特許 6171256 レーザ周波数安定化方法及びその装置

(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】6171256

(24)【登録日】2017年7月14日

(45)【発行日】2017年8月2日

(54)【発明の名称】レーザ周波数安定化方法及びその装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/0687 20060101AFI20170724BHJP

   H01S 3/137 20060101ALI20170724BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/0687

   H01S3/137

【請求項の数】10

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2013-213752(P2013-213752)

(22)【出願日】2013年10月11日

(65)【公開番号】特開2015-76578(P2015-76578A)

(43)【公開日】2015年4月20日

【審査請求日】2016年5月27日

(73)【特許権者】

【識別番号】000151494

【氏名又は名称】株式会社東京精密

(74)【代理人】

【識別番号】100083116

【弁理士】

【氏名又は名称】松浦 憲三

(72)【発明者】

【氏名】川田 善之

(72)【発明者】

【氏名】青戸 智浩

(72)【発明者】

【氏名】林 恭平

【審査官】 小濱 健太

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−１５６３８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００４／００１２８４４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００２−３７４０３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２８８３９０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ５／００−５／５０

Ｈ０１Ｓ １／００−４／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ光を出射する光源と、
光源から出射したレーザ光を第１レーザ光と第２レーザ光とに分割する光分割手段と、
前記光分割手段により分割された第１レーザ光が通過するガスセルを含む第１光学系と、
前記第１光学系を通過した第１レーザ光の光強度を示す第１検出信号を検出する第１光検出手段と、
前記第１光検出手段により検出された第１検出信号に基づいて、前記光源から出射されるレーザ光の周波数が前記ガスセルの飽和吸収線の中心周波数に一致するように前記光源から出射されるレーザ光の周波数を制御する第１制御手段と、
前記光分割手段により分割された第２レーザ光が通過するエタロンを含む第２光学系と、
前記第２光学系を通過した第２レーザ光の光強度を示す第２検出信号を検出する第２光検出手段と、
前記第２光検出手段により検出された第２検出信号に基づいて、前記光源から出射されるレーザ光の周波数が前記エタロンの共振周波数に一致するように前記光源から出射されるレーザ光の周波数を制御する第２制御手段と、
前記光源から出射されるレーザ光の周波数の制御を、前記第１制御手段による制御と前記第２制御手段による制御とのいずれか一方に切替え可能に設定する制御切替手段であって、本動作の前の前動作の実施時において、前記光源から出射されるレーザ光の周波数の制御を前記第１制御手段による制御に設定し、前記本動作の実施時において、前記光源から出射されるレーザ光の周波数の制御を前記第２制御手段による制御に設定する制御切替手段と、
前記エタロンの温度を制御する温度制御手段と、
を備え、
前記温度制御手段は、前記前動作の実施時において、前記エタロンの温度を変化させながら、前記第２光検出手段により検出された第２検出信号を取得し、該取得した第２検出信号に基づいて、前記エタロンの共振周波数が前記ガスセルの飽和吸収線の中心周波数に一致するときの前記エタロンの温度を校正温度として検出するエタロン校正温度検出手段と、
前記本動作の実施時において、前記エタロン校正温度検出手段により検出された校正温度に前記エタロンの温度を維持するエタロン温度維持手段と、
を有し、
前記温度制御手段は、前記本動作の実施時において、前記第１光検出手段により検出された第１検出信号に基づいて、前記エタロンの共振周波数が前記ガスセルの飽和吸収線の中心周波数に一致するように前記エタロンの温度を補正するエタロン温度補正手段を備えるレーザ周波数安定化装置。

【請求項2】

前記第１制御手段は、前記第１光検出手段により検出された第１検出信号に基づいて、前記光源から出射されたレーザ光の周波数と、前記ガスセルの飽和吸収線の中心周波数との偏差を示す第１偏差信号を検出する第１偏差信号検出手段を有し、該第１偏差信号が０となるように、または現在値よりも小さくなるように前記光源から出射されるレーザ光の周波数を制御する請求項１に記載のレーザ周波数安定化装置。

【請求項3】

前記第２制御手段は、前記第２光検出手段により検出された第２検出信号に基づいて、前記光源から出射されたレーザ光の周波数と、前記エタロンの共振周波数との偏差を示す第２偏差信号を検出する第２偏差信号検出手段を有し、該第２偏差信号が０となるように、または現在値よりも小さくなるように前記光源から出射されるレーザ光の周波数を制御する請求項１又は２に記載のレーザ周波数安定化装置。

【請求項4】

前記光源から出射されるレーザ光は、基準周波数ω０に対して周波数ωｍの正弦波により周波数変調されたレーザ光であり、
前記第１偏差信号検出手段は、前記第１光検出手段により検出された第１検出信号に含まれる周波数ωｍの奇数倍の周波数の信号成分に基づいて前記第１偏差信号を検出する請求項２に記載のレーザ周波数安定化装置。

【請求項5】

前記光源から出射されるレーザ光は、基準周波数ω０に対して周波数ωｍの正弦波により周波数変調されたレーザ光であり、
前記第２偏差信号検出手段は、前記第２光検出手段により検出された第２検出信号に含まれる周波数ωｍの奇数倍の周波数の信号成分に基づいて前記第２偏差信号を検出する請求項３に記載のレーザ周波数安定化装置。

【請求項6】

レーザ光を出射する光源と、
光源から出射したレーザ光を第１レーザ光と第２レーザ光とに分割する光分割手段と、
前記光分割手段により分割された第１レーザ光が通過するガスセルを含む第１光学系と、
前記第１光学系を通過した第１レーザ光の光強度を示す第１検出信号を検出する第１光検出手段と、
前記第１光検出手段により検出された第１検出信号に基づいて、前記光源から出射されるレーザ光の周波数が前記ガスセルの飽和吸収線の中心周波数に一致するように前記光源から出射されるレーザ光の周波数を制御する第１制御手段と、
前記光分割手段により分割された第２レーザ光が通過するエタロンを含む第２光学系と、
前記第２光学系を通過した第２レーザ光の光強度を示す第２検出信号を検出する第２光検出手段と、
前記第２光検出手段により検出された第２検出信号に基づいて、前記光源から出射されるレーザ光の周波数が前記エタロンの共振周波数に一致するように前記光源から出射されるレーザ光の周波数を制御する第２制御手段と、
前記光源から出射されるレーザ光の周波数の制御を、前記第１制御手段による制御と前記第２制御手段による制御とのいずれか一方に切替え可能に設定する制御切替手段と、
前記エタロンの温度を制御する温度制御手段と、
を備えたレーザ周波数安定化装置におけるレーザ周波数安定化方法であって、
前記制御切替手段は、本動作の前の前動作の実施時において、前記光源から出射されるレーザ光の周波数の制御を前記第１制御手段による制御に設定し、前記本動作の実施時において、前記光源から出射されるレーザ光の周波数の制御を前記第２制御手段による制御に設定し、
前記温度制御手段は、前記前動作の実施時において、前記エタロンの温度を変化させながら、前記第２光検出手段により検出された第２検出信号を取得し、該取得した第２検出信号に基づいて、前記エタロンの共振周波数が前記ガスセルの飽和吸収線の中心周波数に一致するときの前記エタロンの温度を校正温度として検出し、前記本動作の実施時において、前記エタロンの温度を前記校正温度に維持し、
前記温度制御手段は、前記本動作の実施時において、前記第１光検出手段により検出された第１検出信号に基づいて、前記エタロンの共振周波数が前記ガスセルの飽和吸収線の中心周波数に一致するように前記エタロンの温度を補正するレーザ周波数安定化方法。

【請求項7】

前記第１制御手段は、前記第１光検出手段により検出された第１検出信号に基づいて、前記光源から出射されたレーザ光の周波数と、前記ガスセルの飽和吸収線の中心周波数との偏差を示す第１偏差信号を検出する第１偏差信号検出手段を有し、該第１偏差信号が０となるように、または現在値よりも小さくなるように前記光源から出射されるレーザ光の周波数を制御する請求項６に記載のレーザ周波数安定化方法。

【請求項8】

前記第２制御手段は、前記第２光検出手段により検出された第２検出信号に基づいて、前記光源から出射されたレーザ光の周波数と、前記エタロンの共振周波数との偏差を示す第２偏差信号を検出する第２偏差信号検出手段を有し、該第２偏差信号が０となるように、または現在値よりも小さくなるように前記光源から出射されるレーザ光の周波数を制御する請求項６又は７に記載のレーザ周波数安定化方法。

【請求項9】

前記光源から出射されるレーザ光は、基準周波数ω０に対して周波数ωｍの正弦波により周波数変調されたレーザ光であり、
前記第１偏差信号検出手段は、前記第１光検出手段により検出された第１検出信号に含まれる周波数ωｍの奇数倍の周波数の信号成分に基づいて前記第１偏差信号を検出する請求項７に記載のレーザ周波数安定化方法。

【請求項10】

前記光源から出射されるレーザ光は、基準周波数ω０に対して周波数ωｍの正弦波により周波数変調されたレーザ光であり、
前記第２偏差信号検出手段は、前記第２光検出手段により検出された第２検出信号に含まれる周波数ωｍの奇数倍の周波数の信号成分に基づいて前記第２偏差信号を検出する請求項８に記載のレーザ周波数安定化方法。

【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方法及びその装置に係り、特に半導体レーザを光源とするレーザ光の周波数（波長）を安定化するレーザ周波数安定化方法及びその装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ヨウ素安定化ＨｅＮｅレーザは、ＨｅＮｅレーザの発振周波数を高確度な周波数をもつヨウ素の特定の飽和吸収線にロックさせ、発振周波数を安定化したものとして知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

【0003】

また、レーザ光の周波数の安定化と狭窄化の技術としてレーザ光源から出射されたレーザ光の特定周波数のみを透過させる固体共振器（ソリッドエタロン）を用いることも知られている（例えば、特許文献３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００１−２７４４９７号公報

【特許文献2】特開２００３−２２４３１９号公報

【特許文献3】特開平０８−０１８１４５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、従来のヨウ素安定化ＨｅＮｅレーザは、共振器が大気中にあるために振動や音によりレーザ光の周波数（波長）のロックが外れてしまうという問題がある。また、ロック可能な周波数のレンジが数ＭＨｚレベルと小さい。

【0006】

ソリッドエタロン（固体共振器）は、上記の問題は少なく、ロック可能な周波数のレンジが広い。しかしながら、ソリッドエタロンは温度によって屈折率や厚みが変化してしまうため温度の影響を受けやすい。また、ソリッドエタロンの温度を制御するには、制御に用いる温度計の精度が十分でないため、周波数安定度・確度が良くないという問題がある。

【0007】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、振動や音などの外乱の影響や温度の影響が少なく、レーザ光の周波数を長時間に渡って安定化することができるレーザ周波数安定化方法及びその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】

前記目的を達成するため、本発明に係るレーザ周波数安定化装置は、レーザ光を出射する光源と、光源から出射したレーザ光を第１レーザ光と第２レーザ光とに分割する光分割手段と、前記光分割手段により分割された第１レーザ光が通過するガスセルを含む第１光学系と、前記第１光学系を通過した第１レーザ光の光強度を示す第１検出信号を検出する第１光検出手段と、前記第１光検出手段により検出された第１検出信号に基づいて、前記光源から出射されるレーザ光の周波数が前記ガスセルの飽和吸収線の中心周波数に一致するように前記光源から出射されるレーザ光の周波数を制御する第１制御手段と、前記光分割手段により分割された第２レーザ光が通過するエタロンを含む第２光学系と、前記第２光学系を通過した第２レーザ光の光強度を示す第２検出信号を検出する第２光検出手段と、前記第２光検出手段により検出された第２検出信号に基づいて、前記光源から出射されるレーザ光の周波数が前記エタロンの共振周波数に一致するように前記光源から出射されるレーザ光の周波数を制御する第２制御手段と、前記光源から出射されるレーザ光の周波数の制御を、前記第１制御手段による制御と前記第２制御手段による制御とのいずれか一方に切替え可能に設定する制御切替手段であって、本動作の前の前動作の実施時において、前記光源から出射されるレーザ光の周波数の制御を前記第１制御手段による制御に設定し、前記本動作の実施時において、前記光源から出射されるレーザ光の周波数の制御を前記第２制御手段による制御に設定する制御切替手段と、前記エタロンの温度を制御する温度制御手段と、を備え、前記温度制御手段は、前記前動作の実施時において、前記エタロンの温度を変化させながら、前記第２光検出手段により検出された第２検出信号を取得し、該取得した第２検出信号に基づいて、前記エタロンの共振周波数が前記ガスセルの飽和吸収線の中心周波数に一致するときの前記エタロンの温度を校正温度として検出するエタロン校正温度検出手段と、前記本動作の実施時において、前記エタロン校正温度検出手段により検出された校正温度に前記エタロンの温度を維持するエタロン温度維持手段と、を有する。

【0009】

本発明によれば、本動作の実施時には、エタロンを用いたレーザ光の周波数ロック制御により、レーザ光の周波数がガスセルの飽和吸収線の中心周波数にロックされるように制御される。そのため、振動や音などの外乱の影響を受け難く、長時間に渡って安定した周波数のレーザ光を外部に提供することができる。

【0010】

また、エタロンは温度の影響を受け易く、温度によってエタロンの共振周波数が変動してレーザ光をロックする周波数が変動する。しかしながら、本発明では、本動作の前の前動作の実施時において、共振周波数がガスセルの飽和吸収線の中心周波数に一致するときのエタロンの温度を校正温度として検出し、本動作の実施時においては、その校正温度を維持するようにエタロンの温度を制御している。そのため、温度の影響によりレーザ光の周波数が変動することなく、安定した周波数のレーザ光を提供することができる。

【0011】

また、本発明において、前記温度制御手段は、前記本動作の実施時において、前記第１光検出手段により検出された第１検出信号に基づいて、前記エタロンの共振周波数が前記ガスセルの飽和吸収線の中心周波数に一致するように前記エタロンの温度を補正するエタロン温度補正手段を備えた態様とすることができる。

【0012】

本態様によれば、本動作の実施時において、温度制御手段が制御するエタロンの温度又は温度センサにより検出されるエタロンの温度と、エタロンの実際の温度との誤差が変化し、エタロンの共振周波数が、ガスセルの飽和吸収線の中心周波数からずれてしまうような事態が生じた場合であっても、そのずれがガスセルを含む光学系を通過したレーザ光により検出された第１検出信号に基づいて補正される。従って、長時間に渡って安定した周波数のレーザ光を提供することができる。

【0013】

また、本発明において、前記第１制御手段は、前記第１光検出手段により検出された第１検出信号に基づいて、前記光源から出射されたレーザ光の周波数と、前記ガスセルの飽和吸収線の中心周波数との偏差を示す第１偏差信号を検出する第１偏差信号検出手段を有し、該第１偏差信号が０となるように、または現在値よりも小さくなるように前記光源から出射されるレーザ光の周波数を制御する態様とすることができる。

【0014】

また、本発明において、前記第２制御手段は、前記第２光検出手段により検出された第２検出信号に基づいて、前記光源から出射されたレーザ光の周波数と、前記エタロンの共振周波数との偏差を示す第２偏差信号を検出する第２偏差信号検出手段を有し、該第２偏差信号が０となるように、または現在値よりも小さくなるように前記光源から出射されるレーザ光の周波数を制御する態様とすることができる。

【0015】

また、本発明において、前記光源から出射されるレーザ光は、基準周波数ω０に対して周波数ωｍの正弦波により周波数変調されたレーザ光であり、前記第１偏差信号検出手段は、前記第１光検出手段により検出された第１検出信号に含まれる周波数ωｍの奇数倍の周波数の信号成分に基づいて前記第１偏差信号を検出する態様とすることができる。

【0016】

また、前記第２偏差信号検出手段は、前記第２光検出手段により検出された第２検出信号に含まれる周波数ωｍの奇数倍の周波数の信号成分に基づいて前記第２偏差信号を検出する態様とすることができる。

【0017】

また、本発明に係るレーザ周波数安定化方法は、レーザ光を出射する光源と、光源から出射したレーザ光を第１レーザ光と第２レーザ光とに分割する光分割手段と、前記光分割手段により分割された第１レーザ光が通過するガスセルを含む第１光学系と、前記第１光学系を通過した第１レーザ光の光強度を示す第１検出信号を検出する第１光検出手段と、前記第１光検出手段により検出された第１検出信号に基づいて、前記光源から出射されるレーザ光の周波数が前記ガスセルの飽和吸収線の中心周波数に一致するように前記光源から出射されるレーザ光の周波数を制御する第１制御手段と、前記光分割手段により分割された第２レーザ光が通過するエタロンを含む第２光学系と、前記第２光学系を通過した第２レーザ光の光強度を示す第２検出信号を検出する第２光検出手段と、前記第２光検出手段により検出された第２検出信号に基づいて、前記光源から出射されるレーザ光の周波数が前記エタロンの共振周波数に一致するように前記光源から出射されるレーザ光の周波数を制御する第２制御手段と、前記光源から出射されるレーザ光の周波数の制御を、前記第１制御手段による制御と前記第２制御手段による制御とのいずれか一方に切替え可能に設定する制御切替手段と、前記エタロンの温度を制御する温度制御手段と、を備えたレーザ周波数安定化装置におけるレーザ周波数安定化方法であって、前記制御切替手段は、本動作の前の前動作の実施時において、前記光源から出射されるレーザ光の周波数の制御を前記第１制御手段による制御に設定し、前記本動作の実施時において、前記光源から出射されるレーザ光の周波数の制御を前記第２制御手段による制御に設定し、前記温度制御手段は、前記前動作の実施時において、前記エタロンの温度を変化させながら、前記第２光検出手段により検出された第２検出信号を取得し、該取得した第２検出信号に基づいて、前記エタロンの共振周波数が前記ガスセルの飽和吸収線の中心周波数に一致するときの前記エタロンの温度を校正温度として検出し、前記本動作の実施時において、前記エタロンの温度を前記校正温度に維持する。

【0018】

本発明によれば、本動作の実施時には、エタロンを用いたレーザ光の周波数ロック制御により、レーザ光の周波数がガスセルの飽和吸収線の中心周波数にロックされるように制御される。そのため、振動や音などの外乱の影響を受け難く、長時間に渡って安定した周波数のレーザ光を外部に提供することができる。

【0019】

また、エタロンは温度の影響を受け易く、温度によってエタロンの共振周波数が変動してレーザ光をロックする周波数が変動する。しかしながら、本発明では、本動作の前の前動作の実施時において、共振周波数がガスセルの飽和吸収線の中心周波数に一致するときのエタロンの温度を校正温度として検出し、本動作の実施時においては、その校正温度を維持するようにエタロンの温度を制御している。そのため、温度の影響によりレーザ光の周波数が変動することなく、安定した周波数のレーザ光を提供することができる。

【0020】

また、本発明において、前記温度制御手段は、前記本動作の実施時において、前記第１光検出手段により検出された第１検出信号に基づいて、前記エタロンの共振周波数が前記ガスセルの飽和吸収線の中心周波数に一致するように前記エタロンの温度を補正する態様とすることができる。

【0021】

本態様によれば、本動作の実施時において、温度制御手段が制御するエタロンの温度又は温度センサにより検出されるエタロンの温度と、エタロンの実際の温度との誤差が変化し、エタロンの共振周波数が、ガスセルの飽和吸収線の中心周波数からずれてしまうような事態が生じた場合であっても、そのずれがガスセルを含む光学系を通過したレーザ光により検出された第１検出信号に基づいて補正される。従って、長時間に渡って安定した周波数のレーザ光を提供することができる。

【0022】

また、本発明において、前記第１制御手段は、前記第１光検出手段により検出された第１検出信号に基づいて、前記光源から出射されたレーザ光の周波数と、前記ガスセルの飽和吸収線の中心周波数との偏差を示す第１偏差信号を検出する第１偏差信号検出手段を有し、該第１偏差信号が０となるように、または現在値よりも小さくなるように前記光源から出射されるレーザ光の周波数を制御する態様とすることができる。

【0023】

また、本発明において、前記第２制御手段は、前記第２光検出手段により検出された第２検出信号に基づいて、前記光源から出射されたレーザ光の周波数と、前記エタロンの共振周波数との偏差を示す第２偏差信号を検出する第２偏差信号検出手段を有し、該第２偏差信号が０となるように、または現在値よりも小さくなるように前記光源から出射されるレーザ光の周波数を制御する態様とすることができる。

【0024】

また、本発明において、前記光源から出射されるレーザ光は、基準周波数ω０に対して周波数ωｍの正弦波により周波数変調されたレーザ光であり、前記第１偏差信号検出手段は、前記第１光検出手段により検出された第１検出信号に含まれる周波数ωｍの奇数倍の周波数の信号成分に基づいて前記第１偏差信号を検出する態様とすることができる。

【0025】

また、前記第２偏差信号検出手段は、前記第２光検出手段により検出された第２検出信号に含まれる周波数ωｍの奇数倍の周波数の信号成分に基づいて前記第２偏差信号を検出する態様とすることができる。

【発明の効果】

【0026】

本発明によれば、振動や音などの外乱の影響や温度の影響が少なく、レーザ光の周波数を長時間に渡って安定化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】本発明に係るレーザ周波数安定化装置の構成を示した構成図

【図2】ガスセルの透過率の周波数特性を例示した図

【図3】偏差信号が示す信号値を簡略的に示した図

【図4】エタロンの透過率の周波数特性を例示した図

【図5】レーザ周波数安定化装置における動作手順を示したフローチャート

【図6】図１のレーザ周波数安定化装置の変形例を示した図

【発明を実施するための形態】

【0028】

以下、添付図面に従って本発明の好ましい実施の形態について詳説する。

【0029】

図１は、本発明に係るレーザ周波数安定化装置の構成を示した構成図である。

【0030】

同図に示すレーザ周波数安定化装置１は、レーザ干渉測長器などのレーザ光を利用した測定機器で使用するレーザ光の発生源として適用可能な装置であり、所定の周波数（波長）のレーザ光を後述のビームスプリッタ１２からの反射光として外部に出力する。なお、以下の説明において、レーザ光や信号の周波数ｆに関しては、周波数ｆに２・πの値を乗じた角周波数ωを用いて表すものとし、角周波数ωを単に周波数ωというものとする。

【0031】

同図のレーザ周波数安定化装置１において、レーザ光源１０は、例えば半導体レーザであり、電流ドライバ８０から与えられる駆動電流により発振して所定周波数のレーザ光を出射する。

【0032】

また、その駆動電流には、発振器６０から出力される周波数ωｍの正弦波の変調電流が重畳される。これによって、レーザ光源１０から出射されるレーザ光の周波数が、β・sin（ωｍ・ｔ）の信号により周波数変調される。レーザ光源１０から出射されたレーザ光はビームスプリッタ１２に入射する。

【0033】

ビームスプリッタ１２は、レーザ光源１０から入射したレーザ光を反射光と透過光に分割する。反射光は外部で利用するレーザ光として本装置１から外部に出射される。透過光は偏光ビームスプリッタ１４に入射する。

【0034】

偏光ビームスプリッタ１４は、ビームスプリッタ１２から入射したレーザ光のうち、Ｓ偏光（Ｓ偏光成分）のレーザ光を反射し、Ｐ偏光（Ｐ偏光成分）のレーザ光を透過させる。Ｐ偏光のレーザ光はガスセル２０を含む光学系（光路）を通過するレーザ光として偏光ビームスプリッタ１６に入射し、Ｓ偏光のレーザ光はエタロン２８を含む光学系（光路）を通過するレーザ光として偏光ビームスプリッタ２４に入射する。

【0035】

まず、ガスセル２０を含む光学系から説明すると、偏光ビームスプリッタ１６は、偏光ビームスプリッタ１４から入射したＰ偏光のレーザ光を透過させる。透過したＰ偏光のレーザ光は１／４波長板１８に入射する。

【0036】

また、偏光ビームスプリッタ１６は、後述のように１／４波長板１８から入射するＳ偏光のレーザ光を反射する。反射したＳ偏光のレーザ光は光検出器４０に入射する。

【0037】

１／４波長板１８は、偏光ビームスプリッタ１６から入射したＰ偏光のレーザ光をＰ偏光から円偏光に変換する。円偏光に変換されたレーザ光は、ガスセル２０に入射する。

【0038】

また、１／４波長板１８は、後述のようにガスセル２０から入射する円偏光のレーザ光を円偏光からＳ偏光に変換する。Ｓ偏光に変換されたレーザ光は上述のように偏光ビームスプリッタ１６に入射する。

【0039】

ガスセル２０は、例えばヨウ素などのガスを封入した光吸収セルであり、１／４波長板１８から入射したレーザ光を周波数に応じた透過率で透過させる。透過したレーザ光はミラー２２で反射して再度ガスセル２０に入射する。ガスセル２０は、ミラー２２から入射したレーザ光に対しても周波数に応じた透過率で透過させる。

【0040】

このようにガスセル２０に入射してミラー２２により折り返し、再度、ガスセル２０を透過したレーザ光は上述のように１／４波長板１８に入射する。そして、１／４波長板１８により円偏光からＳ偏光に変換された後、偏光ビームスプリッタ１６で反射して光検出器４０に入射する。

【0041】

光検出器４０は、偏光ビームスプリッタ１６から入射したレーザ光を光電変換し、入射したレーザ光の光強度に応じた大きさの電圧信号を検出信号として出力する。光検出器４０から出力された検出信号は検波器４２に入力される。

【0042】

ここで、光検出器４０から出力される検出信号ＩＧ（ｔ）は、時間ｔによって変化するレーザ光の周波数ωの関数Ｆ（ω）で表すことができる。

【0043】

一方、関数Ｆ（ω）は、ガスセル２０の透過率の周波数特性に対応する。図２は、ガスセル２０の透過率の周波数特性を例示した図である。同図に示すようにガスセル２０は光の透過率が山型に大きくなる帯域幅が数ＭＨｚの飽和吸収線を有する。飽和吸収線はその帯域のほぼ中心の周波数（中心周波数ωａ）において極大の透過率を示す。

【0044】

その飽和吸収線を利用することで、光検出器４０により得られる検出信号ＩＧ（ｔ）に基づいて、飽和吸収線の中心周波数ωａに対するレーザ光の周波数のずれを検知することができる。そして、そのずれが無くなるように、レーザ光源１０から出射されるレーザ光の周波数を制御することで、レーザ光の周波数を飽和吸収線の中心周波数ωａに略一致させた状態にロックすることができる。

【0045】

この周波数ロック制御の原理とともに、関連する処理部の処理について説明する。

【0046】

まず、レーザ光源１０から出射されるレーザ光は、サブＭＨｚのスペクトル線幅を有し、そのスペクトル線を示す周波数（例えば中心周波数）ω０を周波数ωｍの正弦波で変調した周波数ωとなる。すなわち、レーザ光の周波数ωは、次式（１）で表される。

【0047】

ω＝ω０＋β・sin（ωｍ・ｔ） …（１）
なお、βはω０と比較して極めて小さいため、レーザ光の周波数は、式（１）を利用した演算処理等を除いてはω０とみなすことができる。ω０を以下、レーザ光の基準周波数というものとする。

【0048】

一方、光検出器４０から出力される検出信号ＩＧ（ｔ）は、上述のようにガスセル２０の透過率の周波数特性に対応した関数Ｆ（ω）で表すことができ、関数Ｆ（ω）をω＝ω０のまわりでテイラー展開すると、次式（２）で表される。

【0049】

Ｆ（ω）＝Ｆ（ω０）＋（ω−ω０）・Ｆ^（１）（ω０）＋（１／２！）・（ω−ω０）^２・Ｆ^（２）（ω０）＋（１／３！）・（ω−ω０）^３・Ｆ^（３）（ω０）＋…＋（１／ｎ！）・（ω−ω０）^ｎ・Ｆ^（ｎ）（ω０）＋… …（２）
ただし、Ｆ^（ｎ）（ω０）はＦのω＝ω０におけるｎ次導関数を示す。

【0050】

この式（２）のωに、式（１）で示されるω０＋β・sin（ωｍ・ｔ）を代入して、変形すると検出信号ＩＧ（ｔ）は、次式（３）で表される。

【0051】

ＩＧ（ｔ）＝Ｆ（ω０＋β・sin（ωｍ・ｔ））
＝Ｆ（ω０）＋…
＋sin（ωｍ・ｔ）・｛β・Ｆ^（１）（ω０）＋（３／２４）・β^３・Ｆ^（３）（ω０）＋…｝
＋cos（２・ωｍ・ｔ）・｛（−１／４）・β^２・Ｆ^（２）（ω０）＋（−１／４８）・β^４・Ｆ^（４）（ω０）＋…｝
＋sin（３・ωｍ・ｔ）・｛（−１／２４）・β^３・Ｆ^（３）（ω０）＋（−５／１９２０）・β^５・Ｆ^（５）（ω０）＋…｝
≒Ｆ（ω０）＋…
＋sin（ωｍ・ｔ）・β・Ｆ^（１）（ω０）
＋cos（２・ωｍ・ｔ）・（−１／４）・β^２・Ｆ^（２）（ω０）
＋sin（３・ωｍ・ｔ）・（−１／２４）・β^３・Ｆ^（３）（ω０） …（３）
これによれば、ガスセル２０を通過したレーザ光により検出された検出信号ＩＧ（ｔ）に対してsin（ｎ・ωｍ・ｔ）の信号をミキシング（混合）して検波（ロックイン）することで、周波数ｎ・ωｍの信号成分を抽出することができ、Ｆ（ω）のω＝ω０におけるｎ次微分信号（ｎ次微分の値に対応した大きさの電圧信号）が得られる。本実施の形態では以下のように検波器４２によりＦ（ω）のω＝ω０における３次微分信号を得るものとしている。

【0052】

即ち、図１において検波器４２には、光検出器４０から出力された検出信号ＩＧ（ｔ）（Ｆ（ω））が入力されると共に、増幅器６２から参照信号βsin（３・ωｍ・ｔ）を所定倍した値の信号が入力される。

【0053】

増幅器６２は、発振器６０から出力される周波数ωｍの正弦波信号に基づいて３倍の周波数３・ωｍの正弦波信号を変調信号として生成すると共に振幅を増幅して検波器４２に出力する。

【0054】

検波器４２は、光検出器４０から入力された検出信号ＩＧ（ｔ）に対して、増幅器６２から入力された参照信号βsin（３・ωｍ・ｔ）をミキシングして、周波数３・ωｍの信号（信号成分）を検波（ロックイン）する。これにより、Ｆ（ω）のω＝ω０における３次微分の値に対応した大きさの３次微分信号が得られる。

【0055】

検波器４２により得られた３次微分信号は飽和吸収線の中心周波数ωａに対するレーザ光の周波数（基準周波数ω０）のずれ量（偏差）を示す偏差信号ＤＧとして検波器４２から出力される。この偏差信号ＤＧは信号処理器４４に入力されるとともに、スイッチ７６を介して信号処理器７０に入力される。

【0056】

図３は、レーザ光の基準周波数ω０の値を飽和吸収線の中心周波数ωａの周辺の値で変化させた場合に、Ｆ（ω）のω＝ω０における３次微分信号（偏差信号ＤＧ）が示す信号値を簡略的に示した図である。

【0057】

同図に示すようにレーザ光の基準周波数ω０が飽和吸収線の中心周波数ωａに等しい場合には、点Ｐａで示す信号値ＤＧ０となる。この信号値ＤＧ０は理想的には０値を示す。なお、以下において信号値ＤＧ０は０値であるものとする。

【0058】

基準周波数ω０の値を飽和吸収線の周波数ωａから小さくしていくと、信号値が徐々に小さくなり、所定の周波数ωｂにおいて点Ｐｂで示す極小値となる。更に基準周波数ω０の値を小さくしていくと、信号値が徐々に大きくなり、最終的には０値を示す。

【0059】

反対に、基準周波数ω０の値を飽和吸収線の周波数ωａから大きくしていくと、信号値が徐々に大きくなり、所定の周波数ωｃにおいて点Ｐｃで示す極大値となる。更に基準周波数ω０の値を大きくしていくと、信号値が徐々に小さくなり、最終的には０値を示す。

【0060】

これによれば、レーザ光源１０から出射するレーザ光の基準周波数ω０の制御範囲を周波数ωｂから周波数ωｃまでの範囲に限定すれば、検波器４２により得られる３次微分信号（偏差信号ＤＧ）の信号値は、飽和吸収線の中心周波数ωａに対する基準周波数ω０のずれ量を示したものとなる。

【0061】

なお、基準周波数ω０が飽和吸収線の中心周波数ωａに一致しているとするときの信号値ＤＧ０は必ずしも０値でなくてもよく、その場合には、偏差信号ＤＧは、信号値ＤＧ０を減算した値とすればよい。

【0062】

また、本形態では、Ｆ（ω）のω＝ω０におけるｎ次微分信号のうち、ｎ＝３のときの３次微分信号を偏差信号ＤＧとしたが、ｎが３以外の奇数のときのｎ次微分信号を偏差信号ＤＧとすることができる。即ち、ｎが奇数のときのｎ次微分信号の信号値は、基準周波数ω０を増加させたときに飽和吸収線の中心周波数ωａの周辺において増加又は減少する。したがって、基準周波数ω０の制御範囲をｎ次微分信号の信号値が増加又は減少する範囲に限定すれば、３次微分信号と同様にｎ次微分信号の信号値は、飽和吸収線の中心周波数ωａに対する基準周波数ω０のずれ量を示し、偏差信号ＤＧとして用いることができる。

【0063】

図１の信号処理器４４は、検波器４２から入力された偏差信号ＤＧに基づいて、レーザ光源１０が出射するレーザ光の基準周波数ω０が飽和吸収線の中心周波数ωａに一致するようにフィードバック制御を行う。

【0064】

即ち、信号処理器４４は、検波器４２から入力された偏差信号ＤＧが０値（ＤＧ０）でない場合に、偏差信号ＤＧが０値となる方向にレーザ光源１０の基準周波数ω０を変化させる制御信号を、スイッチ７４を介して電流ドライバ８０に出力する。

【0065】

電流ドライバ８０は、信号処理器４４から入力された制御信号に従ってレーザ光源１０に注入する駆動電流を制御してレーザ光源１０から出射されるレーザ光の基準周波数ω０を変化させる。

【0066】

これによって、レーザ光の基準周波数ω０が変化すると、変化した後の基準周波数ω０における偏差信号ＤＧが検波器４２から信号処理器４４に入力される。信号処理器４４は、その偏差信号ＤＧが０値でなければ、さらに偏差信号ＤＧが０値となる方向に基準周波数ω０を変化させる制御信号を電流ドライバ８０に与える。

【0067】

信号処理器４４は、このような処理の繰り返しにより、基準周波数ω０に対するフィードバック制御を行い、基準周波数ω０を飽和吸収線の中心周波数ωａに一致させた状態に固定（ロック）する。

【0068】

なお、基準周波数ω０に対するフィードバック制御に関して本実施の形態では、偏差信号ＤＧが０値となるよう基準周波数ω０を制御するものとするが、これに限らず、偏差信号ＤＧが現在値よりも小さくなるように基準周波数ω０を制御するものとしてもよいし、また、偏差信号ＤＧが０値以外の所定の閾値よりも小さくなるように基準周波数ω０を制御するものとしてもよい。

【0069】

ここで、このようなフィードバック制御（ガスセル２０を用いたレーザ光の周波数ロック制御）は、図３において示したようにレーザ光の基準周波数ω０が周波数ωｂから周波数ωｃまでの制御範囲の周波数である場合には、基準周波数ω０を飽和吸収線の中心周波数ωａに適切に収束させてロックすることができる。

【0070】

しかしながら、何らかの理由で基準周波数ω０を制御範囲外の値に一度設定してしまうと、上記のフィードバック制御をそのまま継続しただけでは、基準周波数ω０を飽和吸収線の中心周波数ωａに再度収束させることができず、ロックが外れてしまうという現象が生じる。

【0071】

一方、ガスセル２０は、振動や音などの外乱の影響を受けやすく、検波器４２で得られる偏差信号ＤＧに外乱による誤差が生じやすい。

【0072】

図３に示したように周波数ωｂから周波数ωｃまでの基準周波数ω０の制御範囲は、飽和吸収線の帯域幅よりも狭く、数ＭＨｚ程度と極めて狭いため、偏差信号ＤＧに誤差が生じた場合、それに従って基準周波数ω０を変更したときに基準周波数ω０が制御範囲から外れる可能性が高い。

【0073】

従って、ガスセル２０を用いたレーザ光の周波数ロック制御では、長時間に渡って、レーザ光の周波数を飽和吸収線の中心周波数ωａにロックすることが難しい。

【0074】

そこで、本装置１では、レーザ光の周波数ロック制御は、直接的には、エタロン２８を用いて行う。

【0075】

エタロン２８は、振動や音などの外乱に対する影響を受けにくく、長時間に渡ってレーザ光の周波数をエタロン２８の共振周波数ωｓにロックすることができる。

【0076】

その反面、エタロン２８は周知のように温度変化によって屈折率や厚みが変化し易く温度の影響を受け易い。したがって、温度が変動すると、エタロン２８の共振周波数ωｓが変動し、レーザ光をロックする周波数（ロック周波数）も変動する。また、エタロン２８と温度と共振周波数ωｓ（ロック周波数）との関係も正確には定まっていない。

【0077】

そこで、本装置１を起動した際の初期設定時等、即ち、本動作の前の前動作時には、ガスセル２０を用いたレーザ光の周波数ロック制御を実施してレーザ光の基準周波数ω０をガスセル２０の飽和吸収線の中心周波数ωａにロックし、エタロン２８の共振周波数ωｓがガスセル２０の飽和吸収線の中心周波数ωａと一致するようにエタロン２８の温度を校正する。

【0078】

そして、本動作時においては、エタロン２８を用いてレーザ光の周波数ロック制御を実施すると共に、エタロン２８を校正した温度に維持し、エタロン２８の共振周波数ωｓを安定化してレーザ光の周波数を安定化する。

【0079】

また、エタロン２８を用いた周波数ロック制御時において、ガスセル２０を含む光学系を通過したレーザ光により検出された検波器４２からの偏差信号ＤＧを利用してエタロン２８の温度を補正して、レーザ光の周波数を更に安定化している。

【0080】

エタロン２８を含む光学系について説明すると、図１における偏光ビームスプリッタ２４は、上述のように偏光ビームスプリッタ１４から入射したＳ偏光のレーザ光を反射する。反射したレーザ光は１／４波長板２６に入射する。

【0081】

また、偏光ビームスプリッタ２４は、後述のように１／４波長板２６から入射するＰ偏光のレーザ光を透過させる。透過したＰ偏光のレーザ光は、光検出器５０に入射する。

【0082】

１／４波長板２６は、偏光ビームスプリッタ２４から入射したＳ偏光のレーザ光を円偏光に変換する。円偏光に変換されたレーザ光は、エタロン２８に入射する。

【0083】

また、１／４波長板２６は、後述のようにエタロン２８から入射する円偏光のレーザ光を円偏光からＰ偏光に変換する。Ｐ偏光に変換されたレーザ光は上述のように偏光ビームスプリッタ２４に入射する。

【0084】

エタロン２８は、１／４波長板２６から入射したレーザ光を周波数に応じた透過率で透過させるとともに往復させて、１／４波長板２６に戻す。

【0085】

このようにエタロン２８を透過して１／４波長板２６に戻されたレーザ光は、１／４波長板２６により円偏光からＰ偏光に変換された後、偏光ビームスプリッタ２４を透過して光検出器５０に入射する。

【0086】

また、エタロン２８には、エタロン２８の温度（周囲温度又はエタロン２８の特定の構成要素の温度）を制御する温度制御器３０が具備される。

【0087】

光検出器５０は、偏光ビームスプリッタ２４から入射したレーザ光を光電変換し、入射したレーザ光の光強度に応じた大きさの電圧信号を検出信号として出力する。光検出器５０から出力された検出信号は検波器５２と信号処理器７０に入力される。

【0088】

温度制御器３０は、後述の信号処理器７０から与えられる温度制御信号に従ってエタロン２８の温度(周囲温度又はエタロン２８の特定の構成要素の温度)を制御する。

【0089】

また、温度制御器３０は、不図示の温度センサにより検出されるエタロン２８の現時点の温度を示す温度情報を信号処理器７０に出力する。

【0090】

まず、エタロン２８を用いたレーザ光の周波数ロック制御に関連する処理部の処理について説明する。なお、原理については上述のガスセル２０を用いたレーザ光の周波数ロック制御の場合と同様であるため、詳細は省略する。

【0091】

光検出器５０から出力される検出信号ＩＥ（ｔ）は、光検出器４０から出力される検出信号ＩＧ（ｔ）と同様に、時間ｔによって変化するレーザ光の周波数ωの関数Ｇ（ω）で表すことができる。関数Ｇ（ω）は、エタロン２８の透過率の周波数特性に対応する。

【0092】

エタロン２８は、例えば石英等の基板の両面に反射面（反射膜）を形成したソリッドエタロンの構成を有し、図４に示すような透過率の周波数特性を有する。なお、エタロン２８はソリッドエタロンでなくエアギャップエタロンを用いてもよい。

【0093】

同図に示すようにエタロン２８は、共振周波数を中心として光の透過率が大きくなる通過帯域を自由スペクトル領域（ＦＳＲ）ごとに有する。

【0094】

ＦＳＲは、次式（４）により表される。

【0095】

ＦＳＲ＝ｃ／（２・ｎ・ｄ・cosθ） …（４）
ただし、ｃは光速、ｎは屈折率、ｄは基板の厚み、θはレーザ光の入射角を示す。

【0096】

また、各通過帯域の半値全幅（ＦＷＨＭ）は、次式（５）により表される。

【0097】

ＦＷＨＭ＝（１−Ｒ）・ＦＳＲ／（π・Ｒ^０．５） …（５）
ピークの鋭さを示すＦｉｎｅｓｓｅは、次式（６）により表される。

【0098】

Ｆｉｎｅｓｓｅ＝ＦＳＲ／ＦＷＨＭ＝π・Ｒ^０．５／（１−Ｒ） …（６）
本装置１では、エタロン２８として、Ｆｉｎｅｓｓｅが十分に大きく（ＦＷＨＭが十分に小さく）、共振周波数ωｓがガスセル２０の飽和吸収線の中心周波数ωａとほぼ一致する通過帯域を有するものが使用される。

【0099】

そして、その通過帯域を利用することで、上述のガスセル２０を用いたレーザ光の周波数ロック制御の場合と同様に、エタロン２８を用いたレーザ光の周波数ロック制御を実施する。

【0100】

即ち、光検出器５０により得られる検出信号ＩＥ（ｔ）は、上式（３）と同様に、次式（７）により表される。

【0101】

ＩＥ（ｔ）≒Ｇ（ω０）＋…
＋sin（ωｍ・ｔ）・β・Ｇ^（１）（ω０）
＋cos（２・ωｍ・ｔ）・（−１／４）・β^２・Ｇ^（２）（ω０）
＋sin（３・ωｍ・ｔ）・（−１／２４）・β^３・Ｇ^（３）（ω０） …（７）
図１において検波器５２には、光検出器５０から出力された検出信号ＩＥ（ｔ）（Ｇ（ω））が入力されると共に、増幅器６４から参照信号βsin（３・ωｍ・ｔ）を所定倍した値の信号が入力される。

【0102】

増幅器６４は、発振器６０から出力される周波数ωｍの正弦波信号に基づいて３倍の周波数３・ωｍの正弦波信号を変調信号として生成すると共に振幅を増幅して検波器５２に出力する。

【0103】

検波器５２は、光検出器５０から入力された検出信号ＩＥ（ｔ）に対して、増幅器６４から入力された参照信号βsin（３・ωｍ・ｔ）をミキシングして、周波数３・ωｍの信号を検波（ロックイン）する。これにより、Ｇ（ω）のω＝ω０における３次微分の値に対応した大きさの３次微分信号が得られる。検波器５２により得られた３次微分信号はエタロン２８の共振周波数ωｓに対するレーザ光の周波数（基準周波数ω０）のずれ量（偏差）を示す偏差信号ＤＥとして出力される。この偏差信号ＤＥは信号処理器５４に入力される。

【0104】

なお、本形態では、Ｇ（ω）のω＝ω０におけるｎ次微分信号のうち、ｎ＝３のときの３次微分信号を偏差信号ＤＥとしたが、ｎが３以外の奇数のときのｎ次微分信号を偏差信号ＤＥとすることができる。

【0105】

信号処理器５４は、検波器５２から入力された偏差信号ＤＥに基づいて、レーザ光源１０が出射するレーザ光の基準周波数ω０がエタロン２８の共振周波数ωｓに一致するようにフィードバック制御を行う。

【0106】

即ち、信号処理器５４は、検波器５２から入力された偏差信号ＤＥが０値でない場合に、偏差信号ＤＥが０値となる方向にレーザ光源１０の基準周波数ω０を変化させる制御信号を、スイッチ７４を介して電流ドライバ８０に出力する。

【0107】

なお、スイッチ７４は、信号処理器７０から与えられる切替信号に従って、信号処理器４４と信号処理器５４のいずれかに接続を切り替える。

【0108】

また、基準周波数ω０に対するフィードバック制御に関して本実施の形態では、偏差信号ＤＥが０値となるよう基準周波数ω０を制御するものとするが、これに限らず、偏差信号ＤＥが現在値よりも小さくなるように基準周波数ω０を制御するものとしてもよいし、また、偏差信号ＤＥが０値以外の所定の閾値よりも小さくなるように基準周波数ω０を制御するものとしてもよい。

【0109】

信号処理器７０は、本動作時には、スイッチ７４を信号処理器５４に接続させて信号処理器５４から出力される制御信号を電流ドライバ８０に入力させる。これにより、エタロン２８を用いたレーザ光の周波数ロック制御を実施させる。本動作前の前動作時には、スイッチ７４を信号処理器４４に接続させて信号処理器４４から出力される制御信号を電流ドライバ８０に入力させる。これにより、ガスセル２０を用いたレーザ光の周波数ロック制御を実施させる。

【0110】

電流ドライバ８０は、信号処理器５４から入力された制御信号に従ってレーザ光源１０に注入する駆動電流を制御してレーザ光源１０から出射されるレーザ光の基準周波数ω０を変化させる。

【0111】

これによって、レーザ光の基準周波数ω０が変化すると、変化した後の基準周波数ω０における偏差信号ＤＥが検波器５２から信号処理器５４に入力される。信号処理器５４は、その偏差信号ＤＥが０値でなければ、さらに偏差信号ＤＥが０値となる方向に基準周波数ω０を変化させる制御信号を電流ドライバ８０に与える。

【0112】

信号処理器４４は、このような処理の繰り返しにより、基準周波数ω０に対するフィードバック制御を行い、基準周波数ω０をエタロン２８の共振周波数ωｓに一致させた状態にロックする。

【0113】

次に、前動作時におけるエタロン２８の温度の校正に関連する処理部の処理について説明する。

【0114】

本装置１の電源投入時等の前動作時において、信号処理器７０は、スイッチ７４を信号処理器４４に接続させ、信号処理器４４から出力される制御信号を電流ドライバ８０に入力させる。これによって、ガスセル２０を用いたレーザ光の周波数ロック制御が実施され、レーザ光源１０から出射されるレーザ光の基準周波数ω０がガスセル２０の飽和吸収線の中心周波数ωａにロックされる。

【0115】

この前動作時において、信号処理器７０は、エタロン２８の温度を所定の初期温度に設定する温度制御信号を温度制御器３０に出力する。温度制御器３０は、信号処理器７０から入力された温度制御信号に従ってエタロン２８の温度を制御し、温度センサにより検出されるエタロン２８の現時点の温度（現在温度）を温度情報として信号処理器７０に出力する。

【0116】

信号処理器７０は、温度制御器３０から入力される温度情報により、エタロン２８の温度が安定したことを確認した後、エタロン２８の温度を、初期温度に対してレーザ光の変調信号の１周期分の時間２・π／ωｍと比較して十分に大きい周期（十分に小さい周波数）で変調する温度制御信号を温度制御器３０に出力する。

【0117】

即ち、温度制御信号の信号値が、エタロン２８の設定すべき温度に対応した値であるとすると、初期温度に対応した信号値に対して周期が十分に大きい正弦波の変調信号を加えた温度制御信号を温度制御器３０に出力する。

【0118】

これによって、エタロン２８の温度が所定の周期で変化すると、温度に応じてエタロン２８の共振周波数ωｓが変化し、光検出器５０から出力される検出信号ＩＥ（ｔ）の大きさも変化する。

【0119】

信号処理器７０は、光検出器５０から入力される検出信号ＩＥ（ｔ）をレーザ光の変調信号の１周期分の時間２・π／ωｍごとに平均して、検出信号ＩＥ（ｔ）の時間２・π／ωｍごとの平均値を順次求める。そして、検出信号ＩＥ（ｔ）の平均値が最大値を示すときのエタロン２８の温度を校正温度として検出する。

【0120】

このエタロン２８の校正温度の検出として、例えば、検出信号ＩＥ（ｔ）の平均値が最大値を示したときに温度制御器３０から与えられた温度情報の温度、即ち、温度センサが示す温度を検出してもよいし、検出信号ＩＥ（ｔ）の平均値が最大値を示したときに温度制御器３０に出力した温度制御信号の信号値、即ち、エタロン２８を校正温度に設定するための温度制御信号の信号値を検出してもよい。本形態では、後者を採用し、検出した温度制御信号の信号値を校正温度値として内部の記憶手段に記憶する。

【0121】

ここで、検出信号ＩＥ（ｔ）の平均値が最大値を示すときのエタロン２８の共振周波数ωｓは、レーザ光の基準周波数ω０と一致しており、その基準周波数ω０は、ガスセル２０を用いたレーザ光の周波数ロック制御が実施されていることによって、ガスセル２０の飽和吸収線の中心周波数ωａに一致している。

【0122】

したがって、エタロン２８の校正温度は、エタロン２８の共振周波数ωｓがガスセル２０の飽和吸収線の中心周波数ωａに一致するときの温度であり、温度制御信号の校正温度値は、エタロン２８を校正温度に設定するための温度制御信号の信号値を示す。

【0123】

以上の処理が終了すると、信号処理器７０は、記憶手段に記憶した校正温度値の温度制御信号を温度制御器３０に出力し、エタロン２８を校正温度に設定する。

【0124】

そして、前動作時におけるエタロン２８の温度の校正を終了する。

【0125】

なお、エタロン２８の校正温度の検出として、検出信号ＩＥ（ｔ）の平均値が最大値を示したときに温度制御器３０から与えられた温度情報の温度を検出する場合、信号処理器７０は、温度制御器３０からの温度情報が示すエタロン２８の温度が校正温度となるように温度制御器３０に温度制御信号を出力してエタロン２８の温度を設定する。

【0126】

次に、本動作時におけるエタロン２８の温度制御について説明する。上記のように前動作時におけるエタロン２８の温度校正が終了すると、信号処理器７０は、スイッチ７４の接続を信号処理器４４から信号処理器５４に切り替え、信号処理器５４から出力される制御信号を電流ドライバ８０に入力させる。

【0127】

これによって、エタロン２８を用いたレーザ光の周波数ロック制御が開始され、レーザ光源１０が出射するレーザ光の基準周波数ω０がエタロン２８の共振周波数ωｓにロックさせる。

【0128】

また、本動作時において、信号処理器７０は、エタロン２８の温度を前動作時に検出した校正温度に維持する。即ち、記憶手段に記憶した校正温度値の温度制御信号を温度制御器３０に継続的に出力してエタロン２８の温度を校正温度に維持する。

【0129】

これによれば、エタロン２８の温度が校正温度となるように制御されるため、エタロン２８の共振周波数ωｓが、ガスセル２０の飽和吸収線の中心周波数ωａに一致した状態に維持され、レーザ光源１０が出射するレーザ光の基準周波数ω０がガスセル２０の飽和吸収線の中心周波数ωａに一致した状態にロックされる。

【0130】

また、エタロン２８の温度変動が温度制御器３０による温度制御により低減されており、周波数安定度及び確度の高いレーザ光が得られる。

【0131】

更に、エタロン２８を用いたレーザ光の周波数ロック制御では、周波数の制御範囲（ロックが外れない周波数範囲）が数百ＭＨｚであり、ガスセル２０の場合と比較して大きい。したがって、外乱などによりレーザ光の周波数が変動した場合であってロックが外れるという事態も生じ難く、レーザ光の周波数を長時間に渡って安定化することができる。

【0132】

一方、温度制御器３０によりエタロン２８を校正温度に維持するように制御している場合に、温度センサの温度計測の誤差（不確かさ）等に起因して、エタロン２８の実際の温度が、共振周波数ωｓをガスセル２０の飽和吸収線の中心周波数ωａに一致させる校正温度から変動する可能性がある。

【0133】

このとき、エタロン２８の共振周波数ωｓが、ガスセル２０の飽和吸収線の中心周波数ωａからずれて、レーザ光の基準周波数ω０がガスセル２０の飽和吸収線の中心周波数ωａからずれる。

【0134】

そこで、次のようにエタロン２８の温度補正を行うようにすると好適であり、本装置１ではその温度補正を実施する構成としている。

【0135】

本動作時において、信号処理器７０は、スイッチ７６を接続状態（導通状態）に設定して検波器４２から出力される偏差信号ＤＧを取得する。

【0136】

そして、検波器４２から取得した偏差信号ＤＧが０値でない場合には、偏差信号ＤＧの値に基づいて温度制御器３０に出力する温度制御信号の信号値を校正温度値から補正する。

【0137】

即ち、偏差信号ＤＧが０値と異なる場合には、エタロン２８の共振周波数ωｓがガスセル２０の飽和吸収線の中心周波数ωａからずれたことを意味する。したがって、温度制御信号の校正温度値を補正することにより、偏差信号ＤＧが０値となるようにエタロン２８の温度を補正する。

【0138】

このような偏差信号ＤＧに基づくエタロン２８の温度補正により、エタロン２８を用いたレーザ光の周波数ロック制御においてレーザ光の基準周波数ω０が飽和吸収線の中心周波数ωａに長時間に渡ってより安定的に維持され、周波数安定度及び確度のより高いレーザ光が得られる。

【0139】

また、仮に、振動や音などの外乱により、検波器４２から出力される偏差信号ＤＧに瞬時的な誤差が生じた場合に、それに従ってエタロン２８の温度を補正した場合であっても、エタロン２８の温度は急激に変化しないため、ロックが外れるという事態は生じずに、偏差信号ＤＧが正常な値に戻れば、エタロン２８の温度も正常な値に戻る。

【0140】

以上のレーザ周波数安定化装置１における動作手順を図５のフローチャートを用いて説明する。

【0141】

電源がオンされると、まず、前動作（ウォーミングアップ）の処理を実施する。

【0142】

即ち、ステップＳ１０において、信号処理器７０は、スイッチ７６を信号処理器４４に接続し、ガスセル２０を用いたレーザ光の周波数ロック制御を実施させる。これにより、レーザ光源１０から出射されるレーザ光の基準周波数ω０がガスセル２０の飽和吸収線の中心周波数ωａにロックされる。

【0143】

続いて、ステップＳ１２において、信号処理器７０は、温度制御器３０に出力する温度制御信号によりエタロン２８の温度を所定の初期温度に安定化させた後、エタロン２８の温度を変化させ、光検出器５０から出力される検出信号に基づいて、エタロン２８の共振周波数ωｓが、ガスセル２０の飽和吸収線の中心周波数ωａに一致するときのエタロン２８の温度を校正温度として検出する。その検出した校正温度に関する情報（温度制御信号の信号値又は温度制御器３０からの温度情報が示す温度値）を記憶手段に記憶する。

【0144】

次にステップＳ１４において、信号処理器７０は、温度制御器３０に出力する温度制御信号によりステップＳ１２において検出した校正温度にエタロン２８の温度を設定する。

【0145】

以上の前動作の処理が終了すると本動作の処理に移行する。

【0146】

ステップＳ１６において、信号処理器７０は、スイッチ７４を信号処理器５４に接続し、エタロン２８を用いたレーザ光の周波数ロック制御を実施させる。これにより、レーザ光源１０から出射されるレーザ光の基準周波数ω０が、ガスセルの飽和吸収線の中心周波数ωａと一致しているエタロン２８の共振周波数ωｓにロックされる。

【0147】

続いて、ステップ１８において、信号処理器７０は、スイッチ７６を接続状態（導通状態）にする。これにより、検波器４２から出力される偏差信号ＤＧを取得する。

【0148】

次に、ステップＳ２０において、信号処理器７０は、検波器４２から取得した偏差信号ＤＧが０か否かを判定する。即ち、レーザ光の基準周波数ω０がガスセルの飽和吸収線の中心周波数ωａと一致しているか否かを判断する。ＮＯと判定した場合には、ステップＳ２２に移行し、ＹＥＳと判定した場合には、ステップＳ２０の処理を繰り返す。

【0149】

ステップＳ２２に移行した場合、信号処理器７０は、偏差信号ＤＧが０となるように、即ち、エタロン２８の共振周波数ωｓがガスセルの飽和吸収線の中心周波数ωａと一致するように、温度制御器３０に出力する温度制御信号によりエタロン２８の温度を補正する。このステップＳ２４の処理が終了するとステップＳ２０に戻り、ステップＳ２０とステップＳ２２の処理を装置１の電源がオフされるまで繰り返す。

【0150】

以上、上記実施の形態におけるレーザ光源１０として、半導体チップ内に共振器を有し、電流により屈折率を変調して共振器長を変更することができるＤＢＲ−ＬＤ（Distributed Bragg Reflection Laser Diode）又はＤＦＢ−ＬＤ（Distributed FeedBack Laser Diode）を用いると好適である。ただし、レーザ光源１０はこれに限らない。また、必ずしも半導体レーザに限らない。

【0151】

また、レーザ光の周波数変調は、レーザ光源１０の外部に配置された変調器により行うようにしてもよい。例えば、図６に示すように図１におけるビームスプリッタ１２と偏光ビームスプリッタ１４との間に変調器９０を配置し、ビームスプリッタ１２を透過したレーザ光源１０からの基準周波数ω０のレーザ光を変調器９０により、周波数ωｍの正弦波で変調する構成とすることができる。変調器９０での変調信号は例えば発振器６０から与えられる。

【符号の説明】

【0152】

１…レーザ周波数安定化装置、１０…レーザ光源、１２…ビームスプリッタ、１４、１６、２４…偏光ビームスプリッタ、１８、２６…１／４波長板、２０…ガスセル、２２…ミラー、２８…エタロン、３０…温度制御器、４０、５０…光検出器、４２、５２…検波器、４４、５４、７０…信号処理器、６０…発振器、６２、６４…増幅器、７４、７６…スイッチ、８０…電流ドライバ、９０…変調器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】