頻率穩定化雷射器及頻率穩定化方法
2023-06-02 20:42:51 5
專利名稱：頻率穩定化雷射器及頻率穩定化方法
技術領域：
本發明涉及能夠根據光輸出信號改變諧振器長度，而使雷射的振蕩頻率穩定化的頻率穩定化雷射器及頻率穩定化方法。
背景技術：
由半導體雷射器激勵的Nd:YAG晶體等作為放大介質而進行使用的、連續波束振蕩位於523nm區域的固體雷射波長，被作為長度標準使用。實際上，為了利用雷射波長進行長度測量，有必要利用雷射單一頻率即單一縱模進行振蕩。而且，為了利用原子或分子的吸收線分光技術使雷射的振蕩頻率穩定化，還必須能夠任意地選擇振蕩頻率。
作為選擇雷射的振蕩模式且單一化的方法，目前眾所周知的方法包括有在諧振器內使用標準樣件的方法、在諧振器內使用衍射光柵的方法等等。為了任意地選擇振蕩頻率，可以通過採用由標準樣件等的光學元件構成的頻率濾波器，對透過的雷射的頻率進行選擇，進而通過控制諧振器長度，而控制雷射的振蕩頻率。
在採用雷射的波長進行長度測量的情況，為了降低長度測量的不正確性，有必要提高雷射的頻率穩定度。對於利用碘分子的吸收線分光技術構造的碘穩定化雷射器，通過將振蕩頻率控制在飽和吸收信號的中心，能得到高頻率穩定度的雷射(參見日本特開2001-274495、日本特開平10-163549、日本特開2000-261092)。
實際上，為了能夠把雷射作為長度的標準器件，選擇任意的振蕩頻率，而且為了能夠使10-10級的頻率穩定度成為可能，需要能夠控制諧振器長度，使其能夠按照數GHz的幅度掃描諧振頻率，並將所希望的頻率控制在50kHz左右的幅度內。
因此，這需要使控制諧振器長度的促動器及其驅動電路的動態區域變大，所以使振蕩頻率穩定化是困難的。
發明內容
本發明是鑑於這樣的問題而研製的，其目的是提供一種使雷射的振蕩頻率穩定度提高的頻率穩定化雷射器及頻率穩定化方法。
本發明提供的一種頻率穩定化雷射器，通過在相對位置配置一對反射鏡而構成的諧振器使激勵光諧振而生成雷射，並根據對吸收單元照射該雷射而得到的光輸出信號改變上述諧振器長度，從而使上述雷射的振蕩頻率穩定化，其特徵在於，具有檢測上述光輸出信號的光檢測裝置；檢測上述光輸出信號的三次微分信號的三次微分信號檢測裝置；使上述諧振器長度產生變化的第一促動器；驅動上述第一促動器的第一驅動裝置；使上述諧振器長度產生變化的第二促動器；驅動上述第二促動器的第二驅動裝置；根據上述光輸出信號控制上述第一驅動裝置的第一控制裝置；根據上述三次微分信號控制上述第二驅動裝置的第二控制裝置，而且通過上述第一促動器和上述第二促動器控制上述諧振器長度，進而控制上述振蕩頻率。
本發明提供的一種頻率穩定化方法，通過在相對位置配置一對反射鏡而構成的諧振器使激勵光諧振而生成雷射，並根據對吸收單元照射該雷射而得到的光輸出信號使上述諧振器長度產生變化，從而使上述雷射的振蕩頻率穩定化，其特徵在於，具有檢測上述光輸出信號的光檢測工序；檢測上述光輸出信號的三次微分信號的三次微分信號檢測工序；根據上述光輸出信號控制上述諧振器長度變動的第一控制工序和根據上述三次微分信號控制上述諧振器長度變動的第二控制工序，而且通過控制上述諧振器的長度變動控制上述振蕩頻率的。
若使用本發明，通過組合使用檢測光輸出信號和其三次微分信號，並且控制諧振器長度的第一和第二促動器的方式，能夠在不增大各個動態區域的條件下增大全體的動態區域。因此，能夠提高雷射的頻率穩定度。
圖1是表示作為本發明一種實施形式的頻率穩定化雷射器的構成概略圖；圖2是表示對作為本發明一種實施形式的頻率穩定化雷射器實施控制時檢測的光輸出信號、三次微分信號的圖；圖3是表示本發明一種實施形式的頻率穩定化雷射器實施控制時檢測的光輸出信號的示意圖；圖4是表示本發明一種實施形式的頻率穩定化雷射器的圖2中的A部的放大圖。
具體實施例方式
以下，參照
該發明的最佳實施形式。
參照圖1說明本發明的一種實施形式。圖1是表示本發明一種實施形式的頻率穩定化雷射器的構成概略圖。如圖1所示，這種頻率穩定化雷射器具有雷射發生部1、雷射檢測部2、驅動控制部3和計算機4。
雷射發生部1具有激勵用半導體雷射器10、用多個光學零部件構成的聚光系統11、生成特定波長諧振波的諧振波生成部12和對諧振波生成部12進行溫度控制的溫度控制部13。
在雷射發生部1中，可以通過給激勵用半導體雷射器10提供規定電流，發射出波長為808nm的雷射L1。該發射出的雷射L1由聚光系統11實施聚光，並被引導到諧振波生成部12處。
在諧振波生成部12的雷射入射側(如圖1所示的諧振波生成部12的左側部)，還配置著Nd:YVO4晶體121a、KTP晶體(非線性光學晶體)122a。
Nd:YVO4晶體121a是一種二極體雷射器激勵固體，通過雷射L1的照射，可以激勵Nd原子，進而可以通過感應輻射而發射出波長為1064nm的光。而且，在該Nd:YVO4晶體121a的聚光系統11側的面(圖1左側)處，形成有能夠對波長為1064nm的光實施反射的塗層。
KTP晶體122a是一種非線性光學晶體，通過感應輻射能夠將波長為1064nm的一部分光生成為作為其2次高頻諧波的波長為532nm的光。這裡，若波長為1064nm的光是單一縱模，則作為其第二高頻諧波的波長為532nm的光也具有單一縱模。
這些Nd:YVO4晶體121a和KTP晶體122a分別安裝在線膨脹率較大的黃銅製的Nd:YVO4晶體座121b和KTP晶體座122b(非線性光學晶體存儲部)處。
在諧振波生成部12的中央部配置著第一標準樣件123a和第二標準樣件123b。這些標準樣件123a、123b具有僅能夠使特定頻率的雷射透過的特性。
在諧振波生成部12的雷射出射側(如圖1所示的諧振波生成部12的右側部)處，設置有反射鏡124、第一促動器125和第二促動器126。Nd:YVO4晶體121a～第二促動器126被收裝在雷射器諧振器框體127內。
反射鏡124形成有能夠反射波長為1064nm的光，並且使波長為532nm的光透過的塗層。因此，僅相對于波長為1064nm的光，Nd:YVO4晶體121a和反射鏡124構成為諧振器。
第一促動器125和第二促動器126是壓電晶體，能夠通過施加電壓產生變形，而使反射鏡124的位置產生變化。而且，第二促動器126與第一促動器125進行比較，相對施加電壓的形狀變化較小地設定。
溫度控制部13具有溫度計130、珀爾帖元件131、散熱器132和溫度控制電路133。
溫度計130測定諧振波生成部12的溫度。溫度控制電路133依據由溫度計130得到的諧振波生成部12的溫度，決定施加在珀爾帖元件131上的電壓。珀爾帖元件131根據該施加電壓的值和其極性，對雷射器諧振器框體127實施冷卻或加熱。而且，珀爾帖元件131的外側與雷射器諧振器框體127相反地進行加熱或冷卻，並可以用散熱器132抑制溫度變化。
由於是上述光學系統的結構，透過Nd:YVO4晶體121a和KTP晶體122a的光，成為包含波長為532nm、808nm、1064nm的光L2。通過調整第一標準樣件123a和第二標準樣件123b的旋轉角度，使實際的標準樣件的光學長度變化，能夠對透射過的光L2的頻率進行調整。採用這種構成方式，能夠通過標準樣件及諧振器對光L2實施放大和波長選擇，而得到波長1064nm和532nm的單一縱模的雷射L3。
即使通過例如在Nd:YVO4晶體121a的KTP晶體122a側和KTP晶體122a的兩面設置防止反射塗層，也可以使這些與標準樣件同樣地作為頻率濾波器而起作用，使透射過這些的光僅為具有特定頻率的光。
通過對雷射器諧振器框體127的溫度控制，可以使線膨脹率高的Nd:YVO4晶體座121a和KTP晶體座122b的位置產生變化，由於諧振器長度產生變化，故能夠對諧振器的透過頻率實施調整。
下面說明雷射檢測部2。
從雷射發生部1產生出的雷射L3，由雷射檢測部2實施分光、檢測。雷射檢測部2具有高次諧波分離器21、偏振片22a、λ/4板22b、二個偏振光分光鏡23a、23b、碘單元24、反射板25和光檢測裝置26。
該高次諧波分離器21對波長1064nm和波長532nm的雷射L3進行分光，得到波長1064nm的雷射L4和波長532nm的雷射L5。波長為1064nm的雷射L4可以用於長度測量等等。
波長為532nm的雷射L5通過偏振片22a被偏振為p偏振光。然後，p偏振光的光L6通過偏振光分光鏡23a、23b、λ/4板22b、碘單元24而被反射板25反射，再通過碘單元24、λ/4板22b到達偏振光分光鏡23b。
s偏振光的光L7被偏振光分光鏡23a反射，可以用於長度測量等等。由於是上述的光學系統結構，p偏振光的雷射L6在碘單元24中特定波長被吸收，兩次通過λ/4板22b，從p偏振光偏振為s偏振光。被偏振為s偏振光的雷射L8由偏振光分光鏡23b反射，由光檢測裝置26進行光電變換，從而可以讀取出光輸出信號S1。該光輸出信號S1可以用於頻率穩定化控制的參照用。
下面說明驅動控制部3。
驅動控制部3具有第一控制裝置30、第一驅動裝置31、調製解調用信號發生器32、鎖定放大器33、頻率穩定化控制裝置34、第二控制裝置35及第二驅動裝置36。驅動控制部3根據從計算機4輸出的控制信號S3實行控制。
第一控制裝置30利用從計算機4輸入的控制信號S3，輸出控制信號S4，使第一控制裝置31的控制開始。第一驅動裝置31根據該控制信號S4，向第一促動器125輸出規定電壓，使諧振器長度產生變化。
調製解調用信號發生器32向第二驅動裝置36輸出頻率1fHz的信號，向鎖定放大器33輸出頻率3fHz的信號。第二驅動裝置36驅動第二促動器126，利用1fHz對雷射L3實施調製。鎖定放大器33通過利用該1fHz實施調製的雷射L3產生的激勵，利用頻率為3fHz對所得到的光輸出信號S1實施解調製，並向第二控制裝置35輸出三次微分信號S2。這樣，調製解調用信號發生器32及鎖定放大器33具有能夠作為檢測光輸出信號的三次微分信號的三次微分信號檢測裝置而發揮功能。
頻率穩定化控制裝置34具有生成部34a和開關部34b。該生成部34a反饋的三次微分信號S2，而生成參考電壓0V的偏差為0，輸出頻率穩定化控制信號S5。通過從計算機4來的控制信號S3，開關部34b能夠進行ON/OFF的控制。即，頻率穩定化控制裝置34構成選擇是否向第二控制裝置35輸出頻率穩定化控制信號S5的結構。
第二控制裝置35通過從計算機4獲得的控制信號S3，輸出控制信號S6，開始第二驅動裝置36的控制。第二驅動裝置36根據該控制信號S6，向第二促動器126輸出規定電壓。使諧振器長度產生變化。
圖2是表示使諧振器長度變化、利用頻率幅度為1.5GHz左右掃描振蕩頻率時得到的光輸出信號S1及其三次微分信號S2的一個波形實例的示意圖。這裡，光輸出信號S1由於使通過光輸出裝置26光電變換獲得的信號反轉放大，所以電壓極性被反轉。
在三次微分信號S2的波形中，利用1.5GHz的頻率幅度對碘分子共振吸收而形成的飽和吸收信號作為波峰和波谷在十數處實施檢測。在本實施形式的頻率穩定雷射器中，控制第一促動器125和第二促動器126，以能夠獲得這些多個波峰和波谷中的1個，而使頻率穩定化。
下面對本實施形式的頻率穩定雷射器的頻率穩定化的控制進行說明。作為該頻率穩定雷射器的初始形態，促動器125、126處於靜止的形態，可以一邊用光檢測裝置讀取雷射的頻率和強度，一邊調整第一標準器123a和第二標準器123b的旋轉角度和雷射器諧振器框體127的溫度，使雷射的振蕩頻率接近所希望的頻率，且使雷射強度設定為大的。
首先，第一控制裝置30根據控制信號S3控制第一驅動裝置31，開始第一促動器125的驅動。這裡，由於碘分子吸收所引起的振蕩頻率的幅度是1GHz，所以以能掃描該發送頻率幅度地使第一促動器125的驅動頻率為數GHz左右。與此同時，將三次微分信號S2從鎖定放大器33向頻率穩定化控制裝置34輸出。計算機34檢測該三次微分信號S2，當檢測到的雷射L6的振蕩頻率與設定頻率中的飽和吸收信號的中心大致一致時，向第一控制裝置30發送出控制信號S3，以停止第一促動器125的驅動。而且，第一控制裝置30把在停止時刻振蕩頻率中的光輸出信號S1的電壓設定為目標值，並為了能夠得到該目標值地對第一促動器125實施驅動，從而把雷射控制在希望頻率的附近。
接著，第二控制裝置35控制第二驅動裝置36，對第二促動器126實施驅動。即，在離開波峰和波谷的頻率下進行掃描時，將頻率穩定化控制裝置34的開關部34b設定為OFF，在處於所希望的飽和吸收信號的中心附近(波峰和波谷之間)時，使開關部34b轉換成ON。因此，在飽和吸收信號的中心，三次微分信號是0V，所以通過將參考電壓設定為0V，將能夠使飽和吸收信號成為中心地實行頻率穩定化控制。通過這些控制工序，將能夠對如圖2所示的光輸出信號S1和三次微分信號S2實施計測，從而能夠在所希望的頻率下得到10-10級的頻率穩定度。若用後述的圖4進行描述的話，在開關部34b為OFF、ON時掃描獲得的頻率區域，能夠作為區域(a)、區域(b)給予表示。
圖3表示的是光輸出信號S1相對振蕩頻率的波形。從圖3可知，對於相對頻率產生有約1.5GHz的變化的光輸出信號S1的變化幅度在電壓幅度為1.5V左右，其中心部分的波形呈2次曲線狀。在該2次曲線的兩端區域(1)、(3)中，相對頻率的幅度600MHz，光輸出信號S1的變化是1.2～1.4V左右。另外，在2次曲線的中心區域(2)中，相對振蕩頻率的幅度300MHz，光輸出信號S1的變化幅度是0.2V左右。
作為第一促動器125的驅動範圍，從圖3可知，若能用相對頻率而掃描2GHz左右的幅度，則是充分的。
這裡，若通過第一促動器125使光輸出信號S1的電壓幅度為10mV左右地對振蕩頻率實施控制，則可以在振蕩頻率在如圖3所示的2次曲線狀的波形兩端的區域(1)、(3)，控制為4～5MHz(＝600MHz/(1.2～1.4V/0.01V))左右的幅度。在另一方面，在2次曲線的中心區域(2)，由於光輸出信號S1的斜率小，所以即使同樣地在光輸出信號S1成為電壓幅度10mV左右地對相對頻率實施控制，雖然振蕩頻率的幅度大，也能控制在15MHz(300MHz/(0.2V～0.01V))左右。
相對於第一促動器125的控制幅度的動態範圍，在區域(1)、(3)是大約52～54dB(＝20log(2GHz/4～5MHz))，在區域(2)處是約42dB(＝20log(2GHz/15MHz))。因此，作為第一促動器125和第一驅動器31的動態範圍，可以是50dB。
圖4是表示具有三次微分信號S2的飽和吸收信號的A部放大圖的波形。從圖4可知，在飽和吸收信號的波峰和波谷間是5MHz的頻率幅度，具有3.5V的電壓幅度，呈大致為直線的波形。如上述所示，可以僅在區域(b)實行頻率穩定化控制，而在區域(a)進行通常的掃描即可。
作為第二促動器126的驅動範圍，從圖4可知，若能利用15MHz左右掃描振蕩頻率，則是充分的。
這裡，當通過第二促動器126按照使飽和吸收信號為10mV左右的幅度地對振蕩頻率實施控制時，可以控制振蕩頻率為14kHz(＝5MHz/(3.6V/0.01V))左右的幅度。
因此，相對第二促動器126的控制幅度的掃描幅度為大約61dB(＝20log(15MHz/14kHz))，作為第二促動器126和第二驅動裝置36的動態範圍，可以是60dB左右。
從上述可知，對於整體用1.5GHz左右的頻率幅度實施掃描，在所希望的頻率下，在進行得到10-10級的頻率穩定度的控制的場合下，第一和第二促動器125、126的各自必要的動態範圍是60dB左右，所以能容易地實現。因而，能夠將第一驅動裝置31或第二驅動裝置36的各自的動態區域抑制小，供給出振蕩頻率穩定的雷射。
以上說明了本發明的具體實施形式，但本發明並不僅限定於此。例如在上述實施形式中，是對波長532nm的光並且參照了碘分子的飽和吸收信號，然而當變更雷射的振蕩頻率時，也能夠根據其變更改變進行參照的分子或原子。
本申請根據並要求2005年7月11日遞交的申請號為No.2005-201142的日本專利申請的優先權，上述文件的全部內容已經通過引用的方式結合進本申請。
權利要求
1.一種頻率穩定化雷射器，該雷射器通過在相對位置配置一對反射鏡構成的諧振器使激勵光諧振而生成雷射，並根據對吸收單元照射該雷射而得到的光輸出信號改變上述諧振器長度，從而使上述雷射的振蕩頻率穩定化，其特徵在於，具有檢測上述光輸出信號的光檢測裝置；檢測上述光輸出信號的三次微分信號的三次微分信號檢測裝置；使上述諧振器長度變化的第一促動器；驅動上述第一促動器的第一驅動裝置；使上述諧振器長度變化的第二促動器；驅動上述第二促動器的第二驅動裝置；根據上述光輸出信號控制上述第一驅動裝置的第一控制裝置；以及根據上述三次微分信號控制上述第二驅動裝置的第二控制裝置，通過上述第一促動器和上述第二促動器控制上述諧振器長度，從而控制上述振蕩頻率。
2.如權利要求1所述的頻率穩定化雷射器，其特徵在於，上述第一控制裝置當檢測到上述三次微分信號的波峰和波谷時，控制上述第一驅動裝置而停止上述第一促動器的驅動，上述第二控制裝置在上述第一促動器停止後，按照使相對頻率成為上述三次微分信號的波峰和波谷的中心的方式驅動上述第二促動器。
3.如權利要求1所述的頻率穩定化雷射器，其特徵在於，上述第一促動器和上述第二促動器分別是靈敏度不同的促動器。
4.如權利要求1所述的頻率穩定化雷射器，其特徵在於，在上述諧振器間設置有多個標準樣件，
5.如權利要求1記載的頻率穩定化雷射器，其特徵在於，在上述諧振器間設置產生上述雷射的2次高頻諧波的非線性光學晶體。
6.如權利要求1記載的頻率穩定化雷射器，其特徵在於，具有存儲上述非線性光學晶體的線膨脹率高的非線性光學晶體存儲部，和對上述非線性形晶體存儲部進行溫度控制的溫度控制部。
7.一種頻率穩定化的方法，通過在相對位置配置一對反射鏡而構成的諧振器使激勵光諧振而生成出雷射，並根據對吸收單元照射該雷射而得到的光輸出信號改變上述諧振器長度，而使上述雷射的振蕩頻率穩定化，其特徵在於，具有檢測上述光輸出信號的光檢測工序；檢測上述光輸出信號的三次微分信號的三次微分信號檢測工序；根據上述光輸出信號控制上述諧振器長度變動的第一控制工序；根據上述三次微分信號控制上述諧振器長度變動的第二控制工序，通過控制上述諧振器長度變動而控制上述振蕩頻率的。
8.如權利要求7記載的頻率穩定化方法，其特徵在於，在上述第一控制工序中，當檢測到上述三次微分信號的波峰和波谷時，停止上述諧振器長度的變動，在上述第二控制工序中，在通過上述第一控制工序使諧振器長度變動停止後，按照使相對頻率成為上述三次微分信號的波峰和波谷的中心的方式控制上述諧振器長度的變動。
9.如權利要求7記載的頻率穩定化方法，其特徵在於，在上述第一控制工序和上述第二控制工序中的諧振器長度的變動量分別不同。
全文摘要
本發明提供的是一種能夠使雷射的振蕩頻率穩定化的頻率穩定化雷射器，具有對由參照用雷射透過吸收單元而得到的光輸出信號實施檢測的檢測裝置(26)、生成光輸出信號的三次微分信號的三次微分信號檢測裝置(32、33)、使諧振器長度變化的第一促動器(125)、驅動第一促動器(125)的第一驅動裝置(31)、能夠使諧振器長度產生變化的第二促動器(126)、驅動第二促動器(126)的第二驅動裝置(36)、根據光輸出信號控制第一促動器的第一控制裝置(30)和根據三次微分信號通過第二促動器控制諧振器長度的第二控制裝置(35)。而且，能夠通過第一促動器(125)和第二促動器(126)控制上述諧振器長度，使上述振蕩頻率穩定化。
文檔編號H01S3/08GK1897372SQ200610121250
公開日2007年1月17日 申請日期2006年7月11日 優先權日2005年7月11日
發明者大關衡和, 石井恭 申請人:三豐株式會社