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JPH0626279B2 - チャ−プレ−ザ−安定化システム - Google Patents

チャ−プレ−ザ−安定化システム

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Publication number
JPH0626279B2
JPH0626279B2 JP60501858A JP50185885A JPH0626279B2 JP H0626279 B2 JPH0626279 B2 JP H0626279B2 JP 60501858 A JP60501858 A JP 60501858A JP 50185885 A JP50185885 A JP 50185885A JP H0626279 B2 JPH0626279 B2 JP H0626279B2
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JP
Japan
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laser
output
frequency
chirp
reference center
Prior art date
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JP60501858A
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ハルモス，マウリス・ジエイ
ヘンダーソン，ダビツド・エム
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Raytheon Co
Original Assignee
Hughes Aircraft Co
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Publication date
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Publication of JPS61502647A publication Critical patent/JPS61502647A/ja
Publication of JPH0626279B2 publication Critical patent/JPH0626279B2/ja
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/13—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
    • H01S3/139—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude by controlling the mutual position or the reflecting properties of the reflectors of the cavity, e.g. by controlling the cavity length
    • H01S3/1398—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude by controlling the mutual position or the reflecting properties of the reflectors of the cavity, e.g. by controlling the cavity length by using a supplementary modulation of the output
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
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    • H01S3/107—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity using electro-optic devices, e.g. exhibiting Pockels or Kerr effect

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  • Lasers (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 この発明は、電気光学クリスタルのような空洞内変調を
行なうものに関する。
発明の背景 従来より、二酸化炭素レーザーシステムなどのレーザー
を、所定のレーザー遷移のゲインカーブ中央にて安定化
させたいという要求がある。この要求は、従来は、圧電
効果トランスデューサに取り付けられた可調ミラーを用
いることにより、圧電効果トランスデューサに印加され
る信号に応じてその空洞長を調整することで、満たして
いる。この従来の安定化法では、終端ミラーを励振さ
せ、これに伴なう出力変動により、補正信号を作り出し
ている。しかしながら、ここで用いられる圧電効果トラ
ンスデューサの周波数上限は、通常は、せいぜい毎秒１
０００サイクルつまり１キロヘルツである。この従来手
法を空洞内電気光学変調器を持つレーザーに適用する
と、励振された空洞内における出力変動に起因して電気
光学クリスタルの時間に伴なう加熱変化が生じるため
に、ゲインカーブ中央にて安定な動作を得ることができ
ない。この結果、所望のゲインカーブ中央からずれた所
の周波数にレーザーがロックされてしまうことがたびた
び起こった。
この発明は上記事情にかんがみてなされたもので、この
発明の目的は、空洞内変調を用いたレーザーシステムな
どのレーザーシステムにおいて、電気光学クリスタル等
によりトランスミッターレーザーを安定化させることで
ある。
発明の概要 この発明においては、空洞内変調を有するレーザーシス
テムの出力のごく一部がサンプルされて検出される。変
調ドライバは、レーザーの周波数がその基準中心周波数
を上下するように、空洞内変調素子へ信号を与える。こ
こで、基準中心周波数は、レーザーのゲインカーブの中
央にあるべきものである。検出回路からの出力は、変調
ドライバからの基準信号と合成される。これにより、負
の周波数ずれが起った場合と比較して、正の周波数ずれ
が起った場合のレーザーの振幅に変化があるか否かが決
定される。もし、一方の周波数ずれ時の振幅が他方の周
波数ずれ時の振幅と同じときは、可調ミラーの修正は行
なわれない。しかしながら、もし一方の周波数ずれ時の
ゲインが他方の周波数ずれ時のゲインよりずっと大きい
ときは、適切な極性の信号がミラー位置制御用電気-機
械トランスデューサに与えられてレーザーの空洞長が変
更され、これによりトランスミッターレーザーの基準中
心周波数がゲインカーブの中央位置に回復される。
上述した構成を採用することにより、本願システムのチ
ャープ変調ドライバは、１０キロヘルツ以上（たとえば
２５０キロヘルツ）の周波数で電気光学変調器（たとえ
ば圧電効果クリスタル）をドライブできる。そして、そ
の後の検出において、レーザーの出力はバンドパスフィ
ルタにより処理され、少なくともチャープドライバの基
本周波数から検出信号の２次高調波まで（たとえば、お
よそ２５０キロヘルツから５００キロヘルツ）の信号が
取り出される。こうして得られた出力は、マルチプライ
ヤ内のチャープ変調器ドライバからの矩形波基準信号と
合成される。このチャープ変調器ドライバは、一方の周
波数ずれに対しては検出された信号と同振幅の正信号を
提供し、これとは逆の他方の周波数ずれに対しては検出
された信号と同振幅の負信号を提供するものである。合
成後の信号は、ローパスフィルタを通過後に積分され、
圧電効果トランスデューサに与えられるdc信号となる。
このdc信号は、レーザーを、ゲインカーブ中央における
中心周波数に回復させるような大きさと極性を持つ。
励振信号としてチャープ信号それ自身を使えば、従来の
低周波数安定化回路を用いた場合の問題が伴なわない本
質的に単純なシステムが得られる。つまり、圧電効果ク
リスタルを励振するための、独立した低周波励振信号発
生器の必要性は、低周波励振安定化に伴なうクリスタル
加熱の問題とともに、除去される。
なお、「チャープ変調」とは「リニアな周波数変調」を
意味し、「チャープ信号」とは「リニア周波数変調レー
ダー信号」を意味する。
この発明の他の目的，特徴および利点等は、添附図面を
参照した以下の詳細な説明によって明らかにする。
図面の簡単な説明 第１図は、この発明の基本原理を説明するチャープレー
ザートランスミッターのブロック回路図である。
第２図は、レーザートランスミッターのゲインを示すグ
ラフであって、周波数に対して出力をプロットしたもの
である。
第３図は、レーザートランスミッターが作動する基準中
心周波数の関数として積分器に与えられる補正電圧を示
すグラフである。
第４図は、第１図の構成を具現するに採用できる安定化
回路の一例を示す詳細な回路図である。
発明の詳細な説明 図面を参照して説明を行なう。第１図の上部にはチャー
プレーザートランスミッターの概略が示されている。同
図には、出力ミラー１４を備えたレーザー媒体１２と、
圧電効果スタンド１８に取り付けられた第２ミラー１６
とが示されており、これによってレーザー空洞の両端が
形成される。電極２２および２４を持った電気光学クリ
スタル２０は、上記レーザー空洞内に配設されて、そこ
で周波数掃引を行なう。ここで用いるレーザーは、二酸
化炭素レーザーでよい。
この発明は、二酸化炭素を用いたチャープレーダーレー
ザートランスミッターに限定されるものではないが、こ
の種のシステムの全容を示す従来技術として、１９８３
年３月１７日になされた米国特許出願No.４７６，２８
８および１９８４年７月３日になされた米国部分継続出
願No.６２７，７０４がある。これら２つの米国出願
は、本願の被譲受人に譲渡されている。
実際の動作においては、チャープ変調ドライバ３０によ
り、電極２２および２４それぞれを介して、たとえば数
百ボルトの強さの２つのノコギリ波２６および２８が、
テルル化カドミウム電気光学クリスタル２０に印加され
る。図示した実施例では、ノコギリ波２６および２８の
周波数は２５０キロヘルツであるが、この周波数は、２
５０キロヘルツより高くても低くても差支えない。
上述した動作条件で、互いに逆相の直線ノコギリ波２６
および２８により電気光学クリスタル２０を駆動する
と、レーザーの出力周波数は、レーザーの基準中心周波
数の上下およそ５０メガヘルツに渡り、直線的に周波数
変調される。図中、連続したＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅおよび
Ｆで現わされたプロット２６および２８は、電気光学ク
リスタルの２つの電極に印加される電圧を示す。点Ａ，
Ｃ，Ｅ等は電気光学クリスタルに印加される最大および
最小電圧を示す。すなわち、これらの点はトランスミッ
ターレーザーの出力信号の最大周波数偏移を示してお
り、点Ｂから点Ｄにかけては出力周波数はレーザーの基
準中心周波数以上にずれ、点Ｄから点Ｆにかけては出力
周波数は基準中心周波数以下にずれる。
第２図は、周波数に沿ってレーザーの出力をプロットし
たグラフである。特性曲線３６の中央を通る線は、レー
ザーの最大ゲインが得られる周波数を示す。これは、レ
ーザーの所望中心周波数でもある。前述したように、所
望の中心線３６を基準とするレーザーの周波数は、ミラ
ー１６の位置を変えることにより、変更できる。
ここで、レーザーが、破線３８で示す周波数にて作動す
る場合を考えてみる。すなわち、作動周波数が所望中心
線３４からはずれて周波数偏移が点４０と４２の間にな
り、これによって出力信号強度が変化した場合を考察す
る。この強度変化は、第１図中の検出器４６の出力にお
けるプロット４４で示す。部分的に銀鏡化したミラー５
０もしくは光ビームのごく一部を取り出す他の同類公知
技術を用いることによって、検出器４６はレーザーから
の出力４８のごく一部を受ける。プロット４４のエンベ
ロープの最大および最小点Ａ，ＣおよびＥは、第２図の
中心線３８からの最大周波数偏移点４０および４２に対
応している。レーザーが、所望の最大ゲイン点つまり第
２図の線３４で示される中心周波数で作動していたとす
れば、検出された信号はプロット４４とは違った形とな
り、最大周波数偏移は線３４の前後で均一かつわずかな
ものとなる。この場合は、検出された信号の半サイクル
毎の振幅は一定となる。
安定化ネットワーク５４は、プロット４４で示すような
形の検出信号を処理する。すなわち、検出された信号の
うち、正の周波数偏移（ずれ）が生じたときに得られた
ものが、負の周波数偏移により得られたものに対して、
大きいか小さいかあるいは等しいか、といった判断が、
この安定化ネットワーク内でなされる。この判断処理
は、チャープ変調ドライバ３０から安定化ネットワーク
５４への信号線５８で供給される矩形ゲートパルス列５
６にもとづいて、なされる。すなわち、第４図で詳細に
示される構成によって、パルス列５６は、レーザー出力
の正周波数偏移に対応する立上りとその負周波数偏移に
対応する立下りを持つものとなる。このような矩形波パ
ルスが、第１図のプロット４４で示す検出信号に対する
検査に使用される。なお、プロット４４の波形内部の高
周波パターンは、図１のミラー５０において、図示しな
い２つのレーザービームがヘテロダイン混合される結果
として生じる。
安定化ネットワーク５４からの出力は、第３図に示すよ
うになる。この出力は、中心点６０からずれる方向の周
波数増減にともなって正負に変化する弁別器出力に、本
質的に対応する。第２図を再び参照してほしいのだが、
トランスミッターレーザーの基準周波数は、線３８で示
される周波数から、線３４で示されるところの所望最大
ゲイン周波数へ、ミラー６０の位置変更によって、回復
される。
第４図は、第１図の安定化ネットワーク５４を具現した
一回路例の詳細を示す。すなわち、第４図の左下の同軸
入力線６２を介して、前記検出信号が受信され、この信
号はバンドパスフィルタ６４に与えられる。２５０キロ
ヘルツの基本波ないし５００キロヘルツの２次高調波を
含む信号を通過させるバンドパスフィルタ６４からの検
出信号は、増幅器６８により増幅され、信号線７０を介
して、マルチプライヤ７２に送られる。チャープ変調ド
ライバ３０からのゲート信号５６は、同軸信号線７４を
介して増幅器７６に送られ、さらに信号線８０を介して
マルチプライヤ７２に送られる。なお、信号線７４は図
１の信号線５８に対応する。マルチプライヤ７２は、正
の周波数偏移期間中に信号の振幅に比例した正の出力信
号を発生するとともに、負への周波数偏移期間中に信号
４４の振幅に比例した負の出力信号を発生する。すなわ
ち、マルチプライヤ７２は、正の周波数偏移時（正の周
波数偏移期間中）における出力信号と負の周波数偏移時
（負の周波数偏移期間中）における出力信号とを分離し
て出力する。そして、これらの出力信号は、増幅器８２
により増幅され、続いて回路８４により積分される。こ
うして得られた第３図に示すような信号は、圧電効果ト
ランスデューサ増幅器８６へ与えられ、その出力信号
は、信号線８８を介して、ミラー１６を制御する圧電効
果スタンド１８に送られる。
この発明がなされるに至る経過に関して前述したよう
に、レーザー空洞の一端にミラーを位置決めする圧電効
果トランスデューサの採用によるレーザー発振の安定化
は、公知である。この従来方法では、せいぜい１キロヘ
ルツの周波数で、ミラーを励振もしくは駆動している。
従って、チャープレーザートランスミッターのトランス
ミッターレーザーに安定性が求められた場合は、これを
安定化しようとする試みが当然のようになされてきた。
しかしながら、前述したように、共振周波数として現れ
るレーザー出力の変化は、ゲインカーブに沿ってシフト
し、チャープレーザー電気光学変調クリスタルの温度を
変動させ、その屈折率の変化をもたらす。すると、共振
の変動がさらに誘発されるといった帰還ループが形成さ
れ、結果的に、所望の最大出力点にレーザーが正しくロ
ックされなくなる。
上記問題に対する解決策は、前述したように、次の認識
に立って導びかれている。すなわち、２５０キロヘルツ
オーダの高周波ではあるが、直線周波数掃引信号を用い
たチャープレーザートランスミッターは、この高周波に
おいて、付帯的な振幅変化をもたらすという認識であ
る。つまり、圧電効果クリスタルを低い周波数で励振す
ることをやめ、基準中心周波数上下の周波数掃引に応じ
たチャープレーザー出力振幅の高速変化を分析する高周
波回路を設け、検出されかつ分析された信号に応じて圧
電効果制御ミラーの位置をシフトさせることにより、具
体的な安定化システムを得ることができる。このように
すれば、従前は安定化システムの要部と考えられていた
独立の圧電効果トランスデューサ励振回路を用いなくて
も、満足のゆく結果が得られる。
以上、図面を参照して詳細に述べてきたことは、本願発
明の一実施例にすぎないことをお断わりしておく。この
発明の趣旨を逸脱することなく種々の変更や修正が可能
であることは、いうまでもない。たとえば、単なる一例
として示すならば、第４図の電気回路は、同様な機能を
果す他の代替物を含んでいてもよい。加えて、この発明
は、局部発振器およびホモダインレーダーシステムを備
えたシステムを含むところの、色々な形式のレーザーレ
ーダーシステムに適用可能である。さらに、この発明の
原理は、チャープレーザーレーダーシステムとは異なる
他のレーザーシステムの安定化にも適用できる。すなわ
ち、この発明は本願で図示されかつ説明されたものだけ
に限定されない。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ ＴＥＣＨ ＮＯＬＯＧＹ ＮＯＴＥ，Ｒｅｐｏｒｔ Ｎｕｍｂｅｒ；Ｔ・79・69，Ｆｅｂ，1982

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基準中心周波数で発振し所定振幅の出力を
    持つトランスミッタレーザーと； 前記トランスミッタレーザーの出力の周波数を前記基準
    中心周波数から変更する空洞内電気光学クリスタル手段
    と； 前記空洞内電気光学クリスタル手段を１０キロヘルツ以
    上の周波数で駆動して前記トランスミッタレーザーの出
    力を前記基準中心周波数の上下にリニアにシフトさせる
    駆動手段と； 前記基準中心周波数に対する上下の周波数シフトにとも
    なう前記トランスミッタレーザー出力の振幅の非対称性
    を検出する検出手段と； 前記トランスミッタレーザーの一端に設けられる可調ミ
    ラーと； 前記検出手段で検出された出力振幅の非対称性に応じ、
    前記トランスミッタレーザーの出力の基準中心周波数が
    シフトするように前記可調ミラーの位置を変更して前記
    非対称性を減少させ、これにより前記トランスミッタレ
    ーザーの出力周波数を実質的に最大出力が得られる周波
    数にて安定化させる変更手段とを具備したことを特徴と
    するチャープレーザー安定化システム。
  2. 【請求項２】前記可調ミラーの位置を変更する圧電効果
    スタンドをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載
    のチャープレーザー安定化システム。
  3. 【請求項３】前記駆動手段の動作周波数が２００キロヘ
    ルツ以上であることを特徴とする請求項１に記載のチャ
    ープレーザー安定化システム。
  4. 【請求項４】前記電気光学クリスタル手段が２つの電極
    を持つテルル化カドミウムクリスタルであり、前記駆動
    手段が、前記２つの電極に、位相差１８０度の２つの直
    線ノコギリ波を与えることを特徴とする請求項１に記載
    のチャープレーザー安定化システム。
  5. 【請求項５】レーザー出力振幅の非対称性を検出する前
    記検出手段が、入出力端を持つローパスフィルタと；こ
    のローパスフィルタの入力端に接続される出力端を持つ
    光検出器と；このローパスフィルタの出力端に接続さ
    れ、正の周波数偏移時の出力信号を負の周波数偏移時の
    出力信号から分離するマルチプライヤ手段と；このマル
    チプライヤ手段からの出力を受ける積分器と；この積分
    器からの出力を前記可調ミラーの位置を変更する前記変
    更手段に与える回路手段とを含むことを特徴とする請求
    項１に記載のチャープレーザー安定化システム。
  6. 【請求項６】前記ローパスフィルタが、前記駆動手段の
    周波数の少なくとも２倍までを通過させる特性を持つこ
    とを特徴とする請求項５に記載のチャープレーザー安定
    化システム。
  7. 【請求項７】一方の周波数偏移に同期する立上りパルス
    と他方の周波数偏移に同期する立下りパルスとを持つ矩
    形波信号を、前記駆動手段から前記マルチプライヤ手段
    に与える手段をさらに含むことを特徴とする請求項５に
    記載のチャープレーザー安定化システム。
  8. 【請求項８】前記トランスミッタレーザーの出力の一部
    を取り出してこれを前記検出手段に供給する手段をさら
    に含むことを特徴とする請求項１に記載のチャープレー
    ザー安定化システム。
  9. 【請求項９】基準中心周波数で発振し所定振幅の出力を
    持つレーザーと； 前記レーザーの出力の周波数を前記基準中心周波数から
    変更する空洞内変調手段と； 前記空洞内変調手段を１０キロヘルツ以上の周波数で駆
    動して前記レーザーの出力を前記基準中心周波数の上下
    にシフトさせる駆動手段と； 前記基準中心周波数に対する上下の周波数シフトにとも
    なう前記レーザー出力の振幅の非対称性を検出する検出
    手段と； 前記レーザーの一端に設けられる可調ミラーと； 前記検出手段で検出された出力振幅の非対称性に応じ、
    前記レーザーの出力の基準中心周波数がシフトするよう
    に前記可調ミラーの位置を変更して、前記レーザーの出
    力周波数を実質的に最大出力が得られる周波数にて安定
    化させる変更手段とを具備したことを特徴とするチャー
    プレーザー安定化システム。
  10. 【請求項１０】前記可調ミラーの位置を変更する圧電効
    果スタンドをさらに含むことを特徴とする請求項９に記
    載のチャープレーザー安定化システム。
  11. 【請求項１１】前記駆動手段の動作周波数が２００キロ
    ヘルツ以上であることを特徴とする請求項９に記載のチ
    ャープレーザー安定化システム。
  12. 【請求項１２】前記変調手段が２つの電極を持つテルル
    化カドミウムクリスタルであり、前記駆動手段が、前記
    ２つの電極に、位相差１８０度の２つの直線ノコギリ波
    を与えることを特徴とする請求項９に記載のチャープレ
    ーザー安定化システム。
  13. 【請求項１３】レーザー出力振幅の非対称性を検出する
    前記検出手段が、入出力端を持つローパスフィルタと；
    このローパスフィルタの入力端に接続される出力端を持
    つ光検出器と；このローパスフィルタの出力端に接続さ
    れ、正の周波数偏移時の出力信号を負の周波数偏移時の
    出力信号から分離するマルチプライヤ手段と；このマル
    チプライヤ手段からの出力を受ける積分器と；この積分
    器からの出力を前記可調ミラーの位置を変更する前記変
    更手段に与える回路手段とを含むことを特徴とする請求
    項９に記載のチャープレーザー安定化システム。
  14. 【請求項１４】前記ローパスフィルタが、前記駆動手段
    の周波数の少なくとも２倍までを通過させる特性を持つ
    ことを特徴とする請求項１３に記載のチャープレーザー
    安定化システム。
  15. 【請求項１５】一方の周波数偏移に同期する立上りパル
    スと他方の周波数偏移に同期する立下りパルスとを持つ
    矩形波信号を、前記駆動手段から前記マルチプライヤ手
    段に与える手段をさらに含むことを特徴とする請求項１
    ３に記載のチャープレーザー安定化システム。
  16. 【請求項１６】前記レーザーの出力の一部を取り出して
    これを前記検出手段に供給する手段をさらに含むことを
    特徴とする請求項９に記載のチャープレーザー安定化シ
    ステム。
JP60501858A 1984-07-02 1985-04-08 チャ−プレ−ザ−安定化システム Expired - Lifetime JPH0626279B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US06/627,147 US4660206A (en) 1984-07-02 1984-07-02 Chirp laser stabilization system
US627147 1984-07-02
PCT/US1985/000608 WO1986000763A1 (en) 1984-07-02 1985-04-08 Chirp laser stabilization system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS61502647A JPS61502647A (ja) 1986-11-13
JPH0626279B2 true JPH0626279B2 (ja) 1994-04-06

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Application Number Title Priority Date Filing Date
JP60501858A Expired - Lifetime JPH0626279B2 (ja) 1984-07-02 1985-04-08 チャ−プレ−ザ−安定化システム

Country Status (6)

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US (1) US4660206A (ja)
EP (1) EP0191769B1 (ja)
JP (1) JPH0626279B2 (ja)
DE (1) DE3566332D1 (ja)
IL (1) IL75360A (ja)
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