(57)【要約】【課題】  本発明の課題は比例ならびに積分制御を行った周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザを高精度化しようとすると発振現象が起こる。高精度化しても発振現象が起こらない装置の開発を課題とする。また環境温度が広範囲で変化してもそれに耐えられる方式の開発も課題とする。【解決手段】  比例ならびに積分制御は周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザには有効であるが、熱的に制御を行うとあらゆる所に大きい遅れ要素が存在し、そのため、発振現象が起こる。制御を高度化すればするほど発振が起こり易くなる。総ての箇所の発振を完全に防止する為、誤差信号に関わる量を指数関数的に目標値の近づける法の採用で解決する。【選択図】図１
2008153604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力誤差信号を分岐し一方の入力誤差信号を第一の高速増幅器に入力し、他方の入力誤差信号と正弦波入力を加算して第二の高利得線型速増幅器と積分器から成る信号補正増幅器に入力し、第一、第二の二つの増幅器の出力を加算して制御することを利点とする周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザにおいて、第二の高利得回路として線型増幅器の振幅を制限すると共に該増幅器の出力を積分する回路からなる信号補正増幅器をつくり、該第二の高利得回路の入力にｅｘｐ（−ωｔ）の波形と［１−ｅｘｐ（−ωｔ）］の波形が交互に、且つ、等間隔で現れる波の電圧を重ねあわすことを特徴とする周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザ装置
【請求項２】
線型増幅器の振幅を制限すると共に該増幅器の出力を積分する回路からなる増幅器の反転、非反転入力に、第１と第２の２つの加熱ヒータを持つ周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザの第１の加熱ヒータの印加電圧の値と、電圧が任意に設定できる入力電圧と、ｅｘｐ（−ωｔ）の波形と［１−ｅｘｐ（−ωｔ）］の波形が交互に、且つ、等間隔で現れる波の電圧を重ね、前記積分する回路からなる増幅器の出力を、第２の加熱ヒータ印加電圧とすることを特徴とする周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザ装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  第１はＨｅ−Ｎｅレーザの安定化制御装置における誤差信号を限りなく零に近づけるため有限の利得、短い時定数を持つ回路と、飽和特性および無限大に近い利得と極めて長い時定数を持つ回路を併用していた。後者は大きい遅れ要素を持つため為単に併用した場合必ず発振現象が起こりその防止の調整に細心の努力を要する。本発明は、完全に該発振現象を防止し、絶対的に誤差信号が零であり、第２は広い温度範囲において完全に該発振現象を防止したＨｅ−Ｎｅレーザの安定化制御装置を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】  Ｈｅ−Ｎｅレーザの安定化制御装置に於いては誤差信号の値が出来るだけ零になるよう各種の方策を用いる。その一つとして、有限の利得、短い時定数を持つ増幅器と、無限大に近い利得をもつ可飽和増幅器と極めて長い時定数を持つ増幅器で誤差信号を増幅し両増幅器の出力を加算するという手段が採られてきた。しかし、前記のように、長い時定数を持つ増幅器、即ち大きい遅れ要素を持つ制御ループは必ず発振が起こる。該発振を防ぐため、無限大に近い利得と極めて長い時定数を持つ回路には利得に対して非線形特性を持たせていた。その手段として無限大に近い利得をもつ線形特性をもつ増幅器を可飽和とし、その入力信号に正弦波を重ね、入力誤差信号レベルが高いときは増幅器は線形増幅器として働き、入力信号電圧が零に近くなると、利得は零に近づくという特性を持たせていた。【０００３】  このとき、確かに誤差信号電圧が零に近づいても遅れ要素による発振はおこらず、誤差信号を零に近付けるという目的は達成されるが、誤差信号が零に接近する形は理想的ではなく、発振を完全に防ぐには細心の調整を要した。
誤差信号電圧が零に接近する時、理想的な接近のための動きは対指数関数的な形（ｅ−ｔ）であるが、前記のように誤差信号に重ね合わす波が正弦波では接近は指数関数的にはならない。【０００４】また、レーザの発生熱による温度上昇、設置環境の温度の変化範囲が大きい場合、周波数制御用のヒータと環境温度制御用のヒータを設けるが、二つのヒータの間の時間遅れは大きく、対策を講じ無ければ必ず発振がおこる。この発振の防止も誤差信号に正弦波を重ね合わせて行っていたが、発振を完全に防ぐには細心の調整を要した。以後、周波数制御用のヒータをメインヒータ、環境温度制御用のヒータをサブヒータと呼ぶ。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  第１の課題については、Ｈｅ−Ｎｅレーザの安定化制御装置における誤差信号を限りなく零に近づけるために、誤差信号を二つに分岐し、一つは一般的な自動制御ループのための有限の利得をもつ第一の増幅回路に入力し、他の一つの誤差信号は、指数関数波の発振器および無限大に近い利得と充分低い飽和電圧を持つ第二の可飽和増幅と極めて長い時定数を持つ積分回路から構成される補正装置に入力し、上記第一の増幅回路の出力と補正装置の出力を加算して制御装置のループにおける誤差信号に補正を加え徐々に、しかも指数関数的な動きで、誤差信号の値を減小させてその値を零とするシステムを構成することを課題とする。
また第２の課題は、広い温度範囲で制御動作を行うため二つヒータを用い、一方のヒータ電流が減少しようとすると、他方のヒータ電流が減少し、前者の電流を一定に保つという方法を採るが、これも大きい遅れ要素をもち、発信の原因を作る。この発振現象を完全に防止するという課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  周波数安定化レーザとしては、二つの型式がある。その一つはゼーマンレーザとかｆｒｑ．Ｐｕｌｌｉｇを利用した型式のもので、制御のための信号は、カウンタブルな量である。ここではデジタル型と呼ぶ。いま一つの型式は、偏光強度の差や比のアナログ量を制御のための信号とするものである。ここではアナログ型と呼ぶ。【０００７】  本発明では、アナログ型をとりあげる。
第１の課題では、Ｈｅ−Ｎｅレーザの安定化制御装置における誤差信号を絶対に発振現象をともなわずに限りなく零に近づけるために、誤差信号を指数関数的に零に近付ける。即ち、誤差信号の値が零から大きく離れているときは急速に、零に近づくに従ってゆっくり動くと共に目標値である零を絶対に通り過ぎないという動きを示すための手段を求める。通り過ぎると再び目標値に向かって動くので振動（発振）現象がおこる。
誤差信号を指数関数的に零に近付ける手段を、図１を用いて説明する。指数関数的な補正は誤差信号εに対し線型増幅器Ｇと積分器から構成される（Ｂ）のごとき装置に（Ａ）に示す波形の信号を重ねることにより行われる。線型増幅器Ｇの振幅はツエナーダイオードその他により一定値Ｗに制限されている。図におけるＲは抵抗をしめす。Ｒｃは特に高い抵抗値をもつ。【０００８】  図１（Ａ）はデューティ比が５０％の方形波を抵抗Ｒと容量Ｃで得られる
ｅｘｐ（−ｃｔ）…１）
と［１−ｅｘｐ（−ｃｔ）］…２）
が交互に現れる単位振幅の指数関数波を考える。いま、
−ｚ＝ｅｘｐ（−ｃｔ）＝ｆ（ｔ）の逆関数をとり、ｆ−１（ｔ）＝１ｎ（−ｃｔ）
−ｃｔ＝ｅｘｐ（−ｚ）
つまりｔ軸での対数関数はｚ軸での対数関数でもある。
ここで、指数間数波の１／２周期をτとしτ＝１として、図１（Ａ）においての話になるが、誤差信号の電圧εがＶｉｎの原点ｚ＝１／２やｚ＝１より非常高い場合、全体の制御系の働きにより急速に零に近づく、Ｖｉｎの極大値よりｚ＝１より低くなると増幅器Ｇの振幅幅Ｗが充分狭いとすると図１（Ｂ）に於ける積分容量Ｃに関し、図１（Ａ）のＨの長さが充電（Ｃｈａｒｇｅ）、Ｌの長さが放電（Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）となり両者の差が積分容量Ｃの電圧Ｖｏｕｔの動きをきめる。
図１より、
Ｌ＝［１−ｅｘｐ（−ｚ）］＋ｅｘｐ［−（１−ｚ）］
Ｈ＝［１−ｅｘｐ｛−（１−ｚ）｝］＋ｅｘｐ（−ｚ）となる。
Ｇ＝Ｌ−Ｈ＝ｅ−１ｅｘｐｚ−ｅｘｐ（−ｚ）の量に応じた速さでＶｏｕｔの増減を行なう。ｚ＝１／２と置くと、
Ｇ＝ｅ（−１＋１／２）−ｅ−１／２＝０
となるので、ｚ＝１／２において積分容量Ｃの充電レートと放電レートは等しくなりＶｏｕｔの動きは止まる。この動きは対数関数的に行われるので移動点が、目標値ｚ＝１／２を超えることはない。つまり、制御系の誤差信号εをＶｏｕｔを加算して補正をおこない誤差信号の値εを目標点に近づける場合、決して発振現象は生じない。【０００８】  第２の課題では、周波数安定化のためのメインヒータの電流が一定になるように同ヒータの印加電圧を設定し、環境の温度が変化しても前記該設定電圧が一定に保持されるように環境温度制御用のサブヒータの印加電圧を徐々に変化させることにより解決する。しかし、この該制御は間接な温度制御であるため極めて大きい遅れが存在し、線形素子で制御システムを構成すると、必ず発信が起こる。【０００９】  そこで、メインヒータの印加電圧を設定値に近づけるためサブヒータの印加電圧を徐々に変化させる際、前記の振幅がＷに制限された増幅器と積分器から成る回路を用い両印加電圧の差の電圧に対し前記の指数関数的な１）、２）式の信号を重ね合わせることにより、メインヒータの印加電圧は指数関数的にゆっくり設定値に近づくので、印加電圧の移動が設定値を超える事は絶無となり、発振現象はおこりえない。
【発明の効果】
【００１０】  周波数安定化レーザに於いて、周波数安定化レーザの置かれている環境温度レーザ自身の発熱もあるのでは必ず変化する。その温度変化のためレーザ管の長さが光の１００分の１波長変化しても温度変化による安定化周波数の変化は大きい。レーザ管の長さが３０ｃｍであるとすると、周波数の変化はＭＨｚの桁である。恒温槽を用いて３０ｃｍのレーザ管の長さ変化を１００分の１波長にすることは不可能であろう。
本発明は恒温槽などを用いることなしに、周波数制御システム内の電気回路的な処理のみにより更に小さい桁の周波数の不安定度を得るもので、高精度の干渉測定用のレーザ光源実現を可能にするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
【実施例】
【００１２】  発明を実施するための最良の形態については、本発明の実現の具体的な形態として実施例を挙げ、その図面を用いて説明する。
図２は本発明の実施例である。先に、図１（Ｂ）で述べた、制限電圧を持つ線形増幅器２と積分器３からなる回路は周波数安定化レーザの制御系全体の中へ、図２のような場所に図２のような接続で組み込まれる。
本発明で対象となるレーザはレーザの偏光のＳ成分とＰ成分の強度差を誤差信号εとするものである。レーザ管の伸びを比例制御で制御する一般のレーザ装置制御では、環境温度等が変化して出力が変化しなければならないとすると、誤差信号の値も変化しなければならず、制御の目標値も動いてしまう。本発明では出力が変化しなければならない場合でも目標値が変わらない系を構成する目的で、一般の比例増幅器４とレーザ管１０の長さを調整するメインヒータ８および二つの光検知器から出来ている一般の制御ループに対し、前記の指数関数波発生器１と利得は大きいが制限電圧を持つ線形増幅器２と積分器３からなる装置を付け加え、誤差信号が絶対に発振しないで、目標値に近づく。
大きい利得Ｇをもつ線形増幅器は、利得は大きいが制限電圧±Ａ／２（＝Ｗ）を持っている。【０００１３】本発明では、誤差信号εを分岐して一般の比例増幅器４と本発明の係る補正装置に入力する。補正装置は図１における式１）、２）で表される指数関数波の発振器１と制限電圧±Ａ／２をもつ大きい利得の線形増幅器２と線形積分器３から構成される。ここで、動作の説明を行う。【００１４】  式、１）、２）の振幅はｚを単位としてｚ＝１としたが、現実では振幅がａボルトの指数関数曲線の波である。また、Ｖｏｕｔが一定値になるｚ＝１／２の点は現実ではｖ＝０ボルトの点であるので、座標の値の読み替えをした方がよい。誤差電圧εが指数関数曲線波を出力する指数関数曲線発振器１の出力の振幅ａよりはるかに大きい場合、大きい利得Ｇのため、誤差電圧εが急速に目標値（零ボルト）に向かって移動する。誤差電圧εが振幅がａより低くなると、飽和電圧Ａ／２の中に指数関数曲線の波頭が現れ始め、図１のＧ＝Ｈ−Ｌだけ実効的な利得は下がる。誤差電圧値εが振幅がａよりさらに小さくなり、Ｇ＝Ｈ−Ｌの値が指数関数的に減少するとＧは減少する。そしてＧ＝０となれば、前記Ｃの充、放電は止まりＶｏｕｔは一定値となる。この増減するＣの出力を前記の一般の比例増幅器４の出力に加算すると、レーザ管やメインヒターを含む制御系の動きにより比例増幅器４の入力部の誤差信号εは目標値（一般には０ボルト）向かって移動する。Ｖｏｕｔは一定値になればＶｏｕｔの移動はとまる。環境の温度が変われば再びＶｏｕｔ動き始める。このようにして、出力が必要とする電力が余儀なくされても。誤差信号εの値は一際変化せず、しかも絶対に発振現象は起こらないので、発振を止める面倒な作業を要しない周波数安定化の制御装置をうることができた。【００１５】  第２の温度変化にたいする耐性を大きくするため、図３のようにレーザ管１０に周波数安定化のためのメインヒータ８と温度を調整するためのサブヒータ９が巻かれている。
これらのヒータは図３に示すメインヒータＭの印加電圧が下がろうとすれば、それを下げない様にサブヒータ９の印加電圧Ｓを下げ電圧差険出器１１の電圧差を零にすればよい、しかし、メインヒータとサブヒータの熱的な結合は極めて間接的であるので、両者の印加電圧の間には大きい遅れ要素があり必ず発振現象をおこす。発振がおりやすい、と言うより必ず発振現象がおこる。この発振を防止するため、該部分の電気部品（ポテンシヨメータ）繊細な工作が行われてきた。そこで、指数関数波の発振器１、と制限電圧±Ａ／２をもつ大きい利得の線形増幅器２と線形積分器３から構成される装置をもちいて、電圧差険出器１１の電圧差を指数関数的に零にちかづければ発振現象はおこらない。発振現象は起こらない。この際も微細な工作や時定数の微細な調整は必要としない。
【産業上の利用可能性】
【００１６】  本発明は周波数安定化レーザの製作の困難さの軽減に掛かるものであると共に装置の性能の向上に関するものである。ナノメータ技術の分野における高感度、精密測定の需要は今後増加するであろうし、測定量の基準となるのは周波数安定化レーザであるので、装置の精度、性能の向上はナノメータ技術の分野における感度、精度の向上に貢献する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の主要点である対数波に関連した説明図である。
【図２】図２は本発明を周波数安定化の高精度化に用いた実施例である。
【図３】図３は本発明を周波数安定化の許容温度範囲拡大に用いた実施例である。
【図４】図４は誤差信号電圧が対数的に目標値に近付くことを示す説明図である。
【図５】図５は周波数安定化の許容温度範囲を広くするためのヒータの構造を示す図である。
【符号の説明】
１指数関数曲線波の発信器
２振幅制限増幅器
３積分器
４増幅器
５、６加算回路
７、電力増幅器
８メインヒータ
９サブヒータ
１０レーザ放電管
ε誤差信号電圧
Ｃ容量
Ｗ増幅器の振幅制限幅
Ａ増幅器の振幅制限電圧Ｗ＝±Ａ／２
ａ指数関数曲線波の振幅
Ｒ抵抗
ＶＲポテンシヨメータ
【図１】
2008153604.tif 000003
【図２】
2008153604.tif 000004
【図３】
2008153604.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成19年2月22日(2007.2.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】追加
【補正の内容】
【図４】
2008153604.tif 000006
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】追加
【補正の内容】
【図５】
2008153604.tif 000007