(57)【要約】    【課題】レーザ光源１ａの経時的な特性変化により、波長および強度の安定化位置における注入電流と動作温度が変わってしまっても、安定化制御ループがロックはずれを生じなくする。    【解決手段】レーザ光源１ａを制御する手段として、強度を制御する温度制御手段９、注入電流Ｉｈを制御する波長制御手段２に加え、波長制御手段２の波長制御信号Ｓｈを検出する手段１０、その検出した値に応じて、レーザ光源１ａに補正電流Ｉｃを注入する補正電流注入手段１１を設けた。さらに、温度制御手段９は、ガスセル３透過前のレーザ光の出力値に基づいて、レーザ光源１ａを制御するようにした。【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（１）と、該レーザ光源手段からのレーザ光の波長を制御する波長制御手段（２）と、複数の特定波長で光吸収特性を示すガスを封入したガスセル（３）と、前記変調されたレーザ光を前記ガスセル中に導く第１の分岐手段（４）と、前記ガスセルを通過した光を受領して電気信号に変換する第１の光検出手段（５）と、前記第１の光検出手段の出力を前記レーザ光の変調信号で同期検波し、その出力を前記波長制御手段に帰還する同期検波手段（６）とを備えた波長安定化光源において、
前記変調されたレーザ光を分岐する第２の分岐手段（７）と、該第２の分岐手段で分岐された変調されたレーザ光を受領して電気信号に変換する第２の光検出手段（８）と、前記第２の光検出手段の出力に応じて前記レーザ光源手段の温度を制御する温度制御手段（９）と、前記レーザ光源手段からのレーザ光の波長を制御するための波長制御信号（Ｓｈ）を、前記波長制御手段から検出する波長制御信号検出手段（１０）と、前記波長制御信号検出手段の検出値（Ｓｃ）に応じた値の補正電流（Ｉｃ）を、前記レーザ光源手段への注入する補正電流注入手段（１１）とを備えたことを特徴とする波長安定化光源。
【請求項２】
前記レーザ光源手段のレーザ光源（１ａ）の波長及び出力特性を記憶する記憶手段（２１）と、前記レーザ光源が出力可能な出力値及び波長を表示する表示手段（２３）と、前記表示手段に表示された出力値及び波長から所望の出力値及び波長を設定する操作手段（２２）と、前記操作手段で設定された出力値及び波長を出力するように、前記波長制御手段、補正電流注入手段、及び温度制御手段を制御する総合制御手段（２０）とを備えたことを特徴とする前記請求項１記載の波長安定化光源。
【請求項３】
前記記憶手段は、所定の出力値における温度対電流の値、及び所定の波長における温度対電流の値を記憶した複数のテーブル（２１（ａ）〜２１（ｄ））を有し、前記総合制御部は、前記所定の出力値における温度対電流の値、及び所定の波長における温度対電流の値からグラフを作成し、そのグラフを前記表示手段に表示することを特徴とする前記請求項２記載の波長安定化光源。
【請求項４】
前記総合制御部は、前記操作手段で設定された所定の出力値及び波長における初期の温度と電流の値とともに、現在における温度と電流の値を、前記表示手段に表示することを特徴とする前記請求項２、３記載の波長安定化光源。
【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波長安定化光源に関する。特に、波長と強度とを共に安定化を行った際に、レーザの劣化によるロックはずれを防止する手段を備えた波長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ガスセル（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ガスセル（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】
図８はガスの吸収線を用いて出力光の周波数を安定化する周波数安定化光源（波長安定化光源）の従来例（特許文献１）を示すブロック構成図である。動作温度と動作電流により発振周波数が変化する半導体レーザ１０１と、特定の周波数の光を吸収又は透過するガスセル１０４を用い、ガスセル１０４の出力を電気信号に変換する光電変換手段１０５と、この光電変換手段１０の出力を同期検波する同期検波手段１０６と、この同期検波された信号のうち低周波成分を取り出すローパスフィルタ１１１と、高周波成分を取り出すハイパスフィルタ１１２と、低周波成分を用いて半導体レーザ１０１の動作温度を制御する制御手段１０７ａと、高周波成分を用いて半導体レーザ１０１の動作電流を制御する制御手段１０７ｂとから構成されている。ローパスフィルタ１１１の帯域とハイパスフィルタ１１２のカットオフ周波数は半導体レーザ１０１の駆動電流制御と動作温度制御が干渉しない程度に設定されている。
【０００４】
特許文献１で開示されたガスセル（光吸収セル）による安定化方式を図８、図９を用いて説明する。ガスセル１０４は半導体レーザ１０１の発振周波数の近傍に図９の（ａ）に示すような吸収特性を待っている。同期検波手段１０６で光電変換手段１０５の出力を同期検波すると、図９の（ｂ）に示すような微分波形が出力される。制御回路１０７ｂはこの微分波形を用い、ガスセル１０４の吸収線の中心に半導体レーザ１０１の発振周波数を制御するようにＬＤ駆動回路１０８に制御信号を出力する。
【０００５】
即ち、この従来例では、半導体レーザ１０１の動作電流を、発振器１０９の変調信号で変調する。ガスセル１０４を透過して得られた光電変換手段１０５の出力を、同期検波手段１０６により発振器１０９の変調信号で同期検波することにより、ガスセル１０４の透過光量が最少となる点を検知している。
【特許文献１】特許第３７８３８２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、図８に示す従来の周波数安定化光源でも、ガスセル透過後の出力を光出力安定化に用いるため、環境温度の変化でガス吸収量が変化すると、光出力も変動してしまう。
【０００７】
また、半導体レーザの経時的な特性変化、特に経時的な光出力の安定化に対する対応が成されていない。
【０００８】
（半導体レーザの特性についての説明）
半導体レーザを制御するパラメータは、動作電流（注入電流）と動作温度（温度）の２つしかない。また、本発明の実施形態である図４に示すように、波長と強度（光出力）をあるポイントに安定化させるための注入電流と温度の設定ポイントは、１つしかない。具体的には、ガスセルにセシウム（Ｃｓ）原子を用いた例をとり、図４を用いて説明すると、Ｃｓ吸収波長の８５２．２３ｎｍ、レーザ出力１０ｍＷとするためには、注入電流Ｉ０を４５．８３ｍＡ、温度Ｔ０を１５．４４℃に設定する。注入電流Ｉ０をＩ０＋ΔＩにずらした場合に、波長安定化をさせるためには、温度Ｔ０をＴ０−ΔＴに設定しなければならない。しかし、注入電流が変化したことで、強度が変化してしまう。温度に関しても同様に、温度Ｔ０からＴ０＋−ΔＴへずらした時に、波長を安定化させるためには、ΔＴ変化させたことによる波長ずれ分を、ΔＩ増減させることで対応できるが、強度は変化してしまう。
【０００９】
本発明は、半導体レーザの波長の安定化と強度の安定化を同時に行う波長安定化光源において、半導体レーザの経時的な特性変化により、波長および強度の安定化位置における注入電流と動作温度が変わってしまっても、特に注入電流が変化しても、環境温度の変化に影響されないで、安定化制御ループがロックはずれを生じない波長安定化光源を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の発明の波長安定化光源では、半導体レーザを制御する手段として、強度を制御する温度制御手段、注入電流を制御する波長制御手段に加え、波長制御手段の波長制御信号を検出する手段、その検出した値に応じて、半導体レーザに補正電流を注入する補正電流注入手段を設けた。さらに、温度制御手段は、ガスセル透過前のレーザ光の出力値に基づいて、半導体レーザを制御するようにした。
【００１１】
具体的には、請求項１の発明の波長安定化光源では、変調されたレーザ光を出力するレーザ光源手段（１）と、該レーザ光源手段からのレーザ光の波長を制御する波長制御手段（２）と、複数の特定波長で光吸収特性を示すガスを封入したガスセル（３）と、前記変調されたレーザ光を前記ガスセル中に導く第１の分岐手段（４）と、前記ガスセルを通過した光を受領して電気信号に変換する第１の光検出手段（５）と、前記第１の光検出手段の出力を前記レーザ光の変調信号で同期検波し、その出力を前記波長制御手段に帰還する同期検波手段（６）とを備えた波長安定化光源において、
前記変調されたレーザ光を分岐する第２の分岐手段（７）と、該第２の分岐手段で分岐された変調されたレーザ光を受領して電気信号に変換する第２の光検出手段（８）と、前記第２の光検出手段の出力に応じて前記レーザ光源手段の温度を制御する温度制御手段（９）と、前記レーザ光源手段からのレーザ光の波長を制御するための波長制御信号を、前記波長制御手段から検出する波長制御信号検出手段（１０）と、前記波長制御信号検出手段の検出値に応じた値の補正電流を、前記レーザ光源手段への注入する補正電流注入手段（１１）とを備えた。
【００１２】
また、請求項２の発明の波長安定化光源では、請求項１の発明に加え、
前記レーザ光源手段のレーザ光源（１ａ）の波長及び出力特性を記憶する記憶手段（２１）と、前記レーザ光源が出力可能な出力値及び波長を表示する表示手段（２３）と、前記表示手段に表示された出力値及び波長から所望の出力値及び波長を設定する操作手段（２２）と、前記操作手段で設定された出力値及び波長を出力するように、前記波長制御手段、補正電流注入手段、及び温度制御手段を制御する総合制御手段（２０）とを備えたことを特徴とする前記請求項１記載の波長安定化光源。
【００１３】
また、請求項３の発明の波長安定化光源では、請求項２の発明に加え、
前記記憶手段は、所定の出力値における温度対電流の値、及び所定の波長における温度対電流の値を記憶した複数のテーブル（２１（ａ）〜２１（ｄ））を有し、前記総合制御部は、前記所定の出力値における温度対電流の値、及び所定の波長における温度対電流の値からグラフを作成し、そのグラフを前記表示手段に表示することを特徴とする前記請求項２記載の波長安定化光源。
【００１４】
また、請求項４の発明の波長安定化光源では、請求項２，３の発明に加え、
前記総合制御部は、前記操作手段で設定された所定の出力値及び波長における初期の温度と電流の値とともに、現在における温度と電流の値を、前記表示手段に表示することを特徴とする前記請求項２、３記載の波長安定化光源。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の請求項１に係る波長安定化光源は、レーザ光源（半導体レーザ）の劣化が生じても、安定に光波長と光強度との双方を制御することができる。さらに、本発明に係る波長安定化光源は、長期間の安定化制御を実現できるため、例えばレーザ励起型の原子発振器に用いることができる。
【００１６】
本発明の請求項２，３に係る波長安定化光源は、レーザ光源（半導体レーザ）が出力可能な出力値及び波長が表示されているので、その設定操作が容易となる。
【００１７】
本発明の請求項４に係る波長安定化光源は、安定性化の状態（初期値、現状値を表示）が目視できる。そのため、レーザ光源（半導体レーザ）の交換時期が判断できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
[第１の実施形態]
以下、本発明の第１の実施形態を、図１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。本波長安定化光源は、波長と強度を共に安定化を行った際に、レーザの劣化によるロック外れを防止する手段を追加している。
【００１９】
レーザ光源手段１内のレーザ光源１ａは、定電流源１２から供給される定電流Ｉｔと、波長制御手段２から供給される波長制御電流Ｉｈによって制御されている。また、加算器１ｂは、レーザ光源１ａへの注入電流（Ｉ＝Ｉｔ＋Ｉｈ）に変調信号を重畳するために、レーザ光源手段１内の変調信号発生器１ｃより変調信号ｆを加えている。レーザ光源手段１から出力されたレーザ光は、第１の分岐手段４によってガスセル３に導かれて吸収分光される共に、波長安定化光源の光出力となる。ガスセル３にはレーザ光を吸収するガスが封入されている。この吸収分光されたレーザ光は、第１の光検出手段５で受領され電気信号に変換される。
【００２０】
第１の光検出手段５で光電変換されて出力された電気信号は、同期検波手段６に入力される。また、同期検波手段６には変調信号発生器１ｃから出力された変調信号ｆが入力されている。同期検波手段６は、第１の光検出手段５から出力された電気信号の１次成分を変調信号ｆの１倍波で同期検波して、その検波出力を波長制御手段２に出力する。波長制御手段は、その検波出力の値がゼロとなるように、加算器１ｂを介してレーザ光源１への注入電流を可変することにより、レーザ光の出力波長を制御する。
【００２１】
波長制御信号検出手段１０は、波長制御手段２から出力されるレーザ光源手段１の制御信号Ｓhを受領し検出する。波長制御信号検出手段１０は、その検出した制御信号Ｓhの値に応じて、補正電流注入１１に対して、補正電流信号Sｃを出力する。補正電流注入手段１１は、レーザ光源手段１内の加算器１ｂに補正電流Ｉｃを注入する。
【００２２】
（波長制御信号検出手段１０の有用性）
波長制御信号検出手段１０は、波長制御手段２の制御信号Ｓｈの値を検出している。この制御信Ｓｈ号の値は、波長安定化を行うために、波長制御電流Ｉｈを増減させている。レーザ光源１ａが劣化すると、同じ強度を得るためには、波長制御電流Ｉｈを増加させなければならない。したがって、制御信号Ｓｈの値は経時的に増加するが、制御信号Ｓｈの値を超えると、ロックはずれが生じる。ここで、ある値とは、例えば、制御信号Ｓｈの値がある値をオペアンプで出力させる場合では、その電源電圧が上限（制御限界）となり、Ｄ／Ａコンバータで出力させている場合では、その上限設定値（１１１・・１１）が制御限界となる。そこで、常に、制御信号Ｓｈの値を読み込んで、制御信号Ｓｈの値がある値を超えないように、波長制御電流Ｉｈの他に補正電流Ｉｃをレーザに重畳する。ここで、レーザ光源１ａへの注入電流Ｉは、定電流Ｉｔと波長制御電流Ｉｈとに補正電流Ｉｃが加わる（Ｉ＝Ｉｔ＋Ｉｈ＋Ｉｃ）。補正電流Ｉｃは、波長制御に影響を与えないように、その時定数を波長制御ループ制御の時定数より長く設定する。
【００２３】
また、ガスセル３を透過せず、レーザ光源手段１から出力されたレーザ光を直接受領するために、レーザ光源１ａと第１の分岐手段４との間に、第２の分岐手段７が配置される。第２の分岐手段７によって分岐されたレーザ光を第２の光検出手段８で受領し、電気信号に変換される。温度制御手段９は、第２の光検出手段８から出力される電気信号の値に応じてレーザ光源１ａの温度を制御する。ここでは、受領するレーザ光は、ガスセル３透過後の出力を用いていないため、環境温度変化によるガスセル３のガス吸収量の変化に影響されない。
【００２４】
[第２の実施形態]
以下、本発明の第２の実施形態を、図２を用いて説明する。第２の実施形態は、第１の実施形態の変形例である。第１の実施形態との異なる構成、機能を説明する。レーザ光源手段１におけるレーザ光の変調は、レーザ光が入射されている音響光学変調器１ｄ（ＡＯＭ）に、変調信号発生器１ｃから出力された変調信号ｆを加えることにより実現される。
【００２５】
定電流Ｉｔの供給は、定電流値発生手段１１’ａが出力する定電流Ｉｔの値を、補正電流注入手段１１’内の、電流変換手段１１’ｂ（ＤＡＣ）に加えることに実現される。ここで、補正電流注入手段１１’内の補正電流値算出手段１１’ｃは、波長制御信号検出手段１０からの補正電流信号Ｓｃを受けその値に応じて、補正電流値を算出し、算出した補正電流値を電流変換手段１１’ｂに加える。電流変換手段１１’ｂから供給される電流は、Ｉｔ＋Ｉｃとなり、加算器１ｂから供給されるで注入電流Ｉは、Ｉｔ＋Ｉｃ＋Ｉｈとなる。
【００２６】
また、第２の分岐手段７は、波長安定化光源の出力光となるレーザ光が、第１の分岐手段４を通過し、波長安定化号源から出射する間の光路に配置される。
【００２７】
[第３の実施形態]
以下、本発明の第３の実施形態を、図３、図４、図５、図６を用いて説明する。第３の実施形態は、第１の実施形態の応用例である。図３は、本発明の第３の実施形態における波長安定化光源の構成図である。図４は、表示手段の一形態を示す図である。図５は、レーザ光源（半導体レーザ）１ａの劣化による現象を示す図である。図６は、記憶手段に記憶されたテーブルの一形態を示す図である。図７は、レーザ光源（半導体レーザ）１ａの注入電流の時間的推移を示す図である。
【００２８】
（図３の構成図の説明）
図３の構成で、第１の実施形態で説明した波長制御手段２、同期検波手段６、温度制御手段９、波長制御信号検出手段１０、補正電流制御手段１１、定電流源１２は、総合制御部２０で制御されている。総合制御部２０は、記憶手段２１に設けられた第１のテーブル２１ａ〜第４のテーブル２１ｄに記憶されているレーザ光源１ａの特性データを抽出し、その特性データから動作可能な、波長、出力値を、表示手段２３に表示する。総合制御部２０は、操作手段２２により選択された波長、出力に対応した注入電流Ｉ、動作温度を決定する。総合制御部２０は、決定した注入電流Ｉ、動作温度Ｔに対応して、定電流源１２、補正電流注入手段１１、波長制御手段２、温度制御手段９を制御する。なお、総合制御部２０は定電流源１２に対して、選択された波長、出力に対応した注入電流Ｉに対する初期値の定電流を制御する。
【００２９】
（図４における表示手段の一形態の説明）
操作者は、指定光出力選択領域２３ａ、指定波長選択領域２３ｂにより、所望の光出力、波長を指定する。図４は、実線の枠表示されているレーザ光の出力値Ｐ＝１０ｍｗ、レーザ光の波長λ＝８５２．２３ｎｍが指定されている。
【００３０】
図４の特性グラフ２３ｃで、レーザ光の波長λ＝８５２．２３ｎｍにおける注入電流―動作温度特性２３ｃ１（実線）、レーザ光の波長λ＝８５２．２２ｎｍにおける注入電流―動作温度特性２３ｃ２（破線）、レーザ光の出力値Ｐ＝１０ｍｗにおける注入電流―動作温度特性２３ｃ３（実線）、及びレーザ光の出力値Ｐ＝５ｍｗにおける注入電流―動作温度特性２３ｃ４（破線）を表示している。なお、各注入電流―動作温度特性は、記憶手段２１に設けられた第１のテーブル２１ａ〜第４のテーブル２１ｄに記憶されているレーザ光源１ａの特性データに基づき表示する。また、指定光出力領域２３ａ、指定波長領域２３ｂにより指定された、２３ｃ１と、２３ｃ３との交点２３ｃ５は、現在動作中の設定条件を示す点である。
【００３１】
図４の開始日時表示領域２３ｄは、周波数安定化光源の設定をし、動作を開始した日時を表示する。また、現在日時表示領域２３ｄは、動作中の現在日時を表示する。指定条件表示領域２３ｆは、現在、指定されている条件を太線枠で表示する。ここで、電流、温度の欄で、括弧内は、現在の動作している数値を表示している。
【００３２】
（図５のレーザ光源１ａの劣化による現象の説明）
図５の特性グラフ２３ｇで、レーザ光源１ａの劣化による現象を説明する。レーザ光の波長λ＝８５２．２３ｎｍにおける注入電流―動作温度特性２３ｇ１（細実線）、レーザ光の出力値Ｐ＝１０ｍｗにおける注入電流―動作温度特性２３ｇ３（細実線）、及び２３ｇ１と、２３ｇ３との交点２３ｇ５（白丸）は、図４で説明した開始日時に特性の表示である。レーザ光源１ａの劣化に伴い、各特性は、レーザ光の波長λ＝８５２．２３ｎｍにおける注入電流―動作温度特性２３ｇ６（太実線）、レーザ光の出力値Ｐ＝１０ｍｗにおける注入電流―動作温度特性２３ｇ７（太実線）となり、現在の動作条件は、その特性２３ｇ６と、２３ｇ７との交点２３ｇ８（黒丸）となる。
【００３３】
図３で説明した総合制御部２０は、この現在の動作条件の注入電流となるように、波長制御手段２、補正電流注入手段１１の電流値を決定する。また、総合制御部２０は、この現在の動作条件の動作温度となるように、温度制御手段９を制御する。
【００３４】
（図６の記憶手段に記憶されたテーブルの説明）
図６は、記憶手段２１に設けられた第１のテーブル２１ａ〜第４のテーブル２１ｄに記憶されているレーザ光源１ａの特性データである。図６（ａ）は、図４の特性グラフ２３ｃにおけるレーザ光の出力値Ｐ＝５ｍｗにおける注入電流―動作温度特性２３ｃ４（破線）を表示するための表である。図６（ｂ）は、図４の特性グラフ２３ｃにおけるレーザ光の出力値Ｐ＝１０ｍｗにおける注入電流―動作温度特性２３ｃ３（実線）を表示するための表である。図６（ｃ）は、図４の特性グラフ２３ｃにおけるレーザ光のレーザ光の波長λ＝８５２．２２ｎｍにおける注入電流―動作温度特性２３ｃ２（破線）を表示するための表である。図６（ｄ）は、図４の特性グラフ２３ｃにおけるレーザ光の波長λ＝８５２．２３ｎｍにおける注入電流―動作温度特性２３ｃ１（実線）をするための表である。
【００３５】
[第４の実施形態]
以下、本発明の第４の実施形態を、図７を用いて説明する。第４の実施形態は、第３の実施形態の応用例である。図７は、レーザ光源（半導体レーザ）１ａの注入電流の時間的推移２３ｈを示す図である。ここで、２３ｈ１は、時間的推移２３ｈの現在時間２３ｈ１までの実測値を実線２３ｈ２で表示し、予測値を破線２３ｈ３で表示する。レーザ光源（半導体レーザ）１ａの交換が必要となる注入電流の上限値を２３ｈ４とすると、予測値の破線２３ｈ４との推移から、交換時期２３ｈ５が推定できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【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】本発明の第３の実施形態における表示手段の一形態を示す図である。
【図５】レーザ光源の劣化による現象を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施形態における、記憶手段に記憶されたテーブルの一形態を示す図である。
【図７】本発明の第４の実施形態における、レーザ光源の注入電流の時間的推移を示す図である。
【図８】従来の周波数安定化装置の構成図である。
【図９】光吸収セルによる安定化方式を説明するための図ある。
【符号の説明】
【００３７】
１・・・レーザ光源手段、１ａ・・・レーザ光源（半導体レーザ）、１ｂ・・・加算器、１ｃ・・・変調信号発生器、１ｄ・・・音響光学変調器、２・・・波長制御手段、２ａ・・・信号処理手段、２ｂ・・・制御電流注入手段、３・・・ガスセル、４・・・第１の分岐手段、５・・・第１の光検出手段、６・・・同期検波手段、７・・・第２の分岐手段、８・・・第２の光検出手段、９・・・温度制御手段、１０・・・波長制御信号検出手段、１１・・・補正電流注入手段、１２・・・定電流源、２０・・・総合制御部、２１・・・記憶手段、２１ａ・・・第１のテーブル、２１ｂ・・・第２のテーブル、２１ｃ・・・第３のテーブル、２１ｄ・・・第４のテーブル、２２・・・操作手段、２３・・・表示手段。
【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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