CN101689007A - 波长转换激光器、图像显示装置以及激光加工装置 - Google Patents

波长转换激光器、图像显示装置以及激光加工装置 Download PDF

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Abstract

本发明的波长转换激光器包括：反射基波以便规定以不同角度通过波长转换元件的多个基波光路的一对基波反射面；以及控制波长转换效率，以使在一对基波反射面之间指向不同方向的基波光路中指定的基波光路的波长转换效率为最高的控制装置。

Description

波长转换激光器、图像显示装置以及激光加工装置
技术领域
本发明涉及一种对基波进行波长转换并输出激光的波长转换激光器。
背景技术
一直以来，就存在利用波长转换元件的非线性光学现象，将基波激光的波长转换为第二谐波(Second Harmonic Generation：SHG)、和频(sum frequency wave)、差频(differential frequency wave)等转换波的波长加以输出的波长转换激光器。
波长转换激光器，例如象图11所示那样，包括基波激光光源101、让从激光光源101射出的基波激光聚光的透镜102、将已被聚光的基波激光转换为第二谐波的波长转换元件103、以及分离基波激光与高谐波激光的分色镜(dichroic mirror)104。
波长转换元件103采用非线性光学晶体，对基波进行波长转换。具体而言，波长转换元件103具有被适当地加以调整使基波和转换波的相位匹配的晶体的方位或极化反转结构等。尤其是，具有极化反转结构的波长转换元件由于准相位匹配(quasi-phase matching)，即使在低功率下也能进行高效率的波长转换，并根据设计能够进行各种波长转换。所谓极化反转结构，是一种设置了使波长转换元件103的自发极化周期性反转的区域的结构。
从基波转换为第二谐波的转换效率η，当设波长转换元件的相互作用长度为L，基波的功率为P，波长转换元件中的光束截面面积为A，距相位匹配条件的偏差为Δk时，则能够表示如下。
η∝L2P/A×sinc2(Δk L/2)
在上述的式中，如果产生距相位匹配条件的偏差，则转换效率降低，第二谐波(转换波)的产生减少。因此，进行使非线性光学晶体的温度为允许范围内的指定温度的控制，以便不产生距相位匹配条件的偏差。
例如，如日本专利公开公报特开平4-318528号(以下称作“专利文献1”)那样，提出了使用检测转换波的光强度的检测装置和非线性晶体的温度调节装置，控制温度调节装置的驱动以使转换波的光强度收敛为目标值。
根据专利文献1所涉及的结构，能够得到高的转换效率或控制波长转换激光器的输出。
但是，专利文献1没有提出通过波长转换效率的控制来控制从波长转换激光器射出的转换波光的强度分布。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过控制波长转换效率，从而能够控制射出的转换波光的强度分布的波长转换激光器、以及使用该波长转换激光器的图像显示装置和激光加工装置。
本发明所涉及的波长转换激光器包括：射出基波的基波光源；将来自上述基波光源的基波转换为转换波光的波长转换元件；反射上述基波以便规定以不同的角度通过上述波长转换元件的多个基波光路的一对基波反射面；以及控制波长转换效率，以使在上述一对基波反射面之间指向不同方向的上述多个基波光路中指定的基波光路的波长转换效率为最高的控制装置，其中，上述一对基波反射面中的至少其中之一的反射面为让上述转换波光透过的输出面。
本发明所涉及的图像显示装置包括上述波长转换激光器，和对从上述波长转换激光器射出的转换波光进行调制以显示指定图像的调制元件。
本发明所涉及的激光加工装置包括上述波长转换激光器，和让从上述波长转换激光器射出的转换波光聚光的聚光光学系统，上述转换波光的光点形状，通过增减上述各基波光路中射出转换波光的光路的数目而发生变化。
根据本发明，通过控制波长转换效率，能够控制被射出的转换波光的强度分布。
附图说明
图1是本发明的实施例1涉及的波长转换激光器的概要结构图。
图2是表示在图1的波长转换激光器中改变了优先射出转换波光的基波光路的状态的概要结构图。
图3是本发明的实施例1的变形例涉及的波长转换激光器的概要结构图。
图4是实施例1的变形例涉及的波长转换激光器以及包括该波长转换激光器的图像显示装置的概要结构图。
图5是本发明的实施例2涉及的波长转换激光器的概要结构图。
图6是表示在图5的波长转换激光器中改变了优先射出转换波光的基波光路的状态的概要结构图。
图7是本发明的实施例3涉及的波长转换激光器的概要结构图。
图8是放大表示图7的波长转换元件以及电极的概要立体图。
图9是表示在图7的波长转换激光器中改变了优先射出转换波光的基波光路的状态的概要结构图。
图10是包括本发明的实施例3涉及的波长转换激光器的激光加工装置的概要结构图。
图11是以往的波长转换激光器的概要结构图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的实施例进行说明。此外，以下的实施例是将本发明具体化的一个例子，并不具有限定本发明的技术范围的特性。
以下参照附图对本发明的实施例进行说明。
(实施例1)
图1以及图2是本发明的实施例1涉及的波长转换激光器100的概要结构图。图1和图2的不同之处在于，使优先射出转换波光的基波光路不同。
波长转换激光器100包括：作为射出基波的激光光源的分布反馈(distributedfeedback，以下简称为DFB)激光器1；使从DFB激光器1射出的基波准直的准直器(collimator)2；让被准直的基波入射的波长转换元件10；配置在波长转换元件10两侧的一对分色镜(dichroic mirror)(基波反射面、输出面)3、4；用于吸收基波的射束漫射器(beam diffuser)5；以及用于控制波长转换效率的控制装置6。
DFB激光器1具有在LD的活性层区域中设置的光栅(grating)，容易得到纵单模输出(longitudinal single mode output)。DFB激光器1通过利用电场或温度来调谐决定振荡波长的光栅，能够进行振荡波长的调制。具体而言，DFB激光器1的振荡波长能够从1064至1066nm的范围内选择，DFB激光器1以各波长进行纵单模的输出。
波长转换元件10采用具有极化周期反转结构的MgO:LiTaO3晶体，呈长方体形状。具体而言，波长转换元件10具有沿图1的左右方向排列的极化周期反转结构，通过反转周期的准相位匹配，产生作为来自基波的转换波光的第二谐波。波长转换元件10具有在波长转换元件10内均匀的极化反转周期，通过恒温保持机构而被保持为恒定温度。此外，在波长转换元件10的基波入射或出射的端面(图1的左右的端面)上，施加让基波以及第二谐波通过的膜。
分色镜3、4被设置在波长转换元件10的两侧，以便规定以不同的角度通过波长转换元件10的多个基波光路。以下，对分色镜3、4进行具体说明。
分色镜3具有反射基波并让第二谐波透过的膜。此外，分色镜3从垂直于DFB激光器1射出的基波的光轴的姿势起，向波长转换元件10的长度方向(图1的左右方向)倾斜配置。因此，被分色镜3反射的基波沿着在波长转换元件10的长度方向倾斜的光轴再次射入上述波长转换元件10。
分色镜4也具有反射基波并让第二谐波透过的膜。此外，分色镜4以与上述分色镜3在图1中左右对称的角度倾斜配置。因此，被分色镜4反射的基波沿着在波长转换元件10的长度方向倾斜的光轴再次射入波长转换元件10。
通过以此方式将分色镜3、4相互倾斜配置，在这些分色镜3、4之间逐渐趋向图1的上方的基波光路A1至A5被加以规定。该基波光路A1至A5在分色镜3、4之间分别指向不同的方向。各基波光路A1至A5的相对于波长转换元件10的极化反转周期的倾斜角按A1到A5的顺序增大，与此相伴，基波通过的极化反转的周期也变长。分色镜3以及4构成波长转换光的输出面。
控制装置6具备用于控制从DFB激光器1被振荡的基波的波长的振荡波长控制部7。振荡波长控制部7控制基波的波长，以使上述基波光路A1至A5中指定的光路中的波长转换效率达到最大。具体而言，振荡波长控制部7通过在DFB激光器1的光栅部产生所期望的电场，调整振荡波长。
从DFB激光器1射出的基波通过准直器2被准直后射入波长转换元件10。在图1所示的例子中，通过利用振荡波长控制部7将DFB激光器1的振荡波长设定为1064nm，在垂直于极化反转周期的入射的基波光路A1中相位匹配得以进行，在该基波光路A1中以最高的转换效率产生转换波光(第二谐波)a1。此时，在基波光路A2至A5中，随着通过分色镜3、4的反射而相对于波长转换元件10的极化反转结构倾斜，产生距相位匹配调节的偏差，从而转换效率降低，转换波光(第二谐波)a2至a5仅产生少许。因此，在基波光路A1中产生的转换波光a1优先从作为转换波光的输出面的分色镜3以及4中射出。另外，未被进行波长转换的剩余的基波到达光束漫射器5并被吸收。
在图2所示的例子中，通过利用振荡波长控制部7将DFB激光器1的振荡波长设定为1066nm，在相对于极化反转周期最倾斜的基波光路A5中进行相位匹配，在该基波光路A5中以最高的转换效率产生第二谐波。此时，在基波光路A1至A4中，由于极化反转周期比用于满足相位匹配条件的周期短，所以产生距相位匹配条件的偏差，转换效率变低，第二谐波仅产生少许。因此，在基波光路A5中产生的转换波光a5优先从作为转换波光的输出面的分色镜3以及4中输出。
同样，通过利用振荡波长控制部7对DFB激光器1的振荡波长进行调制，能够从基波光路A2、A3、A4中选择进行相位匹配的基波光路，使各光路A2至A4中产生的转换波光a2至a4优先射出。
也可以使用上述波长转换激光器100射出扫描光。具体而言，通过利用波长转换激光器100的控制装置6在1064至1066nm的范围内以一定周期调制DFB激光器1的振荡波长，能够使选择的基波光路按照A1→A2→A3→A4→A5→A4→A3→A2→A1→A2……顺序变化。此时，由于出射的转换波光的出射角度随着选择的基波光路不同而不同，因此转换波光依次以不同的角度射出，反复进行波长转换光的扫描。该扫描速度能够由振荡波长的调制速度来控制。上述的结构是通过由控制装置6依次进行基波光路的选择，进行出射的波长转换光的扫描的最佳方式。如果采用此方式，则不使用可动镜等，仅用波长转换激光器便可进行光束扫描，因此能够实现部件数目的削减和损失的减少。此外，在如上述结构那样通过基波的振荡波长的调制进行转换波光的扫描的情况下，各扫描位置的转换波光的波长变得不同，因此能够使用一个光源进行分光测量等。
作为本发明的基波激光光源，除了DFB激光器以外，还能够使用半导体激光器、光纤激光器、固体激光器等各种激光光源。在本实施例1中，使用的是用于基波的光束整形的准直器2，但为了进行入射到波长转换元件的基波的光束整形或扩张角的控制，能够使用各种光学部件。此外，作为波长转换元件，能够使用各种非线性材料。例如，能够使用LBO、KTP、或者具有极化反转周期结构的LiNbO3或LiTaO3。
在本实施例中，作为分色镜3、4使用两个平面镜，并将这两个平面镜倾斜配置，但也可以仅将一个倾斜配置。为了使基波光路具有某种程度的角度变化，较为理想的是，使平面镜倾斜的角度至少为1度以上。
此外，在本实施例中，将一对分色镜3、4的双方作为转换波光的输出面，但也可以使各分色镜3、4中的至少其中之一作为输出波长转换光的面。
另外，本实施例是利用振荡波长控制部7进行基波的振荡波长的调制，选择优先的基波光路A1至A5的最佳方式。通过以此方式调制基波的振荡波长，不仅能够进行波长转换光的角度以及强度分布的调制，还能进行出射的转换波光的波长的调制。在进行振荡波长的调制的情况下，较为理想的是将调制频率设定为100Hz以上，以高速进行调制。通过高速进行调制，能够在使用波长转换光作为图像显示或照明的情况下使外观的光谱带宽(apparent spectral width)变宽，降低相干性。
此外，通过使DFB激光器1的振荡波长高速变化，能够使出射的转换波光的角度变化高速化。较为理想的是，振荡波长的高速调制如本实施例这样使用DFB激光器1并使用光栅部的电场调制。采用这种方式，能够进行非常高速的振荡波长的控制。
以下参照图3对实施例1的变形例进行说明。
图3表示实施例1的变形例涉及的波长转换激光器100a的概要图。对与上述波长转换激光器100相同的结构，标注相同的符号并省略说明。
波长转换激光器100a除了波长转换激光器100的结构之外，还具有接收从基波光路A1、A3、A5射出的转换波光a1、a2、a3(应为a1、a3、a5)的一部分的受光元件8a、8b、8c和采样器65。
受光元件8a至8c检测接收的转换波光的光量，基于检测值的差检测入射到受光元件8a至8c的哪一个的入射光量最多。
采样器65是用于反射从波长转换元件10射出的转换波光的一部分，并将其引导至受光元件8a至8c的光学部件。具体而言，采样器65是被施加了低反射膜的玻璃板。
在波长转换激光器100a中，通过利用控制装置6的振荡波长控制部7改变DFB激光器1的波长，能够选择优先射出转换波光的基波光路A1至A5。基于受光元件8a至8c中入射光量最多的受光元件的检测结果，检测基波光路A1、A3、A5中转换波光优先射出的基波光路。控制装置6进行反馈控制，以便使基于受光元件8a至8c的检测结果检测到的基波光路与利用振荡波长控制部7选择的基波光路一致。因此，总是优先从选择的基波光路输出转换波光。
波长转换激光器100a是具有接收来自基波光路A1、A3、A5的转换波光a1、a3、a5的多个受光元件8a至8c，能够对从基波光路A1、A3、A5中选择的基波光路进行反馈控制的最佳方式。
在上述波长转换激光器100a中，具有相位匹配条件不同的多个基波光路A1至A5，利用相位匹配条件的不同进行光路的选择。有时，相位匹配条件会根据周围环境或时间的经过而受到影响，从初始条件发生变化。在波长转换激光器100a中，通过基于检测来自多个基波光路的输出的多个受光元件8a至8c的检测结果进行反馈控制，不管相位匹配条件的变化都能使来自期望的基波光路的输出优先。此外，在上述实施例中，对包括接收来自基波光路A1、A3、A5的转换波光a1、a3、a5的3个受光元件8a至8c的结构进行了说明，但也可以包括与全部基波光路A1至A5对应的5个受光元件，能够对全部基波光路A1至A5进行反馈控制。
另外，所谓多个受光元件，意指包含分割一个受光元件加以使用的方式，例如，能够使用Si-PD等。
以下参照图4对实施例1的变形例进行说明。
图4表示实施例1的变形例涉及的波长转换激光器100b以及具备该波长转换激光器100b的图像显示装置18的概要图。对与上述结构相同的结构，标注相同的符号并省略说明。
波长转换激光器100b包括DFB激光器1、透镜2、控制装置6和波长转换元件14。
DFB激光器1通过上述振荡波长控制部7以振荡波长可变化的状态输出基波(1064nm附近)。
波长转换元件14如图4所示具有梯形(图4的左侧的边与上底边以及下底边呈直角的梯形)的侧面形状，呈该侧面形状沿着与图4的纸面垂直的方向延伸的柱状的外形。该波长转换元件14中形成沿图4的左右方向排列的极化反转结构。
更具体而言，波长转换元件14具有相对于从DFB激光器1射出的基波垂直的端面(图4的左侧的端面)12和倾斜的端面(图4的右侧的端面)11。端面12仅在基波的入射部分具有基波的反射防止(Anti Reflection：AR，防反射)膜，在其他部分具有基波以及转换波光的反射(High Reflection：HR，高反射)膜。端面11具有基波的HR膜和转换波光的AR膜，为波长转换光的输出面。此外，端面11相对于端面12倾斜。
此外，波长转换元件14采用具有极化反转周期结构的MgO:LiNbO3，极化反转周期沿入射的基波的方向(图4的左右方向)形成。通过波长转换元件14基波被转换为绿色的转换波光(532nm附近)。由于端面11相对于端面12倾斜，所以被端面12反射的基波的光路相对于极化反转周期倾斜。因此，随着经端面12的反射次数增多，基波光路与极化反转周期交叉的角度增大。
具体而言，基波光路B1至B5按从B1到B5的顺序，与极化反转周期的交叉角度增大。与此相伴，基波光路B1至B5中的相位匹配条件根据经端面12的反射次数而各自不同。因此，通过利用包含振荡波长控制部7的控制装置6调制基波的波长，能够从各基波光路B1至B5中的其中之一的光路优先输出转换波光。
下面对图4所示的图像显示装置18进行说明。
图像显示装置18包括上述波长转换激光器100b、使来自波长转换激光器100b的转换波光偏向的透镜15、让来自透镜15的转换波光入射的导光板(1ight guide plate)16、以及用于利用从导光板16射出的转换波光来显示图像的液晶面板17。
从波长转换激光器100b射出的波长转换光经过透镜15被引导至导光板16。导光板16将从侧面入射的光束进行均匀化，并通过让光束从主面射出，从背面照明液晶面板17。液晶面板17通过按照图像信号调制转换波光来显示图像。液晶面板17是包括偏振板、液晶、TFT等一般的透过型液晶面板。导光板16具有子导光板(sub-light guide plate)16a、16b、16c。子导光板16a、16b、16c分别对入射的转换波光进行均匀化，并将其导向液晶面板17一侧(主面侧)。
在波长转换激光器100b中从基波光路B1射出的转换波光b1，通过透镜15被偏向后入射到子导光板16a。同样，从基波光路B3以及基波光路B5射出的转换波光b3、b5分别入射到子导光板16b以及子导光板16c。因此，根据在波长转换激光器100b中选择基波光路B1、B3、B5中的哪一个光路，能够控制让子导光板16a至16c的哪一部分发光。
这样，在图像显示装置18中，通过选择子导光板16a至16c中发光的子导光板，能够控制画面内的辉度分布(luminance distribution)。例如，在显示漆黑的图像时，让子导光板16a至16c都不发光，以表示黑色。此外，在波长转换激光器100b中能够选择的基波光路的数目较多的情况下，也能与此相应地增加子导光板的数目。
图像显示装置18是从波长转换激光器100b优先射出在从基波光路B1、B3、B5中选择的光路中产生的转换波光，并具有对该转换波光进行调制的调制元件的最佳方式。这样，在波长转换激光器100b中，由于能够选择让转换波光射出的基波光路，所以能够控制在图像显示装置显示的图像的辉度分布。
具体而言，图像显示装置18具有子导光板16a至16c，因此能够与子导光板16a至16c的位置相对应地选择使液晶面板17发光的部位。为了控制图像显示装置的辉度分布，通过不让配置在与显示的图像中黑色部分对应的位置的子导光板发光，而仅让配置在与明亮部分对应的位置的子导光板较强地发光，能够提高图像的对比度。此外，通过不让导光板16的不需要的区域发光，能够实现功耗的减少。
另外，在显示彩色图像的情况下，除了上述波长转换激光器100b外，还同时使用红色以及蓝色的激光光源。通过为每个子导光板16a至16c设置红色以及蓝色的半导体激光光源，能够为每个子导光板设定图像显示装置的辉度分布。
(实施例2)
图5以及图6是本发明的实施例2涉及的波长转换激光器200的概要结构图。图5和图6的不同之处在于，使优先射出转换波光的基波光路不同。
波长转换激光器200包括：作为射出基波的激光光源的光纤激光器21；让来自光纤激光器21的基波聚光的聚光透镜22；被聚光的基波入射的波长转换元件20；配置在波长转换元件20两侧的一对凹面镜23、24；以及用于控制波长转换元件20的温度的控制装置25。
光纤激光器21以单模且10W以上的输出射出直线偏振的基波光。由于波长转换元件20的转换效率与基波的功率成比例，因此通过利用上述光纤激光器21能得到高的转换效率，从而能够得到高效率的波长转换激光器200。即，光纤激光器21是能够使波长转换激光器200具有高效率的最佳的基波激光光源。
波长转换元件20采用具有极化周期反转结构的MgO:LiNbO3晶体，呈长度为25mm、宽度为5mm、厚度为1mm的长方体的形状。具体而言，波长转换元件20具有沿图5的左右方向(波长转换元件20的长度方向)排列的极化周期反转结构，通过反转周期的准相位匹配，产生作为转换波光的第二谐波。图5以及6所示的条纹图形是周期结构的概要，反转周期约为7μm，在波长转换元件20内大致均匀。此外，在波长转换元件20的基波入射及出射的端面(图5的左右的端面)，施加有让基波以及第二谐波(转换波光)的膜。
波长转换元件20的温度由控制装置25的温度控制部26控制。具体而言，例如，在波长转换元件20的底面安装珀耳帖元件(Peltier element)，通过由温度控制部26对该珀耳帖元件施加电压，能够控制波长转换元件20的温度。此时，较为理想的是，设置用于检测波长转换元件20的温度的温度传感器，基于该温度传感器的检测温度，由温度控制部26进行反馈控制。此外，温度控制可以针对波长转换元件20的整体进行，也可以针对波长转换元件20的一部分进行。
凹面镜23具有反射基波并让第二谐波透过的膜，成为用于射出作为转换波光的第二谐波的输出面。凹面镜24具有反射基波以及第二谐波的膜。凹面镜23的曲率半径为22mm，凹面镜24的曲率半径为20mm，凹面镜之间的距离以空气换算长度约为21mm。基波通过在两个凹面镜23、24之间反射，以不同的角度在波长转换元件20中多次往返。此外，两个凹面镜23、24还起到在波长转换元件20内的基波光路中让基波聚光的作用。由此提高转换效率。
从光纤激光器21射出的基波通过聚光透镜22而被聚光，以在波长转换元件20内具有束腰(beam waist)。来自聚光透镜22的基波从没有被凹面镜24覆盖的波长转换元件20的端面入射到波长转换元件20内。从波长转换元件20射出的基波通过凹面镜23反射，以不同的入射角度再次入射到波长转换元件20。然后，从波长转换元件20射出的基波通过凹面镜24反射，以不同的入射角度再次入射波长转换元件20。
这样，基波在凹面镜23与24之间往返，以不同的角度多次通过波长转换元件。即，在各凹面镜23、24之间，分别指向各自的方向的多个基波光路(图5中仅例示了E1至E7，但实际上有更多的光路被规定)得以规定。在本实施例中，在这些基波光路E1至E7中，从图5的左边朝向右边的基波光路E1、3、5、7中产生的转换波光e1、e3、e5、e7透过凹面镜23射出。以下，具体地进行说明。
基波在各凹面镜23、24之间往返的过程中，在波长转换元件20内的多处聚光。具体而言，在图5所示的结构中，在被凹面镜24反射并从图5的左边向右通过波长转换元件20时(通过基波光路E1、E3、E5、E7时)，基波光聚光，转换效率变高。基波在通过波长转换元件20内时产生的波长转换光从凹面镜23输出。另一方面，从图5的右边向左通过波长转换元件20时(通过基波光路E2、E4、E6时)，基波光以通过凹面镜23聚光使通过了束腰的基波光不发散的状态再次返回到凹面镜24侧。
在图5中，利用温度控制部26控制波长转换元件20的温度并保持该温度，以便在垂直于波长转换元件20的极化反转周期结构而通过的基波光路中进行相位匹配。在本实施例中，位于图5下面的基波光路E1和位于上面的基波光路E3与波长转换元件20的极化反转周期结构大体垂直，因此在这些基波光路E1、E3中，距相位匹配条件的偏差较少，从而转换效率变高，产生的波长转换光较多。尤其是，本实施例中的基波光路E1与波长转换元件20的极化反转周期结构基本垂直，因此该基波光路E1中的波长转换效率最大。而在倾斜通过波长转换元件20的基波光路E2、E4、E6中，距相位匹配条件的偏差较大，因此转换效率变低，产生的波长转换光较少。因此，在位于图5下面的基波光路E1以及位于上面的基波光路E3中产生的转换波光优先射出。
图6表示利用温度控制部26将波长转换元件20的温度控制为比图5所示的例子低1度的温度，并保持该温度的状态。在图6所示的状态中，在倾斜穿过波长转换元件20的极化反转周期结构的基波光路E5、E7中距相位匹配条件的偏差量较小，转换效率变高。而在与极化反转周期结构基本垂直的基波光路E1、E3中，距相位匹配条件的偏差量较大，转换效率变低。即，在图6所示的例子中，让在倾斜通过波长转换元件20的极化反转结构的基波光路E5、E7(位于图6的中层的光路)中产生的转换波光优先射出。更具体而言，在本实施例中，基波光路E7中的波长转换效率被设定得最高。
本实施例2通过由温度控制部26使波长转换元件20的温度变化，控制以不同角度通过波长转换元件20的各个基波光路E1至E7中的距相位匹配条件的偏差量，让在指定的基波光路中产生的转换波光优先射出。在实施例2中，通过进行让指定的基波光路中产生的转换波光优先射出的控制，能够控制从波长转换激光器200射出的转换波光的强度分布。
实施例2是通过由温度控制部26对波长转换元件20进行温度控制，从指定的基波光路优先产生转换波光的最佳方式。因此，根据实施例2，能够将从波长转换激光器200射出的波长设为一定，控制射出的转换波光的角度、强度分布以及射出的光束数目。此外，通过对波长转换元件20的一部分进行温度控制，使波长转换元件20内具有温度分布，也能够控制角度、强度分布以及光束数目。
在波长转换激光器200中，转换波光以多个光束的形式从作为输出面的凹面镜23射出。具体而言，在本实施例中，由于凹面镜23和凹面镜24以同轴的方式正对设置，因此入射到波长转换元件20的基波在凹面镜23和凹面镜24之间沿波长转换元件20的宽度方向(图5以及图6的上下方向)被伸展而到达凹面镜23。即，基波沿着在波长转换元件20的宽度方向上存在的多个基波光路(E1至E7)行进，作为沿宽度方向排列的多条光束到达凹面镜23。此时，在凹面镜23、24之间往返的基波光路E1至E7，在波长转换元件20的宽度方向为相互不同的角度。从凹面镜23射出的转换波光，由于是各基波光路(E1、E3、E5、E7)中产生的转换波光(e1、e3、e5、e7)的合计，所以成为在波长转换元件的宽度方向被多束化了的横向多束光束(lateral multi-beam)而被射出。在此，如本实施例2这样，在射出在基波光路(E1、E3、E5、E7)的多个基波光路中产生的转换波光时，优先射出任一个基波光路中产生的转换波光，这意味着控制在各基波光路E1、E3、E5、E7中产生的转换波光之间的功率平衡。即，在波长转换激光器200中，通过波长转换元件20的温度控制，能够控制射出的横向多束光束的强度分布。
本实施例是控制以横向多束光束射出的转换波光的强度分布的最佳方式。本实施例涉及的波长转换激光器200具有多个基波光路，因此能够将转换波光作为多个光束输出。并且，通过使上述多个光束为线状的横向多束光束，能够作为一个光束进行处理。在此，能够控制横向多束光束的强度分布成为将波长转换激光器200应用于各种应用产品的优点。尤其是，在影像或照明的领域中，由于需要强度的均匀化，所以是有效的。在射出横向多束光束的以前的激光器中，控制多束光束中包含的各光束的强度比较复杂，但在本实施例涉及的波长转换激光器200中，通过控制转换效率，能够容易地对多束光束中包含的各光束的强度进行控制。此外，通过使用于优先射出转换波光的基波光路的切换随时间变化，能够使横向多束光束的强度分布随时间变化，因此能够减少干涉噪声(interference noise)。
在图6所示的例子中，利用温度控制部26控制波长转换元件20的温度，使得与基波首次入射到波长转换元件的基波光路E1相比，在随后通过波长转换元件的基波光路E2至E7中产生的转换波光较多。这样能够抑制波长转换元件20的因发热而产生的破坏。其理由如以下所述。
在基波以及转换波的功率较大的情况下，可能会产生波长转换元件20的发热以及该发热导致的波长转换元件20的破坏，波长转换元件20的耐光性则成为问题。对此，研讨本实施例，由于在波长转换激光器200中，使基波往返于凹面镜23、24之间，因此基波由于凹面镜23、24的反射时的损失或转换波光产生时的消耗，随着上述往返的次数增加而衰减。因此，在首次入射到波长转换元件20的基波光路E1中，上述波长转换元件20的发热和破坏的风险最高。另一方面，如图6所示，通过进行控制以使得与基波首次入射到波长转换元件20的基波光路E1相比，在随后通过波长转换元件20的基波光路E2至E7中产生的转换波光较多，能够避免波长转换元件20的发热以及该发热导致的破坏的风险，这是较为理想的。因此，通过进行图6所示那样的控制，能够得到进行可靠性高的稳定输出的波长转换激光器。
(实施例3)
图7至图9是本发明的实施例3涉及的波长转换激光器300的概要结构图。图7和图9的区别在于使优先射出转换波光的基波光路不同。
波长转换激光器300包括：作为脉冲振荡基波的激光光源的锁模激光器(mode-locklaser)31；让来自锁模激光器31的基波聚光的聚光透镜32；让被聚光的基波入射的波长转换元件30；配置在波长转换元件30两侧的分色镜33以及凹面镜34；安装在波长转换元件30上的电极37；以及用于控制对波长转换元件30施加的电压的控制装置35。
锁模激光器31以40psec的脉冲宽度(pulse width)进行激光振荡。
波长转换元件30采用具有极化周期反转结构的MgO:LiNbO3晶体，具有20mm的长度。此外，波长转换元件30具有沿图7的左右方向(波长转换元件的长度方向)排列的极化周期反转结构，通过反转周期的准相位匹配产生作为转换波光的第二谐波。上述极化周期反转结构的反转周期在波长转换元件30内均匀。此外，在波长转换元件30的基波入射及出射的端面(图7的左右的端面)施加让基波和第二谐波透过的膜。并且，波长转换元件30的温度通过图外的恒温保持部而被保持为恒定。
分色镜33具有反射基波并让第二谐波透过的膜，成为用于射出作为转换波光的第二谐波的输出面。分色镜33从垂直于从锁模激光器31射出的基波的光轴的姿势起，向波长转换元件30的长度方向(图7的左右方向)倾斜而配置。因此，被分色镜33反射的基波沿着在波长转换元件30的长度方向倾斜的光轴再次入射到波长转换元件30。
凹面镜34具有反射基波以及第二谐波的膜。凹面镜34起到聚光基波的作用。因此，在该凹面镜34与上述分色镜33之间，分别指向不同方向的多个基波光路D1至D5得以规定。并且，凹面镜34将沿着这些基波光路D1至D5中的光路D3、D5传播的基波的光束直径缩小。基波光路D3以及基波光路D5以与光路D1不同的角度通过波长转换元件30。
电极37是在波长转换元件30的表面和背面(图8的上面和底面)分别设置的梳齿状(梯子型)的电极。电极37分别被设置在MgO:LiNbO3晶体的z轴方向的+z轴面和-z轴面。更具体而言，电极37被设置在共4处以分别夹着基波光路D3以及基波光路D5被规定的区域。各电极37的在波长转换元件30的宽度方向(图7的上下方向)延伸的多个部分分别与波长转换元件30的极化反转周期对应形成。
控制装置35具备用于控制在上述各电极37之间所施加的电压的电压控制部36。电压控制部36通过在夹着基波光路D3而被配置的一对电极37之间，或者在夹着基波光路D5而被配置的一对电极37之间分别施加电压，在基波电路D3或基波电路D5被规定的波长转换元件30的一部分区域中产生电场。并且，通过切换电压控制部36的电压施加和施加的停止，能够进行在基波电路D3或基波电路D5被规定的波长转换元件30的区域中产生的电场的切换。这样，通过针对波长转换元件30产生电场，对于基波电路D3以及基波电路D5被规定的区域，波长转换元件30的折射率发生变化。
从锁模激光器31射出的基波的脉冲光通过聚光透镜32而被聚光并入射到波长转换元件30。在图7中，在相对于极化反转周期垂直入射的基波光路D1中进行相位匹配，在该基波光路D1中以高的转换效率产生第二谐波。另一方面，在基波光路D3以及基波光路D5中，基波倾斜入射到波长转换元件30，相对于极化反转周期结构具有倾斜度地通过波长转换元件30。因此，在基波光路D3以及D5中，产生距相位匹配条件的偏差，转换效率变低，第二谐波几乎不产生。因此，只有在基波光路D1中产生的转换波光d1从分色镜33输出。另外，转换波光d1的脉冲宽度约为40psec。
在图9中，通过由电压控制部36对各电极37施加电压，在基波电路D3和基波电路D5被规定的波长转换元件30的区域中产生电场。由此，波长转换元件30的基波光路中的第二谐波与基波的折射率差变小，即使光路相对于极化反转周期结构倾斜，距相位匹配条件的偏差量也变小。因此，在基波光路的基波电路D3以及基波电路D5中，转换效率也变高。其结果是，在图9所示的例子中，第二谐波不仅在基波光路D1中产生，而且在基波电路D3以及基波电路D5中也产生，并从分色镜33输出。
在此，基波光路D1、基波光路D3以及基波光路D5的合计输出的脉冲时间宽度约为100psec。并且，基波光路D3的输出光相对于基波光路D1中的输出光在时间上延迟，基波光路D5的输出光相对于基波光路D3的输出光在时间上延迟，因此，合计输出光的脉冲宽度相对于来自锁模激光器31的基波被扩大为2倍以上。另外，通过进一步增加光路数目，还能够将合计输出光的脉冲宽度增加为5倍以上。此外，通过仅在与基波光路D5对应的区域中产生电场，在基波光路D1和基波光路D5中产生转换波光，还能够以45psec的间隔输出40psec的转换波光的脉冲。
本实施例3涉及的波长转换激光器300是通过由电压控制部36在波长转换元件30中产生电场，来控制距相位匹配条件的偏差量，选择产生转换波光的基波光路的基波光路D1、D3、D5的最佳方式。在本实施例中，通过以不同角度经过波长转换元件30的基波光路D1、D3、D5和波长转换元件30中产生的电场，能够控制距相位匹配条件的偏差量。通过基于电场的切换，能够高速进行基波光路选择的切换。例如，在本实施例中，能够在脉冲光的重复周期内切换基波光路的选择。
波长转换激光器300是通过使用让基波脉冲振荡的锁模激光器31，由控制装置35控制射出转换波光的基波光路的数目，来控制出射光的脉冲宽度或间隔的最佳方式。在图7和图9中，通过将射出转换波光的基波光路的数目从1切换为3，能够将出射光的脉冲宽度从40psec增大为100psec。通过基于基波光路的数目控制脉冲宽度，能够使脉冲宽度变为数倍。此外，象选择了基波光路D1和基波光路D5的情况(图9的情况)那样，能够生成非常短的脉冲间隔的脉冲光。通过使用本实施例，能够进行在其他的激光器中难以实现的脉冲宽度以及脉冲间隔的出射。
下面对图10所示的激光加工装置39进行说明。
图10表示实施例3的变形例涉及的激光加工装置39的概要图。
激光加工装置39包括上述波长转换激光器300和让来自波长转换激光器300的转换波光聚光的透镜38。
波长转换激光器300通过上述控制装置36，能够切换仅选择基波光路D1输出转换波光d1的情况和从基波光路D1至D3输出转换波光d1、d3、d5的情况。
透镜38让来自波长转换激光器300的转换波光聚光。
在使用上述激光加工装置39进行加工的情况下，将加工对象物体T的表面配置在透镜38的聚光位置附近。在此，激光加工装置39如上述那样能够切换仅输出转换波光d1的状态和输出转换波光d1至d3的状态，因此能够选择对加工对象物体T在一个光点处照射光束的情况和在线状排列的三个光点处照射光束的情况。
本实施例涉及的激光加工装置39通过选择波长转换激光器300的基波光路，能够使光束对加工对象物体T的照射范围(光点形状)发生变化。通过使光束的照射范围发生变化，能够设定与加工种类相适应的光束的照射范围，能够实现加工时间的缩短和加工精度的提高。此外，本实施例涉及的激光加工装置39不使用机械性机构便可使光束的照射范围发生变化，因此可靠性较高。另外，在上述激光加工装置39中，由于能够使优先射出转换波光的基波光路D1至D3随时间连续地变化，所以能够形成光束出射过程中的光点形状变化或中间性的光点形状。因此，能够迅速地进行复杂的加工。
另外，上述的实施例不限定于上述实施例，在不脱离本发明主旨的范围内能进行适当变更。当然，也能将本发明的各个实施例组合起来加以使用。另外，也可以采用使用多个基波光源，或者除了第二谐波之外，输出差频(differential frequency wave)、和频(sumfrequency wave)等转换波的结构。此外，也可以使波长转换元件内的极化反转周期具有数种类的周期。
本发明的特征在于，基波在一对基波反射面之间被反射，以不同角度多次通过波长转换元件，至少一个反射面作为让波长转换光透过的输出面，具有进行在通过波长转换元件的多个基波光路中能够产生波长转换光时，使指定的基波光路的转换波光优先射出的控制的控制装置。
在本结构中，通过使一个波长转换元件内具有角度不同的基波光路，从而具有多个相位匹配条件。通过由控制装置设定与指定的基波光路的相位匹配条件相符合的基波波长或温度等，可使指定的基波光路的转换效率变高。另一方面，在指定的基波光路以外的基波光路中，由于偏离相位匹配条件，所以转换效率降低，作为其结果，指定的基波光路的转换波光优先射出。通过优先射出来自指定的基波光路的波长转换光，能够控制射出的波长转换光的角度、强度分布或者光束数目等。
另外，上述的具体实施例中主要包含具有以下结构的发明。
本发明所涉及的波长转换激光器包括：射出基波的基波光源；用于将来自上述基波光源的基波转换为转换波光的波长转换元件；反射上述基波以便规定以不同的角度通过上述波长转换元件的多个基波光路的一对基波反射面；以及控制波长转换效率，以使在上述一对基波反射面之间指向不同方向的上述多个基波光路中指定的基波光路的波长转换效率为最高的控制装置，其中，上述一对基波反射面中的至少其中之一的反射面作为让上述转换波光透过的输出面。
根据本发明，由于规定以不同角度通过波长转换元件的多个基波光路，因此与在一对基波反射面之间指向不同方向的多个基波光路对应地存在多个相位匹配条件。并且，在本发明中，通过控制装置能够控制波长转换效率以使各基波光路中指定的光路的波长转换效率达到最高，因此能够在与该基波光路对应的方向(角度)使转换波光优先射出。
因此，根据本发明，能够提供可对射出的转换波光的角度、强度分布以及脉冲时间宽度进行控制的波长转换激光器。
另外，本发明的一对基波反射面可以反射基波光，并且一对基波反射面的至少其中之一为给基波光的光路带来角度变化的面。例如，基波反射面可以不是平面，而成为凸面或凹面形状，也可以将波长转换元件的端面作为基波反射面。反射面的形状可以采用球面或非球面以及柱面。
具体而言，可以采用上述控制装置具备控制上述波长转换元件的温度的温度控制部，上述温度控制部通过对上述波长转换元件进行温度控制来选择上述指定的基波光路的结构。
这样，通过控制波长转换元件的温度以使波长转换元件的相位匹配条件发生变化，能够控制各基波光路中的波长转换效率。
此外，也可以采用上述控制装置具备控制基于上述基波光源的上述基波的振荡波长的振荡波长控制部，上述振荡波长控制部通过控制上述基波的振荡波长来选择上述指定的基波光路的结构。
这样，通过使基于基波光源的基波的振荡波长发生变化，能够控制多个基波光路中的波长转换效率。
此外，还可以采用上述控制装置具备对上述波长转换元件施加电压以便在上述波长转换元件中产生电场的电压控制部，上述电压控制部通过在上述波长转换元件中产生电场来选择上述指定的基波光路的结构。
这样，通过对波长转换元件施加电压以使波长转换元件的折射率发生变化，能够控制多个基波光路中的波长转换效率。
在上述波长转换激光器中，较为理想的是还包括能够检测从上述各基波光路的至少其中之一射出的转换波光的光量的受光元件，上述控制装置基于由上述受光元件检测到的光量控制波长转换效率，以使上述指定的基波光路中的波长转换效率达到最大。
根据该结构，通过进行反馈控制，能够使指定的基波光路中的波长转换效率确实为最高。
在上述波长转换激光器中，较为理想的是，上述控制装置让在上述各基波光路中至少两个以上的光路中产生的转换波光作为多束光束同时射出，并控制上述多束光束的强度分布。
根据该结构，由于从至少两个以上的光路射出作为多束光束的转换波光，因此通过控制上述各光路中的波长转换效率，能够控制多束光束的强度分布。
在上述波长转换激光器中，较为理想的是，上述基波光源让上述基波脉冲振荡，上述控制装置通过增减上述各基波光路中射出上述转换波光的光路的数目，控制从上述输出面射出的转换波光的脉冲宽度、间隔的至少其中之一。
在以上述方式使基波脉冲振荡的情况下，随着从基波光源到各基波光路的光路长度存在差异，会出现即使在一个基波光路中不产生转换波光时也在其他基波光路中产生转换波光的情况。因此，在上述结构中，通过利用上述光路长度的差异，增减射出转换波光的基波光路的数目，能够控制从输出面射出的转换波光的脉冲宽度或间隔。
在上述波长转换激光器中，较为理想的是，上述控制部控制波长转换效率，以使与上述各基波光路中上述基波首次通过的光路相比，在随后通过的光路中的波长转换效率较大。
根据该结构，能够抑制伴随发热的波长转换元件的破坏。其理由如以下所述。由于在基波首次通过的基波光路中基波的功率较大，因此若使该基波光路中的波长转换效率增大，则在此产生的转换波光的功率也增大，从而与该转换波光的吸收相伴的波长转换元件的发热量变大。与之相对，如上述结构那样，通过了第一个基波光路后的基波的功率减小了被波长转换的部分，因此即使增大随后的基波光路中的波长转换效率，由此产生的转换波光的功率也较小，波长转换元件的发热量也变小。因此，能够抑制波长转换元件的破坏。
在上述波长转换激光器中，较为理想的是，上述控制装置依次切换射出上述转换波光的基波光路，以便让从上述输出面射出的转换波光扫描指定范围，。
根据该结构，能够将转换波光作为扫描指定范围的扫描光加以输出。
本发明所提供的图像
显示装置包括上述波长转换激光器，和对从上述波长转换激光器射出的转换波光进行调制以显示指定图像的调制元件。
根据本发明，由于能够利用从波长转换激光器沿指定方向射出的转换波光，根据显示的图像将转换波光引导至调制元件的适当位置处，因此能够实现图像的对比度的提高以及功耗的减少。
本发明所提供的激光加工装置包括上述波长转换激光器，和让从上述波长转换激光器射出的转换波光聚光的聚光光学系统，通过增减上述各基波光路中射出转换波光的光路的数目，使上述转换波光的光点形状发生变化。
根据本发明，通过根据加工类别使转换波光的光点形状发生变化，能够实现加工时间的缩短和加工精度的提高。
产业上的利用可能性
本发明能够用于进行来自基波光源的基波的波长转换的波长转换激光器。

Claims (11)

1.一种波长转换激光器，其特征在于包括：
基波光源，射出基波；
波长转换元件，将来自所述基波光源的基波转换为转换波光；
一对基波反射面，反射所述基波，以便规定以不同角度通过所述波长转换元件的多个基波光路；以及
控制装置，控制波长转换效率，以使在所述一对基波反射面之间指向不同方向的所述多个基波光路中指定的基波光路的波长转换效率为最高，其中，
所述一对基波反射面中的至少其中之一的反射面，为让所述转换波光透过的输出面。
2.根据权利要求1所述的波长转换激光器，其特征在于：
所述控制装置具备控制所述波长转换元件的温度的温度控制部，
所述温度控制部，通过对所述波长转换元件进行温度控制来选择所述指定的基波光路。
3.根据权利要求1所述的波长转换激光器，其特征在于：
所述控制装置具备控制基于所述基波光源的所述基波的振荡波长的振荡波长控制部，
所述振荡波长控制部，通过控制所述基波的振荡波长来选择所述指定的基波光路。
4.根据权利要求1所述的波长转换激光器，其特征在于：
所述控制装置具备对所述波长转换元件施加电压以便在所述波长转换元件中产生电场的电压控制部，
所述电压控制部，通过在所述波长转换元件中产生电场来选择所述指定的基波光路。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的波长转换激光器，其特征在于还包括：能够检测从所述各基波光路的至少其中之一射出的转换波光的光量的受光元件，其中，
所述控制装置，基于由所述受光元件检测到的光量控制波长转换效率，以使所述指定的基波光路中的波长转换效率达到最大。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的波长转换激光器，其特征在于：所述控制装置，让在所述各基波光路的至少两个以上的光路中产生的转换波光作为多束光束同时射出，并控制所述多束光束的强度分布。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的波长转换激光器，其特征在于：
所述基波光源，让所述基波脉冲振荡，
所述控制装置，通过增减所述各基波光路中射出所述转换波光的光路的数目，控制从所述输出面射出的转换波光的脉冲宽度、间隔的至少其中之一。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的波长转换激光器，其特征在于：所述控制部控制波长转换效率，以使与所述各基波光路中所述基波首次通过的光路相比，在随后通过的光路中的波长转换效率较大。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的波长转换激光器，其特征在于：所述控制装置依次切换射出所述转换波光的基波光路，以便让从所述输出面射出的转换波光扫描指定的范围。
10.一种图像显示装置，其特征在于包括：
如权利要求1至9中任一项所述的波长转换激光器，以及
对从所述波长转换激光器射出的转换波光进行调制以显示指定图像的调制元件。
11.一种激光加工装置，其特征在于包括：
如权利要求1至9中任一项所述的波长转换激光器，以及
让从所述波长转换激光器射出的转换波光聚光的聚光光学系统，其中，
所述转换波光的光点形状，随着所述各基波光路中射出转换波光的光路的数目的增减而发生变化。
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