(57)【要約】【課題】光周波数コム光源のパルス間位相ズレを高効率に測定する。【解決手段】光周波数コム光源（１１）が発振する光パルス信号（Ｓ）を１対の光パルス信号（Ｓａ、Ｓｂ）に分岐してから再統合する光路設定手段（１２、１３、１４）と、合成光パルス信号（Ｓｃ、Ｓｅ、Ｓｆ）に含まれる１対の光パルス信号の間のパルスシフト数Ｎが１以上の整数となるように光周波数コム光源の発振周期と１対の光パルス信号の光路長差との関係を設定するパルスシフト手段（１４）と、１対の光パルス信号の間の位相シフト量をＭ通りの位相シフト量（Ｍ：３以上の整数）に設定する位相シフト手段（１７、１５）と、Ｍ通りの位相シフト量の下で１対の光パルス信号が示すＭ通りの干渉強度を合成光パルス信号に基づき検出する検出手段（１６−０、１６−１、１６−２）と、Ｍ通りの干渉強度の関係と前記Ｍ通りの位相シフト量の関係とに基づき光パルス信号（Ｓ）のパルス間位相ズレを算出する演算手段（１８）とを備える。【選択図】    図１
2012132711.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光周波数コム光源が発振する光パルス信号を１対の光パルス信号に分岐してから再統合することにより合成光パルス信号を生成する光路設定手段と、
前記合成光パルス信号に含まれる１対の光パルス信号の間のパルスシフト数Ｎが１以上の整数となるように前記光周波数コム光源の発振周期と前記１対の光パルス信号の光路長差との関係を設定するパルスシフト手段と、
前記１対の光パルス信号の間の位相シフト量をＭ通りの位相シフト量（Ｍ：３以上の整数）に設定する位相シフト手段と、
前記Ｍ通りの位相シフト量の下で前記１対の光パルス信号が示すＭ通りの干渉強度を前記合成光パルス信号に基づき検出する検出手段と、
前記Ｍ通りの干渉強度の関係と前記Ｍ通りの位相シフト量の関係とに基づき、前記光周波数コム光源が発振する光パルス信号のパルス間位相ズレを算出する演算手段と
を備えることを特徴とするパルス間位相ズレ測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載のパルス間位相ズレ測定装置において、
前記位相シフト手段は、
前記合成光パルス信号をＭ系統の信号に分岐すると共に、前記１対の光パルス信号の位相差を前記Ｍ系統の信号の間で異ならせることにより、前記Ｍ通りの位相シフト量を同時に設定する
ことを特徴とするパルス間位相ズレ測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載のパルス間位相ズレ測定装置において、
前記位相シフト手段は、
前記合成光パルス信号を３系統の信号に分岐すると共に、それら３系統の信号の前記位相差を３通りの位相差０、π／２、πに設定することにより、３通りの位相シフト量を同時に設定し、
前記演算手段は、
前記３通りの位相差０、π／２、πの下で検出された３通りの干渉強度ＩＮ０、ＩＮ１、ＩＮ２を以下の演算式（１）に当てはめることにより、前記パルス間位相ズレΔψＣＥＯを算出する
【数１６】
2012132711.tif 000018
ことを特徴とするパルス間位相ズレ測定装置。
【請求項４】
請求項１に記載のパルス間位相ズレ測定装置において、
前記位相シフト手段は、
前記１対の光パルス信号の間のパルスシフト数ＮをＭ通りのパルスシフト数の間で切り替えることにより、前記Ｍ通りの位相シフト量を順次に設定する
ことを特徴とするパルス間位相ズレ測定装置。
【請求項５】
請求項４に記載のパルス間位相ズレ測定装置において、
前記位相シフト手段は、
前記パルスシフト数Ｎを４通りのパルスシフト数１、２、３、４の間で切り替えることにより、４通りの位相シフト量を順次に設定し、
前記演算手段は、
前記４通りのパルスシフト数１、２、３、４の下で検出された４通りの干渉強度Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４を以下の演算式（６）に当てはめることにより、前記パルス間位相ズレΔψＣＥＯを算出する
【数１７】
2012132711.tif 000019
ことを特徴とするパルス間位相ズレ測定装置。
【請求項６】
請求項５に記載のパルス間位相ズレ測定装置において、
前記位相シフト手段は、
前記パルスシフト数Ｎを４に設定する代わりに０に設定することにより、４通りのパルスシフト数０、１、２、３を順次に設定し、
前記演算手段は、
前記４通りのパルスシフト数０、１、２、３の下で検出された４通りの干渉強度Ｉ０、Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３を以下の演算式（７）に当てはめることにより、前記パルス間位相ズレΔψＣＥＯを算出する
【数１８】
2012132711.tif 000020
ことを特徴とするパルス間位相ズレ測定装置。
【請求項７】
請求項４〜請求項６に記載のパルス間位相ズレ測定装置において、
前記位相シフト手段は、
前記光周波数コム光源のパルス発振周期を固定したまま前記１対の光パルス信号の光路長差を切り替えることにより、前記パルスシフト数Ｎを切り替える
ことを特徴とするパルス間位相ズレ測定装置。
【請求項８】
請求項４又は請求項５に記載のパルス間位相ズレ測定装置において、
前記位相シフト手段は、
前記１対の光パルス信号の光路長差をゼロ以外の値に固定したまま前記光周波数コム光源のパルス発振周期を切り替えることにより、前記パルスシフト数Ｎを切り替える
ことを特徴とするパルス間位相ズレ測定装置。
【請求項９】
光周波数コム光源が発振する光パルス信号のパルス間位相ズレを測定する請求項１〜請求項８の何れか一項に記載のパルス間位相ズレ測定装置と、
前記パルス間位相ズレ測定装置が測定したパルス間位相ズレに応じて前記光周波数コム光源のオフセット周波数を制御する制御装置と
を備えることを特徴とするオフセット周波数制御装置。
【請求項１０】
光周波数コム光源が発振する光パルス信号を１対の光パルス信号に分岐してから再統合することにより合成光パルス信号を生成する光路設定手順と、
前記合成光パルス信号に含まれる１対の光パルス信号の間のパルスシフト数Ｎが１以上の整数となるように前記光周波数コム光源の発振周期と前記１対の光パルス信号の光路長差との関係を設定するパルスシフト手順と、
前記１対の光パルス信号の間の位相シフト量をＭ通りの位相シフト量（Ｍ：３以上の整数）に設定する位相シフト手順と、
前記Ｍ通りの位相シフト量の下で前記１対の光パルス信号が示すＭ通りの干渉強度を前記合成光パルス信号に基づき検出する検出手順と、
前記Ｍ通りの干渉強度の関係と前記Ｍ通りの位相シフト量の関係とに基づき、前記光周波数コム光源が発振する光パルス信号のパルス間位相ズレを算出する演算手順と
を含むことを特徴とするパルス間位相ズレ測定方法。
【請求項１１】
光周波数コム光源が発振する光パルス信号のパルス間位相ズレを請求項１０に記載のパルス間位相ズレ測定方法により測定する測定手順と、
前記測定手順で測定したパルス間位相ズレに応じて前記光周波数コム光源のオフセット周波数を制御する制御手順と
を含むことを特徴とするオフセット周波数制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光周波数コム光源が発振するパルス列に発生する、キャリア・エンベロープのパルス間位相ズレ（以下、単に「パルス間位相ズレ」と称す。）を測定するパルス間位相ズレ測定装置、オフセット周波数制御装置、パルス間位相ズレ測定方法、オフセット周波数制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光周波数測定、高精度分光学、精密測長などの基準として光周波数コムが有効である。光周波数コムの使用時には、光周波数コムの各櫛（各モード）の絶対周波数が既知となっている必要があるので、光周波数コム光源が発振するパルス列（光パルス信号）に発生するパルス間位相ズレを測定し、光周波数コムのキャリア・エンベロープオフセット周波数（以下、単に「オフセット周波数」と称す。）を既知としておく必要がある（特許文献１等を参照。）。
【０００３】
特許文献１の測定方法では、光周波数コム光源が発振する光パルス信号を１対の光パルス信号に分岐してから再統合し、それら１対の光パルス信号の光路長差を変化させながら両者の干渉強度を監視し、その時間変化を解析することにより、パルス間位相ズレを明らかとする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2004-138524号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながらこの方法では、時間変化の解析にフーリエ変換などの複雑な演算を要する。また、干渉強度のサンプリング数をなるべく多くする必要がある。
【０００６】
そこで本発明は、光周波数コム光源のパルス間位相ズレを高効率に測定することのできるパルス間位相ズレ測定装置、オフセット周波数制御装置、パルス間位相ズレ測定方法、オフセット周波数制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明を例示するパルス間位相ズレ測定装置の一態様は、光周波数コム光源が発振する光パルス信号を１対の光パルス信号に分岐してから再統合することにより合成光パルス信号を生成する光路設定手段と、前記合成光パルス信号に含まれる１対の光パルス信号の間のパルスシフト数Ｎが１以上の整数となるように前記光周波数コム光源の発振周期と前記１対の光パルス信号の光路長差との関係を設定するパルスシフト手段と、前記１対の光パルス信号の間の位相シフト量をＭ通りの位相シフト量（Ｍ：３以上の整数）に設定する位相シフト手段と、前記Ｍ通りの位相シフト量の下で前記１対の光パルス信号が示すＭ通りの干渉強度を前記合成光パルス信号に基づき検出する検出手段と、前記Ｍ通りの干渉強度の関係と前記Ｍ通りの位相シフト量の関係とに基づき、前記光周波数コム光源が発振する光パルス信号のパルス間位相ズレを算出する演算手段とを備える。
【０００８】
本発明を例示するオフセット周波数制御装置の一態様は、光周波数コム光源が発振する光パルス信号のパルス間位相ズレを測定するパルス間位相ズレ測定装置の一態様と、前記パルス間位相ズレ測定装置が測定したパルス間位相ズレに応じて前記光周波数コム光源のオフセット周波数を制御する制御装置とを備える。
【０００９】
本発明を例示するパルス間位相ズレ測定方法の一態様は、光周波数コム光源が発振する光パルス信号を１対の光パルス信号に分岐してから再統合することにより合成光パルス信号を生成する光路設定手順と、前記合成光パルス信号に含まれる１対の光パルス信号の間のパルスシフト数Ｎが１以上の整数となるように前記光周波数コム光源の発振周期と前記１対の光パルス信号の光路長差との関係を設定するパルスシフト手順と、前記１対の光パルス信号の間の位相シフト量をＭ通りの位相シフト量（Ｍ：３以上の整数）に設定する位相シフト手順と、前記Ｍ通りの位相シフト量の下で前記１対の光パルス信号が示すＭ通りの干渉強度を前記合成光パルス信号に基づき検出する検出手順と、前記Ｍ通りの干渉強度の関係と前記Ｍ通りの位相シフト量の関係とに基づき、前記光周波数コム光源が発振する光パルス信号のパルス間位相ズレを算出する演算手順とを含む。
【００１０】
本発明を例示するオフセット周波数制御方法の一態様は、光周波数コム光源が発振する光パルス信号のパルス間位相ズレを、パルス間位相ズレ測定方法の一態様により測定する測定手順と、前記測定手順で測定したパルス間位相ズレに応じて前記光周波数コム光源のオフセット周波数を制御する制御手順とを含む。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、光周波数コム光源のパルス間位相ズレを高効率に測定することのできるパルス間位相ズレ測定装置、オフセット周波数制御装置、パルス間位相測定方法、オフセット周波数制御方法を提供することを目的とする。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態のオフセット周波数制御装置１００の全体構成図である。
【図２】光パルス信号の模式図である。
【図３】光周波数コムの模式図である。
【図４】パルスシフト数Ｎがゼロであるときの光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの模式図である。
【図５】パルスシフト数Ｎが１であるときの光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの模式図である。
【図６】第２実施形態のオフセット周波数制御装置２００の全体構成図である。
【図７】第２実施形態の動作を説明する図である。
【図８】第３実施形態のオフセット周波数制御装置３００の全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態として、オフセット周波数制御装置を説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態のオフセット周波数制御装置１００の全体構成図である。図１に示すとおり、オフセット周波数制御装置１００には、ビームスプリッタ１２と、固定反射鏡１３、１４と、偏光ビームスプリッタ１５と、フォトディテクタ１６−０、１６−１、１６−２と、１／８波長板１７と、位相演算部１８と、オフセット制御部１９とが備えられる。このオフセット周波数制御装置１００には、光周波数コム光源１１のオフセット周波数を制御する機能がある。
【００１５】
光周波数コム光源１１は、例えばフェムト秒光周波数コム光源、アト秒光周波数コム光源などの光周波数コム光源であって、パルス幅がフェムト秒又はアト秒と狭められた光パルスを一定のパルス発振周期Ｔで繰り返し発振する。なお、図２に示したのは、光周波数コム光源１１から発振される光パルス列（光パルス信号）の模式図である。
【００１６】
この光パルス信号のフーリエ変換である光周波数コムは、図３に示すとおり一定のモード間隔（繰り返し周波数ｆｒｅｐ）を有している。その繰り返し周波数ｆｒｅｐは、パルス発振周期Ｔの逆数（１／Ｔ）であり、例えば５０ＭＨｚである。
【００１７】
図２において符号ΔψＣＥＯで示すのが、光パルス信号に発生したキャリア・エンベロープのパルス間位相ズレであって、このパルス間位相ズレΔψＣＥＯが光周波数コムのオフセット周波数ｆＣＥＯを決定する。光パルス信号のオフセット位相ズレΔψＣＥＯと、光周波数コムのオフセット周波数ｆＣＥＯとの関係は、後述する変換式（２）によって表される。
【００１８】
図１に示すとおり、光周波数コム光源１１から発振した光パルス信号Ｓは、ビームスプリッタ１２を反射する光パルス信号Ｓａと、ビームスプリッタ１２を透過する光パルス信号Ｓｂとに分岐する。
【００１９】
一方の光パルス信号Ｓａは、１／８波長板１７を通過した後に固定反射鏡１３へ向かうと、固定反射鏡１３にて反射した後に再び１／８波長板１７を通過してビームスプリッタ１２へ戻る。
【００２０】
他方の光パルス信号Ｓｂは、固定反射鏡１４へ向かうと、固定反射鏡１４にて反射した後にビームスプリッタ１２へ戻る。
【００２１】
ビームスプリッタ１２へ戻った１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂは、ビームスプリッタ１２上で統合される。以下、統合された１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂを、まとめて合成光信号と称す。この合成光信号は、ビームスプリッタ１２を透過する合成光信号Ｓｃと、ビームスプリッタ１２を反射する合成光信号Ｓｄとに分岐される。
【００２２】
一方の合成光信号Ｓｃは、フォトディテクタ１６−２へ入射する。他方の合成光信号Ｓｄは、偏光ビームスプリッタ１５へ入射し、偏光ビームスプリッタ１５を反射する合成光信号Ｓｅと、偏光ビームスプリッタ１５を透過する合成光信号Ｓｆとに分岐する。このうち一方の合成光信号Ｓｅはフォトディテクタ１６−０へ入射し、他方の合成光信号Ｓｆはフォトディテクタ１６−１へ入射する。したがって、本実施形態では、１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂからなる合成光信号は、３系統の合成光信号Ｓｃ、Ｓｅ、Ｓｆに分岐する。
【００２３】
ここで、固定反射鏡１４の配置先が図１に点線で示す位置であった場合を考える。この位置は、１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの光路長差がゼロとなるような位置である。
【００２４】
この場合、合成光信号Ｓｃ、Ｓｅ、Ｓｆの各々では、図４に示すとおり、一方の光パルス信号Ｓａのｉ番目のパルスと他方の光パルス信号Ｓｂのｉ番目のパルスとが互いに重なる。つまり、１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの間のパルスシフト数Ｎはゼロとなる。この場合、合成光信号Ｓｃ、Ｓｅ、Ｓｆの各々において１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂは互いに干渉する。
【００２５】
しかし、本実施形態では、図１に実線で示すとおり、固定反射鏡１４の配置先を、１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの光路長差が０以外の値となるような位置に設定している。
【００２６】
この場合、合成光信号Ｓｃ、Ｓｅ、Ｓｆの各々では、一方の光パルス信号Ｓａの各パルスと他方の光パルス信号Ｓｂの各パルスとが互いに重なるとは限らない。つまり、１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの間のパルスシフト数Ｎはゼロになるとは限らない。この場合、合成光信号Ｓｃ、Ｓｅ、Ｓｆの各々において１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂは互いに干渉するとは限らない。
【００２７】
但し、本実施形態では、固定反射鏡１４の配置先を、１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの間のパルスシフト数Ｎが１以上の整数となるように設定する。この場合、１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの光路長差は、Ｎパルス分の距離（Ｎ・Ｃ／ｆｒｅｐ）に設定される。なお、Ｃは、光速である。
【００２８】
この場合、合成光信号Ｓｃ、Ｓｅ、Ｓｆの各々では、図５に示すとおり、一方の光パルス信号Ｓｂのｉ番目のパルスと他方の光パルス信号Ｓａの（ｉ＋Ｎ）番目のパルスとが互いに重なる（なお、図５に示す例は、Ｎ＝１の場合である。）。この場合、合成光信号Ｓｃ、Ｓｅ、Ｓｆの各々において１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂは互いに干渉する。
【００２９】
よって、本実施形態では、合成光信号Ｓｃ、Ｓｅ、Ｓｆの各々に、１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの干渉強度が反映される。
【００３０】
しかも、パルスシフト数Ｎを１以上の整数に設定すれば（図５参照）、1対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂのうち互いに干渉するパルス同士の間に、パルス間位相ズレΔψＣＥＯに比例した位相差（Ｎ・ΔψＣＥＯ）が与えられるので、合成光信号Ｓｃ、Ｓｅ、Ｓｆの各々にはパルス間位相ズレΔψＣＥＯの値が反映される。
【００３１】
なお、仮に、パルスシフト数Ｎを０としたならば（図４参照）、1対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂのうち互いに干渉するパルス同士の間に、パルス間位相ズレΔψＣＥＯに比例した位相差（Ｎ・ΔψＣＥＯ）が与えられることはないので、合成光信号Ｓｃ、Ｓｅ、Ｓｆの各々にはパルス間位相ズレΔψＣＥＯの値が反映されることはない。
【００３２】
さらに、本実施形態では、１／８波長板１７及び偏光ビームスプリッタ１５の配置により、合成光信号Ｓｃと合成光信号Ｓｅと合成光信号Ｓｆとの間に以下のような差異がつけられている。すなわち、合成光信号Ｓｅに含まれる１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの間の位相シフト量は０に設定されるのに対し、合成光信号Ｓｆに含まれる１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの間の位相シフト量はπ／２に設定され、合成光信号Ｓｃに含まれる１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの間の位相シフト量はπに設定される。
【００３３】
よって、フォトディテクタ１６−０は、位相シフト量が０である光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの干渉強度を、合成光信号Ｓｅとして検出することができる。
【００３４】
また、フォトディテクタ１６−１は、位相シフト量がπ／２である光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの干渉強度を、合成光信号Ｓｆとして検出することができる。
【００３５】
また、フォトディテクタ１６−２は、位相シフト量がπである光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの干渉強度を、合成光信号Ｓｃとして検出することができる。
【００３６】
したがって、本実施形態のフォトディテクタ１６−０、１６−１、１６−２は、位相シフト量が０、π／２、πの各々であるときの光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの各干渉強度を、同時に（並行に）検出することができる。
【００３７】
なお、フォトディテクタ１６−１は、位相演算部１８によって適宜に駆動され、信号値ＩＮ０を出力する。この信号値ＩＮ０は、合成光信号Ｓｅの所定時間に亘る時間積分値である。フォトディテクタ１６−０の積分時間は、パルス発振周期Ｔ＝１／ｆｒｅｐより十分に長い時間に設定される。
【００３８】
また、フォトディテクタ１６−１は、位相演算部１８によって適宜に駆動され、信号値ＩＮ１を出力する。この信号値ＩＮ１は、合成光信号Ｓｆの所定時間に亘る時間積分値である。フォトディテクタ１６−１の積分時間は、フォトディテクタ１６−０のそれと等しく設定される。
【００３９】
また、フォトディテクタ１６−２は、位相演算部１８によって適宜に駆動され、信号値ＩＮ２を出力する。この信号値ＩＮ２は、合成光信号Ｓｃの所定時間に亘る時間積分値である。フォトディテクタ１６−２の積分時間は、フォトディテクタ１６−０のそれと等しく設定される。
【００４０】
なお、本実施形態では、フォトディテクタ１６−０、１６−１、１６−２の出力する信号値ＩＮ０、ＩＮ１、ＩＮ２をそのまま後述する演算式へ適用できるよう、１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの振幅の組み合わせは、合成光信号Ｓｅ、Ｓｆ、Ｓｂの間で共通になっているものとする。これを共通にしておけば、合成光信号Ｓｅ、Ｓｆ、Ｓｂの間でＤＣ成分及び振幅γを共通にすることができる。
【００４１】
位相演算部１８は、フォトディテクタ１６−０、１６−１、１６−２を駆動し、フォトディテクタ１６−０、１６−１、１６−２から並行して出力される信号値ＩＮ０、ＩＮ１、ＩＮ２を取り込み、以下の演算式（１）へ当てはめることにより、現時点におけるパルス間位相ズレΔψＣＥＯを算出し、オフセット制御部１９へ出力する。
【００４２】
【数１】
2012132711.tif 000003
なお、この演算式（１）は、位相シフト量の組み合わせが（０、π／２、π）の組み合わせであった場合に適用される演算式である。演算式（１）の説明は、後述する。
【００４３】
さらに、オフセット制御部１９は、位相演算部１８から送出されたパルス間位相ズレΔψＣＥＯを以下の変換式（２）に当てはめることより、パルス間位相ズレΔψＣＥＯをオフセット周波数ｆＣＥＯに換算する。これによって、現時点のオフセット周波数ｆＣＥＯが既知となる。
【００４４】
【数２】
2012132711.tif 000004
そして、オフセット制御部１９は、現時点のオフセット周波数ｆＣＥＯを予め決められた目標値と比較し、現時点のオフセット周波数ｆＣＥＯと目標値との差分を算出すると、その差分が小さくなる方向に、光周波数コム光源１１に含まれる共振器の光路長差を、調整する。なお、共振器（レーザ媒質を含む）の光路差を微調整するには、共振器におけるウェッジプレート（ガラス板であって、プリズム形状）を抜き差しすればよい。但し、その調整は、ＦＳＲ（自由スペクトル領域）の範囲内で行われるものとする。これによって、光周波数コム光源１１のオフセット周波数ｆＣＥＯは、目標値に近づけられる。
【００４５】
さらに、本実施形態では、以上説明した、フォトディテクタ１６−０、１６−１、１６−２の駆動と、位相演算部１８による演算と、オフセット制御部１９による調整と、からなる一連の処理（ループ）が、適切な頻度で繰り返される。これによって、光周波数コム光源１１のオフセット周波数ｆＣＥＯはフィードバック制御され、目標値の近傍で安定化する。
【００４６】
以上説明したとおり、本実施形態のオフセット周波数制御装置１００では、１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの間のパルスシフト数Ｎが１以上の整数となるように、光周波数コム光源１１のパルス発振周期Ｔと１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの光路長との関係が予め設定される。
【００４７】
そして、本実施形態のオフセット周波数制御装置１００は、１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの間の位相シフト量を３通りの位相シフト量０、π／２、πに設定し、それら３通りの位相シフト量０、π／２、πの下で取得された３通りの信号値ＩＮ０、ＩＮ１、ＩＮ２の関係と、それら３通りの位相シフト量０、π／２、πの関係（ここでは演算式（１））とに基づき、現時点のパルス間位相ズレΔψＣＥＯを算出する。
【００４８】
したがって、本実施形態のオフセット周波数制御装置１００は、パルス間位相ズレΔψＣＥＯを測定するために、３つの信号値ＩＮ０、ＩＮ１、ＩＮ２を所定の演算式（１）へ当てはめるという簡単な演算しか要しない。よって、本実施形態のオフセット周波数制御装置１００は、パルス間位相ズレΔψＣＥＯの測定を高効率に行い、オフセット周波数ｆＣＥＯのフィードバック制御を高い応答速度で行うことができる。
【００４９】
また、本実施形態のオフセット周波数制御装置１００は、１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの間の位相シフト量を複数通りの位相シフト量に設定する際に、１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの間の偏光状態に差異を付与することにより、合成光信号を複数系統の合成光信号に分岐し、１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの位相差を複数系統の合成光信号の間でずらす。したがって、本実施形態のオフセット周波数制御装置１００は、演算に必要な複数の信号値を同時に（並行に）取得することができる。このため、本実施形態のオフセット周波数制御装置１００は、パルス間位相ズレΔψＣＥＯの測定時間、ひいてはフィードバック制御の各ループの処理時間を、極めて短くすることができる。
【００５０】
なお、本実施形態では、１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの間のパルスシフト数Ｎを１以上の整数に設定したが、１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂが互いに干渉できるのであれば、パルスシフト数Ｎは整数から若干ズレていても構わない（つまり、パルスシフト数Ｎは微小な値τに対して（整数＋τ）で表される値であっても構わない。）。つまり、本実施形態では、固定反射鏡１４のアライメントに要求される精度が低いという利点もある。
【００５１】
また、本実施形態では、ビームスプリッタ１２から固定反射鏡１４までの距離をなるべく短くした方がオフセット周波数制御装置１００をコンパクトにできる。よって、オフセット周波数制御装置１００のコンパクト化が要求される場合には、１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの間のパルスシフト数Ｎを１にすることが望ましい。
【００５２】
また、本実施形態では、位相シフト量の組み合わせを（０、π／２、π）の組み合わせとしたが、他の組み合わせとしてもよい。例えば、（π、３π／２、２π）の組み合わせ、（０、π／４、π／２、３π／４）の組み合わせ、（０、π／２、π、３π／２）の組み合わせとしてもよい。位相シフトのステップ数Ｍは、３以上であればよい。但し、上述した演算式（１）は、採用された組み合わせに応じて適切に変更されるものとする。
【００５３】
［演算式（１）の説明］
以下、演算式（１）について説明する。
【００５４】
演算式（１）に含まれる信号値ＩＮ０、ＩＮ１、ＩＮ２は、合成光信号Ｓｅ（位相シフト量０の合成光信号）と、合成光信号Ｓｆ（位相シフト量π／２の合成光信号）と、合成光信号Ｓｃ（位相シフト量πの合成光信号）とを表しているので、以下の式（３）で表わされる。
【００５５】
【数３】
2012132711.tif 000005
但し、ＤＣは、合成光信号Ｓｅ、Ｓｆ、ＳｃのＤＣ成分であり、γ（τ）は、合成光信号Ｓｅ、Ｓｆ、Ｓｃの振幅である（なお、τは、１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂのうち互いに干渉するパルス同士のズレである。）。
【００５６】
したがって、以下の式（４）が成り立つ。
【００５７】
【数４】
2012132711.tif 000006
したがって、以下の式（５）が成り立つ。
【００５８】
【数５】
2012132711.tif 000007
この式（５）から、上述した演算式（１）が導出されるのは明らかである。
【００５９】
以上の結果、位相シフト量の組み合わせが（０、π／２、π）の組み合わせであるときに演算式（１）を使用できることは、明らかである。
【００６０】
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態として、オフセット周波数制御装置を説明する。本実施形態は第１実施形態の変形例なので、第1実施形態との相違点のみ説明する。
【００６１】
図６は、本実施形態のオフセット周波数制御装置２００の全体構成図である。図６に示すとおり、本実施形態のオフセット周波数制御装置２００は、第１実施形態のオフセット周波数制御装置１００において、１／８波長板１７及び偏光ビームスプリッタ１５を省略し、３つのフォトディテクタ１６−０、１６−１、１６−０の代わりに１つのフォトディテクタ１６を備え、固定反射鏡１４の代わりに移動反射鏡１４ａを備えたものである。なお、本実施形態の位相演算部１８には、移動反射鏡１４ａの位置制御機能も付加されているものとする。
【００６２】
光周波数コム光源１１から射出した光パルス信号Ｓは、ビームスプリッタ１２を反射する光パルス信号Ｓａと、ビームスプリッタ１２を透過する光パルス信号Ｓｂとに分岐する。
【００６３】
一方の光パルス信号Ｓａは、固定反射鏡１３へ向かうと、固定反射鏡１３にて反射した後にビームスプリッタ１２へ戻る。他方の光パルス信号Ｓｂは、移動反射鏡１４ａへ向かうと、移動反射鏡１４ａにて反射した後にビームスプリッタ１２へ戻る。
【００６４】
ビームスプリッタ１２へ戻った１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂは、ビームスプリッタ１２上で統合される。以下、統合された１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂを、まとめて合成光信号Ｓｇと称す。この合成光信号Ｓｇは、フォトディテクタ１６へ入射する。
【００６５】
フォトディテクタ１６は、位相演算部１８によって適宜に駆動され、信号値Ｉを出力する。この信号値Ｉは、合成光信号Ｓｇの所定時間に亘る時間積分値である。フォトディテクタ１６の積分時間は、パルス発振周期Ｔ＝１／ｆｒｅｐより十分に長い時間に設定される。
【００６６】
そして、本実施形態の位相演算部１８は、１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの位相シフトを行うために、１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの間のパルスシフト数Ｎを切り替える。そのために、本実施形態の位相演算部１８は、光周波数コム光源１１のパルス発振周期Ｔを固定したまま、１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの光路長差を、切り替える。
【００６７】
ここでは、パルスシフト数Ｎは、１、２、３、４の間で切り替えられるものとする。その場合、本実施形態の位相演算部１８は、移動反射鏡１４ａの配置先を、４通りの位置の間で切り替えることにより、１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの光路長差を、１パルス分の距離（Ｃ／ｆｒｅｐ）と、２パルス分の距離（２・Ｃ／ｆｒｅｐ）と、３パルス分の距離（３・Ｃ／ｆｒｅｐ）と、４パルス分の距離（４・Ｃ／ｆｒｅｐ）との間で切り替える。
【００６８】
また、本実施形態の位相演算部１８は、パルスシフト数Ｎが１であるときにフォトディテクタ１６を駆動して信号値Ｉ１を取り込み（図７（ａ）参照。）、パルスシフト数Ｎが２であるときにフォトディテクタ１６を駆動して信号値Ｉ２を取り込み（図７（ｂ）参照。）、パルスシフト数Ｎが３であるときにフォトディテクタ１６を駆動して信号値Ｉ３を取り込み（不図示）、パルスシフト数Ｎが４であるときにフォトディテクタ１６を駆動して信号値Ｉ４を取り込む（不図示）。
【００６９】
さらに、本実施形態の位相演算部１８は、それらの信号値Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４を以下の演算式（６）へ当てはめることにより、現時点のパルス間位相ズレΔψＣＥＯを算出し、オフセット制御部１９へ出力する。なお、オフセット制御部１９の動作は、第１実施形態のそれと同じである。
【００７０】
【数６】
2012132711.tif 000008
なお、この演算式（６）は、パルスシフト数Ｎの組み合わせが（１、２、３、４）の組み合わせであった場合に適用される演算式である。演算式（６）の説明は、後述する。
【００７１】
また、本実施形態においても、以上説明した、パルスシフト数Ｎの切り替え及びフォトディテクタ１６の複数回駆動と、位相演算部１８による演算と、オフセット制御部１９による調整と、からなる一連の処理（ループ）は、適切な頻度で繰り返される。
【００７２】
したがって、本実施形態のオフセット周波数制御装置２００は、１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの間の位相シフトを、合成光信号の分岐ではなく、パルスシフト数Ｎの切り替え（具体的には、１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの光路長差の切り替え）によって行う点で、第１実施形態のオフセット周波数制御装置１００とは異なる。
【００７３】
パルスシフト数Ｎの切り替えは一定の時間を要するので、本実施形態のフィードバック制御の各ループは、第１実施形態のそれよりも時間を要する。しかし、パルスシフト数Ｎの切り替えさえ高速化できれば、本実施形態においても、第１実施形態の効果と近い効果が得られる。
【００７４】
なお、本実施形態では、１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの間のパルスシフト数Ｎを４通りのパルスシフト数１、２、３、４の間で切り替えたが、４通りのパルスシフト数の間隔が正確な１になっているならば、個々のパルスシフト数は整数から若干ズレていても構わない（つまり、４通りのパルスシフト数は、微小な値τに対して（１＋τ）、（２＋τ）、（３＋τ）、（４＋τ）で表される値であっても構わない。）。
【００７５】
また、本実施形態では、パルスシフト数Ｎの組み合わせを（１、２、３、４）の組み合わせとしたが、他の組み合わせとしてもよい。例えば、（２、３、４、５）の組み合わせや、（３、４、５、６）の組み合わせや、（０、１、２、３）の組み合わせとしてもよい。位相シフトのステップ数Ｍは、４以上であればよい。但し、演算式（６）は、採用された組み合わせに応じて適切に変更されるものとする。
【００７６】
因みに、パルスシフト数Ｎの組み合わせを、（０、１、２、３）の組み合わせとする場合、つまり、パルスシフト数が４であるときの信号値Ｉ４の代わりに、パルスシフト数が０であるときの信号値Ｉ０を取得する場合は、演算式（６）の代わりに演算式（７）を使用すればよい。
【００７７】
【数７】
2012132711.tif 000009
なお、この演算式（７）は、パルスシフト数Ｎの組み合わせが（０、１、２、３）の組み合わせであった場合に適用される演算式である。演算式（７）の説明は、後述する。
【００７８】
［演算式（６）の説明］
以下、演算式（６）について説明する。
【００７９】
演算式（６）に含まれる信号値Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４は、パルスシフト数Ｎが１であるときの合成光信号Ｓｇ、パルスシフト数Ｎが２であるときの合成光信号Ｓｇ、パルスシフト数Ｎが３であるときの合成光信号Ｓｇ、パルスシフト数Ｎが４であるときの合成光信号Ｓｇを表しているので、以下の式（８）で表される。
【００８０】
【数８】
2012132711.tif 000010
但し、ＤＣは、合成光信号ＳｇのＤＣ成分であり、γ（τ）は、合成光信号Ｓｇの振幅である（なお、τは、１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂのうち互いに干渉するパルス同士のズレである。）。
【００８１】
したがって、以下の式（９）が成り立つ。
【００８２】
【数９】
2012132711.tif 000011
したがって、以下の式（１０）が成り立つ。
【００８３】
【数１０】
2012132711.tif 000012
これらの式（９）、（１０）より以下の式（１１）が導出される。
【００８４】
【数１１】
2012132711.tif 000013
この式（１１）を変形すると、演算式（６）が導出されるのは明らかである。
【００８５】
以上の結果、パルスシフト数Ｎの組み合わせが（１、２、３、４）の組み合わせであるときに演算式（６）を使用できることは、明らかである。
【００８６】
［演算式（７）の説明］
以下、演算式（７）について説明する。
【００８７】
演算式（７）に含まれる信号値Ｉ０、Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３は、パルスシフト数Ｎが０であるときの合成光信号Ｓｇ、パルスシフト数Ｎが１であるときの合成光信号Ｓｇ、パルスシフト数Ｎが２であるときの合成光信号Ｓｇ、パルスシフト数Ｎが３であるときの合成光信号Ｓｇを表しているので、以下の式（１２）で表される。
【００８８】
【数１２】
2012132711.tif 000014
但し、ＤＣは、合成光信号ＳｇのＤＣ成分であり、γ（τ）は、合成光信号Ｓｇの振幅である（なお、τは、１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂのうち互いに干渉するパルス同士のズレである。）。
【００８９】
したがって、以下の式（１３）が成り立つ。
【００９０】
【数１３】
2012132711.tif 000015
また、以下の式（１４）も成り立つ。
【００９１】
【数１４】
2012132711.tif 000016
これらの式（１３）、（１４）より以下の式（１５）が導出される。
【００９２】
【数１５】
2012132711.tif 000017
この式（１５）を変形すると、上述した演算式（７）が導出されるのは明らかである。
【００９３】
以上の結果、パルスシフト数Ｎの組み合わせが（０、１、２、３）の組み合わせであるときに演算式（７）を使用できることは、明らかである。
［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態として、オフセット周波数制御装置を説明する。本実施形態は第２実施形態の変形例なので、第２実施形態との相違点のみ説明する。
【００９４】
図８は、本実施形態のオフセット周波数制御装置３００の全体構成図である。図８に示すとおり、本実施形態のオフセット周波数制御装置３００は、第２実施形態のオフセット周波数制御装置２００において、移動反射鏡１４ａの代わりに固定反射鏡１４を備えたものである。また、本実施形態の位相演算部１８には、光周波数コム光源１１の繰り返し周波数ｆｒｅｐの制御機能も付加されているものとする。
【００９５】
本実施形態において、１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの振る舞いは、第２実施形態におけるそれと同様である。但し、本実施形態において、固定反射鏡１４の配置先は、１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの光路長差がゼロ以外の任意の値となるような位置に固定されている。
【００９６】
本実施形態の位相演算部１８も、１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの位相シフトを行うために、１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの間のパルスシフト数Ｎを切り替える。
【００９７】
但し、本実施形態の位相演算部１８は、パルスシフト数Ｎを切り替えるために、１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの光路長差を固定したまま、光周波数コム光源１１のパルス発振周期Ｔを切り替える（すなわち、光周波数コム光源１１の繰り返し周波数ｆｒｅｐを切り替える。）。
【００９８】
ここでも、パルスシフト数Ｎは、１、２、３、４の間で切り替えられるものとする。その場合、本実施形態の位相演算部１８は、光周波数コム光源１１の繰り返し周波数ｆｒｅｐを、第１周波数ｆｒｅｐ１と、第２周波数ｆｒｅｐ２と、第３周波数ｆｒｅｐ３と、第４周波数ｆｒｅｐ４との間で切り替える。
【００９９】
第１周波数ｆｒｅｐ１は、パルスシフト数Ｎが１となるような周波数、すなわち、合成光信号Ｓｇにおいて光パルス信号Ｓｂのｉ番目のパルスと光パルス信号Ｓａの（ｉ＋１）番目のパルスとが互いに重なるような周波数である。
【０１００】
また、第２周波数ｆｒｅｐ２は、パルスシフト数Ｎが２となるような周波数、すなわち、合成光信号Ｓｇにおいて光パルス信号Ｓｂのｉ番目のパルスと光パルス信号Ｓａの（ｉ＋２）番目のパルスとが互いに重なるような周波数である。
【０１０１】
また、第３周波数ｆｒｅｐ３は、パルスシフト数Ｎが３となるような周波数、すなわち、合成光信号Ｓｇにおいて光パルス信号Ｓｂのｉ番目のパルスと光パルス信号Ｓａの（ｉ＋３）番目のパルスとが互いに重なるような周波数である。
【０１０２】
また、第４周波数ｆｒｅｐ４は、パルスシフト数Ｎが４となるような周波数、すなわち、合成光信号Ｓｇにおいて光パルス信号Ｓｂのｉ番目のパルスと光パルス信号Ｓａの（ｉ＋４）番目のパルスとが互いに重なるような周波数である。
【０１０３】
すなわち、本実施形態のオフセット周波数制御装置３００は、パルスシフト数Ｎの切り替えを、１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの光路長差の切り替えではなく、光周波数コム光源１１の繰り返し周波数ｆｒｅｐの切り替えによって行う点で、第２実施形態のオフセット周波数制御装置２００とは異なる。
【０１０４】
ここで、光周波数コム光源１１の繰り返し周波数ｆｒｅｐの切り替えは、１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの光路長差の切り替えよりも高速化が容易である。したがって、本実施形態においては、パルス間位相ズレΔψＣＥＯの測定時間（すなわちフィードバック制御の各ループの処理時間）を、第２実施形態のそれよりも短縮することが可能である。
【０１０５】
なお、本実施形態では、１対の光パルス信号Ｓａ、Ｓｂの間のパルスシフト数Ｎを４通りのパルスシフト数１、２、３、４の間で切り替えたが、４通りのパルスシフト数の間隔が正確な１になっているならば、個々のパルスシフト数は整数から若干ズレていても構わない（つまり、４通りのパルスシフト数は、微小な値τに対して（１＋τ）、（２＋τ）、（３＋τ）、（４＋τ）で表される値であっても構わない。）。
【０１０６】
また、本実施形態では、パルスシフト数Ｎの組み合わせを（１、２、３、４）の組み合わせとしたが、他の組み合わせとしてもよい。例えば、（２、３、４、５）の組み合わせや、（３、４、５、６）の組み合わせとしてもよい。位相シフトのステップ数Ｍは、４以上であればよい。但し、演算式（６）は、採用された組み合わせに応じて適切に変更されるものとする。
【０１０７】
［各実施形態の補足］
なお、何れかの実施形態のオフセット周波数制御装置は、分光装置や測長装置など、光周波数コム光源の適用先となり得る各種の装置へ搭載することが可能である。
【符号の説明】
【０１０８】
１００、２００、３００…オフセット周波数制御装置、１１…光周波数コム光源、１２…ビームスプリッタ、１３、１４…固定反射鏡、１５…偏光ビームスプリッタ、１６…フォトディテクタ、１７…１／８波長板、１８…位相演算部、１９…オフセット制御部
【図１】
2012132711.tif 000021
【図２】
2012132711.tif 000022
【図３】
2012132711.tif 000023
【図４】
2012132711.tif 000024
【図５】
2012132711.tif 000025
【図６】
2012132711.tif 000026
【図７】
2012132711.tif 000027
【図８】
2012132711.tif 000028