(57)【要約】【課題】  飽和吸収、線形吸収の２つのガスセルを用いてレーザ安定化を行うようにした実用性の高いレーザ光発生装置を提供する。【解決手段】  線形吸収安定化レーザ光発生部１０において線形吸収ガスセル１６１に対して１次制御を行い、次にレーザ制御部２０により飽和吸収ガスセル２５２に対して２次制御を行うことにより、１次制御で飽和吸収の中心から数ＭＨｚ以内にレーザ周波数を制御し、続いて２次制御で飽和吸収に制御する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号の信号強度に対応した周波数のレーザ光を出射するレーザ光源と、
ガスが封入され上記レーザ光源から出射されたレーザ光を透過させる第１のガスセルと、上記第１のガスセルを透過したレーザ光を光電変換して線形吸収信号を生成する第１の受光素子とから構成される線形吸収検出手段と、
ガスが封入され、上記レーザ光源から出射されたレーザ光を透過させ、また上記レーザ光源から出射されたレーザ光を上記透過方向と反対方向へ透過させる第２のガスセルと、上記反対方向へ透過されたレーザ光を光電変換して飽和吸収信号を生成する第２の受光素子とから構成される飽和吸収検出手段と、
上記線形吸収検出手段から出力される上記線形吸収信号を、上記第１のガスセルに封入されたガスの共鳴周波数において０クロスするような第１の制御信号に変換する第１の変換手段と、
上記飽和吸収検出手段から出力される上記飽和吸収信号を、上記第２のガスセルに封入されたガスの共鳴周波数において０クロスするような第２の制御信号に変換する第２の変換手段と、
上記第１の変換手段から出力される第１の制御信号と上記第２の変換手段から出力される記第２の制御信号とを加減算することにより、第３の制御信号を生成する制御信号演算手段と、
上記制御信号演算手段から出力される上記第３の制御信号に応じて上記入力信号の信号強度を制御する信号強度制御手段とを備え、
上記第１及び第２の変換手段において、圧電素子にファイバを巻き付けてなるＰＺＴ位相変調器により、ガスセルに入射するレーザ光の位相変調を行うことを特徴とするレーザ光発生装置。
【請求項２】
上記ＰＺＴ位相変調器は、それぞれ線形吸収、飽和吸収に適した長さの２本のファイバを圧電素子に巻き付けてなることを特徴とする請求項１記載のレーザ光発生装置。
【請求項３】
上記第２の信号強度制御手段は、レーザ光の位相変調の変調周波数の３倍の周波数成分を検出する第１の位相検波器と、変調周波数の２倍の周波数成分を検出する第２の位相検波器と、上記第２の位相検波器の信号を用いて上記第１の位相検波器の出力から共鳴周波数以外の０クロスする信号を除去する手段を備えることを特徴とする請求項１記載のレーザ光発生装置。
【請求項４】
上記第２のガスセルは、曲率半径Ｒの凹面鏡と平面鏡で構成されレーザ光を複数回往復させる為の光学系を備え、その鏡間距離ＬがＬ＝Ｒ／２、Ｌ＝Ｒ／４、あるいは、Ｌ＝Ｒ・（１−ｃｏｓ（π／２ｎ）２）（ただし、ｎは２以上の整数）で表される距離に設定されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ光発生装置。
【請求項５】
上記第２のガスセルは、アセチレン、シアン、メタン、炭酸ガス等の分子の低圧力のガスセルであることを特徴とする請求項４記載のレーザ光発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、出射するレーザ光の周波数を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て安定化させたレーザ光発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のインターネットの普及による通信容量の需要増大に対応するため、レーザ光を用いた光波長多重通信システムの導入が活発化している。この光波長多重通信は、大容量の情報を送受信するために、波長の異なる複数のキャリア波長を１本の光ファイバで同時伝送する通信方式である。光波長多重通信による伝送容量の拡大化や転送レートの高度化を図るためには、光ファイバコネクタや光フィルタ等の各光デバイスを高精度に作製する必要がある。そして、正確な波長を持つ光源により、換言すれば出射するレーザ光を一定の周波数に安定化させたレーザ光発生装置により、作製した各光デバイスを校正する必要がある。
【０００３】
レーザ光を一定の周波数で安定化させるには、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。
【０００４】
これらの方式のうち、原子または分子を封入した光吸収セルによる安定化方式には、線形吸収を利用する方法と、飽和吸収を利用する方法がある。
【０００５】
ここで、光吸収セルでは、封入されたガスが入射されたレーザ光に対して共鳴するため、当該ガスの共鳴周波数において、レーザ光の透過率が最小となる。
【０００６】
線形吸収を利用する方法では、安定化するレーザ光源から出射されるレーザ光を位相変調して光吸収セルに入射し、光吸収セルを透過することより線形吸収されたレーザ光に含まれる変調信号のレベルを検出し、上記光吸収セルに封入されているガスの共鳴周波数において０クロスするような制御信号を生成し、レーザ光源の出力波長を制御する。
【０００７】
また、飽和吸収を利用する方法では、線形吸収の場合に比べて、透過率が急激に変化し、また、その帯域が狭いため、レーザ光源の出力波長を高精度に制御することができる。
【０００８】
ところで、従来の線形吸収安定化レーザ光発生装置では１０−１１レベルの安定度を達成するには問題があった。
【０００９】
すなわち、通常ガスセルの吸収線の線幅は１ＧＨｚであり、それに対して１０−１１レベルの安定度を達成するには数キロの安定度を必要とする。吸収線の線幅１ＧＨｚとくらべると１００万分の１である。しかしながら従来の線形吸収安定化レーザ光発生装置ではガスセルへの入力光の強度変動や偏波の変動、ガスセル内の光干渉を十分に減少させる構造をもっていないため十分安定なレーザ制御を実現させていなかった。またガスセルの温度変化等を制御していないため、外気の温度の変動によりガスセルの温度が変化し、ガスセル内部の圧力変動を引き起こし、結果ガスセルの吸収率のレーザ周波数の変化に対する微分が０になる周波数（ガスの共鳴周波数）が変動した。数１０Ｔｒの圧力のガスセルを用いた場合、おおよそ１°Ｃの温度変化はガスの共鳴周波数を数１０ｋＨｚ変動させる。また信号強度が小さかったために、回路の雑音の影響も強く受けて、信号のＳＮ比も悪かった。また従来の外部変調器による線形吸収安定化レーザはマイクロ波や駆動電力を必要とする位相変調器等を用いていたので大型であった。
【００１０】
従って、従来では装置が簡便な線形吸収ではなく、装置が複雑な飽和吸収を用いる以外に、１０−１１レベルの安定度を得る方法は無かった。飽和吸収用の定圧の数１０ｍＴｒの圧力のガスセルでは、おおよそ１°Ｃの温度変化はガスの共鳴周波数を数１０Ｈｚしか変動させないためである。
【００１１】
しかし、飽和吸収を利用する方法では、レーザ光源の出力波長を高精度に制御することができる反面、ロックインレンジが狭く、また、装置の構造が複雑になり、精度の高い調整を必要とする。
【００１２】
そこで、本件出願人は、線形吸収と飽和吸収を組み合わせて利用することにより、簡単な回路構成でロックインレンジを拡大しつつ、レーザ光の周波数を精度良く安定化させるようにしたレーザ光発生装置を先に提案している（例えば、特許文献１参照）。
【００１３】
このレーザ光発生装置では、第１のガスセルを透過したレーザ光に基づいて、第１のガスセルに封入されたガスの共鳴周波数で０クロスするような飽和吸収分散信号を生成し、また第２のガスセル１９を透過した反射レーザ光に基づいて、第２のガスセルに封入されたガスの共鳴周波数で０クロスするような線形吸収分散信号を生成し、飽和吸収分散信号と線形吸収分散信号とを加減算することにより生成した制御信号に基づいて、入力信号の信号強度を制御し、入力信号の信号強度に対応した周波数のレーザ光を出射するようにしている。
【００１４】
【特許文献１】特開２００３−２２４３１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
線形吸収の幅は１ＧＨｚと広いので、その制御を引き込む範囲は広い。しかしながら、圧力シフトにより周波数の再現性に問題がある。一方、飽和吸収は圧力が１／１０００程度であるので圧力シフトはきわめて小さく、また線幅は線形吸収の幅の１／１０００程度であるので、より再現性が非常に高い。しかしながら、その制御を引き込む範囲は狭い。
【００１６】
そこで、本発明の目的は、飽和吸収、線形吸収の２つのガスセルを用いてレーザ安定化を行うようにした実用性の高いレーザ光発生装置を提供することにある。
【００１７】
本発明の更に他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明に係るレーザ光発生装置は、入力信号の信号強度に対応した周波数のレーザ光を出射するレーザ光源と、ガスが封入され上記レーザ光源から出射されたレーザ光を透過させる第１のガスセルと、上記第１のガスセルを透過したレーザ光を光電変換して線形吸収信号を生成する第１の受光素子とから構成される線形吸収検出手段と、ガスが封入され、上記レーザ光源から出射されたレーザ光を透過させ、また上記レーザ光源から出射されたレーザ光を上記透過方向と反対方向へ透過させる第２のガスセルと、上記反対方向へ透過されたレーザ光を光電変換して飽和吸収信号を生成する第２の受光素子とから構成される飽和吸収検出手段と、上記線形吸収検出手段から出力される上記線形吸収信号を、上記第１のガスセルに封入されたガスの共鳴周波数において０クロスするような第１の制御信号に変換する第１の変換手段と、上記飽和吸収検出手段から出力される上記飽和吸収信号を、上記第２のガスセルに封入されたガスの共鳴周波数において０クロスするような第２の制御信号に変換する第２の変換手段と、上記第１の変換手段から出力される第１の制御信号と上記第２の変換手段から出力される記第２の制御信号とを加減算することにより、第３の制御信号を生成する制御信号演算手段と、上記制御信号演算手段から出力される上記第３の制御信号に応じて上記入力信号の信号強度を制御する信号強度制御手段とを備え、上記第１及び第２の変換手段において、圧電素子にファイバを巻き付けてなるＰＺＴ位相変調器により、ガスセルに入射するレーザ光の位相変調を行うことを特徴とする。
【００１９】
本発明に係るレーザ光発生装置において、上記ＰＺＴ位相変調器は、例えば、それぞれ線形吸収、飽和吸収に適した長さの２本のファイバを圧電素子に巻き付けてなる。
【００２０】
また、本発明に係るレーザ光発生装置において、上記第２の信号強度制御手段は、例えば、レーザ光の位相変調の変調周波数の３倍の周波数成分を検出する第１の位相検波器と、変調周波数の２倍の周波数成分を検出する第２の位相検波器と、上記第２の位相検波器の信号を用いて上記第１の位相検波器の出力から共鳴周波数以外の０クロスする信号を除去する手段を備える。
【００２１】
本発明に係るレーザ光発生装置において、上記第２のガスセルは、例えば、曲率半径Ｒの凹面鏡と平面鏡で構成されレーザ光を複数回往復させる為の光学系を備え、その鏡間距離ＬがＬ＝Ｒ／ｎ（ｎは２以上の整数）で表される距離に設定されている。また、上記第２のガスセルは、例えば、アセチレン、シアン、メタン、炭酸ガス等の分子の低圧力のガスセルである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明では、線形吸収ガスセルに対して１次制御を行い、次に飽和吸収ガスセルに対して２次制御を行うことにより、１次制御で飽和吸収の中心から数ＭＨｚ以内にレーザ周波数を制御し、２次制御で飽和吸収に制御し、２次制御の制御ループの時定数を調整することで、線形吸収を用いた安定化レーザの安定性と、飽和吸収を用いた安定化レーザの高い周波数確度を併せ持つレーザ光発生装置を提供することができる。このレーザ光発生装置では、定期的な周波数の校正を得なくても、周波数確度１０−１１を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。
【００２４】
本発明は、例えば図１に示すような構成のレーザ光発生装置１００に適用される。
【００２５】
このレーザ光発生装置１００は、線形吸収安定化レーザ光発生部１０に飽和ガスセルによるレーザ制御部２０を設けてなる。
【００２６】
線形吸収安定化レーザ光発生部１０は、発振波長を制御可能なレーザ光源１１、このレーザ光源１１から出射されたレーザ光がアイソレータ１２及び偏波保存カプラ１３を介して入射される光位相変調器１４、この光位相変調器１４により位相変調されたレーザ光がコリメータ１５を介して入射される線形吸収ガスセルモジュール１６、この線形吸収ガスセルモジュール１６に設けられた後述する光検出器１６４Ａ，１６４Ｂにより得られる線形吸収信号が入力される同期検波部１７、この同期検波部１７による同期検波出力が入力される積分器１８などからなり、上記積分器１８による積分出力によって上記レーザ光源１１の発振波長が制御されるようになっている。
【００２７】
上記発振波長を制御可能なレーザ光源１１としては、ＤＢＦ分布帰還型レーザ(Distributed Feedback Laser:分布帰還型レーザ）が用いられている。
【００２８】
ここで、この線形吸収安定化レーザ光発生部１０における線形吸収ガスセルモジュール１６の具体的な構造を図２に示す。
【００２９】
この線形吸収ガスセルモジュール１６における線形吸収ガスセル１６１は、ガラス製の封じきりでφ１／２インチ長さ約５ｃｍ、ガス圧５０Ｔｒ、アセチレンＣ１３のガスセルである。線形吸収ガスセル１６１の入出力の窓には光干渉防止の反射防止膜１６２Ａ，１６２Ｂが施されている。窓は残留反射による干渉の影響を押さえるために数度傾いているが、窓の傾きは残留反射の大きさに偏波依存性を生じるので、線形吸収ガスセル１６１の入出力の窓のレーザ入力光に対する傾く方向は入力側の窓と出力側の窓のそれとは直行している。これにより窓の残留反射による偏波依存性は、レーザ光が異なる傾きの窓を通過することで相殺される。線形吸収ガスセル１６１への入力光を分岐するのに偏波無依存ビームスプリッタ１６３を用いている。偏波無依存ビームスプリッタ１６３により分岐された光の片方は光検出器１６４Ａへ、もう一方は線形吸収ガスセル１６１を通過して別の光検出器１６４Ｂで検出される。この光検出器１６４Ａの信号で光検出器１６４Ｂの信号を割り算することで入力光の強度依存性のない線形吸収ガスセル１６１の吸収率に比例する信号を得ることができる。
【００３０】
なお、偏波無依存ビームスプリッタと言っても偏波無依存性がゼロなものは無いので、分岐用途とは別に、同じビームスプリッタ１６３Ａ，１６３Ｂを透過側と反射側にそれぞれ偏波無依存ビームスプリッタ１６３に対して９０°回転させて設置し、その透過と反射光を光検出器１６４Ａ，１６４Ｂに入射するようにして偏波依存性を相殺する配置にしてある。
【００３１】
また、線形吸収ガスセル１６１を収納した筐体１６０はサーミスタ１６５をセンサとしてペルチェ素子１６６で温度コントローラ１６７により制御されている。線形吸収ガスセル１６１の線形吸収の中心周波数の圧力シフトは約２００ｋＨｚ／Ｔｒ程度であり、また圧力はケルビン温度に比例するので、０．０１度以下程度の温度コントロールを行うことで、プレッシャーシフトの揺らぎは３００Ｈｚ程度に保たれる。
【００３２】
このような構造の線形吸収ガスセルモジュール１６は、入力光の強度変動や偏波変動の影響、不要な光干渉の影響などを極力排除する構造になっている。また、温度コントロールしているので、線形吸収ガスセル１６１のガスの共鳴周波数変動は３００以下に保たれる。
【００３３】
ここで、上述の如き構造の線形吸収ガスセルモジュール１６を用いることにより、あらゆる外乱の影響は排除されたが、線形吸収ガスセル１６１から正確な制御信号を得るためには大きな信号を得る必要がある。
【００３４】
この線形吸収安定化レーザ光発生部１０では、線形吸収ガスセル１６１の吸収率の情報を電気信号として得るには、レーザ光を位相変調（周波数変調）して、信号に線形吸収ガスセル１６１の吸収のレーザの周波数に対する微分に比例する振幅の交流信号が含まれるようにする。そして、同期検波部１７では、図１に示すように、上記線形吸収ガスセルモジュール１６の光検出器１６４Ａによる検出信号で光検出器１６４Ｂによる検出信号を割算器１７１で割り算することで入力光の強度依存性のない線形吸収ガスセル１６１の吸収率に比例する信号を得て、この信号をロックインアンプ１７２で同期検波する。ロックインアンプ１７２の出力は線形吸収ガスセル１６１の吸収率のレーザの周波数微分に比例した信号になる。この信号の値が０になるように積分器１８を用いてレーザ光源１１を制御する。
【００３５】
このときできるだけ大きいＳＮ比で信号を得るにはレーザ光の位相変調（周波数変調）の振幅を可能な限り大きくすることが一つの方法である。ところが従来は周波数変調の振幅として１００ＭＨｚ程度が上限であった。一方共振線幅は１ＧＨｚ程度であるので、線幅の半分、５００ＭＨｚ程度まで周波数変調の振幅を増大させる必要がある。
【００３６】
そこで、この線形吸収安定化レーザ光発生部１０では、上記レーザ光源１１から出射されたレーザ光が入射される光位相変調器１４として、図３に示すように、圧電素子１４１に光ファイバ１４２を巻き付けてなるＰＺＴ位相変調器１４０が用いることにより、大きな振幅を得られるようにした。
【００３７】
圧電素子１４１は、直径６ｃｍの円筒型のセラミック製で、電圧を加えると半径方向に大きさが変化する。この圧電素子１４１に長さ２００ｍのシングルモードファイバー１４２を巻いてファイバの長さの変調による位相変調器を製作した。偏波依存性を最小限にするためには偏波面保存（PM：polarization maintaining）ファイバを用いることが望ましいのであるが、実用化されているＰＭファイバではＰＭファイバの消光比が２００ｍものファイバに対して十分なものはなく、ＰＭファイバもまた高価であり不経済である。また圧電素子１４１でかなりの変調がファイバに加えられることを考慮して、シングルモードファイバーを用いた。
【００３８】
シングルモードファイバー１４２は、一端が上記偏波保存カプラ１３と接続され他端が上記コリメータ１５と接続されている。
【００３９】
ＰＺＴ位相変調器１４０を用いた光位相変調器１４には、変調信号発生器３０から所定の変調周波数ｆｍの変調信号が供給される。
【００４０】
変調周波数ｆｍは圧電素子１４１の共振周波数近傍の約２０ｋＨｚである。変調指数βはおよそ１００００〜２５０００になるように加える交流電圧の振幅を調整した。シングルモードファイバー１４２を２００ｍ巻くことで、２０Ｖ以下の電圧で目的の特性を得ることができた。
【００４１】
これにより、周波数変調（位相変調の微分）の振幅は２００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚとなった。従来の外部変調方式でのレーザ制御ではせいぜい振幅が１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚであったのに比べると、各段大きい周波数変調を行うことができる。１ｆｍのロックインアンプ１７２の出力信号は、周波数の変調の振幅がガス吸収線の線幅の半分に一致する程度までは線形に比例するので、おおきな変調を行うことで、大きい信号強度で線形吸収ガスセル１６１の吸収率のレーザ周波数の変化に対する微分を得ることができる。信号強度が大きくなると相対的に回路雑音の影響が減少し、ＳＮ比も向上するので安定な制御が可能になる。
【００４２】
ここで、ＰＺＴ位相変調器１４０でＤＦＢレーザの電流を掃引して確認した吸収曲線Ａと、それによる制御信号（ロックイン検波後の信号）Ｂを図４に示す。また、変調振幅５００ＭＨｚの場合の理論計算結果を図５（Ａ），（Ｂ）に示す。ＰＺＴ位相変調器の変調が吸収曲線に重畳していることがわかる。また制御信号は吸収曲線の微分であることも見て取れる。ここでは、圧電素子にシングルモードファイバーを６０ｍ巻いたＰＺＴ位相変調器でＤＦＢレーザの電流を掃引した。したがって、変調指数は２００ＭＨｚ程度である。また、線形吸収ガスセルモジュール１６は、線形吸収ガスセル１６１の入力側の光信号の強度信号でガスセル通過後の強度信号を割り算は行っていない。偏波無依存ビームスプリッタを用いること、複数の偏波無依存ビームスプリッタで残留する偏波依存性を減少させ、また線形吸収ガスセル１６１の入出力の窓のレーザ入力光に対する傾き方向を入力側の窓と出力側の窓のそれとは直行させること等も行っていない。ＡＲコートは用いた。温度コントロールもおこなっていない。
【００４３】
この線形吸収安定化レーザ光発生部１０について、飽和吸収安定化レーザとの周波数比較による周波数測定を行った結果を図６に示す。図６は線形吸収ガスセル１６１の温度安定化を行っていない実験結果を示している。１０００秒の積分時間で１０−１１の安定度が得られている。また１０００秒以上において安定度が劣化しているが線形吸収ガスセル１６１の温度の変動が原因と見られる。なぜならば温度１度の変化は１０−１０の揺らぎを生むので、実験環境条件を考慮すれば十分に納得できる数字である。そこで、線形吸収ガスセル１６１の温度の揺らぎを０．０１°以下に制御することで、１００００秒に置けるアラン分散の平方根は１０−１２台になることが可能になる。この値は従来の飽和吸収安定化レーザに匹敵する周波数安定度である。まだ行っていないガスセルの改良、ＰＺＴ位相変調器の改良を行えば、さらに安定度が向上すると考えられる。
【００４４】
絶対周波数の評価も行ったが、既存の飽和吸収レーザのデータとの間に測定によると１０ＭＨｚ周波数差が観測された。この値はガス圧力５０Ｔｒの圧力シフトに相当する。通常ガスのガスセルに対する充てんの際の圧力誤差は５％程度あり、ガスセルによって５００ｋＨｚ程度のばらつきが生じると予想される。
【００４５】
なお、ここでは、Φ６０ｍｍのＰＺＴ位相変調器を用いたが、曲率半径を小さくしても光損失が小さいファイバを用いれば、より小さい大きさとなり、非常に小型な安定化レーザが実現できる。したがって、光源としてＤＦＢレーザ等の安定化レーザを用いれば非常に小型で、高性能な安定化レーザを製作することが可能である。
【００４６】
そして、このレーザ光発生装置１００では、線形吸収安定化レーザ光発生部１０により得られる１０００秒程度までは常に優れた安定性を持つ線形吸収を用いた安定化レーザ光を飽和吸収ガスセルによるレーザ制御部２０によりさらに安定化するようにしている。
【００４７】
レーザ制御部２０は、図１に示すように、線形吸収安定化レーザ光発生部１のレーザ光源１１から偏波保存カプラ１３を介して出射される無変調のレーザ光が偏波保存カプラ２１を介して入射される光位相変調器２２、この光位相変調器２２により位相変調されたレーザ光がアイソレータ２３及びコリメータ２４を介して入射される飽和吸収ガスセルモジュール２５、この線形吸収ガスセルモジュール２５に設けられた後述する光検出器２５４Ａ，２５４Ｂにより得られる飽和吸収信号が入力される同期検波部２６、この同期検波部２６による同期検波出力が入力される積分器２７などからなり、上記積分器２７による積分出力を上記線形吸収安定化レーザ光発生部１のロックインアンプ１７２の出力に加算器４０により加算することによって上記レーザ光源１１の発振波長を制御するようになっている。
【００４８】
このレーザ制御部２０では、直径６ｃｍの円筒型の圧電素子２２１に長さ５ｍの偏波面保存（PM：polarization maintaining）ファイバ２２２を巻いてファイバの長さの変調による位相変調を行うＰＺＴ位相変調器２２０を光位相変調器２２として用いた。
【００４９】
ここで、飽和吸収を利用してレーザ光を安定化するには、ポンプ光としてのレーザビームをガスセルに入射し、反対方向からプローブとしてのレーザ光をポンプ光と逆の経路を通してガスセルに入射し、透過してきたレーザ光を測定して飽和吸収信号を得る必要がある。しかし飽和吸収信号は、ガスが原子であれば比較的低い光パワーでも観測できるが、アセチレン、ヨウ素、シアン、メタン等のガスでは飽和パワーが高いので、高いレーザパワー密度を必要とする。また、高いＳＮで得るには、適当なビーム径（０．５ｍｍ〜１ｍｍ）を維持して、同時に多重回往復することも効果的である。
【００５０】
上記飽和吸収信号を得る飽和吸収ガスセルモジュール２５としては、例えば図７に示すように、コリメータ２４から部分透過鏡２５１’を介してレーサ光が入射される飽和吸収ガスセル２５２’、上記飽和吸収ガスセル２５２’を介して互いに所定の傾斜をもって対向配置された複数の平面鏡２５３Ａ’，２５３Ｂ’，２５３Ｃ’によりレーザ光を多重回往復させるようにした光学系２５３’、上記飽和吸収ガスセル２５２’により飽和吸収されたレーザ光が上記部分透過鏡２５１’を介して入射される光検出器２５４’からなるものが従来より知られている。
【００５１】
このように平面鏡２５３Ａ’，２５３Ｂ’，２５３Ｃ’によりレーザ光を多重回往復させるようにした光学系２５３’を備える飽和吸収ガスセルモジュールでは、調整箇所が多く、機械的な振動に弱い問題がある。また匡体が環境温度などで歪んだり変化するので、逐次調整する必要がある。
【００５２】
そこで、このレーザ光発生装置１００における飽和吸収ガスセルモジュール２５は、図８のように、平面鏡２５３Ａと凹面２５３Ｂの２枚の鏡を用いて４回往復する半共焦点光学系２５３を備える構造とした。
【００５３】
この飽和吸収ガスセルモジュール２５は、コリメータ２４から偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２５０及び部分透過鏡２５１を介してレーサ光が入射される飽和吸収ガスセル２５２、上記飽和吸収ガスセル２５２を介して対向配置された平面鏡２５３Ａと凹面２５３Ｂによりレーザ光を多重回往復させるようにした半共焦点光学系２５３、上記飽和吸収ガスセル２５２に入射されるレーザ光の一部が上記部分透過鏡２５１を介して入射される光検出器２５４Ａ、上記飽和吸収ガスセル２５２により飽和吸収されたレーザ光が上記部分透過鏡２５１を介して入射される光検出器２５４Ｂなどからなる。
【００５４】
この飽和吸収ガスセルモジュール２５における光の経路について説明する。
【００５５】
コリメータ２４で平行ビームにされたレーザ光が部分透過鏡を通過した後に平面鏡２５３Ａの脇から入射される。部分透過鏡２５１で反射された光は光検出器２５４Ａで受光される。また、部分透過鏡２５１を通過したレーザ光は第１の位置Ｐ１を通過し飽和吸収ガスセル２５２を通過し、凹面鏡２５３Ｂ上の第２の位置Ｐ２で反射される。凹面鏡２５３Ｂで反射されたレーザ光は飽和吸収ガスセル２５２を通過し、平面鏡２５３Ａ上の第３の位置Ｐ３で反射される。平面鏡２５３Ａで反射されたレーザ光は飽和吸収ガスセル２５２を通過し、凹面鏡２５３Ｂ上の第４の位置Ｐ４で反射される。凹面鏡２５３Ｂで反射されたレーザ光はガスセルを通過し、平面鏡２５３Ａ上の第５の位置Ｐ５で反射される。このとき、平面鏡２５３Ａへの入射角が、平面鏡２５３Ａの垂直線に平行になるように凹面鏡２５３Ｂとコリメータ２４の位置、角度を調整しておくと、反射レーザ光は入射してきた方向と逆のルートを辿り、コリメータ２４に戻ることになる。こうして戻った反射レーザ光の一部は部分透過鏡２５１により反射され、結果４往復して光検出器２５４Ｂで受光される。
【００５６】
なお、飽和吸収ガスセル２５２の入射端面及び出射端面は、光の損失を減らすため、反射防止膜、あるいはブリュースターアングルにて、反射損失を小さくしてある。また、平面鏡２５３Ａ及び凹面鏡２５３Ｂには、金属膜あるいは誘電体多層膜で反射率の高いものが用いられている。
【００５７】
飽和吸収ガスセル２５２の長さは、平面鏡２５３Ａと凹面鏡２５３Ｂの間に入る範囲で最長のものとした。
【００５８】
鏡間距離Ｌは、凹面鏡２５３Ｂの曲率半径Ｒとすると、Ｌ＝Ｒ／２とする。ただしＬの値は飽和吸収ガスセル２５２のガラス厚の補正をした値を用いる。例えば、飽和吸収ガスセル２５２の入射端面及び出射端面のガラス厚がｔの場合、補正後の長さＬはＬ＝Ｒ／２＋２ｔ（１−１／ｎ）ＣＯＳ（θ）となる。ここでθはガラスの傾き角である。このようにするとコリメータ２４から出たレーザ光の光軸を平面鏡２５３Ａの面に垂直にすると２往復して平面鏡２５３Ａの位置Ｐ５へ入射するレーザ光は、平面鏡２５３Ａに垂直になる。なぜならば凹面鏡２５３Ｂの曲率半径Ｒが、Ｒ＝Ｌ／２のものを用いると、２往復で平面鏡２５３Ａの位置の像を、反転像に変換する結像光学系になるからである。また、４往復で平面鏡２５３Ａの位置の像を、元の像に変換する結像光学系になるので、コリメータ２４から出た光が平面鏡２５３Ａの位置で平面鏡２５３Ａの垂直面に平行で有れば、かならず２往復で光は平面鏡２５３Ａの位置で反転像となるので平面鏡２５３Ａの垂直面に平行となり、４往復で光はコリメータ２４に出射ビームと同じ軌跡を通って戻ることになる。
【００５９】
図９は、その関係を示す図であって、平面鏡２５３Ａと凹面鏡２５３Ｂによる反射光学系において、凹面鏡２５３Ｂを凸レンズとみなし、往復する光学系を１直線に展開して屈折光学系として等化的に示したものである。
【００６０】
このような構造の半共焦点光学系２５３を備える飽和吸収ガスセルモジュール２５において、第１の位置Ｐ１で平面鏡２５３Ａに垂直に入射した光は、凹面鏡２５３Ｂ上の第２の位置Ｐ２において反射されて平面鏡２５３Ｂ上の第３の位置Ｐ３に入射する。ここで、第３の位置Ｐ３の面は第１の位置Ｐ１の面のフーリエ像となる。平面鏡２５３Ｂ上の第３の位置Ｐ３で反射した光は凹面鏡２５３Ｂ上の第４の位置Ｐ４において反射されて平面鏡２５３Ｂの上の第５位置Ｐ５に入射する。ここで第５の位置Ｐ５の面は、第３の位置Ｐ３の面のフーリエ像となり、第１の位置Ｐ１の面の倒立像となる。したがって、凹面鏡２５３Ｂと平面鏡２５３Ａが平行となる点を結ぶ直線を垂直線として描くと、垂直線に対して点対称の像を第５の位置Ｐ５に結像する。ここで、第５の位置Ｐ５に対するレーザ光は垂直に入射になるので、再び第４の位置Ｐ４、第３の位置Ｐ３、第２の位置Ｐ２、第１の位置Ｐ１の経路を通って、コリメータ２４に戻ることになる。これは、凹面鏡２５３Ｂの位置がずれた場合、すなわち、凹面鏡２５３Ｂと平面鏡２５３Ａが平行となる点を結ぶ垂直線が変化したとしても、第３の位置Ｐ３や第５の位置Ｐ５のレーザ光が平面鏡２５３Ａの有効範囲から外れない限り有効である。したがって、コリメータ２４から出た光が平面鏡２５３Ａの位置で平面鏡２５３Ａに垂直で有るようにコリメータ２４と平面鏡２５３Ａをしっかり固定しておけば、凹面鏡２５３Ｂや飽和吸収ガスセル２５２の位置や傾きが多少変化しても、レーザ光は必ずＭ型の軌跡を通った後、同じ軌跡を経由して元に戻る。コリメータ２４と平面鏡２５３Ａの位置は数ｃｍの近傍であるので、金属ブロック内をくり抜いて、調整後、溶接や、ネジ等で固定しておけば、安定となるとなる。一方、凹面鏡２５３Ｂは、少なくとも飽和吸収ガスセル２５２の長さより遠方に存在し、飽和吸収ガスセル２５２は通常、２０ｃｍ程度であり、大形のレーザのようにインバー等に固定する必用は無く、温度、歪み等の影響で凹面鏡２５３Ｂや飽和吸収ガスセル２５２の位置や傾きが多少変化しても機能上影響は受けない。
【００６１】
実験では鏡間距離Ｌを２５ｃｍとしておこなったが安定な信号が得られた。また鏡の枚数も２枚と最小で済み、コスト的メリットもある。
【００６２】
また結像関係からコリメータ２４で平行ビームにされるレーザ光のビームウエスト位置を上記位置Ｐ１であるようにすると、飽和吸収ガスセル２５２の中で往復している光のそれぞれの位置でのビーム径は一致することになる。図１０は図９と同じ展開図でビーム径を見た図である。鏡間距離Ｌは２５ｃｍとした。特性ｂはコリメータ２４で平行ビームにされるレーザ光のビームウエスト位置を上記位置Ｐ１であるようにした場合で、特性ａはコリメータ２４で平行ビームにされるレーザ光のビームウエスト位置を上記位置Ｐ１のコリメータ２４に対して手前にした場合、特性ｃは後方にした場合を示している。
【００６３】
特性ｂの条件では、位置Ｐ５を中心に左右対称であるので、ガスセルの中で往復している光のそれぞれの位置でのビーム径は一致することになることがわかる。すなわち、飽和吸収では、光の経路の中で、ポンプ、プローブ光のビーム径が一致している方が望ましいが、この光学系では自動的に一致する。また、コリメータ２４のレンズを撰べば、位置Ｐ１、上記位置Ｐ３でのビーム径を一致させることも可能である。
【００６４】
この飽和吸収ガスセルモジュール２５では、光検出器２５４Ｂで飽和吸収信号が得られ、光検出器２５４Ａで強度信号が得られるので、（光検出器２５４Ｂの信号−光検出器２５４Ａの信号）、あるいは（光検出器２５４Ｂの信号÷光検出器２５４Ａの信号）を用いることにより強度揺らぎを打ち消すができる。このレーザ制御部２０では、図１に示すように、同期検波部２６において、上記飽和吸収ガスセルモジュール２５の光検出器２５４Ａによる検出信号で光検出器２５４Ｂによる検出信号を割算器２６１で割り算することで強度揺らぎを打ち消した飽和吸収信号を得て、同期検波するようにしている。
【００６５】
なおここでは、鏡間距離Ｌは、凹面鏡２５３Ｂの曲率半径Ｒとすると、Ｌ＝Ｒ／２（４往復）としたが、Ｌ＝Ｒ／４（６往復）、あるいは、Ｌ＝Ｒ・（１−ｃｏｓ（π／２ｎ）２）（ ただし、ｎは２以上の整数）でも可能である。ただし、Ｌを一定としたとき平均のビーム径が大きくなってゆくので、Ｌ＝Ｒ／２（４往復）または、Ｌ＝Ｒ／４（６往復）程度までが実用的であると考えられる。
【００６６】
ここで、上述の如き構造の半共焦点光学系２５３を備える飽和吸収ガスセルモジュール２５では、凹面鏡２５３Ｂと平面鏡２５３Ａが平行になる点を結ぶ垂直線が一致する線上では凹面鏡２５３Ｂと平面鏡２５３Ａが平行であるため、光共振器となり、飽和吸収ガスセル２５２の内部や外部、あるいは散乱光がこの共振モードに結合し、信号に不要な成分を重畳させる場合があるので、凹面鏡２５３Ｂと平面鏡２５３Ａの垂直線が一致する線上に、光の経路をさまたげない程度の遮光板２５５をいれることで上記問題を解決した。
【００６７】
遮光板２５５の効果を検証した実験結果を図１１（Ａ），（Ｂ）に示す。１５４２ｎｍの波長で、アセチレン分子のガスセル、ガス圧３０ｍＴｒを用いた。コリメータ２４はＭＦＤ＝０．８ｍｍ（最適値は０．７ｍｍと算出したが、近傍のコリメータとしてｆ＝３．３ｍｍのレンズを用いたため。）、レーザは外部共振器レーザ、パワーは３０ｍＷ、ガスセル２５２の長さは２００ｍｍ、ガス圧は３０ｍＴｒ、凹面鏡２５３Ｂの曲率半径は５００である。遮光板２５５としては黒い紙等を用いた。レーザの周波数を掃引して信号を観測している。図１１（Ａ）は遮光板２５５のない場合であり、飽和吸収の信号と逆方向にパルス的な信号が見られる。この信号は再現性の有る物である。一方、図１１（Ｂ）は遮光板２５５のある場合であり、再現性のあるような同様な信号は得られていないことがわかる。
【００６８】
次に、上記レーザ制御部２０による制御方式について説明する。
【００６９】
実際の制御において、飽和吸収線の微分制御をすると、バックグラウンドの線形吸収成分が重畳していることがわかる。また飽和吸収線は往復光学系を使用せざるを得ないので干渉性の信号も重畳している。通常、飽和吸収ガスセル２５２に入射するレーザ光の周波数は外部の位相変調器２２であるＰＺＴ位相変調器２２０で位相変調されていると、信号には飽和吸収ガスセル２５２の吸収のレーザの周波数に対する微分に比例する振幅の交流信号が含まれるようになり、この信号をロックインアンプで同期検波すると、ロックインアンプの出力は飽和吸収ガスセル２５２の吸収率のレーザの周波数微分に比例した信号になる。ところが、通常の１ｆｍロックインアンプでは、信号が飽和吸収線の信号か、バックグラウンドの線形吸収成分か、干渉性の信号か区別できない。
【００７０】
そこで、このレーザ制御部２０における同期検波部２６では、信号が飽和吸収線の信号か、バックグラウンドの線形吸収成分か、干渉性の信号か区別を区別し、飽和吸収線の信号のみ取り出すために２ｆｍロックインアンプ２６２と３ｆｍロックインアンプ２６３を用いることとした。３ｆｍロックインアンプ２６３を用いると、３次の微分信号になるので、線形吸収成分や干渉性の信号等の周期の長い信号成分は飽和吸収線等のシャープな信号に比べて相対的に減少する。３ｆロックインアンプ２６３を制御信号として用い、その出力を３ｆｍロックインアンプ２６３で制御して積分器２７をとおしてレーザにフィードバックを行う。積分器２７の出力であるフィードバック信号は線形吸収安定化レーザ光発生部１０内の誤差信号に重畳される。
【００７１】
ここで、上記同期検波部２６における２ｆｍロックインアンプ２６２と３ｆｍロックインアンプ２６３を用いたフィードバック制御について説明する。
【００７２】
飽和吸収ガスセル２５２により飽和吸収されたレーザ光の周波数に対する関数が、線形関数を越える高次の関数であるとき、レーザ光が変調周波数ｆｍの正弦波で周波数変調されているとすると、飽和吸収信号には飽和吸収ガスセル２５２の吸収率のレーザの周波数微分に比例する変調周波数ｆｍに等しい周波数の信号の他に、飽和吸収ガスセル２５２の吸収率の高次のレーザの周波数微分に比例する変調周波数ｆｍの次数倍に等しい周波数の信号が重畳されるようになる。したがって、ロックインアンプでおこなう同期検波の周波数を変調周波数ｆｍの２倍（２ｆｍ）、３倍の周波数（３ｆｍ）でおこなうと、ロックインアンプの出力は飽和吸収ガスセル２５２の吸収率のレーザの周波数に対する２次微分、３次微分に比例した信号になる。
【００７３】
吸収線の幅が、バックグラウンドの他の干渉性雑音等に比べて広い場合、高次の微分を用いると干渉性の雑音が大きくなって信号がうまく検出できないので、１ｆｍロックインアンプをレーザの制御に用いることが多い。
【００７４】
しかしながら、吸収線の幅が、バックグラウンドの干渉性雑音に比べて狭い場合、１ｆｍのロックインアンプよりも３ｆｍのロックインアンプの方がいい。例えば、図１２のような細いピーク値を持つ信号に対して大きなうねりの信号が載っている場合（飽和吸収線信号の例の内、干渉信号が大きい場合に相当する。）、その１次微分、２次微分、３次微分は図１３，図１４，図１５のようになる。
【００７５】
図１３を見てわかるように、原点で、オフセットが載っていることがわかる。これにたいし、２次微分は原点でピークを持ち、３次微分では図１２に比べて、原点でのオフセットの量がきわめて小さいことがわかる。
【００７６】
したがって、図１２のような信号でレーザの周波数ロックを行う場合、図１３に示す１次微分よりも、図１４に示す３次微分を用いた方が制御の安定性が良くなる。
【００７７】
しかしながら、３次微分では０クロス点が中心から離れたところにも現れるので、図１４に示す２次微分の信号を用いて、その値が一定レベル以下で、正の信号、それ以外で０とするデジタル化を行うことにより、図１６のようなデジタル信号が得られる。このデジタル信号で図１５に示す３次微分信号の中心部分を抜き出すと図１７のような中心部分の０クロス点を含む信号が得られる。このレーザ制御部２０では、これにより中心から離れたところにも０クロス点が現れる３次微分の中心部分の０クロス点に確実にロックすることができる。
【００７８】
このように、このレーザ光発生装置１００では、線形吸収安定化レーザ光発生部１０において線形吸収ガスセル１６１に対して１次制御を行い、次にレーザ制御部２０により飽和吸収ガスセル２５２に対して２次制御を行う。これにより、１次制御で飽和吸収の中心から数ＭＨｚ以内にレーザ周波数を制御し、続いて２次制御で飽和吸収に制御する。２次制御の制御ループの時定数を調整することで、線形吸収を用いた安定化レーザの安定性と、飽和吸収を用いた安定化レーザの高い周波数確度を併せ持つレーザ光発生装置１００となっている。このレーザ光発生装置１００では、定期的な周波数の校正を得なくても、周波数確度１０−１１を得ることができる。なお、このレーザ光発生装置１００において、予想される周波数安定度を図１８に示すように、１００００秒台において１０−１２台を割り込むと予想される。
【００７９】
ここで、このレーザ光発生装置１００において、線形吸収ガスセル１６１に対して１次制御を行う線形吸収安定化レーザ光発生部１０では、線形吸収のためには大きな変調振幅が必要であるので、シングルモードファイバー１４２を２００ｍ巻いたＰＺＴ位相変調器１４０を位相変調器１４に用い、和吸収ガスセル２５２に対して２次制御を行うレーザ制御部２０の位相変調器２２には、長さ５ｍの偏波面保存（PM：polarization maintaining）ファイバ２２２を巻いたＰＺＴ位相変調器２２０を用いたが、図１９に示すレーザ光発生装置３００のように、２本のファイバ１４２，２２２を同一の円筒型ＰＺＴ３１１に巻いて、ＰＺＴ３１１を共有したＰＺＴ位相変調器３３０を、線形吸収安定化レーザ光発生部１０の位相変調器１４とレーザ制御部２０の位相変調器２２に用いるようにすることもできる。なお、レーザ光発生装置３００において、位相変調器１４，２２以外の構成は、上記レーザ光発生装置１００と同じなので、図１９に同一構成要素に共通の番号を付して、詳細な説明を省略する。このレーザ光発生装置３００では、それぞれ、５００ＭＨｚ、５ＭＨｚの所望の変調振幅となるようにそれぞれ長さを調整した。通常ファイバの長さに変調振幅は比例するので、２ｍでよい。このように１台のＰＺＴに複数のファイバを巻いて、それぞれ所望の位相変調を得ることによって、コストの削減、スペースの削減などの効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明を適用したレーザ光発生装置の構成を示すブロック図である。
【図２】上記レーザ光発生装置の線形吸収安定化レーザ光発生部に備えられる線形吸収ガスセルモジュールの具体的な構造を示す斜視図である。
【図３】上記線形吸収安定化レーザ光発生部における光位相変調器としてとして備えられるＰＺＴ位相変調器の構造を示す斜視図である。
【図４】上記ＰＺＴ位相変調器でＤＦＢレーザの電流を掃引して確認した吸収曲線と、それによる制御信号を示す特性図である
【図５】上記ＰＺＴ位相変調器でＤＦＢレーザの電流を掃引して確認した吸収曲線と、それによる制御信号の変調振幅５００ＭＨｚの場合の理論計算結果を示す特性図である
【図６】上記線形吸収安定化レーザ光発生部について、飽和吸収安定化レーザとの周波数比較による周波数測定を行った結果を示す特性図である。
【図７】上記レーザ光発生装置のレーザ制御部に備えられる飽和吸収ガスセルモジュールの一般的な構造を模式的に示す図である。
【図８】上記レーザ光発生装置のレーザ制御部に備えられた半共焦点光学系を備える飽和吸収ガスセルモジュールの構造を模式的に示す図である。
【図９】上記半共焦点光学系を備える飽和吸収ガスセルモジュールにおけるレーザ光の軌跡を屈折光学系として等化的に示した展開図である。
【図１０】上記半共焦点光学系を備える飽和吸収ガスセルモジュールにおけるＭＦＤの軌跡の展開図である。
【図１１】上記半共焦点光学系を構成する凹面鏡と平面鏡の垂直線が一致する線上に配置した遮光板の効果を検証した実験結果を示す特性図である。
【図１２】干渉信号が大きい飽和吸収線信号を示す特性図である。
【図１３】上記干渉信号が大きい飽和吸収線信号の１次微分信号を示す特性図である。
【図１４】上記干渉信号が大きい飽和吸収線信号の２次微分信号を示す特性図である。
【図１５】上記干渉信号が大きい飽和吸収線信号の３次微分信号を示す特性図である。
【図１６】上記２次微分信号をデジタル化した信号を示す特性図である。
【図１７】上記２次微分信号をデジタル化した信号で３次微分信号の中心部分を抜き出した信号を示す特性図である。
【図１８】上記レーザ光発生装置において、予想される周波数安定度を示す特性図である。
【図１９】本発明を適用したレーザ光発生装置の他の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００８１】
１０  線形吸収安定化レーザ光発生部、１１  レーザ光源、１２  アイソレータ、１３  偏波保存カプラ、１４  光位相変調器、１５  コリメータ、１６  線形吸収ガスセルモジュール、１７  同期検波部、１８  積分器、２０  レーザ制御部、２１  偏波保存カプラ、２２  光位相変調器、２３  ＰＢＳカプラ、２４  コリメータ、２５  飽和吸収ガスセルモジュール、２６  同期検波部、２７  積分器、３０  変調信号発生器、４０  加算器、レーザ光発生装置１００、１４０  ＰＺＴ位相変調器、１４１  圧電素子、１４２  シングルモードファイバー、１６０  筐体、１６１  線形吸収ガスセル、１６２Ａ，１６２Ｂ  反射防止膜、１６３  偏波無依存ビームスプリッタ、１６３Ａ，１６３Ｂ  ビームスプリッタ、１６４Ａ，１６４Ｂ  光検出器、１６５  サーミスタ、１６６  ペルチェ素子、１６７  温度コントローラ、１７１  割算器、１７２  ロックインアンプ、２２１  圧電素子、２２２  偏波面保存ファイバ、２５１’  部分透過鏡、２５２’  飽和吸収ガスセルモジュール、２５３Ａ’，２５３Ｂ’，２５３Ｃ’  平面鏡、２５３’  光学系、２５４’  光検出器、２５０  偏光ビームスプリッタ、２５１  部分透過鏡、２５２  飽和吸収ガスセル、２５３Ａ  平面鏡、２５３Ｂ  凹面、２５３  半共焦点光学系、２５４Ａ、２５４Ｂ  光検出器、２５５、遮光板、２６１  割算器、２６２  ２ｆｍロックインアンプ、２６３  ３ｆｍロックインアンプ、３００  レーザ光発生装置、３１１  円筒型ＰＺＴ、３３０  ＰＺＴ位相変調器
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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