特許 5706680 安定化判別器、レーザ周波数安定化装置、及び安定化判別方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5706680

(24)【登録日】2015年3月6日

(45)【発行日】2015年4月22日

(54)【発明の名称】安定化判別器、レーザ周波数安定化装置、及び安定化判別方法

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/139 20060101AFI20150402BHJP

【ＦＩ】

   H01S3/139

【請求項の数】6

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2010-286030(P2010-286030)

(22)【出願日】2010年12月22日

(65)【公開番号】特開2012-134371(P2012-134371A)

(43)【公開日】2012年7月12日

【審査請求日】2013年11月5日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000137694

【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ

(74)【代理人】

【識別番号】110000637

【氏名又は名称】特許業務法人樹之下知的財産事務所

(72)【発明者】

【氏名】大関 衡和

【審査官】 古田 敦浩

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−２７４４９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１４１０５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−３５８６６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２１８４８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０１９３６１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ３／００ − ３／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ光を吸収セルに照射して得られる光出力信号に含まれる飽和吸収線に基づき共振器長を変化させて前記レーザ光の発振周波数を特定の前記飽和吸収線に安定化させるレーザ周波数安定化装置に用いられる安定化判別器であって、
前記光出力信号の２次微分信号の出力値に基づいて、前記発振周波数の安定状態を判別する第１判別手段と、
前記共振器長を変化させるアクチュエータへの操作量の変化に基づいて、前記発振周波数の安定状態を判別する第２判別手段と、
前記第１判別手段及び前記第２判別手段による判別結果に基づいて、前記発振周波数が前記特定の飽和吸収線に安定化しているか否かを判別する第３判別手段とを備え、
前記第２判別手段は、
前記操作量の時間変化の微分値を算出する微分値算出部と、
前記微分値の絶対値と所定の閾値とを比較し、比較結果に基づいて、前記発振周波数の安定状態を判別する絶対値判別部とを備える
ことを特徴とする安定化判別器。

【請求項2】

請求項１に記載の安定化判別器において、
前記第１判別手段は、
前記２次微分信号の出力値と所定の閾値とを比較する比較部を備え、前記比較部による比較結果に基づいて、前記発振周波数の安定状態を判別する
ことを特徴とする安定化判別器。

【請求項3】

請求項２に記載の安定化判別器において、
前記比較部は、
前記２次微分信号の出力値と２つの閾値とをそれぞれ比較するヒステリシスコンパレータで構成されている
ことを特徴とする安定化判別器。

【請求項4】

請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の安定化判別器において、
前記絶対値判別部は、
前記微分値と、２つの閾値とをそれぞれ比較するヒステリシスコンパレータを備える
ことを特徴とする安定化判別器。

【請求項5】

レーザ光を吸収セルに照射して得られる光出力信号に含まれる飽和吸収線に基づき共振器長を変化させて前記レーザ光の発振周波数を特定の前記飽和吸収線に安定化させるレーザ周波数安定化装置であって、
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の安定化判別器を備える
ことを特徴とするレーザ周波数安定化装置。

【請求項6】

レーザ光を吸収セルに照射して得られる光出力信号に含まれる飽和吸収線に基づき共振器長を変化させて前記レーザ光の発振周波数を特定の前記飽和吸収線に安定化させるレーザ周波数安定化装置に用いられる安定化判別器の安定化判別方法であって、
前記光出力信号の２次微分信号の出力値に基づいて、前記発振周波数の安定状態を判別する第１判別工程と、
前記共振器長を変化させるアクチュエータへの操作量の変化に基づいて、前記発振周波数の安定状態を判別する第２判別工程と、
前記第１判別工程及び前記第２判別工程での判別結果に基づいて、前記発振周波数が前記特定の飽和吸収線に安定化しているか否かを判別する第３判別工程とを備え、
前記第２判別工程は、
前記操作量の時間変化の微分値を算出する工程と、
前記微分値の絶対値と所定の閾値とを比較し、比較結果に基づいて、前記発振周波数の安定状態を判別する工程とを備える
ことを特徴とする安定化判別方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ周波数安定化装置に用いられる安定化判別器、当該安定化判別器を備えたレーザ周波数安定化装置、及び安定化判別方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、レーザ光を吸収セルに照射して得られる光出力信号に含まれる飽和吸収線に基づき共振器長を変化させてレーザ光の発振周波数を特定の飽和吸収線に安定化させるレーザ周波数安定化装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

図１２は、従来のレーザ周波数安定化装置１００を示す図である。
レーザ周波数安定化装置１００は、図１２に示すように、レーザ発生部１０と、レーザ光検出部２０と、駆動制御部３０とを備える。
レーザ発生部１０は、波長808nmのレーザ光Ｌ１を放出する励起用半導体レーザ１１と、レーザ光Ｌ１を入力し、波長532nmのレーザ光Ｌ２を出力する共振波生成部１２とを備える。
共振波生成部１２は、誘導輻射から波長1064nmの光を発光するＮｄ：ＹＶＯ４結晶１２１、波長1064nmの光の一部を波長532nmの光とするＫＴＰ結晶（非線形光学結晶）１２２、波長1064nmの光を反射させ波長532nmの光を透過させる反射鏡１２３等の光学素子が共振器筐体１２４に収納された構成を有する。
また、共振器筐体１２４内部には、電圧の印加により反射鏡１２３の位置を変更（共振器長を変更）するピエゾ素子等のアクチュエータ１２５が配設されている。

【0004】

レーザ光検出部２０は、レーザ光Ｌ２を、λ／２板２１を透過させた後、第１偏光ビームスプリッタ２２で、測長等に使用するレーザ光Ｌ３と、後述する周波数安定化制御に使用するレーザ光Ｌ４に分離する。
また、レーザ光検出部２０は、レーザ光Ｌ４を、第２偏光ビームスプリッタ２３、λ／４板２４、及びヨウ素セル（吸収セル）２５を通過させた後、反射鏡２６にてヨウ素セル２５に向けて反射させる。
そして、レーザ光検出部２０は、レーザ光Ｌ４を、再度、ヨウ素セル２５及びλ／４板２４を通過させた後、第２偏光ビームスプリッタ２３にて光検出器２７に向けて反射させ、光検出器２７にて光電変換することで光出力信号Ｓ１を出力する。

【0005】

図１３及び図１４は、従来のレーザ周波数安定化装置１００の周波数安定化制御を説明するための図である。具体的に、図１３は、波長532.245nm帯域の飽和吸収線を示した図である。
なお、図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）は、光出力信号Ｓ１の２次，３次微分信号Ｓ２，Ｓ３の出力値を縦軸とし、レーザ光Ｌ２の発振周波数及びアクチュエータ１２５への出力電圧Ｖを横軸とし、共振器長を変化させた場合（発振周波数や出力電圧Ｖを変化させた場合）での２次，３次微分信号Ｓ２，Ｓ３の波形をそれぞれ示す図である。図１３（Ｃ）は、図１３（Ａ）の領域Ａｒ１を拡大した図である。図１３（Ｄ）は、図１３（Ｂ）の領域Ａｒ２を拡大した図である。
図１３（Ｂ）に示すように、２次微分信号Ｓ２には、発振周波数の低い側（アクチュエータ１２５への出力電圧Ｖの低い側）から順に、ａ１〜ａ１５の飽和吸収線が観測される。また、図１３（Ａ）に示すように、３次微分信号Ｓ３においても、２次微分信号Ｓ２と略同様の特徴を有する飽和吸収線が観測される。

【0006】

駆動制御部３０は、光出力信号Ｓ１に基づいて、アクチュエータ１２５の動作を制御し（共振器長を調整し）、発振周波数を特定の飽和吸収線に安定化させる。
具体的に、駆動制御部３０では、自動ロック装置３１の制御信号により、アクチュエータ制御器３２がアクチュエータ駆動回路３３を制御する（アクチュエータ駆動回路３３に出力する電圧値Ｖcを調整する）ことで、アクチュエータ１２５への出力電圧Ｖを変更する。
なお、駆動制御部３０は、上述した構成３１〜３３の他、周波数１ｆ，２ｆ，３ｆＨｚの信号を出力する変復調信号発生器３４と、アクチュエータ駆動回路３３にて周波数１ｆＨｚの信号に基づき変調されたレーザ光Ｌ２の励起により得られる光出力信号Ｓ１を周波数２ｆ，３ｆＨｚでそれぞれ復調し、２次，３次微分信号Ｓ２，Ｓ３をそれぞれ出力する２次，３次微分用ロックインアンプ３５，３６を備える。

【0007】

自動ロック装置３１は、メモリ（図示略）に格納されたパラメータ、及び２次微分信号Ｓ２に基づいて、出力電圧Ｖを変更しながら特定の飽和吸収線（例えば、図１４に示す飽和吸収線ａｎ）を探索する（以下、探索動作）。
そして、自動ロック装置３１は、探索動作の後、２次，３次微分信号Ｓ２，Ｓ３を常時、観測し、２次微分信号Ｓ２の出力値が所定の電圧値（飽和吸収線と認定できる電圧値）Ｖth（図１４（Ｂ））以上となり、かつ、３次微分信号Ｓ３の出力値が０Ｖ近傍となるように出力電圧Ｖを調整する（周波数安定化制御）。
そして、上述した周波数安定化制御の結果、発振周波数は、特定の飽和吸収線ａｎの中心となる周波数Ｆ１（図１４（Ａ））に安定化することとなる。

【0008】

また、自動ロック装置３１は、周波数安定化制御を実施しながら、２次微分信号Ｓ２の出力値が電圧値Ｖth未満となっていることを認識することで、周波数Ｆ１から発振周波数がずれたことを認識する。そして、自動ロック装置３１は、再度、上述した探索動作及び周波数安定化制御を実施する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開２００８−１４１０５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

しかしながら、特許文献１に記載のレーザ周波数安定化装置１００では、特定の飽和吸収線の中心から発振周波数がずれたか否かを２次，３次微分信号Ｓ２，Ｓ３の出力値で判別しているため、以下の問題が生じる恐れがある。
例えば、外乱等の影響により、図１４に示すように、１サンプリング間に特定の飽和吸収線ａｎから別の飽和吸収線ａｍに発振周波数が移動した場合には、自動ロック装置３１は、周波数安定化制御により発振周波数を別の飽和吸収線ａｍの中心となる周波数Ｆ２に安定化させようとする。
そして、発振周波数が周波数Ｆ２に安定化した状態では、２次微分信号Ｓ２の出力値がＶth以上であり、３次微分信号Ｓ３の出力値が０Ｖ近傍である。このため、自動ロック装置３１は、発振周波数が周波数Ｆ１に安定化していると認識することとなり、周波数Ｆ１から発振周波数がずれたことを認識できない。
このため、レーザ周波数安定化装置１００では、発振周波数が特定の飽和吸収線の中心からずれてしまう可能性がある、という問題がある。

【0011】

本発明の目的は、レーザ光の発振周波数が特定の飽和吸収線に安定化しているか否かを良好に判別できる安定化判別器、レーザ周波数安定化装置、及び安定化判別方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明の安定化判別器は、レーザ光を吸収セルに照射して得られる光出力信号に含まれる飽和吸収線に基づき共振器長を変化させて前記レーザ光の発振周波数を特定の前記飽和吸収線に安定化させるレーザ周波数安定化装置に用いられる安定化判別器であって、前記光出力信号の２次微分信号の出力値に基づいて、前記発振周波数の安定状態を判別する第１判別手段と、前記共振器長を変化させるアクチュエータへの操作量の変化に基づいて、前記発振周波数の安定状態を判別する第２判別手段と、前記第１判別手段及び前記第２判別手段による判別結果に基づいて、前記発振周波数が前記特定の飽和吸収線に安定化しているか否かを判別する第３判別手段とを備え、前記第２判別手段は、前記操作量の時間変化の微分値を算出する微分値算出部と、前記微分値の絶対値と所定の閾値とを比較し、比較結果に基づいて、前記発振周波数の安定状態を判別する絶対値判別部とを備えることを特徴とすることを特徴とする。

【0013】

ところで、周波数安定化制御を実施している際、共振器長を変化させるアクチュエータへの操作量は、以下のような挙動を示す。
例えば、温度変動により共振器筐体が伸縮した場合には、共振器長の変動は低周波の変動となるが、アクチュエータ制御器により変動は補償されるため、発振周波数は、特定の飽和吸収線の中心となる周波数近傍に安定化される。すなわち、このような場合には、アクチュエータ制御器の制御範囲（図１３（Ｃ））内で、共振器長の変動を抑えるようにアクチュエータを動作させるだけでよいため、アクチュエータへの操作量の変化は、小さいものとなる。
一方、共振器筐体に振動などの外乱等が生じた場合、共振器長の変動は高周波での変動となるため、アクチュエータ制御器による制御範囲（図１３（Ｃ））を超えてしまい、特定の飽和吸収線から別の飽和吸収線に発振周波数が移動する場合がある。その場合、特定の飽和吸収線に応じた共振器長から前記別の飽和吸収線に応じた共振器長に変化しているため、アクチュエータへの操作量の変化は、上記温度変動により共振器筐体が伸縮した場合と比較して、大きいものとなる。

【0014】

本発明では、アクチュエータへの操作量の変化と発振周波数の安定状態とに上述した関係があることに着目した。そして、本発明の安定化判別器は、上述した第１〜第３判別手段を備え、２次微分信号の出力値の他、アクチュエータへの操作量の変化に基づいて、発振周波数が特定の飽和吸収線に安定化しているか否かを判別する。
すなわち、安定化判別器は、２次微分信号の出力値が異常値を示している場合には、従来と同様に、発振周波数が特定の飽和吸収線に安定化していないと判別できる。
また、安定化判別器は、発振周波数が特定の飽和吸収線に安定化しておらず、別の飽和吸収線に移動しているにも拘らず、２次微分信号の出力値が正常値を示している場合であっても、例えば、アクチュエータへの操作量の変化が比較的に大きい場合には、発振周波数が特定の飽和吸収線に安定化していないと判別できる。
一方、安定化判別器は、２次微分信号の出力値が正常値を示しているとともに、例えば、アクチュエータへの操作量の変化が比較的に小さい場合には、発振周波数が特定の飽和吸収線に安定化していると判別できる。
したがって、本発明の安定化判別器によれば、レーザ光の発振周波数が特定の飽和吸収線に安定化しているか否かを良好に判別できる。
とくに、本発明の安定化判別器では、前記第２判別手段は、前記操作量の時間変化の微分値を算出する微分値算出部と、前記微分値の絶対値と所定の閾値とを比較し、比較結果に基づいて、前記発振周波数の安定状態を判別する絶対値判別部とを備えるため、微分値が正の値であっても負の値であっても、アクチュエータへの操作量の変化が大きい時（発振周波数が別の飽和吸収線に移動した時）と小さい時（発振周波数が特定の飽和吸収線に安定化している時）とを簡単な構成で容易に判別できる。

【0015】

本発明の安定化判別器では、前記第１判別手段は、前記２次微分信号の出力値と所定の閾値とを比較する比較部を備え、前記比較部による比較結果に基づいて、前記発振周波数の安定状態を判別することが好ましい。
本発明では、第１判別手段が上述した比較部を備えるので、２次微分信号の出力値が正常値であるか異常値であるかを簡単な構成で容易に判別できる。

【0016】

本発明の安定化判別器では、前記比較部は、前記２次微分信号の出力値と２つの閾値とをそれぞれ比較するヒステリシスコンパレータで構成されていることが好ましい。
ところで、比較部を一般的なコンパレータ（２次微分信号の出力値と１つの閾値とを比較するコンパレータ）で構成した場合には、２次微分信号にノイズが含まれていると、チャタリングが生じてしまう。
本発明では、比較部が上述したヒステリシスコンパレータで構成されているので、チャタリングの発生を防止でき、第１判別手段による判別結果、ひいては、安定化判別器による判別結果を良好なものとすることができる。

【0018】

本発明の安定化判別器では、前記絶対値判別部は、前記微分値と、２つの閾値とをそれぞれ比較するヒステリシスコンパレータを備えることが好ましい。
本発明では、絶対値判別部が上述したヒステリシスコンパレータを備えるので、微分値にノイズが含まれている場合であっても、チャタリングの発生を防止でき、第２判別手段による判別結果、ひいては、安定化判別器による判別結果を良好なものとすることができる。

【0019】

本発明のレーザ周波数安定化装置は、レーザ光を吸収セルに照射して得られる光出力信号に含まれる飽和吸収線に基づき共振器長を変化させて前記レーザ光の発振周波数を特定の前記飽和吸収線に安定化させるレーザ周波数安定化装置であって、上述した安定化判別器を備えることを特徴とする。
本発明では、レーザ周波数安定化装置は、上述した安定化判別器を備えるので、上述した安定化判別器と同様の作用及び効果を享受できる。

【0020】

本発明の安定化判別方法は、レーザ光を吸収セルに照射して得られる光出力信号に含まれる飽和吸収線に基づき共振器長を変化させて前記レーザ光の発振周波数を特定の前記飽和吸収線に安定化させるレーザ周波数安定化装置に用いられる安定化判別器の安定化判別方法であって、前記光出力信号の２次微分信号の出力値に基づいて、前記発振周波数の安定状態を判別する第１判別工程と、前記共振器長を変化させるアクチュエータへの操作量の変化に基づいて、前記発振周波数の安定状態を判別する第２判別工程と、前記第１判別工程及び前記第２判別工程での判別結果に基づいて、前記発振周波数が前記特定の飽和吸収線に安定化しているか否かを判別する第３判別工程とを備え、前記第２判別工程は、前記操作量の時間変化の微分値を算出する工程と、前記微分値の絶対値と所定の閾値とを比較し、比較結果に基づいて、前記発振周波数の安定状態を判別する工程とを備えることを特徴とする。
本発明の安定化判別方法は、上述した安定化判別器によって実施されるものであるので、上述した安定化判別器と同様の作用及び効果を享受できる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本実施形態におけるレーザ周波数安定化装置を示すブロック図。

【図2】本実施形態における安定化判別器を示すブロック図。

【図3】本実施形態における第１判別手段の構成例を示すブロック図。

【図4】図３に示す第１判別手段の動作を説明するための図。

【図5】図３に示す第１判別手段の動作を説明するための図。

【図6】本実施形態における第１判別手段を示すブロック図。

【図7】本実施形態における第１判別手段の動作を説明するための図。

【図8】本実施形態における第２判別手段を示すブロック図。

【図9】本実施形態における第２判別手段の動作を説明するための図。

【図10】本実施形態における第２判別手段の動作を説明するための図。

【図11】本実施形態における第２判別手段の動作を説明するための図。

【図12】従来のレーザ周波数安定化装置を示すブロック図。

【図13】従来のレーザ周波数安定化装置の周波数安定化制御を説明するための図。

【図14】従来のレーザ周波数安定化装置の周波数安定化制御を説明するための図。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、本発明の実施の一形態を図面に基づいて説明する。
〔レーザ周波数安定化装置の構成〕
図１は、本実施形態におけるレーザ周波数安定化装置１を示すブロック図である。
レーザ周波数安定化装置１は、図１に示すように、従来のレーザ周波数安定化装置１００と同様のレーザ発生部１０、レーザ光検出部２０、及び駆動制御部３０の他、安定化判別器４０を備える。
なお、本実施形態のレーザ周波数安定化装置１は、従来のレーザ周波数安定化装置１００と比較して、特定の飽和吸収線にレーザ光Ｌ２の発振周波数が安定化しているか否かを判別する安定化判別器４０を別途、設けた点が異なるのみである。
このため、以下では、従来のレーザ周波数安定化装置１００と同様の機能及び構成については同様の符号を付して説明を省略し、本願の要部である安定化判別器４０について詳細に説明する。

【0023】

〔安定化判別器の構成〕
図２は、安定化判別器４０を示すブロック図である。
安定化判別器４０は、図２に示すように、第１判別手段５０と、第２判別手段６０と、第３判別手段７０とを備える。
第１判別手段５０は、２次微分用ロックインアンプ３５から出力される２次微分信号Ｓ２の出力値に基づいて、レーザ光Ｌ２の発振周波数の安定状態を判別する。

【0024】

〔第１判別手段の構成〕
図３は、第１判別手段の構成例を示すブロック図である。
図４及び図５は、図３に示す第１判別手段５０´の動作を説明するための図である。具体的に、図４（Ａ）及び図５（Ａ）は第１判別手段５０´に入力される２次微分信号Ｓ２の波形をそれぞれ示し、図４（Ｂ）及び図５（Ｂ）は図４（Ａ）及び図５（Ａ）に示す２次微分信号Ｓ２を入力した場合での第１判別手段５０´の出力波形を示している。
ここで、第１判別手段の構成例としては、例えば、コンパレータ５１´及びインバータ５２´を有する図３に示す第１判別手段５０´の構成が考えられる。
そして、第１判別手段５０´は、図４に示すように、入力した２次微分信号Ｓ２の出力値がコンパレータ５１´の閾値（飽和吸収線と認定できる電圧値）Ｖth以上の時にHighレベルの信号を出力し、閾値Ｖth未満の時にLowレベルの信号を出力する。

【0025】

すなわち、第１判別手段５０´は、レーザ光Ｌ２の発振周波数が飽和吸収線に安定化している時にはHighレベルの信号を出力し、発振周波数が飽和吸収線から外れた時にはLowレベルの信号を出力する。
ところで、第１判別手段５０´では、入力した２次微分信号Ｓ２の出力値と１つの閾値Ｖthとを比較しているため、２次微分信号Ｓ２にノイズが含まれている場合（図５（Ａ））には、チャタリングＣｈ（図５（Ｂ））が生じる恐れがある。

【0026】

図６は、本実施形態における第１判別手段５０を示すブロック図である。
図７は、第１判別手段５０の動作を説明するための図である。具体的に、図７は、図５に対応した図である。
そこで、本実施形態では、上述したチャタリングＣｈを防止するために、図６に示す第１判別手段５０の構成を採用している。
第１判別手段５０は、図６に示すように、２次微分信号Ｓ２の出力値と閾値Ｖthを挟んで大小関係にある２つの高閾値ＶＵ（図７（Ａ））及び低閾値ＶＬ（図７（Ａ））とをそれぞれ比較する比較部としてのヒステリシスコンパレータ５１と、インバータ（ＮＯＴ回路）５２とを備える。
そして、第１判別手段５０は、図７に示すように、入力した２次微分信号Ｓ２の出力値が高閾値ＶＵ以上となった時にHighレベルの信号を出力し、低閾値ＶＬ以下となった時にLowレベルの信号を出力する。また、第１判別手段５０は、入力した２次微分信号Ｓ２の出力値が高閾値ＶＵ及び低閾値ＶＬの間にある時は直前の出力信号を保持する。
すなわち、第１判別手段５０にヒステリシスコンパレータ５１を採用することで、図７（Ｂ）に示すように、チャタリングＣｈの発生を防止できる。

【0027】

〔第２判別手段の構成〕
図８は、第２判別手段６０を示すブロック図である。
第２判別手段６０は、アクチュエータ制御器３２からアクチュエータ駆動回路３３に出力される電圧値（以下、制御器出力電圧）Ｖc（図１）の変化に基づいて、レーザ光Ｌ２の発振周波数の安定状態を判別する。
なお、制御器出力電圧Ｖcに応じて出力電圧Ｖが変更され、当該出力電圧Ｖに応じてアクチュエータ１２５が動作する。このため、制御器出力電圧Ｖcは、本発明に係るアクチュエータ１２５への操作量に相当するものである。
この第２判別手段６０は、図８に示すように、制御器出力電圧Ｖcにおける時間変化の微分値を算出する微分値算出部としての微分回路６１と、微分値と第１閾値Ｖ１とを比較する第１コンパレータ６２Ａと、インバータ（ＮＯＴ回路）６２Ｂと、入力したHighレベルの信号を保持する第１ラッチ回路６２Ｃと、微分値と第２閾値Ｖ２とを比較する第２コンパレータ６２Ｄと、入力したHighレベルの信号を保持する第２ラッチ回路６２Ｅと、ＮＯＲ回路６２Ｆとを備える。

【0028】

〔第２判別手段の動作〕
図９ないし図１１は、第２判別手段６０の動作を説明するための図である。具体的に、図９は、波長532.245nm帯域の各飽和吸収線ａ１〜ａ１５間の出力電圧Ｖの電圧差ΔＶ１〜ΔＶ１１を示す図である。図１０（Ａ）は制御器出力電圧Ｖcの時間変化の一例を示し、図１０（Ｂ）〜図１０（Ｄ）は図１０（Ａ）のように制御器出力電圧Ｖcが変化した場合でのインバータ６２Ｂ、第１ラッチ回路６２Ｃ、及び第２判別手段６０の各出力信号をそれぞれ示している。図１１（Ａ）は制御器出力電圧Ｖcの時間変化の他の例を示し、図１１（Ｂ）〜図１１（Ｄ）は図１１（Ａ）のように制御器出力電圧Ｖcが変化した場合での第２コンパレータ６２Ｄ、第２ラッチ回路６２Ｅ、及び第２判別手段６０の各出力信号をそれぞれ示している。
各飽和吸収線ａ１〜ａ１５間の出力電圧Ｖの電圧差ΔＶ１〜ΔＶ１１は、図９に示すように、制御器出力電圧Ｖcの電圧差に換算できる。

【0029】

そして、第１閾値Ｖ１は、正の値に設定され、かつ、特定の飽和吸収線（発振周波数の安定化の対象となる飽和吸収線）と当該特定の飽和吸収線に対して発振周波数が高い側に隣接する飽和吸収線との間の出力電圧Ｖの電圧差（制御器出力電圧Ｖcの電圧差に相当）に基づいて設定されている。
例えば、飽和吸収線ａ１０を特定の飽和吸収線とした場合には、第１閾値Ｖ１は、飽和吸収線ａ１０，ａ１１間の電圧差ΔＶ９から換算される制御器出力電圧Ｖcの電圧差『0.387Ｖ』よりも小さい『0.3Ｖ』に設定される。

【0030】

また、第２閾値Ｖ２は、負の値に設定され、かつ、特定の飽和吸収線と当該特定の飽和吸収線に対して発振周波数が低い側に隣接する飽和吸収線との間の出力電圧Ｖの電圧差に基づいて設定されている。
例えば、飽和吸収線ａ１０を特定の飽和吸収線とした場合には、第２閾値Ｖ２は、飽和吸収線ａ９，ａ１０間の電圧差ΔＶ８から換算される制御器出力電圧Ｖcの電圧差を負の値とした『−0.318Ｖ』よりも大きい『−0.3Ｖ』に設定される。

【0031】

なお、以下では、飽和吸収線ａ１０を特定の飽和吸収線とし、各閾値Ｖ１，Ｖ２が上述したように『0.3Ｖ』及び『−0.3Ｖ』に設定されている場合を例として、第２判別手段６０の動作を説明する。
自動ロック装置３１は、周波数安定化制御により、温度変動や外乱により共振器筐体１２４が伸縮した場合には、図１０（Ａ）または図１１（Ａ）に示すように、制御器出力電圧Ｖcを変更させる。

【0032】

〔制御器出力電圧Ｖcの変動が小さい場合の動作〕
温度変動により共振器筐体１２４が伸縮している図１０（Ａ），図１１（Ａ）に示す期間Ｔ１（後述する時点ＰＵ，ＰＤを含まない）では、共振器長の変動は低周波の変動となるが、自動ロック装置３１により変動は補償されるため、発振周波数は、特定の飽和吸収線ａ１０の中心となる周波数近傍に安定化される。すなわち、このような期間Ｔ１では、自動ロック装置３１は、制御範囲（図１３（Ｃ））内で、共振器長の変動を抑えるようにアクチュエータ１２５を動作させればよい。このため、制御器出力電圧Ｖcの変動は、図１０（Ａ），図１１（Ａ）に示すように、小さいものとなる。

【0033】

すなわち、期間Ｔ１では、微分回路６１から出力される微分値（単位時間当たりの制御器出力電圧Ｖcの変化量）は、第１，第２閾値Ｖ１，Ｖ２間の値となる。
そして、第１コンパレータ６２Ａは、微分値よりも第１閾値Ｖ１が高いため、Highレベルの信号を出力する。また、インバータ６２Ｂ及び第１ラッチ回路６２Ｃは、図１０（Ｂ），図１０（Ｃ）に示すように、Lowレベルの信号を出力する。
一方、第２コンパレータ６２Ｄ及び第２ラッチ回路６２Ｅは、微分値よりも第２閾値Ｖ２が低いため、図１１（Ｂ），図１１（Ｃ）に示すように、Lowレベルの信号を出力する。
そして、ＮＯＲ回路６２Ｆは、図１０（Ｄ）または図１１（Ｄ）に示すように、２つのLowレベルの信号を入力することで、Highレベルの信号を出力する。
すなわち、第２判別手段６０は、レーザ光Ｌ２の発振周波数が特定の飽和吸収線に安定化している時（期間Ｔ１）にはHighレベルの信号を出力する。

【0034】

〔制御器出力電圧Ｖcの変動が大きい場合の動作〕
一方、図１０（Ａ）または図１１（Ａ）に示すように、共振器筐体１２４に外乱が生じた場合（時点ＰＵ，ＰＤ）、共振器長の変動は高周波での変動となるため、自動ロック装置３１による制御範囲（図１３（Ｃ））を超えてしまい、特定の飽和吸収線ａ１０から別の飽和吸収線に発振周波数が移動する場合がある。すなわち、時点ＰＵ，ＰＤでは、特定の飽和吸収線ａ１０に応じた共振器長から別の飽和吸収線に応じた共振器長に変化しているため、制御器出力電圧Ｖcの変動は、図１０（Ａ），図１１（Ａ）に示すように、大きいものとなる。
図１０（Ａ）に示すような制御器出力電圧Ｖcが高くなる側に変動した時点ＰＵでは、微分回路６１から出力される微分値は、第１閾値Ｖ１より大きい値（正の値）となる。
そして、第１コンパレータ６２Ａは、微分値よりも第１閾値Ｖ１が低いため、Lowレベルの信号を出力する。また、インバータ６２Ｂ及び第１ラッチ回路６２Ｃは、図１０（Ｂ），図１０（Ｃ）に示すように、Highレベルの信号を出力する。
一方、第２コンパレータ６２Ｄ及び第２ラッチ回路６２Ｅは、微分値よりも第２閾値Ｖ２が低いため、Lowレベルの信号を出力する。
そして、ＮＯＲ回路６２Ｆは、High，Lowレベルの信号を入力することで、図１０（Ｄ）に示すように、Lowレベルの信号を出力する。
すなわち、第２判別手段６０は、レーザ光Ｌ２の発振周波数が特定の飽和吸収線から別の飽和吸収線に移動した時（時点ＰＵ）にはLowレベルの信号を出力する。

【0035】

また、図１１（Ａ）に示すような制御器出力電圧Ｖcが低くなる側に変動した時点ＰＤでは、微分回路６１から出力される微分値は、第２閾値Ｖ２より小さい値（負の値）となる。
そして、第１コンパレータ６２Ａは、微分値よりも第１閾値Ｖ１が高いため、Highレベルの信号を出力する。また、インバータ６２Ｂ及び第１ラッチ回路６２Ｃは、Lowレベルの信号を出力する。
一方、第２コンパレータ６２Ｄ及び第２ラッチ回路６２Ｅは、微分値よりも第２閾値Ｖ２が高いため、図１１（Ｂ），図１１（Ｃ）に示すように、Highレベルの信号を出力する。
そして、ＮＯＲ回路６２Ｆは、Low，Highレベルの信号を入力することで、図１１（Ｄ）に示すように、Lowレベルの信号を出力する。
すなわち、第２判別手段６０は、レーザ光Ｌ２の発振周波数が特定の飽和吸収線から別の飽和吸収線に移動した時（時点ＰＤ）には、上記同様に、Lowレベルの信号を出力する。

【0036】

以上のように、第２判別手段６０（上述した各構成６２Ａ〜６２Ｆ）は、微分値の絶対値が各閾値Ｖ１，Ｖ２の絶対値よりも小さい場合には、発振周波数が特定の飽和吸収線に安定化しているとしてHighレベルの信号を出力する。
また、第２判別手段６０は、微分値の絶対値が各閾値Ｖ１，Ｖ２の絶対値よりも大きい場合には、発振周波数が特定の飽和吸収線から別の飽和吸収線に移動したとしてLowレベルの信号を出力する。
したがって、各構成６２Ａ〜６２Ｆは、本発明に係る絶対値判別部６２（図８）に相当する。

【0037】

〔第３判別手段の構成〕
第３判別手段７０は、第１判別手段５０の上述した処理（第１判別工程）による判別結果と、第２判別手段６０の上述した処理（第２判別工程）による判別結果に基づいて、レーザ光Ｌ２の発振周波数が特定の飽和吸収線に安定化しているか否かを判別する（第３判別工程）。
この第３判別手段７０は、図２に示すように、ＡＮＤ回路で構成されている。
すなわち、第３判別手段７０は、第１判別手段５０から発振周波数が飽和吸収線に安定化しているとしてHighレベルの信号を入力し、第２判別手段６０から発振周波数が特定の飽和吸収線に安定化しているとしてHighレベルの信号を入力した場合には、発振周波数が特定の飽和吸収線に安定化しているとしてHighレベルの信号を出力する。

【0038】

一方、第３判別手段７０は、第１判別手段５０から発振周波数が飽和吸収線から外れているとしてLowレベルの信号を入力した場合には、発振周波数が特定の飽和吸収線に安定化していないとしてLowレベルの信号を出力する。
また、第１判別手段５０から発振周波数が飽和吸収線に安定化しているとしてHighレベルの信号を入力した場合であっても、図１４に示すように、発振周波数が特定の飽和吸収線ａｎの周波数Ｆ１ではなく別の飽和吸収線ａｍの周波数Ｆ２に安定化している場合が想定される。
このような場合には、第２判別手段６０から発振周波数が特定の飽和吸収線から別の飽和吸収線に移動したとしてLowレベルの信号が出力されるため、第３判別手段７０は、発振周波数が特定の飽和吸収線に安定化していないとしてLowレベルの信号を出力する。
そして、自動ロック装置３１は、安定化判別器４０（第３判別手段７０）からLowレベルの信号が出力された場合には、再度、探索動作及び周波数安定化制御を実施する。

【0039】

上述した本実施形態によれば、以下の効果がある。
本実施形態では、安定化判別器４０は、第１〜第３判別手段５０〜７０を備え、２次微分信号Ｓ２の出力値の他、制御器出力電圧Ｖcの変化に基づいて、発振周波数が特定の飽和吸収線に安定化しているか否かを判別する。
したがって、安定化判別器４０により、レーザ光Ｌ２の発振周波数が特定の飽和吸収線に安定化しているか否かを良好に判別できる。

【0040】

また、第１判別手段５０がヒステリシスコンパレータ５１を備えるので、２次微分信号の出力値が正常値であるか異常値であるかを簡単な構成で容易に判別できる。
さらに、コンパレータ５１´を採用せずに、ヒステリシスコンパレータ５１を採用することで、チャタリングＣｈの発生を防止でき、第１判別手段５０による判別結果、ひいては、安定化判別器４０による判別結果を良好なものとすることができる。

【0041】

また、第２判別手段６０が微分回路６１の他、絶対値判別部６２を備えるので、微分値が正の値であっても負の値であっても、制御器出力電圧Ｖcの変動が大きい時（発振周波数が別の飽和吸収線に移動した時）と小さい時（発振周波数が特定の飽和吸収線に安定化している時）とを簡単な構成で容易に判別できる。

【0042】

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
前記実施形態では、安定化判別器４０は、アナログ処理により発振周波数が特定の飽和吸収線に安定化しているか否かを判別していたが、これに限らず、デジタル処理により判別しても構わない。
例えば、第２判別手段６０として図８に示す構成を採用していたが、これに限らない。第２判別手段としては、ＡＤコンバータを使用して、デジタル処理により、制御器出力電圧Ｖcの変化を観測することで、レーザ光Ｌ２の発振周波数の安定状態を判別しても構わない。
すなわち、第２判別手段は、制御器出力電圧ＶcをＶc(N)(N=1,2,3,・・・n)として、サンプリングし、前回のサンプリング値との差分を観測し、以下の式（１）の関係を満たす場合に、特定の飽和吸収線から別の飽和吸収線に移動したことを判別する。

【0043】

［数１］
｜Ｖc(N)−Ｖc(N−1)｜＞Ｖa ・・・（１）

【0044】

なお、Ｖaは、前記第１実施形態と同様に、特定の飽和吸収線と当該特定の飽和吸収線に隣接する飽和吸収線との間の出力電圧Ｖの電圧差（制御器出力電圧Ｖcの電圧差に相当）に基づいて設定すればよい。
例えば、飽和吸収線ａ１０を特定の飽和吸収線とした場合には、Ｖaは、0.3Ｖに設定される。このようにＶaを設定することで、第２判別手段は、式（１）の関係を満たした場合に、前記第１実施形態と同様に、発振周波数が特定の飽和吸収線ａ１０から別の飽和吸収線に移動したことを判別できる。

【0045】

前記実施形態において、第１コンパレータ６２Ａ及び第２コンパレータ６２Ｄをヒステリシスコンパレータ５１と同様の構成としても構わない。
第１コンパレータ６２Ａ及び第２コンパレータ６２Ｄをヒステリシスコンパレータで構成すれば、微分値にノイズが含まれている場合であっても、チャタリングの発生を防止でき、第２判別手段６０による判別結果、ひいては、安定化判別器４０による判別結果を良好なものとすることができる。

【産業上の利用可能性】

【0046】

本発明は、レーザ光を吸収セルに照射して得られる光出力信号に含まれる飽和吸収線に基づき共振器長を変化させてレーザ光の発振周波数を特定の飽和吸収線に安定化させるレーザ周波数安定化装置に利用できる。

【符号の説明】

【0047】

１・・・レーザ周波数安定化装置
２５・・・ヨウ素セル（吸収セル）
４０・・・安定化判別器
５０・・・第１判別手段
５１・・・ヒステリシスコンパレータ（比較部）
６０・・・第２判別手段
６１・・・微分回路（微分値算出部）
６２・・・絶対値判別部
７０・・・第３判別手段
２２５・・・アクチュエータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】