特許 6872884 光周波数コムを使ったレーザ周波数測定装置

(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】6872884

(24)【登録日】2021年4月22日

(45)【発行日】2021年5月19日

(54)【発明の名称】光周波数コムを使ったレーザ周波数測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01R 23/14 20060101AFI20210510BHJP

   G01R 23/10 20060101ALI20210510BHJP

   H01S 3/00 20060101ALI20210510BHJP

【ＦＩ】

   G01R23/14 A

   G01R23/10 H

   G01R23/10 A

   H01S3/00 G

【請求項の数】7

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2016-220000(P2016-220000)

(22)【出願日】2016年11月10日

(65)【公開番号】特開2018-77169(P2018-77169A)

(43)【公開日】2018年5月17日

【審査請求日】2019年10月10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】110002963

【氏名又は名称】特許業務法人ＭＴＳ国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100080458

【弁理士】

【氏名又は名称】高矢 諭

(74)【代理人】

【識別番号】100076129

【弁理士】

【氏名又は名称】松山 圭佑

(74)【代理人】

【識別番号】100144299

【弁理士】

【氏名又は名称】藤田 崇

(74)【代理人】

【識別番号】100150223

【弁理士】

【氏名又は名称】須藤 修三

(72)【発明者】

【氏名】川▲崎▼ 和彦

【審査官】 島田 保

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１６−０３８２９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０２９８２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００５／０９３３８５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００７／００２４８５５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開平０４−３０９２７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２７４４８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１５／０１８５１４１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｒ ２３／００−２３／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光周波数コムと、
周波数安定化レーザと、
前記光周波数コムと前記周波数安定化レーザとを干渉させた際に発生する第１のビート周波数を測定する第１の周波数カウンタと、
前記周波数安定化レーザと測定対象レーザとの間で発生する第２のビート周波数を測定する第２の周波数カウンタと、
前記第１及び第２のビート周波数に基づき前記測定対象レーザの周波数を算出する演算部とを備え、
周波数測定の際の平均化時間に応じて、前記第２のビート周波数または前記第１及び第２のビート周波数を用いて、前記測定対象レーザの周波数を測定することを特徴とする光周波数コムを使ったレーザ周波数測定装置。

【請求項2】

周波数測定の際の前記平均化時間に関して、
所定の平均化時間の領域においては、前記第２のビート周波数のみを用いて、前記測定対象レーザの周波数を測定することを特徴とする請求項１に記載の光周波数コムを使ったレーザ周波数測定装置。

【請求項3】

前記所定の平均化時間の領域は、
前記周波数安定化レーザの安定度が前記光周波数コムの安定度よりも高い平均化時間領域であることを特徴とする請求項２に記載の光周波数コムを使ったレーザ周波数測定装置。

【請求項4】

前記所定の平均化時間の領域は、
前記周波数安定化レーザによる測定の不確かさが前記光周波数コムの不確かさよりも小さい平均化時間領域であることを特徴とする請求項２に記載の光周波数コムを使ったレーザ周波数測定装置。

【請求項5】

前記所定の平均化時間の領域は、
前記第２のビート周波数のばらつきが、前記第１のビート周波数と前記第２のビート周波数を加算または減算した値のばらつきよりも小さい領域であることを特徴とする請求項２に記載の光周波数コムを使ったレーザ周波数測定装置。

【請求項6】

前記所定の平均化時間の領域は、
前記第２のビート周波数のばらつきと前記周波数安定化レーザの発振周波数の偏りを加味した不確かさが、前記第１のビート周波数と前記第２のビート周波数を加算または減算した値のばらつきと前記光周波数コムの発振周波数の偏りを加味した不確かさよりも小さい領域であることを特徴とする請求項２に記載の光周波数コムを使ったレーザ周波数測定装置。

【請求項7】

光周波数コムと、
周波数安定化レーザと、
前記光周波数コムと前記周波数安定化レーザとを干渉させた際に発生する第１のビート周波数を測定する第１の周波数カウンタと、
前記周波数安定化レーザと測定対象レーザとの間で発生する第２のビート周波数を測定する第２の周波数カウンタと、
前記光周波数コムと前記測定対象レーザとを干渉させた際に発生する第３のビート周波数を測定する第３の周波数カウンタとを備え、
前記光周波数コムと前記周波数安定化レーザとを干渉させた際に発生する前記第１のビート周波数及び前記周波数安定化レーザと測定対象レーザとの間で発生する前記第２のビート周波数に加えて、前記光周波数コムと前記測定対象レーザとを干渉させた際に発生する前記第３のビート周波数を測定することで、周波数変動の違いを判断できるようにされていることを特徴とする光周波数コムを使ったレーザ周波数測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光周波数コムを使ったレーザ周波数測定装置に係り、特に、平均化時間（測定時間）に応じて、より高い精度（小さい不確かさ）でレーザの周波数を測定可能な、光周波数コムを使ったレーザ周波数測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

周波数測定は、ある測定時間内に波が何回振動するかを測定するものであり、１秒当たりに振動する回数として表現する。一般に、測定時間（平均化時間）の大小は平均化効果の大小につながるため、測定時間によって周波数の安定度は変わり、それに応じて測定の不確かさも変わる。したがって、レーザの周波数測定では、その目的に応じて平均化時間を設定して値付けすることが求められる。

【0003】

近年の光周波数コム装置（光周波数コム又は光コムと称する）の発明により、レーザの周波数を周波数の国家標準にトレーサブルな基準周波数発振器を使って高精度に測定することができるようになった（特許文献１、２参照）。光周波数コムは縦モードの間隔、即ち繰り返し周波数がｆ_repで櫛状のスペクトルのレーザを出力する装置であり、ｆ_repがどの波長帯においても正確に等しいという性質を持っている（非特許文献１参照）。

【0004】

図１に、光周波数コムと測定対象となるレーザ（測定対象レーザと称する）の周波数スペクトルの模式図を示す。

【0005】

光コムにおけるｎ番目のコムモードの発振周波数ν_nは、以下の式により表わすことができる。
ν_n＝ｎ・ｆ_rep＋ｆ_CEO …（１）

【0006】

ここで、ｆ_CEOは端数のキャリアエンベロップオフセット周波数（ＣＥＯ周波数と称する）、ｎはモード次数であり、最初のモードをゼロ番目としたとき、何番目のモードかを示す。

【0007】

ｆ_repとｆ_CEOを基準周波数発振器に安定化させた光コムの発振周波数ν_nと測定対象レーザ（周波数ν_DUT）とを干渉させて発生するビート周波数ｆ_Bを測定することで、測定対象レーザの絶対周波数ν_DUTを得ることができる。
ν_DUT＝ν_n＋ｆ_B …（２）

【0008】

このため、基準周波数発振器を周波数の国家標準に同期させてレーザの周波数を測定することで国家標準にトレーサブルに測定することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開２００７−２５６３６５号公報

【特許文献2】特開２０１６−１７８９２号公報

【非特許文献】

【0010】

【非特許文献1】H.Inaba,Y.Nakajima,F.L.Hong,K.Minoshima,J.Ishikawa,A.Onae,H.Matsumoto,M.Wouters,B.Warrington,and N.Brown,"Frequency Mesurement Capability of a Fiber-Based Frequency Comb at 633nm,"IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,vol.58,pp.1234-1240,April 2009.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

ここで、レーザの周波数を測定する際の標準として古くから用いられてきた、よう素安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザについて、その特徴を上げて光周波数コムとの違いについて述べる。

【0012】

よう素安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザは、国際度量衡委員会ＣＩＰＭが不確かさ２．１×１０^-11で勧告する分子吸収線に安定化したレーザである。分子吸収線の周波数の不確かさに加えて、吸収線に安定化する際の電気的な調整誤差などによる周波数のオフセットや長期的なドリフトや発振再現性に伴う周波数変動などにより、その絶対周波数は１１乗台で不確かなレーザである。しかしながら、オフセット量を中心とした比較的短い時間の周波数安定度は極めて高く、例えば、平均化時間１秒で１２乗台、１０００秒で１３乗台前半になるといった特徴がある。

【0013】

これに対して光周波数コムの場合は、マイクロ波の基準周波数発振器に位相同期をかけて発振周波数を安定化する。また、基準周波数発振器はＧＰＳ信号の時間間隔の測定とインターネットによる測定結果の比較システムを利用することで、周波数の国家標準に同期をかけて安定化することができる。これにより、平均化時間１日（８６４０秒）で評価した場合には不確かさは１．１×１０^-13に到達する。しかしながら同期のメカニズム上、比較的短い時間の安定度はあまり良くない。例えば１０００秒平均では１２乗台であるため、よう素安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザと比較すると１桁劣る。また、基準周波数発振器そのものの安定度についても、ユーザが比較的手ごろな値段で入手できるルビジウムＲｂの場合では１秒平均で１１乗台であり、よう素安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザと比較すると悪くなる。一般に測定値の不確かさは、測定値の偏り（真値に対するオフセット量）とばらつきによって表現されることから、安定度が悪いとその分不確かさは大きくなってしまう。

【0014】

つまり、光周波数コムは周波数の国家標準にトレーサブルで不確かさの小さい高精度な測定装置と言われるが、実際に、一般のユーザが使用できる基準周波数発振器には限りがあるため、平均化時間によっては安定度が悪く測定の不確かさが大きくなるという問題があった。

【0015】

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、平均化時間（測定時間）に応じて、より高い精度（小さい不確かさ）でレーザの周波数を測定可能とすることを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0016】

一般に周波数安定化レーザは短い平均化時間での安定度は高い。これに対して光周波数コムの方は絶対値は正確で、さらには、長い平均化時間で周波数を測定すれば、ばらつきも小さくなり正確な値に収束するといった性質がある。本発明は、両者の長所を組み合わせることによって、目的に応じて求められるさまざまな平均化時間で、より高い精度（小さい不確かさ）でレーザ周波数を測定できる装置を提供する。

【0017】

即ち、本発明は、光周波数コムと、周波数安定化レーザと、前記光周波数コムと前記周波数安定化レーザとを干渉させた際に発生する第１のビート周波数を測定する第１の周波数カウンタと、前記周波数安定化レーザと測定対象レーザとの間で発生する第２のビート周波数を測定する第２の周波数カウンタと、前記第１及び第２のビート周波数に基づき前記測定対象レーザの周波数を算出する演算部とを備え、周波数測定の際の平均化時間に応じて、前記第２のビート周波数または前記第１及び第２のビート周波数を用いて、前記測定対象レーザの周波数を測定することにより、前記課題を解決するものである。

【0018】

ここで、周波数測定の際の前記平均化時間に関して、所定の平均化時間の領域においては、前記第２のビート周波数のみを用いて、前記測定対象レーザの周波数を測定することができる。

【0019】

又、前記所定の平均化時間の領域は、前記周波数安定化レーザの安定度が前記光周波数コムの安定度よりも高い平均化時間領域とすることができる。

【0020】

又、前記所定の平均化時間の領域は、前記周波数安定化レーザによる測定の不確かさが前記光周波数コムの不確かさよりも小さい平均化時間領域とすることができる。

【0021】

又、前記所定の平均化時間の領域は、前記第２のビート周波数のばらつきが、前記第１のビート周波数と前記第２のビート周波数を加算または減算した値のばらつきよりも小さい領域とすることができる。

【0022】

又、前記所定の平均化時間の領域は、前記第２のビート周波数のばらつきと前記周波数安定化レーザの発振周波数の偏りを加味した不確かさが、前記第１のビート周波数と前記第２のビート周波数を加算または減算した値のばらつきと前記光周波数コムの発振周波数の偏りを加味した不確かさよりも小さい領域とすることができる。

【0023】

本発明は、又、光周波数コムと、周波数安定化レーザと、前記光周波数コムと前記周波数安定化レーザとを干渉させた際に発生する第１のビート周波数を測定する第１の周波数カウンタと、前記周波数安定化レーザと測定対象レーザとの間で発生する第２のビート周波数を測定する第２の周波数カウンタと、前記光周波数コムと前記測定対象レーザとを干渉させた際に発生する第３のビート周波数を測定する第３の周波数カウンタとを備え、前記光周波数コムと前記周波数安定化レーザとを干渉させた際に発生する前記第１のビート周波数及び前記周波数安定化レーザと測定対象レーザとの間で発生する前記第２のビート周波数に加えて、前記光周波数コムと前記測定対象レーザとを干渉させた際に発生する前記第３のビート周波数を測定することで、周波数変動の違いを判断することができるようにしたものである。

【発明の効果】

【0024】

レーザの周波数評価では、目的に応じてさまざまな平均化時間での周波数測定が求められるが、本発明によれば、各平均化時間（測定時間）に対して、より高い精度（小さい不確かさ）で周波数を測定することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】光周波数コムと測定対象レーザの周波数スペクトルを模式的に示す図

【図2】本発明に係るレーザ周波数測定装置の第１実施形態の構成を示す図

【図3】光周波数コムと周波数安定化レーザの安定度の模式図

【図4】安定度評価方法の例を示す図

【図5】測定の不確かさの概要を示す図

【図6】基準周波数と周波数安定化レーザの不確かさの大小関係の説明図

【図7】光周波数コムと周波数安定化レーザの不確かさの模式図

【図8】周波数安定化レーザの発振周波数の偏りを測定する方法の例を示す図

【図9】シミュレーション上想定した周波数変動の一例を示す図

【図10】図９の場合のシミュレーション結果の例を示す図

【図11】シミュレーション上想定した周波数変動の他の例を示す図

【図12】図１１の場合のシミュレーション結果の例を示す図

【図13】シミュレーション上想定した周波数変動の更に他の例を示す図

【図14】図１３の場合のシミュレーション結果の例を示す図

【図15】本発明に係るレーザ周波数測定装置の第２実施形態の構成を示す図

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態及び実施例に記載した内容により限定されるものではない。又、以下に記載した実施形態及び実施例における構成要件には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態及び実施例で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。

【0027】

図２に、本発明に係るレーザ周波数測定装置の第１実施形態の模式図を示す。基本構成は、周波数ν_Combの出力光を発する光周波数コム２０と、周波数ν_Laserの出力光を発する周波数安定化レーザ３０と、光周波数コム２０の出力光ν_Combと周波数安定化レーザ３０の出力光ν_Laserとを干渉させた際に発生する第１のビート周波数ｆ_LCを測定する第１の周波数カウンタ４１と、周波数安定化レーザ３０の出力光ν_Laserと測定対象レーザ１０の出力光ν_DUTとの間で発生する第２のビート周波数ｆ_DLを測定する第２の周波数カウンタ４２と、ビート周波数測定部４０の各周波数カウンタ４１、４２による測定に基づき測定対象レーザ１０の周波数ν_DUTを算出する演算部５０のコンピュータ（ＰＣ）５１からなる。

【0028】

図において、１１は、測定対象レーザ１０の出力光を反射する反射ミラー、３１は、周波数安定化レーザ３０の出力光を透過しつつ反射するビームスプリッタ（例えばハーフミラー）、２１は、ビームスプリッタ３１で反射された光を光周波数コム２０の出力光と合成するビームスプリッタ（例えばハーフミラー）、３２は、反射ミラー１１で反射された光を周波数安定化レーザ３０の出力光と合成するビームスプリッタ（例えばハーフミラー）、２４は、ビームスプリッタ２１で合成された光の強度を検出する第１のフォトディテクタ、３４は、ビームスプリッタ３２で合成された光の強度を検出する第２のフォトディテクタである。

【0029】

本発明では、周波数測定における平均化時間Ｔ_Gateが所定の時間領域Ｔ_Rangeの場合には、測定対象レーザ１０と周波数安定化レーザ３０の第２のビート周波数ｆ_DLの測定結果を用いて測定対象レーザ１０の周波数ν_DUTを算出する。これにより光周波数コム２０の安定度が低い平均化時間領域でも、光周波数コム２０の精度よりも高い精度でレーザ周波数ν_DUTを測定できる。一方、平均化時間Ｔ_Gateが所定の時間領域Ｔ_Range以外の場合には、第２のビート周波数ｆ_DLと第１のビート周波数ｆ_LCを同時に測定し、両測定値の和または差を取る。これにより、周波数安定化レーザ３０の周波数変動が相殺され、光周波数コム２０に対する測定対象レーザ１０の周波数ν_DUTが測定できる。

【0030】

ここで、所定の時間領域Ｔ_Rangeの決め方の例を図３に示す。予め光周波数コム２０の安定度σ_Combと周波数安定化レーザ３０の安定度σ_Laserを各々測定して、周波数安定化レーザ３０の安定度σ_Laserが高い（値が小さい）領域をＴ_Rangeとする。

【0031】

σ_Combとσ_Laserをそれぞれ測定する方法として、一般的には２台の同じ装置を使った相対安定度測定が用いられるが、その方法を図４を参照して簡単に説明する。相対比較のために用意した２台の評価対象物それぞれの周波数ν₁とν₂とその揺らぎをδｆ₁とδｆ₂とする。２台の評価対象物の周波数信号を比較装置６０に入力し偏差を計測する。比較装置６０における一般的な方法は、レーザのような光周波数領域では、２台のレーザを干渉させて発生するビート周波数を測定する。一方、基準周波数発振器のようなマイクロ波の周波数領域の場合には、２つの基準周波数のそれぞれの電気信号の位相差を電気的に比較する仕組みであることが多い。２台の評価対象物の周波数差Δｆと周波数ν₁とν₂の関係は次のように示される。
Δｆ＝ν₁ − ν₂ …（３）

【0032】

２台の評価対象物が独立な装置であるため揺らぎに相関がないと考えると、Δｆの揺らぎδｆの２乗平均はδｆ₁とδｆ₂の２乗平均の和となる。

【数1】

【0033】

２台の評価対象物が同様に製作された同じ品質の装置であるとすれば、次式のようになると考えても差し支えない。

【数2】

【0034】

したがって、式（４）は式（５）に変形できるため、比較装置６０によって得られる測定結果から対象物の周波数変動（安定度）を評価することができる。

【数3】

【0035】

次に、所定の時間領域Ｔ_Rangeの別の決定方法を示す。測定の不確かさは安定度（ばらつき）と偏り（真値に対するオフセット）によって決定される。その様子を横軸が周波数で縦軸が頻度を表す確立密度分布という形で表したものを図５に示す。安定度は、中心値や平均値といった代表値からのばらつきの幅を数値化したものである。一方、偏りの方は、代表値が真値からどれだけずれているかを表す。不確かさは、測定値が真値からどれだけ離れている恐れがあるかを表すものであるため、安定度（ばらつき）や偏りといった要因を組み合わせて見積もられる。ここでは、不確かさが安定度と偏りの単純加算で表現される場合を例に基準周波数と周波数安定化レーザ３０の平均化時間Ｔ_Gateに対する不確かさの関係を説明する。

【0036】

平均化時間Ｔ_Gateが短い時は、図６（ａ）に例示する如く、基準周波数の安定度は低い（ばらつきが大きい）ため、発振周波数に偏りがあったとしても安定度の高い（ばらつきが小さい）周波数安定化レーザ３０の不確かさＵ_Laserの方が基準周波数の不確かさ、すなわち光周波数コム２０の不確かさＵ_Combよりも小さくなる。これに対して、平均化時間Ｔ_Gateが長くなると、図６（ｂ）に例示する如く、基準周波数の安定度が高くなるために、不確かさＵ_Combは偏りを持つ不確かさＵ_Laserよりも小さくなる。

【0037】

そこで、周波数安定化レーザ３０の周波数の安定度だけではなく偏り分も加味した不確かさを算出する。そして、図７に示すように、基準周波数発振器すなわち光周波数コム２０の不確かさに対して周波数安定化レーザ３０の不確かさが小さくなる平均化時間領域をＴ_Rangeとして、周波数安定化レーザ３０を使って測定対象レーザ１０の周波数を測定する。

【0038】

なお、周波数安定化レーザ３０の不確かさを算出するために発振周波数の偏りを測定する方法として光周波数コム２０を使用しても良い。図８に示した測定系で得られる光周波数コム２０とのビート周波数ｆ_LCの測定結果を式（２）のｆ_Bに代入することでν_DUTとして周波数安定化レーザ３０の絶対周波数ν_Laserを測定することができる。これにより周波数の代表値の偏り分を光周波数コム２０の不確かさまで小さくすることができる。光周波数コム２０による測定の不確かさは平均化時間に依存するために、周波数安定化レーザ３０の絶対周波数ν_Laserを校正（偏りを測定）する場合には、十分に長い時間をかけて校正する。そうすれば、その分だけ周波数の偏りが少ない不確かさの小さなレーザとして利用できるため、より効果的になる。その際、光周波数コム２０は図８に示したように、本発明において提案するレーザ周波数測定装置内のものを利用したとしても、あるいは、校正用に別途光周波数コムを用意したとしても、測定の手間に違いがあれども効果に違いはないことは明らかである。

【0039】

前記第１実施形態では、予め光周波数コム２０および周波数安定化レーザ３０の周波数を測定しておき、平均化時間に応じて安定度が高い、または、不確かさが小さい方を選択して測定するというものであった。

【0040】

これに対して、次に説明する変形例のように、第１及び第２の周波数カウンタ４１、４２より得られるビート周波数測定結果を使って、どちらを使用するのかを選択しても良い。周波数安定化レーザ３０を使用する場合と光周波数コム２０を使用する場合の測定対象レーザ１０の周波数ν_DUTの算出式を、それぞれ式（７）と式（８）に示す。
ν_DUT ＝ ν_Laser＋ｆ_DL …（７）
ν_DUT ＝ ν_Comb＋ｆ_LC＋ｆ_DL …（８）

【0041】

式（７）の算出式では、第２の周波数カウンタ４２より得られる第２のビート周波数ｆ_DLのみを使用して、周波数安定化レーザ３０を基準として測定対象レーザ１０の周波数を測定する。これに対して、式（８）の算出式では、第２の周波数カウンタ４２で得られる第２のビート周波数ｆ_DLと第１の周波数カウンタ４１で得られる第１のビート周波数ｆ_LCの和（符号によっては差）を計算する。ｆ_LCとｆ_DLの両測定値の和（または差）をとることで周波数安定化レーザ３０の周波数は演算上相殺されるため、光周波数コム２０に対する測定対象レーザ１０の差周波数を測定していることになる。したがって、光周波数コム２０の絶対周波数を加算することで、光周波数コム２０を基準とした周波数測定が実施されることになる。

【0042】

以下、測定対象レーザ１０と光周波数コム２０と周波数安定化レーザ３０の周波数の変動量を設定し、その際に得られた測定値からｆ_LC＋ｆ_DLとｆ_DLをシミュレーションにより見積もった例を示す。

【0043】

図９は、横軸時間に対する周波数の変動の様子を表しており、（ａ）（ｂ）（ｃ）は順に、測定対象レーザ１０、光周波数コム２０、周波数安定化レーザ３０を表している。縦軸は（ａ）（ｂ）（ｃ）ともに同じ幅で相対的な変動幅の割合を表している。このような周波数変動を想定した場合に得られるビート周波数をシミュレーションした結果を図１０に示す。光周波数コム２０の周波数の変動が小さいため、同図中（ａ）に示したｆ_LC＋ｆ_DLにおいては測定対象レーザ１０のばらつきが良く反映されたデータとなっている。これに対して図１０（ｂ）のｆ_DLでは、周波数安定化レーザ３０の大きな周波数変動が影響して、測定対象レーザ１０の変動量よりもデータが大きくばらついた結果になっている。

【0044】

一方、図１１に示すように、光周波数コム２０の周波数変動が大きい場合には、ｆ_LC＋ｆ_DLの値はｆ_DLよりも大きくばらついている。そのため、この場合は、図１２に示すように、ｆ_DLを選択した方が測定対象レーザ１０の安定度をより正確に測定できていることになる。

【0045】

つまり、ｆ_LC＋ｆ_DLとｆ_DLを比較してばらつきが小さい方を選択して、式（７）または、式（８）に代入することにより、より測定対象レーザ１０の安定度に近い正確な測定ができることになる。

【0046】

ｆ_DLとｆ_LC＋ｆ_DLのどちらかを選ぶ際には、発振周波数の偏り分を加味した周波数安定化レーザ３０と光周波数コム２０の不確かさを見積もり、不確かさの大小関係を考慮して、式（７）と式（８）のいずれかを使って決定することでも、より高い精度で測定対象レーザ１０の周波数を測定することができる。例えば図１３では測定対象レーザ１０と光周波数コム２０と周波数安定化レーザ３０の周波数変動の例を縦軸が同じ範囲で任意の値で表現している。また同図中では、縦軸の中心であるゼロをそれぞれのレーザにおける理想的な値とし、周波数安定化レーザ３０の場合は周波数変動の中心がプラス方向にオフセットしている様子を同図（ｃ）で表している。周波数安定化レーザ３０の場合は、周波数変動が小さくても中心周波数にオフセットがあるため、図１４（ｂ）に示すようにｆ_DLの値は真値よりも周波数安定化レーザ３０の周波数オフセット分だけずれた結果となる。この場合、図１４の（ａ）と（ｂ）を見比べても分かるように、ｆ_LC＋ｆ_DLの測定値の方がｆ_DLの測定値よりも不確かさが小さいことになる。ビート周波数測定だけでは、周波数の変動の幅しか分からないため、図１３に示したような周波数の偏りを把握しておき、その量を加味したうえでｆ_DLとｆ_LC＋ｆ_DLのどちらを使用するかを判定する。これにより、不確かさの小さい周波数測定結果を得ることができる。

【0047】

この方法においては、予め、光周波数コム２０と周波数安定化レーザ３０のそれぞれの安定度を測定しておく必要がないため、使い勝手が良い。

【0048】

本発明に係るレーザ周波数測定装置は図１５に示す第２実施形態においても実現することができる。

【0049】

この第２実施形態は、第１実施形態のビームスプリッタ３２を省略して、測定対象レーザ１０の出力光をビームスプリッタ３１に入力する一方、第１のフォトディテクタ２４の出力側に分岐デバイス８０を設け、その出力をｆ_LC用フィルタ８１とｆ_DC用フィルタ８２により分けると共に、ビート周波数測定部４０にｆ_DC用フィルタ８２の出力を計数する第３の周波数カウンタ４３を設けたものである。この第２実施形態は、測定対象レーザ１０が十分なＳ／Ｎの干渉ビート信号を得るのに十分なパワーがあるときに用いることができる。

【0050】

この第２実施形態では、測定対象レーザ１０の出力光を２つに分岐して、光周波数コム２０の出力光とのビート周波数ｆ_DCと周波数安定化レーザ３０の出力光とのビート周波数ｆ_DLを測定する。

【0051】

この第２実施形態では、第１のフォトディテクタ２４より得られるビート信号には、光周波数コム２０と周波数安定化レーザ３０によるビート周波数ｆ_LCと光周波数コム２０と測定対象レーザ１０によるビート周波数ｆ_DCの両方が含まれる。そこで、分岐デバイス８０によって信号を２つに分けて、それぞれの信号線にフィルタ８１、８２を入れることによって、ｆ_LCとｆ_DCを取り出し、それぞれの周波数を周波数カウンタ４１、４３で測定する。

【0052】

この第２実施形態においては、光周波数コム２０と周波数安定化レーザ３０の各々で測定対象レーザ１０とのビート周波数を直接測定するために、簡単に周波数変動の違いを判断することができ、どちらを使用して測定対象レーザ１０の周波数を測定するかをより簡単に決定することができる。

【0053】

なお、第２実施形態においては、第１のフォトディテクタ２４より得られた信号を分岐デバイス８０により２つに分岐し、それぞれにフィルタ８１、８２と周波数カウンタ４１、４３を配置して測定する系を示したが、分岐デバイス８０を使用することなく、フィルタ８１、８２を切り替えて１台の周波数カウンタ（４１又は４３）でビート周波数を測定するという方法を用いても同等の効果が得られる。

【符号の説明】

【0054】

１０…測定対象レーザ
２０…光周波数コム
２４、３４…フォトディテクタ
３０…周波数安定化レーザ
４０…ビート周波数測定部
４１、４２、４３…周波数カウンタ
５０…演算部
５１…コンピュータ（ＰＣ）
６０…比較装置
８０…分岐デバイス
８１、８２…フィルタ
ｆ_LC、ｆ_DL、ｆ_DC…ビート周波数

【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】

【図15】