(57)【要約】【課題】より高精度な波長計測が可能である連続波光源の測定と共に、連続波光源とパルス光源の波長差を計測することにより、間接的にパルス光源の波長を測定することで高精度なパルス光源の波長計測を実現可能とする波長計測方法を提供する。【解決手段】発振波長、或いは最終出力波長を作成するために必要な波長変換過程で生成される波長帯に、連続波光源が存在するパルスレーザ光源において、前記パルスレーザと、同一波長の連続波光源を干渉させた際のビート信号により、前記パルスレーザの波長と、前記連続波光源の波長差を計測することで前記パルスレーザの波長を測定することを特徴とする波長計測方法を提供する。【選択図】　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発振波長、或いは最終出力波長を作成するために必要な波長変換過程で生成される波長帯に、連続波光源が存在するパルスレーザ光源において、
前記パルスレーザと、同一波長の連続波光源を干渉させた際のビート信号により、前記パルスレーザの波長と、前記連続波光源の波長差を計測することで前記パルスレーザの波長を測定することを特徴とする波長計測方法。
【請求項２】
前記パルスレーザ光源の波長と前記連続波光源の波長差を測定する際に、同時に前記連続波光源の波長計測或いは波長制御を行う事を特徴とする請求項１記載の波長計測方法。
【請求項３】
各パルスの時間的な干渉信号波形における、或るしきい値以上のビート信号の計数を複数パルスについて行い、前記計数値からビート周波数の特定を行うことを特徴とする請求項１又は２記載の波長計測方法。
【請求項４】
各パルスの時間的な干渉信号波形の周波数スペクトルの２つのスペクトルピークの間隔から、ビート周波数の特定を行うことを特徴とする請求項１又は２記載の波長計測方法。
【請求項５】
前記連続波光源として、単一縦モード連続波レーザを用いる事を特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項記載の波長計測方法。
【請求項６】
前記連続波光源を、２つの光束に分岐し、光路長差を付けた後に再び光軸を一致させた際に生じる干渉縞の明暗を、ある光路長差にわたってカウントする事によって波長計測値を得る所謂フリンジスキャン波長計を用いて測定することを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか一項記載の波長計測方法。
【請求項７】
前記連続波光源の波長帯域において吸収構造を有するガスセルを透過させ、その透過強度から吸収線に波長を固定する事で連続波光源の波長を計測することを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか一項記載の波長計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルスレーザ装置の高精度波長測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
パルス光源は、可干渉距離の短さと、時間的に離散な強度分布を示すことから連続波光源で一般的に使用される高精度な波長計測を行う事が出来ない。前者に代表される測定方法としては連続波光源を、２つの光束に分岐し、光路長差を付けた後に再び光軸を一致させた際に生じる干渉縞の明暗を、ある光路長差にわたってカウントする事によって波長計測値を得る所謂フリンジスキャン波長計であり、小型の装置で０．１ｐｍ以下の高い再現性での波長計測が可能である。後者の代表的な例としては、連続波光源の波長帯に於いて吸収構造を有する物質の吸収線に波長を固定する方法があり、高い絶対精度での波長計測が可能である。
これらの方法を用いることが出来ないパルス光源の波長計測方法としては、空間的な干渉縞を用いてその分布から波長の計測を行うパルス波長計による測定が行われていた。
【０００３】
従来のパルス光源の波長計測方法及び波長制御方法について図６を参照しながら説明する。
【０００４】
パルス光源５１を射出した光束は、ハーフミラー５９により干渉計に向かう光路と波長計測器５０に向かう光路に分岐される。波面形状等を測定するための干渉計においては、測定波長を正確に管理する事が極めて重要であるため、干渉計による測定時に同時に光源波長の計測を行う必要があるためである。
波長計測器５０に入射した光束は凸面ミラー５２で反射され光束を広げられた後、凹面ミラー５３によって再び反射後平行光束となる。高精度に作成された楔基板からなる所謂フィゾーエタロン５４に入射され、多重干渉の効果により、空間的な干渉縞をつくる。前記空間的な干渉縞は、フィゾーエタロン５４の後に配置されたラインセンサ５５などの受光素子によって撮影される。また、前記光束と同一光路に波長安定化ＨｅＮｅレーザを導入し、同様の干渉縞の空間分布を計測する。波長の計測はフィゾーエタロンのある場所における光学厚さｄとパルス光源とＨｅＮｅレーザの干渉縞の間隔から計算される。
【０００５】
より高精度化を行う場合には更に、前記フィゾーエタロンの計測と同時に平行基板からなる所謂ファブリペローエタロン５６に光束を拡散しながら入射させた際の干渉縞の分布をラインセンサ５７で測定することにより測定の精度を高める。この場合にはファブリペローエタロン５４によるラフな干渉次数決定を行った後の高精度測定を目的とするため、前記フィゾーエタロン５４の１０倍程度の光学厚さを有するエタロンが用いられる。この場合も波長安定化ＨｅＮｅレーザを同一光軸に導入し、得られる干渉縞間隔からフィゾーエタロン間隔の計算を行い、その結果によってパルス光の干渉縞間隔から波長の計算を行う。
【０００６】
前記波長計算は波長計測器５０に設けられた計算部５８によってなされ、通信によって制御コンピュータ６０に測定波長値を伝える。
【０００７】
制御コンピュータ６０では、得られた波長測定値を用い、パルス光源５１の波長を所望の値に保つために、パルス光源５１中に設けられた回折格子や共振器長を制御するアクチュエータ等の制御を行う事で波長制御を行っていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、パルス光源の場合には、空間的な干渉縞間隔から波長計測を行うために、光源の強度変化や指向安定性などの影響を受け易いとともに、受光素子の感度特性などの影響も受け易く、波長計測精度が低いという問題がある。
【０００９】
また、波長の絶対値を波長安定化ＨｅＮｅに依存しているが、ＨｅＮｅ自体の波長絶対精度とともに、波長計の光学調整および、エタロンに使用する硝材の波長分散等により、波長絶対値の信頼性が低い等の問題があった。
【００１０】
そこで、本発明は、より高精度な波長計測が可能である連続波光源の測定と共に、連続波光源とパルス光源の波長差を計測することにより、間接的にパルス光源の波長を測定することで高精度なパルス光源の波長計測を実現可能とする波長計測方法を提供することを例示的目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の例示的一側面としての波長測定方法は、発振波長、或いは最終出力波長を作成するために必要な波長変換過程で生成される波長帯に、連続波光源が存在するパルスレーザ光源において、前記パルスレーザと、同一波長の連続波光源を干渉させた際のビート信号により、前記パルスレーザの波長と、前記連続波光源の波長差を計測することで前記パルスレーザの波長を測定することを特徴とする。前記パルスレーザ光源の波長と前記連続波光源の波長差を測定する際に、同時に前記連続波光源の波長計測或いは波長制御を行う事を特徴とする。各パルスの時間的な干渉信号波形における、或るしきい値以上のビート信号の計数を複数パルスについて行い、前記計数値からビート周波数の特定を行うことを特徴とする。各パルスの時間的な干渉信号波形の周波数スペクトルの２つのスペクトルピークの間隔から、ビート周波数の特定を行うことを特徴とする。前記連続波光源として、単一縦モード連続波レーザを用いる事を特徴とする。前記連続波光源を、２つの光束に分岐し、光路長差を付けた後に再び光軸を一致させた際に生じる干渉縞の明暗を、ある光路長差にわたってカウントする事によって波長計測値を得る所謂フリンジスキャン波長計を用いて測定することを特徴とする。前記連続波光源の波長帯域において吸収構造を有するガスセルを透過させ、その透過強度から吸収線に波長を固定する事で連続波光源の波長を計測することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。図１は本発明の実施形態に係るパルス光源波長計測装置を示したものである。
【００１３】
基本波長の発振器１から射出した光束は、出力波長へ非線形光学効果によって波長変換を行うために波長変換ユニット３に入射する。基本波長の発振器１はチタンサファイア結晶をレーザ媒質として近赤外領域のパルス光を射出する。前記チタンサファイア結晶の励起にはＮｄイオンを用いたＮｄ：ＹＡＧ或いはＮｄ：ＹＬＦ等による励起光源２を用いる。発振器１は注入光源を用いずに単独で単一縦モード発振が可能なように、回折格子と共振器長を制御するためのアクチュエータを有した所謂改良型リットマン共振器である。この結果、出力スペクトルは狭帯域化され、数ｍの可干渉距離を実現する。また、発振器１は外部から前記ミラーを駆動することにより発振波長の制御を行う波長制御手段を設けている。改良型リットマン共振器は注入光源を使用しないため、構成が単純であり光源の装置の小型化と信頼性が高められると共に、前記チタンサファイアの有する広利得帯域を用いて波長可変幅を大きく取れる事が利点である。
【００１４】
本実施例では出力波長は１９３ｎｍであり、発振器１から出射した７７２ｎｍのパルス光束の４倍波を作成することによって発生する。ここで、出力波長は発振器１の波長の正確に１／４倍の値となるため、発振器１の波長を計測することで出力波長、即ち１９３ｎｍの波長計測が可能となる。
【００１５】
まず、基本波長と同一波長で発振可能な連続波光源７を用意する。近赤外領域の連続波光源としては、半導体レーザを用いることが可能である。本実施例では、高精度な波長制御が可能でかつ波長可変帯の広い外部共振器型の半導体レーザを用いる。連続波光源７は、外部から波長を制御する手段として共振器中の回折格子等の波長選択素子を駆動するためのアクチュエータあるいはレーザ媒質である半導体素子への注入電流を変化させるための手段を有している。
【００１６】
連続波光源７からの射出光は、ハーフミラー４によって二つに分岐され、一方は連続波光源用波長計５にて波長計測を行うために用い、もう一方の光束は、発振器１からの出力光との波長差を測定するために用いる。ここで、連続波光源用波長計５として、波長計内部で光路を分割し、各々の光路長差を走査した際に生じる２光束の干渉縞の数をカウントする事により波長を特定する波長計を用いる。波長計５による測定再現性は０．１ｐｍ以下である。
【００１７】
波長計５によって測定された波長値は波長計５のインターフェースを介し、制御コンピュータ１０に送信される。
【００１８】
ハーフミラー４を反射した光束はファイバ結合器６の片側の入射ファイバへ入射する。ファイバ結合器のもう一方の入射ファイバには、発振器１からの出力を入射する。ファイバ結合器は、２つのファイバ入力を１本の出力ファイバに結合するため、ファイバ結合器からの出力では同一光軸上の２光源の干渉が観察される。ここで２光源は発振器が異なるため、発振器１が射出するパルスごとに、２光束間の位相はランダムであり、したがって時間干渉波形もランダムなものとなる。
【００１９】
図２に典型的な時間干渉波形を示す。発振器１における射出パルス幅は１０ｎｓ程度である。干渉波形はこのパルスが存在する時間のみ発生するため、連続波レーザ同士のビート信号のような完全な正弦波にはならない。発振器１のパルス波形を正規分布で近似する時、図２の干渉波形は次式で表される。
【００２０】
【数１】
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ここで、発振器１のパルス電場をＥ１０ｅｘｐ（−ａｔ＾２−ｉω１ｔ）、連続波光源の電場をＥ２０Ｅｘｐ（−Ｉω２ｔ）であり、両者の位相差をφ１２としている。
【００２１】
数式１で表される時間干渉波形は、ファイバ結合器６の出力に設けられた高速光検出器８により、電気信号へと変換される。得られた電気信号は、任意時間中に入力されるある閾値以上の電圧信号の数をカウントするカウンター９によりビートの計数を行う。ここでビートの計数とは、連続波同士のビート周波数検出が、ある時間間隔内に検出されるビートを計数し、単位時間間隔あたりのカウント数を算出するのに対して、１パルスあたりのカウント数を算出することを意味する。
前記した発振器１のパルスと連続波光源の位相差のランダム性により、同一の光周波数差における時間干渉波形もパルスごとにランダムに変化し、結果としてカウント値もばらつく事になる。
【００２２】
このばらつきの影響を避けて高精度な測定を行うためには、カウント値のサンプル数を増やして平均化すればよく、図４に示す様に１０００パルス程度の平均化で十分な精度のビートカウントを行えるようになる。本実施例の発振器１は５ｋＨｚの繰り返し周波数でパルスを生成するため２００ｍｓｅｃ程度の平均時間でよい。
ここで、連続波光源用波長計５により得られた光源２の波長測定値と、発振器１のパルス電場に対する連続波光源の電場の光周波数差から、パルスレーザ装置１乃至３の出力波長を測定する手順について説明する。
１．連続波光源の波長設定
まず、連続波光源７の波長の設定を行う。連続波光源７は発振器１の波長とほぼ同一に設定するが、ビートの計測のため、微小な波長オフセット量を正及び負に与えた値とする。
【００２３】
ここで、波長オフセット量としては、発振器１の出力パルス幅においてビート信号が観測できる、即ち一周期以上のビート周波数となる必要性と、高速光検出器８及びカウンター９の帯域制限から光周波数にして数百ＭＨｚ程度、波長換算で〜１ｐｍ程度に設定する。具体的には１９２．９９９ｎｍと１９３．００１ｎｍを用いる。また、連続波用波長計５の絶対精度が不十分な場合には、発振器１の波長帯域において吸収構造を有するヨウ素等の吸収線に波長を固定してもよい。この場合には前記設定波長の前後にある２つの吸収線に波長を固定することになる。
２．連続波光源の波長測定及びビートカウント
波長の設定が完了したら、連続波光源用波長計５の計測を開始すると同時に、カウンター９によるビートカウントの積算を行う。この時、カウンター９では計測中の発振器１のパルス数をカウントする。パルス数をカウントするためには励起光源２のＱスイッチ等に設けられた同期出力を用いれば良い。また、連続波用波長計５の絶対精度が不十分な場合には、発振器１の波長帯域において吸収構造を有するヨウ素等の吸収線に波長を固定してもよい。１で吸収線へのロックを行った場合には波長計測値としては吸収線の波長値を用いる。
【００２４】
測定終了後、連続波光源波長値、ビートカウント積算値、パルスカウント積算値を制御コンピュータに送信する。
３．連続波ダイオードレーザの波長切り替え
１及び２の手順が終了したら再び１の手順を行う。ここで２乃至１に以降する際には連続波光源７の波長オフセットの正負を切り替える。この波長オフセットの切替は、一般の制御におけるディザーに相当し、周波数差の符号を判別するためのものである。
４．レーザ装置１の第１波長の計算
前記した１乃至３の手順により、連続波光源波長値、ビートカウント積算値、パルスカウント積算値のそれぞれがレーザ制御コンピュータに記録される。
【００２５】
これらを用いて発振器１の波長λ１は次式で表される。
【００２６】
【数２】
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ここで各記号はそれぞれ、λ２：連続波光源の正側オフセット波長測定値、λ３：連続波光源の負側オフセット波長測定値、ＢＣ（λｉ）：波長λｉにおけるビートカウント積算値、ＰＣ（λｉ）：λｉにおけるパルスカウント積算値、ｋ：ビートカウント対ビート周波数敏感度を表す。
【００２７】
ｋのビートカウント対ビート周波数敏感度は、発振器１の出力、連続波光源出力、カウンターの閾値により変化してしまうため、同一測定条件のもと、予め測定しておく必要がある。測定方法としては、連続波光源をλ２、λ３近傍の複数波長に設定したうえで２の手順を実行し、連続波光源波長の変化量に対するビートカウント値の変化の割合として求めればよい。図３に示したように、敏感度ｋは発振器１のスペクトル幅より大きなビート周波数の領域ではほぼ直線で表されるため、前述した方法で得られた値を直線でフィッティングすれば精度良く求めることが可能である。
５．発振器１へのフィードバック
手順４で算出したλ１の測定値と、手順１における波長１の設定値の差分を補正するために、制御コンピュータからレーザ装置の波長制御手段へ帰還信号を与える。発振器１では、前記帰還信号により共振器長を変化させ、λ１を補正する。これにより、第１波長から波長変換過程を経て出力される出力波長が設定値に安定化される。
以上の手順１から手順４を繰り返すことにより、波長変換機１からの出力波長を高精度に測定可能であるとともに、その測定結果を下に帰還信号を加える事で設定波長に固定を行う事が可能となる。
【００２８】
本発明の第２の実施例として、ビート周波数の特定をその周波数分布から直接特定する方法を示す。本実施例の場合は、平均化が不要のため、単一パルスでの波長測定が可能となる。図４に実施例２の構成を示す。
【００２９】
発振器１と連続波光源５の干渉信号を高速受光素子８で電気信号に変換するまでの過程は実施例１と同様であるため省略する。本実施例ではカウンタの変わりに高速のＡ／Ｄ変換器１１に前記電気信号を入力する。Ａ／Ｄ変換機１１に必要な帯域及びサンプリング周波数は、発振器１と連続波光源間で想定される波長差および、算出するビート周波数の大きさによって決定される。
まず、Ａ／Ｄ変換器によってデジタル化した信号に対し周波数解析を行う。この方法としては高速いフーリエ変換などの手法を用いればよい。信号のフーリエ変換後の波形は図で示されるように、２つのピークを持つ。電気信号を式１で近似した場合のフーリエ変換が次式であらわされる。
【００３０】
【数３】
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数式３から分るように、周波数０にピークを持つ分布ははビート信号の包絡線を示す周波数分布であり、もう一方がビートそのものを示す周波数分布となるため、第２のピークの周波数の値を計算する事でビート信号の周波数の計算が可能である。
実測定における制約としては、よく知られているＦＦＴの周波数分解能Δｆ、及び周波数の最大値ｆｍａｘはサンプリング間隔Δｔとｆｍａｘ＝１／Δｔ、Δｆ＝１／（Δｔ×ｎ）に加え、図の周波数分布の二つのピークが分離できることの条件としては、発振器１の周波数線幅をｆｗｉｄｔｈ、ビート周波数ｆｂｅａｔとして、ｆｂｅａｔ＞ｆｗｉｄｔｈの必要がある。
【００３１】
上記の条件により、ビート周波数の下限値は発振器１の線幅、上限は受光素子の帯域及びＡ／Ｄ変換器のサンプリング周波数によって制限される事になる。本実施例ではこれらを満たす条件として、ビート周波数として出力パルス線幅の５倍程度の値となるように連続波光源の波長λ４を設定する。つまり、連続波光源の設定波長は、発振器１のをλ１、線幅を周波数表記でΔｆとして、以下に示す数式に設定を行う。
【００３２】
【数４】
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測定中は、設定値λ４からのずれ量を連続波光源用波長計によって高精度に測定を行い、その結果と算出されるビート周波数の値により、波長変換ユニット２からの出力波長の算出を行う。ここで、ビート周波数の符号の不確定性は、連続波光源の波長を設定値から既知の少量変化させた際のビート周波数変化を測定することにより判断が可能である。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、高精度な測定が比較的容易な連続波光源において波長絶対値の測定を行い、パルス光源からの連続波光源との波長差をパルス光源と連続波光源のビート信号から計測することにより、高価かつ大型の分光器等を使用せずに、容易に高精度なパルス光源の波長計測が可能となるとともに、波長計測部も小型で済むため、常時計測の必要のある干渉計用光源などへの組み込みが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す概略図である。
【図２】パルス光源と連続波光源のビート信号を示したグラフである。
【図３】ビートカウントと周波数差の敏感度を示したグラフである。
【図４】本発明の第２の実施の形態を示す概略構成図である。
【図５】ビート信号のスペクトルを示したグラフである。
【図６】従来例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１　　　　　　　発振器
２　　　　　　　励起光源
３　　　　　　　波長変換ユニット
４　　　　　　　ハーフミラー
５　　　　　　　波長計
６　　　　　　　ファイバ結合器
７　　　　　　　連続波光源
８　　　　　　　高速受光素子
９　　　　　　　カウンター
１０　　　　　　制御コンピュータ
１１　　　　　　Ａ／Ｄ変換機
【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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