(57)【要約】    【課題】  複数存在する飽和吸収線うち、所望の一つの吸収線に、波長安定化を行うことができる周波数安定化光源を提供する。    【解決手段】第１の信号処理手段８ａは、１次同期検波手段６ｂが出力する、差動アンプ３１の出力の１次成分を変調信号発生器２の１倍波で同期検波した１次同期検波出力値を受けて、その出力値が０の場合に前記レーザ制御器への帰還ループを形成する。  第２の信号処理手段８ｂは、該帰還ループが形成された後、前記３次同期検波手段が出力する、差動アンプ３１の出力の３次成分を変調信号発生器２の３倍波で同期検波した３次同期検波出力値を受けて、３次同期検波出力値が予め定めた複数の値のいずれか１つに一致することを検出することによってレーザ光の出力する波長が複数の特定波長のどの吸収線に該当しているか判別する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
変調されたレーザ光を出力するレーザ光源手段（１０）と、該レーザ光源手段（１０）からのレーザ光の波長を制御するレーザ制御器（３）と、複数の特定波長で光吸収特性を示すガスを封入した光吸収セル（５）と、前記変調されたレーザ光を前記光吸収セル（５）中に導いて線形吸収を生じさせる第１の分光手段（１１ａ）と、前記変調されたレーザ光を前記光吸収セル（５）中に導いて飽和吸収を生じさせる第２の分光手段（１１ｂ）と、前記線形吸収を受けた光を受領して電気信号に変換する第１の光検出器（１２ａ）と、前記飽和吸収を受けた光を受領して電気信号に変換する第２の光検出器（１２ｂ）と、前記第１の光検出器（１２ａ）の信号を増幅する第１の増幅器（３０ａ）と、前記第２の光検出器（１２ｂ）の信号を増幅する第２の増幅器（３０ｂ）と、前記第１の増幅器（３０ａ）と前記第２の増幅器（３０ｂ）からの出力を受ける差動アンプ（３１）と、該差動アンプ（３１）の出力の３次成分を前記変調されたレーザ光の変調信号の３倍波で同期検波する３次同期検波手段（６ａ）と、前記差動アンプ（３１）の出力の１次成分を前記レーザ光の変調信号の１倍波で同期検波し、その１次同期検波出力を前記レーザ制御器（３）に帰還する１次同期検波手段（６ｂ）とを備えた波長安定化光源において、
前記１次同期検波手段（６ｂ）が出力する１次同期検波出力値を受けて、その出力値が０の場合に前記レーザ制御器（３）への帰還ループを形成する第１の信号処理手段（８ａ）と、
該帰還ループが形成された後、前記３次同期検波手段（６ａ）が出力する３次同期検波出力値を受けて、前記３次同期検波出力値が予め定めた複数の値のいずれか１つに一致することを検出することによって前記レーザ光の出力する波長が複数の特定波長のどの吸収線に該当しているか判別する第２の信号処理手段（８ｂ）とを含む、検査手段（８）を備えたことを特徴とする波長安定化光源。
【請求項２】
レーザ光源（１）と、前記レーザ光源（１）から出力されるレーザ光の波長を制御するレーザ制御器（３）と、特定の光波長で光吸収特性を示すガスを封入した光吸収セル（５）と、該光吸収セル（５）に磁場を与えるための磁場発生装置（２１）および該磁場発生装置（２１）に変調信号を出力する変調信号発生器（２）を含み前記光吸収セル（５）に変調された磁場を与えてゼーマン変調を生じさせるゼーマン変調装置（２０）と、前記変調されたレーザ光を前記光吸収セル（５）中に導いて線形吸収を生じさせる第１の分光手段（１１ａ）と、前記変調されたレーザ光を前記光吸収セル（５）中に導いて飽和吸収を生じさせる第２の分光手段（１１ｂ）と、前記線形吸収を受けた光を受領して電気信号に変換する第１の光検出器（１２ａ）と、前記飽和吸収を受けた光を受領して電気信号に変換する第２の光検出器（１２ｂ）と、前記第１の光検出器（１２ａ）の信号を増幅する第１の増幅器（３０ａ）と、前記第２の光検出器（１２ｂ）の信号を増幅する第２の増幅器（３０ｂ）と、前記第１の増幅器（３０ａ）と前記第２の増幅器（３０ｂ）からの出力を受ける差動アンプ（３１）と、該差動アンプ（３１）の出力の３次成分を前記変調されたレーザ光の変調信号の３倍波で同期検波する３次同期検波手段（４ａ）と、前記差動アンプ（３１）の出力の１次成分を前記レーザ光の変調信号の１倍波で同期検波し、その１次同期検波出力を前記レーザ制御器に帰還する１次同期検波手段（４ｂ）とを備えた波長安定化光源において、
前記１次同期検波手段（４ｂ）が出力する１次同期検波出力値を受けて、その出力値が０の場合に前記レーザ制御器への帰還ループを形成する第１の信号処理手段（６ａ）と、
該帰還ループが形成された後、前記３次同期検波手段（４ａ）が出力する３次同期検波出力値を受けて、前記３次同期検波出力値が予め定めた複数の値のいずれか１つに一致することを検出することによって前記レーザ光の出力する波長が複数の特定波長のどの吸収線に該当しているか判別する第２の信号処理手段（６ｂ）とを含む、検査手段（８）を備えたことを特徴とする波長安定化光源。
【請求項３】
前記帰還ループを形成するための帰還ループ形成手段（７）と、
前記第２の信号処理手段（６ｂ）は、前記帰還ループが形成された後、前記帰還ループ形成手段（７）を介して前記１次同期検波手段（４ｂ）が出力する１次同期検波出力値を受けて、前記レーザ制御器（３）へ出力される注入電流制御値が予め定めた範囲内の値か否か判別することを含むことを特徴とする請求項１または２記載の波長安定化光源。
【請求項４】
前記複数の吸収線のうち、所望の吸収線における前記３次同期検波手段（４ａ）の出力値が所定値となるように、前記第１の増幅器（３０ａ）と前記第２の増幅器（３０ｂ）とからの出力値を調整することを特徴とする請求項１または２記載の波長安定
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ある光波長で吸収特性を有するガスの吸収線を基準とした周波数安定化光源に関する。特に、光周波数安定度が短期および長期に亘って高安定し、その安定化された波長が、複数存在する飽和吸収線の所望の吸収線に該当することを判定する検査手段を備えた周波数安定化光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザの出力周波数、すなわち出力波長を安定化させるには、特定波長の光吸収ピークを持つ原子または分子を封入した光吸収セルを波長基準に用いる方法、ファブリペロー共振器の光共振透過特性を波長基準に用いる方法、原子をプラズマ状態にして励起準位間遷移による光吸収ピークを波長基準とする方法等がある。これらの方式のうち、原子または分子を封入した光吸収セルによる安定化方式が最も波長安定度が高く、システム化も容易である。
【０００３】
この光吸収セルによる安定化方式の線形吸収分光法及び飽和吸収分光法を用いた、同一出願人による周波数安定化光源がある。この図６に示す周波数安定化光源（特許文献１）は、位相同期ループを用いて光吸収セル５の飽和吸収ピークへ出力波長を安定化させる際に、光吸収セル５の線形吸収スペクトルと線形吸収成分が含まれた飽和吸収スペクトルとをそれぞれ光検出器１２ａ、１２ｂで検出し、両者を差動アンプ３１にて差し引くことにより、ほぼ飽和吸収のみによるスペクトルを抜き出す。第２の制御手段４ｂは、その飽和吸収スペクトルから得られる誤差信号に含まれたＳ／Ｎの良い１次成分を同期検波し、その同期検波の出力をもとにレーザ光の出力波長を、スペクトル中に存在する特定の飽和吸収ピークの波長へ安定化する。さらに第１の制御手段４ａは、上記スペクトルから得られる誤差信号に含まれた３次成分を同期検波し、その出力値をもとに線形吸収スペクトルと線形吸収成分が含まれた飽和吸収スペクトルとを差し引く際の増幅器のゲインバランスを制御し、レーザ光の出力波長を１次のみならず３次の同期検波出力に対しても安定化する。
【０００４】
（原理の説明）
まず線形吸収分光法について、図７を用いて説明する。レーザ光源１から出射されたレーザ光の光路をビームスプリッタ４２で分岐し、光吸収ピークを持つ原子または分子の試料を封入した光吸収セル５にレーザ光を入射し、光吸収セル５の透過光を光検出器１４で受光するような分光系を構築する。光検出器１４の出力は、増幅器３３を介してレコーダ５０の縦軸（図中Ｙ）へ入力する。レーザ制御器３は、レーザ光源１への注入電流の制御を行う。レーザ制御器３にて注入電流を変化させることによってレーザ光の出力波長をスイープし、そのスイープ信号をレコーダ５０の横軸（図中Ｘ）へ入力すると、図８に示すような線形吸収スペクトルが観測される。例として、光吸収セルに封入する試料とレーザの出力波長の関係を挙げると、ルビジウムでは７８０ｎｍ付近、セシウムでは８５２ｎｍ付近、アセチレンでは１５３０ｎｍ付近でこの現象が確認できる。
【０００５】
光吸収セル５で得られた吸収スペクトルの光吸収ピークにレーザ光源１の出力波長を安定化させるには、レーザ光の波長もしくはガスの吸収スペクトルに変調信号を加え、光吸収セル５を透過したレーザ光に含まれるこの変調信号のレベルを検出する。そして、光吸収ピークにおける変調信号のレベルを基準にしてレーザ光の波長が光吸収ピークからずれたときのレベルを検出し、それを誤差信号として位相同期ループにより出力波長を制御する。図９は、レーザ光に変調信号が重畳されている場合に吸収スペクトルから得られる誤差信号を示す。レーザ光の出力波長が光吸収ピークと一致している場合の誤差信号は、主に変調信号の２倍の周波数成分となり、ほぼゼロ（０）である。
【０００６】
光吸収セル５で得られた光吸収ピークの誤差信号に電気的な帰還を行うには、誤差信号に含まれる変調信号の１次成分を同期検波する方式（以下、１次微分方式と記す。）と、３次成分を同期検波する方式（以下、３次微分方式と記す。）がある。この２つの方式の相違を明確に説明するため、図１０に示すような吸収スペクトルについてシミュレーションを行った。条件として、吸収スペクトルのプロファイルはローレンツ形とし、その吸収スペクトル幅は５ＭＨｚ、レーザ光の発振線幅は０．１（図１０中ａ）、８（同図ｂ）、１０（同図ｃ）、１２（同図ｄ）ＭＨｚとした。さらに、吸収スペクトルに傾斜を持たせ（以下、この吸収スペクトルの傾斜をバックグランドと記す。）、その傾斜量を１／３００［１／ＭＨｚ］とした。１次微分方式により、この吸収スペクトルで得られる微分カーブを図１１に示す。図１１の中心部分を拡大したのが図１２である。
【０００７】
図１２中ａの場合は、０．２ＭＨｚ付近で同期検波出力がゼロとなるが、図１２中ｃの場合では０．５ＭＨｚ付近で同期検波出力がゼロとなってしまう。このことから、レーザ光の発振線幅が変わると、その安定化すべきレーザ光の出力波長がずれてしまう。さらに、バックグランド傾斜が変化した場合には、レーザ光の発振線幅が一定でも誤差信号のゼロ点が変化してしまう。図１２中ａ‘はレーザ光の発振線幅が同じでバックグランドの傾斜量を１／１００［１／ＭＨｚ］とした場合を示す。次に、３次微分方式により、吸収スペクトルから得られる微分カーブを図１３に示す。図１３の中心部分を拡大したのが図１４である。図１４中の全ての場合から明らかなように、レーザ光の発振線幅が違っても光波長が０ＭＨｚで得られる誤差信号はゼロ点に一致し、レーザ光の出力波長が高安定化できる。さらに、バックグランド傾斜が変化した際にも、誤差信号のゼロ点は変化しない。
【０００８】
次に、光吸収セルの飽和吸収を用いた飽和吸収分光法について、図１５を用いて説明する。この方式は、前述の線形吸収分光法による出力波長の短期安定度をさらに向上させるものである。レーザ光源１から出射されたレーザ光の光路をビームスプリッタ４２で分岐し、一方の分岐光は光吸収セル５を透過し光検出器１４に入射される。もう一方の分岐光はビームスプリッタ４３、ミラー４５、ビームスプリッタ４４を介して光吸収セル５へ入射される。この入射光とビームスプリッタ４２で分岐された前記一方の分岐光とは、光吸収セル５の中において、進行方向は互いに反対向きで、かつ、ほぼ重なり合うようにする。この場合、上記入射光および分岐光のどちらか一方のレーザ光で分子の吸収が飽和状態となると、他方のレーザ光（この場合プローブ光となる）による光の吸収量が減少する。このプローブ光にもたらされる飽和吸収特性を光検出器１４で光電変換により検出し、その出力を増幅器３３を介してレコーダ５０の縦軸へ入力する。
【０００９】
レーザ制御器３にてレーザ光源１の注入電流を変化させることによってレーザ光の出力波長をスイープして、そのスイープ信号をレコーダ５０の横軸へ入力すると、図１６に示すように線形吸収成分を含んだ飽和吸収スペクトルが観測される。例えば試料がセシウムの場合は、６本の飽和吸収スペクトルが観測でき、一つの飽和吸収スペクトルの半値全幅は線形吸収スペクトルの半値全幅の約１／１００である。このために、レーザ光の出力波長を制御する際、飽和吸収スペクトルを用いるとＳ／Ｎが向上し安定度が大幅に改善される。しかし、飽和吸収スペクトルが線形吸収スペクトルのバックグランドに掛かっているため、系の不安定性などによるこのバックグランドの変化により、レーザ光の出力波長を飽和吸収スペクトルの一つに安定化する際には、長期的な安定性に欠ける。
【００１０】
図６に示す同一出願による周波数安定化光源の構成により、レーザ光の出力波長はＳ／Ｎの良い１次微分方式で安定化されているため短期安定性に優れ、３次微分方式によるゆっくりした系の経時変化の補正も可能となるため、短期および長期に亘って周波数安定度が優れた光出力ＬＲを出力する周波数安定化光源を提供できる。また、従来必要であったゲインバランスの調整箇所に３次微分方式による電気的帰還を行うため構成が複雑化することがない。また、その際３次微分の値により、線形吸収スペクトルと線形吸収成分が含まれた飽和吸収スペクトルとで差し引きを行い、その差でゲインバランスの制御を行うが、相似性のある形状同士を差し引いているため、帰還の際のループゲインが少なくてすみ、帰還回路の不安定性によりレーザ光の出力波長の安定性を悪くする恐れがない。
【００１１】
なお、飽和吸収スペクトルを利用して安定なレーザ光の出力波長を得るために、飽和吸収スペクトルから線形吸収成分を取り除くことでバックグランドを減らし、飽和吸収スペクトルのみを抜き出す分光方法は、一般的に知られている。図６に示すレーザ制御器３にてレーザ光源１の注入電流を変化させることによってレーザ光の出力波長をスイープ（掃引）し、差動アンプ３１の出力をレコーダに出力すると、図１７に示すような線形吸収成分を取り除いた飽和吸収スペクトルが観測される。この飽和吸収スペクトルは、レーザ光源個々により、その吸収線等の出力電圧が異なる。
【特許文献１】特開２０００−２６１０９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、図６に示す従来の周波数安定化光源でも、以下の解決すべき課題がある。複数存在する飽和吸収線の所望の一つに、安定化がなされたか否か判別する手段が無かった。判別する場合は、ある周波数（若しくは波長）基準を用意し、その基準と比較して判断をする必要があった。そのため、従来では周波数安定化光源が所望の吸収線に安定化されたか判別するためには、別の周波数安定化光源との光ビートをとって、その光周波数差で確認する判別手段が必要であった。また、別の判別方法として、周波数安定化光源の光出力を二重共鳴方式のガスセル型原子発振器の共振器に入力させて、その二重共鳴マイクロ波周波数の値から、所望の吸収線に安定化されたかを確認する方法もあるが、この方法もマイクロ波周波数の絶対値基準が必要となる。
【００１３】
本発明は、比較のための基準を不要とし、複数存在する飽和吸収線の所望の一つに安定したかを検査する手段を備え、確実に所望の吸収線に波長安定化を行うことができる周波数安定化光源を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本願発明者は、複数存在する各飽和吸収線は、それぞれバックグランドの傾斜角度が異なるため、各飽和吸収線の３次同期検波出力の値が異なることに着目した。上記課題を解決するために、各飽和吸収線の３次同期検波出力の値を検出し、判定する手段を備えた。
【００１５】
具体的には、本願発明の請求項１の周波数安定化光源は、変調されたレーザ光を出力するレーザ光源手段（１０）と、該レーザ光源手段からのレーザ光の波長を制御するレーザ制御器（３）と、複数の特定波長で光吸収特性を示すガスを封入した光吸収セル（５）と、前記変調されたレーザ光を前記光吸収セル中に導いて線形吸収を生じさせる第１の分光手段（１１ａ）と、前記変調されたレーザ光を前記光吸収セル中に導いて飽和吸収を生じさせる第２の分光手段（１１ｂ）と、前記線形吸収を受けた光を受領して電気信号に変換する第１の光検出器（１２ａ）と、前記飽和吸収を受けた光を受領して電気信号に変換する第２の光検出器（１２ｂ）と、前記第１の光検出器の信号を増幅する第１の増幅器（３０ａ）と、前記第２の光検出器の信号を増幅する第２の増幅器（３０ｂ）と、前記第１の増幅器と前記第２の増幅器からの出力を受ける差動アンプ（３１）と、前記差動アンプの出力の３次成分を前記変調されたレーザ光の変調信号の３倍波で同期検波する３次同期検波手段（６ａ）と、前記差動アンプの出力の１次成分を前記レーザ光の変調信号の１倍波で同期検波し、その１次同期検波出力を前記レーザ制御器に帰還する１次同期検波手段（６ｂ）とを備えた波長安定化光源において、
前記１次同期検波手段が出力する１次同期検波出力値を受けて、その出力値が０の場合に前記レーザ制御器への帰還ループを形成する第１の信号処理手段（８ａ）と、
該帰還ループが形成された後、前記３次同期検波手段が出力する３次同期検波出力値を受けて、前記３次同期検波出力値が予め定めた複数の値のいずれか１つに一致することを検出することによって前記レーザ光の出力する波長が複数の特定波長のどの吸収線に該当しているか判別する第２の信号処理手段（８ｂ）とを含む、検査手段（８）を備えた。
【００１６】
本願発明の請求項２の周波数安定化光源は、各飽和吸収線の３次同期検波出力の値を検出し、判定する手段を、ゼーマン変調装置を使用した周波数安定化光源に適用した。
【００１７】
具体的には、本願発明の請求項２の周波数安定化光源は、レーザ光源（１）と、前記レーザ光源から出力されるレーザ光の波長を制御するレーザ制御器（３）と、特定の光波長で光吸収特性を示すガスを封入した光吸収セル（５）と、該光吸収セルに磁場を与えるための磁場発生装置（２１）および該磁場発生装置に変調信号を出力する変調信号発生器（２）を含み前記光吸収セルに変調された磁場を与えてゼーマン変調を生じさせるゼーマン変調装置（２０）と、前記変調されたレーザ光を前記光吸収セル中に導いて線形吸収を生じさせる第１の分光手段（１１ａ）と、前記変調されたレーザ光を前記光吸収セル中に導いて飽和吸収を生じさせる第２の分光手段（１１ｂ）と、前記線形吸収を受けた光を受領して電気信号に変換する第１の光検出器（１２ａ）と、前記飽和吸収を受けた光を受領して電気信号に変換する第２の光検出器（１２ｂ）と、前記第１の光検出器の信号を増幅する第１の増幅器（３０ａ）と、前記第２の光検出器の信号を増幅する第２の増幅器（３０ｂ）と、前記第１の増幅器と前記第２の増幅器からの出力を受ける差動アンプ（３１）と、該差動アンプの出力の３次成分を前記変調されたレーザ光の変調信号の３倍波で同期検波する３次同期検波手段（４ａ）と、前記差動アンプの出力の１次成分を前記レーザ光の変調信号の１倍波で同期検波し、その１次同期検波出力を前記レーザ制御器に帰還する１次同期検波手段（４ｂ）とを備えた波長安定化光源において、
前記１次同期検波手段が出力する１次同期検波出力値を受けて、その出力値が０の場合に前記レーザ制御器への帰還ループを形成する第１の信号処理手段（６ａ）と、
該帰還ループが形成された後、前記３次同期検波手段が出力する３次同期検波出力値を受けて、前記３次同期検波出力値が予め定めた複数の値のいずれか１つに一致することを検出することによって前記レーザ光の出力する波長が複数の特定波長のどの吸収線に該当しているか判別する第２の信号処理手段（６ｂ）とを含む、検査手段（８）を備えた。
【００１８】
具体的には、本願発明の請求項３の周波数安定化光源は、請求項１または請求項２の波長安定化光源に加え、前記帰還ループを形成するための帰還ループ形成手段（７）と、前記第２の信号処理手段は、前記帰還ループが形成された後、帰還ループ形成手段を介して前記１次同期検波手段が出力する１次同期検波出力値を受けて、前記レーザ制御器へ出力される注入電流制御値が予め定めた範囲内の値か否か判別する。
【００１９】
さらに、本願発明の請求項４の周波数安定化光源は、請求項１、２の発明に加え、確実に各飽和吸収線の３次同期検波出力の値を検出し、判定するために、飽和吸収スペクトルから線形吸収成分を取り除くための調整手段を備えた。
【００２０】
具体的には、本願発明の請求項４の周波数安定化光源は、請求項１または請求項２の波長安定化光源に加え、前記複数の吸収線のうち、所望の吸収線における前記３次同期検波手段の出力値が所定値となるように、前記第１の増幅器と前記第２の増幅器からの出力値を調整する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の請求項１，２に係る周波数安定化光源は、各飽和吸収線の３次同期検波出力の値を検出し、その値を判定する手段を備えている。そのため、比較判定のために別の基準手段を使用しないで、レーザ光の出力する波長を、確実に所望の吸収線で周波数安定化することができる。
【００２２】
さらに、請求項２に係る周波数安定化光源は、出力されるレーザ光を、無変調にすることができる。
【００２３】
また、本発明の請求項３に係る周波数安定化光源は、請求項１、２の発明に加え、安定化直後の１次同期検波出力から帰還ループ形成手段を介してレーザ制御器３へ出力される注入電流制御値を読取る手段と、その値から所望の吸収線であるかどうか判定する手段を備えている。そのため、レーザ光の出力する波長を所望の吸収線で安定化させる信頼性がさらに向上する。
【００２４】
また、本発明の請求項４に係る周波数安定化光源は、請求項１、２の発明に加え、飽和吸収スペクトルから線形吸収成分を取り除くための調整手段を備えた。そのため、確実に各飽和吸収線の３次同期検波出力の値を検出し、判定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本願発明の実施形態について説明する。ここで、図６の従来の装置と同機能の構成要件に対しては、同一符号を付してある。
【００２６】
[第１の実施形態]
以下、本発明の第１の実施形態を図１の構成図を用いて説明する。図１は本発明の周波数安定化光源の構成図である。レーザ光源手段１０内のレーザ光源１はその出力波長を、レーザ制御器３から供給される注入電流Ｉｃによって制御されている。また、加算器３８は、レーザ光源１への注入電流Ｉｃに変調信号を重畳するために、レーザ光源手段１０内の変調信号発生器２より変調信号ｆを加えている。レーザ光源手段１０から出力されたレーザ光は、第１の分光手段１１ａによって光吸収セル５に導かれて線形吸収分光される。光吸収セル５にはレーザ光を吸収する試料が封入されている。この線形吸収分光されたレーザ光は、第１の光検出器１２ａで受領され電気信号に変換される。また、レーザ光源手段１０から出力されたレーザ光は、第２の分光手段１１ｂによっても光吸収セル５に導かれて飽和吸収分光されると共に、周波数安定化光源の光出力ＬＲ０となる。この飽和吸収分光されたレーザ光は第２の光検出器１２ｂで受領され電気信号に変換される。なお、第１の分光手段１１ａは、前述の線形吸収分光法の説明における図７のビームスプリッタ４２で構成される光路に相当するものである。また、第２の分光手段１１ｂは、前述の飽和吸収分光法の説明における図１５のビームスプリッタ４２、４３、４４およびミラー４５で構成される光路に相当するものである。
【００２７】
次に、図１の電気系について説明する。光検出器１２ａ、１２ｂで光電変換されて出力された電気信号は、それぞれ第１の増幅器３０ａ、第２の増幅器３０ｂで電流電圧変換および増幅された後に差動アンプ３１へ入力され、線形吸収スペクトルを有する電気信号と線形吸収成分が含まれた飽和吸収スペクトルを有する電気信号との差し引きが行われ、その差の信号が出力される。なお、第１の増幅器３０ａ、第２の増幅器３０ｂのうち少なくともどちらか一方は、外部制御信号Ｃｇによりそのゲインが変えられる。差動アンプ３１の出力信号Ｖｎは、３次同期検波手段６ａおよび１次同期検波手段６ｂに入力される。また、３次同期検波手段６ａには変調信号発生器２から出力された変調信号ｆの３倍波が入力され、１次同期検波手段６ｂには変調信号発生器２から出力された変調信号ｆの１倍波が入力されている。
【００２８】
３次同期検波手段６ａは、差動アンプ３１の出力信号Ｖｎの３次成分を変調信号ｆの３倍波（３ｆ）で同期検波して、その検波出力Ｖ１を第２の信号処理手段８ｂに出力する。１次同期検波手段６ｂは、差動アンプ３１の出力信号Ｖｎの１次成分を変調信号ｆの１倍波（１ｆ）で同期検波して、その検波出力Ｖ２を第１の信号処理手段８ａに出力する。第１の信号処理手段８ａは、その検波出力Ｖ２の出力値がゼロとなることを検出すると、帰還ループ形成手段７に対してループ形成を行う制御信号Ｃｌを出力する。１次同期検波手段６ｂは、その検波出力Ｖ２が一定になるように、帰還ループ形成手段７を介してレーザ制御器３に帰還し、レーザ光源１への注入電流Ｉｃを可変することにより、レーザ光の出力波長を制御する。
【００２９】
第２の信号処理手段８ｂは、３次同期検波手段６ａの出力値Ｖ１により、どの吸収線で安定しているかを判定する。
（３次同期検波出力による判別方法の説明）
３次同期検波手段６ａによる３次微分による３次同期検波出力Ｖ１（３倍波の同期検波）で判別する方法を説明する。それぞれの飽和吸収線は、線形吸収の肩に乗っているため、その傾きにより３次同期検波出力Ｖ１が変化する。例えば、飽和吸収線の一つが、２次関数で表現できる傾き上に存在すると仮定すると、図５（ａ）に示す各微分値が得られる。３次微分により、傾きに依存しないゼロクロスが得られるが、図５（ｂ）のように、そもそも傾斜位置にある吸収線を１次微分により安定化すると、３次ゼロクロス位置とずれが生じる。従って、１次同期検波手段６ｂによる１次同期検波（１倍波の同期検波）で安定化した後に、３次同期検波出力Ｖ１を読取るとゼロにならない。本願発明者は、各飽和吸収線は、それぞれバックグランドの傾斜角度が異なるため、各飽和吸収線の３次同期検波出力Ｖ１の値が異なることに着目した。
【００３０】
Ｃｓ原子を用いたＤ２吸収線の場合では、例として図５（ｃ）に示すように全部で５本観測されている（図１７と同様、中心の吸収線は、ｂ線、Ｂ線と呼ばれている２本が重なっている）が、実際は６本存在する。右から２番目のａ線に安定化をかける場合の方法を説明する。ａ線に安定化を行うには、予め、線形吸収、飽和吸収それぞれを受光する２つの光検出器１２ａ、１２ｂの出力を増幅する第１の増幅器３０ａ、第２の増幅器３０ｂのアンプゲインを調整して、ａ線を１次同期検波で安定化した後に、３次同期検波出力をゼロになるようにする。
【００３１】
すると、各飽和吸収線に１次検波同期で安定化したときの３次同期検波出力Ｖ１は、一例として、Ｃ線で−２Ｖ、ｃ線で−５Ｖ、ｂ線及びＢ線は安定化不可、ａ線で０Ｖ、Ａ線で−０．８Ｖとなり、波長安定化後に３次同期検波出力Ｖ１を読取ることで、どの吸収線に安定化されたか判別できる。この値は、レーザ光源１個々の特性、上記アンプゲインの調整結果により異なるため、予め測定し、検査手段８のテーブル（図示せず）に記憶されている。
【００３２】
本実施形態では、どのように制御しているか図４のフローチャートに基づいて説明する。動作開始（ＳＴ１）によりレーザ光源手段１０をＯＮとし（ＳＴ２）、帰還ループを開放の状態（ＳＴ３）とする。レーザ制御器３でレーザ光源１の発振波長を掃引する（ＳＴ４）。掃引開始波長と、検査手段８は差動アンプ３１の出力を受け、掃引の状況を監視する。具体的には、差動アンプ３１の出力を２次微分しその微分値（図５（ａ）の２次微分の式における２ａ）を比較し、その値から所望の飽和吸収線位置かを判定する。または、差動アンプ３１の出力を２次微分し、所定の閾値を超えた微分値を波形成形し、そのパルスを計数する（掃引すると、ａ線は、４番目となる（ｂ線、Ｂ線は重なるため同一パルス）。）（ＳＴ５）。所望の位置でない場合（Ｎ）は、更に掃引を継続する。所望の位置の場合（Ｙｅｓ）は、発振波長の掃引を停止し（ＳＴ６）、帰還ループを形成する（ＳＴ７）。この1次同期検波で安定化した後に、３次同期検波手段４ａが出力する３次同期検波出力Ｖ１を読込む（ＳＴ８）。その出力値が所定の範囲か否か判定する（ＳＴ９）。
【００３３】
本実施形態でのａ線を判別する場合、他の飽和吸収線に安定化した時の３次同期検波出力Ｖ１が最小電圧値を閾値とする。具体的には、上述した一例でのＡ線の３次同期検波出力Ｖ１が−０．８Ｖであるため、所定値範囲は−０．８Ｖを越え、かつ＋０．８Ｖ未満となる。所定値の範囲でない場合（Ｎ）は、再び帰還ループを開き（ＳＴ３）、最初の波長からレーザ光源１の発振波長を掃引する（ＳＴ４）。所定値の範囲の場合（Ｙｅｓ）は、所望の飽和吸収線に安定していると判定する（ＳＴ１２）。
（1次同期検波出力による判別方法の説明）
所望の吸収線付近に注入電流・温度を合わせ込んで、帰還ループ形成手段７を形成すると、（１）レーザ光の出力する波長が所望の吸収線に安定化された場合、注入電流制御値ＣＶは約０Ｖとなる。（２）レーザ光の出力する波長が違う吸収線に飛んで安定化された場合、注入電流制御値ＣＶは、０Ｖでなくなる。（２）の状態が生じる理由は、所望の吸収線付近の注入電流Ｉｃであれば、電流オフセットが無く（ほぼゼロで）安定化されるが、違う吸収線に飛んで安定化した場合では、（所望の吸収線における注入電流値）−（安定化された吸収線における注入電流値）分のオフセットが生じ、これを補正するべく１次同期検波出力Ｖ２からの注入電流制御値ＣＶには、初期状態でオフセット電圧が生じるためのである。
【００３４】
そこで、安定化直後の注入電流制御値ＣＶを、第２の信号処理手段８ｂで読取って（ＳＴ１０）、注入電流制御値ＣＶが０Vであれば（Ｙｅｓ）、注入電流制御値ＣＶが０Vでなければ（Ｎ）という判断ができる（ＳＴ１１）。注入電流制御値ＣＶが０Vの場合（Ｙｅｓ）は、レーザ光の出力する波長は所望の飽和吸収線に安定していると判定する（ＳＴ１２）。０Vでない場合（Ｎ）、再び帰還ループを開き（ＳＴ３）、最初の波長からレーザ光源１の発振波長を掃引する（ＳＴ４）。
【００３５】
閾値を設ける場合では、ａ線位置の注入電流値をＩ０，近接した隣の吸収線の注入電流
値をＩ１とする。注入電流値Ｉ１を注入電流値Ｉ０に補正するための注入電流制御値をＶｒとすると、第１の信号処理手段８ａで読取った1次同期検波出力Ｖ２がＶｒ未満なら（Ｙｅｓ），第１の信号処理手段８ａで読取った１次同期検波出力Ｖ２が、Ｖｒ以上なら（Ｎ）とすれば良い。
【００３６】
これらの構成により、周波数安定化光源単体による所望吸収線への安定化の判別が可能となり、他の基準となるものが不要となる。また、電気制御回路の基本構成および光学系も従来の光源と同じ構成を使用することができるため、装置の大型化と複雑化を回避することができる。
【００３７】
[第２の実施形態]
次に、本発明の第２の実施形態を図２の構成図を用いて説明する。本説明では、図１の第１の実施形態と異なる構成を説明する。光吸収セル５に封入する試料が磁気双極子を有している場合には、光吸収セル５に磁場をかけて、その磁場発生のための励磁電流に変調信号を重畳し、吸収スペクトル自体に変調を行うゼーマン変調が可能である。なお、図２において、変調信号発生器２から出力された変調信号ｆ（周波数ｆ）を用いて、光吸収セル５を透過するレーザ光に変調をかけるための手段を除いては、第１の実施形態と同じである。すなわち、ゼーマン変調装置２０内の変調信号発生器２から出力された変調信号ｆは磁場発生装置２１に加わっている。磁場発生装置２１は光吸収セル５に対して、変調信号ｆが重畳した変調磁場を与えている。これらの構成により、レーザ光源１から出力されたレーザ光は無変調であるが、第１の分光手段１１ａと光吸収セル５、および第２の分光手段１１ｂと光吸収セル５をそれぞれ透過して、第１の光検出器１２ａおよび第２の光検出器１２ｂでそれぞれ受光したレーザ光は、変調信号ｆが重畳されているため、同期検波が可能である。本実施形態における周波数安定化光源の光出力ＬＲ１は、無変調となっている。
【００３８】
[第３の実施形態]
次に、本発明の第３の実施形態を図３の構成図を用いて説明する。本説明では、図１の第１の実施形態と異なる構成を説明する。レーザ光源手段１０は、変調信号発生器２から出力された変調信号ｆを音響光学変調器（ＡＯＭ）２２に加えることにより実現される。光吸収セル５と第１の光検出器１２ａとの間、および第２の分光手段１１ｂと第２の光検出器１２ｂとの間のうち、少なくともどちらか一方に光量調整手段１３を配置する。光量調整手段１３は、例えば光減衰器で構成されており、外部制御信号により透過する光の強度を調整可能としている。第１の制御手段４ａは、差動アンプ３１の出力信号の３次成分を変調信号ｆの３倍波で同期検波して、その出力値がゼロとなるよう光量調整手段１３へ制御信号を出力し、この制御信号に基づき光量調整手段１３は透過光量調整を行う。第１の実施形態との違いを明確に表すと、第１の実施形態では光を電気信号に変換した後で３次成分による補正を行っているが、第３の実施形態では光を電気信号に変換する前で３次成分による補正を行い、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３９】
[本発明の波長安定化光源の応用形態]
本発明の波長安定化光源は、長期間の安定化制御を実現できるため、レーザ励起型の原子発振器に用いることができる。さらに、レーザ光の出力する波長が違う吸収線に飛んで安定化された場合、本発明の波長安定化光源は、原子発振器を制御する機器に警報を出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す構成図である。
【図２】本発明の第２の実施形態を示す構成図である。
【図３】本発明の第３の実施形態を示す構成図である。
【図４】本発明の実施形態の動作を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施形態の判別方法を説明するための図である。
【図６】従来の周波数安定化装置の構成図である。
【図７】線形吸収分光法を説明するための構成図である。
【図８】線形吸収スペクトルを示す図である。
【図９】線形吸収スペクトルから得られる誤差信号を示す図である。
【図１０】線形吸収スペクトルについてシミュレーションを行った結果を示す図である。
【図１１】１次微分方式による微分カーブを示す図である。
【図１２】１次微分方式による微分カーブのゼロ点付近の拡大図である。
【図１３】３次微分方式による微分カーブを示す図である。
【図１４】３次微分方式による微分カーブのゼロ点付近の拡大図である。
【図１５】飽和吸収分光法を説明するための構成図である。
【図１６】線形吸収成分を含んだ飽和吸収スペクトルを示す図である。
【図１７】飽和吸収スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１・・・レーザ光源、２・・・変調信号発生器、３・・・レーザ制御器、４ａ・・・第１の制御手段、４ｂ・・・第２の制御手段、５・・・光吸収セル、６ａ・・・３次同期検波手段、６ｂ・・・１次同期検波手段、７・・・帰還ループ形成手段、８・・・検査手段、８ａ・・・第１の信号処理手段、８ｂ・・・第２の信号処理手段、１０・・・レーザ光源手段、１１ａ・・・第１の分光手段、１１ｂ・・・第２の分光手段、１２ａ・・・第１の光検出器、１２ｂ・・・第２の光検出器、１３・・・光量調整手段、１４・・・光検出器、２０・・・ゼーマン変調装置、２１・・・磁場発生装置、２２・・・音響光学変調器、３０ａ・・・第１の増幅器、３０ｂ・・・第２の増幅器、３１・・・差動アンプ、３３・・・増幅器、４２・・・ビームスプリッタ、４３・・・ビームスプリッタ、４４・・・ビームスプリッタ、４５・・・ミラー、５０・・・レコーダ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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