(57)【要約】  本発明は、特に干渉回路（１５）を使用するヘテロダインサーボ回路により無線周波数を制御するレーザー放射デバイス（１）が設けられたレーザーシステムに関する。前記干渉回路は、前記レーザー放射光の周波数を訂正するための基準を提供する光ファイバー（１７）のコイルを備える。スペクトル純度のフィールドにおいて良好な結果を得るために、レーザー放射に関与する要素のすべてはファイバーであり、それらの接続部は光ファイバーによって提供されている。本発明は、高いスペクトル純度を必要とするレーザーに対して使用できる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数制御装置（２）およびレーザー放射光の周波数のためのサーボ回路が設けられたレーザー放射デバイス（１）を備えたレーザーシステムであって、前記サーボ回路は、
前記レーザー放射光を受けるための入口（１３）、干渉出口（２２）、一方がショートアーム（５９）と称され、他方がロングアーム（５０）と称される少なくとも２つのアームおよび前記アームのうちの１つに配置された周波数変調デバイス（１９）が設けられたヘテロダインタイプの干渉回路（１５）と、
前記変調デバイス（１９）に変調信号を提供するための変調発生器（３０）と、
前記干渉出口に接続された光検出回路（２４）と、
前記変調発生器（３０）からの局部信号と称される信号を一方の側で受信し、前記光検出回路（２４）によって提供されるヘテロダイン信号と称される信号を他方の側で受信する、誤り信号を発生するための誤り検出回路（２６）と、
前記誤り検出回路（２６）からの信号に基づき、第１訂正信号を発生するためのフィルタ回路（３８）とを備えたレーザーシステムにおいて、
前記レーザーシステムは、レーザー放射に関与する要素のすべてとしては、特に前記レーザーデバイス（１）、前記干渉回路（１５）、周波数変更回路（５）、前記光検出回路（２４）がファイバータイプとなっており、これら要素の間の接続のすべてを保証するための光ファイバーが設けられていることを特徴とするレーザーシステム。
【請求項２】
前記サーボ回路は、前記レーザー放射デバイス（１）によって発生された前記放射光の前記周波数を周波数変更回路の変更入口（７）に印加された信号により変更するための周波数変更回路（５）を備え、
前記フィルタ回路は、高速信号と称される第２訂正信号も発生し、
前記周波数変更回路は、周波数可変発振器（４５）により制御され、前記周波数可変発振器の出口は、前記周波数変更回路の入口（７）に接続されており、前記周波数変更回路の周波数制御入口は、前記高速訂正信号を受信することを特徴とする、請求項１に記載のレーザーシステム。
【請求項３】
前記干渉回路（１５）は、マイケルソンタイプであることを特徴とする、請求項１または２に記載のレーザーシステム。
【請求項４】
前記干渉回路（１５）は、マッハ・ツェンダータイプであることを特徴とする、請求項１または２に記載のレーザーシステム。
【請求項５】
前記サーボシステムは、前記混合器２６の２つのポートを通って進入する前記局部信号と前記ヘテロダイン信号との位相差に作用することにより、前記レーザー放射光の周波数を所定の態様で変えるための制御モジュール（８０）を備えることを特徴とする、請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載のレーザーシステム。
【請求項６】
前記周波数可変制御モジュール（８０）は、前記混合器の前記入口Ｓ１に印加された前記局部信号と前記ヘテロダイン信号Ｓ２との間の小さい低ノイズ周波数の差を導入するように、周波数を制御できる信号発生器（８４）によって形成されていることを特徴とする、請求項５に記載のレーザーシステム。
【請求項７】
前記光検出器（２４）からの前記信号は、前記局部信号Ｓ１を発生するのに使用される信号ソースのノイズを低減するよう、前記発振器（３０）を用いることにより、周波数合成回路（８８）によって中間周波数に変換されることを特徴とする、請求項６に記載のレーザーシステム。
【請求項８】
前記周波数を制御できる信号発生器（８８）は、ＤＤＳ（デジタル信号合成）回路として知られる回路であることを特徴とする、請求項７に記載のレーザーシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周波数制御装置およびレーザー放射光の周波数用のサーボ回路が設けられたレーザー放射デバイスを備えたレーザーシステムであって、前記サーボ回路は、
前記レーザー放射光を受けるための入口、干渉出口、一方がショートアームと称されて、他方がロングアームと称される少なくとも２つのアームおよび前記アームのうちの１つに配置された周波数変調デバイスが設けられたヘテロダインタイプの干渉回路と、
前記変調デバイスに変調信号を提供するための変調発生器と、
前記干渉出口に接続された光検出回路と、
前記変調発生器からの局部信号と称される信号を一方の側で受信し、前記光検出回路によって提供されるヘテロダイン信号と称される信号を他方の側で受信する、誤り信号を発生するための誤り検出回路と、
前記誤り検出回路からの信号に基づき、第１訂正信号を発生するためのフィルタ回路とを備えたレーザーシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
低周波数ノイズを有するレーザーシステムは、多数の分野における多くの用途、例えばこれらレーザーシステムが震動検出器、距離測定器などの基本要素となる石油探査において多くの用途を有する。
【０００３】
かかるシステムは、雑誌「アプライド  フィジクス」（第４５巻第３３号）において２００６年１１月２０日に発表された、ベンジャミン・Ｓ・シャード外による論文「光ファイバー遅延ラインに対する高バンド幅レーザー周波数の安定化」に記載されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、良好な性能を有し、特に周波数ノイズが低減されたレーザー放射光を発生する、本明細書の冒頭に記載されたタイプのシステムを提案するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、本明細書の冒頭に記載されたデバイスでは、レーザー放射に関与する要素のすべてとしては、特にレーザーデバイス、干渉回路、周波数変更回路、光検出回路がファイバータイプ等となっており、これら要素の間の接続のすべてを保証するための光ファイバーが設けられていることを特徴とする。
【０００６】
このような特徴は、実現例を極めて単純にし、光周波数の極めて大幅な安定化を可能にしながら、光学的要素の整合に関連して必要である調節が不要であることに起因し、システムを極めてロバストにできることを、本出願人は認識した。
【０００７】
別の実施形態によれば、レーザーシステムでは、サーボシステムが、使用できるレーザー光の周波数を所定の態様で変えるように、局部信号とヘテロダインのような信号との間の位相変化を制御するためのモジュールを備えることを特徴とする。この実施形態は、特にデジタル技術でレーザー放射光の周波数をサーボにより変えることを可能にするという利点を提供するものである。
【０００８】
非限定的な例として示す添付図面を参照する次の説明は、本発明をどのように実施できるかを理解するのを、より容易にするものである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係わるレーザーデバイスを示す。
【図２】マイケルソン干渉回路を示す。
【図３】マッハ・ツェンダー干渉回路を示す。
【図４】デジタル周波数制御装置を有するレーザーデバイスの別の実施形態を示す。
【図５】公知のレーザーシステムと比較するために、本発明が推奨する手法によって得られる結果を比較する表を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
これらの図では、同じ参照番号は、同じ要素を示す。
【００１１】
図１において、参照番号１は、光学的信号レーザーソースを示す。このデバイスには、周波数制御装置２が設けられており、この周波数制御装置２は、例えば、前記レーザーソース１のキャビティに結合されたピエゾ電気素子に作用することによって、広いレンジにわたり、レーザーソースの周波数を変えるようになっている。レーザー１の出口は、変調入口７が設けられている音響−光学的変調器５に接続されており、この変調器の出口は、光学的カプラー１０の入口に接続されている。カプラー１０は、出口１２において低周波数ノイズの光信号を発生し、このノイズの一部をサンプリングし、そのサンプルを、ある周波数オフセットで干渉計１５の入口１３へ印加する。この干渉計１５は、特にショートアームとロングアームとを備え、ロングアームは、極めて長い（〜１ｋｍ）の光ファイバーコイル１７と、信号の周波数オフセットを発生する音響−光学的変調デバイス１９とを備える。ショートアーム内に周波数シフター１９を設置することもできる。この干渉計は、当業者に利用できる方法に従い、環境的、機械的、音響的、および熱的じょう乱から保護することが好ましい。
【００１２】
干渉出口２２と称される干渉計１５の出口では、光干渉信号を形成するショートアームからの光波とロングアームからの光波の重なりが収集される。この干渉信号は、光検出器２４へ送られ、光検出器は、無線周波数信号を発生し、この無線周波数信号の位相は、ファイバー１７の長さに基づき測定されるレーザーの周波数ノイズに比例する信号によって変調される。この変調されたＲＦ信号は、混合回路２６によって復調される。混合回路２６は、変調器１９を制御する発振器３０に接続されている。局部発振器３０からの信号の周波数は、この信号が混合器２６へ印加される前に干渉回路１５を考慮するように変更できる。したがって、マイケルソン干渉回路に対しては、出力周波数を乗算器３２により２倍しなければならない。干渉回路が、マッハ・ツェンダー干渉回路である場合、この乗算器は挿入されない。電気ケーブルが局部信号とヘテロダイン信号との間に位相シフトθを誘導することに留意することが重要である。この位相シフトθは、図１ではボックス３５によって表示されている。変調器１９が単側波帯を有する音響−光学的変調器または電気−光学的変調器である場合、サーボレーザー（１２）の周波数は、この位相シフト量と共に変化し、この特徴的な性質は、その後、利用されることになる。
【００１３】
本発明によれば、レーザーシステムは、ファイバータイプとなっている。すなわちレーザー光の透過に関係する要素のすべて、特に干渉回路がファイバータイプとなっている。すなわちこれら要素には光ファイバーのためのコネクタが設けられているので、これら要素は、光ファイバーによって互いに接続されている。光ファイバーを次のタイプのもの、例えば標準的なシングルモードのファイバー、偏光維持ファイバー、偏光ファイバーおよびフォトニック結晶ファイバーとしてもよい。
【００１４】
本発明の別の特徴によれば、混合器２６の出力信号は、サーボループフィルタ３８へ印加され、サーボループフィルタ３８は、２つの時定数ＫｆおよびＫｓにしたがってフィルタにかけられたエラー信号を、その出力３９および４０の２つの上にそれぞれ発生する。時定数Ｋｆは、エラー信号の高速変化に対応し、時定数Ｋｓは、このエラー信号の低速変化に対応している。出力４０にあるフィルタにかけられたエラー信号は、レーザーの周波数に作用する制御装置２に印加され、出力３９にあるエラー信号は、電圧制御装置４５を有する発振器の周波数変動制御装置へ印加され、発振器の出力周波数は、例えば約１ＭＨｚのレンジ内で急激に変化し得る。この発振器の出力信号は変調器５の変調入口７へ印加され、したがって変調器５は、チャンネル１２を通って離間する光信号の周波数の高速訂正を可能にする。異なる干渉回路を使用することも可能であり、このうちの２つの非制限的例について後述する。他のタイプであっても、本発明を実施するのに適しているであろう。
【００１５】
第１の例によれば、図２に細部が示されている干渉回路（１５）は、マイケルソン干渉計である。この干渉計は、まずカプラー５５の入口とファラデーミラー５８の間で前記干渉計のロングアーム５０内に挿入された光ファイバーコイル１７から成る。カプラー５５の別の入口は、ショートアーム５９に接続されており、このショートアーム５９は、基本的にはファラデーミラー６０から成る。ロングアームまたはショートアームに変調器１９を挿入することも可能である。カプラーの他の２つの入口はそれぞれ干渉計の入口１３と干渉出口２２とを形成している。ファラデーミラー５８および６０を選択することにより、出口２２における２つの光学フィールドの偏光を完全に整合し、最適なビート信号を得られるようにすることを保証している。
【００１６】
第２の例によれば、図３に詳細に示されている干渉回路は、本発明で使用できるマッハ・ツェンダー干渉計となっている。ロングアーム５０とショートアーム５９とは、カプラー７１および７２の２つの入口にそれぞれ接続されており、これらカプラーの出口は、これらカプラー７１および７２の他方の２つの入口に接続されている。ロングアーム５０は、カプラー７２および音響−光学的変調器１９の入口において、２つのアームからの波の偏光を整合するように、偏光配向デバイス７４のファイバーコイル１７によって形成されている。ショートアームは、カプラー７１および７２のファイバー端を直接接続することによって形成されている。ショートアーム５９に音響−光学的モジュレータ１９および／または偏光コントローラ７４を設けることもできる。
【００１７】
図４は、レーザーの周波数ノイズを低減し、出口１２で得られる低周波ノイズの光学的信号の平均周波数を制御できるようにするシステムの別の実施形態を示す。この別の実施形態は、混合器２６の２つのポートに印加されるヘテロダイン信号と局部信号との間に存在する上記位相シフト量θをダイナミックに制御することに基づくものである。位相変化量Δθは、出力１２で得られる光信号の周波数の変化の平均Δθ／２πτ（ここで、τはファイバー１７によって誘導される遅延時間である）を誘導する。この別の実施形態によれば、例えばデジタルインターフェースを介してコンピュータ８２により制御される参照番号８０によって示された周波数サーボ制御モジュールが挿入されている。位相シフト量θを制御するために、このモジュールは、誤り検出器として作動する混合器２６における局部信号Ｓ１とヘテロダイン信号Ｓ２との間の制御された周波数オフセットを導入する。この周波数オフセットの値は、デジタルインターフェースによって定めることができ、信号Ｓ２および信号Ｓ１に共通する発振器３０上で同期された、参照番号８４で示されたＤＤＳ回路を使用することにより、極めて低ノイズとなっている。低ノイズの電圧制御発振器を使用することも可能である。回路８４の出力信号の周波数は、分周器８６によって調節できる。この周波数オフセットは、位相変化Δθ／秒＝２πΔνを誘導し、この位相変化はΔν／τである、出力１２における光信号の平均周波数の１秒当たりの変化を誘導する。
【００１８】
これらの概念をより具体的にするために、図４は、かかるモジュールの実施形態の一例を示すが、この例は、本発明の範囲を制限するものではない。この例では、光検出器２４で得られるヘテロダイン信号は、低ノイズ周波数合成回路８８により混合器８７上で発振器３０からの１３５ＭＨｚの信号と混合されることにより、５ＭＨｚの中間キャリア周波数に変換される。ここで、低ノイズ周波数合成回路８８は、混合器９２と、周波数逓倍器９４と、分周器９６とを含む。局部信号Ｓ１は、低ノイズ周波数合成回路８８を介して、ダイレクトデジタル合成（ＤＤＳ）回路８４、例えば発振器３０上で同期されている、登録された回路ＡＤ９８５２により発生され、ここで低ノイズ周波数合成回路８８は、発振器３０からの７０ＭＨｚの信号を２００ＭＨｚのクロック信号に変換する。ＤＤＳ回路とその後に続く１０分の１分周器８６は、５ＭＨｚ＋Δνの局部信号をＳ１の入力で発生する。
【００１９】
図５では、公知のシステムの性能と本発明のシステムの性能とが比較されている。
【００２０】
曲線Ｅｘ０は、本発明に係わるシステムによって得られた曲線である。
【００２１】
曲線Ｅｘ１は、ジャーナルオブフィジックス：会議シリーズ１２２（２００８年）０１２０１６で発表されたカケル・タカハシ、マサキ・アンドウおよびキミオ・ツボノによる論文「光ファイバーを使用したレーザー強度および周波数の安定化」に記載されているシステムに対応するものである。
【００２２】
曲線Ｅｘ２は、ジャーナルオプティクスレターズ／第２７巻、第１３号／２００２年７月１日に発表されたＧ・Ａ・クランチによる論文「電子フィードバックによるエルビウムでドープされた光ファイバー分散フィードバックレーザーにおける周波数ノイズの低減」に記載されているシステムに対応するものである。
【００２３】
曲線Ｅｘ３は、オプティカルテクノロジーズアンドアプリケーションズ、テクニカルフダイジェスト（ＣＤ）（オプティカルソサエティオブアメリカ、２００６年）、資料ＣＦＣ５で発表された、Ｊ・クリチェ、Ｍ・アラードおよびＭ・テーツによる論文、「光増幅器およびそれらの応用／コヒーレントにおける超狭ライン幅および高周波数安定レーザーソース）に記載されているシステムに対応するものである。
【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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【国際調査報告】
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