(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光周波数コムによるレーザ周波数測定の精度を評価する方法であって、
周波数可変で、かつ、当該周波数に応じて発振モードが変化するモード移行周波数を有する周波数可変レーザ装置の発振周波数を変化させた際の発振モードの観測結果に基づいて、第一光周波数コムと前記周波数可変レーザ装置からの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を検知する際の前記第一光周波数コムからの出力光の第一のモード次数ｎ１を算出し、
その時の周波数間隔ｆｒｅｐ１とＣＥＯ周波数ｆＣＥＯ１の設定値及び、周波数可変レーザと第一光周波数コムの第一ビート周波数ｆＢ１を使って、その時の周波数可変レーザの絶対周波数νｌａｓｅｒ１を算出し、
次に、周波数可変レーザと第二光周波数コムの第二ビート周波数ｆＢ２と、第一光周波数コムによって得られる絶対周波数νｌａｓｅｒ１の値と周波数間隔ｆｒｅｐ２とＣＥＯ周波数ｆＣＥＯ２の設定値を使って、第二光周波数コムの第二のモード次数ｎ２を算出し、
第二のモード次数ｎ２が得られたら、周波数間隔ｆｒｅｐ２及びＣＥＯ周波数ｆＣＥＯ２及び第二ビート周波数ｆＢ２を再度用いて、第二光周波数コムによる周波数可変レーザの絶対周波数測定結果νｌａｓｅｒ２を得、
そして、絶対周波数νｌａｓｅｒ２とνｌａｓｅｒ１の差を算出して、第一光周波数コムに対する第二光周波数コムの差として、第二光周波数コムの性能を評価することを特徴とする、光周波数コムによるレーザ周波数測定の精度評価方法。
【請求項２】
前記周波数可変レーザ装置は、周波数を変化させた際に、前記発振モードが２モードあるいはそれ以上のマルチモードからシングルモードに変化、または、シングルモードから２モードあるいはそれ以上のマルチモードに変化するモード移行周波数を有するレーザを出力することを特徴とする、請求項１に記載の光周波数コムによるレーザ周波数測定の精度評価方法。
【請求項３】
光周波数コムによるレーザ周波数測定の精度を評価する方法であって、
周波数可変で、かつ、周波数に応じて強度が変化する周波数可変レーザ装置の周波数を変化させた際の出力光の強度の観測結果に基づいて、第一光周波数コムと前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を検知する際の前記第一光周波数コムからの出力光の第一のモード次数ｎ１を算出し、
その時の周波数間隔ｆｒｅｐ１とＣＥＯ周波数ｆＣＥＯ１の設定値及び、周波数可変レーザと第一光周波数コムの第一ビート周波数ｆＢ１を使って、その時の周波数可変レーザの絶対周波数νｌａｓｅｒ１を算出し、
次に、周波数可変レーザと第二光周波数コムの第二ビート周波数ｆＢ２と、第一光周波数コムによって得られる絶対周波数νｌａｓｅｒ１の値と周波数間隔ｆｒｅｐ２とＣＥＯ周波数ｆＣＥＯ２の設定値を使って、第二光周波数コムの第二のモード次数ｎ２を算出し、
第二のモード次数ｎ２が得られたら、周波数間隔ｆｒｅｐ２及びＣＥＯ周波数ｆＣＥＯ２及び第二ビート周波数ｆＢ２を再度用いて、第二光周波数コムによる周波数可変レーザの絶対周波数測定結果νｌａｓｅｒ２を得、
そして、絶対周波数νｌａｓｅｒ２とνｌａｓｅｒ１の差を算出して、第一光周波数コムに対する第二光周波数コムの差として、第二光周波数コムの性能を評価することを特徴とする、光周波数コムによるレーザ周波数測定の精度評価方法。
【請求項４】
前記出力光の強度が最大値、最小値、極大値、及び極小値のいずれかとなる発振周波数を用いて、前記第一及び第二のモード次数ｎ１、ｎ２を特定することを特徴とする、請求項３に記載の光周波数コムによるレーザ周波数測定の精度評価方法。
【請求項５】
前記第一ビート周波数と前記第二ビート周波数を検知又は測定して、前記光周波数コムと測定対象の光周波数コムの相対安定度の測定及び絶対周波数の比較を行うことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の光周波数コムによるレーザ周波数測定の精度評価方法。
【請求項６】
前記周波数可変レーザ装置は、前記第一ビート周波数が一定になるように周波数安定化することを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の光周波数コムによるレーザ周波数測定の精度評価方法。
【請求項７】
前記第一ビート周波数は測定せずに、安定化の指令値を用いることを特徴とする、請求項６に記載の光周波数コムによるレーザ周波数測定の精度評価方法。
【請求項８】
前記周波数可変レーザ装置として、Ｈｅ−Ｎｅレーザを用いることを特徴とする、請求
項１乃至７のいずれかに記載の光周波数コムによるレーザ周波数測定の精度評価方法。
【請求項９】
光周波数コムによるレーザ周波数測定の精度を評価する装置であって、
周波数可変で、かつ、当該周波数に応じて発振モードが変化するモード移行周波数を有する周波数可変レーザ装置と、
前記発振モードを観測する手段と、
第一光周波数コムと前記周波数可変レーザ装置からの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を検知する手段と、
第二光周波数コムと前記周波数可変レーザ装置からの出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を検知する手段と、
前記周波数可変レーザ装置の発振周波数を変化させた際の前記発振モードの観測結果に基づいて、前記第一ビート周波数を検知する際の前記第一光周波数コムからの出力光の第一のモード次数ｎ１を算出し、その時の周波数間隔ｆｒｅｐ１とＣＥＯ周波数ｆＣＥＯ１の設定値及び、周波数可変レーザと第一光周波数コムの第一ビート周波数ｆＢ１を使って、その時の周波数可変レーザの絶対周波数νｌａｓｅｒ１を算出し、次に、周波数可変レーザと第二光周波数コムの第二ビート周波数ｆＢ２と、第一光周波数コムによって得られる絶対周波数νｌａｓｅｒ１の値と周波数間隔ｆｒｅｐ２とＣＥＯ周波数ｆＣＥＯ２の設定値を使って、第二光周波数コムの第二のモード次数ｎ２を算出し、第二のモード次数ｎ２が得られたら、周波数間隔ｆｒｅｐ２及びＣＥＯ周波数ｆＣＥＯ２及び第二ビート周波数ｆＢ２を再度用いて、第二光周波数コムによる周波数可変レーザの絶対周波数測定結果νｌａｓｅｒ２を得、そして、絶対周波数νｌａｓｅｒ２とνｌａｓｅｒ１の差を算出して、第一光周波数コムに対する第二光周波数コムの差として、第二光周波数コムの性能を評価する手段と、
を備えたことを特徴とする、光周波数コムによるレーザ周波数測定の精度評価装置。
【請求項１０】
前記周波数可変レーザ装置は、周波数を変化させた際に、前記発振モードが２モードあるいはそれ以上のマルチモードからシングルモードに変化、または、シングルモードから２モードあるいはそれ以上のマルチモードに変化するモード移行周波数を有するレーザを出力することを特徴とする、請求項９に記載の光周波数コムによるレーザ周波数測定の精度評価装置。
【請求項１１】
光周波数コムによるレーザ周波数測定の精度を評価する装置であって、
周波数可変で、かつ、周波数に応じて強度が変化する周波数可変レーザ装置と、
前記周波数可変レーザ装置からの出力光の強度を観察する強度観測手段と、
第一光周波数コムと前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を検知する手段と、
第二光周波数コムと前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を検知する手段と、
前記周波数可変レーザ装置の周波数を変化させた際の前記出力光の強度の観測結果に基づいて、前記第一ビート周波数を検知する際の前記第一光周波数コムからの出力光の第一のモード次数ｎ１を算出し、その時の周波数間隔ｆｒｅｐ１とＣＥＯ周波数ｆＣＥＯ１の設定値及び、周波数可変レーザと第一光周波数コムの第一ビート周波数ｆＢ１を使って、その時の周波数可変レーザの絶対周波数νｌａｓｅｒ１を算出し、次に、周波数可変レーザと第二光周波数コムの第二ビート周波数ｆＢ２と、第一光周波数コムによって得られる絶対周波数νｌａｓｅｒ１の値と周波数間隔ｆｒｅｐ２とＣＥＯ周波数ｆＣＥＯ２の設定値を使って、第二光周波数コムの第二のモード次数ｎ２を算出し、第二のモード次数ｎ２が得られたら、周波数間隔ｆｒｅｐ２及びＣＥＯ周波数ｆＣＥＯ２及び第二ビート周波数ｆＢ２を再度用いて、第二光周波数コムによる周波数可変レーザの絶対周波数測定結果νｌａｓｅｒ２を得、そして、絶対周波数νｌａｓｅｒ２とνｌａｓｅｒ１の差を算出して、第一光周波数コムに対する第二光周波数コムの差として、第二光周波数コムの性能を評価する手段と、
を備えたことを特徴とする、光周波数コムによるレーザ周波数測定の精度評価装置。
【請求項１２】
前記出力光の強度が最大値、最小値、極大値、及び極小値のいずれかとなる発振周波数を用いて、前記第一及び第二のモード次数ｎ１、ｎ２を特定することを特徴とする、請求項１１に記載の光周波数コムによるレーザ周波数測定の精度評価装置。
【請求項１３】
前記第一ビート周波数と前記第二ビート周波数を検知又は測定して、前記光周波数コムと測定対象の光周波数コムの相対安定度の測定及び絶対周波数の比較を行うことを特徴とする、請求項９乃至１２のいずれかに記載の光周波数コムによるレーザ周波数測定の精度評価装置。
【請求項１４】
前記周波数可変レーザ装置は、前記第一ビート周波数が一定になるように周波数安定化することを特徴とする、請求項９乃至１３のいずれかに記載の光周波数コムによるレーザ
周波数測定の精度評価装置。
【請求項１５】
前記第一ビート周波数は測定せずに、安定化の指令値を用いることを特徴とする、請求項１４に記載の光周波数コムによるレーザ周波数測定の精度評価装置。
【請求項１６】
前記周波数可変レーザ装置として、Ｈｅ−Ｎｅレーザを用いることを特徴とする、請求項９乃至１５のいずれかに記載の光周波数コムによるレーザ周波数測定の精度評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光周波数コムによるレーザ周波数測定の精度評価方法及び装置に係り、特に、従来よりも安価な装置構成で、簡単に光周波数コムによるレーザの絶対周波数の測定精度を評価することが可能な、光周波数コムによるレーザ周波数測定の精度評価方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザ周波数を測定するために、光周波数コム装置を利用する方法が提案されており、例えば特許文献１に記載されたような光周波数コム装置を用いることで、レーザの発振周波数を高精度に測定することができる。この光周波数コム装置は、繰り返し周波数（縦モードの間隔）が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、非特許文献１参照）。
【０００３】
図１に、光周波数コムと測定対象物となるレーザの周波数スペクトルを示す。
【０００４】
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（１）により表わすことができる。
νｎ＝ｎ・ｆｒｅｐ＋ｆＣＥＯ      …（１）
【０００５】
ｆＣＥＯは端数のキャリアエンベロップオフセット周波数（以下、ＣＥＯ周波数と称する）、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。
【０００６】
ここで、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ると、以下の式（２）に示すように、その差の周波数ｆＢがビート信号として観察される。
ｆＢ＝νｌａｓｅｒ−νｎ      …（２）
【０００７】
従って、式（１）と式（２）から、周波数νｌａｓｅｒは、以下の式（３）のように求めることができる。
νｌａｓｅｒ＝ｎ・ｆｒｅｐ＋ｆＣＥＯ＋ｆＢ      …（３）
【０００８】
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。
【０００９】
光周波数コムを用いたレーザの周波数測定は、基準周波数を測定の基準として極めて精度の高い測定ができる。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精度を評価することが大きな課題となる。
【００１０】
光周波数コムの精度を評価する方法として、２台の光周波数コムを使って、１台のレーザを同時に測定する方法がある。２台の光周波数コムによる相対安定度は、各々の光周波数コムで同時に測定することによって得られた、ビート周波数の差を計算することで評価することが出来る。
【００１１】
これに対して、絶対周波数を測定する精度を確認するためには、各々の光周波数コムのモード次数を決定しなければならないため、そのための付加的な装置かあるいはモード次数を判別するための手間を要する。ここで、従来の二通りの方法について説明し、問題点を指摘する。
【００１２】
一つ目は、周波数が既知の分子吸収線に安定化したレーザを使用する方法である。この場合、レーザの絶対周波数の不確かさは、光周波数コムの周波数間隔に比べて小さいために、２台の光周波数コムのそれぞれのモード次数を特定することが出来る。得られたモード次数をビート周波数の測定値とｆｒｅｐとｆＣＥＯの設定値を用いることで、２台の光周波数コム各々でレーザの絶対周波数測定結果を得ることが出来るため、それらを比較することで、精度を評価することが出来る。
【００１３】
二つ目は、分子吸収線に安定化されていないレーザを使用する方法で、たとえば非特許文献１に示されている方法である。この方法では、分子吸収線に安定化したレーザに比べると安価で、レーザ出力も比較的高いため、２台の光周波数コムで良好なＳ／Ｎの干渉ビート信号を得易いという長所がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００７−２５６３６５号公報
【非特許文献】
【００１５】
【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】
【００１６】
一つ目の方法の場合、レーザが非常に高価であることや、レーザの出力は一般に小さいために、レーザを分岐して２台の光周波数コムそれぞれで十分なＳ／Ｎの干渉ビート信号得るのは難しい、という問題がある。
【００１７】
二つ目の方法の場合、絶対周波数があいまいであるので光周波数コムのモード次数を決定するために次に説明するような測定操作が必要である、という問題がある。
【００１８】
具体的には、まず、光周波数コム１で測定した結果のモード次数を特定して、レーザの絶対周波数を算出する。そのために、光周波数コム１と２でビート周波数を同時に測定しながら、光周波数コム１の周波数間隔ｆｒｅｐを変える。そして、ｆｒｅｐを変化させた量に対してビート周波数が変化した量を測定する。そしてｆｒｅｐに対するビート周波数の変化の割合を算出して、光周波数コム１のモード次数ｎ１を算出する。そして、前出の式（３）に光周波数コム１の周波数間隔ｆｒｅｐ１とＣＥＯ周波数ｆＣＥＯ１と測定したビート周波数ｆＢ１とモード次数ｎ１を代入して、光周波数コム１で測定したレーザの絶対周波数νｌａｓｅｒ１を算出する。次に、νｌａｓｅｒ１と光周波数コム２の周波数間隔ｆｒｅｐ２とＣＥＯ周波数ｆＣＥＯ２と光周波数コム２によって得られたビート周波数ｆＢ２を、式（３）に代入して、その計算結果の整数値としてモード次数ｎ２を算出する。そして、ｎ２を使いｆｒｅｐ２とｆＣＥＯ２とｆＢ２を式（３）に代入して再計算を行って、光周波数コム２によるレーザ周波数の測定結果νｌａｓｅｒ２を得る。そして、νｌａｓｅｒ１とνｌａｓｅｒ２の差から絶対周波数の測定精度を評価することが出来る。
【００１９】
この方法によれば、まず、１台の光周波数コムのｆｒｅｐを変化させビート周波数を測定して、モード次数を決定する必要がある。その際、モード次数を確実に同定するためには、ｆｒｅｐを大きく変化させてビート周波数を大きく変化させなければならない。光周波数コムとレーザとのビート周波数は、干渉させる何れかの周波数を一方向に変化させると、０Ｈｚからｆｒｅｐ（Ｈｚ）の間で変化し、その動作が繰り返される。そうすると、ビート周波数が０Ｈｚを何回も横切るため、その回数を正確に読み取ったうえで、ビート周波数がどれだけ変化したかを把握しなければならない。つまり、ｆｒｅｐの可変量に対して、ビート周波数の変化する割合を確実に把握するためには、高い技量を要する。
【００２０】
以上説明したように、従来の光周波数コムの評価では、非常に高価なレーザを使用しなければならないか、あるいは、モード次数を特定するために煩雑な作業で適切に判断するために高い判断技量を必要とするという問題点を有していた。
【００２１】
本発明は、前記従来の問題点を解決すべくなされたもので、より簡単かつ、確実にレーザ周波数の測定精度を評価できるようにすることを特徴とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、光周波数コムによるレーザ周波数測定の精度を評価する方法であって、周波数可変で、かつ、当該周波数に応じて発振モードが変化するモード移行周波数を有する周波数可変レーザ装置の発振周波数を変化させた際の発振モードの観測結果に基づいて、第一光周波数コムと前記周波数可変レーザ装置からの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を検知する際の前記第一光周波数コムからの出力光の第一のモード次数ｎ１を算出し、その時の周波数間隔ｆｒｅｐ１とＣＥＯ周波数ｆＣＥＯ１の設定値及び、周波数可変レーザと第一光周波数コムの第一ビート周波数ｆＢ１を使って、その時の周波数可変レーザの絶対周波数νｌａｓｅｒ１を算出し、次に、周波数可変レーザと第二光周波数コムの第二ビート周波数ｆＢ２と、第一光周波数コムによって得られる絶対周波数νｌａｓｅｒ１の値と周波数間隔ｆｒｅｐ２とＣＥＯ周波数ｆＣＥＯ２の設定値を使って、第二光周波数コムの第二のモード次数ｎ２を算出し、第二のモード次数ｎ２が得られたら、周波数間隔ｆｒｅｐ２及びＣＥＯ周波数ｆＣＥＯ２及び第二ビート周波数ｆＢ２を再度用いて、第二光周波数コムによる周波数可変レーザの絶対周波数測定結果νｌａｓｅｒ２を得、そして、絶対周波数νｌａｓｅｒ２とνｌａｓｅｒ１の差を算出して、第一光周波数コムに対する第二光周波数コムの差として、第二光周波数コムの性能を評価することにより、前記課題を解決したものである。
【００２３】
ここで、前記周波数可変レーザ装置は、周波数を変化させた際に、前記発振モードが２モードあるいはそれ以上のマルチモードからシングルモードに変化、または、シングルモードから２モードあるいはそれ以上のマルチモードに変化するモード移行周波数を有するレーザを出力することができる。
【００２４】
本発明は、又、光周波数コムによるレーザ周波数測定の精度を評価する方法であって、周波数可変で、かつ、周波数に応じて強度が変化する周波数可変レーザ装置の周波数を変化させた際の出力光の強度の観測結果に基づいて、第一光周波数コムと前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を検知する際の前記第一光周波数コムからの出力光の第一のモード次数ｎ１を算出し、その時の周波数間隔ｆｒｅｐ１とＣＥＯ周波数ｆＣＥＯ１の設定値及び、周波数可変レーザと第一光周波数コムの第一ビート周波数ｆＢ１を使って、その時の周波数可変レーザの絶対周波数νｌａｓｅｒ１を算出し、次に、周波数可変レーザと第二光周波数コムの第二ビート周波数ｆＢ２と、第一光周波数コムによって得られる絶対周波数νｌａｓｅｒ１の値と周波数間隔ｆｒｅｐ２とＣＥＯ周波数ｆＣＥＯ２の設定値を使って、第二光周波数コムの第二のモード次数ｎ２を算出し、第二のモード次数ｎ２が得られたら、周波数間隔ｆｒｅｐ２及びＣＥＯ周波数ｆＣＥＯ２及び第二ビート周波数ｆＢ２を再度用いて、第二光周波数コムによる周波数可変レーザの絶対周波数測定結果νｌａｓｅｒ２を得、そして、絶対周波数νｌａｓｅｒ２とνｌａｓｅｒ１の差を算出して、第一光周波数コムに対する第二光周波数コムの差として、第二光周波数コムの性能を評価することにより、前記課題を解決したものである。
【００２５】
ここで、前記出力光の強度が最大値、最小値、極大値、及び極小値のいずれかとなる発振周波数を用いて、前記第一及び第二のモード次数ｎ１、ｎ２を特定することができる。
【００２６】
又、前記第一ビート周波数と前記第二ビート周波数を検知又は測定して、前記光周波数コムと測定対象の光周波数コムの相対安定度の測定及び絶対周波数の比較を行うことができる。
【００２７】
又、前記周波数可変レーザ装置は、前記第一ビート周波数が一定になるように周波数安定化することができる。
【００２８】
又、前記第一ビート周波数は測定せずに、安定化の指令値を用いることができる。
【００２９】
又、前記周波数可変レーザ装置として、Ｈｅ−Ｎｅレーザを用いることができる。
【００３０】
本発明は、又、光周波数コムによるレーザ周波数測定の精度を評価する装置であって、周波数可変で、かつ、当該周波数に応じて発振モードが変化するモード移行周波数を有する周波数可変レーザ装置と、前記発振モードを観測する手段と、第一光周波数コムと前記周波数可変レーザ装置からの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を検知する手段と、第二光周波数コムと前記周波数可変レーザ装置からの出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を検知する手段と、前記周波数可変レーザ装置の発振周波数を変化させた際の前記発振モードの観測結果に基づいて、前記第一ビート周波数を検知する際の前記第一光周波数コムからの出力光の第一のモード次数ｎ１を算出し、その時の周波数間隔ｆｒｅｐ１とＣＥＯ周波数ｆＣＥＯ１の設定値及び、周波数可変レーザと第一光周波数コムの第一ビート周波数ｆＢ１を使って、その時の周波数可変レーザの絶対周波数νｌａｓｅｒ１を算出し、次に、周波数可変レーザと第二光周波数コムの第二ビート周波数ｆＢ２と、第一光周波数コムによって得られる絶対周波数νｌａｓｅｒ１の値と周波数間隔ｆｒｅｐ２とＣＥＯ周波数ｆＣＥＯ２の設定値を使って、第二光周波数コムの第二のモード次数ｎ２を算出し、第二のモード次数ｎ２が得られたら、周波数間隔ｆｒｅｐ２及びＣＥＯ周波数ｆＣＥＯ２及び第二ビート周波数ｆＢ２を再度用いて、第二光周波数コムによる周波数可変レーザの絶対周波数測定結果νｌａｓｅｒ２を得、そして、絶対周波数νｌａｓｅｒ２とνｌａｓｅｒ１の差を算出して、第一光周波数コムに対する第二光周波数コムの差として、第二光周波数コムの性能を評価する手段と、を備えたことを特徴とする、光周波数コムによるレーザ周波数測定の精度評価装置を提供するものである。
【００３１】
本発明は、又、光周波数コムによるレーザ周波数測定の精度を評価する装置であって、周波数可変で、かつ、周波数に応じて強度が変化する周波数可変レーザ装置と、前記周波数可変レーザ装置からの出力光の強度を観察する強度観測手段と、第一光周波数コムと前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第一ビート周波数を検知する手段と、第二光周波数コムと前記周波数可変レーザ装置とからの出力光を干渉させた際に得られる第二ビート周波数を検知する手段と、前記周波数可変レーザ装置の周波数を変化させた際の前記出力光の強度の観測結果に基づいて、前記第一ビート周波数を検知する際の前記第一光周波数コムからの出力光の第一のモード次数ｎ１を算出し、その時の周波数間隔ｆｒｅｐ１とＣＥＯ周波数ｆＣＥＯ１の設定値及び、周波数可変レーザと第一光周波数コムの第一ビート周波数ｆＢ１を使って、その時の周波数可変レーザの絶対周波数νｌａｓｅｒ１を算出し、次に、周波数可変レーザと第二光周波数コムの第二ビート周波数ｆＢ２と、第一光周波数コムによって得られる絶対周波数νｌａｓｅｒ１の値と周波数間隔ｆｒｅｐ２とＣＥＯ周波数ｆＣＥＯ２の設定値を使って、第二光周波数コムの第二のモード次数ｎ２を算出し、第二のモード次数ｎ２が得られたら、周波数間隔ｆｒｅｐ２及びＣＥＯ周波数ｆＣＥＯ２及び第二ビート周波数ｆＢ２を再度用いて、第二光周波数コムによる周波数可変レーザの絶対周波数測定結果νｌａｓｅｒ２を得、そして、絶対周波数νｌａｓｅｒ２とνｌａｓｅｒ１の差を算出して、第一光周波数コムに対する第二光周波数コムの差として、第二光周波数コムの性能を評価する手段と、を備えたことを特徴とする、光周波数コムによるレーザ周波数測定の精度評価装置を提供するものである。
【発明の効果】
【００３２】
光周波数コムの性能評価に関して、２台の光周波数コムでレーザの絶対周波数の測定精度を評価する際、従来は絶対値が既知で出力の高い非常に高価なレーザを必要とするか、あるいは、高い技量の測定操作が必要であったが、本発明により、周波数可変レーザの発振モードや強度が発振周波数に応じて変化する性質を利用して、各々の光周波数コムのモード次数を特定して絶対周波数を算出し、比較評価するようにしたので、光周波数コムの評価を、より簡単な装置でかつより簡単な手法で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】光周波数コムとレーザの周波数スペクトル例を示す図
【図２】本発明の第１実施形態の構成を示すブロック図
【図３】第１実施形態で用いられている光周波数コムの構成例を示すブロック図
【図４】第１実施形態における光周波数コムと周波数可変レーザのスペクトルの例を示す図
【図５】同じく干渉ビート信号の周波数スペクトルを示す図
【図６】同じく処理手順を示す流れ図
【図７】本発明の第２実施形態の構成を示すブロック図
【図８】同じく原理を示す図
【図９】同じく処理手順を示す流れ図
【発明を実施するための形態】
【００３４】
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。
【００３５】
図２に、本発明にかかる第１実施形態の構成を示す。本実施形態は、第一の光周波数コム（光コム１とも称する）１１０と、発振周波数可変のオフセットロックレーザ（以下、周波数可変レーザ又は単にレーザとも称する）１２０と、第一の光周波数コム１１０と周波数可変レーザ１２０とを干渉させてビート信号（第一のビート信号と称する）を発生させる光コム１とレーザのビート測定光学系（第一のビート測定光学系と称する）１３０と、第二の光周波数コム（光コム２とも称する）１４０と周波数可変レーザ１２０とのビート信号（第二のビート信号と称する）を発生させる、光コム２とレーザのビート測定光学系（第二のビート測定光学系と称する）１５０と、上記二つのビート信号の周波数（それぞれ第一、第二のビート周波数と称する）を測定するビート周波数測定部１６０と、第一のビート測定光学系１３０で検出される第一のビート信号の周波数スペクトルを観察する発振モード観察部１７０と、ビート周波数測定部１６０で測定される第一と第二のビート信号の周波数値から第一の光周波数コム１１０及び第二の光周波数コム１４０の絶対周波数を算出し、第一の光周波数コム１１０に対する差を算出する演算部１８０からなる。
【００３６】
図２において、１３２、１３４、１５４はハーフミラー、１５２はミラー、１３６、１５６は光検出器、１６２、１６４は周波数カウンタ、１８２はパソコン（ＰＣ）、１９０はコントローラである。
【００３７】
前記第一及び第二の光周波数コム１１０、１４０は、例えば特許文献１の図１に対応する図３に示すような構成を有する。図において、２はレーザ光源、１０は光周波数コム発振器、１１は光ファイバ、１２は半導体レーザ（ＬＤ）、１３はＰＺＴ、１４、１５、１６は偏光素子、１７、１８は光アイソレータ、２１Ａ、２１Ｂはλ／４板、２２Ａ、２２Ｂはλ／２板、３０Ａ、３０Ｂは光ファイバ増幅器、３１Ａ、３１Ｂは増幅用光ファイバ、３２Ａ、３２Ｂは励起光源、４０Ａ、４０Ｂは高非線形性光ファイバ、４１Ａ、４１Ｂはシングルモード光ファイバ、５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃはレンズ、５２Ａは非線形光学媒体、５３Ｂはミラー、５４Ａ、５４Ｂはハーフミラー、５５Ａはバンドパスフィルタ、５６ＡはＣＥＯ周波数検出部、５６Ｂはヘテロダイン検出部、５６Ｃは繰り返し周波数検出部、６０はＣＥＯ周波数（ｆＣＥＯ）安定化部、７０は繰り返し周波数（ｆｒｅｐ）安定化部である。
【００３８】
前記周波数可変レーザ１２０には、共振器長が約１５０ｍｍのＨｅ−Ｎｅレーザで、マスターレーザに対して所定の周波数でオフセットして、発振周波数をロックすることが出来るレーザ（オフセットロックレーザと称する）を使用する。この種のレーザには、図４に示すように、特定の周波数νｍａｒｋで発振モードがＬ１、Ｌ２の２モード即ちマルチモードから、Ｌ１のみのシングルモードに再現性良く変化する性質があり、その性質を利用する。
【００３９】
前記発振モード観察部１７０は、周波数可変レーザ１２０の発振モードを観察する。図４（Ａ）は、周波数可変レーザ１２０がマルチモード（図は２モード）で発振している際の、光周波数コムと周波数可変レーザ１２０のスペクトルの例を示している。また、図４（Ｂ）は、周波数可変レーザ１２０がシングルモードで発振している場合の、光周波数コムと周波数可変レーザ１２０のスペクトルの例を示している。
【００４０】
また、図５（Ａ）は、図４（Ａ）のようなスペクトルに対して検出される干渉ビート信号の周波数スペクトルを示す図である。図５（Ｂ）は、図４（Ｂ）のようなスペクトルに対して検出される干渉ビート信号の周波数スペクトルを示す図である。
【００４１】
図４及び図５に示すように、周波数可変レーザ１２０が、マルチモードからシングルモードに移行すると、０から繰り返し周波数ｆｒｅｐまでの間で観測されるビート周波数のスペクトルの数が４つから２つに減少し、シングルモードからマルチモードに移行すると２つから４つに増加する。
【００４２】
従って、発振モード観察部１７０により、このようなビート周波数の数を観測することで、周波数可変レーザ１２０がマルチモードで発振している状態か、シングルモードで発振している状態かを、容易に判定することが可能となる。
【００４３】
以下、図６を参照して第１実施形態の処理手順を説明する。
【００４４】
周波数可変レーザ１２０を第一の光周波数コム１１０と干渉させて、第一のビート周波数ｆＢ１が所定の値で一定になるようにコントローラ１９０でフィードバックして安定化する（ステップＳ１）。そして、周波数可変レーザ１２０の発振モードが変化するまで、第一の光周波数コム１１０のｆｒｅｐを変化させる（ステップＳ２〜Ｓ３）。そして、発振モードが変わったら、その絶対周波数νｍａｒｋをもとに、次式（４）を用いて第一の光周波数コム１１０のモード次数（第一のモード次数と称する）ｎ１を算出する（ステップＳ４）。
ｎ１＝（νｍａｒｋ−ｆＢ１−ｆＣＥＯ１）／ｆｒｅｐ１    …（４）
【００４５】
ｎ１を算出したら、その時の周波数間隔ｆｒｅｐ１とＣＥＯ周波数ｆＣＥＯ１の設定値および、周波数可変レーザ１２０と第一の光周波数コム１１０の第一のビート周波数ｆＢ１を使って、次式（５）により、その時の周波数可変レーザ１２０の絶対周波数νｌａｓｅｒ１を算出する（ステップＳ５）。
νｌａｓｅｒ１＝ｎ１・ｆｒｅｐ＋ｆＣＥＯ＋ｆＢ１    …（５）
【００４６】
次に、周波数可変レーザ１２０と第二の光周波数コム１４０の第二のビート周波数ｆＢ２と、第一の光周波数コム１１０によって得られる絶対周波数νｌａｓｅｒ１の値と周波数間隔ｆｒｅｐ２とＣＥＯ周波数ｆＣＥＯ２の設定値を使って、第二の光周波数コム１４０のモード次数（第二のモード次数と称する）ｎ２を算出する（ステップＳ６）。第二のモード次数ｎ２は、これらの値を式（３）に代入して計算した結果の整数部分の値となる。
【００４７】
ｎ２が得られたら、ｆｒｅｐ２及びｆＣＥＯ２および第二のビート周波数ｆＢ２を式（３）に再度代入して、第二の光周波数コム１４０による周波数可変レーザ１２０の絶対周波数測定結果νｌａｓｅｒ２を得る（ステップＳ７）。そして、νｌａｓｅｒ２とνｌａｓｅｒ１の差を算出して、第一の光周波数コム１１０に対する第二の光周波数コム１４０の差として、第二の光周波数コム１４０の性能を評価することが出来る（ステップＳ８）。
【００４８】
なお、第一の光周波数コム１１０の第一のモード次数ｎ１を決定した後、ビート周波数を測定する際には、ｆｒｅｐ１の設定値を変えて周波数可変レーザ１２０の絶対周波数を適当な値にしてもよい。
【００４９】
又、第一のビート周波数ｆＢ１は測定せずに、代わりに、コントローラ１９０から出力される、フィードバック制御用の安定化の指令値を用いても良い。
【００５０】
従来法では、ｆｒｅｐの設定値を変えた際に発生する、ビート周波数のわずかな変化量を読み取り次数を決定するという、作業熟練者でないと実施することが困難な難しい判断を要していたが、本実施形態では、モードの変化という見た目で明らかな判断指標でもって得られた測定結果をもとに第一の光周波数コム１１０と第二の光周波数コム１４０を比較するため、誰にでも簡単に実施できる。
【００５１】
第１実施形態では、発振モード観察部１７０で観測されるレーザのモード変化を手掛かりに、第一の光周波数コム１１０と第二の光周波数コム１４０とで周波数可変レーザ１２０の絶対周波数を測定し、両測定結果の差を比較していたが、周波数可変レーザ１２０のモード変化を手掛かりとする代わりに、図７に示す第２実施形態のように光強度を観察する手段（ここではパワーメータ２００）で観察される強度変化を手掛かりに、レーザ１２０の絶対周波数を測定し比較評価しても良い。
【００５２】
前記パワーメータ２００は、周波数可変レーザ１２０からのレーザ光を受光し、受光強度に応じた光量検出信号をＰＣ１８２に出力する。
【００５３】
図において、２０２はハーフミラーである。
【００５４】
たとえば、Ｈｅ−Ｎｅレーザのようなガスレーザの場合、利得分布は図８に例示するようなガウス分布になり、スペクトルが利得分布の中心にある場合には、出力強度が大きくなる傾向にある。
【００５５】
そこで、図９に処理手順を示すように、出力光の強度が最大となる周波数を特定の周波数νｍａｒｋとして利用して（ステップＳ１３）、光周波数コム１１０と１４０のモード次数ｎ１とｎ２を決めて、それぞれから得られたレーザの絶対周波数νｌａｓｅｒ１とνｌａｓｅｒ２を比較評価しても良い。図９の他のステップは、図６に示した第１実施形態の処理手順と同じであるので、説明は省略する。
【００５６】
この場合、光強度の観察という簡単でより定量的な判断をもとにして、光周波数コムのモード次数が特定できるために、より簡単で確実に光周波数コムによる絶対周波数の測定精度を比較評価することが出来る。
【００５７】
なお、指標とする光強度は最大値に限定されず、最小値や、極大値、極小値であっても良い。
【００５８】
周波数可変レーザも、Ｈｅ−Ｎｅのオフセットロックレーザに限定されない。
【符号の説明】
【００５９】
１１０、１４０…光周波数コム
１２０…周波数可変レーザ
１３０、１５０…ビート測定光学系
１６０…ビート周波数測定部
１６２、１６４…周波数カウンタ
１７０…発振モード観察部
１８０…演算部
１８２…パソコン（ＰＣ）
１９０…コントローラ
２００…パワーメータ
ｎ１、ｎ２…モード次数
【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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