(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のレーザ光に基づいて周波数間隔一定のサイドバンドを持つレーザ光からなる光周波数コムを生成し、
上記光周波数コムと第２のレーザ光とを混合し、その混合光から１つの非線形光学結晶素子を介して、上記光周波数コムと同じ周波数間隔の第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分を得て、
上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分のヘテロダイン成分を検出し、
上記ヘテロダイン成分の検出出力に基づいて、上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分との差周波数を測定することを特徴とするレーザ周波数測定方法。
【請求項２】
上記第２の光周波数コム成分は、上記光周波数コムと上記第２のレーザ光の和周波数成分であることを特徴とする請求項１記載のレーザ周波数測定方法。
【請求項３】
上記第１のレーザ光又は第２のレーザ光の一方を基準レーザ光として、検出されたヘテロダイン成分に基づいて、上記他方のレーザ光の周波数を測定することを特徴とする請求項１記載のレーザ周波数測定方法。
【請求項４】
第１のレーザ光に基づいて周波数間隔一定のサイドバンドを持つレーザ光からなる光周波数コムを生成し、
上記光周波数コムと第２のレーザ光とを混合し、その混合光から第１の非線形光学結晶素子を介して上記光周波数コムと同じ周波数間隔の第２の光周波数コム成分を得るとともに、上記光周波数コムから第２の非線形光学結晶素子を介して光第２高調波発生により光第２高調波成分を得て、
上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分とを混合し、その混合光から上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分とのヘテロダイン成分を検出し、
上記ヘテロダイン成分の検出出力に基づいて、上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分との差周波数を測定することを特徴とするレーザ周波数測定方法。
【請求項５】
上記第２の光周波数コム成分は、上記光周波数コムと上記第２のレーザ光の和周波数成分であることを特徴とする請求項４記載のレーザ周波数測定方法。
【請求項６】
上記第１のレーザ光又は第２のレーザ光の一方のレーザ光を基準として、検出された上記ヘテロダイン成分に基づいて、他方のレーザ光の周波数を測定することを特徴とする請求項４記載のレーザ周波数測定方法。
【請求項７】
第１のレーザ光に基づいて周波数間隔一定のサイドバンドを持つレーザ光からなる光周波数コムを生成し、
上記光周波数コムと第２のレーザ光とを混合し、その混合光から１つの非線形光学結晶素子を介して上記光周波数コムと同じ周波数間隔の第２の光周波数コム成分と、上記光周波数コムの光第２高調波成分を得て、
上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分のヘテロダイン成分を検出し、
上記ヘテロダイン成分の検出出力に基づいて上記第１のレーザ光と第２のレーザ光の差周波数を一定にするように帰還制御することを特徴とするレーザ周波数制御方法。
【請求項８】
上記第２の光周波数コム成分は、上記光周波数コムと上記第２のレーザ光の和周波数成分であることを特徴とする請求項７記載のレーザ周波数制御方法。
【請求項９】
第１のレーザ光に基づいて周波数間隔一定のサイドバンドを持つレーザ光からなる光周波数コムを生成し、
上記光周波数コムと第２のレーザ光とを混合し、その混合光から第１の非線形光学結晶素子を介して上記光周波数コムと同じ周波数間隔の第２の光周波数コム成分を得るとともに、第２の非線形光学結晶素子を介して光第２高調波発生による上記光周波数コムの光第２高調波成分を得て、
上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分とを混合し、その混合光から上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分とのヘテロダイン成分を検出し、
上記ヘテロダイン成分の検出出力に基づいて上記第１のレーザ光と第２のレーザ光の差周波数を一定にするように帰還制御することを特徴とするレーザ周波数制御方法。
【請求項１０】
上記第２の光周波数コム成分は、上記光周波数コムと上記第２のレーザ光の和周波数成分であることを特徴とする請求項９記載のレーザ周波数制御方法。
【請求項１１】
第１のレーザ光に基づいて周波数間隔一定のサイドバンドを持つレーザ光からなる光周波数コムを発生する光周波数コム発生手段と、
上記光周波数コム発生手段により生成された光周波数コムと第２のレーザ光とを混合する光学系と、
上記光学系により混合された上記光周波数コムと第２のレーザ光の混合光が入射される非線形光学結晶素子と、
上記非線形光学結晶素子を介して得られる上記光周波数コムと同じ周波数間隔の第２の光周波数コム成分と、光第２高調波発生による上記光周波数コムの光第２高調波成分のヘテロダイン成分を検出するヘテロダイン検波手段とを備え、
上記ヘテロダイン検波手段による上記ヘテロダイン成分の検出出力に基づいて、上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分との差周波数を測定することを特徴とするレーザ周波数測定装置。
【請求項１２】
上記第２の光周波数コム成分は、上記光周波数コムと上記第２のレーザ光の和周波数成分であることを特徴とする請求項１１記載のレーザ周波数測定装置。
【請求項１３】
上記第１のレーザ光又は第２のレーザ光の一方を基準レーザ光として、上記ヘテロダイン検波手段により検出されたヘテロダイン成分に基づいて、上記他方のレーザ光の周波数を測定することを特徴とする請求項１１記載のレーザ周波数測定装置。
【請求項１４】
第１のレーザ光に基づいて周波数間隔一定のサイドバンドを持つレーザ光からなる光周波数コムを発生する光周波数コム発生手段と、
上記光周波数コム発生手段により発生された光周波数コムと第２のレーザ光とを混合する第１の光学系と、
上記第１の光学系により混合された上記光周波数コムと第２のレーザ光の混合光が入射される第１の非線形光学結晶素子と、
上記光周波数コム発生手段により発生された光周波数コムが入射される第２の非線形光学結晶素子と、
上記第１の非線形光学結晶素子を介して得られる上記光周波数コムと同じ周波数間隔の第２の光周波数コム成分と、上記第２の非線形光学結晶素子を介して得られる光第２高調波発生による上記光周波数コムの光第２高調波成分とを混合する第２の光学系と、
上記第２の光学系により混合された上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分の混合光から、上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分とのヘテロダイン成分を検出するヘテロダイン検波手段と、
上記ヘテロダイン検波手段による上記ヘテロダイン成分の検出出力に基づいて、上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分との差周波数を測定することを特徴とするレーザ周波数測定装置。
【請求項１５】
上記第２の光周波数コム成分は、上記光周波数コムと上記第２のレーザ光の和周波数成分であることを特徴とする請求項１４記載のレーザ周波数測定装置。
【請求項１６】
上記第１のレーザ光又は第２のレーザ光の一方のレーザ光を基準として、上記ヘテロダイン検波手段により検出された上記ヘテロダイン成分に基づいて、他方のレーザ光の周波数を測定することを特徴とする請求項１４記載のレーザ周波数測定装置。
【請求項１７】
第１のレーザ光を出射する第１のレーザ光源と、
上記第１のレーザ光源から出射された第１のレーザ光に基づいて周波数間隔一定のサイドバンドを持つレーザ光からなる光周波数コムを発生する光周波数コム発生手段と、
第２のレーザ光を出射する第２のレーザ光源と、
上記光周波数コム発生手段により生成された光周波数コムと上記第２のレーザ光源から出射された第２のレーザ光とを混合する光学系と、
上記光学系により混合された上記光周波数コムと第２のレーザ光の混合光が入射される非線形光学結晶素子と、
上記非線形光学結晶素子を介して得られる上記光周波数コムと同じ周波数間隔の第２の光周波数コム成分と、光第２高調波発生による上記光周波数コムの光第２高調波成分のヘテロダイン成分を検出するヘテロダイン検波手段と、
上記ヘテロダイン検波手段による上記ヘテロダイン成分の検出出力に基づいて上記第１のレーザ光と第２のレーザ光の差周波数を一定にするように上記第１のレーザ光源と第２のレーザ光源の一方を帰還制御する制御手段と
を備えることを特徴とするレーザ光発生装置。
【請求項１８】
上記第２の光周波数コム成分は、上記光周波数コムと上記第２のレーザ光の和周波数成分であることを特徴とする請求項１７記載のレーザ光発生装置。
【請求項１９】
第１のレーザ光を出射する第１のレーザ光源と、
上記第１のレーザ光源から出射された第１のレーザ光に基づいて周波数間隔一定のサイドバンドを持つレーザ光からなる光周波数コムを発生する光周波数コム発生手段と、
第２のレーザ光を出射する第２のレーザ光源と、
上記光周波数コム発生手段により発生された光周波数コムと上記第２のレーザ光源から出射された第２のレーザ光とを混合する第１の光学系と、
上記第１の光学系により混合された上記光周波数コムと上記第２のレーザ光の混合光が入射される第１の非線形光学結晶素子と、
上記光周波数コム発生手段により発生された光周波数コムが入射される第２の非線形光学結晶素子と、
上記第１の非線形光学結晶素子を介して得られる上記光周波数コムと同じ周波数間隔の第２の光周波数コム成分と、上記第２の非線形光学結晶素子を介して得られる光第２高調波発生による上記光周波数コムの光第２高調波成分とを混合する第２の光学系と、
上記第２の光学系により混合された上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分の混合光から、上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分とのヘテロダイン成分を検出するヘテロダイン検波手段と、
上記ヘテロダイン検波手段による上記ヘテロダイン成分の検出出力に基づいて上記第１のレーザ光と第２のレーザ光の差周波数を一定にするように上記第１のレーザ光源と第２のレーザ光源の一方を帰還制御する制御手段と
を備えることを特徴とするレーザ光発生装置。
【請求項２０】
上記第２の光周波数コム成分は、上記光周波数コムと上記第２のレーザ光の和周波数成分であることを特徴とする請求項１９記載のレーザ光発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、周波数間隔一定の側帯波をもつレーザ光からなる光周波数コムを利用したレーザ周波数測定方法、レーザ周波数制御方法、レーザ周波数測定装置及びレーザ光発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、２つのレーザ光をヘテロダイン検波してその差周波数を測定あるいは制御する場合、その帯域は受光素子の帯域で制限され、おおむね数十ＧＨｚ程度であるので、光周波数コム発生器を用いて広帯域なヘテロダイン検波系を構築するようにしている。光周波数コム発生器は、入射したレーザ光の側帯波を等周波数間隔毎に数百本発生させるもので、発生される側帯波の周波数安定度はもとのレーザ光のそれとほぼ同等である。そこで、この側帯波と被測定レーザ光をヘテロダイン検波することにより、数ＴＨｚに亘る広帯域なヘテロダイン検波系を構築することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来、光周波数コムと被測定レーザ光をヘテロダイン検波してその差周波数を測定あるいは制御する場合、コムの１つのモード（サイドバンド）と被測定レーザ光とで直接ビート発生を行いビート測定していたために、コムのサイドバンドパワーでＳＮ比が決定していた。サイドバンドパワーはコムの中心周波数から離れるに従って減少する傾向にあるので、コムのパワーが小さい場合にＳＮ比が低くなり十分な測定精度を確保することができなくなってしまうという問題点があった。
【０００４】
本発明の目的は、このような従来の問題点に鑑み、光周波数コムと被測定レーザ光をヘテロダイン検波してその差周波数を測定あるいは制御するに当たり、ＳＮ比を改善して十分な測定精度を確保し、広範囲に亘ってレーザ周波数を測定あるいは制御することができるようにしたレーザ周波数測定方法、レーザ周波数制御方法、レーザ周波数測定装置及びレーザ光発生装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るレーザ周波数測定方法は、第１のレーザ光に基づいて周波数間隔一定のサイドバンドを持つレーザ光からなる光周波数コムを生成し、上記光周波数コムと第２のレーザ光とを混合し、その混合光から１つの非線形光学結晶素子を介して、上記光周波数コムと同じ周波数間隔の第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分を得て、上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分のヘテロダイン成分を検出し、上記ヘテロダイン成分の検出出力に基づいて、上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分との差周波数を測定することを特徴とする。
また、本発明に係るレーザ周波数測定方法は、第１のレーザ光に基づいて周波数間隔一定のサイドバンドを持つレーザ光からなる光周波数コムを生成し、上記光周波数コムと第２のレーザ光とを混合し、その混合光から第１の非線形光学結晶素子を介して上記光周波数コムと同じ周波数間隔の第２の光周波数コム成分を得るとともに、上記光周波数コムから第２の非線形光学結晶素子を介して光第２高調波発生により光第２高調波成分を得て、上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分とを混合し、その混合光から上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分とのヘテロダイン成分を検出し、上記ヘテロダイン成分の検出出力に基づいて、上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分との差周波数を測定することを特徴とする。
本発明に係るレーザ周波数測定方法において、上記第２の光周波数コム成分は、例えば、上記光周波数コムと上記第２のレーザ光の和周波数成分である。
また、本発明に係るレーザ周波数測定方法では、例えば、上記第１のレーザ光又は第２のレーザ光の一方のレーザ光を基準として、検出された上記ヘテロダイン成分に基づいて、他方のレーザ光の周波数を測定する。
【０００６】
本発明に係るレーザ周波数制御方法は、第１のレーザ光に基づいて周波数間隔一定のサイドバンドを持つレーザ光からなる光周波数コムを生成し、上記光周波数コムと第２のレーザ光とを混合し、その混合光から１つの非線形光学結晶素子を介して上記光周波数コムと同じ周波数間隔の第２の光周波数コム成分と、上記光周波数コムの光第２高調波成分を得て、上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分のヘテロダイン成分を検出し、上記ヘテロダイン成分の検出出力に基づいて上記第１のレーザ光と第２のレーザ光の差周波数を一定にするように帰還制御することを特徴とする。
また、本発明に係るレーザ周波数制御方法は、第１のレーザ光に基づいて周波数間隔一定のサイドバンドを持つレーザ光からなる光周波数コムを生成し、上記光周波数コムと第２のレーザ光とを混合し、その混合光から第１の非線形光学結晶素子を介して上記光周波数コムと同じ周波数間隔の第２の光周波数コム成分を得るとともに、第２の非線形光学結晶素子を介して光第２高調波発生による上記光周波数コムの光第２高調波成分を得て、上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分とを混合し、その混合光から上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分とのヘテロダイン成分を検出し、上記ヘテロダイン成分の検出出力に基づいて上記第１のレーザ光と第２のレーザ光の差周波数を一定にするように帰還制御することを特徴とする。
本発明に係るレーザ周波数制御方法において、上記第２の光周波数コム成分は、例えば、上記光周波数コムと上記第２のレーザ光の和周波数成分である。
【０００７】
本発明に係るレーザ周波数測定装置は、第１のレーザ光に基づいて周波数間隔一定のサイドバンドを持つレーザ光からなる光周波数コムを発生する光周波数コム発生手段と、上記光周波数コム発生手段により生成された光周波数コムと第２のレーザ光とを混合する光学系と、上記光学系により混合された上記光周波数コムと第２のレーザ光の混合光が入射される非線形光学結晶素子と、上記非線形光学結晶素子を介して得られる上記光周波数コムと同じ周波数間隔の第２の光周波数コム成分と、光第２高調波発生による上記光周波数コムの光第２高調波成分のヘテロダイン成分を検出するヘテロダイン検波手段とを備え、上記ヘテロダイン検波手段による上記ヘテロダイン成分の検出出力に基づいて、上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分との差周波数を測定することを特徴とする。
また、本発明に係るレーザ周波数測定装置は、第１のレーザ光に基づいて周波数間隔一定のサイドバンドを持つレーザ光からなる光周波数コムを発生する光周波数コム発生手段と、上記光周波数コム発生手段により発生された光周波数コムと第２のレーザ光とを混合する第１の光学系と、上記第１の光学系により混合された上記光周波数コムと第２のレーザ光の混合光が入射される第１の非線形光学結晶素子と、上記光周波数コム発生手段により発生された光周波数コムが入射される第２の非線形光学結晶素子と、上記第１の非線形光学結晶素子を介して得られる上記光周波数コムと同じ周波数間隔の第２の光周波数コム成分と、上記第２の非線形光学結晶素子を介して得られる光第２高調波発生による上記光周波数コムの光第２高調波成分とを混合する第２の光学系と、上記第２の光学系により混合された上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分の混合光から、上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分とのヘテロダイン成分を検出するヘテロダイン検波手段と、上記ヘテロダイン検波手段による上記ヘテロダイン成分の検出出力に基づいて、上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分との差周波数を測定することを特徴とする。
本発明に係るレーザ周波数測定装置において、上記第２の光周波数コム成分は、例えば、上記光周波数コムと上記第２のレーザ光の和周波数成分である。
また、本発明に係るレーザ周波数測定装置では、例えば、上記第１のレーザ光又は第２のレーザ光の一方のレーザ光を基準として、上記ヘテロダイン検波手段により検出された上記ヘテロダイン成分に基づいて、他方のレーザ光の周波数を測定する。
【０００８】
本発明に係るレーザ光発生装置は、第１のレーザ光を出射する第１のレーザ光源と、上記第１のレーザ光源から出射された第１のレーザ光に基づいて周波数間隔一定のサイドバンドを持つレーザ光からなる光周波数コムを発生する光周波数コム発生手段と、第２のレーザ光を出射する第２のレーザ光源と、上記光周波数コム発生手段により生成された光周波数コムと上記第２のレーザ光源から出射された第２のレーザ光とを混合する光学系と、上記光学系により混合された上記光周波数コムと第２のレーザ光の混合光が入射される非線形光学結晶素子と、上記非線形光学結晶素子を介して得られる上記光周波数コムと同じ周波数間隔の第２の光周波数コム成分と、光第２高調波発生による上記光周波数コムの光第２高調波成分のヘテロダイン成分を検出するヘテロダイン検波手段と、上記ヘテロダイン検波手段による上記ヘテロダイン成分の検出出力に基づいて上記第１のレーザ光と第２のレーザ光の差周波数を一定にするように上記第１のレーザ光源と第２のレーザ光源の一方を帰還制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
また、本発明に係るレーザ光発生装置は、第１のレーザ光を出射する第１のレーザ光源と、上記第１のレーザ光源から出射された第１のレーザ光に基づいて周波数間隔一定のサイドバンドを持つレーザ光からなる光周波数コムを発生する光周波数コム発生手段と、第２のレーザ光を出射する第２のレーザ光源と、上記光周波数コム発生手段により発生された光周波数コムと第２のレーザ光とを混合する第１の光学系と、上記第１の光学系により混合された上記光周波数コムと上記第２のレーザ光源から出射された第２のレーザ光の混合光が入射される第１の非線形光学結晶素子と、上記光周波数コム発生手段により発生された光周波数コムが入射される第２の非線形光学結晶素子と、上記第１の非線形光学結晶素子を介して得られる上記光周波数コムと同じ周波数間隔の第２の光周波数コム成分と、上記第２の非線形光学結晶素子を介して得られる光第２高調波発生による上記光周波数コムの光第２高調波成分とを混合する第２の光学系と、上記第２の光学系により混合された上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分の混合光から、上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分とのヘテロダイン成分を検出するヘテロダイン検波手段と、上記ヘテロダイン検波手段による上記ヘテロダイン成分の検出出力に基づいて上記第１のレーザ光と第２のレーザ光の差周波数を一定にするように上記第１のレーザ光源と第２のレーザ光源の一方を帰還制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
本発明に係るレーザ光発生装置において、上記第２の光周波数コム成分は、例えば、上記光周波数コムと上記第２のレーザ光の和周波数成分である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１０】
本発明は、例えば図１に示すような構成のレーザ周波数測定システム１００に適用される。
【００１１】
この図１に示したレーザ周波数測定システム１００は、基準レーザ光を出射する第１のレーザ光源１１０と、この第１のレーザ光源１１０から出射された基準レーザ光が入射される光周波数コム発生器１２０と、被測定レーザ光を出射する第２のレーザ光源１３０と、上記光周波数コム発生器１２０により発生された光周波数コムと上記第２のレーザ光源１３０から出射された被測定レーザ光とを混合する光学系１４０と、この光学系１４０により混合されたレーザ光が入射される非線形光学結晶素子１５０と、この非線形光学結晶素子５０から出射されたレーザ光を受光する光検出器１６０と、この光検出器１６０による検出出力が供給される周波数測定器１７０とからなる。
【００１２】
このレーザ周波数測定システム１００において、上記光学系１４０により混合されたレーザ光が入射される非線形光学結晶素子１５０から出射されるレーザ光には、上記光学系１４０により混合されたレーザ光すなわち光周波数コムと被測定レーザ光との和周波数成分と、光第２高調波発生（ＳＨＧ）による光第２高調波成分が含まれる。
【００１３】
そして、上記周波数測定器１７０では、上記非線形光学結晶素子１５０から出射されたレーザ光を受光する光検出器１６０による検出出力に基づいて、上記被測定レーザ光と光周波数コムの和周波数成分と光第２高調波発生（ＳＨＧ）による光第２高調波成分のヘテロダイン成分を検出することにより、上記被測定レーザ光の周波数を測定する。
【００１４】
このレーザ周波数測定システム１００において、上記第１のレーザ光源１１０には、例えば波長が１．５４８μｍの基準レーザ光を出射するレーザダイオードを用いた。上記光周波数コム発生器１２０は、上記第１のレーザ光源１１０から出射された基準レーザ光の周波数を中心に低周波数側と高周波数側に周波数間隔一定のサイドバンドを持つレーザ光からなる光周波数コムを発生する。上記光周波数コム発生器１２０としては、結合空洞共振器型光周波数コム発生器（CC_OFCG: Coupled Cavity Optical Frequency Comb Generator）や例えば特開平７−５８３８６号公報に記載されているような導波路型光位相変調器を用いた光周波数コム発生器を使用することができる。
【００１５】
このレーザ周波数測定システム１００では、上記光周波数コム発生器１２０により発生された帯域１０ＴＨｚ、平均パワー０．４ｍＷ、パルス幅１ｐｓの光周波数コムを帯域幅が４．５ＴＨｚのファイバー増幅器２１により平均パワー１８０ｍＷまで増幅して光学系１４０に入射するようにしてある。
【００１６】
また、上記第２のレーザ光源１３０が出射する被測定レーザ光は波長が１．５２８μｍで平均パワー１５ｍＷとした。したがって、基準レーザ光と被測定レーザ光の間の差周波数（δν）は２．４ＴＨｚとなっている。
【００１７】
また、このレーザ周波数測定システム１００では、上記非線形光学結晶素子１５０として周期的に分極反転されたニオブ酸リチウムＰＰＬＮ(periodically poled lithium niobate)結晶が用いられており、１．５５２μｍ付近の波長に対する光第２高調波に位相整合させている。ここで、上記非線形光学結晶素子１５０によるＳＨＧの中心周波数に対応する波長０．７７６μｍは、１．５２８μｍの被測定レーザ光と光周波数コムの１．５７６μｍ付近の成分の和周波数成分の波長にも対応している。
【００１８】
ここで、上記光学系１４０により被測定レーザ光と光周波数コムを混合したレーザ光を分解能が０．１ｎｍの光スペクトラムアナライザにより観測した結果を図２に示してある。この図２から明らかなように、上記ファイバー増幅器１２１により増幅された光周波数コムは、上記ファイバー増幅器１２１のカットオフにより帯域制限され、１．５２８μｍ帯域では減衰してしまっている。
【００１９】
また、上記非線形光学結晶素子１５０から出射されたレーザ光を分解能が０．１ｎｍの光スペクトラムアナライザにより観測した結果を図３に示してある。
【００２０】
図３において、（Ａ）は上記第２のレーザ光源１３０をオフにしたときに上記非線形光学結晶素子１５０から出射されたＳＨＧ光周波数コムのスペクトラムを示し、（Ｂ）は、上記第２のレーザ光源１３０をオンにしたときに上記非線形光学結晶素子１５０から出射されたＳＨＧ光周波数コムのスペクトラムを示している。
【００２１】
この図３から明らかなように、（Ａ）は上記第２のレーザ光源１３０をオフにしたときに上記非線形光学結晶素子１５０から出射されたＳＨＧ光周波数コムのスペクトラム（Ａ）よりも、上記第２のレーザ光源１３０をオンにしたときに上記非線形光学結晶素子１５０から出射されたＳＨＧ光周波数コムのスペクトラム（Ｂ）の方が、範囲が広いとともにパワーが大きい。
【００２２】
このように、ＳＨＧの中心周波数を１．５５２μｍ付近の波長に設定したＰＰＬＮ結晶を上記非線形光学結晶素子１５０として用いることにより、光周波数コムの１．５７６μｍ付近の成分と１．５２８μｍの被測定レーザ光の和周波数と光周波数コムの１．５５２μｍ付近の成分のＳＨＧを１つのの結晶で行うことができる。そして、上記光周波数コムの１．５７６μｍ付近の成分と１．５２８μｍの被測定レーザ光の和周波数と光周波数コムの１．５５２μｍ付近の成分のＳＨＧ成分は共に０．７７６μｍの波長帯域で重なるために、その両者のヘテロダイン（ビート）成分を上記光検出器１６０による検出出力に基づいて検出することができる。
【００２３】
ここで、被測定レーザ光と光周波数コムのヘテロダイン（ビート）成分を分解能１ＭＨｚ、スパン１００ＭＨｚの無線周波数スペクトラムアナライザにより観測した結果を図４に示してある。
【００２４】
図４において、（Ａ）は上記光学系１４０により光周波数コムと被測定レーザ光を混合したレーザ光をゲルマニウムピン（Ｇｅ−ＰＩＮ）フォトダイオードで検出し、その検出出力に基づいて観測した被測定レーザ光と光周波数コムのヘテロダイン（ビート）成分のスペクトラムを示し、（Ｂ）は上記非線形光学結晶素子１５０からの出射光をシリコンアバランシェフォトダイオード（Ｓｉ−ＡＰＤ）で検出し、その検出出力に基づいて観測した上記被測定レーザ光と光周波数コムを混合した和周波数の光周波数コムとＳＨＧ光周波数コムのヘテロダイン（ビート）成分のスペクトラムを示している。
【００２５】
この図４から明らかなように、上記光検出器１６０による検出出力に基づいて上記被測定レーザ光と光周波数コムを混合した和周波数の光周波数コムとＳＨＧ光周波数コムのヘテロダイン（ビート）成分を検出することにより、ＳＮ比を５ｄＢ程度改善することができた。
【００２６】
すなわち、上記被測定レーザ光と光周波数コムを混合した和周波数の光周波数コムとＳＨＧ光周波数コムのヘテロダイン（ビート）成分は、位相が揃っているので、高いＳＮ比で検出することができる。なお、このレーザ周波数測定システム１００では、上記非線形光学結晶素子１５０として用いる非線形光学結晶を選択したり、レーザパワーを上げることによりさらに高いＳＮ比で検出することが可能となる。
【００２７】
このレーザ周波数測定システム１００のように、基準レーザ光に基づいて周波数間隔一定のサイドバンドを持つレーザ光からなる光周波数コムを生成し、上記光周波数コムと被測定レーザ光との光混合により得られる上記光周波数コムと被測定レーザ光の和周波数成分と、上記光周波数コムから光第２高調波発生により得られる光第２高調波成分とのヘテロダイン成分を検出することにより、高いＳＮ比でヘテロダイン成分を検出することができ、上記ヘテロダイン成分の検出出力に基づいて上記被測定レーザ光の周波数を高い測定精度を確保して広範囲に亘って測定することができる。
【００２８】
ここで、上記レーザ周波数測定システム１００では、第１のレーザ光源１１０から出射される基準レーザ光に基づいて光周波数コム発生１２０により光周波数コムを発生し、第２のレーザ光源１３０から出射される被測定レーザ光の周波数を測定するようにしたが、ヘテロダイン成分の検出による周波数測定は相対的な周波数測定であるから、第１のレーザ光源１１０と第２のレーザ光源１３０を置き換えて、被測定レーザ光に基づいて光周波数コム発生１２０により光周波数コムを発生するようにしてもよい。
【００２９】
また、上記レーザ周波数測定システム１００では、第１のレーザ光源１１０と第２のレーザ光源１３０を用いてヘテロダイン成分の検出による周波数測定を行ったが、３個のレーザ光源を用い、そのうちの１つから出射される基準レーザ光に基づいて他の２個のレーザ光源から出射されるレーザ光の差周波数を測定する等の変形も可能である。
【００３０】
また、上記レーザ周波数測定システム１００では、上記光学系１４０を介して光周波数コムと被測定レーザ光を混合したレーザ光が入射される上記非線形光学結晶素子１５０により、上記光周波数コムと被測定レーザ光の和周波数成分と、上記光周波数コムの光第２高調波成分を得るようにしたが、図５に示すレーザ周波数測定システム１００Ａのように、上記光周波数コムと被測定レーザ光の和周波数成分と、上記光周波数コムの光第２高調波成分を個別の非線形光学結晶素子１５０Ａ，１５０Ｂにより得るようにすることもできる。
【００３１】
すなわち、図５に示すレーザ周波数測定システム１００Ａでは、第１のレーザ光源１１０から出射された基準レーザ光に基づいて光周波数コム発生器１２０により周波数間隔一定のサイドバンドを持つレーザ光からなる光周波数コムを生成し、上記光周波数コム発生器１２０により発生された光周波数コムと第２のレーザ光源１３０から出射された被測定レーザ光を第１の光学系１４０Ａを混合し、この第１の光学系１４０Ａにより混合されたレーザ光から第１の非線形光学結晶素子１５０Ａにより上記光周波数コムと被測定レーザ光の和周波数成分を得るとともに、第２の非線形光学結晶素子１５０Ｂにより上記光周波数コムの光第２高調波成分を得て、上記光周波数コムと被測定レーザ光の和周波数成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分を第２の光学系１４０Ｂにより混合するようになっている。そして、周波数測定器１７０は、上記第２の光学系１４０Ｂから出射される混合光を受光する光検出器１６０による検出出力に基づいて、上記被測定レーザ光と光周波数コムの和周波数成分と、光周波数コムの光第２高調波成分とのヘテロダイン成分を検出することにより、上記被測定レーザ光の周波数を測定する。
【００３２】
このレーザ周波数測定システム１００Ａでは、上記光周波数コムと被測定レーザ光の和周波数成分を得るため第１の非線形光学結晶素子１５０Ａと、上記光周波数コムの光第２高調波成分を得るため第２の非線形光学結晶素子１５０Ｂの特性を個別に最適化することができるので、ヘテロダイン成分のＳＮ比をさらに高くすることができる。
【００３３】
また、本発明は、例えば図６に示すような構成のレーザ光発生装置２００に適用される。
【００３４】
この図６に示したレーザ光発生装置２００は、基準レーザ光を出射する第１のレーザ光源２１０と、この第１のレーザ光源２１０から出射された基準レーザ光が入射される光周波数コム発生器２２０と、被制御レーザ光を出射する第２のレーザ光源２３０と、上記光周波数コム発生器２２０により発生された光周波数コムと上記第２のレーザ光源２３０から出射された被制御レーザ光とを混合する光学系２４０と、この光学系２４０により混合されたレーザ光が入射される非線形光学結晶素子２５０と、この非線形光学結晶素子２５０から出射されたレーザ光を受光する光検出器２６０と、この光検出器２６０による検出出力に基づいて上記第２のレーザ光源２３０を制御する制御装置２７０とからなる。
【００３５】
このレーザ光発生装置２００において、光周波数コム発生器２２０は、第１のレーザ光源２１０から出射された基準レーザ光の周波数を中心に低周波数側と高周波数側に周波数間隔一定のサイドバンドを持つレーザ光からなる光周波数コムを発生する。また、光学系２４０は、上記光周波数コム発生器２２０により発生された光周波数コムと上記第２のレーザ光源２３０から出射された被制御レーザ光とを混合し、その混合光を光第２高調波発生（ＳＨＧ）用の非線形光学結晶素子２５０に供給する。また、上記非線形光学結晶素子２５０は、上記光学系２４０を介して供給される光周波数コムと被制御レーザ光の混合光を入射光とし、基準レーザ光と被制御レーザ光の波長の中間の周波数に中心周波数を設定した光第２高調波発生（ＳＨＧ）を行う。そして、制御装置２７０は、この非線形光学結晶素子２５０から出射されたレーザ光を受光する光検出器２６０による検出出力に基づいて、上記レーザ光に含まれる上記光周波数コムと被測定レーザ光の和周波数成分と上記非線形光学結晶素子２５０による光第２高調波発生により得られる光第２高調波成分のヘテロダイン（ビート）成分を検出し、その検出出力を上記第２のレーザ光源２３０に帰還することにより、上記第２のレーザ光源２３０が出射する被制御レーザ光の周波数を上記光周波数コムにより与えられる目的の周波数にロックする制御を行う。
【００３６】
このレーザ光発生装置２００のように、基準レーザ光の周波数を中心に低周波数側と高周波数側に周波数間隔一定のサイドバンドを持つレーザ光からなる光周波数コムと被制御レーザ光とを混合し、上記光周波数コムと被制御レーザ光との混合光から光第２高調波発生により得られる光第２高調波成分と、上記混合光に含まれる上記光周波数コムと被制御レーザ光の和周波数成分とのヘテロダイン成分を検出し、高いＳＮ比でヘテロダイン成分を検出することができ、上記ヘテロダイン成分の検出出力を帰還して被制御レーザ光の周波数を制御することにより、被制御レーザ光の周波数を広範囲に亘って高精度に制御することができる。したがって、このレーザ光発生装置２００では、広い周波数範囲に亘って極めて安定した被制御レーザ光を発生することができる。
【００３７】
ここで、上記レーザ光発生装置２００では、第１のレーザ光源２１０から出射される基準レーザ光に基づいて光周波数コム発生２２０により光周波数コムを発生し、第２のレーザ光源２３０から出射される被制御レーザ光の周波数を制御するようにしたが、ヘテロダイン成分の検出による周波数制御は相対的制御であるから、第１のレーザ光源２１０と第２のレーザ光源２３０を置き換えて、被測定レーザ光に基づいて光周波数コム発生２２０により光周波数コムを発生するようにしてもよい。
【００３８】
また、上記レーザ光発生装置２００では、上記光学系２４０を介して光周波数コムと被制御レーザ光を混合したレーザ光が入射される上記非線形光学結晶素子２５０により、上記光周波数コムと被測定レーザ光の和周波数成分と、上記光周波数コムの光第２高調波成分を得るようにしたが、上記光周波数コムと被測定レーザ光の和周波数成分と、上記光周波数コムの光第２高調波成分を個別の非線形光学結晶素子により得るようにしてもよい。各非線形光学結晶素子を個別に最適化することにより、ヘテロダイン成分のＳＮ比をさらに高くすることができる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明に係るレーザ周波数測定方法では、第１のレーザ光に基づいて周波数間隔一定のサイドバンドを持つレーザ光からなる光周波数コムを生成し、上記光周波数コムと第２のレーザ光の混合光から１つの非線形光学結晶素子を介して、上記光周波数コムと同じ周波数間隔の第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分を得て、上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分のヘテロダイン成分を検出するので、高いＳＮ比で上記ヘテロダイン成分を検出することができ、上記ヘテロダイン成分の検出出力に基づいて、上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分との差周波数を広範囲に亘って高い測定精度を確保して測定することができる。
また、本発明に係るレーザ周波数測定方法では、第１のレーザ光に基づいて周波数間隔一定のサイドバンドを持つレーザ光からなる光周波数コムを生成し、上記光周波数コムと第２のレーザ光の混合光から第１の非線形光学結晶素子を介して上記光周波数コムと同じ周波数間隔の第２の光周波数コム成分を得るとともに、上記光周波数コムから第２の非線形光学結晶素子を介して光第２高調波発生により光第２高調波成分を得て、上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分の混合光から上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分とのヘテロダイン成分を検出するので、高いＳＮ比で上記ヘテロダイン成分を検出することができ、上記ヘテロダイン成分の検出出力に基づいて、上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分との差周波数を広範囲に亘って高い測定精度を確保して測定することができる。そして、このレーザ周波数測定方法では、上記光周波数コムと同じ周波数間隔の第２の光周波数コム成分を得るため第１の非線形光学結晶素子と、上記光周波数コムの光第２高調波成分を得るため第２の非線形光学結晶素子の特性を個別に最適化することができるので、ヘテロダイン成分のＳＮ比をさらに高くすることができる。
そして、本発明に係るレーザ周波数測定方法では、例えば、上記第１のレーザ光又は第２のレーザ光の一方のレーザ光を基準として、上記ヘテロダイン検波手段により検出された上記ヘテロダイン成分に基づいて、高い測定精度を確保して他方のレーザ光の周波数を広範囲に亘って測定することができる。
【００４０】
本発明に係るレーザ周波数制御方法では、第１のレーザ光から生成した光周波数コムと第２のレーザ光の混合光から１つの非線形光学結晶素子を介して上記光周波数コムと同じ周波数間隔の第２の光周波数コム成分と、上記光周波数コムの光第２高調波成分を得て、上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分のヘテロダイン成分を検出するので、高いＳＮ比で上記ヘテロダイン成分を検出することができ、上記ヘテロダイン成分の検出出力に基づいて、上記第１のレーザ光と第２のレーザ光の差周波数を一定にするように帰還制御することにより、上記差周波数を広範囲に亘って高精度に制御することができる。
また、本発明に係るレーザ周波数制御方法では、第１のレーザ光から生成した光周波数コムと第２のレーザ光の混合光から第１の非線形光学結晶素子を介して上記光周波数コムと同じ周波数間隔の第２の光周波数コム成分を得るとともに、第２の非線形光学結晶素子を介して光第２高調波発生による上記光周波数コムの光第２高調波成分を得て、上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分の混合光から上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分とのヘテロダイン成分を検出するので、高いＳＮ比でヘテロダイン成分を検出することができ、上記ヘテロダイン成分の検出出力に基づいて、上記第１のレーザ光と第２のレーザ光の差周波数を一定にするように帰還制御することにより、上記差周波数を広範囲に亘って高精度に制御することができる。さらに、このレーザ周波数制御方法では、上記光周波数コムと同じ周波数間隔の第２の光周波数コム成分を得るため第１の非線形光学結晶素子と、上記光周波数コムの光第２高調波成分を得るため第２の非線形光学結晶素子の特性を個別に最適化することができるので、ヘテロダイン成分のＳＮ比をさらに高くすることができる。
【００４１】
本発明に係るレーザ周波数測定装置では、光周波数コム発生手段により第１のレーザ光に基づいて周波数間隔一定のサイドバンドを持つレーザ光からなる光周波数コムを生成し、上記光周波数コムと第２のレーザ光との混合光から１つの非線形光学結晶素子を介して得られる上記光周波数コムと同じ周波数間隔の第２の光周波数コム成分と、光第２高調波発生による上記光周波数コムの光第２高調波成分のヘテロダイン成分をヘテロダイン検波手段により検出するので、高いＳＮ比で上記ヘテロダイン成分を検出することができ、上記ヘテロダイン検波手段による上記ヘテロダイン成分の検出出力に基づいて、上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分との差周波数を広範囲に亘って高い測定精度を確保して測定することができる。
また、本発明に係るレーザ周波数測定装置では、光周波数コム発生手段により第１のレーザ光に基づいて周波数間隔一定のサイドバンドを持つレーザ光からなる光周波数コムを生成し、上記光周波数コムと第２のレーザ光の混合光から第１の非線形光学結晶素子を介して得られる上記光周波数コムと同じ周波数間隔の第２の光周波数コム成分と、第２の非線形光学結晶素子を介して得られる光第２高調波発生による上記光周波数コムの光第２高調波成分の混合光から、上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分とのヘテロダイン成分をヘテロダイン検波手段により検出するので、高いＳＮ比で上記ヘテロダイン成分を検出することができ、上記ヘテロダイン成分の検出出力に基づいて上記差周波数を広範囲に亘って高い測定精度を確保して測定することができる。さらに、このレーザ周波数測定方法では、上記光周波数コムと同じ周波数間隔の第２の光周波数コム成分を得るため第１の非線形光学結晶素子と、上記光周波数コムの光第２高調波成分を得るため第２の非線形光学結晶素子の特性を個別に最適化することができるので、ヘテロダイン成分のＳＮ比をさらに高くすることができる。
そして、本発明に係るレーザ周波数測定装置では、例えば、上記第１のレーザ光又は第２のレーザ光の一方のレーザ光を基準として、上記ヘテロダイン検波手段により検出された上記ヘテロダイン成分に基づいて、高い測定精度を確保して他方のレーザ光の周波数を広範囲に亘って測定することができる。
【００４２】
本発明に係るレーザ光発生装置では、光周波数コム発生手段により第１のレーザ光源から出射された第１のレーザ光に基づいて周波数間隔一定のサイドバンドを持つレーザ光からなる光周波数コムを生成し、上記光周波数コム発生手段により生成された光周波数コムと上記第２のレーザ光源から出射された第２のレーザ光の混合光から、１つの非線形光学結晶素子を介して得られる上記光周波数コムと同じ周波数間隔の第２の光周波数コム成分と、光第２高調波発生による上記光周波数コムの光第２高調波成分のヘテロダイン成分をヘテロダイン検波手段により検出するので、高いＳＮ比でヘテロダイン成分を検出することができ、上記ヘテロダイン成分の検出出力に基づいて、制御手段により上記第１のレーザ光と第２のレーザ光の差周波数を一定にするように広い周波数範囲に亘って極めて安定に帰還制御することができる。
また、本発明に係るレーザ光発生装置では、光周波数コム発生手段により第１のレーザ光に基づいて周波数間隔一定のサイドバンドを持つレーザ光からなる光周波数コムを生成し、上記光周波数コムと第２のレーザ光の混合光から第１の非線形光学結晶素子を介して得られる上記光周波数コムと同じ周波数間隔の第２の光周波数コム成分と、第２の非線形光学結晶素子を介して得られる光第２高調波発生による上記光周波数コムの光第２高調波成分の混合光から、上記第２の光周波数コム成分と上記光周波数コムの光第２高調波成分とのヘテロダイン成分をヘテロダイン検波手段により検出するので、高いＳＮ比で上記ヘテロダイン成分を検出することができ、上記ヘテロダイン成分の検出出力に基づいて、制御手段により上記第１のレーザ光と第２のレーザ光の差周波数を一定にするように広い周波数範囲に亘って極めて安定に帰還制御することができる。さらにこのレーザ光発生装置では、上記光周波数コムと同じ周波数間隔の第２の光周波数コム成分を得るため第１の非線形光学結晶素子と、上記光周波数コムの光第２高調波成分を得るため第２の非線形光学結晶素子の特性を個別に最適化することができるので、ヘテロダイン成分のＳＮ比をさらに高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したレーザ周波数測定システムの構成を示すブロック図である。
【図２】上記レーザ周波数測定システムおいて被測定レーザ光と光周波数コムを混合したレーザ光を分解能が０．１ｎｍの光スペクトラムアナライザにより観測した結果を示す図である。
【図３】上記レーザ周波数測定システムおいて、非線形光学結晶素子から出射されたレーザ光を分解能が０．１ｎｍの光スペクトラムアナライザにより観測した結果を示す図であり、（Ａ）は第２のレーザ光源をオフにしたときに上記非線形光学結晶素子から出射されたＳＨＧ光周波数コムのスペクトラムを示し、（Ｂ）は、上記第２のレーザ光源をオンにしたときに上記非線形光学結晶素子から出射されたＳＨＧ光周波数コムのスペクトラムを示している。
【図４】上記レーザ周波数測定システムおいて、被測定レーザ光と光周波数コムのヘテロダイン（ビート）成分を分解能１ＭＨｚ、スパン１００ＭＨｚの無線周波数スペクトラムアナライザにより観測した結果を示す図であり、（Ａ）は被測定レーザ光と光周波数コムを混合したレーザ光に含まれる被制御レーザ光と光周波数コムのヘテロダイン（ビート）成分のスペクトラムを示し、（Ｂ）は非線形光学結晶素子から出射されたレーザ光に含まれる上記被測定レーザ光と光周波数コムを混合した和周波数の光周波数コムとＳＨＧ光周波数コムのヘテロダイン（ビート）成分のスペクトラムを示している。
【図５】本発明を適用したレーザ周波数測定システムの他の構成例を示すブロック図である。
【図６】本発明を適用したレーザ光発生装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１００，１００Ａ  レーザ周波数測定システム、１１０  第１のレーザ光源、１２０  光周波数コム発生器、１２１  ファイバー増幅器、１３０  第２のレーザ光源、１４０，１４０Ａ，１４０Ｂ  光学系、１５０，１５０Ａ，１５０Ｂ  非線形光学結晶素子、１６０  光検出器、１７０  周波数測定器、  ２００  レーザ光発生装置、２１０  第１のレーザ光源、２２０  光周波数コム発生器、２３０  第２のレーザ光源、２４０  光学系、２５０  非線形光学結晶素子と２６０  光検出器、２７０  制御装置
【図１】
0003805555.tif 000002
【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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