JPS6163073A - Ｒｆ励起レ−ザの周波数安定化装置 - 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】 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っ
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、出力インピータ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Ｏ レーザの利得プロフィール、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った。

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５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、したがってそのインピータンスにおける
変動に起因するものである。

レーサ壷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
によっ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比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った。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ったというべきで
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励起をもって光電流的な安定化の問題を再び倹
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って、該セルに対
して固定された外部ｔｉによって容量的に、または該セ
ルを囲繞するコイルによって誘導的に、のいずれかで生
起されるプラズマによっ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
ピータ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
レベルにおいて直接的に、または、例えばアンテナによ
っ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、ディー・アール・リ
ヨンＣＤ、　ＲｏＬｙｏｎｓ　）他による「光学通信（
０ｐｔｉｃｓ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　）　Ｊ
第３８巻、第１号における論文、および、１９８０年１
１月１５日刊行の、シー・スタンスレスフ（Ｃ，５ｔａ
ｎｃｉｕｌｅｓｃｕ）他による［応用物理学書簡（Ａｐ
ｐｌｉｅｄ　ＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ　）　Ｊ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
カ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ｆヒ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
、該発生器および電極は該レーザ空洞のインピータンス
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
って接続され、該手段は該空洞によって反射されたイン
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。

励起ヘットのインピータンスが供給線のそれと整合され
ていることから、または、空洞部によって反射される電
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
時において完全にセロではなくても、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
不整合君号受入れ手段は結合手段によって整合手段に接
続され、励起信号が該受入れ手段によって受入れられる
こと、および、不整合信号が発生器によって受入れられ
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
ましくはサーキュ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ｐ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って、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洞６、
前記ミラー間で該構造体２の全長にわたって実質的に伸
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経路サーキユレーク１０、同動ライン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。

セルの電気的なボンピンクおよびレーザ放射は、こ＼で
は、廣断フィールド、すなわち光軸に直交するフィール
ドによっ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、
チューブ１３で形成された圧電セラミック素子の端部に
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。セラミック１６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〇 それ自体は知られたやり方でインダクタンス１４および
キャパシタ１５を含んている整合回路１２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
レーザヘット乙によっ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タ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
信号はサーキュレータ１０または別異の方向性カプラに
よってライン１１から抽出され、この光電流信号が発生
器８によって受入れられることを防止し、または、別異
の条件で、空洞６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＼で、サーキュレータ１０は６本の経路”６＋１７＋
１８を有するものである。１６から１８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、サーキュレ
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、サーキュレータ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、サーキュレータは
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＼では、ライン周波数の頂部については、
レーザヘッ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
たは実質的にセロであって、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。サーキュレータ１０
とセラミック１６との間に接続されているサーボ側脚ル
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ック１３に
ＤＣ訂正電圧を加えることによってなされるが、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Ｆが上回
っているときには、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
てヘ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にしたがって変調されることが
注意される。こ＼に、信号Ｔも交流（第２図）であって
、周波数Ｆ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Ｆ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Ｆのときにゼロを通る。

信号Ｔが、周波数Ｆの関数として、信号Ｓを基準として
同期検知またはロック・イン増幅器に印加されると、信
号Ｄ（第６図）かえられる。この信号りの値は、周波数
Ｆ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、この信号りは、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。この信号りは、レ
ーザの周波数を訂正するために圧電セラミック１３に印
加されるへきＤＣ電圧の振幅および極性を定めるもので
ある。

実際、共振空洞６内のプラズマがサーキュレータ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Ｆ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りは、この
周波数を所望の方に変調することになる。周波数Ｆがこ
のようなときにのみ、ＤＣ電圧はセラミック１６に印加
されず、また、信号りの値はゼロである。

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０ 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＼では、
数百Ｈｚで動作して信号Ｓを伝送し、これでセラミック
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ＯＲＦダイオード２１は、例えば１０　ｄＢの減
衰器２２を通してサーキュレータ１０の経路１８に接続
されて、例えば５　Ｑ　ｍＷ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、同期検知またはロック・イン増、
＠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は信号りを出力させるが、この信
号りは、発振器２０およびダイオード２１によって伝送
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。

信号りは積分器２４において積分される。この積分器２
４の出力ＤＣ信号Ｐは、例えば、Ｏｖ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Ｏｖ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を通してセラミック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、その出力はセラミック１３に接続される。

スペクトル線の頂部におけるＦ以外の周波数てレーザを
安定比させようとする場合には、座標軸ｆを通る曲線り
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ット電圧をロック・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
サ空洞乙に導入し、その固有のスペクトル線に依存して
、その周波数ｆｓＦ６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ＦＳＦ６において、より容易にかつ、ｖｆ細に安
定ｒヒされるが、その理由は、このようにして生成され
た孔部の侠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、レーザによっ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
ノリシック・レーザであって、ＳＯＷ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
なモノリシック−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って、第２，５３０，０８７
号として公開されたものに説明されている。

こ＼で説明された装置においては、サーキュレータ１０
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って反射される不整合
信号の双方のためζこ使用された。

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。サーキュ
レータを必要とすることなく、アンテナによって光慰流
信号を集めるために、第２の分離したラインを用いるこ
ともてきる。たヌ゛シ、サーキュ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光漏の機器を排除す
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
のブロック図、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６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、（６）は共
振空洞、（４）　、（５）はミラー、（６１，（７）は
電極、（檜は（電力）発生器、６０）はサーキュレータ
、（１２）は整合回路、（１３）は圧電セラミック、（
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）はロック・
イン増幅器、（２４）は積分器、（２５）は増幅器、（
２６）は加算器、（２７）はＩＧ　ｊ 図面のｊｊ’Ｒ：’（内ｄに変更な乙ン手続捕正Ｓ（方
式） ％式％ ｌ、事件の表示 昭和６０年特許願第１３２０８５号 ２、発明の名称 ＲＦ励起レーザの周波数安定１ヒ装置 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 名　称　サ・７１−（ソシエテ・アノニム・ド　テレコ
ミュニカション） ４、代理人 住所　東京都千代田区丸の内二丁目４番１′Ｆ′Ｊ丸の
内ビルディング４階 ５、補正命令の日付 昭和６０年　９月２４日 ６、補正の対象 ＜１＞図面 ７、補正の内容

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って一緒
   に接続され、該手段は該空洞によっ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
   段は結合手段によっ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経路サーキュレータによって形成
   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、空洞によっ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ック・イン増幅器、そ
   の入力によって同期増幅器の出力に、また、その出力に
   よっ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って前記発振器の出
   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ッ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フッ化イオ
   ウのセルが含まれている特許請求の範囲第１項記載のＲ
   Ｆ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ック・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。