(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源（１）および該レーザ光源からのレーザ光を変調する変調信号を出力する変調信号発生器（２）を含み変調されたレーザ光を出力する光源装置（１０）と、前記レーザ光源から出力されるレーザ光の波長を制御するレーザ制御器（３）と、特定の光波長で光吸収特性を示すガスを封入した光吸収セル（５）と、前記変調されたレーザ光を前記光吸収セル中に導いて線形吸収を生じさせる第１の分光手段（１１ａ）と、前記変調されたレーザ光を前記光吸収セル中に導いて飽和吸収を生じさせる第２の分光手段（１１ｂ）と、前記線形吸収を受けた光を受領して電気信号に変換する第１の光検出器（１２ａ）と、前記飽和吸収を受けた光を受領して電気信号に変換する第２の光検出器（１２ｂ）と、前記第１の光検出器の信号を増幅する第１の増幅器（３０ａ）と、前記第２の光検出器の信号を増幅する第２の増幅器（３０ｂ）と、前記第１の増幅器と前記第２の増幅器からの出力を受ける差動アンプ（３１）と、前記差動アンプの出力の３次成分を前記変調信号発生器から出力された前記変調信号の３倍波で同期検波し、その３倍波の同期検波出力の値がゼロとなるように前記第１の増幅器および前記第２の増幅器のうち少なくとも一方のゲインを制御する第１の制御手段（４ａ）と、前記差動アンプの出力の１次成分を前記変調信号発生器から出力された前記変調信号の１倍波で同期検波し、その１倍波の同期検波出力の値が一定となるように、その１倍波の同期検波出力の値を前記レーザ制御器に帰還する第２の制御手段（４ｂ）とを含む周波数安定化光源。
【請求項２】
レーザ光源（１）と、前記レーザ光源から出力されるレーザ光の波長を制御するレーザ制御器（３）と、特定の光波長で光吸収特性を示すガスを封入した光吸収セル（５）と、該光吸収セルに磁場を与えるための磁場発生装置（２１）および該磁場発生装置に変調信号を出力する変調信号発生器（２）を含み前記光吸収セルに変調された磁場を与えてゼーマン変調を生じさせるゼーマン変調装置（２０）と、前記レーザ光を前記光吸収セル中に導いて線形吸収を生じさせる第１の分光手段（１１ａ）と、前記レーザ光を前記光吸収セル中に導いて飽和吸収を生じさせる第２の分光手段（１１ｂ）と、前記線形吸収を受けた光を受領して電気信号に変換する第１の光検出器（１２ａ）と、前記飽和吸収を受けた光を受領して電気信号に変換する第２の光検出器（１２ｂ）と、前記第１の光検出器の信号を増幅する第１の増幅器（３０ａ）と、前記第２の光検出器の信号を増幅する第２の増幅器（３０ｂ）と、前記第１の増幅器と前記第２の増幅器からの出力を受ける差動アンプ（３１）と、前記差動アンプの出力の３次成分を前記変調信号発生器から出力された前記変調信号の３倍波で同期検波し、その３倍波の同期検波出力の値がゼロとなるように前記第１の増幅器および前記第２の増幅器のうち少なくとも一方のゲインを制御する第１の制御手段（４ａ）と、前記差動アンプの出力の１次成分を前記変調信号発生器から出力された前記変調信号の１倍波で同期検波し、その１倍波の同期検波出力の値が一定となるように、その１倍波の同期検波出力の値を前記レーザ制御器に帰還する第２の制御手段（４ｂ）とを含む周波数安定化光源。
【請求項３】
レーザ光源（１）および該レーザ光源からのレーザ光を変調する変調信号を出力する変調信号発生器（２）を含み変調されたレーザ光を出力する光源装置（１０）と、前記レーザ光源から出力されるレーザ光の波長を制御するレーザ制御器（３）と、特定の光波長で光吸収特性を示すガスを封入した光吸収セル（５）と、前記変調されたレーザ光を前記光吸収セル中に導いて線形吸収を生じさせる第１の分光手段（１１ａ）と、前記変調されたレーザ光を前記光吸収セル中に導いて飽和吸収を生じさせる第２の分光手段（１１ｂ）と、前記線形吸収を受けた光を受領して電気信号に変換する第１の光検出器（１２ａ）と、前記飽和吸収を受けた光を受領して電気信号に変換する第２の光検出器（１２ｂ）と、前記第１の分光手段と前記第１の光検出器との間および前記第２の分光手段と前記第２の光検出器との間のうち少なくともどちらか一方に配置されていて、光の強度を制御するための光量調整手段（１３）と、前記第１の光検出器の信号を増幅する第１の増幅器（３０ａ）と、前記第２の光検出器の信号を増幅する第２の増幅器（３０ｂ）と、前記第１の増幅器と前記第２の増幅器からの出力を受ける差動アンプ（３１）と、前記差動アンプの出力の３次成分を前記変調信号発生器から出力された前記変調信号の３倍波で同期検波し、その３倍波の同期検波出力の値がゼロとなるように前記光量調整手段を制御する第１の制御手段（４ａ）と、
前記差動アンプの出力の１次成分を前記変調信号発生器から出力された前記変調信号の１倍波で同期検波し、その１倍波の同期検波出力の値が一定となるように、その１倍波の同期検波出力の値を前記レーザ制御器に帰還する第２の制御手段（４ｂ）とを含む周波数安定化光源。
【請求項４】
レーザ光源（１）と、前記レーザ光源から出力されるレーザ光の波長を制御するレーザ制御器（３）と、特定の光波長で光吸収特性を示すガスを封入した光吸収セル（５）と、該光吸収セルに磁場を与えるための磁場発生装置（２１）および該磁場発生装置に変調信号を出力する変調信号発生器（２）を含み前記光吸収セルに変調された磁場を与えてゼーマン変調を生じさせるゼーマン変調装置（２０）と、前記レーザ光を前記光吸収セル中に導いて線形吸収を生じさせる第１の分光手段（１１ａ）と、前記レーザ光を前記光吸収セル中に導いて飽和吸収を生じさせる第２の分光手段（１１ｂ）と、前記線形吸収を受けた光を受領して電気信号に変換する第１の光検出器（１２ａ）と、前記飽和吸収を受けた光を受領して電気信号に変換する第２の光検出器（１２ｂ）と、前記第１の分光手段と前記第１の光検出器との間および前記第２の分光手段と前記第２の光検出器との間のうち少なくともどちらか一方に配置されていて、光の強度を制御するための光量調整手段（１３）と、前記第１の光検出器の信号を増幅する第１の増幅器（３０ａ）と、前記第２の光検出器の信号を増幅する第２の増幅器（３０ｂ）と、前記第１の増幅器と前記第２の増幅器からの出力を受ける差動アンプ（３１）と、前記差動アンプの出力の３次成分を前記変調信号発生器から出力された前記変調信号の３倍波で同期検波し、その３倍波の同期検波出力の値がゼロとなるように前記光量調整手段を制御する第１の制御手段（４ａ）と、前記差動アンプの出力の１次成分を前記変調信号発生器から出力された前記変調信号の１倍波で同期検波し、その１倍波の同期検波出力の値が一定となるように、その１倍波の同期検波出力の値を前記レーザ制御器に帰還する第２の制御手段（４ｂ）とを含む周波数安定化光源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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た周波数安定化光源に関し、特に、光周波数安定度が短期および長期に亘って高安定な周波数安定化光源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザの出力周波数、すなわち出力波長を安定化させるには、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。
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が最も波長安定度が高く、システム化も容易である。
【０００３】
この光吸収セルによる安定化方式には、線形吸収分光を用いるものと、飽和吸収分光を用いるものとがあるが、まず線形吸収分光法について、図４を用いて説明する。
レーザ光源１から出射されたレーザ光の光路をビームスプリッタ４２で分岐し、光吸収ピークを持つ原子または分子の試料を封入した光吸収セル５にレーザ光を入射し、光吸収セル５の透過光を光検出器１４で受光するような分光系を構築する。光検出器１４の出力は、増幅器３３を介してレコーダ５０の縦軸（図中Ｙ）へ入力する。レーザ制御器３は、レーザ光源１への注入電流の制御を行う。レーザ制御器３にて注入電流を変化させることによってレーザ光の出力波長をスイープし、そのスイープ信号をレコーダ５０の横軸（図中Ｘ）へ入力すると、図５に示すような線形吸収スペクトルが観測される。
例として、光吸収セルに封入する試料とレーザの出力波長の関係を挙げると、ルビジウムでは７８０ｎｍ付近、セシウムでは８５２ｎｍ付近、アセチレンでは１５３０ｎｍ付近でこの現象が確認できる。
【０００４】
光吸収セル５で得られた吸収スペクトルの光吸収ピークにレーザ光源１の出力波長を安定化させるには、レーザ光の波長もしくはガスの吸収スペクトルに変調信号を加え、光吸収セル５を透過したレーザ光に含まれるこの変調信号のレベルを検出する。そして、光吸収ピークにおける変調信号のレベルを基準にしてレーザ光の波長が光吸収ピークからずれたときのレベルを検出し、それを誤差信号として位相同期ループにより出力波長を制御する。変調を行う方法として、レーザ光源１への注入電流に変調信号を重畳し、レーザ光の出力波長を変調する方法を図６に、音響光学変調器２２によりレーザ光源１から出射されたレーザ光自体に変調を行う方法を図７に、試料が磁気双極子を有する場合には磁場発生装置２１によって光吸収セル５に変調磁場を加えて吸収スペクトル自体に変調をかけるゼーマン変調方法を図８にそれぞれ示す。
図９は、レーザ光に変調信号が重畳されている場合に吸収スペクトルから得られる誤差信号を示す。レーザ光の出力波長が光吸収ピークと一致している場合の誤差信号は、主に変調信号の２倍の周波数成分となり、ほぼゼロである。
【０００５】
光吸収セル５で得られた光吸収ピークの誤差信号に電気的な帰還を行うには、誤差信号に含まれる変調信号の１次成分を同期検波する方式（以下、１次微分方式と記す。）と、３次成分を同期検波する方式（以下、３次微分方式と記す。）がある。この２つの方式の相違を明確に説明するため、図１０に示すような吸収スペクトルについてシミュレーションを行った。条件として、吸収スペクトルのプロファイルはローレンツ形とし、その吸収スペクトル幅は５ＭＨｚ、レーザ光の発振線幅は０．１（図１０中ａ）、８（同図ｂ）、１０（同図ｃ）、１２（同図ｄ）ＭＨｚとした。さらに、吸収スペクトルに傾斜を持たせ（以下、この吸収スペクトルの傾斜をバックグランドと記す。）、その傾斜量を１／３００［１／ＭＨｚ］とした。
１次微分方式により、この吸収スペクトルで得られる微分カーブを図１１に示す。図１１の中心部分を拡大したのが図１２である。図１２中ａの場合は、０．２ＭＨｚ付近で同期検波出力がゼロとなるが、図１２中ｃの場合では０．５ＭＨｚ付近で同期検波出力がゼロとなってしまう。このことから、レーザ光の発振線幅が変わると、その安定化すべきレーザ光の出力波長がずれてしまう。さらに、バックグランド傾斜が変化した場合には、レーザ光の発振線幅が一定でも誤差信号のゼロ点が変化してしまう。図１２中ａ’はレーザ光の発振線幅が同じでバックグランドの傾斜量を１／１００［１／ＭＨｚ］とした場合を示す。
次に、３次微分方式により、吸収スペクトルから得られる微分カーブを図１３に示す。図１３の中心部分を拡大したのが図１４である。図１４中の全ての場合から明らかなように、レーザ光の発振線幅が違っても光波長が０ＭＨｚで得られる誤差信号はゼロ点に一致し、レーザ光の出力波長が高安定化できる。さらに、バックグランド傾斜が変化した際にも、誤差信号のゼロ点は変化しない。
【０００６】
上記の線形吸収分光法の技術を用いた従来の周波数安定化光源を図１５に示す。
分光系に関しては図４と同じである。レーザ光源１からの出力波長を１次微分方式で安定化させたい場合は、変調信号発生器２から出力された変調信号ｆをレーザ光源１に加わる注入電流に加算器３８を介して重畳し、同じく変調信号ｆを制御手段３４に入力する。制御手段３４は、増幅器３３からの出力信号に含まれた変調信号ｆの１次成分を変調信号ｆで同期検波し、その同期検波出力がゼロとなるようレーザ制御器３へ帰還を行う。このことにより、レーザ光源１から出力されるレーザ光の出力波長を安定化できる。しかし、前述のシミュレーションで示したように、レーザ光の発振線幅またはバックグランドが変化した場合は、レーザ光源１からの出力波長は変化してしまう。
３次微分方式で安定化させたい場合は、変調信号発生器２から出力された変調信号ｆをレーザ光源１に加わる注入電流に加算器３８を介して重畳し、変調信号発生器２から出力された変調信号ｆの３倍波を制御手段３４へ入力する。制御手段３４は、増幅器３３からの出力信号に含まれた変調信号ｆの３次成分を変調信号ｆの３倍波３ｆで同期検波し、その同期検波出力がゼロとなるようレーザ制御器３へ帰還を行う。しかし、３次微分方式では出力信号に含まれた変調信号ｆの３次成分は、１次微分方式における出力信号に含まれた変調信号ｆの１次成分と比較し、その信号強度が極端に小さいために安定化時におけるＳ／Ｎも小さくなり、したがって短期安定度は１次微分方式より劣ってしまう。
【０００７】
また、上記の１次微分方式と３次微分方式とを併用した先行技術として、注入電流変調方式によるレーザの波長安定化がなされた実開平６−３８２７１“周波数安定化半導体レーザ光源”が出願されている。図１６を用いて概略を説明すると、レーザ光源１から出力された光を光分岐手段４６により、安定化出力光、光吸収セル５への入射光および光検出器１５への入射光の３つに分岐する。光吸収セル５を透過した光は光検出器１４で受光し、光電変換される。光検出器１４、１５の出力はそれぞれ増幅器３３、３２で増幅されるが、増幅器３２は外部からの制御信号により、その利得が可変である。２つの増幅器から出力されたそれぞれの信号は減算器３９へ入力されて減算される。そして、その出力は変調信号発生器２からの変調信号の１倍波および３倍波で同期検波するために、同期検波回路３６、３７へ入力される。ここで、一方の同期検波回路３６からの出力は、レーザ光源１の注入電流を制御している制御回路３５ａへ入力される。その結果、１次微分方式によって、同期検波回路３６の出力がゼロ点へ一致するように帰還制御され、レーザ光源１の出力周波数が安定化される。また、他方の同期検波回路３７からの出力は、増幅器３２の利得を制御している制御回路３５ｂへ入力される。そして、３次微分方式によって、同期検波回路３７の出力がゼロ点へ一致するように帰還制御される。
これらの構成において、レーザ光源１の波長を変調するため注入電流に変調を行った時に生じる振幅変調成分により、１次微分方式による同期検波出力がゼロとなる波長と本来の吸収スペクトル中心波長との間で生じたずれを、３次微分方式で補正することができる。
【０００８】
次に、光吸収セルの飽和吸収を用いた飽和吸収分光法について、図１７を用いて説明する。この方式は、前述の線形吸収分光法による出力波長の短期安定度をさらに向上させるものである。
レーザ光源１から出射されたレーザ光の光路をビームスプリッタ４２で分岐し、一方の分岐光は光吸収セル５を透過し光検出器１４に入射される。もう一方の分岐光はビームスプリッタ４３、ミラー４５、ビームスプリッタ４４を介して光吸収セル５へ入射される。この入射光とビームスプリッタ４２で分岐された前記一方の分岐光とは、光吸収セル５の中において、進行方向は互いに反対向きで、かつ、ほぼ重なり合うようにする。この場合、上記入射光および分岐光のどちらか一方のレーザ光で分子の吸収が飽和状態となると、他方のレーザ光（この場合プローブ光となる）による光の吸収量が減少する。このプローブ光にもたらされる飽和吸収特性を光検出器１４で光電変換により検出し、その出力を増幅器３３を介してレコーダ５０の縦軸へ入力する。レーザ制御器３にてレーザ光源１の注入電流を変化させることによってレーザ光の出力波長をスイープして、そのスイープ信号をレコーダ５０の横軸へ入力すると、図１８に示すように線形吸収成分を含んだ飽和吸収スペクトルが観測される。例えば試料がセシウムの場合は、６本の飽和吸収スペクトルが観測でき、一つの飽和吸収スペクトルの半値全幅は線形吸収スペクトルの半値全幅の約１／１００である。このために、レーザ光の出力波長を制御する際、飽和吸収スペクトルを用いるとＳ／Ｎが向上し安定度が大幅に改善される。しかし、飽和吸収スペクトルが線形吸収スペクトルのバックグランドに掛かっているため、系の不安定性などによるこのバックグランドの変化により、レーザ光の出力波長を飽和吸収スペクトルの一つに安定化する際には、長期的な安定性に欠ける。
【０００９】
なお、飽和吸収スペクトルを利用して安定なレーザ光の出力波長を得るために、飽和吸収スペクトルから線形吸収成分を取り除くことでバックグランドを減らし、飽和吸収スペクトルのみを抜き出す方法が一般的に知られている。図１９において、レーザ光源１から出射され、ビームスプリッタ４１および光吸収セル５で構成される分光系を経由して光検出器１２ａで受光されるレーザ光は、図４で説明したように線形吸収スペクトルとして検出される。また、同時に、ビームスプリッタ４１、光吸収セル５、ビームスプリッタ４３、ミラー４５およびビームスプリッタ４４で構成される分光系を経由して光検出器１２ｂで受光されるレーザ光は、図１７で説明したように線形吸収成分を含んだ飽和吸収スペクトルとして検出される。線形吸収スペクトルを内包するレーザ光を光検出器１２ａで受光し増幅器３０ａで増幅した出力と、線形吸収成分を含んだ飽和吸収スペクトルを内包するレーザ光を光検出器１２ｂで受光し増幅器３０ｂで増幅した出力とを差動アンプ３１に入力し、差動アンプ３１からの出力をレコーダ５０の縦軸に入力する。そこで、レーザ制御器３にてレーザ光源１の注入電流を変化させることによってレーザ光の出力波長をスイープすると、図２０に示すような線形吸収成分を取り除いた飽和吸収スペクトルが観測される。実際には、できるだけ飽和吸収スペクトルのバックグランドを小さくするために線形吸収スペクトルと、線形吸収成分を含んだ飽和吸収スペクトルとのどちらか一方の増幅器のゲインを調整している。図１９では例として増幅器３０ａのゲインをゲイン調整ボリューム４０で調整している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
３次微分方式により、レーザ光の出力波長をガスの光吸収スペクトルの中心に安定化できることは一般的に知られているが、３次微分方式では出力信号に含まれた変調信号ｆの３次成分が、１次微分方式における出力信号に含まれた変調信号ｆの１次成分と比較して、その信号が極端に小さいために安定化時のＳ／Ｎが劣化する。
図２１は、アラン分散を安定度尺度に用いたレーザ光の周波数安定度を示す。測定には、図１９の分光系を用いて、それぞれ違う飽和吸収スペクトルに安定化した２つのレーザ光のビート信号をカウンタで測定した。
図２１のＬ１は１次微分方式による安定化を行った場合の周波数安定度、同図Ｌ３は３次微分方式による安定化を行った場合の周波数安定度である。１次微分方式で安定化を行った方がＳ／Ｎが大きいため短期安定度が優れているが、光吸収セルを含めた分光系の経時変化による吸収スペクトルのバックグランドの変化、レーザ光の発振線幅の変動等により、長期安定度が劣化してしまう。また３次微分方式では、長期的な安定度は優れているがＳ／Ｎが小さいため、短期安定度は劣化する。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の周波数安定化光源は、位相同期ループを用いて光吸収セルの飽和吸収ピークへ出力波長を安定化させる際に、光吸収セルの線形吸収スペクトルと線形吸収成分が含まれた飽和吸収スペクトルとをそれぞれ光検出器で検出し、両者を差動アンプにて差し引くことにより、ほぼ飽和吸収のみによるスペクトルを抜き出す。その飽和吸収スペクトルから得られる誤差信号に含まれたＳ／Ｎの良い１次成分を同期検波し、その出力をもとにレーザ光の出力波長をスペクトル中の特定の飽和吸収ピークの波長へ安定化する。さらに、上記スペクトルから得られる誤差信号に含まれた３次成分を同期検波し、その出力値をもとに線形吸収スペクトルと線形吸収成分が含まれた飽和吸収スペクトルとを差し引く際の増幅器のゲインバランスを制御し、レーザ光の出力波長を１次のみならず３次の同期検波出力に対しても安定化する。
【００１２】
上記の構成により、レーザ光の出力波長はＳ／Ｎの良い１次微分方式で安定化されているため短期安定性に優れ、３次微分方式によるゆっくりした系の経時変化の補正も可能となるため、短期および長期に亘って周波数安定度が優れた周波数安定化光源を提供できる。また、従来必要であったゲインバランスの調整箇所に３次微分方式による電気的帰還を行うため構成が複雑化することがない。また、その際３次微分の値により、線形吸収スペクトルと線形吸収成分が含まれた飽和吸収スペクトルとで差し引きを行い、その差でゲインバランスの制御を行うが、相似性のある形状同士を差し引いているため、帰還の際のループゲインが少なくてすみ、帰還回路の不安定性によりレーザ光の出力波長の安定性を悪くする恐れがない。さらに、図６、図７または図８で示すような、いろいろな変調方式が採用でき、構成に柔軟性がある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施形態を図１を用いて説明する。
図１は本発明の周波数安定化光源の構成図である。光源装置１０内のレーザ光源１はその出力波長を、レーザ制御器３から供給される注入電流によって制御されている。また、実線矢印で示すようにレーザ光源１への注入電流に変調信号を重畳するために、光源装置１０内の変調信号発生器２より変調信号ｆが加わっている。なお、破線矢印は、変調信号ｆを音響光学変調器２２に供給して、レーザ光に変調をかける構成を示しているが、これについては後述する。
光源装置１０から出力されたレーザ光は、第１の分光手段１１ａによって光吸収セル５に導かれて線形吸収分光される。光吸収セル５にはレーザ光を吸収する試料が封入されている。この線形吸収分光されたレーザ光は、第１の光検出器１２ａで受領され電気信号に変換される。また、光源装置１０から出力されたレーザ光は、第２の分光手段１１ｂによっても光吸収セル５に導かれて飽和吸収分光される。この飽和吸収分光されたレーザ光は第２の光検出器１２ｂで受領され電気信号に変換される。
なお、第１の分光手段１１ａは、前述の線形吸収分光法の説明における図４のビームスプリッタ４２で構成される光路に相当するものである。また、第２の分光手段１１ｂは、前述の飽和吸収分光法の説明における図１７のビームスプリッタ４２、４３、４４およびミラー４５で構成される光路に相当するものである。
【００１４】
次に図１の電気系について説明する。光検出器１２ａ、１２ｂで光電変換されて出力された電気信号は、それぞれ第１の増幅器３０ａ、第２の増幅器３０ｂで増幅された後に差動アンプ３１へ入力され、線形吸収スペクトルを有する電気信号と線形吸収成分が含まれた飽和吸収スペクトルを有する電気信号との差し引きが行われ、その差の信号が出力される。なお、第１の増幅器３０ａ、第２の増幅器３０ｂのうち少なくともどちらか一方は、外部制御信号によりそのゲインが変えられる。差動アンプ３１の出力信号は、第１の制御手段４ａおよび第２の制御手段４ｂに入力される。また、第１の制御手段４ａには変調信号発生器２から出力された変調信号ｆの３倍波が入力され、第２の制御手段４ｂには変調信号発生器２から出力された変調信号ｆの１倍波が入力されている。
第１の制御手段４ａは、差動アンプ３１の出力信号の３次成分を変調信号ｆの３倍波で同期検波して、その出力値がゼロとなるように第１の増幅器３０ａおよび第２の増幅器３０ｂのうち少なくともどちらか一方へ帰還し、そのゲインを変えて制御する。
第２の制御手段４ｂは、差動アンプ３１の出力信号の１次成分を変調信号ｆの１倍波で同期検波して、その出力値が一定になるようにレーザ制御器３に帰還し、レーザ光源１への注入電流を可変することにより、レーザ光の出力波長を制御する。
また、第１の制御手段４ａによる帰還ループの時定数を、第２の制御手段４ｂによる帰還ループのＳ／Ｎを低下させない程度に長く調整することにより、１次微分方式および３次微分方式による周波数安定化の最良点が決定できる。
【００１５】
これらの構成により、Ｓ／Ｎの良い１次微分方式と同時に、長期的な経時変化の影響による変化が小さい３次微分方式によりレーザ光源１の出力波長を安定化できることから、短期および長期に亘って周波数安定性が向上する。また、１次微分方式および３次微分方式の帰還ループがそれぞれ独立して別個に構成されるため、帰還ループの時定数およびループゲインもそれぞれ別々に調整可能である。さらに、３次微分方式の帰還は、前述の図１９に示したように、もともと必要であった増幅器のゲイン調整箇所と同一であるため、新たに調整箇所を設ける必要が無く、構成が簡素である。
【００１６】
上記の説明では、レーザ光に変調をかけるために、変調信号発生器２から出力された変調信号ｆをレーザ光源１に供給される注入電流に重畳するようにしたが、レーザ光源１から出力された後のレーザ光自体に変調をかけるようにしてもよい。この場合、図１の光源装置１０内の破線矢印に示すように、変調信号発生器２から出力された変調信号ｆを音響光学変調器２２に加えることにより実現される。また図示していないが、光出力を無変調にしたい場合の構成としては、音響光学変調器２２を第１の分光手段１１ａおよび第２の分光手段１１ｂ内に配置し、光吸収セル５へ入射するレーザ光に変調をかけるようにすればよい。
【００１７】
次に、本発明の第２の実施形態を図２を用いて説明する。
光吸収セル５に封入する試料が磁気双極子を有している場合には、光吸収セル５に磁場をかけて、その磁場発生のための励磁電流に変調信号を重畳し、吸収スペクトル自体に変調を行うゼーマン変調が可能である。なお、図２において、変調信号発生器２から出力された変調信号ｆを用いて、光吸収セル５を透過するレーザ光に変調をかけるための手段を除いては、第１の実施形態と同じである。すなわち、ゼーマン変調装置２０内の変調信号発生器２から出力された変調信号ｆは磁場発生装置２１に加わっている。磁場発生装置２１は光吸収セル５に対して、変調信号ｆが重畳した変調磁場を与えている。
これらの構成により、レーザ光源１から出力されたレーザ光は無変調であるが、第１の分光手段１１ａと光吸収セル５、および第２の分光手段１１ｂと光吸収セル５をそれぞれ透過して、第１の光検出器１２ａおよび第２の光検出器１２ｂでそれぞれ受光したレーザ光は、変調信号ｆが重畳されているため、同期検波が可能である。
【００１８】
次に、本発明の第３の実施形態を図３（ａ）を用いて説明する。
図３（ａ）において、光吸収セル５と第１の光検出器１２ａとの間、および第２の分光手段１１ｂと第２の光検出器１２ｂとの間のうち、少なくともどちらか一方に光量調整手段１３を配置する。光量調整手段１３は、例えば光減衰器で構成されており、外部制御信号により透過する光の強度を調整可能としている。第１の制御手段４ａは、差動アンプ３１の出力信号の３次成分を変調信号ｆの３倍波で同期検波して、その出力値がゼロとなるよう光量調整手段１３へ制御信号を出力し、この制御信号に基づき光量調整手段１３は透過光量調整を行う。
第１の実施形態との違いを明確に表すと、第１の実施形態では光を電気信号に変換した後で３次成分による補正を行っているが、第３の実施形態では光を電気信号に変換する前で３次成分による補正を行い、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
図３（ｂ）は、第３の実施形態を図２で説明した第２の実施形態のゼーマン変調方式に適用した場合を示している。
【００１９】
【発明の効果】
本発明に係る周波数安定化光源により、短期および長期に亘って周波数安定度が優れた光出力を得ることができる。図２１のＬ１３は、本発明の実施例による周波数安定化光源の安定度特性を示す。１次微分方式によって安定化した場合に得られる安定度Ｌ１と、３次微分方式によって安定化した場合に得られるＬ３に比べて、全平均化時間領域において安定な特性が得られた。
また、３次微分方式による補正は、相似性のある線形吸収スペクトルと線形吸収成分が含まれている飽和吸収スペクトルとで差し引きを行い、その差でゲインバランスの制御を行っているため、帰還の際のループゲインが少なくてすみ、帰還回路の不安定性によりレーザ光の出力波長の安定性を悪くする恐れがない。
また、１次微分方式および３次微分方式の帰還ループがそれぞれ独立して別個に構成されるため、帰還ループの時定数とループゲインとを別個に設定でき、それぞれについて最適調整が可能である。
さらに、同期検波を行うための変調信号は、レーザ光源に供給される注入電流、レーザ光源から出力された後のレーザ光あるいは光吸収セルへの磁場のうち、いずれかに重畳するようにすればよいことから、構成に柔軟性がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す構成図である。
【図２】本発明の第２の実施形態を示す構成図である。
【図３】光量調整手段を用いた実施形態を示す構成図であり、（ａ）は本発明の第３の実施形態を示す構成図、（ｂ）はゼーマン変調方式に適用した実施形態を示す構成図である。
【図４】線形吸収分光法を説明するための構成図である。
【図５】線形吸収スペクトルを示す図である。
【図６】注入電流変調方法を示す構成図である。
【図７】音響光学変調器による変調方法を示す構成図である。
【図８】ゼーマン変調方法を示す構成図である。
【図９】吸収スペクトルから得られる誤差信号を示す図である。
【図１０】吸収スペクトルについてシミュレーションを行った結果を示す図である。
【図１１】１次微分方式による微分カーブを示す図である。
【図１２】１次微分方式による微分カーブのゼロ点付近の拡大図である。
【図１３】３次微分方式による微分カーブを示す図である。
【図１４】３次微分方式による微分カーブのゼロ点付近の拡大図である。
【図１５】従来の周波数安定化光源の構成図である。
【図１６】１次および３次微分方式を利用した従来の周波数安定化光源の構成図である。
【図１７】飽和吸収分光法を説明するための構成図である。
【図１８】線形吸収成分を含んだ飽和吸収スペクトルを示す図である。
【図１９】線形吸収成分を含んだ飽和吸収スペクトルから線形吸収スペクトルを差し引くための構成図である。
【図２０】飽和吸収スペクトルを示す図である。
【図２１】アラン分散の尺度によるレーザ光の周波数安定度を示す図である。
【符号の説明】
１    レーザ光源
２    変調信号発生器
３    レーザ制御器
４ａ  第１の制御手段
４ｂ  第２の制御手段
５    光吸収セル
１０    光源装置
１１ａ  第１の分光手段
１１ｂ  第２の分光手段
１２ａ  第１の光検出器
１２ｂ  第２の光検出器
１３    光量調整手段
１４    光検出器
１５    光検出器
２０    ゼーマン変調装置
２１    磁場発生装置
２２    音響光学変調器
３０ａ  第１の増幅器
３０ｂ  第２の増幅器
３１    差動アンプ
３２    可変利得増幅器
３３    増幅器
３４    制御手段
３５ａ  制御回路
３５ｂ  制御回路
３６    同期検波回路
３７    同期検波回路
３８    加算器
３９    減算器
４０    ゲイン調整ボリューム
４１    ビームスプリッタ
４２    ビームスプリッタ
４３    ビームスプリッタ
４４    ビームスプリッタ
４５    ミラー
４６    光分岐手段
５０    レコーダ
【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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【図２０】
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【図２１】
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