(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）第１の半導体レーザの出射光をファブリペロー共振器に入射し、第１の光検出器を介して得られるフリンジ信号を誤差信号として第１の半導体レーザに帰還することで前記ファブリペロー共振器で前記第１の半導体レーザを安定化し、
（ｂ）この状態で、Ｒｂの２光子スペクトル〔５Ｄ5/2 （Ｆｅ＝４）←５Ｓ1/2 （Ｆｇ＝２）〕による誤差信号として前記ファブリペロー共振器の第１のミラーを駆動する第１のＰＺＴに帰還し、２光子スペトクルで前記ファブリペロー共振器の第１のミラーの位置を安定化し、
（ｃ）さらに、前記ファブリペロー共振器の第１のミラーを前記第１の半導体レーザで安定化した状態で、第２の半導体レーザの出射光を前記ファブリペロー共振器に入射し、第２の光検出器を介して得られるフリンジ信号に第２の半導体レーザを安定化し、
（ｄ）Ｒｂの２光子スペクトル〔５Ｄ3/2 （Ｆｅ＝３）←５Ｓ1/2 （Ｆｇ＝１）〕による１次微分信号を誤差信号として前記ファブリペロー共振器の第２のミラーを駆動する第２のＰＺＴに帰還し、前記ファブリペロー共振器の第２のミラーの位置を安定化することを特徴とする高精度光周波数マーカ発生方法。
【請求項２】
請求項１記載の高精度光周波数マーカ発生方法において、前記ファブリペロー共振器に第３のレーザを透過させることにより、得られる透過信号の絶対周波数を確定することを特徴とする高精度光周波数マーカ発生方法。
【請求項３】
（ａ）第１の半導体レーザと、
（ｂ）該第１の半導体レーザの出射光を入射する２枚の第１のミラーと第２のミラーを有するファブリペロー共振器と、
（ｃ）該ファブリペロー共振器から第１の光検出器を介して得られるフリンジ信号を誤差信号として前記第１の半導体レーザに帰還し、該第１の半導体レーザを安定化する手段と、
（ｄ）前記ファブリペロー共振器の第１のミラーを駆動する第１のＰＺＴと、
（ｅ）第２の半導体レーザと、
（ｆ）前記ファブリペロー共振器の第２のミラーを駆動する第２のＰＺＴとを備え、
（ｇ）上記（ｃ）の状態で、Ｒｂの２光子スペクトル〔５Ｄ5/2 （Ｆｅ＝４）←５Ｓ1/2 （Ｆｇ＝２）〕による１次微分信号を誤差信号として前記ファブリペロー共振器の第１のミラーを駆動する第１のＰＺＴに帰還し、２光子スペトクルで前記ファブリペロー共振器の第１のミラーの位置を安定化する手段と、
（ｈ）さらに、前記ファブリペロー共振器の第１のミラーを第１の半導体レーザで安定化した状態で、第２の半導体レーザの出射光をファブリペロー共振器に入射し、第２の光検出器を介して得られるフリンジ信号に安定化する手段と、
（ｉ）Ｒｂの２光子スペクトル〔５Ｄ3/2 （Ｆｅ＝３）←５Ｓ1/2 （Ｆｇ＝１）〕による１次微分信号を誤差信号として前記ファブリペロー共振器の第２のミラーの第２のＰＺＴを駆動し、前記ファブリペロー共振器の第１のミラーの位置と第２のミラーの位置を同時に安定化する手段を具備することを特徴とする高精度光周波数マーカ発生装置。
【請求項４】
請求項３記載の高精度光周波数マーカ発生装置において、第３のレーザと光検出器を設け、前記第３のレーザの出射光を前記ファブリペロー共振器を透過させ、得られる透過信号の絶対周波数を確定する手段を具備することを特徴とする高精度光周波数マーカ発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、出力する光の周波数を安定化する周波数安定化光源に係り、特に、高精度光周波数マーカ発生方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光周波数マーカ発生装置として、以下に示すようなものがあった。
【０００３】
Ｉ．第１の安定化光源（安定化方法Ｉ）
図４はかかる従来の安定化光源のブロック図である。
【０００４】
この図において、１０１は光源、１０２はビームスプリッタ、１０３はガスセル、１０４はガスセル１０３からの蛍光を検出する光検出器、１０５は光検出器１０４からの発光スペクトル１０４Ａが入力され、一次微分信号１０５Ａを出力するロックインアンプ、１０６はその一次微分信号１０５Ａが入力される加算器、１０７はロックインアンプ１０５及び加算器１０６にタイミング信号を印加する発振器である。
【０００５】
図４において、
（１）特定の気体（一般には、透明な容器に閉じ込められた気体の状態で、吸収セル、蛍光セル、ガスセルなどと称している）に、ある光源の光を入射させると、気体は固有の周波数を有する光を吸収する。
【０００６】
（２）吸収時に得られる吸収スペクトルまたは蛍光スペクトルを検出する。
【０００７】
（３）検出したスペクトルをレーザの周波数を制御する信号（これを周波数弁別信号と称する）として、その光源から出力される光の周波数を、その吸収周波数に一致するように制御して、光の周波数を安定化する。
【０００８】
図４では、光検出器１０４で検出した発光スペクトル１０４Ａをロックインアンプ１０５を用いて１次微分信号１０５Ａに変換し、これを周波数弁別信号としている。
【０００９】
しかし、上記した従来の安定化方法Ｉは、以下の点において問題がある。
【００１０】
（ａ）周波数を特定の周波数（絶対的に決まる周波数）に安定化できるが、安定化する周波数範囲を広げることはできない。すなわち、安定化できる周波数は、気体に固有の周波数に限定される。
【００１１】
（ｂ）一般的に光源の周波数は、ある一定の安定度で揺らいでいる。光源の周波数の安定度に比べて吸収周波数が極めて狭い範囲にあるときは、安定化点に光源の周波数を設定するのが困難である（一度設定してしまえば、安定化し続けることができる）。したがって、事前に光源が吸収信号を容易に見い出せる程度に安定化されていることが望ましい。
【００１２】
II. 第２の安定化光源（安定化方法II）
（１）光学的な共振器（一般にファブリペロー共振器が使われる）に、ある光源より発する光を透過させると、光源の周波数変化に対して、周期的な透過特性が得られる。すなわち、共振器長から決まる一定の周波数間隔の光のみ透過する。この一定の周波数間隔の透過光を光検出器にて電気信号に変換したものを光周波数マーカと称する。図５にその光周波数マーカを示す。この図において、横軸は光周波数、縦軸はスペクトル強度を示しており、１１１は共振器の透過信号（周波数マーカ）である。
【００１３】
（２）その透過したときに得られる光を光検出器にて電気信号に変換して、アンプおよびＰＩＤ制御部を通し、光源の周波数を透過周波数に一致させるようにして、光の周波数を安定化する。この方法は安定化点をいくつも見出すことができ、上記Ｉ（ｂ）を克服したものになっていると考えられる。
【００１４】
しかし、上記した従来の安定化方法IIは、以下の点において問題がある。
【００１５】
（ａ）光の周波数を一定の周波数間隔（相対的な周波数）で安定化できるが、周波数を特定することができない（絶対周波数が決まらない）。
【００１６】
（ｂ）共振器長と屈折率の変化により、周波数が変化してしまう。
【００１７】
III.上記Ｉ、IIを改善した安定化光源（安定化方法III ）−その１−（例えば、特開平６−１４０７０９号公報参照）
（１）上記Ｉ，IIの手法を組み合わせる。すなわち、ファブリペロー共振器は、その片側の反射ミラーの位置を駆動できる制御装置を有し、その共振器長を可変できるものとする。
【００１８】
（２）その透過したときに得られる光を光検出器にて電気信号に変換して、アンプおよびＰＩＤ制御部を通し、１次微分信号を得て、これを弁別信号としてファブリペロー共振器の片側反射ミラーの位置を制御する駆動装置にフィードバックし、共振器長を制御する。
【００１９】
（３）この状態で、安定化したい第２の光源を共振器に透過させ、上記IIの方法で、第２の光源を安定化する。
【００２０】
（４）これにより、ガスセルによる吸収周波数と、共振器の透過スペクトルの１つの周波数とが一致することになる。
【００２１】
図６にその光源安定化方法III を示す。
【００２２】
この図６において、１２１は共振器の透過信号、１２２はガスセルの吸収または発光信号である。
【００２３】
しかし、この方法は、以下の点において問題がある。
【００２４】
（ａ）この方法は、共振器長と屈折率が固定されているとの前提に基づいている。しかし、実際には厳密にそれらを固定することは不可能である。図６に示すのように、安定化点におけるファブリペロー共振器の透過信号１２１（−３，…，０，…３）にナンバリングした場合に、０番目の透過信号１２１の周波数はガスセルのスペクトルの周波数と一致しており確定されている。
【００２５】
一方、ｍ番目の周波数は共振器長をｄ，光速をｃとすると、（０番目の周波数）＋（ｃ／２ｄ）×ｍで計算される。現実には共振器長ｄは温度により変化する。また、光の波長は屈折率ｎに依存し、屈折率ｎは空気の温度，密度，湿度に依存する〔屈折率ｎを考慮し真空中の値に換算した共振器長を実効的共振器長と定義すると（実効的共振器長）＝（波長÷２）×（屈折率）×（整数）となる〕。
【００２６】
（ｂ）また、ある時点の共振器長ｄと屈折率ｎが固定されているとの前提に立っても、それらを正確に知る術がなく、したがって、求めた周波数間隔には、ある程度の誤差を含む。すなわち第１のレーザ周波数が、安定化した第２のレーザ周波数より離れれば離れるほど，誤差が大きくなる。
【００２７】
IV. 上記Ｉ，IIを改善した安定化光源（安定化方法IV）−その２−（１９９９第６０回応用物理学学術講演会２ｐ−Ｋ−１２参照）
図７は従来の光源安定化方法IVを説明するブロック図、図８は光源安定化方法IVの詳細説明図である。
【００２８】
これらの図において、２０１はレーザ、２０２はビームスプリッタ、２０３はファブリペロー共振器、２０４は反射ミラー、２０５はＲｂ，ｒｅｆ，ＡＦＣ（２光子Ｒｂセル、ロックインアンプ、発振器）、２０６はファブリペロー共振器２０３の反射ミラーＭ１を駆動するＰＺＴ（圧電素子）ドライバー、２０７はＰＺＴ（圧電素子）、２０８はＦ．Ｐ．ｒｅｆ．ＡＦＣ（光検出器，ロックインアンプ、発振器）である。
【００２９】
また、図８において、２０５のＲｂ，ｒｅｆ，ＡＦＣは２光子Ｒｂセル２０５Ａとロックインアンプ２０５Ｂと発振器２０５Ｃからなっている。また、２０８のＦ．Ｐ．ｒｅｆ．ＡＦＣは、光検出器２０８Ａ、ロックインアンプ２０８Ｂ，発振器２０５Ｃからなっている。その他の点は、図７と同様である。
【００３０】
（１）まず、上記安定化方法IIでレーザを安定化する。上記安定化方法IIの手法で安定化したレーザは共振器２０３の反射ミラーＭ１を制御することにより、レーザ周波数を可変にすることができる。
【００３１】
（２）分岐手段（ビームスプリッタ２０２）によって、光の一部を取り出し、固有の周波数にて光を吸収するガスセルなどを透過させる。
【００３２】
（３）上記（１）の手法によって、光の周波数を上記（２）の固有の周波数に一致させるように、ファブリペロー共振器２０３の反射ミラーＭ１を制御する。
【００３３】
この安定化方法IVは、上記安定化方法III と同等の問題点がある。但し、上記安定化方法III に比べて、以下の点で有利である。すなわち、上記安定化方法III は安定化光源を実現するところは上記安定化方法Ｉの方法によっているが、本方法では、すでにＩ（ｂ）の問題点を克服している。
【００３４】
【発明が解決しようとする課題】
上記からも明らかなように、０．７８μｍ領域には、１０-11 の精度で周波数が決定されているＲｂの二光子共鳴線が存在するが、この領域には連続的な周波数標準は存在しない。本発明は、波数精度１０-10 の連続的な標準スペクトルを発生させることができる光周波数マーカ発生装置に関するものである。従来の方法として、高精度でレーザ周波数を掃引するには、原子や分子の吸収スペクトルに周波数ロックしたマスターレーザを用意し、別のスレーブレーザをヘテロダイン法によりマイクロ波制御装置の精度でオフセットロックしながらマイクロ波周波数を掃引する。しかし、そのマスターレーザの周波数は、原子分子などの高確度な標準スペクトルの存在する波長領域に限定される。また、近赤外線領域を基本波とした非線形光学結晶を用いての高調波の発生法（光コムジェネレータ）や、パラメトリック発振を用いて赤外光を発生させるなどの方法もあるが、安定に発生させるには技術（熟練）を要する。
【００３５】
本発明は、上記状況に鑑みて、近赤外線領域において、絶対周波数の確定したフリンジ信号を発生させることができる高精度光周波数マーカ発生方法及びその装置を提供することを目的とする。
【００３６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、                                    〔１〕高精度光周波数マーカ発生方法において、第１の半導体レーザ（１）の出射光をファブリペロー共振器（３）に入射し、第１の光検出器（７）を介して得られるフリンジ信号を誤差信号として第１の半導体レーザ（１）に帰還することで前記ファブリペロー共振器（３）で前記第１の半導体レーザ（１）を安定化し、この状態で、Ｒｂの２光子スペクトル〔５Ｄ5/2 （Ｆｅ＝４）←５Ｓ1/2 （Ｆｇ＝２）〕による誤差信号として前記ファブリペロー共振器（３）の第１のミラー（Ｍ１）を駆動する第１のＰＺＴ（６）に帰還し、２光子スペトクルで前記ファブリペロー共振器（３）の第１のミラー（Ｍ１）の位置を安定化し、さらに、前記ファブリペロー共振器（３）の第１のミラー（Ｍ１）を前記第１の半導体レーザ（１）で安定化した状態で、第２の半導体レーザ（１１）の出射光を前記ファブリペロー共振器（３）に入射し、第２の光検出器（１７）を介して得られるフリンジ信号に第２の半導体レーザを安定化し、Ｒｂの２光子スペクトル〔５Ｄ3/2 （Ｆｅ＝３）←５Ｓ1/2 （Ｆｇ＝１）〕による１次微分信号を誤差信号として前記ファブリペロー共振器の第２のミラー（Ｍ２）を駆動する第２のＰＺＴ（１６）に帰還し、前記ファブリペロー共振器（３）の第２のミラー（Ｍ２）の位置を安定化することを特徴とする。
【００３７】
〔２〕上記〔１〕記載の高精度光周波数マーカ発生方法において、前記ファブリペロー共振器に第３のレーザを透過させることにより、得られる透過信号の絶対周波数を確定することを特徴とする。
【００３８】
〔３〕高精度光周波数マーカ発生装置において、（ａ）第１の半導体レーザ（１）と、（ｂ）この第１の半導体レーザ（１）の出射光を入射する２枚の第１のミラー（Ｍ１）と第２のミラー（Ｍ２）を有するファブリペロー共振器（３）と、（ｃ）このファブリペロー共振器（３）から第１の光検出器（７）を介して得られるフリンジ信号を誤差信号として前記第１の半導体レーザ（１）に帰還し、この第１の半導体レーザ（１）を安定化する手段と、（ｄ）前記ファブリペロー共振器（３）の第１のミラー（Ｍ１）を駆動する第１のＰＺＴ（６）と、（ｅ）第２の半導体レーザ（１１）と、（ｆ）前記ファブリペロー共振器（３）の第２のミラー（Ｍ２）を駆動する第２のＰＺＴ（１６）とを備え、（ｇ）上記（ｃ）の状態で、Ｒｂの２光子スペクトル〔５Ｄ5/2 （Ｆｅ＝４）←５Ｓ1/2 （Ｆｇ＝２）〕による１次微分信号を誤差信号として前記ファブリペロー共振器（３）の第１のミラー（Ｍ１）を駆動する第１のＰＺＴ（６）に帰還し、２光子スペトクルで前記ファブリペロー共振器（３）の第１のミラー（Ｍ１）の位置を安定化する手段と、（ｈ）さらに、前記ファブリペロー共振器（３）の第１のミラー（Ｍ１）を第１の半導体レーザ（１）で安定化した状態で、第２の半導体レーザ（１１）の出射光をファブリペロー共振器（３）に入射し、第２の光検出器（１７）を介して得られるフリンジ信号に安定化する手段と、（ｉ）Ｒｂの２光子スペクトル〔５Ｄ3/2 （Ｆｅ＝３）←５Ｓ1/2 （Ｆｇ＝１）〕による１次微分信号を誤差信号として前記ファブリペロー共振器（３）の第２のミラー（Ｍ２）の第２のＰＺＴ（１６）を駆動し、前記ファブリペロー共振器（３）の第１のミラー（Ｍ１）の位置と第２のミラー（Ｍ２）の位置を同時に安定化する手段を具備することを特徴とする。
【００３９】
〔４〕上記〔３〕記載の高精度光周波数マーカ発生装置において、第３のレーザと光検出器を設け、前記第３のレーザの出射光を前記ファブリペロー共振器を透過させ、得られる透過信号の絶対周波数を確定する手段を具備することを特徴とする。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００４１】
図１は本発明の実施例を示す高精度光周波数マーカ発生（共振器長安定化）装置のブロック図である。
【００４２】
第１の半導体レーザ１の出射光をビームスプリッタ２を介してファブリペロー共振器３に入射し、光検出器７で得られるフリンジ信号による１次微分信号を誤差信号として第１の半導体レーザ１に帰還することで、ファブリペロー共振器３で第１の半導体レーザ１を安定化する。４はＲｂ．ｒｅｆ．ＡＦＣ（２光子Ｒｂセル．ロックインアンプ・発振器）である。
【００４３】
この状態で、Ｒｂの２光子スペクトル〔５Ｄ5/2 （Ｆｅ＝４）←５Ｓ1/2 （Ｆｇ＝２）〕による１次微分信号を誤差信号としてファブリペロー共振器３の第１のミラーＭ１を駆動する第１のＰＺＴドライバー５により第１のＰＺＴ６に帰還し、２光子スペトクルでファブリペロー共振器３の第１のミラーＭ１位置を安定化する。
【００４４】
さらに、ファブリペロー共振器３の第１のミラーＭ１を第１の半導体レーザ１で安定化した状態で、第２の半導体レーザー１１の出射光をファブリペロー共振器３に入射し、光検出器１７で得られるフリンジ信号に安定化し、Ｒｂの２光子スペクトル〔５Ｄ3/2 （Ｆｅ＝３）←５Ｓ1/2 （Ｆｇ＝１）〕による１次微分信号を誤差信号としてファブリペロー共振器３の第２のミラーＭ２の位置を安定化する。すなわち、ファブリペロー共振器３の２枚の第１のミラーＭ１と第２のミラーＭ２を第１の半導体レーザ１と第２の半導体レーザ１１の２台で同時に安定化することにより、所定の条件を満足することができる。１４はＲｂ．ｒｅｆ．ＡＦＣ（２光子Ｒｂセル・ロックインアンプ・発振器）、８，１８はロックインアンプ、９は発振器、２，１２はビームスプリッタ、１５は第２のＰＺＴドライバー、１６は第２のＰＺＴである。
【００４５】
図２は本発明の実施例を示すガスセルの信号と共振器の透過信号の周波数の関係を示す図である。
【００４６】
この図において、２１は共振器の透過信号、２２は安定化周波数ｆ1 、２３は安定化周波数ｆ2 、２４，２５はガスセルの吸収または発光信号である。
【００４７】
図２から明らかなように、安定化される周波数が２点得られることになり、共振器の透過信号に絶対周波数が与えられる。すなわち、第３のレーザを透過させること（後述）により、得られる透過信号は絶対周波数が確定する。
【００４８】
図３はその第３のレーザによる絶対周波数の確定した透過スペクトルの発生を示す装置の構成図である。図１と同様の部分には同じ符号を付してそれらの説明は省略する。図３において、３１は第３の半導体レーザ、３２は第３の光検出器である。
【００４９】
具体的には、上記した高精度光周波数マーカ発生（共振器長安定化）装置のファブリペロー共振器３に、第３のレーザ３１を透過させ、第３の光検出器３２で検出する。
【００５０】
ファブリペロー共振器３の片側のミラーＭ１の位置を第１の半導体レーザ１によりＲｂの２光子スペクトル〔５Ｄ5/2 （Ｆｅ＝４）←５Ｓ1/2 （Ｆｇ＝２）〕を参照周波数として安定化する。もう一方の反射ミラーＭ２の位置を第２の半導体レーザ１１により〔５Ｄ3/2 （Ｆｅ＝３）←５Ｓ1/2 （Ｆｇ＝１）〕を参照して同時に安定化する。
【００５１】
例えば、共振器長ｄを調整し、Δｍ・ｃ／２ｄ＝ｆ1 −ｆ2 ＝４１０１１．２２２ＭＨｚ（Δｍ；整数，ｃ；光速）を満たす条件を求めた。
【００５２】
Δｍ＝２８，ｄ＝１０．２３４ｃｍで安定点が得られたので、検出したＲｂの２光子スペクトルから得られる誤差信号を反射ミラーを駆動する圧電素子（ＰＺＴ）１６に帰還し、共振器を安定化した。これにより、この共振器によって得られる透過信号の周波数は、ｆ＝ｆ1 ±ｍ×１４６４．６８６５ＭＨｚとなる。
【００５３】
なお、上記実施例では、フリンジ信号による１次微分信号を誤差信号として示したが、実際には、誤差信号（ゼロクロス信号）であればよく、１次微分信号だけでなく、３次微分信号や、デジタル的に処理した信号などを用いるようにしてもよい。ただし、高次になると、強度が小さくなり、Ｓ／Ｎ比が悪くなるため、通常は１次または３次を用い、５次以上はあまり使わない。
【００５４】
また、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００５５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００５６】
（Ａ）絶対周波数の確定したフリンジ信号を発生させることができる。
【００５７】
これによって、広帯域可変波長レーザの周波数を計測することができる。
【００５８】
（Ｂ）近赤外領域において絶対波数の確定した周波数マーカを容易に発生させることができる。
【００５９】
（Ｃ）レーザ周波数を絶対周波数の確定した周波数マーカで安定化できることから、広い範囲にわたって、かつ絶対周波数の確定した安定化光源を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例を示す高精度光周波数マーカ発生（共振器長安定化）装置のブロック図である。
【図２】  本発明の実施例を示すガスセルの信号と共振器の透過信号の周波数の関係を示す図である。
【図３】  本発明にかかる第３のレーザによる絶対周波数の確定した透過スペクトルの発生を示す装置の構成図である。
【図４】  従来の安定化光源のブロック図である。
【図５】  従来の光周波数マーカ（ファブリペロー共振器の透過信号）を示す図である。
【図６】  従来の光源安定化方法III の説明図である。
【図７】  従来の光源安定化方法IVを説明するブロック図である。
【図８】  従来の光源安定化方法IVの詳細説明図である。
【符号の説明】
１    第１の半導体レーザ
２，１２    ビームスプリッタ
３    ファブリペロー共振器
４，１４    Ｒｂ．ｒｅｆ．ＡＦＣ
５    第１のＰＺＴドライバー
６    第１のＰＺＴ
７，１７    光検出器
８，１８    ロックインアンプ
９    発振器
１１    第２の半導体レーザー
１５    第２のＰＺＴドライバー
１６    第２のＰＺＴ
Ｍ１    第１のミラー
Ｍ２    第２のミラー
２１    共振器の透過信号
２２    安定化周波数ｆ1 
２３    安定化周波数ｆ2 
２４，２５    ガスセルの吸収または発光信号
３１    第３の半導体レーザ
３２    第３の光検出器
【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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