CN101297237A - 波长变换装置 - Google Patents

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Abstract

如果要获得W级的高输出的波长变换光，波长变换元件的内部温度的上升量会变大，相位匹配波长的变动量则变得过大，难以使基本波的波长和相位匹配波长一致。为此，通过在光纤中以设定的浓度掺杂稀土类元素，吸收光纤中传播的基本波或激励光的输出的一部分，并用吸收所产生的热进行加热使光纤光栅的温度上升。由此，扩大光栅的间隔使在光纤光栅获得的基本波的波长和在波长变换元件可以变换的相位匹配波长基本上一致，从而实现能够获得W级的稳定的高输出的波长变换装置。

Description

波长变换装置
技术领域
本发明涉及一种将光纤激光器(Fiber Lasers)和波长变换元件进行组合而获得稳定的高输出的波长变换装置。
背景技术
单色性的强的高输出可见光光源，在实现大型显示器或高亮度显示器等方面是必备的。红、绿、蓝三原色中，对于红色光源，DVD刻录机等所使用的红色高输出半导体激光器可以作为生产率高的小型光源而加以利用。然而，对于绿色或蓝色的光源，在半导体激光器等中的实现较为困难，需要生产率高的小型光源。
作为这样的光源，将光纤激光器和波长变换元件组合的波长变换装置，作为低输出的可见光光源已得以实现。利用半导体激光器作为激励光纤激光器的激励光源，利用非线性光学晶体作为波长变换元件的绿色或蓝色的小型光源已为公众所知。
图25表示以往的波长变换装置10的概要结构。来自光纤激励用半导体激光器1的激光，通过透镜2与在内部形成有光栅(Grating)部6的光纤3结合。在此结合中，通过激光多次地往返，由半导体激光器1和光纤3的光栅部6构成光谐振器。由此光谐振器射出的激光，经由透镜4射入波长变换元件5而被变换为第2高谐波光，从与波长变换元件5的入射面相反的面射出。此时，由于一旦装置整体的环境温度改变，各部件的内部温度上升，因为用波长变换元件5可以变换的波长带域(wavelength band)为0.1nm左右很窄，因此入射光的波长与波长变换元件5可以变换的波长不符，存在不能从波长变换元件5获得稳定输出的问题。
为了解决此问题，提出有如下一种方式，在图25所示的例子中，随温度变动而伸缩的热敏伸缩部件7，通过固定部8和固定部9，使光纤3的光栅部6在长度方向伸缩。由此，从包含半导体激光器1和光纤3的光谐振器射出的光的波长改变，即使因波长变换元件5的温度变化导致在波长变换元件5中可以变换的入射光的中心波长发生改变，也可以追随其改变(例如，参照日本专利公开公报特开2004-165389号公报，日本专利公开公报特开2005-115192号公报)。
而且，也表示了使用温度控制电路将偏振保持型光纤的温度控制为恒定，可以从波长变换元件获得稳定的输出(例如，参照日本专利公开公报特开2005-181509号公报)。
并且，用热敏元件检测光栅部的温度，为了使波长变换元件可以变换的波长带域被包含在此检测温度下的光栅部的反射波长带域内，用珀尔贴元件(Peltier element)来控制波长变换元件的温度。由此，表示了不管环境温度等如何变化均可以获得来自波长变换元件的稳定的光输出(例如，参照日本专利公开公报特开2005-10340号公报)。
然而，在上述以往的波长变换装置中，光纤的光栅部及波长变换元件的内部相对于温度变化的波长变化的比例不同，分别为0.01nm/K、0.05nm/K。为此，如果内部温度变化很大，在光栅部被选择的波长和在波长变换元件中可以变换的波长的差距就很大。因此，在想获得数百mW以下的低输出的波长变换光时，上述以往的例子所述的方法有效，但在想获得W级的高输出的波长变换光时，尤其是波长变换元件内部的温度上升变大，则会导致波长变动量变得过大。其结果，不管是上述以往的例子中所述的那一种方法，温度的调整或波长的调整都很困难，难以获得W级的高输出。
而且，本发明的发明者们，对产生数W的高谐波时所发生的晶体的毁坏及恶化进行了深入的探讨，其结果，发现了与以往的光损伤原理完全不同的晶体的毁坏及恶化的原因。以下，对此新的晶体的毁坏及恶化的原因进行详细的说明。
由于使用了铌酸锂晶体(LN)或钽酸锂(LT)的模拟相位匹配元件(QPM-LN元件)具有比LBO晶体或KTP晶体都大的非线性光学常数，所以，高效率及高输出的波长变换是可能的。然而，由于QPM-LN元件需要在狭窄的区域聚光光能，实质上比KTP晶体更容易发生由基本波或所产生的第2高谐波导致的晶体的毁坏及恶化。
上述较大的非线性光学常数为起因，使得在获得数W的高谐波的情况下，作为基本波的红外光和被变换的绿色光(第2高谐波)的和频(sum frequency)的紫外光(第3高谐波)即使在偏离相位匹配条件时也会产生。已发现此产生的紫外光会诱发绿色光的吸收、导致绿色高输出的饱和及晶体毁坏。在本说明书中，将此紫外光(第3高谐波)的晶体毁坏称为紫外线诱发绿色光吸收(UVIGA：ultraviolet induced green light absorption)的晶体毁坏，以区别于以往的光损伤。
图26是表示采用添加了5.0mol％Mg的LiNbO3晶体的以往的波长变换元件的输入输出特征的测量值及逻辑值的示意图。另外，在图中，用于测量及计算的基本波的波长为1084nm，元件长为25mm。而且，逻辑值的计算，使用“T.Suhara andM.Fujimura：Waveguide Nonlinear-Optic Devices(Springer，Berlin，2003)p.208.中所记述的方法，变换效率等使用了各元件所对应的值。
如图26所示，在采用添加了5.0mol％Mg的LiNbO3晶体的以往的波长变换元件中，逻辑值的输入输出特征为曲线CR，输入和输出基本上成比例。另一方面，测量值的输入输出特征为曲线CE，在绿色光输出不足1W的区间r1中，曲线CR和曲线CE基本上一致，但是，在绿色光输出为1W以上的区间r2中，曲线CE偏离曲线CR，绿色光输出降低，在绿色光输出为1.75W以上的区间r3中，曲线CE偏离曲线CR很远，绿色光输出变得不稳定。根据此结果，得知在以往的波长变换元件中，如果其输出为1W以上，则会明显地产生紫外光诱发绿色光吸收。
虽然基于元件也会有所不同，但是，在产生绿色光时，在产生1W以上的输出时开始产生紫外光诱发绿色光吸收的晶体毁坏，在产生短波长的蓝色光的情况下，如果晶体毁坏的阈值降低并变为0.1W以上，则开始产生紫外光诱发绿色光吸收的晶体毁坏。这样，由于紫外光诱发绿色光吸收也会导致波长变动量变得过大，波长变换光的输出降低，因而难以获得W级的高输出。
发明内容
本发明的目的在于提供一种即使环境温度改变也能够从波长变换元件稳定地获得高输出的波长变换光的波长变换装置。
本发明提供的波长变换装置包括：激光谐振器，通过光学地连接包含激光活性物质并形成有两个光纤光栅的光纤和向上述光纤射入激励光的激光光源而构成；波长变换元件，将由上述激光谐振器射出的激光的基本波变换为高谐波，其中，上述光纤光栅包含位于上述激光光源侧的第一光纤光栅和位于上述波长变换元件侧的第二光纤光栅，上述第二光纤光栅的温度根据从上述波长变换元件输出的高谐波的输出而被调整。
在上述的波长变换装置中，因为波长变换元件侧的第二光纤光栅的温度根据从波长变换元件输出的高谐波的输出而被调整，所以，与以往相比，可以使第二光纤光栅的温度大幅度上升，使基本波的波长大幅度移动(shift)。其结果，因为可以使基本波的波长移动而不偏离波长变换元件可以变换的波长，所以，可以从波长变换元件稳定地获得高输出的波长变换光。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施例的波长变换装置的结构的概要图。
图2是表示本发明的第二实施例的波长变换装置的结构的概要图。
图3是表示本发明的第三实施例的波长变换装置的结构的概要图。
图4是图3所示的光纤的光纤光栅的附近沿着光轴剖面扩大的概要结构剖视图。
图5是表示相对于基本波的输出的通常的光纤光栅中的温度上升量和第三实施例的光纤光栅中的温度上升量的测量结果的图。
图6是表示第三实施例中的相对于基本波的输出的光纤光栅中的反射波长变化量和波长变换元件中的相位匹配波长变化量的测量结果的图。
图7是双包层结构的光纤的光纤光栅的附近沿着光轴剖面扩大的概要结构剖视图。
图8是本发明的第四实施例的波长变换装置所使用的光纤的光纤光栅的附近沿着光轴剖面扩大的概要结构剖视图。
图9是本发明的第四实施例的波长变换装置所使用的其它的光纤的光纤光栅的附近沿着光轴剖面扩大的概要结构剖视图。
图10是表示本发明的第五实施例的波长变换装置的结构的概要图。
图11是图10所示的波长变换装置的光纤光栅及波长变换元件的附近扩大的概要图。
图12是主要表示本发明的第六实施例的波长变换装置的连接光纤光栅和波长变换元件的光学系统的结构的概要图。
图13是表示本发明的第七实施例的波长变换装置的结构的概要图。
图14是表示在本发明的第七实施例所使用的光纤形成的光纤光栅的区域的附近的详细结构的示意图。
图15是表示相对于基本波的输出的波长变换元件的相位匹配波长变化量及温度上升幅度的测量结果的图。
图16是表示本发明的第九实施例的波长变换装置的结构的概要图。
图17是表示本发明的第十实施例的波长变换装置的结构的概要图。
图18是表示波长变换元件的温度降低时的相位匹配波长的变化的模式图。
图19是表示波长变换元件的温度上升时的相位匹配波长的变化的模式图。
图20是用于说明图17所示的判断电路的光纤光栅的温度控制处理的流程图。
图21是通过多个珀尔贴元件进行波长变换元件的温度控制时的结构图。
图22是表示从波长变换元件的入射面开始的距离和SHG输出的关系的示意图。
图23是用多个珀尔贴元件温度控制波长变换元件时的绿色光的输出特征的测量结果示意图。
图24是在SHG功率恶化的射出面附近配置了两个珀尔贴元件时的结构图。
图25是以往的波长变换装置的概要结构图。
图26是表示使用了添加5.0mol％Mg的LiNbO3晶体的以往的波长变换元件的输入输出特征的测量值及逻辑值的示意图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的各实施例的波长变换装置进行说明。另外，对相同的部分标注同样的符号，有时也会对附图中标注了同样的符号的部分省略其说明。
(第一实施例)
图1是表示本发明的第一实施例的波长变换装置的结构的概要图。图1所示的波长变换装置包括：光纤激光器20；透镜26；波长变换元件27；分束器28；受光元件29，输出控制器30及激励用激光电流源31。光纤激光器20包括用于向光纤14射入激励光的激光光源21和在内部形成有光纤光栅22及光纤光栅25的光纤14。
首先，对光纤激光器20的基本的激光动作进行说明。如图1所示，来自激光光源21的激励光从光纤14的一端射入。射入的激励光被光纤14中包含的激光活性物质吸收后，在光纤14的内部产生基本波的种光(seed light)。此基本波的种光，以在光纤14中形成的光纤光栅22和光纤光栅25为一对反射镜的激光谐振器中多次反射往返。与此同时，种光被光纤14中包含的激光活性物质放大强度增加，激光开始振荡。另外，激光光源21被激励用激光电流源31电流驱动。
其次，对图1所示的波长变换装置的基本动作进行说明。如上所述，激光从光纤激光器20输出，激光经由透镜26射入波长变换元件27。来自光纤激光器20的激光成为基本波，此基本波通过波长变换元件27的非线性光学效应被变换为高谐波。此被变换的高谐波，在分束器28被部分反射，而透过的高谐波则成为波长变换装置的输出光。
被分束器28部分反射的高谐波，为了监控波长变换装置的输出光，由受光元件29接收并被变换为电信号而加以利用。为了使此被变换的信号的强度成为可以从波长变换装置获得所期望的输出的强度，输出控制器30控制激励用激光电流源31，调整对激光光源21的驱动电流。这样，来自激光光源21的激励光的强度被调整，光纤激光器20的基本波的输出强度被调整，作为其结果，从波长变换装置输出的波长变换光的输出强度被调整。由此，波长变换装置的输出强度保持为恒定，即所谓自动功率控制(以下，简称为“APC”)稳定地进行动作。
其次，对图1的波长变换装置输出可见光的绿色激光的方法进行详细的说明。在光纤激光器20的光纤14的内层部分(core part)，作为激光活性物质的稀土类元素Yb，被以10000ppm的浓度掺杂。作为光纤激励用的激光光源21，使用了波长为195nm、最大输出为30W的半导体激光器。如果来自激光光源21的激励光射入光纤14，激励光在内层部分被吸收，利用内层部分的Yb的能级，从光纤14产生波长为1060nm左右的诱导放出(inducedemission)。此1060nm左右的诱导放出光被激光活性物质放大进入光纤14，成为基本波。而且，将光纤光栅22和光纤光栅25作为激光谐振器的反射镜，通过让基本波在这些反射镜之间往返，波长的选择得以进行。此时的光纤光栅22和光纤光栅25的反射波长带域幅度分别被设定为1～5nm、0.1nm。因此，基本波的波长带域为0.1nm，从光纤激光器20输出此基本波。
从光纤激光器20输出的1060nm左右的基本波经由透镜26射入波长变换元件27。波长变换元件27是将射入的光变换为第2高谐波而输出的元件，在此使用了长度为10mm的周期极化反转(cyclic polarization inversion)MgO:LiNbO3晶体。在此，称在波长变换元件27中可以变换为高谐波的波长为相位匹配波长(phase matching wavelength)，在本实施例中，在25℃下被设定为1060nm左右。因此，光纤激光器20的基本波的波长约为1060nm与相位匹配波长一致，基本波在波长变换元件27被变换为第2高谐波，成为作为1/2的波长的530nm左右的波长的绿色激光而从波长变换装置输出。另外，一般情况下，由于波长变换元件27的相位匹配波长随元件的温度而敏感地发生改变，因而以0.01℃的精度对其进行温度控制。尽管其图示被省略，但在本实施例中，也可以在波长变换元件27中安装珀尔贴元件，波长变换元件27的温度以0.01℃的精度得以控制。这样，用光纤激光器20的基本波的输出为不到3～4W，即可以获得数百mW的绿色激光。
然而，如果想要从波长变换装置获得更高输出的数W以上的绿色激光，就难以使光纤激光器20的基本波的波长和波长变换元件27的相位匹配波长一致。即，如果射入波长变换元件27的基本波的输出超过3～4W，波长变换元件27的内部温度就急剧地上升。而且，一般情况下，光纤光栅和波长变换元件相对于内部温度的波长变化的比例分别为0.01nm/K、0.05nm/K。据此，与基本波为不到3～4W的低输出时相比较，如果基本波为超过5～10W的状态，基本波的波长的基于温度上升的移动量和相位匹配波长的基于温度上升的移动量的差距就很大。而且，其移动量超过了用珀尔贴元件可以精密地温度控制波长变换元件27的范围。
在此，通过使选择基本波的波长的光纤光栅25的内部温度进一步上升而使光纤光栅25热膨胀，来扩大光栅的间隔。通过如此处理，增大基本波的波长的移动量，使基本波的波长的移动量和相位匹配波长的基于温度上升的移动量相一致。为此，有必要加热图1的光纤光栅25使内部温度上升。
在本实施例中，为了在光纤14吸收基本波或激励光的一部分，进行稀土类元素的掺杂，加热光纤光栅25。即，在光纤14的包层(Clad)部，稀土类元素Yb以20000～30000ppm的浓度掺杂。利用此Yb的能级，基本波的漏出光或激励光的一部分被吸收而产生热，光纤光栅25被加热从而内部温度上升。
另外，在光纤14的内层部分，如以前所述那样，用于吸收激励光使基本波产生的作为激光活性物质的稀土类元素Yb以10000ppm的浓度掺杂。因为在此光纤14的内层部分的稀土类元素Yb中，主要是从激励光产生基本波，所以，光纤光栅25的加热效果很小。
如上所述，在本实施例中，因为在光纤14的包层部稀土类元素Yb以20000～30000ppm的浓度掺杂，所以，可以吸收激光的基本波或激励光的输出的一部分，并以吸收所产生的热加热使光纤光栅的温度上升。在此，由于从波长变换元件27输出的绿色激光的输出的大小与从光纤激光器20输出的基本波的输出的大小成比例，所以吸收激光的基本波或激励光的输出的一部分所产生的热量与绿色激光的输出的大小成比例，光纤光栅25的温度按照从波长变换元件27输出的绿色激光的输出被进行调整。其结果，因为与以往相比可以使光纤光栅的温度大幅度上升而使光栅的间隔更大，所以，使基本波的波长大幅度移动而不偏离在波长变换元件27中可以变换的波长，从而可以获得稳定的W级的高输出。
另外，为了加热而被掺杂于光纤中的稀土类元素最好是选自于Nd、Er、Dy、Pr、Tb及Eu的至少一种，此稀土类元素最好以1000～3000ppm的浓度掺杂。这样，通过以设定的浓度掺杂所选择的稀土类元素，可以更有效地加热光纤光栅。
而且，稀土类元素也可以是选自于Yb、Ce、Tm、Ho、Gd、Y及La的至少一种，此稀土类元素最好以20000～30000ppm的浓度掺杂。这样，通过以设定的浓度掺杂所选择的稀土类元素，也可以更有效地加热光纤光栅。
而且，从波长变换元件27射出的高谐波是波长为510～550nm的绿色光，绿色光的输出最好在1W以上，而在1.5W以上更好。这时，即使在如图26所示，由于紫外光诱发绿色光吸收导致绿色光的输出降低的情况下，也可以使波长变换后的绿色光的输出增加到没有紫外线诱发绿色光吸收所导致的输出降低时的W级的高输出。
从波长变换元件27射出的高谐波也可以是波长为440～490nm的蓝色光，蓝色光的输出最好在0.1W以上，而在0.15W以上更好。这时，即使在紫外光诱发绿色光吸收导致蓝色光的输出降低的情况下，也可以使波长变换后的蓝色光的输出增加到没有紫外线诱发绿色光吸收所导致的输出降低时的高输出。关于上述的点，在其它的实施例中也相同。
(第二实施例)
图2是表示本发明的第二实施例的波长变换装置的结构的概要图。上述所说明的光纤激光器20，如图1所示，使用了在光纤14内部形成有一组光纤光栅22和光纤光栅25的光纤。另一方面，在本实施例中，如图2所示，以连接部16光学地连接在其一部分形成有光纤光栅22的光纤15和在其一部分形成有光纤光栅25的光纤24而构成一体的装置被用于光纤激光器20a。这样，在光纤激光器20a中，能够以最适合的结构分别做成将激励光高效率地变换为基本波的光纤15和高效率地加热选择基本波的波长的光纤光栅25的光纤24，可以作为一体化的光纤使用。
即，在光纤15的内层部分，作为激光活性物质的稀土类元素Yb以10000ppm的浓度掺杂，在光纤24的内层部分和包层部分，为了光纤光栅25的加热，稀土类元素Yb以20000～30000ppm的浓度掺杂。与图1的光纤14相比较，由于在激励光被变换为基本波的光纤15中，没有在包层部分掺杂稀土类元素，所以，在包层部分不吸收基本波的漏出光或激励光。因此，能够以光的吸收损耗较少的状态将激励光高效率地变换为基本波。并且，光纤24与光纤14相比较，由于内层部分的稀土类元素Yb的掺杂浓度可以达到2～3倍，所以，可以更为高效率地加热光纤光栅25。
(第三实施例)
图3是表示本发明的第三实施例的波长变换装置的结构的概要图。在本实施例中，如图3所示，用连接部16和连接部17光学地连接在其一部分形成有光纤光栅22的光纤19、含有激光活性物质的光纤23和在其一部分形成有光纤光栅25的光纤24。这样构成了一体的光纤被用于光纤激光器20b。这样，在光纤激光器20b中，能够最适合的结构分别做成将激励光高效率地变换为基本波的光纤23和高效率地加热选择基本波的波长的光纤光栅25的光纤24，可以作为一体化的光纤使用。而且，因为光纤19没被掺杂稀土类元素，所以几乎没有光的吸收的损耗。
例如，在光纤23的内层部分，作为激光活性物质的稀土类元素Yb以10000ppm的浓度掺杂，在光纤24的内层部分和包层部分，为了光纤光栅25的加热，稀土类元素Yb以20000～30000ppm的浓度掺杂。与光纤光栅25相比，由于在光纤光栅22的波长选择性不强的情况下，不需要在光纤19中掺杂稀土类元素，所以没有掺杂稀土类元素。
在上述所说明的图3的光纤激光器20b的结构中，与图2中的光纤激光器20a的结构相同的效果可以对比图1的光纤激光器20而获得。即，与图1的光纤14相比较，由于在激励光被变换为基本波的光纤23中，没有在包层部分掺杂稀土类元素，所以，在包层部分不吸收基本波的漏出光或激励光。因此，能够以光的吸收损耗较少的状态将激励光高效率地变换为基本波。并且，光纤24与光纤14相比，由于内层部分的稀土类元素Yb的掺杂浓度可以达到2～3倍，所以，能够更为高效率地加热光纤光栅25。而且，因为光纤19中没有掺杂稀土类元素，所以，也不会产生像基本波或者激励光的一部分被吸收而变成热那样的损耗。
而且，在本实施例中，在光纤中掺杂的稀土类元素做如下变更也可以。在光纤23中，作为激光活性物质，在内层部分以10000ppm的浓度掺杂稀土类元素Yb。成为光纤激光器20b的激光谐振器的一组反射镜的光纤光栅22和光纤光栅25的反射波长带域幅度分别为1nm、0.1nm，光纤光栅25中的波长选择性增强。因为不需要加热光纤光栅22，所以，在内部形成有光纤光栅22的光纤19没有掺杂稀土类元素。在有效地加热进行基本波的波长选择的光纤光栅25的光纤24中，为了吸收基本波或激励光的一部分而进行掺杂。即，向光纤24的内层部及包层部掺杂的稀土类元素为Nd，其添加浓度为1000～3000ppm。
图4表示图3的光纤24的光纤光栅25的附近沿着光轴剖面扩大的概要结构剖视图。
光纤24的内层部分42和包层部分43，被掺杂有1000～3000ppm的比例的稀土类元素Nd。通过此稀土类元素的掺杂，吸收基本波或激励光的能级(level)得以形成。另外，光纤24的包层部分43的外侧被覆盖部44覆盖。通过光纤23的激光活性物质振荡的激光，作为波长变换装置的基本波也在光纤24传播。在图4中，在光纤24传播的基本波45和激励光46，根据由稀土类元素所形成的能级，其一部分被吸收而变成热。特别是在光纤光栅25的附近产生的热，直接加热光纤光栅25使温度上升。如果产生温度上升，形成有光纤光栅25的内层部分42就热膨胀，光栅的间隔扩大，基本波的波长则向长波一侧移动。
在通常的光纤放大器或光纤激光器的结构中，因为没有加热光纤光栅25的目的，所以，不用因加热目的而在光纤的内层部分或包层部分掺杂稀土类元素。在本实施例中，因为以加热光纤光栅25为目的而掺杂稀土类元素，所以，加热引起的温度上升量较大。因此，与通常的光纤激光器等结构相比较，基本波的波长向长波一侧大幅度移动。如果利用此稀土类元素的掺杂所产生的内部加热效果，则可以从波长变换装置获得高输出的数W以上的绿色激光。以下对其原因进行说明。
在通常的光纤激光器的结构中，如果基本波成为超过5～10W的状态，基本波的波长的基于温度上升的移动量和相位匹配波长的基于温度上升的移动量的差距就很大。但是，如果利用稀土类元素的掺杂所产生的内部加热效果，则可以使光纤光栅25的温度上升量比通常情况增大数倍，甚至多一位数。这样，可以使光纤光栅25中的基本波的波长的移动量和波长变换元件27的相位匹配波长的移动量基本上一致。
其结果，通过用波长变换元件27中所安装的珀尔贴元件等温度控制装置微调温度，使基本波的波长的移动量和相位匹配波长的移动量相一致，从而可以稳定地获得高输出的数W以上的绿色激光。
并且，为了提高波长变换元件27中的变换效率，射入波长变换元件27的基本波的输出最好为直线偏振光。在本实施例中，光纤19、光纤23及光纤24全部使用偏振保持型光纤，从光纤激光器20b射向波长变换元件27的基本波的输出为直线偏振光。另外，光纤19、光纤23及光纤24中的任何一个光纤可以是不为偏振保持型的通常的光纤，也可以通过在光纤激光器20b中插入偏振器(Polarizers)将基本波的输出作为直线偏振光。
相对于基本波的输出的通常的光纤光栅中的温度上升量L1和本实施例的光纤光栅25中的温度上升量L2的测量结果由图5来表示。通常的光纤光栅的温度上升量L1与基本波的输出成比例地增加。另一方面，在本实施例中，基本波的输出到4W左右为止的光纤光栅25的温度上升量L2以比通常稍低的倾斜度成比例地增加。当基本波的输出超过4.5W左右，温度上升量L2则随着基本波的输出的增加而急剧地增加。关于其原因，考虑了如果基本波的输出超过4.5W左右，在光纤中掺杂了稀土类元素的效果就明显地出现的结果。此效果特别是在光纤24的内层部分以1000～3000ppm的浓度掺杂了稀土类元素Nd时较为明显。
相对于基本波的输出的光纤光栅25中的反射波长变化量L3和波长变换元件27中的相位匹配波长变化量L4的测量结果由图6来表示。由图5中的相对于基本波的输出的光纤光栅25的温度上升量反映的反射波长变化量为图6中的图表。因此，可以得知图5所示的光纤光栅25的温度上升量L2和图6所示的光纤光栅25的反射波长变化量L3，相对于基本波的输出表示相同的变化。
而且，相对于基本波的输出的波长变换元件27中的相位匹配波长变化量L4，与光纤光栅25中的反射波长变化量L3相比较，也以稍大的值表示相同的变化的倾向。即，从图6可知，在本实施例中，光纤光栅25中的基本波的波长的移动量和波长变换元件27的相位匹配波长的移动量基本上一致。由此，通过用波长变换元件27中所安装的珀尔贴元件微调温度，使基本波的波长的移动量和相位匹配波长的移动量相一致，可以稳定地获得高输出的数W以上的绿色激光。在本实施例中，在基本波的输出为9W时，可以稳定地获得2.3W的绿色激光。
另外，在上述的各实施例中，作为光纤使用了包层部分为单一的光纤，但也可以使用双包层结构的光纤。图7表示双包层结构的光纤50的光纤光栅25的附近沿着光轴剖面扩大的概要结构剖视图。双包层结构的光纤50，两个包层部分53、57中，内侧的包层部分53具有比外侧的包层部分57更高的折射率等，可以更有效率地将激励光56关闭在内侧的包层部分53中使其在光纤50内传播。另外，外侧的包层部分57的外围被覆盖部54覆盖。
并且，为了吸收在内层部分52传播的基本波55或激励光56的一部分而加热光纤光栅25，与上述相同，可以在此包层结构的光纤50的包层部分53及包层部分57的至少其中之一中掺杂稀土类元素。根据此结构，使基本波55的波长的移动量和波长变换元件27的相位匹配波长的移动量相一致，可以稳定地获得数W以上的高输出的绿色激光。
而且，光纤19、光纤23及光纤24也可以采用作为连续的一个光纤而做成的与图1的光纤14相同的结构。不在此光纤14的包层部分掺杂稀土类元素而只在内层部分掺杂稀土类元素的情况下，如果Nd、Er、Dy、Pr、Tb及Eu的稀土类元素的至少其中之一的元素以不足1000ppm的浓度掺杂，光纤光栅25的加热效果则略微减小。在掺杂这些稀土类元素的至少其中之一的元素时，为了提高光纤光栅25的加热效果，最好在1000～3000ppm的范围进行掺杂。这时，可以获得如本实施例的图6所示的显著的加热效果。
另外，因为如果稀土类元素被掺杂到光纤中的量低于下限，吸收光的量减少，所以，光纤光栅的加热效果较少。反之，如果稀土类元素被掺杂到光纤中的量高于上限，则光纤光栅被过度加热，内部温度变得不稳定，从而不能控制波长变换装置的可见光输出。
(第四实施例)
图8是本发明的第四实施例的波长变换装置所使用的光纤的光纤光栅的附近沿着光轴剖面扩大的概要结构剖视图。图8的光纤60是通过用再次覆盖部分47，在形成有光纤光栅25的区域的包层部分43的外侧覆盖第三实施例所说明的图4的光纤24而形成的，因为本实施例的其它的结构与第三实施例相同，所以，省略其详细的说明而主要对其特征部分进行说明。
再次覆盖部分47可以用吸收基本波45或激励光46的输出的一部分的材料制成。在本实施例中，在图8的光纤60的包层部分43的周围涂敷氟类聚合物(fluorocarbon polymer)和粒子直径为数μm的光吸收体的混合物作为再次覆盖部分47。另外，作为光吸收体最好为空气等的气泡、碳、稀土类氧化物等，将其搀进氟类聚合物中占1～5体积％左右。在此情况下，被基本波45的光纤光栅25反射的光或激励光46的一部分在再次覆盖部分47被吸收。因为再次覆盖部分47作为加热部而工作，所以，光纤光栅25被加热。这样，由于在光纤光栅25产生温度上升，光栅间隔扩大，所以，基本波的波长向长波一侧移动。
此时，同时在光纤60的包层部分43掺杂了1000～3000ppm的稀土类元素的Er。除了在再次覆盖部分47的加热效果，还确认了在包层部分43吸收基本波45或激励光46的输出的一部分加热光纤光栅25的效果。
图9是本发明的第四实施例的波长变换装置所使用的其它的光纤的光纤光栅的附近沿着光轴剖面扩大的概要结构剖视图。如图9所示，也可以使用如图7所示的双包层结构的光纤，使位于形成光纤光栅25的区域的外侧的包层部分57的外围被再次覆盖部分47覆盖。图9的光纤65，在内侧的包层部分53掺杂1000～3000ppm稀土类元素Er，并且在光纤光栅25附近的外侧的包层部分57的外围形成再次覆盖部分47。
这时，也与图8的光纤60相同，除了再次覆盖部分47中的加热效果，还确认了在包层部分53吸收基本波55或激励光56的输出的一部分加热光纤光栅25的效果。
另外，图8及图9的再次覆盖部分47吸收光而发热，但可以由非易燃性材料制成。因此，选择充分地考虑了安全性的材料作为光纤60、65的材料可以获得较高的可信度。
而且，最好采用折射率在1.37～1.43的范围内的材料作为再次覆盖部分47的材料，例如，最好使用以氟类聚合物为主要成份添加了色素的材料或放入了气泡的材料。这样，因为与通常的涂层材料的折射率1.35～1.36相比折射率较高，所以，更易于吸收基本波的反射光或激励光的一部分。即，吸收基本波的反射光或激励光的一部分最适当的量，可以加热光纤光栅25。另外，如果折射率超过1.43，光纤60或光纤65过度吸收激励光而被过度加热，或激励光的损耗变得过大，因此不理想。
另外，在上述的第一至第四实施例中，对在光纤24等的内层部分使用Nd及Er进行了说明，但是，即使采用在内层部分，选自Nd、Er、Dy、Pr、Tb及Eu中的至少一种稀土类元素以1000～3000ppm的浓度掺杂，或者，选自Yb、Ce、Tm、Ho、Gd、Y及La的至少一种稀土类元素以20000～30000ppm的浓度掺杂的结构，也可以获得相同的效果。
而且，在上述的第一至第四实施例中，对在光纤24等的包层部分使用Nd及Er进行了说明，但是，如果采用在光纤24的包层部分，Nd、Er、Dy、Pr、Tb及Eu的稀土类元素中的至少一种元素以1000～3000ppm的比例掺杂，或者，Yb、Ce、Tm、Ho、Gd、Y及La的稀土类元素中的至少一种元素以20000～30000ppm的比例掺杂的结构，加热效果则更高。
如果上述的稀土类元素被掺杂在光纤中的量低于下限，则不能有效地加热光纤光栅25。反之，如果稀土类元素被掺杂到光纤中的量高于上限，则光纤光栅被过度加热，温度变得不稳定，从而不能控制波长变换装置的可见光输出。
而且，掺杂到光纤24等的内层部分或包层部分的稀土类元素，即使是多种元素的组合，也可以获得与本实施例相同的效果。而且，如果同时掺杂两种以上的稀土类元素，则形成单一的元素形成的能级之外的能级。并且，如果形成能级而使这些能级之间的能隙(EnergyGap)为1.0eV以下，此1.0eV以下的能级之间的漂移变成热能，从而可以提高光纤光栅25的加热效果。
(第五实施例)
图10是表示本发明的第五实施例的波长变换装置的结构的概要图。
图11是图10所示的波长变换装置的光纤光栅25及波长变换元件27的附近扩大的概要图。图10所示的第五实施例的波长变换装置，以包括波长变换元件27和输出作为波长变换元件27的输入的基本波输出的激光的光纤激光器20c的结构为基本结构，除了图3的结构，还通过用光纤激光器20c检测出基本波的输出的一部分，进行更高精度的波长变换后的光输出强度的控制，并且可以进行稳定的APC动作。
即，作为基本波的输出，从光纤23由耦合器(Coupler)等取出的基本波的输出的一部分32，在受光元件33被检测出并由输出控制器30a获取。或者，作为基本波的输出，由光纤光栅25反射的光被取出而成为基本波的输出的一部分34，基本波的输出的一部分34在受光元件35被检测出并由输出控制器30a获取。作为检测此基本波的输出的方法，可以对任意一种基本波的输出的一部分32、34进行检测，只要采用与此相对应的受光元件33、35即可。
并且，本实施例除了第三实施例的结构，还包括抑制波长变换元件27的温度上升的手段。由此，将波长变换元件27中的相位匹配波长的变化量抑制得较小。而且，即使波长变换装置进行W级的高输出动作时，也可以更容易地使光纤激光器20c的基本波的输出的波长和相位匹配波长稳定而基本上一致。
作为抑制波长变换元件27的温度上升的手段，用温度控制元件冷却图11所示的波长变换元件27，在此，作为温度控制元件，使用了珀尔贴元件37。通过冷却波长变换元件27，在珀尔贴元件37产生的热58传送到光纤光栅25，为此，作为波长变换元件27和光纤光栅25的保持台，使用共用的保持台38。
而且，如图11所示，为了在珀尔贴元件37产生的热不向周围扩散，共同的保持台38或光纤光栅25的保持块39，其周围被绝缘体的树脂18覆盖。这样，在图11所示的珀尔贴元件37产生的热58，经由保持台38和保持块39高效率地传送到光纤光栅25的形成区域，有效地加热光纤光栅25。
其次，对增大在图10的光纤23及光纤24产生的图11所示的基本波的输出48而从波长变换元件27获得稳定的高输出光49的情况进行叙述。与绿色激光在数百mW的低输出动作时相比较，在W级的高输出动作时，波长变换元件27的内部温度也大幅度增加，相位匹配波长也从低输出时开始大幅度变化，难以使其与入射波中的基本波的输出48的波长一致。因此，如第三实施例中所述，通过对光纤24进行稀土类元素的掺杂，光纤光栅25的温度上升至以往的数倍左右，从而使基本波的输出48的波长向长波长移动而接近波长变换元件27的相位匹配波长。
并且，为了将冷却波长变换元件27所产生的珀尔贴元件37的热58高效率地传导至光纤光栅25，保持台38由作为热的优良导体的铜制作而成，保持台38的表面全部被绝缘体的树脂18涂层以便热不从铜扩散。而且，为了高效率地将热58传导至光纤光栅25，保持块39也由黄铜制的金属或与金属具有同等的热传导率的材料制成。
这样，在从波长变换装置获得同样的高输出时，通过使热58有效地向光纤光栅25移动，可以抑制波长变换元件27的温度上升。
(第六实施例)
图12是主要表示本发明的第六实施例的波长变换装置的连接光纤光栅和波长变换元件的光学系统的结构的概要图。本实施例的基本的结构与图10所示的结构相同。与图10的区别为连接光纤激光器20c的输出光和波长变换元件27的光学系统的部分。即，在图10中，此光学系统只是透镜26，但是，在本实施例中，此光学系统为在透镜26中附加了圆柱形透镜(Cylindrical Lens)36的结构，抑制波长变换元件27的内部温度的上升。
图12表示从光纤激光器20c的输出部即光纤光栅25到波长变换装置的输出部即波长变换元件27的输出侧的结构的表面图。如图12所示，来自光纤24中形成的光纤光栅25的光纤激光器的基本波，经由透镜26和圆柱形透镜36射入波长变换元件27。射入的基本波在波长变换元件27由非线性光学效果而被变换为基本波的第2高谐波。此被变换的第2高谐波输出成为波长变换装置的输出光。
在此，圆柱形透镜36可以对应基本波的输出强度而沿着与光轴平行的方向59移动，与此移动相应，在波长变换元件27的基本波的输出的射入面中的光束的幅度69扩大。另外，关于移动，是在与按照基本波的输出大小而变化的信号相应而移动的压电元件、利用了电磁感应的透镜激励器(lens actuator)等中，安装圆柱形透镜36而进行的。即，基本波的输出为低输出时，圆柱形透镜36，沿着与光轴平行的方向59移动到波长变换元件27的端面的光束的幅度69变为最小的位置为止。
其次，与图10所示的波长变换装置相同，用受光元件33或受光元件35检测出基本波的输出的一部分32或基本波的输出的一部分34，考虑检测出了基本波的输出的增加的情况。此时，按照基本波的输出的增加量的大小，圆柱形透镜36沿着与光轴平行的方向59逐渐偏离波长变换元件27，由此扩大光束的幅度69。这样，不会使波长变换元件27中的每单位体积的光束的强度变得过大，从而可以抑制波长变换元件27的元件内部中的温度上升。
另外，此时，也可以通过检测出基本波的输出强度，按照强度的大小使压电元件的电压改变从而改变圆柱形透镜36的位置。而且，还可以是准备焦点距离不同的多个圆柱形透镜36，按照基本波的输出强度的大小置换多个圆柱形透镜36而分别使用的结构。
(第七实施例)
参照图13对本发明的第七实施例进行说明。图13是表示本发明的第七实施例的波长变换装置的结构的概要图。图13与图10的结构基本上相同，不同之处在于，光纤激光器20d的光纤光栅25和波长变换元件27，哪个都可以由作为温度控制单元的珀尔贴元件66、67进行温度控制。作为波长变换装置整体，也包含珀尔贴元件66、67在内，各个动作由输出控制器30b控制。
在本实施例中，在受光元件29检测出波长变换装置的输出的一部分，在受光元件33、35检测出基本波45的输出。而且，以波长变换装置的环境温度为参数，预先测量表示基本波的输出和波长变换装置的输出的关系的数据以及相对于基本波的输出的基本波的波长的移动量或相位匹配波长的移动量的数据，以其数据作为表格将其预先存储到输出控制器30b。为了以这些表格数据为基础，使波长变换元件27中的变换效率变为最大，在输出控制器30b的控制下用珀尔贴元件66加热光纤光栅25，或者用珀尔贴元件67冷却波长变换元件27。此结果，最终使基本波的输出波长的移动量和相位匹配波长的移动量之差为0，从而能够获得稳定的W级的高输出动作。
而且，作为图13的光纤24，可以使用图14所示的光纤70。图14是表示光纤70中形成的光纤光栅25的区域的附近的详细结构的示意图，表示用保持部件63保持光纤光栅25的附近的光纤70的结构。另外，此保持部件63通过粘接剂64而被粘接固定在光纤70的覆盖部44上。
保持部件63吸收基本波45中被光纤光栅25反射的光或激励光46的漏出光而发热。而且，因为在发热时，保持部件63的热膨胀系数比光纤的内层部分42及包层部分43的热膨胀系数大，所以，保持部件63通过热膨胀介于粘接剂64向图14所示的左右方向61拉拽光纤70的覆盖部44。因此，光纤光栅25被施加向外侧的方向62的拉伸应力(tensile stress)。这样，因为光栅的间隔变大，所以，基本波45的波长向长波一侧移动。
在想从以往的波长变换装置获得W级的输出时，因为波长变换元件的内部温度大幅度上升而相位匹配波长大幅度变化，所以，难以使其与射入的基本波的波长一致，稳定的高输出动作也比较困难。然而，在采用了光纤70时，通过上述的保持部件63中的应力的效果和对光纤70掺杂最适当的稀土类元素而产生的光纤光栅25的加热效果，使光栅的间隔变大，基本波45的波长向长波一侧移动。其结果，可以减小基本波的波长的移动量和相位匹配波长的移动量之差。
另外，图14的保持部件63用非易燃性材料制成，光纤70选择了充分地考虑了安全性的材料。而且，在图14的光纤70的包层部分43的外侧，光纤光栅25形成的区域没有被覆盖，但是，可以在此部分设置再次覆盖部分。
(第八实施例)
在本发明的第八实施例中，基于预先存储的表格数据控制波长变换后的激光输出。因为第八实施例的波长变换装置整体的结构与图13所示的结构相同，所以省略其图示，用图13对控制动作进行说明。
在本实施例中，波长变换装置的输出光可以由受光元件29检测，基本波的输出的一部分32、34可以由受光元件33、35检测，至少要使用其中之一。而且，光纤24的光纤光栅25和波长变换元件27可以分别由珀尔贴元件66、67进行温度控制。上述的受光元件29、33、35和珀尔贴元件66、67全部与输出控制器30b连接，全体被控制。
通常，因为相对于基本波的输出的光纤光栅中的反射波长变化量以0.01nm/K的变化而改变，所以，如果基本波的输出为5～10W，波长变换元件的内部温度上升，以0.05nm/K的变化而改变的波长变换元件的相位匹配波长的变化量则变得非常大，导致调整困难。
因此，在本实施例中，如第三至第七实施例所示，通过在光纤24的内层部或包层部等掺杂稀土类元素吸收基本波的输出或激励光的一部分，加热光纤光栅25，使内部温度上升。其结果，即使基本波的输出为5～10W左右，因为与以往相比光纤光栅形成的区域的内部温度上升，所以，光纤光栅25中的反射波长变化量如图6所示可以得到比以往还大的变化。
这样，即使基本波的输出为5～10W，波长变换元件27的相位匹配波长变化量和光纤光栅25的反射波长变化量，如图6所示，成为相对于基本波的输出的基本上相同的变化量。而且，通过用珀尔贴元件66、67进行温度控制，可以将在光纤光栅25选择的基本波的波长与波长变换元件27的相位匹配波长准确地进行匹配。其结果，大约1060nm的红外基本波被波长变换元件27变换为第2高谐波，可以获得530nm的绿色的W级的高输出光。
为了使动作更稳定，预先测量基本的数据并进行表格化较为有效。即，以环境温度为参数，取得相对于基本波的输出的光纤光栅25中的反射波长变化量。同时以环境温度为参数，取得相对于基本波的输出的光纤光栅27中的相位匹配波长变化量。将这些数据表格化并预先输入使其预先存储到图13的输出控制器30b。然后，检测出波长变换装置的基本波的输出，参照表格化的数据对光纤光栅25和波长变换元件27进行高精度的温度控制，由此可以获得稳定的可见光的W级的光输出。
而且，在进行上述的温度控制时，如图15所示，不仅预先取得相对于基本波的输出的波长变换元件27的相位匹配波长变化量L5，也预先取得相对于基本波的输出的波长变换元件27的温度上升幅度L6等数据，作为被存储的数据最好预先进行表格化，可以参照表格化的数据对光纤光栅25和波长变换元件27进行更高精度的温度控制。
(第九实施例)
图16是表示本发明的第九实施例的波长变换装置的结构的概要图。第九实施例的波长变换装置在波长变换元件27的保持台具有温度传感器68，用珀尔贴元件66等对光纤光栅25进行温度控制。即，在本实施例中，代替控制第七实施例所示的波长变换元件27的珀尔贴元件67，由温度传感器68检测波长变换元件27的温度。如果是这样的结构，如图15所示，可以把握相对于基本波的输出的波长变换元件27的相位匹配波长变化量和元件温度上升幅度。如果可以把握这些量，则可以对波长变换元件27的相位匹配波长匹配其入射波中的基本波的波长。因为此基本波的波长通过控制光纤光栅25的温度的珀尔贴元件66而被高精度地控制，所以，如上所述，本波长变换装置可以稳定地输出W级的可见光激光。
(第十实施例)
图17是表示本发明的第十实施例的波长变换装置的结构的概要图。图17所示的波长变换装置包括：光纤激光器20e、透镜26、波长变换元件27、分束器28、受光元件29、输出控制器30c、激励用激光电流源31及珀尔贴元件66、67。另外，输出控制器30c，也控制珀尔贴元件67以使波长变换元件27的温度为恒定，但是，在不进行波长变换元件27的温度控制时，省略珀尔贴元件67也可以。
光纤激光器20e包括用于向光纤14a射入激励光的激光源21和在内部形成有光纤光栅22及光纤光栅25的光纤14a。在光纤14a的内层部分，作为激光活性物质的稀土类元素Yb以10000ppm的浓度掺杂，而在包层部没有掺杂稀土类元素。而且，光纤光栅25的温度由珀尔贴元件66控制。除此之外，光纤激光器20e与图1所示的光纤激光器20的结构相同，进行同样的动作。
输出控制器30c包括：A/D转换器71、判断电路72、D/A转换器73、PWM信号发生器74、电流-输出值表75以及寄存器(Registers)76。输出控制器30c使用珀尔贴元件66控制光纤光栅25的温度。另外，也可以按照需要设置测量波长变换装置内的指定部位的温度的热敏电阻。
电流-输出值表75中，预先存储了在出厂时的每个设定值，与提供给激光光源21的电流值相对应的绿色光的输出值以表格形式被存储，这些值成为进行控制时的基准值。寄存器76可以用于临时存储控制时所使用的电流值及输出值。
本波长变换装置应该输出的绿色光的输出值，按照作为外部信号的光量控制信号LC而决定。电流-输出值表75接收光量控制信号LC，将根据光量控制信号LC而设定的绿色光的输出值通知到判断电路72。判断电路72具有微电脑等，参照电流-输出值表75，将与根据光量控制信号LC而设定的输出值对应的电流值经由D/A转换器73通知到激励用激光电流源31，
受光元件29接收被分束器28部分反射的绿色光，并按照接收的绿色光的大小，将作为电压信号的输出检测信号输出到A/D转换器71。A/D转换器71将模拟形式的输出检测信号变换为数字形式的输出检测信号输出到判断电路72。判断电路72按照输出检测信号，使用珀尔贴元件66控制光纤光栅25的温度。
其次，对判断电路72的光纤光栅25的温度控制进行说明。图18是表示波长变换元件27的温度降低时的相位匹配波长的变化的模式图，图19是表示波长变换元件27的温度上升时的相位匹配波长的变化的模式图。
首先，在装置启动后的待机状态中，判断电路72指示PWM信号发生器74输出用于将光纤光栅25的温度设为待机温度的PWM信号，PWM信号发生器74使用珀尔贴元件66将光纤光栅25的温度调整为待机温度。在此，作为待机温度，例如，可以使用高谐波强度为峰值的相位匹配温度的85～95％且比相位匹配温度还低的温度。
如上所述，光纤光栅25的温度被控制为待机温度，在从波长变换元件27输出的绿色光为峰值输出的85～95％的待机位置输出绿色光时，如果波长变换元件27的温度降低，如图18所示，相对于绿色光的输出的相位匹配波长的特征曲线，如箭头A1所示，从实线向虚线变化向图中的左侧即短波长侧移动。在此，若上述的待机位置为点P1时，如箭头A2所示，绿色光的输出向点P2移动而上升。此时，如果使光纤光栅25的温度降低，基本波的波长向短波长侧移动，则如箭头A3所示，绿色光的输出向点P3移动而成为与点P1相同的输出，可以使输出复原。
另一方面，如果在上述的待机位置输出绿色光时，波长变换元件27的温度上升，如图19所示，相对于绿色光的输出的相位匹配波长的特征曲线，如箭头A4所示，从实线向虚线变化向图中的右侧即长波一侧移动。在此，上述的待机位置为点P4时，如箭头A5所示，绿色光的输出向点P5移动而降低。此时，如果使光纤光栅25的温度上升，基本波的波长向短波长侧移动，则如箭头A6所示，绿色光的输出向点P6移动而成为与点P4相同的输出，可以使输出复原。
如上所述，通过将波长变换元件27的相位匹配波长设定在待机位置，可以监视动作时的环境温度。即，可以得知波长变换元件27的相位匹配波长在待机位置时，如果绿色光的输出上升，环境温度则降低，如果绿色光的输出降低，环境温度则上升，由此能够以此输出值为基础控制光纤光栅25的温度。
图20是用于说明图17所示的判断电路72的光纤光栅25的温度控制处理的流程图。首先，在步骤S1中，判断电路72从电流-输出值表75取得按照光量控制信号LC决定的绿色光的输出值，介于D/A转换器73，控制激励用激光电流源31的电流值，以使波长变换元件27的输出值成为所取得的输出值。
其次，在步骤S2中，判断电路72确认激励用激光电流源31的电流值是否在规定的使用可能的范围内，并由从受光元件29输出的输出检测信号判断绿色光的输出值是否改变，当绿色光的输出值发生改变而降低时，则转移至步骤S3的处理，在上升时处理转移至步骤S5的处理。另一方面，在绿色光的输出值没有改变的情况下，反复进行步骤S1以后的处理，与光量控制信号LC相应的绿色光予以输出。
在绿色光的输出值降低时，在步骤S3中，判断电路72为了使流经珀尔贴元件66的平均电流值增加而对PWM信号发生器74进行指示，PWM信号发生器74使珀尔贴元件66的温度降低冷却光纤光栅25。其次，在步骤S4中，判断电路72检查激励用激光电流源31的电流值是否在规定的使用可能的范围内，并由从受光元件29输出的输出检测信号检查绿色光的输出值。
另一方面，在绿色光的输出值上升时，在步骤S5中，判断电路72为了使流经珀尔贴元件66的平均电流值减少而对PWM信号发生器74进行指示，PWM信号发生器74使珀尔贴元件66的温度上升加热光纤光栅25。其次，在步骤S5中，判断电路72检查激励用激光电流源31的电流值是否在规定的使用可能的范围内，并由从受光元件29输出的输出检测信号检查绿色光的输出值。
在步骤S4或S5的处理结束之后，判断电路72将实行上述处理之后的相对于绿色光的输出值的激励用激光电流源31的电流值和初始电流值进行比较，两者之差在规定的范围内时，继续步骤S1以后的处理，两者之差不在规定的范围内时，继续步骤S3、S5以后的处理。
根据上述的处理，在本实施例中，因为可以按照绿色光的输出值加热光纤光栅25，所以，可以使相位匹配波长的温度上升的移动量和基本波的波长的移动量相一致，从而能够从波长变换元件27稳定地获得W级的高输出的绿色光。
而且，在本实施例中，以珀尔贴元件67来控制波长变换元件27的温度，但是，由于波长变换元件27的温度上升，波长变换光的输出侧比基本波的输入侧大，所以，如下所述，可以使用多个珀尔贴元件代替珀尔贴元件67，对波长变换元件27的输入侧的部分和输出侧的部分分别进行温度控制。
图21是使用多个珀尔贴元件进行波长变换元件的温度控制时的结构图。如图21所示，在波长变换元件27的光的传播方向配置有多个珀尔贴元件110、111。波长变换元件27中，周期状的极化反转区域102予以形成，极化反转区域102通过电场施加法制作而成。
波长变换元件27的电路板的厚度为1mm，极化反转区域102沿着电路板晶体的Y轴而形成。而且，极化反转区域102从电路板的+Z面开始朝向-Z面而形成。极化反转周期Λ为6.97μm，可以将波长1064nm的光(Nd:YAG激光)波长变换为波长532nm的绿色光。
在波长变换元件27的表面，为了散热，介于散热剂108粘贴了两枚铜板109，并且，还介于散热剂108在两枚铜板109上粘贴了珀尔贴元件110、111。作为用于控制波长变换元件27的温度的调温控制元件，使用两个珀尔贴元件110、111，珀尔贴元件110及珀尔贴元件111配置成沿光的传播方向排列，各自可以在独立的温度下进行控制。
图22是表示从波长变换元件27的射入面106开始的距离和SHG输出的关系的示意图。例如，在波长变换元件27中，在将波长1064nm的基本波变换为波长532nm的SHG(高谐波)时，如果基本波的输入为10W，基本波的聚光直径为φ33μm，基本波的射束质量为基本理想的状态的高斯(Gaussian)分布，则在波长变换元件27的长度为10mm时，从波长变换元件27的射入面106开始在大约7mm的位置，SHG的强度超过1.5W。SHG波长532nm时的P(恶化)值约为1.5W。因此，作为波长变换元件27的温度控制，在元件长度方向自射出部附近的射出面开始的3mm以内的范围内，靠近地设置进行温度控制的珀尔贴元件111，通过温度控制，可以大幅度增加波长变换元件27的变换效率。
图23表示用珀尔贴元件110、111温度控制具有上述结构的波长变换元件27时绿色光的输出特征的测量结果。如图23所示，SHG输出在1.5W以下时的变换效率为3％/W，即使SHG输出成为1.5W以上，也不产生平方特征的恶化、输出的不稳定化及变换效率的降低，从而可以在稳定的输出下获得高质量的光束波面(beam profile)。
另外，在本例中，为了避免在传播方向产生的温度分布，在温度上升显著出现的射出面107附近配置一个珀尔贴元件111进行温度控制，但是，珀尔贴元件在SHG功率恶化的射出面107附近配置两个以上也可以。如图24所示，在热产生集中的波长变换元件27的射出面107附近，配置多个珀尔贴元件211、212，以便使元件温度配合传播方向的温度分布成为恒定。珀尔贴元件的配置方法，只要温度分布能被抑制，则不只限于这些配置方法。
而且，由珀尔贴元件单独控制射出面107附近的长度最好为全长的1/2以下。在散装(bulk)型的波长变换元件的情况下，聚光点成为晶体的中央，在设定基本波的聚光特征以使基本波的射束直径在晶体两端成为最大时，变换效率变为最大。此时，元件内的SHG强度，在射出面为元件中央部的功率的大约3倍。由实验的结果可知，如果最大输出为变换效率恶化的P(恶化)的3倍以上，则产生光吸收所导致的晶体毁坏。为此，由于即使将在射出面107附近单独进行温度控制的长度设为元件长度的一半以上，也不能获得输出光的增加，因此最好使其长度为元件长度的一半以下。
本例的温度调整方法，不特别限定于上述的例子，也可以使波长变换元件的射出面附近的SHG输出及SHG功率密度为最大的部位散热特征良好，而且，也可以通过加热没有发生SHG的功率恶化的部分来抑制元件温度分布，使得波长变换元件的射出面附近的SHG输出及SHG功率密度为最大的部位的温度取得一致。
另外，在上述的各实施例中，是以波长变换装置的输出为530nm的绿色激光进行了说明，但也可以是波长变换装置的输出的波长为包含了400～900nm的可见光区域的从紫外区域到红外区域的波长，如果光纤激光器的波长也是800～1800nm的波长，则可以获得与上述的各实施例所述的内容相同的效果。而且，上述的各实施例可以任意地组合，此时也可以取得各结构的效果。
从上述的各实施例将本发明归纳如下。
本发明的波长变换装置包括：激光谐振器，通过光学地连接包含激光活性物质并形成有两个光纤光栅的光纤和向上述光纤射入激励光的激光光源而构成；波长变换元件，将由上述激光谐振器射出的激光的基本波变换为高谐波，其中，上述光纤光栅包含位于上述激光光源侧的第一光纤光栅和位于上述波长变换元件侧的第二光纤光栅，上述第二光纤光栅的温度根据从上述波长变换元件输出的高谐波的输出而被调整。
在上述的波长变换装置中，因为位于波长变换元件侧的第二光纤光栅的温度根据从波长变换元件输出的高谐波的输出被进行调整，所以，与以往相比，可以使第二光纤光栅的温度大幅度上升而使基本波的波长大幅度移动。其结果，因为可以使基本波的波长移动而不偏离在波长变换元件可以变换的波长，所以，能够从波长变换元件稳定地获得W级的高输出的波长变换光。
上述光纤，以掺杂设定浓度的稀土类元素，吸收上述基本波或上述激励光的输出的一部分为宜。
这时，通过以设定的浓度掺杂稀土类元素，光纤吸收内部传播的基本波或激励光的输出的一部分。此吸收的光变成热，加热选择基本波的波长的光纤光栅。光纤光栅被加热温度上升，通过热膨胀光栅的间隔变大。由此，基本波的波长大幅度向长波一侧移动。
因为从波长变换元件获得W级的高输出的激光时，基本波的输出为10W左右，所以，波长变换元件的内部温度上升，可以变换的波长大幅度向长波一侧移动。一般地，即使光纤传播的基本波的输出从数W增加到10W左右，基本波的波长也只是稍微向长波一侧移动。但是，在通过以设定的浓度掺杂稀土类元素，吸收内部传播的基本波或激励光的输出的一部分的上述光纤中，基本波的波长大幅度向长波一侧移动。其结果，可以使射入波长变换元件的基本波的波长不偏离地追随在波长变换元件可以变换的波长而向长波一侧移动。因此，在上述的波长变换装置中，被波长变换的输出光直到W级的高输出都可以稳定地获得。
如上所述，通过向光纤的稀土类元素的掺杂，吸收激光的基本波或激励光的输出的一部分，并以吸收所产生的热进行加热而使光纤光栅的温度上升。由此，与以往相比，可以使光纤光栅的温度大幅度上升，使光栅的间隔更大。这样使基本波的波长大幅度移动，而不偏离在波长变换元件可以变换的波长，从而可以实现能够获得稳定的W级的高输出的波长变换装置。即，实现了以往存在困难的W级的可见光高输出光源，起到可以将小型而生产率高的光源应用于大型显示器或高亮度显示器的效果。
以上述稀土类元素是选自于Nd、Er、Dy、Pr、Tb和Eu的至少一种为宜，以上述稀土类元素以1000～3000ppm的浓度掺杂为宜。
这时，通过以设定浓度掺杂所选择的稀土类元素可以更有效地加热光纤光栅。
以上述稀土类元素是选自于Yb、Ce、Tm、Ho、Gd、Y及La的至少一种为宜，以上述稀土类元素以20000～30000ppm的浓度掺杂为宜。
这时，通过以设定浓度掺杂所选择的稀土类元素，也可以更有效地加热光纤光栅。
以上述稀土类元素被掺杂在上述光纤的包层部分为宜。
这时，通过在光纤的包层部分掺杂稀土类元素，可以更有效地加热光纤光栅。
以上述稀土类元素被掺杂在上述光纤的内层部分为宜。
这时，通过在光纤的内层部分掺杂稀土类元素，可以更有效地加热光纤光栅。
以上述光纤通过光学地连接形成有上述第一光纤光栅的第一光纤和形成有上述第二光纤光栅的第二光纤而形成为宜。
这时，因为可以将形成有选择基本波的第二光纤光栅的光纤作为第二光纤与第一光纤分别进行制作，所以，第二光纤可以被制作成在光纤光栅附近以设定的浓度掺杂稀土类元素，高效率地吸收基本波或激励光的输出的一部分的结构。而且，第一光纤也可以是含有激光活性物质，可以高效率地将激励光变换为基本波的结构。
以上述光纤包括形成有上述第一光纤光栅的第一光纤、第二光纤和形成有上述第二光纤光栅的第三光纤，在上述第二光纤的两端，上述第一光纤和上述第三光纤被光学地连接为宜。
这时，因为可以将形成有选择基本波的第二光纤光栅的光纤作为第三光纤与第一光纤分别进行制作，所以，第三光纤可以被制作成在光纤光栅附近以设定的浓度掺杂稀土类元素，高效率地吸收基本波或激励光的输出的一部分的结构。而且，第一光纤也可以是含有激光活性物质，可以高效率地将激励光变换为基本波的结构。此外，也可以使第二光纤尽可能不吸收基本波或激励光的输出的一部分，使第二光纤中的基本波或激励光的损耗进一步降低。
以上述光纤具有双包层结构为宜。
这时，在双包层结构的至少其中之一的包层部分吸收基本波或激励光的一部分，可以更加有效地加热光纤光栅。
以在上述双包层结构的至少其中之一的包层部分掺杂有上述稀土类元素为宜。
这时，通过在双包层结构的至少其中之一的包层部分掺杂稀土类元素吸收基本波或激励光的一部分，可以更加有效地加热光纤光栅。
以还包括吸收上述基本波或上述激励光的输出的一部分，加热上述光纤光栅的加热部为宜。
这时，通过吸收基本波或激励光的输出的一部分的加热部，可以更加有效地加热光纤光栅。
以上述加热部是在上述第二光纤光栅形成的区域设置的再次覆盖层为宜。
这时，因为被光栅反射的基本波的输出的一部分或激励光的一部分被再次覆盖层吸收而变成热，所以，可以更加有效地加热光纤光栅。
以上述再次覆盖层的材料为非易燃性材料为宜。
这时，光纤能够确保更高的安全性。
以上述再次覆盖层的材料的折射率为1.37～1.43为宜。
这时，因为基本波或激励光的一部分最适当的量被再次覆盖层吸收，所以，可以更加有效地加热光纤光栅。
以上述加热部包含控制上述波长变换元件的温度的温度控制部件和用于保持上述第二光纤光栅及上述波长变换元件的保持台，上述第二光纤光栅，通过从上述温度控制部件产生的热经由上述保持台被传导至上述第二光纤光栅而被加热为宜。
这时，因为波长变换元件的温度控制所产生的热经由保持台被传导至光纤光栅，所以，可以更加有效地加热光纤光栅。
以上述加热部包含吸收上述基本波或上述激励光的漏出光而发热，由热膨胀系数比上述光纤还大的材料形成的用于保持上述第二光纤光栅的保持部件，上述保持部件通过自身发热的热膨胀对上述第二光纤光栅施加拉伸应力为宜。
这时，因为保持部件被加热而膨胀，光纤光栅被拉伸而使光栅间隔机械地扩大，所以，可以使基本波的波长进一步向长波一侧移动。其结果，即使基本波为高输出时，基本波的波长也和在波长变换元件可以变换的波长基本上同样地移动，可以更加有效地控制波长变换后的激光输出达到W级的高输出。
以上述波长变换装置还包括：检测单元，检测上述基本波的输出的一部分；控制单元，基于上述检测单元的检测值控制从上述波长变换元件射出的高谐波的输出为宜。
这时，通过预先把握并参照作为波长变换元件的输入的基本波的输出和作为波长变换元件的输出的波长变换后的高谐波的输出的定量的关系，可以更加有效地控制波长变换后的激光输出达到W级的高输出。
以上述控制单元基于以表格形式预先存储的数据，对上述光纤光栅及上述波长变换元件的至少其中之一进行温度控制为宜。
这时，因为以表格形式存储通过预先测试等取得的温度控制所必需的数据，可以在进行温度控制时随时加以利用，所以，可以更加高精度地控制波长变换后的激光输出达到W级的高输出。
以上述控制单元基于相对于上述基本波的输出的上述波长变换元件的相位匹配波长变化量，对上述光纤光栅及上述波长变换元件的至少其中之一进行温度控制为宜。
这时，因为将相对于基本波的输出的波长变换元件的相位匹配波长变化量作为表格形式的数据预先存储，可以在进行温度控制时随时加以利用，所以，可以更加高精度地控制波长变换后的激光输出达到W级的高输出。
以上述控制单元基于相对于上述基本波的输出的光纤光栅的反射波长变化量，对上述光纤光栅及上述波长变换元件的至少其中之一进行温度控制为宜。
这时，因为将相对于基本波的输出的光纤光栅的反射波长变化量即射入波长变换元件的基本波的波长的变化量作为表格形式的数据预先存储，可以在进行温度控制时随时加以利用，所以，可以更加高精度地控制波长变换后的激光输出达到W级的高输出。
以上述检测单元包含从上述光纤接收上述基本波的分枝光的受光元件为宜。
这时，因为可以定量地高精度地把握基本波的输出，所以可以更加高精度地控制波长变换后的激光输出达到W级的高输出。
以上述检测单元从上述光纤光栅接收上述基本波的漏出光为宜。
这时，因为可以定量地高精度地把握基本波的输出，所以，可以更加高精度地控制波长变换后的激光输出达到W级的高输出，并且，因为接收基本波的漏出光，所以，可以抑制基本波的不需要的损耗。
以上述波长变换装置还包括：检测单元，检测上述高谐波的输出的一部分；控制单元，基于上述检测单元的高谐波的输出的检测值控制上述第二光纤光栅的温度为宜。
这时，因为可以按照高谐波的输出值加热光纤光栅，所以，可以使相位匹配波长的温度上升的移动量和基本波的波长的移动量相一致，从而可以更加高精度地控制波长变换后的激光输出达到W级的高输出。
以上述高谐波的波长为510～550nm，上述高谐波的输出在1W以上为宜。
这时，即使在紫外光诱发绿色光吸收所导致的波长变换光的输出降低的情况下，也可以使波长变换后的绿色光的输出增加到没有紫外线诱发绿色光吸收所导致的输出降低时的高输出。
以上述高谐波的波长为440～490nm，上述高谐波的输出在0.1W以上为宜。
这时，即使在紫外光诱发绿色光吸收所导致的波长变换光的输出降低的情况下，也可以使波长变换后的蓝色光的输出增加到没有紫外线诱发绿色光吸收所导致的输出降低时的高输出。
产业上的利用可能
根据本发明，因为从波长变换元件可以稳定地获得W级的高输出的波长变换光，所以，作为成为大型显示器或高亮度显示器等高输出可见光光源的波长变换装置极为有用。

Claims (27)

1.一种波长变换装置，其特征在于包括：
激光谐振器，通过光学地连接包含激光活性物质并形成有两个光纤光栅的光纤和向上述光纤射入激励光的激光光源而构成；
波长变换元件，将由上述激光谐振器射出的激光的基本波变换为高谐波；其中，
上述光纤光栅，包含位于上述激光光源侧的第一光纤光栅和位于上述波长变换元件侧的第二光纤光栅，
上述第二光纤光栅的温度，根据从上述波长变换元件输出的高谐波的输出而被调整。
2.根据权利要求1所述的波长变换装置，其特征在于：上述光纤掺杂有设定浓度的稀土类元素，吸收上述基本波或上述激励光的输出的一部分。
3.根据权利要求2所述的波长变换装置，其特征在于：上述稀土类元素选自于Nd、Er、Dy、Pr、Tb和Eu的至少一种。
4.根据权利要求3所述的波长变换装置，其特征在于：上述稀土类元素以1000～3000ppm的浓度掺杂。
5.根据权利要求2所述的波长变换装置，其特征在于：上述稀土类元素选自于Yb、Ce、Tm、Ho、Gd、Y和La的至少一种。
6.根据权利要求5所述的波长变换装置，其特征在于：上述稀土类元素以20000～30000ppm的浓度掺杂。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的波长变换装置，其特征在于：上述稀土类元素被掺杂于上述光纤的包层部分。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的波长变换装置，其特征在于：上述稀土类元素被掺杂于上述光纤的内层部分。
9.根据权利要求2至8中任一项所述的波长变换装置，其特征在于：上述光纤通过光学地连接形成有上述第一光纤光栅的第一光纤和形成有上述第二光纤光栅的第二光纤而构成。
10.根据权利要求2至8中任一项所述的波长变换装置，其特征在于：
上述光纤包括形成有上述第一光纤光栅的第一光纤、第二光纤和形成有上述第二光纤光栅的第三光纤，
在上述第二光纤的两端，上述第一光纤和上述第三光纤被光学地连接。
11.根据权利要求2至10中任一项所述的波长变换装置，其特征在于：上述光纤具有双包层结构。
12.根据权利要求11所述的波长变换装置，其特征在于：在上述双包层结构的至少其中之一的包层部分掺杂有上述稀土类元素。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的波长变换装置，其特征在于还包括，加热部，吸收上述基本波或上述激励光的输出的一部分，加热上述光纤光栅。
14.根据权利要求13所述的波长变换装置，其特征在于：上述加热部是在形成上述第二光纤光栅的区域设置的再次覆盖层。
15.根据权利要求14所述的波长变换装置，其特征在于：上述再次覆盖层的材料为非易燃性材料。
16.根据权利要求14或15所述的波长变换装置，其特征在于：上述再次覆盖层的材料的折射率为1.37～1.43。
17.根据权利要求13所述的波长变换装置，其特征在于：
上述加热部包括控制上述波长变换元件的温度的温度控制部件和用于保持上述第二光纤光栅及上述波长变换元件的保持台，
上述第二光纤光栅，通过从上述温度控制部件产生的热经由上述保持台被传导至上述第二光纤光栅而被加热。
18.根据权利要求13所述的波长变换装置，其特征在于：
上述加热部包括吸收上述基本波或上述激励光的漏出光而发热的、由热膨胀系数比上述光纤还大的材料形成的用于保持上述第二光纤光栅的保持部件，
上述保持部件通过自身发热所引起的热膨胀对上述第二光纤光栅施加拉伸应力。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的波长变换装置，其特征在于还包括：
检测单元，检测上述基本波的输出的一部分；
控制单元，基于上述检测单元的检测值控制从上述波长变换元件射出的高谐波的输出。
20.根据权利要求19所述的波长变换装置，其特征在于：上述控制单元基于以表格形式预先存储的数据，对上述光纤光栅及上述波长变换元件的至少其中之一进行温度控制。
21.根据权利要求20所述的波长变换装置，其特征在于：上述控制单元基于相对于上述基本波的输出的上述波长变换元件的相位匹配波长变化量，对上述光纤光栅及上述波长变换元件的至少其中之一进行温度控制。
22.根据权利要求20或21所述的波长变换装置，其特征在于：上述控制单元基于相对于上述基本波的输出的上述光纤光栅的反射波长变化量，对上述光纤光栅及上述波长变换元件的至少其中之一进行温度控制。
23.根据权利要求19至22中任一项所述的波长变换装置，其特征在于：上述检测单元包含接收来自上述光纤的上述基本波的分枝光的受光元件。
24.根据权利要求19至23中任一项所述的波长变换装置，其特征在于：上述检测单元包含接收来自上述光纤光栅的上述基本波的漏出光的受光元件。
25.根据权利要求1至18中任一项所述的波长变换装置，其特征在于还包括：
检测单元，检测上述高谐波的输出的一部分；
控制单元，基于上述检测单元的高谐波的输出的检测值控制上述第二光纤光栅的温度。
26.根据权利要求1至25中任一项所述的波长变换装置，其特征在于：上述高谐波的波长为510～550nm，上述高谐波的输出在1W以上。
27.根据权利要求1至25中任一项所述的波长变换装置，其特征在于：上述高谐波的波长为440～490nm，上述高谐波的输出在0.1W以上。
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