入力信号即ちセットパルスが入力端子に入
力されたときに当該セラトノぞルスの立ち下がりで「ノ
・イレベル」の信号を出力するよう構成されている。

以上のような構成の自動スイッチ機構７０の動作を第７
図に示したタイムチャート及び曲線■を使って簡単に説
明する。レーザ発振器１の点灯直後放電による熱によシ
共振器長が大きくなるのでレーザの発振状態は曲線■に
沿って右手方向に同一パターンを繰り返しながら移動す
る。この移動が緩かになった適当な時期にロック用スイ
ッチ７９が閉じられ、このときの発振状態が曲線■上の
ｄ点に対応しているものとすると１曲線ｕを右手方向に
移動し、Ｆ−Ｖ出力の極太ピークＰ１を通過するときに
第２のコンパレータ７２よりのハイレベルの信号により
アンド回路７７の出力がハイレベルとなるのでフリップ
・フロップ回路７６がオン状態となり１次に曲線■の波
底領域Ｎを通過するときに第１のコンパレータ７１より
のハイレベルの信号によりアンド回路７４の出力がハイ
レベルとなり、このハイレベルの信号の立ち下がりによ
ってフリップ拳７０ツゾ回路７５がオン状態となるので
、このときスイッチ回路５６のリレー接点５６１が直流
増幅器５５側に自動的に接続されてこれによりサージ機
構５０の動作が開始され、前記波底領域Ｎを通過した後
の曲線Ｈの立ち上が９部分りにおいて発振周波数が安定
化されるようになる。一方放電の熱による共振器長の増
加がサーぜ機構５０による制御可能範囲を越えた場合に
は、レーザの発振状態が曲線■において前記立ち上がり
部分りよりもさらに右手方向に移動するが、この立ち上
がり部分りの次の通常ビークＰ２を通過するときに第３
のコンノぞレータ７３よりのハイレベルの信号により７
リツプ・７αツブ回路７５がクリアされてオフ状態に復
帰するので、その後は既述の場合と同様の動作が繰り返
えされ、曲線■において次の極太ビークを検出した後に
現われる立ち上がり部分において発振周波数が安定化さ
れるようになる。

以上の実施例によれば、波長６３２．８　ｎｍで発振す
る同位元素含有比率が天然比であるネオンを用いたヘリ
ウム−ネオン横ゼーマンレーザビート周波数の共振器離
調特性がＰツプラ中心周波数に対して非対称となるよう
な横ゼーマンレーザ発振装置において、横ゼーマンＶ＝
ザ−の°腎徴周波数が共振器長の増大に伴なって変化す
る過程で、Ｆ　−Ｖ出力の極太ピークＰ１を検出してこ
の状態を脱した直後に自動スイッチ機構７０によりサー
ジ機構５０による安定化制御が自動的に開始さハ、るた
め、サージ機構５０による安定化制御が開始されるのは
レーザの発振状態が単一軸モード化領域にあるときであ
り、この結果サーぽ機構５０による周波数安定化のため
の制御動作が適正な状態でなされることとなって発振周
波数の安定化を容易に達成することができる。

そして上記構成の自動スイッチ機構７０によれば、比較
的簡単な回路構成であり、しかもロック用スイッチ７９
を閉じるという簡単な操作により周波数の安定化動作を
開始することができるので、操作性が格段に優れたもの
となり、コンパクトで実用上便利である。

加えて上記構成の自前スイッチ機構７０によれば、ロッ
ク用スィッチ７９０投入時期が早すぎて、共振器長の増
加がサーボ機構５０の制御可能範囲を越えるような場合
があっても、この場合には第３のコンパレータ７３の作
用に基いてサージ機構５０の動作が一旦停止されるので
、単一軸モーｒ化領載板外でサージ機構５０が誤まって
作動されることはなく、従ってロック用スィッチ７９０
投入時□期を特に指定する必要がないのでこの点からも
極めて実用的で便利でおる。

以上において第６図において示した自動スイッチ機構７
０の具体的構成例は単に一例にすぎず、その他の構成と
してもよい。そしてＦ−Ｖ出力波形が、極太−一りの代
りに当該極太ピークの位相反転としての極小ディップが
現われるものである場合にも、上述の原理に基いて自動
スイッチ機構を構成することができる。そしてサージ機
構５０の構成も既述の例に限定されず種々変更可能であ
る。

以上のように本発明周波数安定化レーザ発振装置は、波
長６３２．８　ｎｍで発振する同位元素含有比性がドツ
プラ中心周波数に対して非対称であって。

当該ビート周波数を周波数−電圧変換して得られる電圧
出力において単一軸モード化領域に先行して極大ピーク
またはその位相反転としての極小ディップが現われる横
ゼーマンレーザ発振器と、この横ぜ−マンレーザ発振器
の共振器長を安定化制御するサーぽ機構と、横ゼーマン
レーザの発振周波数が共振器長の増大に伴なって変化す
る過程において、前記電圧出力の前記極大ピークまたは
その位相反転としての極小ディップを脱したことを検出
して前記サーぜ機構による安定化制御動作を開始させる
自動スイッチ機構とを具えて成ることを特徴とする構成
であるから、単一軸モード化領域内にあることを自動的
に検出することによって自動的にサージ機構による安定
化制御を開始することができる周波数安定化レーザ発振
装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の周波数安定化システムの一例を示す説明
図、第２図は本発明装置の概略を示す説明図、第３図は
横ゼーマンレーザビート周波数を周波数−電圧変換して
得られる電圧出力と発振周波数との関係の一例を示す曲
線図、第４図及び第５図はそれぞれレーザ軸モードのド
ツプラ曲線内配置を示す説明図、第６図は本発明装置の
一実施例を示す説明用ブロック図、第７図は第６図に示
した装置の動作を説明するための説明図である。 ■・・レーザ発振器　２・・・ヒータ ３・・・フォトセンサ　４・・・周波数−電圧コンノ々
−タ８・・・手動スイッチ　１０・・・トランジスタ５
０・・・サー〆（幾構　５１・・・フォトセンサ５３・
・・周波数−′成田コンノマータ５４・・・パツファア
ンゾ　５５・・直流増幅器５６・・・スイッチ回路　５
８・・・トランジスタ７０・・・自動スイッチ機構 ７１．７２．７３・・コンノぞレータ ７４　、．７７・・・アンド回路 ７５．７６・・・フリップ・フロラフ回路７９・・・ロ
ック用スイッチ ８４・・・ロック用トランジスタ ８５・・・リレーコイル　５６１　・・・リレー接点稟
１図 巣２図 巣３図 菜４図　乍５図 第６図 勿７図 １１　１１１　１．１　１１ コンパレータ７１０出力　。 １ ０／りｍフイッチ７９　１ アンド′回に疹７７のｘ７Ｊ　“ ７５のガμ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）波長６Ｂ２．８ｎｍで発振する同位元素含有比性が
   ドツプラ中心周波数に対して非対称であつ１゜当該ビー
   ト周波数を周波数−電圧変換して得られる電圧出力にお
   いて単一軸モード化領域に先行して極太ピークまたはそ
   の位相反転としての極小ディップが現われる横ゼーマン
   レーザ発振器と。 この横ゼーマンレーザ発振器の共振器長を安定化制御す
   るサーｆ！機構と。 横ゼーマンレーザの発振絢波数が共振器長の増大に伴な
   って変化する過程において、前記電圧出力の前記極大ピ
   ークまたはその位相反転としての極小ディップを脱した
   ことを検出して前記す、−セ機構による安定化制御動作
   を開始させる自動スイッチ機構と を具えて成ることを特徴とする周波数安定化レーザ発振
   装置。