(57)【要約】  合成波長を生成するための方法、特に、１次周波数と前記１次周波数の少なくとも第１の側波帯周波数とを規定する１次レーザー光源を用いる干渉式距離測定装置のための方法において、前記第１の側波帯周波数および対応する第１の波長を有するレーザー放射が供給され、前記第１の側波帯周波数が、特に１次レーザー光源を変調することにより、連続的にシフトされる。第１の波長と、１次レーザー光源により規定される第２の波長とを組み合わせること、特に、重ね合わせることにより、合成波長が生成される。
2010505095.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次周波数υ0を規定する１次レーザー光源と前記１次周波数υ0の少なくとも第１の側波帯周波数υ1とを用いて、干渉型距離測定装置で使用される、合成波長を生成する方法において、
前記側波帯周波数υ1と、対応する第１の波長とを有するレーザー放射を供給し、
前記第１の波長と、前記１次レーザー光源により規定された第２の波長とを,特に重ね合わせにより、結合し、そして
前記１次レーザー光源を変調することにより、前記第１の側波帯周波数υ1を連続的にシフトする
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
少なくとも１つの第１のレーザー光源に、前記第１の波長を有するレーザー放射をさせ、そして
前記少なくとも１つの第１のレーザー光源を前記第１の側波帯周波数υ1に注入同期する
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記第２の波長が、前記一次周波数υ0に対応することを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記１次周波数υ0の第２の側波帯周波数υ2を有するレーザー放射を生成し、そして、
前記第２の波長を有するレーザー放射を発射する第２のレーザー光源を前記第２の側波帯周波数υ2に注入同期する
ことを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項５】
前記１次周波数υ0の第２の側波帯周波数υ2を有するレーザー放射を、第２のレーザー光源による前記第２の波長として生成し、そして
前記１次レーザー光源を前記第２の側波帯周波数υ2に注入同期する
ことを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項６】
前記第１の側波帯周波数υ1と前記第２の側波帯周波数υ2が、それぞれ前記１次周波数υ0の第１の下側の側波帯周波数と上側の側波帯周波数であることを特徴とする請求項４または５記載の方法。
【請求項７】
前記第１のレーザー光源および前記第２のレーザー光源が分布帰還型レーザーであり、
前記１次レーザー光源が、輝度変調レーザーまたは垂直共振面発光レーザーであり、
前記分布帰還型レーザーの同期範囲を前記第１の側波帯周波数υ1および前記第２の側波帯周波数υ2に適合させるように、電界吸収型レーザーの変調周波数および前記第１のレーザー光源と前記第２のレーザー光源へ供給する電流を、同期的に変化させる
ことを特徴とする請求項４ないし６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記第１の側波帯周波数υ1と、前記第２の波長に対応する前記１次周波数υ0の第２の側波帯周波数υ2とを有するレーザー放射を、前記１次レーザー光源により生成し、そして
前記１次周波数υ0を有するレーザー放射を、抑制する
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項９】
距離を測定するための、２波長あるいは複数の波長の干渉方法において、
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の方法により、合成波長を生成することを特徴とする干渉方法。
【請求項１０】
１次周波数υ0および、該１次周波数υ0の第１の波長を有する少なくとも１つの第１の側波帯周波数υ1を規定する１次レーザー光源と、前記第１の波長および、前記１次レーザー光源により規定された第２の波長を結合して合成波長を生成する部品と、を備える、合成波長を生成する装置であって、
前記１次レーザー光源を変調することによって、前記第１の側波帯周波数υ1を連続的にシフトするように、前記１次レーザー光源が構成されている
ことを特徴とする装置。
【請求項１１】
前記１次レーザー光源が、分布帰還型レーザーであり、
前記第１の側波帯周波数υ1と、前記第２の波長として前記１次周波数υ0の第２の側波帯周波数υ2と、を有するレーザー放射が、前記１次レーザー光源によって生成され、
前記１次レーザー光源のレーザー放射が、干渉計のアームのひとつに電気光学変調器を備えるマハツェンダー干渉計に結合され、そして
前記干渉計が、前記第１の側波帯周波数υ1のシフトに同期して動作するよう、構成されている
ことを特徴とする請求項１０記載の装置。
【請求項１２】
前記１次レーザー光源が、輝度変調式電界吸収型レーザーあるいは面発光レーザーであり、
前記第１のレーザー光源が、分布帰還型レーザーである
ことを特徴とする請求項１０記載の装置。
【請求項１３】
レーザー放射するための少なくとも１つの第１のレーザー光源により、前記第１の波長が放射され、
前記１次レーザー光源と前記第１のレーザー光源とが、マスタースレーブ式レーザー装置に接続され、そして
前記第１のレーザー光源が、前記第１の側波帯周波数υ1に注入同期されている
ことを特徴とする請求項１０ないし１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
前記１次レーザー光源および前記第１のレーザー光源が、波長デマルチプレクサとサーキュレータにより結合され、そして
前記第２の波長が前記１次周波数υ0に対応される
ことを特徴とする請求項１０ないし１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
前記１次レーザー光源および前記第２の波長を有する放射をする第２のレーザー光源が、マスタースレーブ式レーザー装置に結合され、そして
前記第２のレーザー光源が、第２の側波帯周波数υ2に注入同期されている
ことを特徴とする請求項１０ないし１４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】
前記１次レーザー光源および前記第２の波長と第２の側波帯周波数υ2とを有する放射をする第２のレーザー光源が、マスタースレーブレーザー装置に結合され、
前記１次レーザー光源が、前記第２の側波帯周波数υ2に注入同期されている
ことを特徴とする請求項１０ないし１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１７】
前記第１の側波帯周波数υ1および第２の側波帯周波数υ2が、それぞれ前記１次周波数υ0の第１の下側の側波帯周波数および上側の側波帯周波数であることを特徴とする請求項１５あるいは１６記載の装置。
【請求項１８】
前記第２のレーザー光源が、分布帰還型レーザーであることを特徴とする請求項１５ないし１７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１９】
前記１次レーザー光源がガス安定化レーザーであることを特徴とする請求項１０ないし１８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２０】
請求項１０ないし１９のいずれか１項に記載の合成波長を生成する装置を備える、絶対距離を測定するための２波長干渉装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１による合成波長を生成する方法と、請求項９による距離を測定する２波長干渉式測定方法、請求項１０による合成波長を生成する装置および請求項２０による絶対距離を測定する２波長干渉式測定装置に関連する。
【背景技術】
【０００２】
多くの測地用途において、距離を測定するための方法、装置、システムが使用されている。この分野において特定の条件により、１ｃｍ以下の精度や分解能は典型的な要求である。しかし、特定の用途では、さらなる精度が、距離測定に必要とされ、大きな距離の場合で工業用の距離測定は、サブミリの分解能で測定しなければならないことがある。
【０００３】
複数の波長の干渉法は、古典的な干渉法である可干渉な方法であり、その方法は、必要とされる精度を提供するが、異なる波長を適切に選択することにより、感度について大きな自由度を提供する。異なる光の波長で干渉式測定が、新たな合成波長の生成を可能とし、その新たな合成波長は、その光の波長よりはるかに大きく、それにより、象限の明確さの範囲を増させ、古典的干渉法の感度を低減することができる。さらに、この原則によるシステムは、粗い表面についても動作させることができる。精度は、光源の特性と信号処理に基本的に依存する。
【０００４】
一般的に、複数の波長の干渉計は、いくつかの離散的で安定化された波長を有する適切な発光スペクトルを生成する必要がある。この場合、象限の明確さの範囲が、光の周波数の差で与えられる。光源の安定と較正が、測定の絶対精度を制限する。また、複数の波長の干渉により測定することが可能な最大距離が、従来技術では、光源の可干渉の長さによって制限される。さらに、粗い表面についての距離測定が、光の散乱のため、光源のパワーにより制限されることがある。測定装置の性能が、その特性、すなわち可干渉性、安定性、パワーによって与えられるので、光源の設計と実施が、非常に重要になる。
【０００５】
この原理により、いわゆる２波長の干渉（TWI）は、高分解能で絶対距離の測定に適した技術であり、二つの異なる波長λ1、λ2を使用して、光の波長より非常に大きな合成波長Λ=λ1λ2/|λ1-λ2|を生成することができ、それで、象限の明確さの範囲を増大する。大きい距離にわたって、高い精度を得るために、適切なレーザー光源に対し３つの要求が、従来技術の解決で、満たされなければならない。
【０００６】
はじめに、レーザーの可干渉長さは、目標と受信器の間の距離Lの２倍より、長くなければならない。第２に、合成波長と位相の分解能の組合せは、必要とされる精度を実行するのに十分でなければならない。第３に、合成波長は、高い安定性を有していなければならず、距離δL/L = 10-5 （ここでδLは分解能）の相対不確実性のため、合成波長は、少なくとも同じ精度を有し、公知でなければならない。そのため、条件を満たすために、いくつかの技術が、従来例で提案されており、ガスレーザーが、以前に使用されている。しかし、それは、小さなシステムには適していない。
【０００７】
先行技術において、半導体レーザーダイオードが、最もエネルギー効率がよく、最もコンパクトなレーザーとして検討されている。また、放射された周波数を、注入電流と温度を変更することにより、調整することができる。最も適切な合成波長をより自由に選択することができるので、調整可能なレーザーは、大きな関心がある。しかし、最も適切な波長を選択するとき、それは、外部基準について安定化された周波数でなければならない。
【０００８】
マルチモードのダイオードレーザーは、多くの離散した波長で、同時に発振し、もし、レーザーが温度制御されるならば、安定した合成波長の範囲を提供する。縦モード間の周波数の分離は、共振器の長さに反比例する。通常、この方法で得られる最大の合成波長は、数ｍｍの範囲にある。
【０００９】
標準的なシングルモードのAlGaAsダイオードレーザーにおいて、その光は、半導体の光導波路内に閉じ込められ、その帰還は、接合面に垂直な結晶面を突き抜けて得られる。これは、ファブリ・ペローレーザとして知られている。線幅（通常は10MHz）は普通で、温度と共に調整可能な周波数は、モードホップにより特徴付けられている。これらのモードホップは、利得曲線（約0.25nm/℃）の中心の変化が誘導される温度に主に拠っている。温度調整挙動は、装置から装置に変化する。したがって、これらの不連続は、合成波長の選択を制限する。
【００１０】
分布ブラッグ反射（DBR）ダイオードレーザーは、切断面のうち少なくとも１つがブラッグ格子により置き換えられているレーザーである。ブラッグ格子は周波数選択ミラーとして機能する。分布帰還型（DFB）ダイオードレーザーにおいて、ブラッグ回折格子が発光層に沿って形成され、分布選択反射鏡として動作する。調整は屈折率の変化が誘導される温度に主に拠り可能となるので、ブラッグ格子は、モードホップの無い調整範囲を大きくすることができる。さらに、この選択ミラーは、高いサイドモード抑制（ >25dB）を導く。これは、標準のレーザーダイオードでは、主にモード仕切り雑音による線幅へのパワーに依存しない寄与を実質的に減少させる。したがって、DBRとDFBレーザーダイオードは、複数の波長の干渉に適している。波長可変外部共振器型レーザーダイオードは、小さな線幅を有し、広いモードホップの無い調整範囲を提供する。例えば、３モードホップ以下で少なくとも10nmの調整範囲が、市販の外部共振器型ダイオードレーザー（ニューフォーカス社、ベロシティ波長可変レーザーダイオード）を使用して得ることができる。また、線幅が300 kHzより少ない場合がある。主な欠点は、機械的共振器の複雑さである。波長可変Nd:YAGレーザーは、干渉計として大きな関心がある。このようなレーザーの位相変動と線幅は、標準的なダイオードレーザーよりも小さい。周波数調整は約50GHzである。しかし、Nd:YAGレーザーはレーザーダイオードによる光学的ポンピングを必要とするので、効率が悪い。
【００１１】
安定化の目的のため、原子吸収線がひとつの選択であるが、合成波長および発光の波長の選択が制限される。もう１つ別のものとして、ファブリ・ペロー共振器があり、そのレーザーの波長が、共振器の伝達ピークについて安定化されている。しかし、その安定性は、エタロンの長さの熱膨張によって制限され、δL/L<10-5のような高精度な測定は、実現することが不可能である。
【００１２】
前述のように、安定した周波数差を、したがって安定した合成波長を生成するために、複数のレーザーをそれぞれ異なる共振に安定化することができるので、ファブリ・ペロー共振器を複数の波長干渉に適用することができる。しかし、その安定性は、エタロンの長さの熱膨張によって制限される。もし、共振器を例えばスーパーインバーあるいはZerodur（商標）材料で形成するならば、熱膨張は無視できるであろう。ファブリ・ペロー共振器の長さが、基準レーザー、例えば、原子吸収線について安定化されているダイオードレーザーに、同期している。このように、すべてのレーザーの絶対的な安定化が実現される。これにより、サブミクロンの精度で絶対距離の測定をするために、これらの安定した光の波長の一つを使用することによって、複数の波長の干渉をこの古典的干渉と組み合わせることが可能になる。
【００１３】
光源側の制限を解決するアルゴリズム的アプローチが、国際特許W02006/089864に開示されている。測定距離に対する可干渉長さ限界を長くするため、識別可能な搬送信号を有しない、干渉用信号の測定を可能とする位相再構成アルゴリズムが開示されている。測定された位相応答は、すなわち直交受信器からの信号は、同時に測定された基準信号と比較される。
【００１４】
検出と信号処理について、いくつかのアプローチが、先行技術で検討されている。ヘテロダイン技術は、光の波長に対してよりも、合成波長に対して直接に敏感な信号を取得することを可能としている。これは、光の波長についての干渉の安定がもはや必要とされないので、非常に重要である。
【００１５】
スーパーヘテロダイン検出、例えば、R. Dandliker、R. Thalmann、D. Prongue著の「スーパーヘテロダイン検出を使用する２つの波長のレーザー干渉」"Two-wavelength laser interferometry using super-heterodyne detection", Proc. SPIE 813、9-10（1987）あるいはR. Dandliker、R. Thalmann、D.Prongue、「スーパーヘテロダイン検出を使用する２つの波長のレーザー干渉」"Two-wavelength laser interferometry using super-heterodyne  detection", Opt. Lett. 13、339-341（1988）に開示されているスーパーヘテロダイン検出は、光の波長で干渉の安定あるいはこれらの波長の光学的な分離の必要性を有しない、任意の合成波長で、高い分解能の測定を可能とする。２つの波長が、マイケルソン干渉計を同時に照明するために使用される。２つの異なるヘテロダイン周波数f1、f2が、それぞれの波長に対して生成される。これらの周波数の差は、音響光学変調器により生成することが可能で、通常f1=40.0MHzおよびf2=40.1MHzである。
【００１６】
先行技術の概要は、Y. Salvade著「多波長干渉による距離の測定」"Distance measurement by multiple-wavelength interferometry",学位論文、マイクロ技術研究所、ヌーシャテル、1999に示されている。また、この文献において、光電子工学的うなり周波数測定による絶対較正を有する複数の波長の光源が開示されている。３つの光源は、３つの異なる周波数で動作する３つのレーザーダイオードを備える。その内の２つは、周波数基準として使用される共用の安定なファブリ・ペロー共振器の２つの連続した共振周波数で、安定化されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明の目的は、合成波長の生成を改善することである。
【００１８】
本発明のさらなる目的は、複雑さを低減し、大きい距離に亘って精度を向上させて合成波長を生成するための方法と装置を提供することである。
【００１９】
本発明のさらなる目的は、距離の干渉方法での測定を改善すること、特に、測定可能な範囲を拡張する、および／または、精度を高めることでる。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
これらの目的は、その発明に従って、独立の請求項の特徴あるいは従属の請求項の特徴により、実現される。
【００２１】
本発明は、合成波長を生成する方法、特に、距離を測定するための２つまたは複数の波長の干渉の方法と、合成波長を生成する装置、特に、絶対距離を測定するための複数の波長の干渉の装置に関する。本発明の概念によると、レーザー光源は、連続的にシフトされる少なくとも第１の側波帯周波数を提供するものが使用される。搬送周波数または別の側波帯周波数との組み合わせにより、合成波長を生成することができる。調整可能、すなわち、可変であるために、干渉の目的に使用される周波数の間のスペクトル距離は可変である。
【００２２】
本発明のいくつかの実施例において、注入同期の装置が使用されている。注入同期は、今日新規内にその周波数のレーザー光を注入することによって、特定の周波数でレーザーの動作を強制する技術である。それにより、高出力パワーが、いわゆるスレーブレーザーとして、高出力レーザーと共に生成される。並びに、ノイズレベルは、低ノイズ低消費電力のマスターレーザーの出力の注入のため、非常に低減される。もし、注入された周波数とスレーブレーザーの周波数が十分に近いときは、注射が、スレーブレーザーに、比較的小さなノイズを有する注入された周波数にだけ動作するように強いる。注入されたパワーが高いほど、各レーザーの間の許容の周波数差は、大きくなる。スレーブレーザーのスペクトル特性は、マスターレーザーの特性と同じになる。しかし、依然として、スレーブレーザーの放出されるパワーは、その注入電流で制御することができる。複数の波長の干渉にこの原理を適用して、高出力パワーで非常に安定した波長が得られる。
【００２３】
２つの波長を提供するために使用される２つのレーザーダイオードは、一次レーザー光源の１次周波数に関し規定されるか、あるいはこの光源から導き出される２つの異なる周波数に注入同期される。この１次光源の例として、１次周波数と第１の２つの側波帯を使用することができる輝度変調されたレーザーがある。高い帯域幅の輝度変調は、10GHzより大きい輝度変調周波数が得られている、電子吸収レーザー（EAL）として知られている統合された電子吸収レーザーを有する分布帰還型レーザー、あるいは、直接変調垂直共振器面発光レーザ（VCSEL）のいずれかを使用して達成することができる。
【００２４】
複数の階調を有する光の波の信号を生成するため、このタイプの周波数シンセサイザが、US2003/0197917A1に開示されている。この信号は、RF搬送波または局部発振器信号に変換することができる。この装置は、複数モードのマスターレーザーと、このマスターレーザーに注入同期される２つのスレーブレーザーとを備える。この周波数シンセサイザは、さらに、スレーブレーザーの一つをフィードバック制御するホモダイン位相ロックループと、他のスレーブレーザーをフィードバック制御するヘテロダイン位相ロックループとを備える。局部発振器セレクタは、スレーブレーザーの一つがロックされる光モードを選択するために使用され、ヘテロダイン出力の周波数の選択を行う。したがって、この方法は、離散周波数を設定することを意味する、モードロックされたレーザーの周波数コムを使用する。
【００２５】
しかし、この装置は、規定された範囲を超えて周波数を連続的に変化することはできない。このような動的な特性は、特に絶対的な距離測定のための干渉の分野に関連している。ここでは、線形合成波長の掃引が、精密な測定を可能とする。
【００２６】
この発明の考え方によると、合成波長を生成するために結合される２つの波長を提供する２つのレーザーダイオードの光学的な注入同期を基に、合成波長の生成がなされる。この波長は、１次周波数と１次レーザー光源の少なくとも一つの側波帯周波数を使用して生成される。この側波帯周波数の少なくとも１つが、特に１次レーザー光源を変調することによって、連続的にシフトされる。
【００２７】
第１の実施例において、１次周波数の２つの側波帯周波数が使用され、別の実施例においては、１次周波数自身と１つの側波帯周波数が注入される。規定の装置によると、１次光源が、周波数と同期すること、および、マスタースレーブ装置におけるマスターとして動作することの両方を行うか、あるいは、１次光源が、第２のレーザー光源により与えられた周波数で注入同期されるかである。放出された放射のパワーに依存して、１次レーザー光源あるいは別のレーザー光源が、合成波長を生成するために使用される。
【００２８】
第１の装置は、２つの周波数、すなわち、１次周波数＋１つの側波帯あるいは２つの側波帯周波数を生成するため、１次レーザー光源を使用する。これらの周波数は、第１と第２のレーザー光源に注入され、それにより、これらのレーザー光源をスレーブレーザーモードで動作させる。たとえば、２つのスレーブレーザーの波長が、15GHzで直接に輝度変調することができる電子吸収レーザーの第１の側波帯に注入同期される。それは、30GHzの周波数の差が２つのスレーブレーザーの間に生成され、10mmの合成波長に対応することを意味する。数百MHzを越える周波数の差を２つのスレーブレーザーの同期範囲で掃引することにより、絶対的な距離の測定が、数十メートル以上で実現されている。
【００２９】
第２の実施例において、１次光源自身が、一方の光源により与えられた周波数に注入同期され、そして、第２のレーザー光源のためのスレーブレーザーとして、および、第１のレーザー光源のためのマスターレーザーとして、の両方として動作する。１つの特定の装置は、１次光源の放出されたスペクトラムの側波帯を使用し、それは、１次光源としての電子吸収レーザーが注入同期される波長λ1に対応する。第２のレーザー（波長λ2）は、EAL発光スペクトルのもう一方の側波帯に注入同期される。30GHzの周波数の差は、２つの光の波長λ1、λ2間に生じ、10mmの合成波長に対応する。
【００３０】
本発明の考え方によるもう１つの実施例は、１次周波数としての光学的搬送周波数と２つの側波帯周波数とを生成する分布帰還型レーザーである。１次周波数が、シフトされた、あるいは、調整された周波数を追従するように変調器を抑制することが可能な制御を有する、装置内の電気光学変調器により抑制される。
【００３１】
10mmを越える絶対距離の測定は、約50ミクロンの精度で、可能であり、合成波長を1/200よりいい精度で補間することができる。さらに長い距離の絶対測定は、明確な範囲を拡張するために、スレーブレーザーを同期範囲内に留めるように、数百MHzを越えるよう、１次光源に与えられた無線周波数を変化させることにより、実現される。これは、いろいろな合成波長を作成する。アンラップ干渉位相と変化する合成波長との関係は、絶対距離の測定の第１近似を与える。絶対距離の測定は、マスターレーザーにおいて無線周波数を掃引することにより実施される。この周波数掃引は、二つのスレーブレーザーの同期範囲で成されるので、可変の合成波長は、二つのスレーブレーザーの間で形成され、無線周波数と同様に理論的である。絶対距離は、掃引中の位相をアンラッピングして計算される。２つのスレーブレーザーの雑音は相関性が高いので、可干渉長さより大きな距離での測定は、スーパーヘテロダイン検出により可能である。これは、E. Fisher、E. Dalhoff、H. J. Tiziani著の"Overcoming Coherence Length Limitation in Two Wavelength Interferometry - an Experimental Verification"（２つの波長干渉における可干渉長さの制限の解決―実験的検証）, Optics Comm. 123, 465-472(1996)に記述されている。第２の位相測定は、所望の精度を得るために、約10mmの固定された合成波長で実現することができる。複数の波長の干渉測定を有するこの２つの技術の組み合わせは、50μmよりも良い精度で、数十ｍを越える距離測定を可能にする。
【００３２】
本発明の考え方は、いくつかの利点を与える：
合成波長が高い安定性を有する
合成波長が電波周波数発信器により与えられた同じ精度で可変である
長距離の測定が可干渉長さを超えて実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】（ａ），（ｂ）は、本発明による側波帯周波数のシフトのグラフである。
【図２】（ａ），（ｂ）は、２つのレーザーダイオードに対する変調と電流の変化を示すグラフである。
【図３】本発明による第１の実施例の合成波長を生成するための装置の概略図である。
【図４】本発明による第２の実施例の合成波長を生成するための装置の概略図である。
【図５】本発明による第３の実施例の合成波長を生成するための装置の概略図である。
【図６】本発明による第４の実施例の合成波長を生成するための装置の概略図である。
【図７】本発明による、スーパーヘテロダイン検出による２つの波長干渉に従って絶対距離を測定する装置の概略図である。
【図８】本発明による第５の実施例の、注入同期装置と共に使用できる、あるいは、注入同期装置なしに使用できる合成波長を生成するための装置の概略図である。
【図９】１次周波数と側波帯周波数のための周波数変調のグラフである。
【図１０】本発明による装置の第５の実施例の変調の原理を示すブロック図である。
【実施例１】
【００３４】
図１（ａ）−（ｂ）は，側波帯周波数をシフトする本発明の考え方を示している。側波帯周波数のスペクトルの位置は、第１および／あるいは第２の側波帯周波数を連続的にシフトさせることができる可変１次光源を変調することにより、変化させるあるいは調整することができる。例えばアップスキャン（ダウンスキャンも同様）のために、電子吸収型レーザーの変調周波数は、図１（ａ）に示すように、10GHzから20GHzに増加させられる。したがって、電子吸収型レーザーの光学的な側波帯は、図１（ｂ）に示すように、１次周波数υ0としての搬送周波数から離れてチャープされる。
【００３５】
２つの同期されたレーザーダイオードの変調と電流の変化を図２（ａ），２（ｂ）に示す。電子吸収レーザーの変調周波数と分布帰還型レーザーに与えられる電流が、その分布帰還型レーザーの同期範囲を側波帯周波数に適応させるために、同期しながら変化させられる。その短い調整範囲は、スレーブレーザーとして操作されている分布帰還型レーザーの小さい同期範囲により、0.3GHzの範囲に制限される。したがって、15GHzの側波帯の全距離は、常に使用可能とは限らない。これは、調整範囲に逆比例する距離分解能に関する欠点を有する。他のアプローチと比較して、より高い範囲が望まれる。この分布帰還型レーザーは、電子吸収型レーザーの側波帯周波数に追従し、比較的小さな同期ウィンドウで追跡するように同期して電流調整される必要がある。本発明の考え方によると、電子吸収型レーザーの変調周波数は、分布フィードバック型レーザーの電流変化に同期し並行に変化させられ、この方法で、周波数f1sとf2sにより規定されたスレーブレーザーの同期範囲が、側波帯周波数に追従することができる。これにより、実質的に同調範囲を増やすことができる。図２（ａ）、２（ｂ）は、周波数f1sとf2sに示された同期範囲の上方と下方シフトとに相関関係にある、第１のスレーブレーザー（図２（ａ））と第１のスレーブレーザー（図２（ｂ））とに供給される電流の変化を示す。この１次あるいはマスターレーザー光源は、ガス安定化レーザー、特に、アセチレン安定化分布フィードバック型レーザー（DFB）である。参考として、ガスセルを使用する適当な装置が、WO2006/089845に公開されている。このような装置は、レーザー間の、周波数の違いの正確な掃引を可能とする。安定した周波数のため、掃引が基準化され、したがって、絶対的な光周波数掃引が実現される。
【００３６】
図３は、合成波長を生成するための本発明の第１の実施例の装置を概略図で示す。この装置は、輝度変調レーザー、すなわち、電子吸収型レーザーEAL（この図に示されているような）、あるいは、RF発生器１により変調された１次レーザー光源として直接変調レーザーVCSELを備える。それにより、放射周波数の両側の二つの側波帯周波数υ1、υ2、すなわち、１次周波数υ0を規定する第１の上側と下側の周波数が形成される。２つの半導体レーザー、例えば、第１と第２のレーザーとして、図示された分布フィードバック型レーザーDFBは、重ね合わせにより合成波長を形成するよう結合された第１の波長λ1と第２の波長λ2を有するレーザー放射を出射する。１次光源は、第１と第２のレーザー光源がその１次光源から導き出された周波数に注入同期される第１と第２の側波帯周波数υl、υ2を有するレーザー放射を提供する。したがって、１次レーザー光源および第１と第２のレーザー光源は、マスタースレーブレーザー装置に接続される。マスターの信号は、スプリッター２で２つの部分に分割され、カプラ３を通過した後、偏光サーキュレータPCを通り、分布帰還型レーザーDFBの２つの自走レーザーダイオードの共振器に注入される。スレーブレーザーダイオードは、以下の条件を満たすならば、適切に注入同期される：
（１）自走スレーブの放射周波数が、マスターの側波帯周波数υ1、υ2の１つに接近している、例えば-500MHzと+500MHzの間。
（２）注入信号とスレーブ共振器の自走スレーブの信号との間のパワー比が約-45dBである。
（３）偏向制御器（PC）が相互作用を最大化する。
【００３７】
スレーブレーザー放射周波数が、マスターレーザー側波帯周波数υ1とυ2として、同じ光学的特性（周波数、偏光、線幅）を有する。さらに、注入された信号の不要な周波数が、スレーブレーザー出力で、30dB以上の消光比で抑制されている。もし、2つのスレーブレーザーが、電子吸収レーザーEALの放射スペクトルの上下第１側波帯のそれぞれにおいて、上記の条件で、注入同期されるならば、周波数の差異は、RF発生器１により、電子吸収レーザーEALに供給される無線周波数νRFのちょうど2倍となる。この周波数の差異は、10-7以下の合成波長の相対的不確実性に対応する無線周波数と、理論的に一致する。側波帯周波数は、一次光源を変調することにより変化させる。
【００３８】
図４に、合成波長を生成するための装置の第２の実施例の概略図を示す。この実施例は、第１の実施例で使用されている同じ部品を使用しているが、１次周波数υ0の第２の側波帯周波数υ2を有するレーザー放射が、分布帰還型レーザーDFBおよび電子吸収型レーザーEALによって生成され、その１次レーザー光源が、この第２の側波帯周波数υ2と注入同期する。これにより、１次光源自身が、もう１つの光源により与えられた周波数に注入同期され、第２のレーザー光源のためのスレーブレーザーおよび第１のレーザー光源のためのマスターレーザーの両方として、機能する。側波帯周波数υ1、υ2は、合成波長を生成するために使用される。周波数υ2で放射するマスターレーザーは、たとえば、絶対周波数を安定化することができるアセチレン安定化レーザーを含むあらゆるタイプでよい。これは、絶対周波数の安定化が必要とされる用途に、大きな利点となる。
【００３９】
図５は、分配器およびアイソレータ４を有する２つのレーザー光源だけを使用する合成波長を生成するための第３の実施例を概略図で表示している。この実施例において、電子吸収レーザーEALは、側波帯を生成するために利用されるだけでなく、合成波長を生成するために、きわめて強い１次周波数υ0に対応する搬送波波長λ0を直接に使用するために、利用される。したがって、１つの側波帯周波数だけが、この場合υ0が、分布帰還型レーザーDFBを同期するために利用される。この装置において、合成波長を生成するため使用される第２の波長は、１次周波数に対応し、２つのレーザー光源だけが必要となる。
【００４０】
図６は、合成波長を生成するための装置の第４の実施例を回路図で示している。この実施例は、第３の実施例に似ているが、１次レーザー光源として電子吸収レーザーEALが、第１のレーザー光源として分布帰還型レーザーDFBが、出力効率を高めるために、波長デマルチプレクサとして薄膜フィルタ２チャンネル・デマルチプレクサ５およびサーキュレータ６により接続されている。
【００４１】
図７において、スーパーヘテロダインの原理によって絶対距離を測定するための装置が示されている。完全な装置としては、２つの波長を生成するための注入同期部および、スーパーヘテロダイン干渉計１０として知られている、特定の２つ波長の干渉計で構成される。この特定の装置において、可変波長の合成波長は、図１に示すように、本発明の装置の第１の実施例によって生成される。１次光源としての電子吸収レーザー光源EALは、結合器２´と２つのサーキュレータ３´とを介して、２つの分布帰還型レーザーDFBと接続されている。２つの分布帰還型レーザーDFBにより放射された２つの側波帯周波数υ1、υ2は、それぞれ偏光ビームスプリッター７により２つの分枝に分割され、このうち１つの分枝は音響光学変調器８によって変調される。この装置は、わずかに異なる周波数υiとυi＋fi（i=1, 2）を有する２つの直交偏光を生成することができる。その後、分枝は、結合器２´´を介し、再び結合され、そのレーザー光は偏光干渉計に入射され、周波数υi（i=1, 2）が測定経路を越えて目標１１に送信され、周波数υi＋fi（i=1, 2）が参照経路を越えて送信される。適切な偏光子の後ろの２つの光検出器が、数式１の基準および干渉計の信号を生成する。
【００４２】
【数１】
2010505095.tif 000003
【００４３】
これは、対応する干渉位相φ1=4πn*L/λ1およびφ2=4πn*L/λ2を有する波長λ1、λ2に対する２つのヘテロダイン信号の和であり、ここで、nは、空気の屈折率である。振幅復調した後、周波数f2-f1および位相Φ=φ2-φ1の信号が、導かれる。この位相は、電子位相計によって、復調干渉計と基準信号との位相差を測定することによって、計算される。空気中で、その位相は、数式２により与えられる。
【００４４】
【数２】
2010505095.tif 000004
【００４５】
ここで、Λ=λ1*λ2/|λ1-λ2|は、合成波長である。この装置の利点は、側波帯周波数υ1、υ2に対応する２つの波長が、Φの検出において相殺する同じ位相ノイズを搬送し、したがって、レーザー光源のコヒーレンス長の外での測定を可能とする。さらに、波長が、電子吸収レーザーの変調周波数を変化することにより調整可能であるから、周波数の差Δν=ν1-ν2の関数として、位相Φを監視することができる。この関係は、数式３に示めされる。
【００４６】
【数３】
2010505095.tif 000005
【００４７】
ここで、cは、光の速度である。したがって、位相と周波数の差との関係は、直線であり、その絶対距離Lが、その傾斜から、拡大されたあいまいでない範囲を超えて、決定することができる。
【００４８】
図８は、注入同期の装置が有っても無くても、使用することができる本発明の第５の実施例の装置を概略図で示している。この第５の実施例は、RF発生器１２により、合成波長の変化の生成のために使用される周波数υ1およびυ2における２つの第１の側波帯を生成するため、電圧Vπ（１８０度の位相変調電圧であり、搬送周波数がほぼ抑制される）で、電気光学変調動作と共に、分布帰還型レーザーDFBに基づいている。この装置は、干渉計１３に続く。この方法では、分散帰還型レーザーDFBが、数GHzあるいはそれ以上の放射波長を変化させるよう電流調整され、変調周波数が、分散帰還型レーザーDFB後に置かれた電気光学変調器１４に同期して供給される。それにより、第１の側波帯周波数υ1と、第２の波長として１次周波数υ0の第２の側波帯周波数υ2とを有するレーザー照射が、Vπで動作している電気光学変調器により生成されている。１次周波数υ0を有するレーザー放射は、電気光学変調器１４を有するマハツェンダー干渉計のレーザー放射を結合することにより抑圧される。電源電流を変化させることによる周波数変調fm=1KHzは、レーザーに供給され、合成波長を生成するためRF発生器１２のための周波数勾配と同期する。電圧Vは、電気光学変調器１４を有する装置の出力で、分布帰還型レーザーDFBの光の搬送波として、１次周波数を除去するように、電気光学変調器１４に供給される。同時に、15GHzオーダーの周波数が、電気光学変調器１４に、RF発生器１２により供給される。この方法で、出力において得られた光スペクトルは、２倍の（およそ３０GHz）の周波数υRFで分離された光搬送波のそれぞれの側に配置された２つの側幅から、主に構成されている。その利点は、RF発生器１２により与えられる周波数を簡単に制御することにより光学的周波数差を変化させられること、生成された光波の間の周波数差の非常に高い安定性があること、そして、レーザーのコヒーレンス長を超えての測定が可能であることである。もう一つの利点は、レーザーは周波数の安定化は必要なく、２つの側幅の間の周波数の差だけが非常に正確に知られていればよいことである。
【００４９】
図９は、１次周波数と側波帯周波数の周波数変調を概略図で示している。レーザーに与えられる周波数変調は、fm=1kHzの三角形信号で構成され、図８に示すように、合成波長生成のため、RF発生器のための三角形信号の周波数勾配と同期している。
【００５０】
周波数fmでの電流変調は、１次周波数における変調を生成する：時間t=0から信号の一方の立ち上がりエッジにおいて、周波数が、ν0+Δν*t/Tのように変化する。ノイズは、無視できる。電気光学変調器の出力において、２つの側波帯の帯域幅ν1とν2は、それぞれ、ν1+Δν*t/Tおよびν2+Δν*t/Tのように、変化する。ここで、周波数νRFが、量δνRFによる時間Tを越えて変化したとき、信号ν1およびν2の２つの変調の重なりが、それぞれ、ν1(t)=ν1+(Δν-δνRF)*t/Tおよびν2(t)=ν2+(Δν+δνRF)*t/Tを与える。これらの条件の下では、期間Tの干渉位相は、数式４および数式５となる。
【００５１】
【数４】
2010505095.tif 000006
【００５２】
【数５】
2010505095.tif 000007
【００５３】
周波数f1、f2は、求めている距離Lへの、これらの周波数の依存性を除いて、２つの音響光学変調器により生成された周波数と同等である。これらの２つの搬送波周波数は、信号を処理して分離するか、フィルタリングする必要がある。同じレーザー光源を基にしているので、両方が同じ位相ノイズにより影響を受けており、従って、それは、スーパーヘテロダイン干渉において共通であると補償することができる。第１の可能性は、検出器１５により与えられたこれらの周波数についてダイナミックフィルタリング１６で構成される。この検出器１５は、互いに接近しており、本発明による装置の第５の実施例での復調原理として、図１０に示されているように、合成波長でパルスを得るように、２つの周波数の差についてフィルタリング１８することにつながる、振幅復調１７を実行する。
【００５４】
もう１つの可能性は、初めに、3*3結合器を使用し、干渉信号の振幅復調を行い、それから、周波数f1、f2の間の差について、フィルタリングすることで構成する。この考えは、基準の輝度を集め、3*3結合器の入力のうち２つの信号を目標とし、3*3結合器の出力のそれぞれの２つの間に１２０°の位相シフトがあることを使用して、合成波長の位相期間を見つけることである。
【００５５】
図８−１０に示すように、第５の実施例は、注入同期装置無しで、使用することができる。しかし、他の実施例と同様に、側波帯周波数でさらなる注入同期型レーザー光源として、分布帰還型レーザーおよび電気光学変調器を有する装置を使用することもできる。
【図１ａ】
2010505095.tif 000008
【図１ｂ】
2010505095.tif 000009
【図２ａ】
2010505095.tif 000010
【図２ｂ】
2010505095.tif 000011
【図３】
2010505095.tif 000012
【図４】
2010505095.tif 000013
【図５】
2010505095.tif 000014
【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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【国際調査報告】
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