レーザ装置
【課題】少なくともモード周波数とオフセット周波数のいずれかを可変とすることで、光出力される光周波数コムの周波数を連続的かつ動的に可変制御可能とする。
【解決手段】周波数軸上で櫛状に並んだ複数のスペクトル成分を発生させる第１、第２光周波数コム発生器１０２、１０６を有するレーザ装置１００において、第１光周波数コム発生器１０２は、周波数基準に基づき基準となる光出力を行い、第２光周波数コム発生器１０６は、複数のスペクトル成分のスペクトル間隔を示すモード周波数ｆｖｍと複数のスペクトル成分の並びを周波数ゼロ点まで延長したときのゼロ点との間に生じるオフセット周波数ｆｖｃｅｏとが変更可能とされるとともに第１光周波数コム発生器１０２の光出力に基づき安定化された自身の光出力を、レーザ装置１００の光出力として出力する。
【解決手段】周波数軸上で櫛状に並んだ複数のスペクトル成分を発生させる第１、第２光周波数コム発生器１０２、１０６を有するレーザ装置１００において、第１光周波数コム発生器１０２は、周波数基準に基づき基準となる光出力を行い、第２光周波数コム発生器１０６は、複数のスペクトル成分のスペクトル間隔を示すモード周波数ｆｖｍと複数のスペクトル成分の並びを周波数ゼロ点まで延長したときのゼロ点との間に生じるオフセット周波数ｆｖｃｅｏとが変更可能とされるとともに第１光周波数コム発生器１０２の光出力に基づき安定化された自身の光出力を、レーザ装置１００の光出力として出力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ装置に係り、少なくともモード周波数とオフセット周波数のいずれかを可変とすることで、光出力される光周波数コムの周波数を連続的かつ動的に可変制御可能なレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、周波数軸上で櫛状に並んだ複数のスペクトル成分（光周波数コム）を発生させる光周波数コム発生器を有するレーザ装置が存在する。光周波数コムは、光の物差しと呼ばれ、周波数軸上で櫛状に並んだ複数のスペクトル成分のスペクトル間隔を示すモード周波数と当該複数のスペクトル成分の並びを周波数ゼロ点まで延長したときのゼロ点との間に生じるオフセット周波数とを一度キャリブレーションすれば、それを以って被測定光に対する周波数の基準器とすることができる。このため、光周波数コムを光の物差しとして使用するための様々な構成が提案されている。
【０００３】
例えば特許文献１では、第１光周波数コム発生器と第２光周波数コム発生器とを直列に接続し、第１光周波数コム発生器の出力を更に第２光周波数コム発生器で変調している。このような構成により、第１光周波数コム発生器の後段の第２光周波数コム発生器から光出力される光周波数コムの発生範囲を広くしながら、そのモード周波数を小さくすることが可能とされている。このため、特許文献１では、例えば被測定光の高精度な周波数測定のために光出力される光周波数コムと被測定光とによるビート信号の周波数を低くすることが可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２９３２４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１では、第２光周波数コム発生器から光出力される光周波数コムのモード周波数を小さくできても、周波数軸上での各モードの位置を連続的に変化させることができない。このため、例えば被測定光の高精度な周波数測定をする場合に、第２光周波数コム発生器から光出力される光周波数コムと被測定光とによるビート信号の周波数を低くすることが十分にはできないおそれが残る。
【０００６】
本発明は、前記問題点を解消するべくなされたもので、少なくともモード周波数とオフセット周波数のいずれかを可変とすることで、光出力される光周波数コムの周波数を連続的かつ動的に可変制御可能なレーザ装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願の請求項１に係る発明は、周波数軸上で櫛状に並んだ複数のスペクトル成分を発生させる第１、第２光周波数コム発生器を有するレーザ装置において、前記第１光周波数コム発生器が周波数基準に基づき基準となる光出力を行い、前記第２光周波数コム発生器が少なくとも前記複数のスペクトル成分のスペクトル間隔を示すモード周波数と該複数のスペクトル成分の並びを周波数ゼロ点まで延長したときのゼロ点との間に生じるオフセット周波数のいずれかが変更可能とされるとともに前記第１光周波数コム発生器の光出力に基づき安定化された自身の光出力を、当該レーザ装置の光出力として出力したことにより、前記課題を解決したものである。
【０００８】
本願の請求項２に係る発明は、前記周波数基準に原子時計を用いるようにしたものである。
【０００９】
本願の請求項３に係る発明は、前記第１光周波数コム発生器の光出力と前記第２光周波数コム発生器の光出力とが混合され光ヘテロダインにより生じるビートを検出する第１光電変換器と、該第１光電変換器から出力されるビート信号の周波数が一定値となるように前記第２光周波数コム発生器を制御する第１処理制御部と、を備え、該第１処理制御部により前記第２光周波数コム発生器の光出力を安定化させたものである。
【００１０】
本願の請求項４に係る発明は、前記第１処理制御部が前記ビート信号の周波数を計測するカウンタを備え、該カウンタの周波数基準を原子時計の出力信号に同期させたものである。
【００１１】
本願の請求項５に係る発明は、前記原子時計を協定世界時により校正するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、少なくともモード周波数とオフセット周波数のいずれかを可変とすることで、光出力される光周波数コムの周波数が連続的かつ動的に可変制御可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係るレーザ装置の概略的な構成を示す模式図
【図２】図１に示したレーザ装置を具体的に示す模式図
【図３】第１、第２光周波数コム発生器で発生する第１、第２光周波数コムを示す模式図（Ａ）、（Ｂ）
【図４】図２で示したレーザ装置を適用した光周波数測定装置を示す模式図
【図５】図４で示した光周波数測定装置における第１、第２光周波数コムと被測定光との関係を示す模式図
【図６】本発明の第２実施形態に係る第２光周波数コムを示す模式図
【図７】図６で示した第２光周波数コムを用いた際の第１光周波数コムと被測定光との関係を示す模式図
【図８】本発明の第３実施形態に係る第２光周波数コムを示す模式図
【図９】図８で示した第２光周波数コムを用いた際の第１光周波数コムと被測定光との関係を示す模式図
【図１０】図２で示したレーザ装置を適用した別の光周波数測定装置を示す模式図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施形態の一例について詳細に説明する。
【００１５】
本発明の第１実施形態に係るレーザ装置について図１〜図３を用いて以下に説明する。
【００１６】
なお、図１は本発明の第１実施形態に係るレーザ装置の概略的な構成を示す模式図、図２は図１に示したレーザ装置を具体的に示す模式図、図３は第１、第２光周波数コム発生器で発生する第１、第２光周波数コムを示す模式図（Ａ）、（Ｂ）、を示す。
【００１７】
図１、図２に示す如く、本実施形態のレーザ装置１００は、概略的には、第１、第２光周波数コム発生器１０２、１０６と、ビームコンバイナ（ＢＣ）１０８と、ビームスプリッタ（ＢＳ）１１０と、第１光電変換器１１２と、第１処理制御部１１４と、を備える。
【００１８】
前記第１、第２光周波数コム発生器１０２、１０６はそれぞれ、時間軸上においては、超短光パルスを一定の時間間隔で発生させる。その隣接する光パルス間における光電界振動位相のずれる量はキャリアエンベロープ位相オフセット（ＣＥＯ）と呼ばれている。また、周波数軸上においては、第１、第２光周波数コム発生器１０２、１０６はそれぞれ、図３（Ａ）、（Ｂ）に示す如く、１オクターブに亘り櫛状に等間隔に並んだ複数のスペクトル成分（モード）を発生させる。なお、図３（Ａ）、（Ｂ）で、縦軸が信号強度Ｉで横軸が周波数ｆで示される。これらはそれぞれ、第１、第２光周波数コムと称される。図３（Ａ）、（Ｂ）に示す如く、それらのスペクトル成分のスペクトル間隔（モード周波数ｆｓｍ、ｆｖｍ）のままその並びを周波数ゼロ点まで延長したときにゼロ点との間でオフセット周波数ｆｓｃｅｏ、ｆｖｃｅｏが求められる。オフセット周波数ｆｓｃｅｏ、ｆｖｃｅｏはそれぞれ、キャリア・エンベロープ・オフセット周波数ｆｓｃｅｏ、ｆｖｃｅｏと称され、これが周波数領域でのキャリアエンベロープ位相（ＣＥＰ）に相当する。なお、第１、第２光周波数コムの各スペクトル成分（各モード）の周波数軸上の位置は、モード周波数ｆｓｍ、ｆｖｍをそれぞれΔｆだけ変化させ、その変化前後に基準となるレーザ光との間で生じるビートの周波数差を用いることで特定することができる（基準となるレーザ光は本実施形態では図示しないが、第１、第２光周波数コム発生器１０２、１０６に予め設けてもよいし、適宜外部から導入してもよい）。
【００１９】
第１光周波数コム発生器１０２は、図１、図２に示す如く、周波数基準に基づき（第２光周波数コム発生器１０６に対して）基準となる光出力を行う。即ち、第１光周波数コム発生器１０２には周波数の可変性を持たせる必要がなく高精度化されており、モード周波数ｆｓｍとオフセット周波数ｆｓｃｅｏとが固定されている。第１光周波数コム発生器１０２には、例えばモードロック（同期）レーザ（光ファイバにエルビウムをドープしたエルビウム添加光ファイバ増幅器）と帯域拡大ファイバ（高非線形ファイバ）の構成によるものなどを使用することができる。なお、第１光周波数コム発生器１０２の周波数基準には原子時計１０４が用いられている。言い換えるならば、第１光周波数コム発生器１０２の周波数基準は原子時計１０４の出力信号に同期している。
【００２０】
原子時計１０４は、図２に示す如く、例えばセシウム（１３３ＣＳ）などの特定の原子や分子のスペクトルにおける吸収線あるいは輝線を用いた時計であり、周波数基準となる周波数を出力する。原子時計１０４は、国際原子時（ＴＡＩ）に同期している協定世界時（ＵＴＣ）により校正されている。このため、原子時計１０４は、単体の原子時計の精度（１＊１０−１２〜１＊１０−１３）に比べて、極めて高精度（１＊１０−１５レベル）とされている。原子時計１０４としては、より精度の高い（１＊１０−１５〜１＊１０−１８）光格子時計などを用いてもよい。なお、協定世界時（ＵＴＣ）とは、世界各国の原子時計約３００台の相互比較結果ならびに数機関の一次周波数標準器の評価結果を元に計算される国際原子時（ＴＡＩ）に対してうるう秒調節を実施して、世界時（ＵＴ１、地球の自転の観測から決められる）との差が０．９秒以内に維持されている時系である（出典；産総研 光周波数コム 2009年7月16日発表 「長さの国家標準」が新方式に −光周波数コム装置を利用し「波長」を高精度化−）。このため、第１光周波数コム発生器１０２は、協定世界時（ＵＴＣ）により校正された原子時計１０４と同じ精度とされ、極めて正確である。
【００２１】
第２光周波数コム発生器１０６は、図１、図２に示す如く、モード周波数設定機能とオフセット周波数設定機能とを備え、モード周波数ｆｖｍとオフセット周波数ｆｖｃｅｏとが変更可能とされている。そして、第２光周波数コム発生器１０６は、第１光周波数コム発生器１０２の光出力に基づき安定化された光出力を行う。即ち、第２光周波数コム発生器１０６は単体での精度・安定性を過剰に要求するものではなく、それらを第１光周波数コム発生器１０２に依存するという思想に基づいている。第２光周波数コム発生器１０６には、例えば安定化レーザ光源とそのレーザ光を入射する共振器の中にＥＯＭなどの変調器を組み込んだものなどを使用することができる。
【００２２】
前記ビームスプリッタ１１０は、図１、図２に示す如く、第２光周波数コム発生器１０６の出力光（第２光周波数コム）を透過した光と反射した光の２つに分岐する。ビームスプリッタ１１０を透過した光は、レーザ装置１００の出力光として外部に導かれる。即ち、第２光周波数コム発生器１０６の光出力は、レーザ装置１００の光出力として出力される（必要に応じて、第１光周波数コム発生器１０２の光出力もレーザ装置１００の光出力として出力してもよい）。一方、ビームスプリッタ１１０で反射した光は、ビームコンバイナ１０８に向かう。
【００２３】
前記ビームコンバイナ１０８は、図１、図２に示す如く、ビームスプリッタ１１０で反射分岐された第２光周波数コムと第１光周波数コム発生器１０２で発生した第１光周波数コムとを重ね合わせる（混合する）。すると、光ヘテロダインにより、第２光周波数コムと第１光周波数コムとでビートが生じる。ビートは第１光電変換器１１２に入射する。なお、混合されるのは第１、第２光周波数コムなので多くのビートが生じることとなる。
【００２４】
前記第１光電変換器１１２は、図１、図２に示す如く、ビートを電気信号（ビート信号）に変換する。即ち、第１光電変換器１１２は、第１光周波数コム発生器１０２の光出力と第２光周波数コム発生器１０６の光出力とが混合され光ヘテロダインにより生じるビートを検出することとなる。ここで、第１光電変換器１１２の感度は、（一般の光電変換器と同様に）ビートが低周波であるほど高感度とされている。このため、第１光電変換器１１２では、多くのビートのうちで最も低い周波数のビート（周波数ｆＢｍｉｎ（主に後述される図５を参照））を相応の信号強度で検出することができる（なお、周波数ｆＢｍｉｎ自体は、周波数軸上では周波数０Ｈｚから周波数ｆＢｍｉｎの位置で観測される）。即ち、図５からも明らかなように、検出されるビート（周波数ｆＢｍｉｎやそれに近い周波数）がモード周波数ｆｖｍの半分よりもはるかに低い周波数となる。このため、逆に言うならば、第１光電変換器１１２としては（高速動作が不要な）感度帯域が低周波領域に限られた周波数帯域の狭いものを使用することができる。
【００２５】
前記第１処理制御部１１４は、図２に示す如く、信号変換部１１６と信号処理部１１８と制御部１２０とを備える。信号変換部１１６は、例えば第１光電変換器１１２から出力されるビート信号（周波数ｆＢｍｉｎ）からノイズを除去・増幅し出力する。信号処理部１１８は、例えば図示せぬカウンタを備えている。なお、カウンタの周波数基準にも原子時計１０４が用いられている。つまり、カウンタの周波数基準が原子時計１０４の出力信号に同期している。信号処理部１１８は、信号変換部１１６からの出力信号（ビート信号）の周波数ｆＢｍｉｎをカウンタで計測し、その計数値を出力する。制御部１２０は、例えば信号処理部１１８から出力された計数値に基づき、当該計数値が一定となるように第２光周波数コム発生器１０６を電気的・機械的にフィードバック制御する。そして、制御部１２０は、第２光周波数コム発生器１０６の出力光を安定化させる。なお、第１光周波数コム発生器１０２の周波数基準は、原子時計１０４の出力信号に同期している。同時にカウンタの周波数基準も原子時計１０４の出力信号に同期している。このため、第２光周波数コム発生器１０６の出力光（の周波数）が第１光周波数コムに従い安定化（ロック）された時点で、ビート信号のカウンタでの計測値（計測結果）が原子時計１０４の出力信号に同期している状態となる。
【００２６】
即ち、第１処理制御部１１４は、第１光電変換器１１２から出力されるビート信号の周波数ｆＢｍｉｎが一定値となるように第２光周波数コム発生器１０６を制御する。そして、第１処理制御部１１４により第２光周波数コム発生器１０６の光出力が安定化されている。
【００２７】
このように、本実施形態においては、第１、第２光周波数コム発生器１０２、１０６を有する。しかし、本実施形態においては、これらを相互に合成させたり、干渉させたり、或いは変調させるようにしたものではなく、第１光周波数コム発生器１０２を基準にして、第２光周波数コム発生器１０６の光出力を安定化させている。このため、第２光周波数コムを第１光周波数コムと同程度に高精度化し且つ高安定化することができる。しかも、第２光周波数コム発生器１０６は、モード周波数ｆｖｍとオフセット周波数ｆｖｃｅｏとをそれぞれ設定できることから、レーザ装置１００はその光出力である第２光周波数コムの周波数を連続的且つ動的に可変制御することが可能である。即ち、本実施形態においては、第２光周波数コムの各モードの位置を周波数軸上で連続的に変えることができる。つまり、本実施形態は、従来技術のようなモード周波数とオフセット周波数とを固定的に決めて使用するという思想に基づくレーザ装置（光周波数コム発生器）を、モード周波数ｆｖｍとオフセット周波数ｆｖｃｅｏとを設定可能（可変）にすることで連続的且つ動的に周波数を可変制御可能なレーザ装置（可変周波数光周波数コム発生器）に革新した（進歩させた）ものといえる。
【００２８】
同時に、通常のレーザ光だと波長で数十ｎｍ程度まで周波数を変化させるとスペクトル線幅の劣化が大きいのに比べ、本実施形態においては、周波数が連続的に変化してもスペクトル線幅の劣化を招くこともない。
【００２９】
また、本実施形態においては、第１光周波数コムと第２光周波数コムとが混合され光ヘテロダインにより生じるビートを検出する第１光電変換器１１２と、第１光電変換器１１２から出力されるビート信号の周波数ｆＢｍｉｎが一定値となるように第２光周波数コム発生器１０６を制御する第１処理制御部１１４と、を備え、第１処理制御部１１４により第２光周波数コム発生器１０６の光出力が安定化される。このため、第２光周波数コム発生器１０６の光出力の安定化を簡易的な構成でありながら容易に且つ第１光周波数コム発生器１０２と同程度の精度で行うことができる。
【００３０】
また、本実施形態においては、第１光周波数コム発生器１０２の周波数基準には原子時計１０４が用いられ、且つ信号処理部１１８のカウンタの周波数基準は原子時計１０４の出力信号に同期し、更に原子時計１０４は協定世界時により校正されている。このため、単体の原子時計の精度に比べても、本実施形態の原子時計では更に高精度で、安定した周波数とすることができる。つまり、第１光周波数コム発生器１０２からの光出力も極めて高精度であり、且つビート信号は高精度に計測することができる。即ち、第２光周波数コム発生器１０６の光出力も極めて高精度にすることができる。
【００３１】
また、本実施形態においては、モード周波数ｆｖｍとオフセット周波数ｆｖｃｅｏとをそれぞれ変更できることから、第１光電変換器１１２から出力されるビート信号の周波数ｆＢｍｉｎを低く抑えることができる。即ち、第１光電変換器１１２のビートに対する周波数感度帯域は、通常であればモード周波数ｆｖｍの少なくとも半分を必要とするのに対し、本実施形態においては、モード周波数ｆｖｍの半分さえ必要としない。このため、第１光電変換器１１２は低域の周波数に存在するビートに対して感度を備えるだけでよいので高速動作が必要とならない。つまり、第１光電変換器１１２を低コストに抑えることができる。
【００３２】
即ち、本実施形態においては、モード周波数とオフセット周波数とを可変とすることで、第２光周波数コム発生器１０６から光出力される第２光周波数コムの周波数を連続的かつ動的に可変制御可能となる。
【００３３】
なお、本実施形態のレーザ装置１００で光周波数測定装置１３０を構成した場合の一例について図４を用いて説明する。
【００３４】
光周波数測定装置１３０は、前述したレーザ装置１００に加え、図４に示す如く、ビームコンバイナ１３２と第２光電変換器１３４と第２処理制御部１３５とを備える。
【００３５】
前記ビームコンバイナ１３２は、図４に示す如く、第２光周波数コム発生器１０６の出力光（第２光周波数コム）と被測定レーザ光源ＯＪからの被測定光（周波数ｆｓｕｂ）とを混合する。すると、光ヘテロダインにより、第２光周波数コムと被測定光（周波数ｆｓｕｂ）とでビート（周波数ｆＢｓｕｂ）が生じる（図５）。ビート（周波数ｆＢｓｕｂ）は第２光電変換器１３４に入射する。
【００３６】
前記第２光電変換器１３４は、図４に示す如く、ビートを電気信号（ビート信号）に変換する。即ち、第２光電変換器１３４は、被測定光（周波数ｆｓｕｂ）と第２光周波数コム発生器１０６の光出力とが混合され光ヘテロダインにより生じるビートを検出することとなる。
【００３７】
前記第２処理制御部１３５は、図４に示す如く、信号解析部１３６と自動調整値解析部１３８とｆｖｍ設定演算部１４０とｆｖｃｅｏ設定演算部１４２とｆｖｍ制御部１４４とｆｖｃｅｏ制御部１４６とを備える。
【００３８】
信号解析部１３６は、図４に示す如く、第２光電変換器１３４から出力されるビート信号（周波数ｆＢｓｕｂ）をノイズ除去・増幅し、図示せぬカウンタで計数値を求める（このカウンタに対しても原子時計１０４を用いてもよい）。そして、信号解析部１３６では、その計数値からビート信号の周波数ｆＢｓｕｂが求められる。そして、被測定光（周波数ｆｓｕｂ）と混合された第２光周波数コムのモードの周波数軸上の位置に基づき、被測定光の周波数ｆｓｕｂが求められる。
【００３９】
自動調整値解析部１３８は、図４に示す如く、信号解析部１３６で求められた被測定光の周波数ｆｓｕｂに対して最適なビート信号（周波数ｆＢｓｕｂ）が第２光電変換器１３４で得られるような第２光周波数コムを定める。即ち、自動調整値解析部１３８は、最適なビート信号（周波数ｆＢｓｕｂ）が得られるように、被測定光（周波数ｆｓｕｂ）と混合される第２光周波数コムのモードの周波数軸上の位置を自動的に決定する。なお、ここでの最適なビート信号（周波数ｆＢｓｕｂ）は、新たに定められるものであり、信号解析部１３６に入力するビート信号（周波数ｆＢｓｕｂ）とは基本的に異なってくる。また、最適なビート信号とは、第２光電変換器１３４から出力される信号として強度が強く、且つＳ／Ｎ比が高いものを指し、具体的にはその周波数ｆＢｓｕｂが可能な限り低いものが望ましい。なお、周波数ｆＢｓｕｂがあまりに０Ｈｚに近づくと、短い計測時間では長周期の揺れが生じる。このため、第２光電変換器１３４では例えば、その増幅部に相応のハイパスフィルタや直流カット回路などを設けることで、ビート信号の周波数ｆＢｓｕｂがあまりに０Ｈｚに近くならないようにされている。
【００４０】
ｆｖｍ設定演算部１４０及びｆｖｃｅｏ設定演算部１４２はそれぞれ、図４に示す如く、自動調整値解析部１３８で求められた第２光周波数コムのモードの周波数軸上の位置からそれぞれ、モード周波数ｆｖｍとオフセット周波数ｆｖｃｅｏとを求める。この時、第１光周波数コムと第２光周波数コムとの間に生じるビート信号の周波数ｆＢｍｉｎが最適なビート信号となるように、ｆｖｍ設定演算部１４０とｆｖｃｅｏ設定演算部１４２との間で、モード周波数ｆｖｍとオフセット周波数ｆｖｃｅｏの調整が自動的に行われてもよい。なお、ここでの最適なビート信号とは、第１光電変換器１１２から出力される信号として強度が強く、且つＳ／Ｎ比が高いものを指し、具体的にはその周波数ｆＢｍｉｎが可能な限り低いものが望ましい。つまり、第１光電変換器１１２も第２光電変換器１３４と同様の構成であり、ビート信号の周波数ｆＢｍｉｎもあまりに０Ｈｚに近くならないようにされている。
【００４１】
ｆｖｍ制御部１４４及びｆｖｃｅｏ制御部１４６はそれぞれ、図４に示す如く、ｆｖｍ設定演算部１４０及びｆｖｃｅｏ設定演算部１４２で求められたモード周波数ｆｖｍとオフセット周波数ｆｖｃｅｏとを自動的に第２光周波数コム発生器１０６に設定する。
【００４２】
このように、第２処理制御部１３５が第２光周波数コムのモード周波数ｆｖｍとオフセット周波数ｆｖｃｅｏを自動的に調整することで、第２光周波数コム（のモード）と被測定光（のスペクトル）とによって最適なビート信号（周波数ｆＢｓｕｂ）が得られるようになる。しかし、これにより第２光周波数コムが（必ずではないが）変化させられるので、第１処理制御部１１４により、第１光周波数コムを基準に第２光周波数コムを安定化させるようにフィードバック制御を行う。
【００４３】
ここで、第１光周波数コムを基準に第２光周波数コムを安定化する制御を行うときには、第１光周波数コムのいずれかのモードを基準にする。その基準とした第１光周波数コムのモードに最も近い第２光周波数コムのモードとのビートを用いて安定化する制御を行なう。第１光周波数コムと第２光周波数コムとで生じるビートのうち、ビートの周波数が最低なもの、即ち最適なビート信号が得られるように、前回と同じとは限らずに選択される。つまり、今回の基準となる第１光周波数コムのモードは、基本的に前回基準となった第１光周波数コムのモードから変更される。そして、今回の基準となる第１光周波数コムのモードに最も近い第２光周波数コムのモードにより、最適なビート信号（周波数ｆＢｍｉｎ）が得られるようになる。なお、第１、第２光周波数コムではどのモードを基準にしてもその精度は全く等価とされている。これによって、第２光周波数コムのフィードバック制御が外れることなく、安定したフィードバック制御が続けられる。なお、第２光周波数コムのモードも、必ずしも前回と同じとは限らない（同じ場合もある。）。
【００４４】
したがって、光周波数測定装置１３０では、第１光周波数コムを基準に第２光周波数コムを安定化する制御を行いながら、同時に、第２光周波数コムと被測定光とのビート信号（周波数ｆＢｓｕｂ）が最適になる制御を行うことが可能である。
【００４５】
そして、被測定光が如何なる周波数であってもビート信号の周波数ｆＢｓｕｂを安定した一定の値（一定の周波数或いは一定の周波数で且つ低い周波数）とすることができ、周波数測定を容易且つ高精度に行うことができる。
【００４６】
また、光周波数測定装置１３０では、第２光電変換器１３４で検出されるビート信号の周波数ｆＢｓｕｂも低く抑えることができる。即ち、第２光電変換器１３４の周波数感度帯域は、通常であればモード周波数ｆｖｍの少なくとも半分を必要とするのに対し、ここでは、モード周波数ｆｖｍの半分さえ必要としない。このため、第２光電変換器１３４は低域の周波数に存在するビートに対して感度を備えるだけでよいので高速動作が必要とならない。即ち、第２光電変換器１３４も低コストに抑えることができる。
【００４７】
また、光周波数測定装置１３０では、第１光周波数コムをノギスの本尺に見立て、第２光周波数コムをノギスの副尺に見立てて、第１、第２光周波数コムのモードの数を互いにわずかに変えた場合には、被測定光の周波数ｆｓｕｂを極めて高精度に測定することができる。具体的に説明するならば、周波数軸上の同じ特定の周波数範囲において、第１、第２光周波数コムのモードの数を互いにわずかに変えた場合（例えば「わずかに変えた」の一例としては、第１光周波数コムのモードの数を６９９本とし、第２光周波数コムのモードの数を７００本とするなどである）であり、第１、第２光周波数コムがノギスのバーニヤ機能と同様に微細な周波数まで測定可能とすることができる。なお、特定の周波数範囲は、光周波数コムの端に位置するモードが含まれずに、確実にモードを認識できる最大の範囲とすることが望ましい。
【００４８】
本発明について第１実施形態を挙げて説明したが、本発明は第１実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の要旨を逸脱しない範囲においての改良並びに設計の変更が可能なことはいうまでもない。
【００４９】
第１実施形態においては、モード周波数ｆｖｍとオフセット周波数ｆｖｃｅｏとをそれぞれ変更可能としていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図６、図７で示す第２実施形態の如くであってもよい。なお、第２実施形態の概略構成は、第１実施形態においてオフセット周波数ｆｖｃｅｏをオフセット周波数ｆｓｃｅｏと同じく固定しただけなので、他の構成要素についての符号は第１実施形態で使用した符号を用いる。また、図７の周波数ｆｓｕｂ、ｆＢｓｕｂはそれぞれ、光周波数測定装置が図４の如く構成された際の被測定光の周波数、ビート信号の周波数を示している。
【００５０】
第２実施形態においては、オフセット周波数ｆｓｃｅｏとオフセット周波数ｆｖｃｅｏとが等しくされているが、第２光周波数コム発生器１０６のモード周波数ｆｖｍが第１光周波数コム発生器１０２のモード周波数ｆｓｍと異なる。このため、図７に示す如く、必ず低い周波数のビート（ｆＢｍｉｎなど）が生じて第１光電変換器１１２に検出されることから、第１光電変換器１１２の周波数感度帯域は、モード周波数ｆｖｍの半分を必要としない。即ち、第１実施形態に比べてオフセット周波数ｆｖｃｅｏの設定に関わる構成要素を省略できるとともに、第１光電変換器１１２を低コストに抑えることができる。
【００５１】
或いは、図８、図９で示す第３実施形態の如くであってもよい。なお、第３実施形態の概略構成は、第１実施形態においてモード周波数ｆｖｍをモード周波数ｆｓｍと同じく固定しただけなので、他の構成要素についての符号は第１実施形態で使用した符号を用いる。
【００５２】
第３実施形態においては、モード周波数ｆｓｍとモード周波数ｆｖｍとが等しくされているが、第２光周波数コム発生器１０６のオフセット周波数ｆｖｃｅｏと第１光周波数コム発生器１０２のオフセット周波数ｆｓｃｅｏとが異なる。このため、図９に示す如く、必ず低い周波数のビート（ｆＢｍｉｎなど）が生じて第１光電変換器１１２に検出されることから、第１光電変換器１１２の周波数感度帯域は、モード周波数ｆｖｍの半分を必要としない。即ち、第１実施形態に比べてモード周波数ｆｖｍの設定に関わる構成要素を省略できるとともに第１光電変換器１１２を低コストに抑えることができる。
【００５３】
また、上記実施形態においては、第１光周波数コムと第２光周波数コムとが混合され光ヘテロダインにより生じるビートを検出する第１光電変換器１１２と、第１光電変換器１１２から出力されるビート信号の周波数が一定値となるように第２光周波数コム発生器１０６を制御する第１処理制御部１１４と、を備え、第１処理制御部１１４により第２光周波数コムが安定化されていたが、本発明はこれに必ずしも限定されない。たとえば、モード周波数若しくはオフセット周波数が変更可能であることを条件に、第１光周波数コムを直接的に第２光周波数コム発生器に入力させて安定化するようにしてもよい。
【００５４】
また、上記実施形態においては、第１光周波数コム発生器１０２の周波数基準には原子時計１０４が用いられ、且つ信号処理部１１８のカウンタの周波数基準は原子時計１０４の出力信号に同期し、更に原子時計１０４は協定世界時により校正されていたが、本発明はこれに限定されない。たとえば、上記２つの周波数基準のうちのいずれかだけに原子時計を用いてもよいし、第１光周波数コム発生器の周波数基準に原子時計を用いない場合にはいずれにも原子時計を用いなくてもよい。また、原子時計は協定世界時により校正されていなくてもよい。
【００５５】
また、上記実施形態においては、第１光周波数コム発生器１０２に直接的に原子時計１０４が接続されることで高精度化がなされていたが、本発明はこれに限定されない。たとえば、原子時計を（ＧＰＳ衛星などの）レーザ装置の外部に設け、原子時計からの出力をレーザ装置に設けたＧＰＳ受信機を介して得るようにしてもよい。この場合には、原子時計を直接的にレーザ装置に設けないので、レーザ装置の小型化はもちろん、なによりも低コスト化が可能である。
【００５６】
また、上記実施形態においては、第１、第２光周波数コムの拡がる帯域は１オクターブ以上とされていたが、本発明はこれに限定されない。たとえば、光周波数コムの拡がる帯域は１オクターブより小さくてもよい。
【００５７】
また、上記実施形態においては、光周波数測定装置１３０が自動的に被測定光の周波数ｆｓｕｂを測定することが可能とされていたが、例えば図１０に示す別の光周波数測定装置２３０の如くであってもよい。
【００５８】
光周波数測定装置２３０においては、信号解析部２３６以降については、手動で行うとされている。このため、光周波数測定装置２３０においては、光周波数測定装置１３０よりも装置構成を簡略化でき、低コスト化を更に促進することができる。
【００５９】
なお、光周波数測定装置における被測定光は、特に光周波数（波長）基準、或いは干渉測定用の光源が対象であり、前述してきたように国際標準や国家標準に基づいて測定がなされている。即ち、被測定光は、いわば国家標準にトレーサブルに測定されている。このため、光周波数測定装置は光周波数校正装置と解することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明のレーザ装置は、高精度の光周波数コムの周波数を連続的且つ動的に可変制御可能なので、長さ原器などを構成することや、長さの基準として距離や直角度などの測長用の干渉計などに広く適用することが可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１００…レーザ装置
１０２、２０２…第１光周波数コム発生器
１０４、２０４…原子時計
１０６、２０６…第２光周波数コム発生器
１０８、１３２、２０８、２３２…ビームコンバイナ（ＢＣ）
１１０、２１０…ビームスプリッタ（ＢＳ）
１１２、２１２…第１光電変換器
１１４…第１処理制御部
１１６、２１６…信号変換部
１１８、２１８…信号処理部
１２０、２２０…制御部
１３０、２３０…光周波数測定装置
１３４、２３４…第２光電変換器
１３５…第２処理制御部
１３６、２３６…信号解析部
１３８…自動調整値解析部
１４０…ｆｖｍ設定演算部
１４２…ｆｖｃｅｏ設定演算部
１４４…ｆｖｍ制御部
１４６…ｆｖｃｅｏ制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ装置に係り、少なくともモード周波数とオフセット周波数のいずれかを可変とすることで、光出力される光周波数コムの周波数を連続的かつ動的に可変制御可能なレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、周波数軸上で櫛状に並んだ複数のスペクトル成分（光周波数コム）を発生させる光周波数コム発生器を有するレーザ装置が存在する。光周波数コムは、光の物差しと呼ばれ、周波数軸上で櫛状に並んだ複数のスペクトル成分のスペクトル間隔を示すモード周波数と当該複数のスペクトル成分の並びを周波数ゼロ点まで延長したときのゼロ点との間に生じるオフセット周波数とを一度キャリブレーションすれば、それを以って被測定光に対する周波数の基準器とすることができる。このため、光周波数コムを光の物差しとして使用するための様々な構成が提案されている。
【０００３】
例えば特許文献１では、第１光周波数コム発生器と第２光周波数コム発生器とを直列に接続し、第１光周波数コム発生器の出力を更に第２光周波数コム発生器で変調している。このような構成により、第１光周波数コム発生器の後段の第２光周波数コム発生器から光出力される光周波数コムの発生範囲を広くしながら、そのモード周波数を小さくすることが可能とされている。このため、特許文献１では、例えば被測定光の高精度な周波数測定のために光出力される光周波数コムと被測定光とによるビート信号の周波数を低くすることが可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２９３２４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１では、第２光周波数コム発生器から光出力される光周波数コムのモード周波数を小さくできても、周波数軸上での各モードの位置を連続的に変化させることができない。このため、例えば被測定光の高精度な周波数測定をする場合に、第２光周波数コム発生器から光出力される光周波数コムと被測定光とによるビート信号の周波数を低くすることが十分にはできないおそれが残る。
【０００６】
本発明は、前記問題点を解消するべくなされたもので、少なくともモード周波数とオフセット周波数のいずれかを可変とすることで、光出力される光周波数コムの周波数を連続的かつ動的に可変制御可能なレーザ装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願の請求項１に係る発明は、周波数軸上で櫛状に並んだ複数のスペクトル成分を発生させる第１、第２光周波数コム発生器を有するレーザ装置において、前記第１光周波数コム発生器が周波数基準に基づき基準となる光出力を行い、前記第２光周波数コム発生器が少なくとも前記複数のスペクトル成分のスペクトル間隔を示すモード周波数と該複数のスペクトル成分の並びを周波数ゼロ点まで延長したときのゼロ点との間に生じるオフセット周波数のいずれかが変更可能とされるとともに前記第１光周波数コム発生器の光出力に基づき安定化された自身の光出力を、当該レーザ装置の光出力として出力したことにより、前記課題を解決したものである。
【０００８】
本願の請求項２に係る発明は、前記周波数基準に原子時計を用いるようにしたものである。
【０００９】
本願の請求項３に係る発明は、前記第１光周波数コム発生器の光出力と前記第２光周波数コム発生器の光出力とが混合され光ヘテロダインにより生じるビートを検出する第１光電変換器と、該第１光電変換器から出力されるビート信号の周波数が一定値となるように前記第２光周波数コム発生器を制御する第１処理制御部と、を備え、該第１処理制御部により前記第２光周波数コム発生器の光出力を安定化させたものである。
【００１０】
本願の請求項４に係る発明は、前記第１処理制御部が前記ビート信号の周波数を計測するカウンタを備え、該カウンタの周波数基準を原子時計の出力信号に同期させたものである。
【００１１】
本願の請求項５に係る発明は、前記原子時計を協定世界時により校正するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、少なくともモード周波数とオフセット周波数のいずれかを可変とすることで、光出力される光周波数コムの周波数が連続的かつ動的に可変制御可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係るレーザ装置の概略的な構成を示す模式図
【図２】図１に示したレーザ装置を具体的に示す模式図
【図３】第１、第２光周波数コム発生器で発生する第１、第２光周波数コムを示す模式図（Ａ）、（Ｂ）
【図４】図２で示したレーザ装置を適用した光周波数測定装置を示す模式図
【図５】図４で示した光周波数測定装置における第１、第２光周波数コムと被測定光との関係を示す模式図
【図６】本発明の第２実施形態に係る第２光周波数コムを示す模式図
【図７】図６で示した第２光周波数コムを用いた際の第１光周波数コムと被測定光との関係を示す模式図
【図８】本発明の第３実施形態に係る第２光周波数コムを示す模式図
【図９】図８で示した第２光周波数コムを用いた際の第１光周波数コムと被測定光との関係を示す模式図
【図１０】図２で示したレーザ装置を適用した別の光周波数測定装置を示す模式図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施形態の一例について詳細に説明する。
【００１５】
本発明の第１実施形態に係るレーザ装置について図１〜図３を用いて以下に説明する。
【００１６】
なお、図１は本発明の第１実施形態に係るレーザ装置の概略的な構成を示す模式図、図２は図１に示したレーザ装置を具体的に示す模式図、図３は第１、第２光周波数コム発生器で発生する第１、第２光周波数コムを示す模式図（Ａ）、（Ｂ）、を示す。
【００１７】
図１、図２に示す如く、本実施形態のレーザ装置１００は、概略的には、第１、第２光周波数コム発生器１０２、１０６と、ビームコンバイナ（ＢＣ）１０８と、ビームスプリッタ（ＢＳ）１１０と、第１光電変換器１１２と、第１処理制御部１１４と、を備える。
【００１８】
前記第１、第２光周波数コム発生器１０２、１０６はそれぞれ、時間軸上においては、超短光パルスを一定の時間間隔で発生させる。その隣接する光パルス間における光電界振動位相のずれる量はキャリアエンベロープ位相オフセット（ＣＥＯ）と呼ばれている。また、周波数軸上においては、第１、第２光周波数コム発生器１０２、１０６はそれぞれ、図３（Ａ）、（Ｂ）に示す如く、１オクターブに亘り櫛状に等間隔に並んだ複数のスペクトル成分（モード）を発生させる。なお、図３（Ａ）、（Ｂ）で、縦軸が信号強度Ｉで横軸が周波数ｆで示される。これらはそれぞれ、第１、第２光周波数コムと称される。図３（Ａ）、（Ｂ）に示す如く、それらのスペクトル成分のスペクトル間隔（モード周波数ｆｓｍ、ｆｖｍ）のままその並びを周波数ゼロ点まで延長したときにゼロ点との間でオフセット周波数ｆｓｃｅｏ、ｆｖｃｅｏが求められる。オフセット周波数ｆｓｃｅｏ、ｆｖｃｅｏはそれぞれ、キャリア・エンベロープ・オフセット周波数ｆｓｃｅｏ、ｆｖｃｅｏと称され、これが周波数領域でのキャリアエンベロープ位相（ＣＥＰ）に相当する。なお、第１、第２光周波数コムの各スペクトル成分（各モード）の周波数軸上の位置は、モード周波数ｆｓｍ、ｆｖｍをそれぞれΔｆだけ変化させ、その変化前後に基準となるレーザ光との間で生じるビートの周波数差を用いることで特定することができる（基準となるレーザ光は本実施形態では図示しないが、第１、第２光周波数コム発生器１０２、１０６に予め設けてもよいし、適宜外部から導入してもよい）。
【００１９】
第１光周波数コム発生器１０２は、図１、図２に示す如く、周波数基準に基づき（第２光周波数コム発生器１０６に対して）基準となる光出力を行う。即ち、第１光周波数コム発生器１０２には周波数の可変性を持たせる必要がなく高精度化されており、モード周波数ｆｓｍとオフセット周波数ｆｓｃｅｏとが固定されている。第１光周波数コム発生器１０２には、例えばモードロック（同期）レーザ（光ファイバにエルビウムをドープしたエルビウム添加光ファイバ増幅器）と帯域拡大ファイバ（高非線形ファイバ）の構成によるものなどを使用することができる。なお、第１光周波数コム発生器１０２の周波数基準には原子時計１０４が用いられている。言い換えるならば、第１光周波数コム発生器１０２の周波数基準は原子時計１０４の出力信号に同期している。
【００２０】
原子時計１０４は、図２に示す如く、例えばセシウム（１３３ＣＳ）などの特定の原子や分子のスペクトルにおける吸収線あるいは輝線を用いた時計であり、周波数基準となる周波数を出力する。原子時計１０４は、国際原子時（ＴＡＩ）に同期している協定世界時（ＵＴＣ）により校正されている。このため、原子時計１０４は、単体の原子時計の精度（１＊１０−１２〜１＊１０−１３）に比べて、極めて高精度（１＊１０−１５レベル）とされている。原子時計１０４としては、より精度の高い（１＊１０−１５〜１＊１０−１８）光格子時計などを用いてもよい。なお、協定世界時（ＵＴＣ）とは、世界各国の原子時計約３００台の相互比較結果ならびに数機関の一次周波数標準器の評価結果を元に計算される国際原子時（ＴＡＩ）に対してうるう秒調節を実施して、世界時（ＵＴ１、地球の自転の観測から決められる）との差が０．９秒以内に維持されている時系である（出典；産総研 光周波数コム 2009年7月16日発表 「長さの国家標準」が新方式に −光周波数コム装置を利用し「波長」を高精度化−）。このため、第１光周波数コム発生器１０２は、協定世界時（ＵＴＣ）により校正された原子時計１０４と同じ精度とされ、極めて正確である。
【００２１】
第２光周波数コム発生器１０６は、図１、図２に示す如く、モード周波数設定機能とオフセット周波数設定機能とを備え、モード周波数ｆｖｍとオフセット周波数ｆｖｃｅｏとが変更可能とされている。そして、第２光周波数コム発生器１０６は、第１光周波数コム発生器１０２の光出力に基づき安定化された光出力を行う。即ち、第２光周波数コム発生器１０６は単体での精度・安定性を過剰に要求するものではなく、それらを第１光周波数コム発生器１０２に依存するという思想に基づいている。第２光周波数コム発生器１０６には、例えば安定化レーザ光源とそのレーザ光を入射する共振器の中にＥＯＭなどの変調器を組み込んだものなどを使用することができる。
【００２２】
前記ビームスプリッタ１１０は、図１、図２に示す如く、第２光周波数コム発生器１０６の出力光（第２光周波数コム）を透過した光と反射した光の２つに分岐する。ビームスプリッタ１１０を透過した光は、レーザ装置１００の出力光として外部に導かれる。即ち、第２光周波数コム発生器１０６の光出力は、レーザ装置１００の光出力として出力される（必要に応じて、第１光周波数コム発生器１０２の光出力もレーザ装置１００の光出力として出力してもよい）。一方、ビームスプリッタ１１０で反射した光は、ビームコンバイナ１０８に向かう。
【００２３】
前記ビームコンバイナ１０８は、図１、図２に示す如く、ビームスプリッタ１１０で反射分岐された第２光周波数コムと第１光周波数コム発生器１０２で発生した第１光周波数コムとを重ね合わせる（混合する）。すると、光ヘテロダインにより、第２光周波数コムと第１光周波数コムとでビートが生じる。ビートは第１光電変換器１１２に入射する。なお、混合されるのは第１、第２光周波数コムなので多くのビートが生じることとなる。
【００２４】
前記第１光電変換器１１２は、図１、図２に示す如く、ビートを電気信号（ビート信号）に変換する。即ち、第１光電変換器１１２は、第１光周波数コム発生器１０２の光出力と第２光周波数コム発生器１０６の光出力とが混合され光ヘテロダインにより生じるビートを検出することとなる。ここで、第１光電変換器１１２の感度は、（一般の光電変換器と同様に）ビートが低周波であるほど高感度とされている。このため、第１光電変換器１１２では、多くのビートのうちで最も低い周波数のビート（周波数ｆＢｍｉｎ（主に後述される図５を参照））を相応の信号強度で検出することができる（なお、周波数ｆＢｍｉｎ自体は、周波数軸上では周波数０Ｈｚから周波数ｆＢｍｉｎの位置で観測される）。即ち、図５からも明らかなように、検出されるビート（周波数ｆＢｍｉｎやそれに近い周波数）がモード周波数ｆｖｍの半分よりもはるかに低い周波数となる。このため、逆に言うならば、第１光電変換器１１２としては（高速動作が不要な）感度帯域が低周波領域に限られた周波数帯域の狭いものを使用することができる。
【００２５】
前記第１処理制御部１１４は、図２に示す如く、信号変換部１１６と信号処理部１１８と制御部１２０とを備える。信号変換部１１６は、例えば第１光電変換器１１２から出力されるビート信号（周波数ｆＢｍｉｎ）からノイズを除去・増幅し出力する。信号処理部１１８は、例えば図示せぬカウンタを備えている。なお、カウンタの周波数基準にも原子時計１０４が用いられている。つまり、カウンタの周波数基準が原子時計１０４の出力信号に同期している。信号処理部１１８は、信号変換部１１６からの出力信号（ビート信号）の周波数ｆＢｍｉｎをカウンタで計測し、その計数値を出力する。制御部１２０は、例えば信号処理部１１８から出力された計数値に基づき、当該計数値が一定となるように第２光周波数コム発生器１０６を電気的・機械的にフィードバック制御する。そして、制御部１２０は、第２光周波数コム発生器１０６の出力光を安定化させる。なお、第１光周波数コム発生器１０２の周波数基準は、原子時計１０４の出力信号に同期している。同時にカウンタの周波数基準も原子時計１０４の出力信号に同期している。このため、第２光周波数コム発生器１０６の出力光（の周波数）が第１光周波数コムに従い安定化（ロック）された時点で、ビート信号のカウンタでの計測値（計測結果）が原子時計１０４の出力信号に同期している状態となる。
【００２６】
即ち、第１処理制御部１１４は、第１光電変換器１１２から出力されるビート信号の周波数ｆＢｍｉｎが一定値となるように第２光周波数コム発生器１０６を制御する。そして、第１処理制御部１１４により第２光周波数コム発生器１０６の光出力が安定化されている。
【００２７】
このように、本実施形態においては、第１、第２光周波数コム発生器１０２、１０６を有する。しかし、本実施形態においては、これらを相互に合成させたり、干渉させたり、或いは変調させるようにしたものではなく、第１光周波数コム発生器１０２を基準にして、第２光周波数コム発生器１０６の光出力を安定化させている。このため、第２光周波数コムを第１光周波数コムと同程度に高精度化し且つ高安定化することができる。しかも、第２光周波数コム発生器１０６は、モード周波数ｆｖｍとオフセット周波数ｆｖｃｅｏとをそれぞれ設定できることから、レーザ装置１００はその光出力である第２光周波数コムの周波数を連続的且つ動的に可変制御することが可能である。即ち、本実施形態においては、第２光周波数コムの各モードの位置を周波数軸上で連続的に変えることができる。つまり、本実施形態は、従来技術のようなモード周波数とオフセット周波数とを固定的に決めて使用するという思想に基づくレーザ装置（光周波数コム発生器）を、モード周波数ｆｖｍとオフセット周波数ｆｖｃｅｏとを設定可能（可変）にすることで連続的且つ動的に周波数を可変制御可能なレーザ装置（可変周波数光周波数コム発生器）に革新した（進歩させた）ものといえる。
【００２８】
同時に、通常のレーザ光だと波長で数十ｎｍ程度まで周波数を変化させるとスペクトル線幅の劣化が大きいのに比べ、本実施形態においては、周波数が連続的に変化してもスペクトル線幅の劣化を招くこともない。
【００２９】
また、本実施形態においては、第１光周波数コムと第２光周波数コムとが混合され光ヘテロダインにより生じるビートを検出する第１光電変換器１１２と、第１光電変換器１１２から出力されるビート信号の周波数ｆＢｍｉｎが一定値となるように第２光周波数コム発生器１０６を制御する第１処理制御部１１４と、を備え、第１処理制御部１１４により第２光周波数コム発生器１０６の光出力が安定化される。このため、第２光周波数コム発生器１０６の光出力の安定化を簡易的な構成でありながら容易に且つ第１光周波数コム発生器１０２と同程度の精度で行うことができる。
【００３０】
また、本実施形態においては、第１光周波数コム発生器１０２の周波数基準には原子時計１０４が用いられ、且つ信号処理部１１８のカウンタの周波数基準は原子時計１０４の出力信号に同期し、更に原子時計１０４は協定世界時により校正されている。このため、単体の原子時計の精度に比べても、本実施形態の原子時計では更に高精度で、安定した周波数とすることができる。つまり、第１光周波数コム発生器１０２からの光出力も極めて高精度であり、且つビート信号は高精度に計測することができる。即ち、第２光周波数コム発生器１０６の光出力も極めて高精度にすることができる。
【００３１】
また、本実施形態においては、モード周波数ｆｖｍとオフセット周波数ｆｖｃｅｏとをそれぞれ変更できることから、第１光電変換器１１２から出力されるビート信号の周波数ｆＢｍｉｎを低く抑えることができる。即ち、第１光電変換器１１２のビートに対する周波数感度帯域は、通常であればモード周波数ｆｖｍの少なくとも半分を必要とするのに対し、本実施形態においては、モード周波数ｆｖｍの半分さえ必要としない。このため、第１光電変換器１１２は低域の周波数に存在するビートに対して感度を備えるだけでよいので高速動作が必要とならない。つまり、第１光電変換器１１２を低コストに抑えることができる。
【００３２】
即ち、本実施形態においては、モード周波数とオフセット周波数とを可変とすることで、第２光周波数コム発生器１０６から光出力される第２光周波数コムの周波数を連続的かつ動的に可変制御可能となる。
【００３３】
なお、本実施形態のレーザ装置１００で光周波数測定装置１３０を構成した場合の一例について図４を用いて説明する。
【００３４】
光周波数測定装置１３０は、前述したレーザ装置１００に加え、図４に示す如く、ビームコンバイナ１３２と第２光電変換器１３４と第２処理制御部１３５とを備える。
【００３５】
前記ビームコンバイナ１３２は、図４に示す如く、第２光周波数コム発生器１０６の出力光（第２光周波数コム）と被測定レーザ光源ＯＪからの被測定光（周波数ｆｓｕｂ）とを混合する。すると、光ヘテロダインにより、第２光周波数コムと被測定光（周波数ｆｓｕｂ）とでビート（周波数ｆＢｓｕｂ）が生じる（図５）。ビート（周波数ｆＢｓｕｂ）は第２光電変換器１３４に入射する。
【００３６】
前記第２光電変換器１３４は、図４に示す如く、ビートを電気信号（ビート信号）に変換する。即ち、第２光電変換器１３４は、被測定光（周波数ｆｓｕｂ）と第２光周波数コム発生器１０６の光出力とが混合され光ヘテロダインにより生じるビートを検出することとなる。
【００３７】
前記第２処理制御部１３５は、図４に示す如く、信号解析部１３６と自動調整値解析部１３８とｆｖｍ設定演算部１４０とｆｖｃｅｏ設定演算部１４２とｆｖｍ制御部１４４とｆｖｃｅｏ制御部１４６とを備える。
【００３８】
信号解析部１３６は、図４に示す如く、第２光電変換器１３４から出力されるビート信号（周波数ｆＢｓｕｂ）をノイズ除去・増幅し、図示せぬカウンタで計数値を求める（このカウンタに対しても原子時計１０４を用いてもよい）。そして、信号解析部１３６では、その計数値からビート信号の周波数ｆＢｓｕｂが求められる。そして、被測定光（周波数ｆｓｕｂ）と混合された第２光周波数コムのモードの周波数軸上の位置に基づき、被測定光の周波数ｆｓｕｂが求められる。
【００３９】
自動調整値解析部１３８は、図４に示す如く、信号解析部１３６で求められた被測定光の周波数ｆｓｕｂに対して最適なビート信号（周波数ｆＢｓｕｂ）が第２光電変換器１３４で得られるような第２光周波数コムを定める。即ち、自動調整値解析部１３８は、最適なビート信号（周波数ｆＢｓｕｂ）が得られるように、被測定光（周波数ｆｓｕｂ）と混合される第２光周波数コムのモードの周波数軸上の位置を自動的に決定する。なお、ここでの最適なビート信号（周波数ｆＢｓｕｂ）は、新たに定められるものであり、信号解析部１３６に入力するビート信号（周波数ｆＢｓｕｂ）とは基本的に異なってくる。また、最適なビート信号とは、第２光電変換器１３４から出力される信号として強度が強く、且つＳ／Ｎ比が高いものを指し、具体的にはその周波数ｆＢｓｕｂが可能な限り低いものが望ましい。なお、周波数ｆＢｓｕｂがあまりに０Ｈｚに近づくと、短い計測時間では長周期の揺れが生じる。このため、第２光電変換器１３４では例えば、その増幅部に相応のハイパスフィルタや直流カット回路などを設けることで、ビート信号の周波数ｆＢｓｕｂがあまりに０Ｈｚに近くならないようにされている。
【００４０】
ｆｖｍ設定演算部１４０及びｆｖｃｅｏ設定演算部１４２はそれぞれ、図４に示す如く、自動調整値解析部１３８で求められた第２光周波数コムのモードの周波数軸上の位置からそれぞれ、モード周波数ｆｖｍとオフセット周波数ｆｖｃｅｏとを求める。この時、第１光周波数コムと第２光周波数コムとの間に生じるビート信号の周波数ｆＢｍｉｎが最適なビート信号となるように、ｆｖｍ設定演算部１４０とｆｖｃｅｏ設定演算部１４２との間で、モード周波数ｆｖｍとオフセット周波数ｆｖｃｅｏの調整が自動的に行われてもよい。なお、ここでの最適なビート信号とは、第１光電変換器１１２から出力される信号として強度が強く、且つＳ／Ｎ比が高いものを指し、具体的にはその周波数ｆＢｍｉｎが可能な限り低いものが望ましい。つまり、第１光電変換器１１２も第２光電変換器１３４と同様の構成であり、ビート信号の周波数ｆＢｍｉｎもあまりに０Ｈｚに近くならないようにされている。
【００４１】
ｆｖｍ制御部１４４及びｆｖｃｅｏ制御部１４６はそれぞれ、図４に示す如く、ｆｖｍ設定演算部１４０及びｆｖｃｅｏ設定演算部１４２で求められたモード周波数ｆｖｍとオフセット周波数ｆｖｃｅｏとを自動的に第２光周波数コム発生器１０６に設定する。
【００４２】
このように、第２処理制御部１３５が第２光周波数コムのモード周波数ｆｖｍとオフセット周波数ｆｖｃｅｏを自動的に調整することで、第２光周波数コム（のモード）と被測定光（のスペクトル）とによって最適なビート信号（周波数ｆＢｓｕｂ）が得られるようになる。しかし、これにより第２光周波数コムが（必ずではないが）変化させられるので、第１処理制御部１１４により、第１光周波数コムを基準に第２光周波数コムを安定化させるようにフィードバック制御を行う。
【００４３】
ここで、第１光周波数コムを基準に第２光周波数コムを安定化する制御を行うときには、第１光周波数コムのいずれかのモードを基準にする。その基準とした第１光周波数コムのモードに最も近い第２光周波数コムのモードとのビートを用いて安定化する制御を行なう。第１光周波数コムと第２光周波数コムとで生じるビートのうち、ビートの周波数が最低なもの、即ち最適なビート信号が得られるように、前回と同じとは限らずに選択される。つまり、今回の基準となる第１光周波数コムのモードは、基本的に前回基準となった第１光周波数コムのモードから変更される。そして、今回の基準となる第１光周波数コムのモードに最も近い第２光周波数コムのモードにより、最適なビート信号（周波数ｆＢｍｉｎ）が得られるようになる。なお、第１、第２光周波数コムではどのモードを基準にしてもその精度は全く等価とされている。これによって、第２光周波数コムのフィードバック制御が外れることなく、安定したフィードバック制御が続けられる。なお、第２光周波数コムのモードも、必ずしも前回と同じとは限らない（同じ場合もある。）。
【００４４】
したがって、光周波数測定装置１３０では、第１光周波数コムを基準に第２光周波数コムを安定化する制御を行いながら、同時に、第２光周波数コムと被測定光とのビート信号（周波数ｆＢｓｕｂ）が最適になる制御を行うことが可能である。
【００４５】
そして、被測定光が如何なる周波数であってもビート信号の周波数ｆＢｓｕｂを安定した一定の値（一定の周波数或いは一定の周波数で且つ低い周波数）とすることができ、周波数測定を容易且つ高精度に行うことができる。
【００４６】
また、光周波数測定装置１３０では、第２光電変換器１３４で検出されるビート信号の周波数ｆＢｓｕｂも低く抑えることができる。即ち、第２光電変換器１３４の周波数感度帯域は、通常であればモード周波数ｆｖｍの少なくとも半分を必要とするのに対し、ここでは、モード周波数ｆｖｍの半分さえ必要としない。このため、第２光電変換器１３４は低域の周波数に存在するビートに対して感度を備えるだけでよいので高速動作が必要とならない。即ち、第２光電変換器１３４も低コストに抑えることができる。
【００４７】
また、光周波数測定装置１３０では、第１光周波数コムをノギスの本尺に見立て、第２光周波数コムをノギスの副尺に見立てて、第１、第２光周波数コムのモードの数を互いにわずかに変えた場合には、被測定光の周波数ｆｓｕｂを極めて高精度に測定することができる。具体的に説明するならば、周波数軸上の同じ特定の周波数範囲において、第１、第２光周波数コムのモードの数を互いにわずかに変えた場合（例えば「わずかに変えた」の一例としては、第１光周波数コムのモードの数を６９９本とし、第２光周波数コムのモードの数を７００本とするなどである）であり、第１、第２光周波数コムがノギスのバーニヤ機能と同様に微細な周波数まで測定可能とすることができる。なお、特定の周波数範囲は、光周波数コムの端に位置するモードが含まれずに、確実にモードを認識できる最大の範囲とすることが望ましい。
【００４８】
本発明について第１実施形態を挙げて説明したが、本発明は第１実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の要旨を逸脱しない範囲においての改良並びに設計の変更が可能なことはいうまでもない。
【００４９】
第１実施形態においては、モード周波数ｆｖｍとオフセット周波数ｆｖｃｅｏとをそれぞれ変更可能としていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図６、図７で示す第２実施形態の如くであってもよい。なお、第２実施形態の概略構成は、第１実施形態においてオフセット周波数ｆｖｃｅｏをオフセット周波数ｆｓｃｅｏと同じく固定しただけなので、他の構成要素についての符号は第１実施形態で使用した符号を用いる。また、図７の周波数ｆｓｕｂ、ｆＢｓｕｂはそれぞれ、光周波数測定装置が図４の如く構成された際の被測定光の周波数、ビート信号の周波数を示している。
【００５０】
第２実施形態においては、オフセット周波数ｆｓｃｅｏとオフセット周波数ｆｖｃｅｏとが等しくされているが、第２光周波数コム発生器１０６のモード周波数ｆｖｍが第１光周波数コム発生器１０２のモード周波数ｆｓｍと異なる。このため、図７に示す如く、必ず低い周波数のビート（ｆＢｍｉｎなど）が生じて第１光電変換器１１２に検出されることから、第１光電変換器１１２の周波数感度帯域は、モード周波数ｆｖｍの半分を必要としない。即ち、第１実施形態に比べてオフセット周波数ｆｖｃｅｏの設定に関わる構成要素を省略できるとともに、第１光電変換器１１２を低コストに抑えることができる。
【００５１】
或いは、図８、図９で示す第３実施形態の如くであってもよい。なお、第３実施形態の概略構成は、第１実施形態においてモード周波数ｆｖｍをモード周波数ｆｓｍと同じく固定しただけなので、他の構成要素についての符号は第１実施形態で使用した符号を用いる。
【００５２】
第３実施形態においては、モード周波数ｆｓｍとモード周波数ｆｖｍとが等しくされているが、第２光周波数コム発生器１０６のオフセット周波数ｆｖｃｅｏと第１光周波数コム発生器１０２のオフセット周波数ｆｓｃｅｏとが異なる。このため、図９に示す如く、必ず低い周波数のビート（ｆＢｍｉｎなど）が生じて第１光電変換器１１２に検出されることから、第１光電変換器１１２の周波数感度帯域は、モード周波数ｆｖｍの半分を必要としない。即ち、第１実施形態に比べてモード周波数ｆｖｍの設定に関わる構成要素を省略できるとともに第１光電変換器１１２を低コストに抑えることができる。
【００５３】
また、上記実施形態においては、第１光周波数コムと第２光周波数コムとが混合され光ヘテロダインにより生じるビートを検出する第１光電変換器１１２と、第１光電変換器１１２から出力されるビート信号の周波数が一定値となるように第２光周波数コム発生器１０６を制御する第１処理制御部１１４と、を備え、第１処理制御部１１４により第２光周波数コムが安定化されていたが、本発明はこれに必ずしも限定されない。たとえば、モード周波数若しくはオフセット周波数が変更可能であることを条件に、第１光周波数コムを直接的に第２光周波数コム発生器に入力させて安定化するようにしてもよい。
【００５４】
また、上記実施形態においては、第１光周波数コム発生器１０２の周波数基準には原子時計１０４が用いられ、且つ信号処理部１１８のカウンタの周波数基準は原子時計１０４の出力信号に同期し、更に原子時計１０４は協定世界時により校正されていたが、本発明はこれに限定されない。たとえば、上記２つの周波数基準のうちのいずれかだけに原子時計を用いてもよいし、第１光周波数コム発生器の周波数基準に原子時計を用いない場合にはいずれにも原子時計を用いなくてもよい。また、原子時計は協定世界時により校正されていなくてもよい。
【００５５】
また、上記実施形態においては、第１光周波数コム発生器１０２に直接的に原子時計１０４が接続されることで高精度化がなされていたが、本発明はこれに限定されない。たとえば、原子時計を（ＧＰＳ衛星などの）レーザ装置の外部に設け、原子時計からの出力をレーザ装置に設けたＧＰＳ受信機を介して得るようにしてもよい。この場合には、原子時計を直接的にレーザ装置に設けないので、レーザ装置の小型化はもちろん、なによりも低コスト化が可能である。
【００５６】
また、上記実施形態においては、第１、第２光周波数コムの拡がる帯域は１オクターブ以上とされていたが、本発明はこれに限定されない。たとえば、光周波数コムの拡がる帯域は１オクターブより小さくてもよい。
【００５７】
また、上記実施形態においては、光周波数測定装置１３０が自動的に被測定光の周波数ｆｓｕｂを測定することが可能とされていたが、例えば図１０に示す別の光周波数測定装置２３０の如くであってもよい。
【００５８】
光周波数測定装置２３０においては、信号解析部２３６以降については、手動で行うとされている。このため、光周波数測定装置２３０においては、光周波数測定装置１３０よりも装置構成を簡略化でき、低コスト化を更に促進することができる。
【００５９】
なお、光周波数測定装置における被測定光は、特に光周波数（波長）基準、或いは干渉測定用の光源が対象であり、前述してきたように国際標準や国家標準に基づいて測定がなされている。即ち、被測定光は、いわば国家標準にトレーサブルに測定されている。このため、光周波数測定装置は光周波数校正装置と解することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明のレーザ装置は、高精度の光周波数コムの周波数を連続的且つ動的に可変制御可能なので、長さ原器などを構成することや、長さの基準として距離や直角度などの測長用の干渉計などに広く適用することが可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１００…レーザ装置
１０２、２０２…第１光周波数コム発生器
１０４、２０４…原子時計
１０６、２０６…第２光周波数コム発生器
１０８、１３２、２０８、２３２…ビームコンバイナ（ＢＣ）
１１０、２１０…ビームスプリッタ（ＢＳ）
１１２、２１２…第１光電変換器
１１４…第１処理制御部
１１６、２１６…信号変換部
１１８、２１８…信号処理部
１２０、２２０…制御部
１３０、２３０…光周波数測定装置
１３４、２３４…第２光電変換器
１３５…第２処理制御部
１３６、２３６…信号解析部
１３８…自動調整値解析部
１４０…ｆｖｍ設定演算部
１４２…ｆｖｃｅｏ設定演算部
１４４…ｆｖｍ制御部
１４６…ｆｖｃｅｏ制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数軸上で櫛状に並んだ複数のスペクトル成分を発生させる第１、第２光周波数コム発生器を有するレーザ装置において、
前記第１光周波数コム発生器は、周波数基準に基づき基準となる光出力を行い、
前記第２光周波数コム発生器は、少なくとも前記複数のスペクトル成分のスペクトル間隔を示すモード周波数と該複数のスペクトル成分の並びを周波数ゼロ点まで延長したときのゼロ点との間に生じるオフセット周波数のいずれかが変更可能とされるとともに前記第１光周波数コム発生器の光出力に基づき安定化された自身の光出力を、当該レーザ装置の光出力として出力することを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
前記周波数基準には原子時計が用いられることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記第１光周波数コム発生器の光出力と前記第２光周波数コム発生器の光出力とが混合され光ヘテロダインにより生じるビートを検出する第１光電変換器と、該第１光電変換器から出力されるビート信号の周波数が一定値となるように前記第２光周波数コム発生器を制御する第１処理制御部と、を備え、該第１処理制御部により前記第２光周波数コム発生器の光出力が安定化されることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記第１処理制御部は前記ビート信号の周波数を計測するカウンタを備え、該カウンタの周波数基準は原子時計の出力信号に同期することを特徴とする請求項３に記載のレーザ装置。
【請求項５】
前記原子時計は、協定世界時により校正されていることを特徴とする請求項２または４に記載のレーザ装置。
【請求項１】
周波数軸上で櫛状に並んだ複数のスペクトル成分を発生させる第１、第２光周波数コム発生器を有するレーザ装置において、
前記第１光周波数コム発生器は、周波数基準に基づき基準となる光出力を行い、
前記第２光周波数コム発生器は、少なくとも前記複数のスペクトル成分のスペクトル間隔を示すモード周波数と該複数のスペクトル成分の並びを周波数ゼロ点まで延長したときのゼロ点との間に生じるオフセット周波数のいずれかが変更可能とされるとともに前記第１光周波数コム発生器の光出力に基づき安定化された自身の光出力を、当該レーザ装置の光出力として出力することを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
前記周波数基準には原子時計が用いられることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記第１光周波数コム発生器の光出力と前記第２光周波数コム発生器の光出力とが混合され光ヘテロダインにより生じるビートを検出する第１光電変換器と、該第１光電変換器から出力されるビート信号の周波数が一定値となるように前記第２光周波数コム発生器を制御する第１処理制御部と、を備え、該第１処理制御部により前記第２光周波数コム発生器の光出力が安定化されることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記第１処理制御部は前記ビート信号の周波数を計測するカウンタを備え、該カウンタの周波数基準は原子時計の出力信号に同期することを特徴とする請求項３に記載のレーザ装置。
【請求項５】
前記原子時計は、協定世界時により校正されていることを特徴とする請求項２または４に記載のレーザ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−７２８４８（Ｐ２０１３−７２８４８Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１４３３０（Ｐ２０１１−２１４３３０）
【出願日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【出願人】（０００１３７６９４）株式会社ミツトヨ (979)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【出願人】（０００１３７６９４）株式会社ミツトヨ (979)
【Ｆターム（参考）】
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