(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光周波数コム装置を用いたレーザ周波数測定装置のシステム精度Ｅtotalを評価する際に、
前記レーザ周波数測定装置の系統誤差を校正するための校正値Ｅstand_systemが不確かさＵcalibで得られる、光周波数コム装置の基準周波数発振器に位相同期をかけ、
該光周波数コム装置と安定度Ｅlaser_randomの光周波数コム評価用レーザとの間でビート周波数を測定して相対安定度Ｍrandomを得て、
少なくとも前記Ｕcalibと前記Ｍrandomを用いて、前記光周波数コム装置を用いたレーザ周波数測定装置のシステム精度、または、レーザ周波数測定結果の不確かさＥtotalを見積もることを特徴とする、光周波数コム装置を用いたレーザ周波数測定装置の評価方法。
【請求項２】
前記光周波数コム評価用レーザの前記安定度Ｅlaser_randomは、複数台のレーザのビート周波数測定によって得られていることを特徴とする、請求項１記載の光周波数コム装置を用いたレーザ周波数測定装置の評価方法。
【請求項３】
少なくとも前記Ｕcalibと前記Ｍrandomを用いて、前記光周波数コム装置を用いたレーザ周波数測定装置のシステム精度、または、レーザ周波数測定結果の不確かさＥtotalを見積もる際、２乗和の平方根を演算することを特徴とする、請求項１又は２記載の光周波数コム装置を用いたレーザ周波数測定装置の評価方法。
【請求項４】
前記光周波数コム装置を用いたレーザ周波数測定装置のシステム精度、または、レーザ周波数測定結果の不確かさＥtotalを見積もる際、前記Ｅlaser_randomと前記Ｅstand_systemの少なくともいずれか一方を加えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光周波数コム装置を用いたレーザ周波数測定装置の評価方法。
【請求項５】
光周波数コム装置を用いたレーザ周波数測定装置のシステム精度Ｅtotalを評価する際に、
前記光周波数コム装置の基準周波数発振器に位相同期をかけて安定化し、
前記レーザ周波数測定装置の系統誤差を校正するための前記基準周波数発振器の校正値Ｅstand_systemを用いて前記レーザ周波数測定装置の系統誤差を算出することを特徴とする、光周波数コム装置を用いたレーザ周波数測定装置の評価方法。
【請求項６】
光周波数コム装置を用いたレーザ周波数測定装置のシステム精度Ｅtotalを評価する際に、
前記光周波数コム装置の基準周波数発振器に位相同期をかけて安定化し、
前記光周波数コム装置と安定度Ｅlaser_randomの光周波数コム評価用レーザとの間でビート周波数測定をして相対安定度Ｍrandomを得て、
前記レーザ周波数測定装置のランダム誤差を算出することを特徴とする、光周波数コム装置を用いたレーザ周波数測定装置の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光周波数コム装置を用いたレーザ周波数測定装置の評価方法に係り、特に、レーザ周波数の校正に用いるのに好適な、測定誤差を構成する系統誤差とランダム誤差を簡便に見積ることが可能な、光周波数コム装置を用いたレーザ周波数測定装置の評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の光周波数コム装置の発明により、周波数の国家標準にトレース可能な基準周波数発振器を使って、レーザ周波数を測定することが出来るようになった。光周波数コム装置は、縦モードの間隔が繰り返し周波数ｆrepで櫛状のスペクトルのレーザを出力する装置であり、ｆrepがどの波長帯においても正確に等しいという性質を持っている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
図１に、光周波数コムと測定対象となるレーザの周波数スペクトルの関係の例を示す。光周波数コムにおけるｎ番目のコムモードの発振周波数νnは、以下の式により表すことができる。
νn＝ｎｆrep＋ｆCEO      …（１）
【０００４】
ここで、ｎはモード次数であり、最初のモードをゼロ番目としたとき、何番目のモードかを示す。又、ｆCEOは端数のキャリアエンベローブオフセット（以下ＣＥＯ）周波数である。
【０００５】
測定対象のレーザ（周波数νlaser）と光周波数コムとを干渉させてその際に発生するビート周波数ｆBを測定することで、次式により測定対象のレーザの絶対周波数νlaserを得ることが出来る。
νlaser＝ｎｆrep＋ｆCEO＋ｆB      …（２）
【０００６】
このため、光周波数コムの繰り返し周波数frep及びＣＥＯ周波数fCEOを、基準周波数（例えば、協定世界時に同期した周波数）に同期させ、ビート周波数ｆBを測定すれば、適当な整数ｎを決定することで測定対象のレーザの正確な絶対周波数νlaserを測定（算出）することができる。
【０００７】
光周波数コムを用いたレーザの周波数測定は、マイクロ波の基準周波数を測定の基準として極めて高い精度で測定できる。一方で、光周波数コムよりも精度が高くて比較評価できる装置が存在しないため、光周波数コムそのものの性能を評価することが大きな課題となる。
【０００８】
レーザの絶対周波数を測定する装置として性能が最上位の光周波数コムの精度を評価する場合、通常は図２に示すように、２台の光周波数コム２１、２２による相対比較が行われる（非特許文献１参照）。この方法では、２台の光周波数コム２１、２２で１台のレーザ１０の周波数を同時に測定する。そして、測定結果から２台の光周波数コム２１、２２によって得られる絶対周波数測定結果の差と、相対的な安定度を評価する。これにより、光周波数コムでのレーザ周波数測定の精度を見積もることが出来る。
【０００９】
図において、２４は基準周波数発振器、２６はミラー、２８、３１、３２はハーフミラーである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００７−２５６３６５号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】H.Inaba,Y.Nakajima,F.L.Hong,K.Minoshima,J.Ishikawa,A.Onae,H.Matsumoto,M.Wouters,B.Warrington,and N.Brown,”Frequency Mesurement Capability of a Fiber-Based Frequency Comb at 633nm,”IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,vol.58,pp.1234-1240,April 2009.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところが、この方法を実現するにおいては、高価な光周波数コムを２台用意して、それらで１台のレーザ１０の周波数を同時に測定する必要がある。また、これら２台の光周波数コム２１、２２にまたがる大がかりな測定系を操作しなければならないため、高度な測定技術が必要となる。しかも、この手法においては、相対評価する２台の光周波数コム２１、２２の両方とも高い性能で維持する必要がある。
【００１３】
光周波数コムは、レーザの絶対周波数を測定するのに、原理上最適な技術である。しかしながら、ここに挙げたような性能を確認し維持することの難しさもあって、一部研究機関で使用されるのみで、広く産業界に普及するに至ってなかった。
【００１４】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、光周波数コムを用いたレーザ周波数測定装置をより簡単に評価する方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、光周波数コム装置を用いたレーザ周波数測定装置のシステム精度Ｅtotalを評価する際に、前記レーザ周波数測定装置の系統誤差を校正するための校正値Ｅstand_systemが不確かさＵcalibで得られる、光周波数コム装置の基準周波数発振器に位相同期をかけ、該光周波数コム装置と安定度Ｅlaser_randomの光周波数コム評価用レーザとの間でビート周波数を測定して相対安定度Ｍrandomを得て、少なくとも前記Ｕcalibと前記Ｍrandomを用いて、前記光周波数コム装置を用いたレーザ周波数測定装置のシステム精度、または、レーザ周波数測定結果の不確かさ（信頼性）Ｅtotalを見積もることにより、前記課題を解決するものである。
【００１６】
ここで、前記光周波数コム評価用レーザの前記安定度Ｅlaser_randomを、複数台のレーザのビート周波数測定によって得ることができる。
【００１７】
又、少なくとも前記Ｕcalibと前記Ｍrandomを用いて、前記光周波数コム装置を用いたレーザ周波数測定装置のシステム精度、または、レーザ周波数測定結果の不確かさ（信頼性）Ｅtotalを見積もる際、２乗和の平方根を演算することができる。
【００１８】
又、前記光周波数コム装置を用いたレーザ周波数測定装置のシステム精度、または、レーザ周波数測定結果の不確かさ（信頼性）Ｅtotalを見積もる際、前記Ｅlaser_randomと前記Ｅstand_systemの少なくともいずれかを加えることができる。
【００１９】
本発明は、又、光周波数コム装置を用いたーザ周波数測定装置のシステム精度Ｅtotalを評価する際に、前記光周波数コム装置の基準周波数発振器に位相同期をかけて安定化し、前記レーザ周波数測定装置の系統誤差を校正するための前記基準周波数発振器の校正値Ｅstand_systemを用いて前記レーザ周波数測定装置の系統誤差を算出することにより、同様に前記課題を解決するものである。
【００２０】
本発明は、又、光周波数コム装置を用いたレーザ周波数測定装置のシステム精度Ｅtotalを評価する際に、前記光周波数コム装置の基準周波数発振器に位相同期をかけて安定化し、前記光周波数コム装置と安定度Ｅlaser_randomの光周波数コム評価用レーザとの間でビート周波数測定をして相対安定度Ｍrandomを得て、前記レーザ周波数測定装置のランダム誤差を算出することにより、同様に前記課題を解決するものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明において、系統誤差は、測定の基準となる基準周波数発振器の系統誤差によって決まり、その量は一般に利用できる、周波数の遠隔校正結果を利用する。一方のランダム誤差は、レーザとの相対安定度により評価する。これらを組み合わることで、光周波数コム本来の性能を簡単に評価することが出来る。
【００２２】
従って、従来の２台の光周波数コムを用いる場合と比べて、簡単なシステム構成でかつ簡単な測定操作で光周波数コムを用いたレーザ周波数測定装置の測定精度や不確かさ（信頼性）を評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】光周波数コムと測定対象レーザの周波数スペクトルの関係の例を示す図
【図２】２台の光周波数コムを用いた従来のレーザの相対比較を示す図
【図３】本発明に係る光周波数コムの評価方法の実施形態を説明するための図
【図４】前記実施形態の評価手順を示す流れ図
【図５】評価用レーザの安定度が不明の場合にレーザの安定度を得る方法を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態及び実施例に記載した内容により限定されるものではない。又、以下に記載した実施形態及び実施例における構成要件には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態及び実施例で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。
【００２５】
光周波数コムにより、レーザの周波数を測定する場合、測定値には、周波数が真値に対して系統的にずれる系統誤差と、系統誤差を中心として値が変動するランダム誤差がある。本発明では、この系統誤差とランダム誤差を、それぞれ分けて簡単に見積もりまたは評価することで、最終的に、光周波数コムを用いたレーザ周波数測定装置を簡単に評価するものである。
【００２６】
光周波数コムは、スペクトルの間隔の繰り返し周波数ｆrepと端数のＣＥＯ周波数ｆCEOを、基準周波数発振器を基準クロックとして周波数シンセサイザによって発生させた参照周波数に対して位相同期をかけて安定化し、レーザ周波数を測定する。これにより、系統誤差については、光周波数コムの周波数安定化を行う際に用いる位相同期の原理に基づく誤差から検討する。
【００２７】
位相同期とは、参照周波数に対して一定位相差になるように、制御対象の周波数を安定化させる手法である。この方法においては、制御対象物から発振する周波数に含まれる誤差は、参照信号の周波数をほぼ中心として、制御サイクルオーダの短い時間周期で早く変動する。したがって、平均時間を長くとれば、光周波数コムのｆrepとｆCEOの周波数は参照周波数の値より近づくように収束していく。つまり、光周波数コムでレーザの周波数を測定する場合に、十分に長い時間かけて平均化を行って測定すれば、ｆrepとｆCEOの参照信号を発生させる際の基準となる基準周波数発振器の真値とのずれの割合が、光周波数コムの発振周波数の誤差となる。
【００２８】
日本においては、１０ＭＨｚのマイクロ波の周波数を、周波数標準器を校正機関に持ち込むことなくＧＰＳ衛星を利用して常に国家標準器との周波数差を監視可能なｅ-ｔｒａｃｅによって周波数の国家標準と比較し遠隔校正するサービスが提供されている。したがって、遠隔校正などによって得られた校正結果を利用すれば、光周波数コムを用いたレーザ周波数測定装置の系統誤差を簡単に見積もることができる。
【００２９】
これに対して、ランダム誤差の評価については、図３に示すように、光周波数コム評価用レーザ３０と干渉させてビート周波数を測定し相対安定度で評価する。たとえば、標準レーザとして一般的に多く用いられる、よう素安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザのレーザにおいては、絶対周波数の不確かさは、２．１×１０-11であるが、安定度については、１０００秒平均測定で評価した場合には、３×１０-13に達する。そこで、安定度が高いことを利用して、光周波数コム２１によるランダム誤差を評価する。
【００３０】
以下、図４を参照して、具体的な評価手順を以下に説明する。まずステップ１００で、基準周波数発振器２４を遠隔校正する。この時に得られる校正値が基準周波数発振器２４の系統誤差Ｅstand_systemになる。したがって、ステップ１１０で、システムの系統誤差は基準周波数発振器２４の校正値Ｅstand_systemを使って算出する。もし、校正値Ｅstand_systemをもとに基準周波数発振器２４の補正を行えばＥstand_systemによる測定誤差はなくなる。
【００３１】
次に、ステップ１２０で、安定度Ｅlaser_randomの光周波数コム評価用レーザ３０と干渉させてビート周波数を測定し、ステップ１３０で相対安定度Ｍrandomを算出する。Ｅlaser_randomが安定度測定結果Ｍrandomよりも十分に小さいとみなせる場合には、Ｍrandomが、Ｅstand_randomとＥcomb_randomからなるシステムの安定度となるので、ステップ１４０でランダム誤差とする。
【００３２】
したがって、Ｅstand_systemとＭrandomを使って前記光周波数コムによるレーザ周波数測定装置の精度(不確かさ)Ｅtotalを見積もることができる。
【００３３】
Ｅlaser_randomが安定度測定結果Ｍrandomよりも十分に小さいとみなせるレーザは、一般に共振器長を一定の光路長に保ったり、外部共振器ミラーなどを使ってレーザにフィードバックをかけ、特定の周波数のゲインを高めてレーザの発振周波数を制御したりすることで実現できる。
【００３４】
例えば、よう素の吸収線を手掛かりに、共振器長を安定化し発振周波数の安定度を高めたよう素安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザが市販されている。カタログ上で性能が公開されている安定度は、１０００秒平均の場合で３×１０-13で、極めて安定度が高い。一方のｅ−ｔｒａｃｅによって遠隔校正される基準周波数発振器の安定度Ｅstand_randomは、平成１９年度  ＮＭＩＪ周波数クラブ会合における『周波数遠隔校正開発の経緯』の報告によれば、１０００秒平均の場合で、２×１０-12付近である。このことから、基準周波数発振器に位相同期をかけた光周波数コムの安定度を評価するには、十分な性能である。
【００３５】
光周波数コム評価用レーザ３０の安定度が不明で、光周波数コム２１の安定度よりも安定度が十分に高いと判断できない場合は、図５に示すように光周波数コム評価用レーザ３０と同じレーザを少なくとももう１台用意して安定度評価用レーザ３２とし、互いに干渉させてビート周波数を測定し、複数台のレーザ３０、３２における相対安定度から、レーザの安定度Ｅlaser_randomを算出する。算出された安定度が良好ならば、評価用レーザとして使用できる。
【００３６】
なお、複数の誤差要因（不確かさ）から総合的な誤差量（不確かさ）を見積もる場合には、次式のように、各要素の２乗和の平方根を計算することができる。
【数１】
0006522414.tif 000002
【００３７】
ここで、Ｅstand_systemは、測定値から引けば０にでき、補正可能である。又、Ｅlaser_randomは、十分に小さいと見なせるレーザを使用すれば無視できる場合がある。従って、不確かさ算出上支配的になるのはＵcalibとＭrandomである。
【符号の説明】
【００３８】
２１、２２…光周波数コム（装置）
２４…基準周波数発振器
３０…光周波数コム評価用レーザ
３２…安定度評価用レーザ
【図１】
0006522414.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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