Study on Inverse Scattering Method using Optical Frequency Comb for Measuring Surface Topography with Wide Range of Spatial Frequency

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H04246
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 高谷 裕浩 大阪大学, 工学研究科, 教授 (70243178)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 水谷 康弘 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (40374152)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 加工計測 / ３次元表面トポグラフィ / 光周波数コム / ファイバレーザー / 散乱分光計測 / 逆散乱問題 / フーリエ変換光学系 / 面計測

Outline of Annual Research Achievements

本年度は，本研究の最も重要な基礎となる光周波数コムの高精度な制御技術を確立するため，加工表面の３次元表面トポグラフィ空間波長構造による光周波数コム散乱現象の詳細な解析に基づき，独自に設計した基本的な光周波数コム・ファイバレーザーの試作，および光周波数コムの制御性・安定性に関する基礎実験を行い，次のような研究成果[1]～[3]を得た．
[1] 光周波数コム散乱分光測定光学系を構築する最重要の要素技術である，光周波数コムの基本特性を調査するために，３次元表面トポグラフィと光周波数コムの光学条件（スペクトル分布，エネルギー分布，照明領域など）の関係に基づき，周波数安定性，出力安定性，出力パワー等の基本特性に配慮し，ファイバレーザー・オシレータとファイバ・アンプをベースとする光周波数コム・ファイバレーザーの設計を行った．
[2] 設計仕様に基づき光周波数コム・ファイバレーザーのプロトタイプを試作した．その制御可能パラメータは光周波数コムの各モードの間隔である繰り返し周波数frepと，パルスの時間幅に影響を与える共振器全体での群速度分散Dtotalである．今回作製したプロトタイプは，frepが40 MHz，Dtotalが0.04程度となるように, シングルモードファイバ－（SMF）およびエウビウムドープファイバー（EDF）の長さを調整し発振を確認した．
[2] 光周波数コム・ファイバレーザー試作過程からビーム測定データを蓄積し，設計・試作にフィードバックするため，繰返し周波数frepを周波数カウンタで測定した．この予備実験において最大300 Hz程度の時間変化が見られ，不安定な発振状態であることが分かった．よって，光周波数コムを光源として用いて長時間の計測を行う場合，何らかの方法でfrepを時間的に安定化することが，測定の信頼性に大きく関わってくることを明らかにした．

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

周波数コム・ファイバレーザーの発振特性において，１つのパルス内で光波振幅のピークが最も高くなるところが，パルスの包絡線のピーク位置から少しずれることがある．そのずれはパルスごとに異なり，この効果（位相シフト）の影響で，光周波数コムのモードはオフセット周波数fceoと呼ばれる量だけずれる．すなわち，光周波数コム散乱分光測定の際に重要となる，光周波数コムの各モードの周波数値は，実際には光周波数コムの間隔（繰返し周波数）frepの整数倍にオフセット周波数fceoを加えた値である．従って，自己参照法と呼ばれる技術を用いて，このオフセット周波数fceoを決定できる．それには，光周波数コムが１オクターブにわたって広がっている（広帯域）必要がある．つまり，n番目のモードから2n番目のモードまでの広がりが必要である．そのためには，周波数安定性，出力パワー値および出力安定性などの基本特性を満足することが必須であり，要求精度の光周波数コム散乱分光測定が不可能になる．一方，今回の研究遂行において，事前準備として装置仕様解析と検討を実施し，光周波数コム・ファイバレーザー発振装置の設計・製作および発振特性の予備実験を行って，光周波数コム・ファイバレーザー発振制御性を検証した．これら一連の予備実験を行う過程で，当初の予測に反し，装置構成部品の性能が低く動作が不安定なため，周波数安定性，出力パワー値および出力安定性などの基本的な光周波数コム・ファイバレーザーの発振特性が要求仕様を十分満足していないことが明らかとなった．従って，高精度で安定した発振制御性の検証を行うには，光周波数コム・ファイバレーザー発振装置の性能が不十分であることが判明し，改めて装置構成部品の再検討と装置の再構築を行う必要が生じたため，進捗状況として「遅れている」との評価となった．

Strategy for Future Research Activity

最適化が十分でなかった，光周波数コム・ファイバレーザーの高精度な制御技術の確立を急ぐ．そのために，独自の可制御型光周波数コム・ファイバレーザーを試作し，光周波数コムの制御性・安定性を確立する．具体的な推進方針として，frepの制御を高精度化するために，EDFファイバーに取り付けたピエゾ素子（PZT）を伸縮させ，共振器長を変化させることで行う．制御手法として，ファイバーレーザからの出力を9:1カプラーにより分配し，1割側の光をフォトディテクタ（PD）を用いて，電気信号に変換した後，位相比較器（PFD）に入力する．この際，周波数シンセサイザから参照信号をPFDに入力することで，これらのビート信号がPFDから出力される．このビート信号を制御量として，アナログPIDコントローラに入力し，PID制御を行う．PIDコントローラからの出力電圧は，PZTドライバに入力された後増幅されてPZTに印加する．なお，PIDゲインの値は，周波数カウンタの出力をモニタリングしながら適切に調節する．
さらに，共振器周囲の温度変化によってファイバーが伸縮し，共振器長が変化することを考慮しなくてはならない．そこで，frepを時間安定性を向上させるために，共振器の下に，温度コントローラと接続した銅板を配置し，ファイバーの温度制御を行う．また，ファイバーの固定には機械的特性に優れた方式を採用することで，熱伝導率および固定によるファイバーへのテンションの低減を行う．なお，PZTによる制御はダイナミックレンジが小さく，大きな変動に対して制御が不能になる可能性がある．そのような事態を防ぐため，ダイナミックレンジの大きいペルチェ素子を用いた温度制御を行うことが望ましい．具体的には，温度コントローラへの印加電圧を適切にPID制御で操作することによって共振器長を調節し，frepを時間的に安定させる．