(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の波長のレーザ光を射出する周波数安定化レーザ光源と、
超音波振動により生ずるドップラシフトを利用して前記レーザ光の周波数をシフトさせる第一の音響光学周波数シフタと、
前記音響光学周波数シフタに後側焦点が位置するように配置された第一のコリメート光学系と、
この第一のコリメート光学系を通過した光束を集光させる第二のコリメート光学系と、
超音波振動により生ずるドップラシフトを利用して前記第二のコリメート光学系から射出されたレーザ光の周波数をシフトさせる第二の音響光学周波数シフタと、
超音波を発生させるための駆動信号を前記第一及び第二の音響光学周波数シフタに入力させるとともにこの駆動信号の周波数を可変とした発振器とを備え、
前記第一の音響光学周波数シフタは、前記レーザ光がブラッグ回折の条件を満たす入射角で入射されるように設定され、
前記第二の音響光学周波数シフタは、前記第二のコリメート光学系の前側焦点位置に配置されるとともに、前記第二のコリメート光学系からの入射光がその光軸となす角を２θとした場合、回折角がθとなるように設定され、
前記第二の音響光学周波数シフタからの射出光の光路は前記第一の音響光学周波数シフタに入射される前記レーザ光の光路と略一致されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
所定の波長のレーザ光を射出する周波数安定化レーザ光源と、
超音波振動により生ずるドップラシフトを利用して前記レーザ光の周波数をシフトさせる音響光学周波数シフタと、
前記音響光学周波数シフタに後側焦点が位置するように配置されたコリメート光学系と、
該コリメート光学系からの光束をその入射してきた方向へ反射させる反射光学系と、
超音波を発生させるための駆動信号を前記音響光学周波数シフタに入力させるとともにこの駆動信号の周波数を可変とした発振器とを備え、
前記音響光学周波数シフタは、前記レーザ光がブラッグ回折の条件を満たす入射角で入射するように設定され、
前記音響光学周波数シフタに入射される前記レーザ光の光路は、前記反射光学系により反射され前記コリメート光学系を通り前記音響光学周波数シフタにより再度周波数がシフトされるレーザ光の光路と略一致されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項３】
前記音響光学周波数シフタで生じた回折次数の異なる複数種類の回折光のうち所望の回折次数の回折光を選択的に通過させる選択手段を備えた請求項１又は２に記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記選択手段は、前記所望の回折次数の回折光の回折角に相当する位置に開口が位置するように配置された開口絞りである請求項３に記載のレーザ装置。
【請求項５】
前記選択手段は、前記所望の回折次数の回折光の回折角に相当する位置に配置され、通過する光束の偏光状態を変化させる位相差板である請求項３に記載のレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ装置に関し、より詳しくは、射出されるレーザ光の周波数を安定化させるとともに所望の値に可変させるレーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光計測技術で使用される光源には、狭スペクトル線幅の単一モード発振で、周波数安定度が良好で、かつ周波数を所望の値に正確に変化させることができるものが要求される。
気体レーザ、例えばＨｅ−Ｎｅレーザは、狭スペクトルの単一モード発振を得ることができ、周波数安定度も高い。しかし、Ｈｅ−Ｎｅレーザにおいて周波数を可変とするためには、共振器長を変化させなくてはならない。共振器を可動にすることは周波数の安定度を犠牲にすることを意味する。従って、Ｈｅ−Ｎｅレーザでは、周波数安定化、周波数可変の両方の要請を満たすことは困難である。
【０００３】
一方、半導体レーザは、注入電流を制御することにより、発振周波数を容易に変化させることができる。しかし、半導体レーザは気体レーザにくらべて周波数安定度に劣る。
また、半導体レーザから出射される光束を回折格子に入射させ、この入射角を適当に調整することにより、所望の周波数のみを取り出す方法も広く知られている。しかし、この方法は、回折格子の品質、及び回折格子の角度調整機構のアライメント精度によって正確性が左右されてしまい、信頼性に欠けるという問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる問題点に鑑みなされたもので、発振周波数を迅速かつ正確に可変させるとともに安定化させることを可能としたレーザ装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本出願に係る第一の発明に係るレーザ装置は、所定の波長のレーザ光を射出する周波数安定化レーザ光源と、超音波振動により生ずるドップラシフトを利用して前記レーザ光の周波数をシフトさせる第一の音響光学周波数シフタと、前記音響光学周波数シフタに後側焦点が位置するように配置された第一のコリメート光学系と、この第一のコリメート光学系を通過した光束を集光させる第二のコリメート光学系と、超音波振動により生ずるドップラシフトを利用して前記第二のコリメート光学系から射出されたレーザ光の周波数をシフトさせる第二の音響光学周波数シフタと、超音波を発生させるための駆動信号を前記第一及び第二の音響光学周波数シフタに入力させるとともにこの駆動信号の周波数を可変とした発振器とを備え、前記第一の音響光学周波数シフタは、前記レーザ光がブラッグ回折の条件を満たす入射角で入射されるように設定され、前記第二の音響光学周波数シフタは、前記第二のコリメート光学系の前側焦点位置に配置されるとともに、前記第二のコリメート光学系からの入射光がその光軸となす角を２θとした場合、回折角がθとなるように設定され、前記第二の音響光学周波数シフタからの射出光の光路は前記第一の音響光学周波数シフタに入射される前記レーザ光の光路と略一致されていることを特徴とする。
【０００６】
この第一の発明によれば、周波数安定化レーザ光源から射出されたレーザ光が、第一の音響光学周波数シフタにより周波数シフトされる。また、周波数シフトされたレーザ光は、その周波数シフト量に応じて変化する回折角だけ回折されるので、回折角は周波数シフト量の大きさにより異なることになる。こうした異なる回折角の光束は、いずれも第一のコリメート光学系を通過することによりいずれも第一のコリメート光学系の光軸に平行な光束とされ、さらに第二のコリメート光学系により集光されて第二の音響光学周波数シフタに入射する。この第二の音響光学周波数シフタを通過した光の光路は、もとの周波数安定化レーザからの入射光の光路と略一致される。
【０００７】
本出願の第二の発明に係るレーザ装置は、所定の波長のレーザ光を射出する周波数安定化レーザ光源と、超音波振動により生ずるドップラシフトを利用して前記レーザ光の周波数をシフトさせる音響光学周波数シフタと、前記音響光学周波数シフタに後側焦点が位置するように配置されたコリメート光学系と、該コリメート光学系からの光束をその入射してきた方向へ反射させる反射光学系と、超音波を発生させるための駆動信号を前記音響光学周波数シフタに入力させるとともにこの駆動信号の周波数を可変とした発振器とを備え、前記音響光学周波数シフタは、前記レーザ光がブラッグ回折の条件を満たす入射角で入射するように設定され、前記音響光学周波数シフタに入射される前記レーザ光の光路は、前記反射光学系により反射され前記コリメート光学系を通り前記音響光学周波数シフタにより再度周波数がシフトされるレーザ光の光路と略一致されていることを特徴とする。
【０００８】
この第二の発明によれば、音響光学周波数シフタで周波数シフトされるとともに回折された光は、その回折角の大きさに拘わらずコリメート光学系によりその光軸と平行に進行する光とされる。この平行に進行する光は、反射光学系により入射してきた光路を逆行し、再度音響光学周波数シフタに入射し、１度目の周波数シフトと同一の周波数シフトを受けて射出する。この射出光は、最初に音響光学周波数シフタに入射した光の入射光路と略一致している。
【０００９】
前記第一及び第二の発明において、前記音響光学周波数シフタで生じた回折次数の異なる複数種類の回折光のうち所望の回折次数の回折光を選択的に通過させる選択手段を備えるのが好適である。これにより、０次回折光や不要な散乱光を除去し、出力光の周波数を安定化させることができる。この選択手段は、前記所望の回折次数の回折光の回折角に相当する位置に開口を有する開口絞り、又は、前記所望の回折次数の回折光の回折角に相当する位置に配置され、通過する光束の偏光状態変化させる位相差板とすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の第一の実施の形態を、図面に基づいて説明する。図１は、第一の実施の形態に係るレーザ装置１００の構成を示したものである。図１に示すように、本実施の形態に係るレーザ装置１００は、一定の波長λｏ（周波数ｆｏ）のレーザ光を連続して発振することのできる周波数安定化レーザ１を備えている。周波数安定化レーザ１としては、例えばＨｅ−Ｎｅレーザが採用できる。周波数安定化レーザ１から射出したレーザ光Ｌ１は、光アイソレ―タ２を通過した後、波長変換装置３に入射する。波長変換装置３は、音響光学周波数シフタ１１（以下ＡＯＦＳ１１という）、コリメートレンズ１２、アパーチャ１３、コリメートレンズ１４、及び音響光学周波数シフタ１５（以下ＡＯＦＳ１５という）を備えており、全体としてレーザ光L１の周波数ｆoを所定量だけシフトさせる機能を有する。この波長変換装置３をｎ段カスケード接続することにより、周波数シフト量をｎ倍にすることもできる。
【００１１】
ＡＯＦＳ１１は、超音波伝搬媒体１１ａと、この超音波伝搬媒体１１ａの一端に貼り付けられたトランスデューサ１１ｂを備えている。このトランスデューサ１１ｂは、発振器４からの駆動信号により振動するようになっている。この振動により、超音波伝搬媒体１１ａ内には超音波が伝搬し、この超音波が、超音波伝搬媒体１１ａに入射した光束に対してドップラシフトを生じさせる。この超音波の周波数ｆａがｆａ＝ｆ１である場合、周波数安定化レーザ１からの入射レーザ光束Ｌ1の周波数（ｆｏ）は、この超音波の周波数ｆ１の分だけ変化させられ、出射光Ｌ2の周波数ｆｄはｆｄ＝ｆ１±ｆoとなる。ｆ１＋ｆoとなるかｆ１−ｆoとなるかは、回折光と超音波の進行方向の相対的な向きに依存する。本実施の形態では、図１に示すように、両者の相対的な向きが同一であるので、ｆｄ＝ｆ１＋ｆｏとなる。
【００１２】
また、この超音波伝搬媒体１１a内に伝搬する超音波が屈折率変化の波を生じさせ、この波が回折格子として作用し、ブラッグ回折の条件を満たす入射角θｉ＝θBで入射した光束を、入射角θBと等しい回折角θｄ＝θBで回折させる。なお、このθBは、超音波伝搬媒体１１ａ内を伝搬する超音波の波長をΛとした場合、次に示す数式１で表される。従って、射出光Ｌ2は、入射光Ｌ1に対して角度にして２θBだけ偏向させられている。
【００１３】
【数１】
θB＝λｏ／（２Λ）
【００１４】
ここで、発振器４から出力される駆動信号の周波数を変化させ、超音波伝搬素子１１ａ内を伝搬する超音波の周波数ｆａをｆ１からｆ１＋Δｆに変化させると、ＡＯＦＳ１１から射出する射出光（図１中のＬ3）の周波数ｆｄもｆｏ＋ｆ１からｆ１＋（ｆｏ＋Δｆ）に変化する。また、射出光の回折角もΔθ＝λo・Δｆ／２ｖ（ただし、ｖは超音波の速度）だけ増加する。
【００１５】
コリメータレンズ１２は、その後側焦点ＲＰがＡＯＦＳ１１に存在する。このため、コリメートレンズ１２を通過した光は、回折角θｄの大きさにかかわらず、コリメートレンズ１２の光軸Oと水平に進行する平行光束となる。すなわち、回折光Ｌ２、Ｌ３は、コリメータレンズ１２を通過後は、いずれもその光軸Ｏと平行に進行する。回折光Ｌ２（Ｌ３）は、アパーチャ１３を通過してコリメートレンズ１４に達する。コリメートレンズ１４は、その前側焦点ＡＰがＡＯＦＳ１５に略一致している。
【００１６】
ＡＯＦＳ１５は、超音波伝搬素子１５ａと、これに貼り付けられたトランスデューサ１５ｂとにより構成されており、コリメートレンズ１４を通って入射する光束を回折させて進行方向を変化させるとともに、その波長を変化させる機能を備えている。トランスデューサ１５ｂは、発振器４からの駆動信号により振動させられる。この振動により、超音波伝搬媒体１５ａ内には超音波が伝搬し、この超音波が、超音波伝搬媒体１５ａに入射した光束に対してドップラシフトを生じさせる。
【００１７】
ＡＯＦＳ１５は、入射光Ｌ２が光軸Ｏとなす角を２θB´とした場合、ブラッグ回折角がθB´となるように設定されている。これにより、ＡＯＦＳ１５に入射して回折されて出射する光束は、光軸Ｏと略一致させられる。
【００１８】
このアパーチャ１３は、ＡＯＦＳ１１で生じた０次回折光や、２次以上の回折光などの不要な光をカットするためのものである。例えば、0次回折光（透過光）は、ＡＯＦＳ１１を通過しても周波数の変化を受けず、また進行方向も変更されず、ＡＯＦＳ１１を射出した後も光軸Ｏに沿って進む。そこで、こうした０次回折光をカットするため、アパーチャ１３の光軸Ｏとクロスする部分は遮光されている。すなわち、アパーチャ１３は、ＡＯＦＳ１１から射出される射出光の周波数の変化に伴う回折角の変化に対応できるだけの開口を備えている。
なお、発振器４からの駆動信号の周波数は、周波数カウンタ７で計測され、この周波数カウンタ７の出力に基づき、最終的に出力される光の周波数ｆoutが算出されえるようになっている。
【００１９】
アパーチャ１３の代わりに、図２に示すように、回折光Ｌ２、Ｌ３の光路に相当する部分に、入射する光の偏光方向を変化させる１／２波長板１６を配置するとともに、ＡＯＦＳ１５の後方に、偏光ビームスプリッタ１７を設けてもよい。この構成によれば、例えばＡＯＦＳ１１でブラッグ回折されて出射される回折光がＳ偏光であるとすると、１／２波長板１６によりこの光束はＰ偏光に変えられ、偏光ビームスプリッタ１７を通過する。
【００２０】
一方、ＡＯＦＳ１１で回折されなかった０次回折光は、１／２波長板１６を通過しないからＳ偏光のままであり、偏光ビームスプリッタ１７で反射される。その他の不要な散乱光も同様である。これにより、必要とされる回折光と、不要な０次回折光及び散乱光を分離させることができ、アパーチャ１３を使用する場合と同様の効果を得ることが出来る。
また、図３に示すように、ＡＯＦＳ１５のトランスデューサ１５ｂへ送られる駆動信号を、ゲイン変調器８により振幅変調し、これによりＡＯＦＳ１５からの出力光の光強度を変化させられるようにしてもよい。
【００２１】
次に、本発明の第二の実施の形態を、図４に基づいて説明する。第一の実施の形態と共通する部材については共通の番号を付しており、第一の実施の形態と共通する部材であって複数存在する部材は、ハイフン（−）付き数字により示している。また、図４では、波長変換装置３−１、３−２を２段カスケード接続しているが、単段又は３段以上としても構わない。
この第二の実施の形態では、各波長変換装置３−１、３−２が、単一のＡＯＦＳ１１‐１、１１‐２と、その後方に配置されたリトロ配置光学系Ｒ１、Ｒ２とから構成されている点が、第一の実施の形態と異なる。すなわち、リトロ配置光学系Ｒ1、Ｒ２を設けることにより、コリメートレンズ、ＡＯＦＳが各１個で足りるようにしている。リトロ配置光学系Ｒｎ（ｎ＝１，２）は、ＡＯＦＳ１１−ｎに後側焦点を有するコリメートレンズ１２−ｎと、アパーチャ１３−ｎと、１／４波長板１７−ｎと、全反射ミラー１８−ｎとから構成されている。
【００２２】
ＡＯＦＳ１１−ｎは、発振器４−ｎと接続されており、発振器４−ｎは、増幅器５−ｎを介して超音波源としての駆動信号をＡＯＦＳ１１−ｎに加え、超音波をＡＯＦＳ１１−ｎ内に伝搬させる。発振器４−ｎは、第一の実施の形態と同様に、ＡＯＦＳ１１−ｎからの出力光の周波数を変化させるためのものである。
この構成において、周波数安定化レーザ１から射出されて光アイソレ−タ２を通過したレーザ光Ｌ１（ここではP偏光であるものとする）は、ミラー２１で反射し、１／２波長板において偏光方向を９０度変更され、S偏光に変更される。
【００２３】
S偏光とされたレーザ光Ｌ１は、偏光ビームスプリッタ２３−１において反射され、波長変換装置３−１に入射する。ＡＯＦＳ１１−１に入射するレーザ光Ｌ１の周波数ｆｏは、ＡＯＦＳ１１−１内を伝搬する超音波の周波数ｆａ＝ｆ１の大きさだけ増加してｆｏ＋ｆ１となる。同時に、レーザ光Ｌ１は、ＡＯＦＳ１１−１内を伝搬する超音波の周波数ｆａの大きさに応じた回折角θｄで回折される。
このため、超音波の周波数ｆａが変化すると、この回折角θｄも異なることになり、例えば図４中のＬ２、Ｌ３のように、異なる角度の光束となる。コリメートレンズ１２−１を通過すると、これらの回折角Ｌ２、Ｌ３はいずれも光軸Ｏと平行に進行する光束となる。
【００２４】
そして、この光束はアパーチャ１３−１を通過し、１／２波長板１７−１で円偏光に偏光された後、全反射ミラー１８−１で反射する。この反射光は、１／２波長板でP偏光に偏光された後、コリメートレンズ１２−１に入射する。コリメートレンズ１２−１を通過した光は、再び焦点ＲＰに集光され、ＡＯＦＳ１１−１で周波数シフトを受ける。このため、波長変換装置３に入射して射出した光は、ＡＯＦＳ１１−１内を伝搬する超音波の周波数ｆａの２倍の周波数シフトを受けたことになる。なお、アパーチャ１３‐ｎは、第一の実施の形態と同様に、０次回折光及び２次以上の回折光をカットするためのものである。
偏光ビームスプリッタ２３−１を通過した光は、次段の波長変換装置３−２に入射され、波長変換装置３−１における場合と同様の作用を受けた後、ミラー２５を介して外部に出力される。
【００２５】
図４の装置では、１／２波長板２２、偏光ビームスプリッタ２３−ｎ、１／４波長板１７−ｎ等により、光量の減衰を防止しているが、光量の減衰が問題とならない場合には、波長板を省略するとともに、偏光ビームスプリッタをハーフミラーに置き換えても良い。
【００２６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明に係るレーザ装置は、波長可変のために音響光学周波数シフタと発振器を使用しており、共振器長を変化させる等のような機械的な構成要素が不要となるので、発振周波数を迅速、正確かつ安定的に可変させるとともに、発振周波数を安定化させることが出来る。
また、周波数偏移量の大小によらず、入射光と射出光の光路が略一致しているので、光学調整が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態に係るレーザ装置の構成を示す。
【図２】第一の実施の形態の変形例を示す。
【図３】第一の実施の形態の変形例を示す。
【図４】本発明の第二の実施の形態に係るレーザ装置の構成を示す。
【符号の説明】
１・・・・・・周波数安定化レーザ
２・・・・・・光アイソレ−タ
３・・・・・・波長変換装置
４、４−１，４−２・・・・・・発振器
５、５−１，５−２、６・・・・・・増幅器
７・・・・・・周波数カウンタ
８・・・・・・ゲイン変調器
１１、１５・・・・・・音響光学周波数シフタ（ＡＯＦＳ）
１２、１４・・・・・・コリメートレンズ
１３・・・・・・アパーチャ
１６・・・・・・１／２波長板
１７・・・・・・偏光ビームスプリッタ
１８−１、１８−２・・・・・・１／４波長板
１９−１、１９−２・・・・・・全反射ミラー
２１、２４−１、２４−２、２５・・・・・・ミラー
２２・・・・・・１／２波長板
【図１】
0003999480.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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