专利名称：频率稳定化激光器及频率稳定化方法
技术领域：
本发明涉及能够根据光输出信号改变谐振器长度，而使激光的振荡频率稳定化的频率稳定化激光器及频率稳定化方法。
背景技术：
由半导体激光器激励的Nd:YAG晶体等作为放大介质而进行使用的、连续波束振荡位于523nm区域的固体激光波长，被作为长度标准使用。实际上，为了利用激光波长进行长度测量，有必要利用激光单一频率即单一纵模进行振荡。而且，为了利用原子或分子的吸收线分光技术使激光的振荡频率稳定化，还必须能够任意地选择振荡频率。
作为选择激光的振荡模式且单一化的方法，目前众所周知的方法包括有在谐振器内使用标准样件的方法、在谐振器内使用衍射光栅的方法等等。为了任意地选择振荡频率，可以通过采用由标准样件等的光学元件构成的频率滤波器，对透过的激光的频率进行选择，进而通过控制谐振器长度，而控制激光的振荡频率。
在采用激光的波长进行长度测量的情况，为了降低长度测量的不正确性，有必要提高激光的频率稳定度。对于利用碘分子的吸收线分光技术构造的碘稳定化激光器，通过将振荡频率控制在饱和吸收信号的中心，能得到高频率稳定度的激光(参见日本特开2001-274495、日本特开平10-163549、日本特开2000-261092)。
实际上，为了能够把激光作为长度的标准器件，选择任意的振荡频率，而且为了能够使10-10级的频率稳定度成为可能，需要能够控制谐振器长度，使其能够按照数GHz的幅度扫描谐振频率，并将所希望的频率控制在50kHz左右的幅度内。
因此，这需要使控制谐振器长度的促动器及其驱动电路的动态区域变大，所以使振荡频率稳定化是困难的。
发明内容
本发明是鉴于这样的问题而研制的，其目的是提供一种使激光的振荡频率稳定度提高的频率稳定化激光器及频率稳定化方法。
本发明提供的一种频率稳定化激光器，通过在相对位置配置一对反射镜而构成的谐振器使激励光谐振而生成激光，并根据对吸收单元照射该激光而得到的光输出信号改变上述谐振器长度，从而使上述激光的振荡频率稳定化，其特征在于，具有检测上述光输出信号的光检测装置；检测上述光输出信号的三次微分信号的三次微分信号检测装置；使上述谐振器长度产生变化的第一促动器；驱动上述第一促动器的第一驱动装置；使上述谐振器长度产生变化的第二促动器；驱动上述第二促动器的第二驱动装置；根据上述光输出信号控制上述第一驱动装置的第一控制装置；根据上述三次微分信号控制上述第二驱动装置的第二控制装置，而且通过上述第一促动器和上述第二促动器控制上述谐振器长度，进而控制上述振荡频率。
本发明提供的一种频率稳定化方法，通过在相对位置配置一对反射镜而构成的谐振器使激励光谐振而生成激光，并根据对吸收单元照射该激光而得到的光输出信号使上述谐振器长度产生变化，从而使上述激光的振荡频率稳定化，其特征在于，具有检测上述光输出信号的光检测工序；检测上述光输出信号的三次微分信号的三次微分信号检测工序；根据上述光输出信号控制上述谐振器长度变动的第一控制工序和根据上述三次微分信号控制上述谐振器长度变动的第二控制工序，而且通过控制上述谐振器的长度变动控制上述振荡频率的。
若使用本发明，通过组合使用检测光输出信号和其三次微分信号，并且控制谐振器长度的第一和第二促动器的方式，能够在不增大各个动态区域的条件下增大全体的动态区域。因此，能够提高激光的频率稳定度。
图1是表示作为本发明一种实施形式的频率稳定化激光器的构成概略图；图2是表示对作为本发明一种实施形式的频率稳定化激光器实施控制时检测的光输出信号、三次微分信号的图；图3是表示本发明一种实施形式的频率稳定化激光器实施控制时检测的光输出信号的示意图；图4是表示本发明一种实施形式的频率稳定化激光器的图2中的A部的放大图。
具体实施例方式
以下，参照
该发明的最佳实施形式。
参照图1说明本发明的一种实施形式。图1是表示本发明一种实施形式的频率稳定化激光器的构成概略图。如图1所示，这种频率稳定化激光器具有激光发生部1、激光检测部2、驱动控制部3和计算机4。
激光发生部1具有激励用半导体激光器10、用多个光学零部件构成的聚光系统11、生成特定波长谐振波的谐振波生成部12和对谐振波生成部12进行温度控制的温度控制部13。
在激光发生部1中，可以通过给激励用半导体激光器10提供规定电流，发射出波长为808nm的激光L1。该发射出的激光L1由聚光系统11实施聚光，并被引导到谐振波生成部12处。
在谐振波生成部12的激光入射侧(如图1所示的谐振波生成部12的左侧部)，还配置着Nd:YVO4晶体121a、KTP晶体(非线性光学晶体)122a。
Nd:YVO4晶体121a是一种二极管激光器激励固体，通过激光L1的照射，可以激励Nd原子，进而可以通过感应辐射而发射出波长为1064nm的光。而且，在该Nd:YVO4晶体121a的聚光系统11侧的面(图1左侧)处，形成有能够对波长为1064nm的光实施反射的涂层。
KTP晶体122a是一种非线性光学晶体，通过感应辐射能够将波长为1064nm的一部分光生成为作为其2次高频谐波的波长为532nm的光。这里，若波长为1064nm的光是单一纵模，则作为其第二高频谐波的波长为532nm的光也具有单一纵模。
这些Nd:YVO4晶体121a和KTP晶体122a分别安装在线膨胀率较大的黄铜制的Nd:YVO4晶体座121b和KTP晶体座122b(非线性光学晶体存储部)处。
在谐振波生成部12的中央部配置着第一标准样件123a和第二标准样件123b。这些标准样件123a、123b具有仅能够使特定频率的激光透过的特性。
在谐振波生成部12的激光出射侧(如图1所示的谐振波生成部12的右侧部)处，设置有反射镜124、第一促动器125和第二促动器126。Nd:YVO4晶体121a～第二促动器126被收装在激光器谐振器框体127内。
反射镜124形成有能够反射波长为1064nm的光，并且使波长为532nm的光透过的涂层。因此，仅相对于波长为1064nm的光，Nd:YVO4晶体121a和反射镜124构成为谐振器。
第一促动器125和第二促动器126是压电晶体，能够通过施加电压产生变形，而使反射镜124的位置产生变化。而且，第二促动器126与第一促动器125进行比较，相对施加电压的形状变化较小地设定。
温度控制部13具有温度计130、珀尔帖元件131、散热器132和温度控制电路133。
温度计130测定谐振波生成部12的温度。温度控制电路133依据由温度计130得到的谐振波生成部12的温度，决定施加在珀尔帖元件131上的电压。珀尔帖元件131根据该施加电压的值和其极性，对激光器谐振器框体127实施冷却或加热。而且，珀尔帖元件131的外侧与激光器谐振器框体127相反地进行加热或冷却，并可以用散热器132抑制温度变化。
由于是上述光学系统的结构，透过Nd:YVO4晶体121a和KTP晶体122a的光，成为包含波长为532nm、808nm、1064nm的光L2。通过调整第一标准样件123a和第二标准样件123b的旋转角度，使实际的标准样件的光学长度变化，能够对透射过的光L2的频率进行调整。采用这种构成方式，能够通过标准样件及谐振器对光L2实施放大和波长选择，而得到波长1064nm和532nm的单一纵模的激光L3。
即使通过例如在Nd:YVO4晶体121a的KTP晶体122a侧和KTP晶体122a的两面设置防止反射涂层，也可以使这些与标准样件同样地作为频率滤波器而起作用，使透射过这些的光仅为具有特定频率的光。
通过对激光器谐振器框体127的温度控制，可以使线膨胀率高的Nd:YVO4晶体座121a和KTP晶体座122b的位置产生变化，由于谐振器长度产生变化，故能够对谐振器的透过频率实施调整。
下面说明激光检测部2。
从激光发生部1产生出的激光L3，由激光检测部2实施分光、检测。激光检测部2具有高次谐波分离器21、偏振片22a、λ/4板22b、二个偏振光分光镜23a、23b、碘单元24、反射板25和光检测装置26。
该高次谐波分离器21对波长1064nm和波长532nm的激光L3进行分光，得到波长1064nm的激光L4和波长532nm的激光L5。波长为1064nm的激光L4可以用于长度测量等等。
波长为532nm的激光L5通过偏振片22a被偏振为p偏振光。然后，p偏振光的光L6通过偏振光分光镜23a、23b、λ/4板22b、碘单元24而被反射板25反射，再通过碘单元24、λ/4板22b到达偏振光分光镜23b。
s偏振光的光L7被偏振光分光镜23a反射，可以用于长度测量等等。由于是上述的光学系统结构，p偏振光的激光L6在碘单元24中特定波长被吸收，两次通过λ/4板22b，从p偏振光偏振为s偏振光。被偏振为s偏振光的激光L8由偏振光分光镜23b反射，由光检测装置26进行光电变换，从而可以读取出光输出信号S1。该光输出信号S1可以用于频率稳定化控制的参照用。
下面说明驱动控制部3。
驱动控制部3具有第一控制装置30、第一驱动装置31、调制解调用信号发生器32、锁定放大器33、频率稳定化控制装置34、第二控制装置35及第二驱动装置36。驱动控制部3根据从计算机4输出的控制信号S3实行控制。
第一控制装置30利用从计算机4输入的控制信号S3，输出控制信号S4，使第一控制装置31的控制开始。第一驱动装置31根据该控制信号S4，向第一促动器125输出规定电压，使谐振器长度产生变化。
调制解调用信号发生器32向第二驱动装置36输出频率1fHz的信号，向锁定放大器33输出频率3fHz的信号。第二驱动装置36驱动第二促动器126，利用1fHz对激光L3实施调制。锁定放大器33通过利用该1fHz实施调制的激光L3产生的激励，利用频率为3fHz对所得到的光输出信号S1实施解调制，并向第二控制装置35输出三次微分信号S2。这样，调制解调用信号发生器32及锁定放大器33具有能够作为检测光输出信号的三次微分信号的三次微分信号检测装置而发挥功能。
频率稳定化控制装置34具有生成部34a和开关部34b。该生成部34a反馈的三次微分信号S2，而生成参考电压0V的偏差为0，输出频率稳定化控制信号S5。通过从计算机4来的控制信号S3，开关部34b能够进行ON/OFF的控制。即，频率稳定化控制装置34构成选择是否向第二控制装置35输出频率稳定化控制信号S5的结构。
第二控制装置35通过从计算机4获得的控制信号S3，输出控制信号S6，开始第二驱动装置36的控制。第二驱动装置36根据该控制信号S6，向第二促动器126输出规定电压。使谐振器长度产生变化。
图2是表示使谐振器长度变化、利用频率幅度为1.5GHz左右扫描振荡频率时得到的光输出信号S1及其三次微分信号S2的一个波形实例的示意图。这里，光输出信号S1由于使通过光输出装置26光电变换获得的信号反转放大，所以电压极性被反转。
在三次微分信号S2的波形中，利用1.5GHz的频率幅度对碘分子共振吸收而形成的饱和吸收信号作为波峰和波谷在十数处实施检测。在本实施形式的频率稳定激光器中，控制第一促动器125和第二促动器126，以能够获得这些多个波峰和波谷中的1个，而使频率稳定化。
下面对本实施形式的频率稳定激光器的频率稳定化的控制进行说明。作为该频率稳定激光器的初始形态，促动器125、126处于静止的形态，可以一边用光检测装置读取激光的频率和强度，一边调整第一标准器123a和第二标准器123b的旋转角度和激光器谐振器框体127的温度，使激光的振荡频率接近所希望的频率，且使激光强度设定为大的。
首先，第一控制装置30根据控制信号S3控制第一驱动装置31，开始第一促动器125的驱动。这里，由于碘分子吸收所引起的振荡频率的幅度是1GHz，所以以能扫描该发送频率幅度地使第一促动器125的驱动频率为数GHz左右。与此同时，将三次微分信号S2从锁定放大器33向频率稳定化控制装置34输出。计算机34检测该三次微分信号S2，当检测到的激光L6的振荡频率与设定频率中的饱和吸收信号的中心大致一致时，向第一控制装置30发送出控制信号S3，以停止第一促动器125的驱动。而且，第一控制装置30把在停止时刻振荡频率中的光输出信号S1的电压设定为目标值，并为了能够得到该目标值地对第一促动器125实施驱动，从而把激光控制在希望频率的附近。
接着，第二控制装置35控制第二驱动装置36，对第二促动器126实施驱动。即，在离开波峰和波谷的频率下进行扫描时，将频率稳定化控制装置34的开关部34b设定为OFF，在处于所希望的饱和吸收信号的中心附近(波峰和波谷之间)时，使开关部34b转换成ON。因此，在饱和吸收信号的中心，三次微分信号是0V，所以通过将参考电压设定为0V，将能够使饱和吸收信号成为中心地实行频率稳定化控制。通过这些控制工序，将能够对如图2所示的光输出信号S1和三次微分信号S2实施计测，从而能够在所希望的频率下得到10-10级的频率稳定度。若用后述的图4进行描述的话，在开关部34b为OFF、ON时扫描获得的频率区域，能够作为区域(a)、区域(b)给予表示。
图3表示的是光输出信号S1相对振荡频率的波形。从图3可知，对于相对频率产生有约1.5GHz的变化的光输出信号S1的变化幅度在电压幅度为1.5V左右，其中心部分的波形呈2次曲线状。在该2次曲线的两端区域(1)、(3)中，相对频率的幅度600MHz，光输出信号S1的变化是1.2～1.4V左右。另外，在2次曲线的中心区域(2)中，相对振荡频率的幅度300MHz，光输出信号S1的变化幅度是0.2V左右。
作为第一促动器125的驱动范围，从图3可知，若能用相对频率而扫描2GHz左右的幅度，则是充分的。
这里，若通过第一促动器125使光输出信号S1的电压幅度为10mV左右地对振荡频率实施控制，则可以在振荡频率在如图3所示的2次曲线状的波形两端的区域(1)、(3)，控制为4～5MHz(＝600MHz/(1.2～1.4V/0.01V))左右的幅度。在另一方面，在2次曲线的中心区域(2)，由于光输出信号S1的斜率小，所以即使同样地在光输出信号S1成为电压幅度10mV左右地对相对频率实施控制，虽然振荡频率的幅度大，也能控制在15MHz(300MHz/(0.2V～0.01V))左右。
相对于第一促动器125的控制幅度的动态范围，在区域(1)、(3)是大约52～54dB(＝20log(2GHz/4～5MHz))，在区域(2)处是约42dB(＝20log(2GHz/15MHz))。因此，作为第一促动器125和第一驱动器31的动态范围，可以是50dB。
图4是表示具有三次微分信号S2的饱和吸收信号的A部放大图的波形。从图4可知，在饱和吸收信号的波峰和波谷间是5MHz的频率幅度，具有3.5V的电压幅度，呈大致为直线的波形。如上述所示，可以仅在区域(b)实行频率稳定化控制，而在区域(a)进行通常的扫描即可。
作为第二促动器126的驱动范围，从图4可知，若能利用15MHz左右扫描振荡频率，则是充分的。
这里，当通过第二促动器126按照使饱和吸收信号为10mV左右的幅度地对振荡频率实施控制时，可以控制振荡频率为14kHz(＝5MHz/(3.6V/0.01V))左右的幅度。
因此，相对第二促动器126的控制幅度的扫描幅度为大约61dB(＝20log(15MHz/14kHz))，作为第二促动器126和第二驱动装置36的动态范围，可以是60dB左右。
从上述可知，对于整体用1.5GHz左右的频率幅度实施扫描，在所希望的频率下，在进行得到10-10级的频率稳定度的控制的场合下，第一和第二促动器125、126的各自必要的动态范围是60dB左右，所以能容易地实现。因而，能够将第一驱动装置31或第二驱动装置36的各自的动态区域抑制小，供给出振荡频率稳定的激光。
以上说明了本发明的具体实施形式，但本发明并不仅限定于此。例如在上述实施形式中，是对波长532nm的光并且参照了碘分子的饱和吸收信号，然而当变更激光的振荡频率时，也能够根据其变更改变进行参照的分子或原子。
本申请根据并要求2005年7月11日递交的申请号为No.2005-201142的日本专利申请的优先权，上述文件的全部内容已经通过引用的方式结合进本申请。
权利要求
1.一种频率稳定化激光器，该激光器通过在相对位置配置一对反射镜构成的谐振器使激励光谐振而生成激光，并根据对吸收单元照射该激光而得到的光输出信号改变上述谐振器长度，从而使上述激光的振荡频率稳定化，其特征在于，具有检测上述光输出信号的光检测装置；检测上述光输出信号的三次微分信号的三次微分信号检测装置；使上述谐振器长度变化的第一促动器；驱动上述第一促动器的第一驱动装置；使上述谐振器长度变化的第二促动器；驱动上述第二促动器的第二驱动装置；根据上述光输出信号控制上述第一驱动装置的第一控制装置；以及根据上述三次微分信号控制上述第二驱动装置的第二控制装置，通过上述第一促动器和上述第二促动器控制上述谐振器长度，从而控制上述振荡频率。
2.如权利要求1所述的频率稳定化激光器，其特征在于，上述第一控制装置当检测到上述三次微分信号的波峰和波谷时，控制上述第一驱动装置而停止上述第一促动器的驱动，上述第二控制装置在上述第一促动器停止后，按照使相对频率成为上述三次微分信号的波峰和波谷的中心的方式驱动上述第二促动器。
3.如权利要求1所述的频率稳定化激光器，其特征在于，上述第一促动器和上述第二促动器分别是灵敏度不同的促动器。
4.如权利要求1所述的频率稳定化激光器，其特征在于，在上述谐振器间设置有多个标准样件，
5.如权利要求1记载的频率稳定化激光器，其特征在于，在上述谐振器间设置产生上述激光的2次高频谐波的非线性光学晶体。
6.如权利要求1记载的频率稳定化激光器，其特征在于，具有存储上述非线性光学晶体的线膨胀率高的非线性光学晶体存储部，和对上述非线性形晶体存储部进行温度控制的温度控制部。
7.一种频率稳定化的方法，通过在相对位置配置一对反射镜而构成的谐振器使激励光谐振而生成出激光，并根据对吸收单元照射该激光而得到的光输出信号改变上述谐振器长度，而使上述激光的振荡频率稳定化，其特征在于，具有检测上述光输出信号的光检测工序；检测上述光输出信号的三次微分信号的三次微分信号检测工序；根据上述光输出信号控制上述谐振器长度变动的第一控制工序；根据上述三次微分信号控制上述谐振器长度变动的第二控制工序，通过控制上述谐振器长度变动而控制上述振荡频率的。
8.如权利要求7记载的频率稳定化方法，其特征在于，在上述第一控制工序中，当检测到上述三次微分信号的波峰和波谷时，停止上述谐振器长度的变动，在上述第二控制工序中，在通过上述第一控制工序使谐振器长度变动停止后，按照使相对频率成为上述三次微分信号的波峰和波谷的中心的方式控制上述谐振器长度的变动。
9.如权利要求7记载的频率稳定化方法，其特征在于，在上述第一控制工序和上述第二控制工序中的谐振器长度的变动量分别不同。
全文摘要
本发明提供的是一种能够使激光的振荡频率稳定化的频率稳定化激光器，具有对由参照用激光透过吸收单元而得到的光输出信号实施检测的检测装置(26)、生成光输出信号的三次微分信号的三次微分信号检测装置(32、33)、使谐振器长度变化的第一促动器(125)、驱动第一促动器(125)的第一驱动装置(31)、能够使谐振器长度产生变化的第二促动器(126)、驱动第二促动器(126)的第二驱动装置(36)、根据光输出信号控制第一促动器的第一控制装置(30)和根据三次微分信号通过第二促动器控制谐振器长度的第二控制装置(35)。而且，能够通过第一促动器(125)和第二促动器(126)控制上述谐振器长度，使上述振荡频率稳定化。
文档编号H01S3/08GK1897372SQ200610121250
公开日2007年1月17日 申请日期2006年7月11日 优先权日2005年7月11日
发明者大关衡和, 石井恭 申请人:三丰株式会社