特許 6101045 レーザー光源装置

(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】6101045

(24)【登録日】2017年3月3日

(45)【発行日】2017年3月22日

(54)【発明の名称】レーザー光源装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/139 20060101AFI20170313BHJP

【ＦＩ】

   H01S3/139

【請求項の数】4

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2012-239394(P2012-239394)

(22)【出願日】2012年10月30日

(65)【公開番号】特開2014-90092(P2014-90092A)

(43)【公開日】2014年5月15日

【審査請求日】2015年9月4日

(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】宮田 薫

【審査官】 林 祥恵

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６０−０４３８８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−１４１７０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−００６２３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０６９３３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−１３１１０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０１９３６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１１３５８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０２０９６９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ３／００−３／３０

Ｇ１１Ｂ ２１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

共振器の共振器長を変化させてレーザー光の発振周波数を変化させる単一のアクチュエーターと、
前記単一のアクチュエーターを制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、
入力された目標値に基づいて前記レーザー光の発振周波数を広範囲に亘って走査する粗動信号を生成する粗動制御器を含み、前記粗動信号を出力する粗動制御部と、
入力された目標値に基づいて前記レーザー光の発振周波数を微小変化させる微動信号を生成する微動制御器を含み、前記微動信号を出力する微動制御部と、
前記微動制御器により生成された前記微動信号を、前記粗動制御器の前段に出力する微動電圧制限部と、を備え、
前記粗動信号及び前記微動信号を加算した制御信号を前記単一のアクチュエーターに印加する
ことを特徴とするレーザー光源装置。

【請求項2】

請求項１に記載のレーザー光源装置において、
前記制御手段は、前記単一のアクチュエーターによる前記共振器長の変化に基づいた制御量を検出し、当該制御量に基づいたフィードバック信号を前記粗動制御部及び前記微動制御部に出力するフィードバック制御部を備え、
前記制御量は、前記レーザー光とオフセットレーザー光との干渉光を検出するディテクターから出力されるビート周波数であり、
前記フィードバック制御部は、前記ビート周波数を分周した際のパルス数をカウントする粗動用ビート周波数カウンター及び微動用ビート周波数カウンターを備え、前記粗動用ビート周波数カウンターによりカウントされたカウント値を前記粗動制御部に出力し、前記微動用ビート周波数カウンターによりカウントされたカウント値を前記微動制御部に出力する
ことを特徴とするレーザー光源装置。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載のレーザー光源装置において、
前記粗動制御部は、オフセット信号を出力するオフセット信号出力部を備え、前記粗動制御器により生成された前記粗動信号に前記オフセット信号を加算する
ことを特徴とするレーザー光源装置。

【請求項4】

請求項１から請求項３いずれかに記載のレーザー光源装置において、
前記制御手段は、前記粗動制御器で生成される前記粗動信号と、前記微動制御器で生成される前記微動信号との信号出力値を比較する出力比較部を備え、前記出力比較部の比較結果に応じて前記レーザー光の周波数のドリフトが小さくなるように、前記微動制御器及び前記粗動制御器のパラメーター調整を実施して、ドリフト補正を行う
ことを特徴とするレーザー光源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザー光源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、レーザー光の発振周波数を所望の周波数に安定化して出力するレーザー光源装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１に記載のレーザー光源装置は、励起光を射出する光源と、共振器とを備えている。共振器内部には、励起光で励起され基本波光を出力するレーザー媒体、基本波光を共振させる共振器ミラー、共振器ミラーの位置を変化させるアクチュエーター、エタロン等が設けられている。また、共振器や共振器内部の光学素子の温度を制御する温度制御部が設けられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１１−１００８１２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、上述のようなレーザー光源装置において、レーザー光の周波数を高度に安定化させるためには、共振器長を制御してレーザー周波数を安定化周波数に近付ける探索・誘導工程と、探索・誘導工程の後、レーザー周波数を安定化周波数に安定化（ロック）するロック工程とを行う必要がある。
ここで、探索・誘導工程では、共振器長を広範囲に変化させる必要があり、ロック工程では、共振器長を高分解能で変化させる必要がある。また、レーザー周波数をロックした後においても、レーザー光源装置の設置環境の変化（室温変化等）の影響により、共振器長がドリフトするため、その補正のために共振器長を広範囲に変化させる構成が必要となる。

【0005】

以上のような条件から、従来、共振器長を制御する構成として、２つの異なる共振器制御手段を設けることが考えられていた。例えば、共振器の温度を制御する温度制御部と、共振器ミラーの位置を変化させるアクチュエーターとを有する構成とし、レーザー周波数を広範囲で走査する際には、温度制御部により共振器の温度を変化させ、レーザー周波数を高分解能で微調整する際には、アクチュエーターにより共振器ミラーの位置を微調整する。
しかしながら、このような構成では、温度制御部により、共振器の温度を変化させると、共振器内部の各光学素子の特性が変化したり、機械的アライメントに変化が生じたりし、これらの対策が必要となり、また、装置構成も複雑化する。

【0006】

その他の方法として、広範囲走査用のアクチュエーターと、高分解駆動用のアクチュエーターとを設ける構成等も考えられる。しかしながら、複数のアクチュエーターを用いると、各アクチュエーターを駆動させる駆動ドライバーがそれぞれ必要となり、共振器の構成も複雑化、大型化してしまい、コストも高くなるという課題がある。

【0007】

本発明は、上記のような問題に鑑みて、簡素な構成で、レーザー周波数を広範囲かつ高分解能で制御可能なレーザー光源装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明のレーザー光源装置は、共振器の共振器長を変化させてレーザー光の発振周波数を変化させる単一のアクチュエーターと、前記アクチュエーターを制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、入力された目標値に基づいて前記レーザー光の発振周波数を広範囲に亘って走査する粗動信号を生成する粗動制御器を含み、前記粗動信号を出力する粗動制御部と、入力された目標値に基づいて前記レーザー光の発振周波数を微小変化させる微動信号を生成する微動制御器を含み、前記微動信号を出力する微動制御部と、前記微動制御器により生成された前記微動信号を、前記粗動制御器の前段に出力する微動電圧制限部と、を備え、前記粗動信号及び前記微動信号を加算した制御信号を前記単一のアクチュエーターに印加することを特徴とする。

【0009】

本発明では、１つの周波数変更手段に対して、粗動制御部から出力される粗動信号と、微動制御部から出力される微動信号とを加算して周波数変更手段に出力する。このような構成では、粗動信号により共振器長を広範囲に亘って変化させて、レーザー光の発振周波数（レーザー周波数）を広範囲で走査して目標周波数近傍まで近付けさせることができる。また、微動信号により共振器長を高分解能で微小変化させて、レーザー周波数を目標周波数に精度よく合わせ込むことができる。また、レーザー周波数をロックした後においては、レーザー光源装置の設置環境の変化（例えば室温変化等）の影響による共振器長のドリフトを補正することができる。
したがって、本発明では、複数の周波数変更手段を設ける必要がなく、単一の周波数変更手段のみの簡素な構成で、レーザー周波数を広範囲かつ高分解能で走査することができる。

【0010】

本発明のレーザー光源装置では、前記粗動制御部は、入力された目標値に基づいて前記粗動信号を生成する粗動制御器を備え、前記微動制御部は、入力された目標値に基づいて前記微動信号を生成する微動制御器を備え、前記制御手段は、前記微動制御器により生成された前記微動信号を、前記粗動制御器の前段に出力する微動電圧制限部を備えることが好ましい。

【0011】

微動制御部は、周波数変更部を微動駆動させるものであり、微動制御部により設定される微動信号の信号レベル（電圧レベル）は、狭い電圧範囲内に設定されている。一方、粗動制御部は、周波数変更部を粗動駆動させるものであり、粗動制御部により設定される粗動信号の信号レベル（電圧レベル）は、広い電圧範囲に設定されている。ここで、微動制御部及び粗動制御部の間に、微動電圧制限部が設けられていない構成では、微動制御部から出力される微動信号の信号レベルが大きくなり、設定された電圧範囲を超える（オーバーフロー）場合がある。この場合、周波数変更手段を精度よく制御することが困難となる。
これに対して、本発明では、微動電圧制限部により、微動信号を粗動制御器の前段に出力することで、その分、粗動制御器により生成される粗動信号が大きくなり、微動信号の信号レベルを小さくすることができる。したがって、微動信号の信号レベルを狭い電圧範囲内に抑えることができ、これにより、高分解能で周波数変更手段を駆動させることができる。

【0012】

本発明のレーザー光源装置では、前記微動電圧制限部は、前記周波数変更手段に対応したゲインを有し、前記微動信号に対して前記ゲインを乗算した周波数変動信号を前記粗動制御器の前段に出力することが好ましい。
本発明では、微動電圧制限部は、周波数変更手段に対応したゲインを有する。つまり、微動電圧制限部は、微動信号を周波数変更手段に出力した際の周波数変化量を示す周波数変動信号を粗動制御器に出力することができる。このため、粗動制御器は、目標値に基づいた目標信号と周波数変動信号とが加算された信号に基づいて、粗動信号を出力することになり、効果的に微動信号を低減させることができるとともに、目標値と微動信号に基づいて生成される粗動信号で精度よく周波数変更手段を駆動させることができる。

【0013】

本発明のレーザー光源装置では、前記制御手段は、前記周波数変更手段による前記共振器長の変化に基づいた制御量を検出し、当該制御量に基づいたフィードバック信号を前記粗動制御部及び前記微動制御部に出力するフィードバック制御部を備え、前記粗動制御部及び前記微動制御部は、前記フィードバック信号に基づいたフィードバック制御を実施することが好ましい。
本発明では、粗動制御部及び微動制御部は、周波数変更手段の駆動により変化する制御量に基づいたフィードバック信号に基づいて、粗動信号及び微動信号を適切に設定することができ、共振器から出力されるレーザー光の発振周波数を高精度に目標とする周波数に安定化させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本実施形態のレーザー光源装置の概略構成を示す模式図。

【図2】本実施形態のオフセットロックレーザー光源の概略構成を示す図。

【図3】本実施形態のオフセットレーザー制御手段のシステム構成を示す構成図。

【図4】本実施形態のレーザー光源装置におけるオフセットレーザー光の周波数安定化処理を示すフローチャート。

【図5】本実施形態において、周波数粗動走査前におけるオフセットロックレーザー光源から出射されるオフセットレーザー光と、基準レーザー光源から出射される基準レーザー光の周波数を示す図。

【図6】本実施形態において、オフセット信号がロックされた状態における、オフセットレーザー光の周波数を示す図。

【図7】本実施形態において、オフセットレーザー光が基準周波数に安定化された状態のオフセットレーザー光の周波数を示す図。

【図8】本実施形態において、周波数微動走査でのビート周波数の変化を示す図。

【図9】本実施形態において、周波数微動走査での微動電圧信号の変化を示す図。

【図10】本実施形態において、周波数微動走査での粗動信号の変化を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明に係る一実施形態のレーザー光源装置について、図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態のレーザー光源装置の概略構成を示す模式図である。
図１に示すように、レーザー光源装置１は、レーザーヘッド部２と、コントローラー部３と、を備え、コントローラー部３によりレーザーヘッド部２を制御することで、所望の周波数に安定化されたレーザー光（オフセットレーザー光）を外部に出射する。

【0016】

より具体的には、レーザーヘッド部２は、オフセットロックレーザー光源２１と、基準レーザー光源２２と、第一ビームスプリッター２３と、第二ビームスプリッター２４と、ディテクター２５とを備えている。
基準レーザー光源２２は、出射されるレーザー光（基準レーザー光）の中心周波数が高度に安定化されたレーザー光源である。この基準レーザー光源２２において、基準レーザー光の前記中心周波数が所定周波数となる各設定条件（例えば共振器長、共振器温度、出力電圧等）は予め測定されており、例えばコントローラー部３の記憶手段（図示略）に記憶されている。そして、コントローラー部３は、この設定条件を読み出して基準レーザー光源２２を駆動させることで、上記のような所定周波数（ｆ_Ｒ）の基準レーザー光を出射させる。

【0017】

第一ビームスプリッター２３は、オフセットロックレーザー光源２１から出射されるレーザー光（オフセットレーザー光）の一部を基準レーザー光に向かって反射させ、残りを外部に出射させる。
第二ビームスプリッター２４は、第一ビームスプリッター２３により反射された一部のオフセットレーザー光を、基準レーザー光の光進行方向に反射させ、基準レーザー光源２２から出射された基準レーザー光を透過させる。
ディテクター２５は、ビート干渉計であり、オフセットレーザー光及び基準レーザー光の干渉光からビート信号（ビート周波数）を検出し、コントローラー部３に出力する。なお、ディテクター２５により検出されるビート周波数が、本発明の制御量となる。

【0018】

［オフセットロックレーザー光源２１の構成］
図２は、オフセットロックレーザー光源２１の概略構成を示す図である。
オフセットロックレーザー光源２１は、図２に示すように、電流入力により励起光を出力する励起光源２１０と、共振器２１１と、共振器２１１から出射された光を出力する出射レンズ２１２と、を備える。
励起光源２１０は、光源２１３及びコリメーターレンズ２１４を備える。光源２１３は、コントローラー部３の制御に基づいて電圧が印加されることで、励起光を出射する。
コリメーターレンズ２１４は、光源２１３から出射された励起光を平行化し、共振器２１１に向かって出力する。

【0019】

共振器２１１は、図２に示すように、集光レンズ２１５、レーザー媒質２１６、エタロン２１７、共振器ミラー２１８、駆動アクチュエーター２１９（本発明の周波数変更手段）、及びＴＥクーラー（図示略）を備えている。
集光レンズ２１５は、励起光源２１０からの励起光をレーザー媒質２１６に集光させる。
レーザー媒質２１６は、励起光を受けて所定周波数のレーザー光を発振する。
エタロン２１７は、複数の縦モードで発振しているレーザー光のうち、所定の周波数の縦モードのレーザー光のみを透過させる。すなわち、マルチモードで発振されるレーザー光をシングルモードに変換する。
共振器ミラー２１８は、レーザー媒質２１６の端面に設けられた反射ミラー（図示略）との間で、レーザー光を共振させる。また、共振器ミラー２１８は、共振により強め合った所定周波数（レーザー周波数）のレーザー光の一部を透過させる。

【0020】

駆動アクチュエーター２１９は、本発明の周波数変更手段を構成する。この駆動アクチュエーター２１９は、例えばピエゾ素子等の圧電素子を備えて構成される圧電アクチュエーターである。そして、この駆動アクチュエーター２１９は、コントローラー部３の制御の下で駆動され、共振器ミラー２１８を共振器２１１の光軸に沿って移動させることで、共振器長を変化させる。この共振器長の変化に伴って、共振周波数が変化し、共振器２１１から出射されるレーザー光の周波数が変化する。

【0021】

ＴＥクーラーは、コントローラー部３の制御の下、共振器２１１の温度を変化させる。本実施形態では、共振器ミラー２１８を共振器２１１の光軸に沿って移動させることで共振器長を変化させる。したがって、コントローラー部３は、共振器長が温度により変動しないように、ＴＥクーラーを制御して共振器２１１の温度を一定値に維持する。

【0022】

［コントローラー部３の構成］
コントローラー部３は、本発明の制御手段を構成し、図１に示すように、基準レーザー光源２２を制御する基準レーザー制御手段３１と、オフセットロックレーザー光源２１を制御するオフセットレーザー制御手段３２と、を備えている。また、図示は省略するが、コントローラー部３は、所定の周波数で高度に安定化された基準レーザー光を射出させるための、基準レーザー光源２２の各種条件等を記憶する記憶手段を備えている。
基準レーザー制御手段３１は、記憶手段に記憶された各種条件に基づいて、基準レーザー光源２２から基準レーザー光を出射させる。

【0023】

［オフセットレーザー制御手段３２の構成］
図３は、オフセットレーザー制御手段３２のシステム構成を示す構成図である。
図３に示すように、オフセットレーザー制御手段３２は、基準周波数源４１と、第一分周器４２と、フィードバック制御部４３と、微動制御部４４と、微動電圧制限部４５と、粗動制御部４６と、信号合成部４７と、を備えている。

【0024】

基準周波数源４１は、オフセットロックレーザー光源２１から出力されるオフセットレーザー光の周波数目標値（基準レーザー光の光周波数とオフセットレーザー光の光周波数との差の目標値）である基準周波数ｆ_ｒを出力する。
第一分周器４２は、所定の分周数Ｂ（Ｂは整数）で、基準周波数源４１から出力される基準周波数ｆ_ｒを分周し、後述する微動制御部４４の微動用周波数カウンター４４１、及び粗動制御部４６の粗動用周波数カウンター４６０が動作可能な周波数帯域の信号に変換する。なお、第一分周器４２から出力される信号波形は、矩形波状となっている。

【0025】

フィードバック制御部４３は、第二分周器４３１、微動用ビート周波数カウンター４３２、及び粗動用ビート周波数カウンター４３３を備える。
第二分周器４３１は、ディテクター２５から出力されるビート信号（ビート周波数ｆ_Ｂ）を第一分周器４２と同じ分周数Ｂで分周する。第二分周器４３１を通過した信号の信号波形は矩形波状となっており、各ビート周波数カウンター４３２，４３３でパルス数を計数することで周波数カウント値Ｎ_ｂ，Ｎ_ｂ２が得られる。
微動用ビート周波数カウンター４３２におけるカウント値Ｎ_ｂは、微動制御部４４に出力され、粗動用ビート周波数カウンター４３３におけるカウント値Ｎ_ｂ２は、粗動制御部４６に出力される。

【0026】

微動制御部４４は、図３に示すように、微動用周波数カウンター４４１、微動用比較演算部４４２、微動用周波数変換部４４３、微動制御器４４４、微動用増幅器４４５、ＤＡＣ（Ｄ／Ａコンバーター）４４６、微動用ＬＰＦ（ローパスフィルター）４４７、及び微動用減衰器４４８を備える。
微動用周波数カウンター４４１は、第一分周器４２を通過した信号（矩形波状）のパルス数を計数し、カウント値Ｎ_ｒを出力する。
微動用比較演算部４４２は、微動用周波数カウンター４４１のカウント値Ｎ_ｒと、微動用ビート周波数カウンター４３２のカウント値Ｎ_ｂとの差（Ｎ_ｒ−Ｎ_ｂ）を算出する。
微動用周波数変換部４４３は、微動用比較演算部４４２より算出された周波数カウント値の差（Ｎ_ｒ−Ｎ_ｂ）に対して所定のゲインＨをかけ合せ、周波数差（ｆ_ｒ−ｆ_ｂ）に変換する。なお、微動制御部４４では、この周波数差（ｆ_ｒ−ｆ_ｂ）が、小さくなるように駆動アクチュエーター２１９を制御する。

【0027】

微動制御器４４４は、周波数差（ｆ_ｒ−ｆ_ｂ）に対して制御演算を実施し、電圧値（微動電圧信号Ｖ_ｆ）を算出する。ここで、微動制御器４４４のパラメーターの設定により、駆動アクチュエーター２１９の応答性等を適宜設定することができる。
微動用増幅器４４５は、微動制御器４４４から入力される微動電圧信号Ｖ_ｆ（微動信号）を所定の微動用ゲインＧ_ｆにより増幅する。
ＤＡＣ４４６は、微動用増幅器４４５から入力される微動電圧信号Ｖ_ｆ（デジタル）をアナログ信号に変換する。
微動用ＬＰＦ４４７は、周波数帯域を所定帯域以下に制限することで、ノイズを低減する。なお、微動用ＬＰＦ４４７の帯域設定により、駆動アクチュエーター２１９の応答性を適切な値に設定することができる。
微動用減衰器４４８は、微動用増幅器４４５により増幅された微動電圧信号Ｖ_ｆの電圧レベルを１／Ｇ_ｆ倍し、小さくする。これにより、狭い電圧範囲（例えば１〜１０Ｖ程度）の微動電圧信号Ｖ_ｆが出力されることになり、量子化誤差の影響を低減でき、高分解能での微動制御が実施可能となる。

【0028】

また、微動制御部４４の微動制御器４４４と、微動用増幅器４４５との間には、微動電圧制限部４５が接続されており、この微動電圧制限部４５により微動制御部４４及び粗動制御部４６が接続されている。
具体的には、この微動電圧制限部４５は、所定のゲインＯ（定数）を有するアンプであり、微動制御器４４４から出力された微動電圧信号Ｖ_ｆが、ゲインＯとかけ合わされて粗動制御部４６の粗動制御器４６４の前段に出力される。このゲインＯとしては、例えば駆動アクチュエーター２１９に相当するゲインに設定されていることが好ましい。この場合、微動電圧制限部４５を疑似的な駆動アクチュエーター２１９のモデルとして機能させることができ、微動電圧信号Ｖ_ｆを駆動アクチュエーター２１９に印加した際の周波数変化を示す周波数変動信号ｆ_ｓが出力される。

【0029】

このような微動電圧制限部４５が設けられることで、微動制御部４４における出力電圧（微動電圧信号Ｖ_ｆ）を小さく抑えることができる。
つまり、微動制御部４４では、駆動アクチュエーター２１９を微動駆動させることで、高分解能でレーザー光の発振周波数を変化させる。したがって、微動制御部４４において出力される微動電圧信号Ｖ_ｆは、粗動制御部４６により出力される粗動電圧信号Ｖ_ｃに比べて小さい信号となり、許容される微動電圧信号Ｖ_ｆの電圧範囲も狭くなる。したがって、微動電圧信号Ｖ_ｆは、この電圧範囲内に抑える必要がある。
本実施形態では、微動電圧制限部４５が設けられることで、微動制御器４４４から粗動制御部４６に周波数変動信号ｆ_ｓが入力され、粗動制御部４６における出力が増加される。これにより、微動制御部４４における微動電圧信号Ｖ_ｆが所定の電圧範囲内となるように制限することができる。

【0030】

粗動制御部４６は、図３に示すように、粗動用周波数カウンター４６０、粗動用比較演算部４６１、粗動用周波数変換部４６２、微動信号合成部４６３、粗動制御器４６４、オフセット信号出力部４６５、粗動用減衰器４６６、ＤＡＣ４６７、粗動用ＬＰＦ４６８、及び粗動用増幅器４６９を備える。
粗動用周波数カウンター４６０は、第一分周器４２を通過した信号（矩形波状）のパルス数を計数し、カウント値Ｎ_ｒ２を出力する。
粗動用比較演算部４６１は、粗動用周波数カウンター４６０のカウント値Ｎ_ｒ２と、粗動用ビート周波数カウンター４３３のカウント値Ｎ_ｂ２との差（Ｎ_ｒ２−Ｎ_ｂ２）を算出する。
粗動用周波数変換部４６２は、粗動用比較演算部４６１より算出された周波数カウント値の差（Ｎ_ｒ２−Ｎ_ｂ２）に対して所定のゲインＨ_２をかけ合せ、周波数差（ｆ_ｒ２−ｆ_ｂ２）に変換する。なお、粗動制御部４６においても、この周波数差（ｆ_ｒ２−ｆ_ｂ２）が、小さくなるように駆動アクチュエーター２１９を制御する。

【0031】

微動信号合成部４６３は、粗動用周波数変換部４６２からの出力値（ｆ_ｒ２−ｆ_ｂ２）と、微動電圧制限部４５から入力される周波数変動信号ｆ_ｓとを加算した信号値を出力する。
粗動制御器４６４は、微動信号合成部４６３から出力される信号値に対して制御演算を実施し、電圧信号Ｖ_ｃ１（粗動信号）を算出する。ここで、粗動制御器４６４のパラメーターの設定により、駆動アクチュエーター２１９の応答性等を適宜設定することができる。

【0032】

オフセット信号出力部４６５は、駆動アクチュエーター２１９を粗動駆動させて、レーザー周波数を目標値（基準周波数）近傍に近付ける際（周波数粗動走査時）に用いられ、オフセット信号Ｖ_ｏｆｆを出力する。
また、この周波数粗動走査において、オフセットレーザー光の周波数が基準周波数近傍の値になると、つまり、周波数差（ｆ_ｒ２−ｆ_ｂ２）が所定の閾値以下となると、オフセット信号をロックし、以降、ロックしたオフセット信号Ｖ_ｏｆｆを出力し続ける。これにより、粗動制御器４６４から出力される粗動信号Ｖ_ｃ１と、オフセット信号Ｖ_ｏｆｆとが加算器４６５Ａにより加算され、粗動電圧信号Ｖ_ｃとして粗動用減衰器４６６に出力される。

【0033】

粗動用減衰器４６６は、粗動用ゲインＧ_ｃを用いて、粗動電圧信号Ｖ_ｃの電圧レベルを１／Ｇ_ｃ倍する。
ＤＡＣ４６７は、粗動用減衰器４６６から入力される粗動電圧信号Ｖ_ｃ（デジタル）をアナログ信号に変換する。
粗動用ＬＰＦ４６８は、周波数帯域を所定帯域以下に制限することで、ノイズを低減する。なお、粗動用ＬＰＦ４６８の帯域設定により、駆動アクチュエーター２１９の応答性を適切な値に設定することができる。
粗動用増幅器４６９は、粗動用減衰器４６６により減衰された粗動電圧信号Ｖ_ｃの電圧レベルをＧ_ｃ倍する。これにより、広範囲の駆動電圧（例えば１Ｖ〜１００Ｖ）の設定ができ、周波数粗動走査における駆動アクチュエーター２１９の駆動量を広げることができ、レーザー周波数を広い範囲で走査させることができる。また、微動制御においても、温度変化等による共振器長のドリフトに対応することができる。

【0034】

信号合成部４７は、微動制御部４４から出力される微動電圧信号Ｖ_ｆと、粗動制御部４６から出力される粗動電圧信号Ｖ_ｃとを加算し、駆動アクチュエーター２１９に出力する。

【0035】

なお、上述したオフセットレーザー制御手段３２において、各周波数カウンター４３２，４３３，４４１，４６０は、所定のゲート時間の間だけ、周波数カウントを実施し、周波数カウント終了後は、カウント値をリセットして再度カウントを開始する。これにより、各周波数カウンター４３２，４３３，４４１，４６０における周波数カウント値は、ゲート時間間隔で更新されることになり、各制御器４４４，４６４から出力される電圧信号Ｖ_ｆ，Ｖ_ｃ１もゲート時間間隔で更新されることになる。このため、ゲート時間を設定することで、制御速度を適切な値に設定することができる。また、例えば、粗動制御に用いるゲート時間（粗動用ビート周波数カウンター４３３及び粗動用周波数カウンター４６０のゲート時間）と、微動制御に用いるゲート時間（微動用ビート周波数カウンター４３２及び微動用周波数カウンター４４１のゲート時間）とをそれぞれ異なる値に設定することも可能であり、これにより、粗動駆動と微動駆動とにおいて異なる制御速度（応答速度）で駆動アクチュエーター２１９を駆動させることも可能となる。

【0036】

［レーザー光源装置１における周波数安定化処理］
次に、上述したレーザー光源装置１におけるオフセットレーザー光の周波数安定化処理について、図面に基づいて説明する。
図４は、レーザー光源装置１におけるオフセットレーザー光の周波数安定化処理を示すフローチャートである。
図５は、周波数粗動走査前におけるオフセットロックレーザー光源２１から出射されるオフセットレーザー光と、基準レーザー光源２２から出射される基準レーザー光の周波数を示す図である。
図６は、オフセットレーザー光の光周波数値が、基準レーザー光の光周波数値から基準周波数値だけ離れた周波数値付近にまで走査された状態を示す図である。
図７は、オフセットレーザー光が基準周波数に安定化された状態のオフセットレーザー光の周波数を示す図である。
本実施形態のレーザー光源装置１は、図５に示すようなオフセットレーザー光の周波数を、目標である基準周波数ｆ_ｒに設定して周波数ロックを行い、オフセットレーザー光の周波数安定化を行う。

【0037】

これには、まず、図４に示すように、駆動アクチュエーター２１９の粗動駆動による探索・誘導ステップ（周波数粗動走査）を実施する（ステップＳ１）。
このステップＳ１では、基準レーザー制御手段３１は、基準レーザー光源２２を駆動させ、基準レーザー光源２２から周波数ｆ_Ｒの基準レーザー光を出射させる。
また、オフセットレーザー制御手段３２は、基準周波数源４１から基準周波数ｆ_ｒを出力させるとともに、微動制御器４４４及び粗動制御器４６４からの出力信号（Ｖ_ｆ，Ｖ_ｃ１）を「０」に設定する。そして、オフセットレーザー制御手段３２は、オフセット信号出力部４６５から出力されるオフセット信号により駆動アクチュエーター２１９を粗動駆動させる。つまり、レーザー周波数を広範囲に亘って粗動走査させる。
そして、オフセットレーザー制御手段３２は、粗動用周波数変換部４６２により算出される周波数差（ｆ_ｒ２−ｆ_ｂ２）が第一閾値以下であるか否かを判定する（ステップＳ２）。
そして、ステップＳ２において、周波数差（ｆ_ｒ２−ｆ_ｂ２）が第一閾値より大きい場合、ステップＳ１に戻り、周波数粗動走査を継続させる。
一方、ステップＳ２において、周波数差（ｆ_ｒ２−ｆ_ｂ２）が第一閾値以下であると判定されると、オフセット信号出力部４６５は、オフセット信号Ｖ_ｏｆｆを一定値に保つ（ステップＳ３）。これにより、図６に示すように、オフセットレーザー光の周波数が、目標値近傍のオフセット周波数ｆ_ｏｆｆ付近になる。

【0038】

この後、オフセットレーザー制御手段３２は、駆動アクチュエーター２１９の微動駆動による周波数ロック処理を実施する。
これには、まず、オフセットレーザー制御手段３２は、微動制御器４４４及び粗動制御器４６４の出力値（Ｖ_ｆ，Ｖ_ｃ１）を有効にする（ステップＳ４）。これにより、微動制御器４４４及び粗動制御器４６４は、フィードバック制御部４３により検出されるビート周波数ｆ_Ｂ、及び基準周波数ｆ_ｒに基づいたフィードバック制御を行い、レーザー周波数を高分解能で微動走査させる（ステップＳ５）。
このステップＳ５では、オフセットレーザー制御手段３２は、粗動用周波数変換部４６２により算出される周波数差（ｆ_ｒ２−ｆ_ｂ２）（または、微動用周波数変換部４４３により算出される周波数差（ｆ_ｒ−ｆ_ｂ））を監視し、この周波数差が「０」に近づくようにフィードバック制御を行う。

【0039】

［周波数微動走査で出力される電圧信号］
次に、上述したステップＳ５のレーザー周波数の微動走査において、オフセットレーザー制御手段３２から出力される電圧信号について説明する。
上述したように、本実施形態のオフセットロックレーザー光源２１は、微動制御部４４から出力される微動電圧信号Ｖ_ｆと、粗動制御部４６から出力される粗動電圧信号Ｖ_ｃとを加算した制御信号Ｖに基づいて、駆動アクチュエーター２１９が駆動され、これにより周波数が変化する。ここで、微動電圧制限部４５により、微動制御部４４及び粗動制御部４６が接続されている。
このため、微動制御部４４から出力される微動電圧信号（Ｖ_ｆ）、及び粗動制御部４６から出力される粗動電圧信号（Ｖ_ｃ）は、それぞれ以下に示す式（１）及び式（２）の値となる。

【0040】

【数1】

【0041】

【数2】

【0042】

上記式（１）及び式（２）において、「Ｃ_ｆ」は、微動制御器４４４において、周波数差（ｆ_ｒ−ｆ_ｂ）から出力電圧を演算するための制御関数、「Ｈ」は、微動用周波数変換部４４３におけるゲイン、「Ｂ」は、基準周波数源４１及び第二分周器４３１における分周数、「Ｃ_ｒ」は、微動用周波数カウンター４４１の関数、「Ｃ_ｂ」は、微動用ビート周波数カウンター４３２の関数である。また、「Ｃ_ｃ」は、粗動制御器４６４において、周波数差（ｆ_ｒ２−ｆ_ｂ２）から出力電圧を演算するための制御関数、「Ｈ_２」は、粗動用周波数変換部４６２におけるゲイン、「Ｃ_ｒ２」は、粗動用周波数カウンター４６０の関数、「Ｃ_ｂ２」は、粗動用ビート周波数カウンター４３３の関数であり、「Ｏ」は、微動電圧制限部４５におけるゲインである。
式（２）に示すように、本実施形態では、微動電圧信号Ｖ_ｆが、粗動電圧信号Ｖ_ｃに影響を与えており、これにより、微動制御部４４から出力される微動電圧信号の電圧値が小さくなるように機能している。このため、フィードバック制御中において、微動電圧信号が出力可能範囲を超えて、ロックが外れるという不都合が生じない。
また、オフセットレーザー光の出力周波数ｆ_ｏは、基準レーザー光の周波数ｆ_Ｒと、ビート周波数ｆ_Ｂとを用いて以下の式（３）となる。式（１）〜（３）より式（４）が導かれる。なお、式（４）において、「Ｋ」は、駆動アクチュエーター２１９への電圧入力とビート周波数ｆ_Ｂの変化とを関係づける伝達関数であり、「Ｄ」は、ＤＡＣ４４６，４６７のゲイン、Ｌ_ｆは、微動用ＬＰＦ４４７のゲイン、Ｌ_ｃは、粗動用ＬＰＦ４６８のゲインである。

【0043】

【数3】

【0044】

【数4】

【0045】

次に、上記周波数微動走査における微動電圧信号及び粗動電圧信号の変化について説明する。
図８は、周波数微動走査でのビート周波数の変化を示す図である。図９は、周波数微動走査での微動電圧信号Ｖ_ｆの変化を示す図である。図１０は、周波数微動走査での粗動制御器４６４から出力される粗動信号Ｖ_ｃ１の変化を示す図である。これらの図８から図１０は、時刻ｔ＝０に単位ステップ（ｆ_ｒ＝１）の目標を与えた場合のビート周波数ｆ_Ｂ、微動電圧信号Ｖ_ｆ、粗動信号Ｖ_ｃ１の変化を示している。
図８から図１０に示すように、検出されるビート周波数に対して、微動制御部４４の微動制御器４４４は、粗動制御部４６の粗動制御器４６４よりも速く応答し、十分な時間が経過すると微動制御器４４４からの微動電圧信号Ｖ_ｆが低下し、その分、粗動信号Ｖ_ｃ１が大きくなる。そして、最終的に、ビート周波数ｆ_Ｂが基準周波数ｆ_ｒに一致するようになると、微動電圧信号Ｖ_ｆはほぼ０となり、粗動信号Ｖ_ｃ１、及び粗動電圧信号Ｖ_ｃ（＝Ｖ_ｏｆｆ＋Ｖ_ｃ１）は、略一定値に保たれる。
なお、実際には、フィードバック制御中において外乱が入るため、これを抑制するように、両電圧（微動電圧信号Ｖ_ｆ及び粗動電圧信号Ｖ_ｃ）は常に変動する。

【0046】

また、微動制御部４４及び粗動制御部４６の応答性は、上述したように、微動制御器４４４及び粗動制御器４６４における設定パラメーター、制御速度（微動用ビート周波数カウンター４３２、粗動用ビート周波数カウンター４３３、微動用周波数カウンター４４１、及び粗動用周波数カウンター４６０のゲート時間）、微動用ＬＰＦ４４７及び粗動用ＬＰＦ４６８の帯域設定等によって個別に調整することができる。
本実施形態では、微動制御部４４の応答速度を高速（広帯域）にし、粗動制御部４６の応答速度を低速（狭帯域）にすることが好ましい。
この場合、オフセットロックレーザー光源２１の目標周波数（基準周波数ｆ_ｒ）へのロックや、高速な外乱への対応に対して、主に微動制御部４４が応答し、高分解能で共振器長を制御することができる。一方、温度変化等による共振器長のドリフトなど、低速な外乱への対応に対して、主に粗動制御部４６が応答し、微動制御部４４の出力（微動電圧信号Ｖ_ｆ）を０に近付けるように機能する。
また、粗動制御部４６は、広い電圧出力範囲（例えば、１〜１００Ｖ）で粗動電圧信号Ｖ_ｃを出力できるので、微動制御部４４の微動電圧信号Ｖ_ｆの出力電圧範囲（例えば、１〜１０Ｖ）が狭い場合でも飽和せず、安定した周波数ロックを維持することができる。さらに、微動制御部４４は、微動電圧信号Ｖ_ｆの出力電圧範囲を狭くできるため、高分解能かつ高精度な微動駆動を実現できる。粗動制御部４６は、粗い電圧出力であるが、微動制御部４４がより高速で動作することで、粗動制御部４６の誤差出力を微動制御部４４により補正することができる。

【0047】

本実施形態では、周波数差（ｆ_ｒ−ｆ_ｂ）（またはｆ_ｒ２−ｆ_ｂ２）から、レーザー周波数のロック状態を観測することができるが、さらに、微動制御器４４４と粗動制御器４６４との出力比較を実施する出力比較部を設ける構成としてもよい。例えば、微動制御器４４４から出力される微動電圧信号Ｖ_ｆが、粗動制御器４６４から出力される粗動信号Ｖ_ｃ１よりも大きい場合、レーザー周波数（オフセットレーザー光の発振周波数）のドリフトが大きく発生していると判定することができ、この場合、ドリフト補正をより強める処理を行う。具体的には、微動制御部４４及び粗動制御部４６の各構成要素のパラメーターを調整することで、レーザー周波数のロック性能やドリフト補正性能を設定することができる。

【0048】

［本実施形態の作用効果］
本実施形態では、１つの駆動アクチュエーター２１９に対して、微動制御部４４による高分解能な駆動制御と、粗動制御部４６による広範囲に亘る駆動制御との双方の制御を実施できる。
つまり、通常、共振器長を単一のアクチュエーターで制御する場合、広範囲に亘ってレーザー周波数を変化させるためには、アクチュエーターに入力する信号レベルを増幅する必要があり、信号のＳＮ比や分解能の低下により、レーザー周波数を高精度に制御することが困難となる。これに対して、本実施形態では、上記のように、広い電圧出力範囲で粗動電圧信号Ｖ_ｃを出力する粗動制御部４６と、狭範囲で高分解能な制御が可能な微動電圧信号Ｖ_ｆを出力する微動制御部４４とにより、駆動アクチュエーター２１９の駆動が制御される。このため、駆動アクチュエーター２１９を、粗動駆動時において広範囲に亘って駆動させることができ、かつ、微動駆動時に高分解能な駆動制御を行うことができる。つまり、レーザー周波数を広範囲かつ高分解能で走査することができる。
また、広範囲な駆動制御を行うためのアクチュエーターと、高分解能な駆動制御を行うためのアクチュエーターとの双方を備える構成に比べ、単一の駆動アクチュエーター２１９を駆動させる構成となるため、共振器２１１の構成の簡略化、小型化を図ることができる。また、駆動アクチュエーター２１９を駆動させるためのドライバー等も１つでよく、レーザー光源装置１の構成の簡略化、低コスト化を実現できる。また、共振器２１１の構成を簡略化できるため、故障要因が減り、信頼性が高いレーザー光源装置１を実現できる。

【0049】

本実施形態では、微動制御部４４の微動制御器４４４の後段と、粗動制御部４６の粗動制御器４６４の前段とが、微動電圧制限部４５により接続されている。そして、微動制御器４４４からの出力された微動電圧信号Ｖ_ｆが、微動電圧制限部４５を介して周波数変動信号ｆ_ｓとして微動信号合成部４６３に入力され、粗動用周波数変換部４６２から出力された周波数差（ｆ_ｒ２−ｆ_ｂ２）に基づく信号と加算されて粗動制御器４６４に入力される。
したがって、オフセットレーザー制御手段３２では、微動制御部４４からの微動電圧信号Ｖ_ｆを０に近づけるように機能し、微動電圧信号Ｖ_ｆの信号レベルを低減させることができる。このため、微動電圧信号Ｖ_ｆが設定された出力範囲外となる不都合を回避でき、これにより、微動制御部４４による高分解能な駆動アクチュエーター２１９の駆動制御を適切に実現できる。

【0050】

この際、微動電圧制限部４５は、駆動アクチュエーター２１９に相当するゲインＯを有している。このため、微動電圧信号により駆動アクチュエーター２１９を駆動させたと仮定した場合の周波数変化を粗動制御器４６４に入力させることができ、より精度の高い駆動アクチュエーター２１９の駆動制御を実現できる。

【0051】

本実施形態では、フィードバック制御部４３によりビート周波数を計数し、そのカウント値を微動制御部４４及び粗動制御部４６に出力する。そして、微動制御部４４及び粗動制御部４６は、基準周波数（目標値）とビート周波数との周波数差に基づいて微動電圧信号Ｖ_ｆ及び粗動電圧信号Ｖ_ｃを出力する。このため、フィードバック制御により、高精度にレーザー周波数を目的となる基準周波数に合わせ込むことができる。

【0052】

［他の実施形態］
なお、本発明は前述の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。
上記実施形態では、レーザー光源装置１として、オフセットロックレーザー光源２１から発振されるオフセットレーザー光を、基準レーザー光源２２から発振される周波数ｆ_Ｒの基準レーザー光と干渉させ、そのビート周波数ｆ_ｂを基準周波数（目標値）ｆ_ｒにロックすることで、オフセットレーザー光の周波数安定化を図ったが、本発明における周波数安定化方法としては、これに限定されない。
例えば、ヨウ素等の分子吸収線を利用し、分子吸収線に周波数を安定化させたり、光周波数コム装置から発振される光コムとの干渉光に基づいて周波数を安定化させたりしてもよい。いずれの場合においても、上述したようなステップＳ１の周波数粗動走査を実施した後、ステップＳ５の周波数微動走査を実施する。したがって、周波数粗動走査における駆動アクチュエーター２１９の粗動駆動、及び周波数微動走査における駆動アクチュエーター２１９の微動駆動、周波数ロック中における周波数ドリフトに対する制御を上記のようなオフセットレーザー制御手段３２により制御することで、周波数を広範囲に亘って、かつ高分解能で走査することができる。

【0053】

上記実施形態では、周波数変更手段として、ピエゾ素子等により構成された圧電アクチュエーターを例示したが、これに限定されない。周波数変更手段としては、高い応答性で広範囲に亘る駆動制御が行えるアクチュエーターであれば、いかなる構成を用いてもよい。例えば、サーボモーター、ソレノイドアクチュエーター、リニアアクチュエーター等により共振器長を変化させる構成としてもよい。
この場合でも、これらのアクチュエーターを駆動させる制御手段として、オフセットレーザー制御手段３２を用いることで、各アクチュエーターの駆動量を広範囲かつ高分解能で駆動制御することができる。

【0054】

上記実施形態において、微動電圧制限部４５として、駆動アクチュエーター２１９と同等のゲインＯが設定される例を示した。これに対して、微動電圧制限部４５のゲインとして、他の一定値が設定されていてもよい。また、微動電圧制限部４５を可変ゲインにより構成してもよい。

【0055】

微動電圧制限部４５として、微動制御器４４４及び微動用増幅器４４５の間と、粗動用周波数変換部４６２及び粗動制御器４６４の間とを接続する例を示したが、これに限定されない、微動制御部４４における微動制御器４４４の後段と、粗動制御部４６における粗動制御器４６４の前段とを接続する構成であれば、いかなる位置に設けられていてもよい。例えば、微動用増幅器４４５の後と、粗動用周波数変換部４６２及び粗動制御器４６４の間とを接続する構成などとしてもよい。

【0056】

また、ビート周波数カウンターを粗動用及び微動用に分け、基本周波数を計数する周波数カウンターも同様に粗動用及び粗動用に分ける構成を例示したが、１つのビート周波数カウンター、及び１つの基準周波数カウンターにより構成されていてもよい。

【0057】

その他、本発明の実施の際の具体的な構造は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等に適宜変更できる。

【産業上の利用可能性】

【0058】

本発明は、周波数安定化レーザー光源装置に適用できる。

【符号の説明】

【0059】

１…レーザー光源装置、２…レーザーヘッド部、３…コントローラー部（制御手段）、２１…オフセットロックレーザー光源、２２…基準レーザー光源、２５…ディテクター、３１…基準レーザー制御手段、３２…オフセットレーザー制御手段、４１…基準周波数源、４３…フィードバック制御部、４４…微動制御部、４５…微動電圧制限部、４６…粗動制御部、４７…信号合成部、２１０…励起光源、２１１…共振器、２１６…レーザー媒質、２１８…共振器ミラー、２１９…駆動アクチュエーター（周波数変更手段）、４４２…微動用比較演算部、４４３…微動用周波数変換部、４４４…微動制御器、４６１…粗動用比較演算部、４６２…粗動用周波数変換部、４６３…微動信号合成部、４６４…粗動制御器、４６５…オフセット信号出力。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】