(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物理的特性をモニタし制御するシリアルサーボシステムであって、
前記物理的特性の変化に応じて変化するよう設定されているエラー信号を受信し、該エラー信号に応答して第１駆動信号を生成するよう構成される第１コントローラと、
前記第１駆動信号を受信し、該第１駆動信号に応答して前記物理的特性を調整するよう構成される第１ドライバと、
前記第１コントローラにより提供される前記第１駆動信号を受信し、該第１駆動信号に応答して第２駆動信号を生成するよう構成される第２コントローラと、
前記第２駆動信号を受信し、該第２駆動信号に応答して前記物理的特性を調整するよう構成される第２ドライバと、
前記第２コントローラにより提供される前記第２駆動信号を受信し、該第２駆動信号に応答して第３駆動信号を生成するよう構成される第３コントローラと、
前記第３駆動信号を受信し、該第３駆動信号に応答して前記物理的特性を調整するよう構成される第３ドライバと
を有し、
前記物理的特性は光路長であり、
前記第２ドライバは、圧電トランスデューサを用いて前記光路長を調整し、
前記第３ドライバは、ヒーターを用いて前記光路長を調整する、シリアルサーボシステム。
【請求項２】
前記第１ドライバ及び前記第２ドライバは、異なったメカニズムによって前記物理的特性を調整する、
請求項１に記載のシリアルサーボシステム。
【請求項３】
前記第１ドライバは、電気光学変調器を用いて前記光路長を調整する、
請求項１に記載のシリアルサーボシステム。
【請求項４】
前記圧電トランスデューサは、前記電気光学変調器よりも応答が遅く、且つ、前記電気光学変調器よりもストロークが大きい、
請求項３に記載のシリアルサーボシステム。
【請求項５】
前記第２コントローラは、前記電気光学変調器を、前記電気光学変調器のストロークの動作上の中心点に又は該動作上の中心点の近くに保つよう前記第２駆動信号を生成する、
請求項３に記載のシリアルサーボシステム。
【請求項６】
前記第２コントローラは、前記電気光学変調器を、前記電気光学変調器のストロークの動作上の中心点からオフセットされる特定の設定点に又は該設定点の近くに保つよう、前記第２駆動信号を生成する、
請求項３に記載のシリアルサーボシステム。
【請求項７】
前記ヒーターは、前記圧電トランスデューサよりも応答が遅く、且つ、前記圧電トランスデューサよりもストロークが大きい、
請求項１乃至６のうちいずれか一項に記載のシリアルサーボシステム。
【請求項８】
前記第３コントローラは、前記圧電トランスデューサを、前記圧電トランスデューサのストロークの動作上の中心点に又は該動作上の中心点の近くに保つよう前記第３駆動信号を生成する、
請求項１乃至６のうちいずれか一項に記載のシリアルサーボシステム。
【請求項９】
前記第３コントローラは、前記圧電トランスデューサを、前記圧電トランスデューサのストロークの動作上の中心点からオフセットされる特定の設定点に又は該設定点の近くに保つよう、前記第３駆動信号を生成する、
請求項１乃至６のうちいずれか一項に記載のシリアルサーボシステム。
【請求項１０】
光路長を有する光路を含むパルスレーザーを安定させるシリアルサーボシステムであって、
前記光路長の変化に応じて変化するよう設定されている位相エラー信号を受信し、該位相エラー信号に応答して電気光学変調器駆動信号を生成するよう構成される電気光学変調器コントローラと、
前記電気光学変調器駆動信号を受信し、該電気光学変調器駆動信号に応答して電気光学変調器により前記光路長を調整するよう構成される電気光学変調器ドライバと、
前記電気光学変調器コントローラにより提供される前記電気光学変調器駆動信号を受信し、該電気光学変調器駆動信号に応答して圧電トランスデューサ駆動信号を生成するよう構成される圧電トランスデューサコントローラと、
前記圧電トランスデューサ駆動信号を受信し、該圧電トランスデューサ駆動信号に応答して圧電トランスデューサにより前記光路長を調整するよう構成される圧電トランスデューサドライバと、
前記圧電トランスデューサコントローラにより提供される前記圧電トランスデューサ駆動信号を受信し、該圧電トランスデューサ駆動信号に応答して温度駆動信号を生成するよう構成される温度コントローラと、
前記温度駆動信号を受信し、該温度駆動信号に応答してヒーターにより前記光路長を調整するよう構成される温度ドライバと
を有するシリアルサーボシステム。
【請求項１１】
前記圧電トランスデューサは、前記電気光学変調器よりも応答が遅く、且つ、前記電気光学変調器よりもストロークが大きく、
前記ヒーターは、前記圧電トランスデューサよりも応答が遅く、且つ、前記圧電トランスデューサよりもストロークが大きい、
請求項１０に記載のシリアルサーボシステム。
【請求項１２】
前記圧電トランスデューサコントローラは、前記電気光学変調器を、前記電気光学変調器のストロークの動作上の中心点に又は該動作上の中心点の近くに保つよう前記圧電トランスデューサ駆動信号を生成する、
請求項１０に記載のシリアルサーボシステム。
【請求項１３】
前記圧電トランスデューサコントローラは、前記電気光学変調器を、前記電気光学変調器のストロークの動作上の中心点からオフセットされる特定の設定点に又は該設定点の近くに保つよう、前記圧電トランスデューサ駆動信号を生成するよう、
請求項１０に記載のシリアルサーボシステム。
【請求項１４】
前記温度コントローラは、前記圧電トランスデューサを前記圧電トランスデューサのストロークの動作上の中心点に又は該動作上の中心点の近くに保つよう前記温度駆動信号を生成する、
請求項１０に記載のシリアルサーボシステム。
【請求項１５】
前記温度コントローラは、前記圧電トランスデューサを、前記圧電トランスデューサのストロークの動作上の中心点からオフセットされる特定の設定点に又は該設定点の近くに保つよう、前記温度駆動信号を生成するよう、
請求項１０に記載のシリアルサーボシステム。
【請求項１６】
物理的特性をモニタし制御する方法であって、
前記物理的特性の変化に応じて変化するよう設定されているエラー信号を受信するステップと、
前記エラー信号に応答して第１駆動信号を生成するステップと、
前記第１駆動信号に応答して第１メカニズムにより前記物理的特性を調整するステップと、
生成される前記第１駆動信号に応答して第２駆動信号を生成するステップと、
前記第２駆動信号に応答して、前記第１メカニズムと異なる第２メカニズムにより前記物理的特性を調整するステップと、
生成される前記第２駆動信号に応答して第３駆動信号を生成するステップと、
前記第３駆動信号に応答して、前記第１メカニズム及び前記第２メカニズムと異なる第３メカニズムにより前記物理的特性を調整するステップと
を有し、
前記物理的特性は光路長であり、
前記第２メカニズムは、圧電トランスデューサであり、
前記第３メカニズムは、ヒーターである、方法。
【請求項１７】
前記物理的特性は、前記第１メカニズム及び前記第２メカニズムによって同時に調整される、
請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記エラー信号は位相エラー信号であり、
前記第１メカニズムは電気光学変調器である、
請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施形態は、概して、サーボシステムに関する。幾つかの実施形態は、異なったバンド幅、速度及び／又はダイナミックレンジを有する２つ以上のメカニズムによって物理的特性を制御するサーボシステムを構成することに関する。
【背景技術】
【０００２】
パルスレーザーにおいて、レーザー内の光は、光学経路に沿って周回する。多くの場合に、パルスレーザーの繰り返し率又は繰り返し周波数は、光学経路の光路長に依存する。光路長が特定の値から離れて減少又は増大する場合に、パルスレーザーの繰り返し率は、特定の値から離れて増大又は減少し得る。これは望ましくない。
【０００３】
然るに、光路長及び／又は繰り返し周波数を制御するシステム及び方法を改善する必要性が存在する。
【発明の概要】
【０００４】
サーボシステムが特定の物理量をモニタし制御するシステムがある。例えば、モード同期レーザーは、レーザー内の光路長をモニタし制御するためにサーボシステムを使用することができる。これにより、レーザーの繰り返し周波数を安定させることができる。
【０００５】
そのようなシステムの幾つかにおいて、２つ以上のメカニズムが物理量を同時に制御することができる。それらのメカニズムは異なったバンド幅、速度及び／又はダイナミックレンジを有し得る。例えば、モード同期レーザーでは、電気光学変調器及び圧電トランスデューサの両方が同時に光路長を変化させることができる。電気光学変調器は比較的大きいバンド幅を有し、従って、光路長を非常に速く変化させることができるが、ダイナミックレンジが限られている。圧電トランスデューサは比較的小さいバンド幅を有し、従って、電気光学変調器ほど速く光路長を変化させることはできないが、電気光学変調器よりもダイナミックレンジが広い。光路長を制御するために電気光学変調器及び圧電トランスデューサの両方を同時に使用することは、原理上、サーボ制御に、比較的速い速度及び比較的広いダイナミックレンジを与えることができる。
【０００６】
実際上、同じ物量を制御するために複数のメカニズムを使用することは難しい。モード同期レーザーの例に関し、電気光学変調器及び圧電トランスデューサの両方が同じ位相エラー信号によって制御される場合に、両方が同時に光路長に対して非協調性補正を施し、お互いと衝突し得る。そのような衝突を回避するよう、電気光学変調器及び圧電トランスデューサは、お互いに対してデチューンされ得る。これは非効率的であり得る。
【０００７】
シリアルサーボシステムは、共通のエラー信号によって駆動される複数のサーボチャネルを含む。夫々のチャネルは、エラー信号を受信して駆動信号をドライバへ供給するコントローラを備える。サーボチャネルは直列に配置され、１つのコントローラからの駆動信号は下流のコントローラのためのエラー信号を形成する。結果として、下流のコントローラは、直接には位相エラーを補正しようとせず、代わりに、上流のドライバをその動作上の中心点又はその近くに保とうとする。サーボチャネルは、コントローラバンド幅の降順において、より速いものからより遅いものへと配置され得る。
【０００８】
サーボチャネルが全て同時に共通のエラー信号を受信する並列構成とは対照的に、直列構成は、夫々のコントローラがその全バンド幅を使用することを可能にすることができ、サーボチャネル間のクロストークを除くことができ、上流の駆動信号の飽和を防ぐことができる。幾つかの例において、シリアルサーボシステムは、モード同期レーザーにおける光路長を制御するために使用され得る。これにより、レーザーの繰り返し周波数を安定させることができる。
【０００９】
本概要は、本特許出願の主題の概略を提供することを目的とする。本発明の排他的又は包括的な説明を提供することは意図されない。詳細な説明は、本特許出願に関する更なる情報を提供するために含まれている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
図面は必ずしも実寸通りに描かれておらず、図面において、同じ参照符号は、異なる図において同様のコンポーネントを示してよい。異なる添え字を伴った同じ符号は、同様のコンポーネントの別のインスタンスを表してよい。図面は、概して一例として、制限なしに、本明細書で論じられている様々な実施形態を表す。
【図１】幾つかの実施形態に従って、物理的特性をモニタし制御するシリアルサーボシステムの例の概略図である。
【図２】幾つかの実施形態に従って、光路長をモニタし制御するシリアルサーボシステムの例の概略図である。
【図３】幾つかの実施形態に従って、電気光学変調器、圧電トランスデューサ及びヒーターが光路長を制御する安定化パルスレーザーの例の概略図である。
【図４】幾つかの実施形態に従って、シリアルサーボシステムの作動方法の例のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、物理的特性１０２をモニタし制御するシリアルサーボシステム１００の例の概略図である。
【００１２】
エラー信号１０４は物理的特性１０２をモニタし、そして、物理的特性１０２の変化に応じて変化するよう設定される。ほとんどの場合に、エラー信号１０４は、物理的特性１０２が特定の値を有する場合にゼロを通る。エラー信号１０４は、物理的特性１０２が特定の値を挟んで一方の側にある場合に負であり、物理的特性１０２が特定の値を挟んで反対の側にある場合に正である。幾つかの例において、エラー信号１０４は、物理的特性１０２に対して単調である。他の例では、エラー信号１０４は、物理的特性１０２に対して周期的であり、サーボシステム１００は、周期信号の１つの周期において動作することができる。
【００１３】
第１コントローラ１０６は、エラー信号１０４を受信し、エラー信号１０４に応答して第１駆動信号１０８を生成するよう構成される。第１ドライバ１１０は、第１駆動信号１０８を受信し、第１駆動信号１０８に応答して物理的特性１０２を調整するよう構成される。第１ドライバ１１０は、第１メカニズム１１２を駆動して物理的特性１０２を調整する。第１ドライバ１１０及び第１メカニズム１１２は第１バンド幅を有する。第１バンド幅は、第１ドライバ１１０及び第１メカニズム１１２が応答することができる速度に関係し得る。バンド幅が大きければ大きいほど、ドライバはますます速く物理的特性１０２を制御することができる。
【００１４】
第２コントローラ１１４は、第１駆動信号１０８を受信し、第１駆動信号１０８に応答して第２駆動信号１１６を生成するよう構成される。第２ドライバ１１８は、第２駆動信号１１６を受信し、第２駆動信号１１６に応答して物理的特性１０２を調整するよう構成される。第２ドライバ１１８は、第２メカニズム１２０を駆動して物理的特性１０２を調整する。第２ドライバ１１８及び第２メカニズム１２０は、第１バンド幅よりも狭い第２バンド幅を有する。それにより、第２メカニズム１２０は、第１メカニズム１１２よりも応答が遅い。
【００１５】
任意の第３コントローラ１２２は、第２駆動信号１１６を受信し、第２駆動信号１１６に応答して第３駆動信号１２４を生成するよう構成される。任意の第３ドライバ１２６は、第３駆動信号１２４を受信し、第３駆動信号１２４に応答して物理的特性１０２を調整するよう構成される。第３ドライバ１２６は、第２バンド幅よりも狭い第３バンド幅を有する。第３ドライバ１２６は、第３メカニズム１２８を駆動して物理的特性１０２を調整する。それにより、第３メカニズム１２８は、第２メカニズム１２０よりも応答が遅い。第３コントローラ１２２は、任意の更なるエラー信号（図１に図示せず。）を更に生成することができる。この更なるエラー信号は、下流のコントローラを駆動することができ、あるいは、シリアルサーボシステム１００のフィデリティを計測するために使用され得る。
【００１６】
図１の例において、物理的特性１０２、エラー信号１０４、第１メカニズム１１２、第２メカニズム１２０、及び第３メカニズム１２８は、シリアルサーボシステム１００の部分ではない。他の例では、それらの要素のいずれか又は全ては、シリアルサーボシステム１００の部分であることができる。
【００１７】
図２は、図１の概要構成について具体例を提供する。図２は、レーザー内の光路長２０２をモニタし制御し、結果としてパルスレーザーの繰り返し周波数を安定させることによって、パルスレーザーを安定させるシリアルサーボシステム２００の例の概略図である。レーザーはモード同期化され得る。
【００１８】
位相エラー信号２０４は光路長２０２をモニタし、そして、光路長２０２の変化に応じて変化するよう設定される。幾つかの例において、位相エラー信号２０４は、コムの繰り返し周波数が基準ＲＦシンセサイザと全く同じである場合にゼロと交差する。位相エラー信号２０４は、繰り返し周波数が基準シンセサイザよりも高い周波数を有する場合に正（又は負）であることができ、繰り返し周波数が基準シンセサイザよりも低い周波数を有する場合に負（又は正）であることができる。位相エラーの絶対符号は、位相エラー信号の実装及び利得の符号に依存する（位相検出器において入力を切り換えることは、マイナス符号を導入する。）。
【００１９】
電気光学変調器（ＥＯＭ；electro-optic  modulator）コントローラ２０６は、位相エラー信号２０４を受信し、位相エラー信号２０４に応答してＥＯＭ駆動信号２０８を生成するよう構成される。ＥＯＭドライバ２１０は、ＥＯＭ駆動信号２０８を受信し、ＥＯＭ駆動信号２０８に応答して光路長２０２を調整するよう構成される。ＥＯＭドライバ２１０は、ＥＯＭ２１２を駆動して光路長２０２を調整する。ＥＯＭ２１０及びＥＯＭ２１２はＥＯＭバンド幅を有する。ＥＯＭバンド幅は、約１０５Ｈｚであることができる。ＥＯＭ２１２は、比較的速く光路長２０２を調整することができるが、ダイナミックレンジ、すなわちストロークが比較的小さい。
【００２０】
圧電トランスデューサ（ＰＺＴ；piezo-electric  transducer）コントローラ２１４は、ＥＯＭ駆動信号２０８を受信し、ＥＯＭ駆動信号２０８に応答してＰＺＴ駆動信号２１６を生成するよう構成される。ＰＺＴドライバ２１８は、ＰＺＴ駆動信号２１６を受信し、ＰＺＴ駆動信号２１６に応答して光路長２０２を調整するよう構成される。ＰＺＴドライバ２１８は、ＰＺＴ２２０を駆動して光路長２０２を調整する。ＰＺＴドライバ２１８及びＰＺＴ２２０は、約１０１ＨｚであることができるＰＺＴバンド幅を有する。ＰＺＴバンド幅は、ＥＯＭバンド幅よりも小さい。ＰＺＴ２２０は、ＥＯＭ２１２よりも応答が遅く、且つ、ＥＯＭ２１２よりもストロークが大きい。
【００２１】
任意の温度コントローラ２２２は、ＰＺＴ駆動信号２１６を受信し、ＰＺＴ駆動信号２１６に応答して温度駆動信号２２４を生成するよう構成される。任意の温度ドライバ２２６は、温度駆動信号２２４を受信し、温度駆動信号２２４に応答して光路長２０２を調整するよう構成される。温度ドライバ２２６は、ヒーター２２８を駆動して光路長２０２を調整する。温度ドライバ２２６及びヒーター２２８は、ＰＺＴバンド幅よりも狭いヒーターバンド幅を有する。ヒーター２２８は、ＰＺＴ２２０よりも応答が遅く、且つ、ＰＺＴ２２０よりもストロークが大きい。
【００２２】
ＥＯＭコントローラ２０６、ＰＺＴコントローラ２１４、及び温度コントローラ２２２は直列に構成され、それにより、１つのコントローラからの駆動信号は、下流のコントローラを駆動するためのエラー信号として使用される。例えば、ＰＺＴコントローラ２１４は、位相エラー信号２０４に応答せず、代わりに、ＥＯＭ駆動信号２０８に応答する。ＥＯＭ駆動信号２０８に応答することは、ＥＯＭ２１２がそのストロークの動作上の中心点で又はその近くで動作することを確かにするのを助けることができる。幾つかの例において、ＥＯＭ２１２は、そのストロークの動作上の中心点で又はその近くで動作することが有利であり得る。そのような動作は、ＥＯＭ駆動信号２０８の飽和を阻止又は低減することができる。温度サーボループの付加は、ＰＺＴ２２０もそのストロークの動作上の中心点で又はその近くで保つのを助けることができる。これも有利であり得る。幾つかの例において、ＥＯＭ２１２を、そのストロークの動作上の中心点からオフセットされる特定の設定点で又はその近くで保つことが望ましいことがある。
【００２３】
図３は、シリアルサーボシステム３００の例を含む安定化パルスレーザー３３０の例の概略図である。３００から３２８までの番号を付された要素は、図２における対応する要素２００乃至２２８と構造及び機能において同様である。
【００２４】
図３の安定化パルスレーザー３３０は、安定したマイクロ波信号を形成するために使用される。レーザー３３０は、おおよそ１００ＭＨｚごとにピークに達するコム様の周波数スペクトルを有して受動的にモード同期化される。時間領域において、レーザー３３０の出力も、おおよそ１０ナノ秒ごとのパルスを有してコム様である。パルスは、閉じた光学経路から分けられ、光検出器に向けられてマイクロ波信号を形成する。
【００２５】
パルスレーザー３３０における閉じた光学経路は、図３において、カプラ３３２から波長板３３４へ、偏光ビームスプリッタ３３６へ、電気光学変調器３１２へ、他の波長板３３８へ、他のカプラ３４０へ、利得を与えるエルビウム添加ファイバー３４４の部分を含むシングルモードファイバー３４２の長さを通って、９８０ｎｍポンプビームにおいて結合する波長分割マルチプレクサ及びアイソレーター３４６を通って、カプラ３３２へ戻る。
【００２６】
偏光ビームスプリッタ３３６は、光学経路からビームの一部分を分け、ビームをカプラ３４８へ、そしてファイバー内に、アイソレーター３５０を通って光検出器３５２へ向ける。光検出器３５２は、入射したパルス光信号をパルス電気信号に変換する。パルス電気信号は、位相エラー信号３０４を生成するデジタル位相検出器３５４へ、そして、ＲＦシンセサイザとして機能することができる任意の波長発生器３５６へ向けられる。
【００２７】
位相エラー信号３０４は、シリアルサーボシステム３００への入力として向けられる。シリアルサーボシステム３００は、３つの異なる位置において、すなわち、ＥＯＭ３１２、ＰＺＴ３２０、及びヒーター３２８において、閉じた光学経路の光路長を制御する。上記のように、ＥＯＭ３１２、ＰＺＴ３２０、及びヒーター３１８の３つ全てが、光路長を伸長又は短縮することができ、３つ全てが同時に動作する。
【００２８】
図４は、物理的特性をモニタし制御する方法４００の例のフローチャートである。物理的特性は、光路長２０２、又は他の適切な物理的特性であることができる。方法４００は、上記のシリアルサーボシステム１００、２００、３００とともに、又は他の適切なサーボシステムとともに使用され得る。
【００２９】
４０２で、方法４００は、物理的特性の変化に応じて変化するよう設定されているエラー信号を受信する。エラー信号は、位相エラー信号２０４、３０４であることができ、あるいは、他の適切なエラー信号であることができる。４０４で、方法４００は、エラー信号に応答して第１駆動信号を生成する。第１駆動信号は、ＥＯＭ駆動信号２０８であることができ、あるいは、他の適切な駆動信号であることができる。４０６で、方法４００は、第１駆動信号に応答して第１メカニズムにより物理的特性を調整する。第１メカニズムは、ＥＯＭ２１２、３１２であることができ、あるいは、他の適切なメカニズムであることができる。４０８で、方法４００は、第１駆動信号に応答して第２駆動信号を生成する。第２駆動信号は、ＰＺＴ駆動信号２１６であることができ、あるいは、他の適切な駆動信号であることができる。４１０で、方法４１０は、第２駆動信号に応答して、第１メカニズムと異なる第２メカニズムにより物理的特性を調整する。第２メカニズムは、ＰＺＴ２２０であることができ、あるいは、他の適切なメカニズムであることができる。
【００３０】
サーボシステムは、ハードウェア、ファームウェア及びソフトウェアを含むコンピュータシステムを含むことができる。例はまた、コンピュータ可読記憶デバイスにおいて記憶されている命令として実施されてよい。命令は、ここで記載される動作を実行するよう少なくとも１つのプロセッサによって読み出され実行されてよい。コンピュータ可読記憶デバイスは、機械（例えば、コンピュータ）によって読み出し可能な形式で情報を記憶する如何なる非一時的なメカニズムも含んでよい。例えば、コンピュータ可読記憶デバイスは、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ；read-only  memory）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ；random-access  memory）、磁気ディスク記憶媒体、光記憶媒体、フラッシュメモリデバイス、並びに他の記憶デバイス及び媒体を含んでよい。幾つかの例において、コンピュータシステムは、任意にネットワークへ接続される１つ以上のプロセッサを含むことができ、コンピュータ可読記憶デバイスにおいて記憶されている命令により構成されてよい。
【００３１】
［優先権の主張］
本願は、２０１４年１月１３日付けで出願された米国特許出願第１４／１５３２２４号に基づく優先権を主張するものである。当該米国特許出願は、その全文を参照により本願に援用される。
【図１】
0006359107.tif 000002
【図２】
0006359107.tif 000003
【図３】
0006359107.tif 000004
【図４】
0006359107.tif 000005