CN105992971A - 多波长激光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于，提供一种多波长激光装置，能够以简便的结构得到重叠于同一轴上的多个波长变换后的光，而且能够缓解对重叠的光的限制。多波长激光装置具有：激光光源(10)，其射出基波长彼此不同的多个激光(20)；色散元件(30)，其按照波长和入射方向变更从激光光源(10)射出的激光(20)的行进方向，以重叠于同一轴上的状态出射；以及波长变换元件(40)，其具有周期性地形成的极化反转区域和非极化反转区域，对从色散元件(30)出射并重叠于同一轴上的状态的多个基波激光进行波长变换，使通过波长变换而得到的多个激光(50)以重叠于同一轴上的状态出射。

Description

多波长激光装置
技术领域
本发明涉及一般的激光技术，特别涉及能够产生波长不同的多个激光的激光装置。
背景技术
在以例如投影仪和投影电视机为代表的彩色图像的显示装置中，光源需要例如R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)这三种颜色的光源。
近年来，提出一种波长变换型的激光装置，作为这些光源，以基波长为900nm频带、1μm频带、1.3μm频带的激光为基波(以下记作基波激光)，使用非线性材料对这些基波激光进行波长变换使其产生二次谐波(SHG：Second HarmonicGeneration)，由此生成所需要的颜色(波长)的光。
作为这种以往的激光装置的一例，有由半导体激光器、激光介质以及非线性材料构成的激光装置(专利文献1)。
在专利文献1的激光装置中，如专利文献1中的图1所示，作为与激光产生有关的构成要素，具有半导体激光器、激光介质以及非线性光学材料。
另外，半导体激光元件产生针对激光介质的激励光。所产生的激励光被激光介质吸收，在激光介质内产生用于放大基波激光的增益。
另外，根据所产生的增益在激光介质中以基波长产生激光振荡，并出射基波激光。从激光介质出射的基波激光通过非线性光学材料中的波长变换被变换成二次谐波的光。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：WO 2006/103767号公报
发明内容
发明要解决的问题
在这种以往的激光装置中，尤其在激光介质使用固体元件来产生基波激光的情况下(所谓固体激光器的情况下)，基波激光的波长谱宽度往往非常狭窄，因此，通过波长变换而得到的光的波长谱的宽度也非常狭窄。
这意味着波长变换后的光的相干性较高，作为激光具有各种优点。
其另一方面意味着干扰性较强，已知在用于显示装置时产生斑点噪声的问题。
作为降低斑点噪声的方法，例如提出了通过将多个波长的光重叠来降低光源的相干性的方法。
图9是表示适用现有技术时的多波长激光装置的概略结构的例子的图。
另外，图9是为了容易理解说明，在采用上述专利文献1那样的波长变换的情况下，从波长不同的2个基波激光，通过二次谐波产生及和频产生，产生3种波长变换后的激光时的例子。
图中，200a、200b表示基波用的激光光源，300a、300b表示基波激光，400、…、407表示镜(包括半透半反镜)，500a、500b、500ab表示波长变换元件，600a、600b、600ab表示通过波长变换而得到的激光。并且，箭头的方向对应于光的行进方向。
从激光光源200a射出的基波激光300a由镜400进行分支。分支后的基波激光300a中的一方向波长变换元件500a入射，另一方经由镜401、402向波长变换元件500ab入射。
同样地，从激光光源200b射出的基波激光300b由镜403进行分支。分支后的基波激光300b中的一方向波长变换元件500b入射，另一方经由镜402向波长变换元件500ab入射。
波长变换元件500a对入射的基波激光300a进行波长变换，并出射二次谐波的激光600a。并且，波长变换元件500b对入射的基波激光300b进行波长变换，并出射二次谐波的激光600b。并且，波长变换元件500ab根据入射的基波激光300a、300b出射和频的激光600ab。
二次谐波的激光600a及和频的激光600ab由镜404、405相互重叠，再由镜406、407与二次谐波的激光600b相互重叠。
这样，在图9的结构例中，产生2个基波激光20a、20b，在波长变换元件中对所产生的基波激光进行波长变换，通过波长变换而得到的激光600a、600b、600ab由多个镜相互重叠并出射。
在上述图9的多波长激光装置中，必须使用多枚镜向多个波长变换元件入射基波激光，并使从波长变换元件出射的波长变换后的激光再由多枚镜耦合于同一轴上。
因此，存在装置的结构变得复杂的问题。
另一方面，在光的波长之差较小的情况下，很难根据镜的涂层的分光特性规定或者限制各种波长的光的行进方向。
在这种情况下，可考虑使用偏振不同的光进行重叠的方法，但是存在很难使偏振不同的多个光重叠的问题。
本发明正是为了解决上述问题而提出的，其目的在于，提供一种多波长激光装置，能够以简便的结构得到重叠于同一轴上的多个波长变换后的光，而且能够缓解对重叠的光的限制。
用于解决问题的手段
本发明的多波长激光装置具有：
激光光源，其射出基波长彼此不同的多个激光；
色散元件，其按照波长和入射方向变更从所述激光光源射出的所述多个激光各自的行进方向，使所述多个激光以重叠于同一轴上的状态出射；以及
波长变换元件，其具有周期性地形成的极化反转区域和非极化反转区域，在所述极化反转区域和非极化反转区域中，对从所述色散元件出射并重叠于所述同一轴上的状态的所述多个激光进行波长变换，使通过所述波长变换而得到的多个激光以重叠于同一轴上的状态出射。
并且，本发明的另一方式的多波长激光装置具有：
激励光源，其射出用于对激光介质赋予增益的多个激励光；
激光介质，其在所述激励光源一侧具有用于使所述激励光透过并反射基波长的激光的端部，使用从所述激励光源射出的所述多个激励光进行光放大，出射基波长彼此不同的多个激光；
色散元件，其按照波长和入射方向变更从所述激光介质出射的所述多个激光各自的行进方向，使所述多个激光以重叠于同一轴上的状态出射；
波长变换元件，其具有周期性地形成的极化反转区域和非极化反转区域，在所述极化反转区域和非极化反转区域中，对从所述色散元件出射并重叠于所述同一轴上的状态的所述多个激光进行波长变换，将通过所述波长变换而得到的多个激光以重叠于同一轴上的状态出射；以及
镜，其与所述激光介质的所述激励光源一侧的所述端部一起构成针对所述基波长彼此不同的多个激光的谐振器，使从所述波长变换元件出射的通过所述波长变换而得到的多个激光透过，并且反射所述基波长彼此不同的多个激光。
发明效果
根据本发明的多波长激光装置，可提供一种多波长激光装置，能够以简便的结构得到重叠于同一轴上的多个波长变换后的光，而且能够缓解对重叠的光的限制。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1的多波长激光装置的概略结构的例子的图。
图2是表示本发明的实施方式1的衍射光栅的工作原理的图。
图3是表示本发明的实施方式1的波长变换元件的概略结构和动作的例子的立体图。
图4是表示本发明的实施方式1的波长变换元件的内部构造的例子的图。
图5是表示本发明的实施方式2的多波长激光装置的概略结构的例子的图。
图6是表示本发明的实施方式3的多波长激光装置的概略结构的例子的图。
图7是表示本发明的实施方式4的多波长激光装置的概略结构的例子的图。
图8是表示本发明的实施方式5的多波长激光装置的概略结构的例子的图。
图9是表示适用现有技术时的多波长激光装置的概略结构的例子的图。
具体实施方式
下面，使用附图说明本发明的各实施方式。
另外，在以下的各实施方式的附图中，对同一或者同样的部分标注同一或者同样的标号，在各实施方式的说明中将省略其部分说明。
并且，附图中的各要素是为了说明本发明而适当进行划分的，其实施方式不限于附图的结构、划分、名称等。并且，划分的方式自身也不限于附图所示的划分。
实施方式1
下面，使用图1～图5说明本发明的实施方式1。
图1是表示本发明的实施方式1的多波长激光装置的概略结构的例子的图。
图中，10(10a、…、10n)表示激光光源，20(20a、…、20n)表示基波激光，30表示色散元件，40表示波长变换元件，50表示通过波长变换而得到的激光。另外，箭头的方向表示光的行进方向。
本实施方式1是所谓外部型的波长变换方式，即采用在激光振荡用的谐振器构造的外部配置波长变换元件的结构时的例子。
另外，在以下的说明中，在指激光光源整体的情况下或者不区分各个激光光源的情况下使用标号10进行说明，在指各个激光光源的情况下或者区分各个激光光源的情况下使用标号10a～10n进行说明。对于基波激光20(20a、…、20n)有时也同样地进行说明。
另外，通过波长变换而得到的激光50依存于在波长变换元件产生的多个激光的组合，因而假设表示通过波长变换而得到的多个激光整体，不区分通过波长变换而得到的各个激光。
激光光源10射出基波长彼此不同的多个激光即基波激光20a～20n。
其中，各个激光光源10a、10b、…、10n在其内部具有激光振荡用的谐振器构造。并且，假设从各个激光光源10a、10b、…、10n射出的激光20a、20b、…、20n以对应的基波长λa、λb、…、λn进行激光振荡。
并且，在本实施方式中，是各个激光光源10a、10b、…、10n配置在彼此不同的位置或者从不同位置射出激光的示例。
另外，在本实施方式中，是从各个激光光源10a、10b、…、10n射出的激光直接入射到色散元件30的示例。因此，以使激光入射到色散元件30的方式，配置各个激光光源10a、10b、…、10n的射出激光一侧的端部的朝向。
关于激光光源10，对于能够适用于本实施方式的激光器没有种类限制，例如能够适用(1)半导体激光器、(2)固体激光器。
例如在半导体激光器的情况下，能够适用具有多个活性层并能够呈阵列状射出多个激光的进行多发射极振荡的激光器。
另外，例如在固体激光器的情况下，能够适用(1)bulk型、(2)波导型的激光器。
色散元件30按照波长和入射方向变更从激光光源10入射的多个激光20a、20b、…、20n各自的行进方向。
并且，色散元件30配置在从激光光源10射出的多个激光20a、20b、…、20n在色散元件30中的入射区域重合的位置和朝向。
并且，色散元件30被配置成使入射的多个激光20a、20b、…、20n以重叠于同一轴上的状态出射。
在本实施方式1中，是色散元件30使用能够根据入射光的波长变更光的行进方向的衍射光栅的示例。
另外，在色散元件30使用衍射光栅的情况下，例如优选相对于特定的次数和波长具有较高的衍射效率的闪耀(blazed)衍射光栅。
并且，关于后述的衍射光栅的次数，以越低的次数使用则衍射效率越高，因而优选设为能够以较低的次数使用的形状和尺寸。
另外，也可以是，以使基波激光20a、20b、…、20n在色散元件30中的入射区域重合的方式，调整激光光源10的朝向和配置。
在本实施方式中以使用闪耀衍射光栅的情况为例进行说明。另外，闪耀衍射光栅的详细情况将在后面进行说明。
并且，将色散元件30规定成如下的形状、尺寸以及配置：从激光光源10射出的激光20a、20b、…、20n在色散元件30反射，使反射后的基波激光20a、20b、…、20n以大致重叠于同一轴上的状态入射到波长变换元件40。
波长变换元件40对入射的基波激光20a、20b、…、20n进行波长变换，并出射通过波长变换而得到的激光50。
在本实施方式的动作说明中，主要以进行使用二次谐波产生及和频产生中的至少一方的波长变换，并出射通过波长变换而得到的激光50的情况为例进行说明。
另外，在以下的说明中，关于基波激光20的数量(n)以及作为激光50以重叠于同一轴上的状态出射的激光的数量，使用不特别限定数量的通用的附图进行说明，但是，也能够适用于特定数量的组合例如分别是2的情况。
另外，波长变换元件40的端部的面41被配置成供在色散元件30反射后重叠的状态的激光20a、20b、…、20n入射。
并且，在波长变换元件40的端部的面41形成有光学膜，该光学膜使基波长的激光20a、20b、…、20n透过，并且反射通过波长变换而得到的激光50。
并且，在波长变换元件40的另一个端部的面42形成有光学膜，该光学膜使通过波长变换而得到的激光50透过。另外，端部的面42的光学膜可以是反射基波激光20a、20b、…、20n的光学膜，也可以是使基波激光20a、20b、…、20n透过的光学膜。
这些光学膜41、42例如能够通过层叠介电体薄膜而形成。
作为波长变换元件40的材料，能够使用以往的和新的波长变换用材料，例如作为以往的材料，能够使用KTP、KN、BBO、LBO、CLBO、LiNbO3、LiTaO3。
关于波长变换元件40的详细情况将在后面进行说明。
下面，对用作色散元件30的闪耀衍射光栅进行说明。
图2是表示闪耀衍射光栅的工作原理的图。
另外，对与图1相同的构成要素和标号省略详细说明。
图中，70表示相对于形成有衍射光栅的面的法线，α(αa、αb、αc)表示以衍射光栅的法线70为基准的基波激光20(20a、20b、20c)的入射角，β表示以衍射光栅的法线70为基准的基波激光20(20a、20b、20c)的出射角，d表示衍射光栅的节距，箭头表示光的行进方向。
另外，图中示出衍射光栅30的截面，在图的上侧的面形成有光栅。
并且，为了容易理解，图中示出基波激光20的数量为3的示例。但是，也可以是其它的数量，可以考虑与图1同样地具有基波激光20a、20b、…、20n。
并且，为了容易理解角度，与图1不同，箭头用较细的箭头示出。
从色散元件30出射的光的出射角度依存于光入射到色散元件30的入射角度、色散元件30的衍射光栅的节距以及入射光的波长，在闪耀衍射光栅的情况下，利用以下的光栅(grating)方程式表示。
sinα+sinβ＝Nmλ……(1)
其中，α表示光的入射角度，β表示光的出射角度，λ表示光的波长，m表示次数，N表示每1mm的光栅的槽数(槽条数)。其中，将槽数(槽条数)N规定为开口的间隔(衍射光栅周期)d的倒数。
另外，角度α、β的值以相对于形成有衍射光栅的面的法线为基准，在图中以逆时针为正。
根据式(1)，以使基波激光20a、20b、20c的出射角度β相等的方式，决定入射到衍射光栅30的3个基波激光20a、20b、20c的入射角度αa、αb、αc，配置多个激光光源10和衍射光栅30。
这样，从激光光源10射出的波长不同的多个基波激光20a、20b、20c能够以相同的出射角度β出射。
并且，通过以使基波激光20a、20b、20c的入射区域重合的方式进行配置，基波激光20a、20b、20c能够以重叠于同一轴上的状态从衍射光栅30出射。
下面，对波长变换元件40的详细情况及动作原理进行说明。
重叠于同一轴上的状态的多个基波长的激光从色散元件30入射到波长变换元件40。波长变换元件40对入射的激光进行波长变换，从端部的面42输出通过波长变换而得到的多个激光50。
在本实施方式中，说明波长变换元件40使用QPM(Quasi-Phase Matching：准相位匹配)波长变换元件时的示例。
图3是表示QPM波长变换元件40的概略结构和动作的例子的立体图。
图中，43表示极化反转层，44、45表示光学膜。
另外，对与图1和图2相同的构成要素省略详细说明。
如图所示，波长变换元件40具有多个极化反转层43。
极化反转层43是沿固定方向极化后的介电体材料的极化方向反转后的层。
在波长变换元件40内，作为极化反转层43，交替地配置非极化反转区域和极化反转区域，作为极化反转层43整体成为一个晶体。
由此，在波长变换元件40内周期性地形成极化反转层43。
基波长彼此不同的多个基波激光20a、20b、…、20n以重叠于同一轴上的状态从端部的面41入射到波长变换元件40。
另外，在这种情况下，重叠状态的基波激光20a、20b、…、20n的轴线与波长变换元件40的光学轴或者晶轴不一定需要一致，例如也可以根据(1)激光20a、20b、…、20n的波长的组合、(2)元件的构造、(3)波长变换方式而不同。
入射到波长变换元件40的基波激光20a、20b、…、20n在交替配置的非极化反转区域和极化反转区域中顺序地传播，一直传播到另一个端部的面42。
图4是表示图3所示的QPM波长变换光栅的内部构造的例子的图。
另外，对与上述各图相同的构成要素省略详细说明。
图中示出从侧面观察图3所示的波长变换元件40时的极化反转的图案。
另外，图4示出与基波长λa、…、λn的光中的全部光对应的能够波长变换的通常情况。
图中，46(46aa、…、46nn)表示二次谐波产生区域，47(47ab、…、47na)表示和频产生区域，∧(∧aa、…、∧nn、∧ab、…、∧na)表示各产生区域46(46aa、…、46nn、47ab、…、47na)的周期，正号(+)标记及负号(-)标记表示极化的朝向。
并且，表示各区域的符号中的标号a、b、…、n与基波激光20的符号20a、20b、…、20n中的标号a、b、…、n对应。因此，在二次谐波产生区域46的情况下使用相同的标号，在和频产生区域47的情况下使用不同的标号。
并且，图中采取沿着光轴方向配置多组由用正号(+)表示的极化层(非极化反转区域)和用负号(-)表示的极化层(极化反转区域)构成的1组极化层的结构。
上述非极化反转区域和极化反转区域的周期∧(∧aa、…、∧nn、∧ab、…、∧na)，是在按照入射的基波激光20的波长和通过波长变换而得到的激光50的波长形成波长变换元件40时决定的。
在二次谐波产生区域46aa中，在形成波长变换元件40时决定晶轴的角度、动作温度、周期等参数，使得基波长λa的光被变换成具有波长λa/2的二次谐波。
同样地，通过形成其它二次谐波产生区域46bb(、…、46nn)，能够将基波长λb(、…、λn)的光变换成具有波长λb/2(、…、λn/2)的二次谐波。
另外，在和频产生区域47ab中，在形成元件时决定晶轴的角度、动作温度、周期等参数，使得基波长λa、λb的光被变换成具有波长λab(＝(λa·λb)/(λa+λb))的和频光。
其它的和频产生区域也与上述情况同样，因而省略其说明。
这样，在想要使基波长λa的光产生二次谐波的情况下，形成与波长λa对应的周期∧aa的区域，在想要使波长λb的光产生二次谐波的情况下，形成与波长λb对应的周期∧b的区域，…，在想要产生波长λn的二次谐波的情况下，形成与波长λn对应的周期∧n的区域。
同样地，在产生波长λa与波长λb的和频的情况下，形成与波长λa和波长λb对应的周期∧ab的区域，在产生波长λb与波长λc的和频的情况下，形成与波长λb和波长λc对应的周期∧bc的区域，…，在产生波长λn与波长λa的和频的情况下，形成与波长λn和波长λa对应的周期∧an的区域。
例如，考虑波长λa的基波激光20a和波长λb的基波激光20b入射到如上所述构成的波长变换元件(QPM波长变换元件)40的情况。在入射波长λa的基波激光20a时，在波长λa用的二次谐波产生区域46aa中，根据非线性光学效应，波长λa的基波激光20a的一部分被波长变换成具有波长λa/2的二次谐波的激光。
同样地，在入射波长λb的基波激光20b时，在与该波长对应的二次谐波产生区域46bb中，波长λb的基波激光20b的一部分被波长变换成二次谐波的激光20b。
并且，在周期∧aa的区域46aa和周期∧bb的区域46bb中未被变换成二次谐波的激光的基波激光20a、20b的一部分，在与这两种波长对应的和频产生区域47ab中，根据非线性光学效应，被变换成具有波长λab(＝λa·λb/(λa+λb))的和频的激光。
入射其它波长的基波激光的情况也是同样的，通过设置对应的二次谐波产生区域，同样地变换成二次谐波的激光。并且，对于基波激光的其它组合，通过设置被变换成和频的区域(周期∧bc、…周期∧na的区域)47，在各个区域中将对应波长的基波激光的一部分变换成和频的激光。
在形成有端面42反射基波激光的光学膜的情况下，入射到波长变换元件40但未被变换波长的基波激光20在端面42被全反射，再次在波长变换元件40内传播，其一部分被变换成二次谐波及和频的激光。
另一方面，通过波长变换而得到的二次谐波及和频的激光从端面42直接出射到波长变换元件40的外部，或者在端面41全反射后从端面42出射到元件的外部。
通过波长变换而得到的激光成为多个激光重叠于同一轴上的状态的激光50。
如上所述，根据本实施方式的多波长激光装置，可提供一种多波长激光装置，能够以简便的结构得到重叠于同一轴上的多个波长变换后的激光，而且能够缓解对重叠的光的限制。
并且，由于在一个波长变换元件内设置多个波长变换区域，因而能够减少各变换区域中相对于基波长的激光20的损耗，能够提供波长变换效率良好的多波长激光装置。
另外，在本发明的实施方式中，使用图1所示结构时的例子说明了多波长激光装置的结构，但是，也可以是图1所示结构以外的结构。
并且，在本发明的实施方式的说明中，作为重叠于同一轴上的状态，期望各激光的截面和行进方向完全一致，但是不需要完全一致，只要重合到发挥本发明效果的程度即可，或者重合到例如在利用本发明的激光装置的显示装置中满足显示装置所需要的性能的程度即可。
另外，在本实施方式中，使用反射型的衍射光栅作为色散元件30进行了说明，但是，色散元件30的方式不限于此。例如，也可以使用后述的色散棱镜。在这种情况下，只要以使从多个激光光源10入射的激光，在它们的多个基波激光大致重叠于同一轴上的状态下入射到波长变换元件40的方式，配置色散元件30和激光光源10，则也能够得到与本实施方式相同的功能。
并且，关于波长变换元件40的材料，也可以使用抗光损耗性较强的添加MgO的LiNbO3、添加MgO的LiTaO3、定比LiNbO3、定比LiTaO3。
在这种情况下，能够提高入射到波长变换元件40的基波激光20的功率密度，因而能够实现更高效率的波长变换。
另外，关于波长变换元件40的材料，也可以使用具有周期反转极化构造的添加MgO的LiNbO3、添加MgO的LiTaO3、定比LiNbO3、定比LiTaO3、KTP。在这种情况下，非线性常数较大，因而能够实现比添加MgO的LiNbO3等更高效率的波长变换。
实施方式2
下面，使用图5说明本发明的实施方式2。
另外，对与上述实施方式1的图2的结构同一或者同样的要素，有时省略其说明。
图5是表示本发明的实施方式2的多波长激光装置的概略结构的例子的图。
图中，60表示透镜。
与上述实施方式1的不同之处在于，在实施方式1的图1所示的激光装置中，在激光光源10与色散元件30之间追加透镜60，将激光光源10的激光出射侧朝向透镜60配置。
透镜60使从激光光源10入射的基波长彼此不同的多个激光20a、20b、…、20n朝向色散元件30的同一区域出射。
激光光源10a、10b、…、10n、透镜60以及色散元件30的配置与上述实施方式1同样以满足上式(1)的方式配置，使得入射到色散元件30的激光20a、20b、…、20n的出射角度β相等。
另外，优选将激光光源10a、10b、…、10n的激光出射位置与透镜60之间的距离，设为与透镜60的焦距相当的距离。
根据如上所述的结构，激光20a、20b、…、20n入射到透镜60的位置彼此不同，因而分别入射到色散元件30的角度根据透镜20的偏心而不同。
由透镜60会聚后的激光20a、20b、…、20n以重叠于色散元件30的同一区域的方式入射到色散元件30。
会聚后的激光20a、20b、…、20n以重叠于同一轴上的状态从色散元件30朝向波长变换元件40出射。
如上所述，根据本实施方式的多波长激光装置，发挥与实施方式1相同的效果。
另外，在本发明的实施方式的说明中，作为重叠于同一区域中的状态，期望重叠于色散元件30的同一区域的区域完全一致，但是不需要完全一致，只要重合到发挥本发明效果的程度即可，或者重合到例如在利用本发明的激光装置的显示装置中满足显示装置所需要的性能的程度即可。
另外，在本实施方式中使用了一个透镜60，但不限于图示的结构，例如也可以(1)对各个激光光源10a、10b、…、10n或者激光20a、20b、…、20n配置透镜，(2)对一部分激光光源或者激光使用单独的透镜。
实施方式3
下面，使用图6说明本发明的实施方式3。
另外，对与上述各实施方式的附图的结构同一或者同样的要素，有时省略其说明。
图6是表示本发明的实施方式3的多波长激光装置的概略结构的例子的图。
图中，31表示角度调整机构，70表示镜，80(80a、80b、…、80n)表示半导体激光器，90(90a、90b、…、90n)表示激励光，100(100a、100b、…、100n)表示激光介质。
另外，在下面的说明中，与实施方式1同样，有时在指半导体激光器整体时或者不区分各个激光光源时使用符号80进行说明，在指各个激光光源时或者区分各个激光光源时使用符号80～80n进行说明。有时对于激励光90也同样地进行说明。
与上述实施方式1的图1大不相同的是，将图1的激光光源10置换配置成半导体激光器80和激光介质100，以及在波长变换元件40的激光50输出侧追加镜70。
由此，成为内部型的波长变换方式即在谐振器内部设置波长变换元件的结构时的示例，而不是实施方式1和实施方式2所示的外部型的波长变换方式即在谐振器外部设置波长变换元件的结构。
半导体激光器80是射出用于激励介质100的多个激励光90的激励光源。
即，半导体激光器80射出激光介质100产生光放大用的增益所需要的激励光90。各激励光90a、90b、…、90n的波长是预先按照各激光介质100a、100b、…、100n、从激光介质出射的激光20a、20b、…、20n的波长和输出等决定的。
并且，半导体激光器80被设置成射出激励光90一侧的端部与激光介质100的端部的面101相对。
半导体激光器80例如能够使用由化合物半导体材料构成的激光器。
从激励光源80射出的激励光90入射到激光介质100。并且，激光介质100出射基波长彼此不同的多个激光20a、20b、…、20n。
并且，激光介质100a在激励光源侧具有端部的面101，用于使激励光90a透过并反射基波激光20a。端部的面101构成用于振荡基波长的激光20a的谐振器构造的一部分。
同样地，其它激光介质100b、…、100n也具有使激励光透过并使基波激光透过的面101。
关于激光介质100的材料，能够使用以往的和新的激光介质，例如能够使用Nd：YAG、Nd：YLF、Nd：Glass、Nd：YVO4、Nd：GdVO4、Yb：YAG、Yb：YLF、Yb：KGW、Er：Glass、Er：YAG、Tm：YAG、Tm：YLF、Ho：YAG、Ho：YLF、Ti：Sapphire、Cr：LiSAF。
波长变换元件40的端部的面42具有使基波长的光也透过的特性。
镜70具有反射基波激光20并使通过波长变换而得到的激光50透过的特性。
并且，镜70与激光介质的端部的面101一起构成用于振荡基波长的激光20的谐振器的一部分。
下面，对激光装置的动作进行说明。
下面，为了容易理解说明，以使用不同的2个基波长λa、λb的基波激光进行波长变换，并产生各个基波激光的二次谐波以及2个基波激光的和频的激光的情况为例进行说明。但是，激光的数量没有限制，也可以是其它数量。
另外，假设激光介质100a在放大增益达到峰值的波长是λa，激光介质100b在放大增益达到峰值的波长是λb，分别以其波长进行激光振荡来说明。
首先，从半导体激光器80a射出用于激励激光介质100a的激励光90a。
激励光90a入射到激光介质100a，由此在激光介质100a内形成电子的反转分布状态，进入自然放出光谐振的模式，自然放出光通过感应放出而被放大。
该光在由激光介质100a的端部的面101和镜70构成的谐振器中往复。
此时，当环绕谐振器一周时的放大增益超过在环绕谐振器一周时受到的损耗时，波长λa的光进行激光振荡，从激光介质100a出射基波激光20a。
同样地，通过半导体激光器80b、激光介质100b、镜70，波长λb的光进行激光振荡，从激光介质100b出射基波激光20b。
从激光介质100a出射的基波激光20a和从激光介质100b出射的基波激光20b，以关于波长λa、λb满足式(1)的入射角度αa、αb(参照图2)入射到色散元件30。
从色散元件30出射的基波激光20a、20b以出射角度β相等且重叠于同一轴上的状态出射。
波长变换元件40预先形成周期性的极化反转层，使得相对于波长λa和波长λb的基波长的光，产生波长λa的二次谐波(波长＝λa/2)、波长λb的二次谐波(波长＝λb/2)、波长λa和波长λb的和频(波长λab＝(λa·λb)/(λa+λb))(参照图4)。
在波长λa的基波激光20a入射到波长变换元件40时，在波长λa用的二次谐波产生区域(周期∧aa的区域)46aa中，波长λa的基波激光20a的一部分被波长变换成具有波长λa/2的二次谐波。
同样地，对于波长λb的基波激光20b，在波长λb的光被变换成二次谐波的区域(周期∧bb区域)46bb中，被变换成波长λb/2的激光。
并且，在和频产生区域(周期∧ab的区域)47ab中，波长λa和波长λb的基波激光被变换成具有波长λab(＝λa·λb/(λa+λb))的和频光。
在波长变换元件40产生的上述二次谐波及和频的激光，经由波长变换元件40的端部的面42和镜70出射到外部。
此时，通过波长变换而得到的激光成为多个激光重叠于同一轴上的状态的激光50，从波长变换元件40出射。
这样，波长λa和波长λb的基波激光(20a、20b)以重叠于同一轴上的状态入射到波长变换元件40，入射的激光在非极化反转区域内和极化反转区域内顺序地传播，由此进行波长变换，产生波长λa/2、λb/2、λab这三种激光。
这三种激光经由波长变换元件40的端面42从镜70出射到外部。
从色散元件30入射但在波长变换元件40内未被变换成二次谐波及和频的光的基波激光20a、20b，经由端面42在镜70反射，再次入射到波长变换元件40内，与上述同样地，当在非极化反转区域和极化反转区域中通过时，其一部分被变换成二次谐波及和频的光。
此时产生的二次谐波及和频的光在波长变换元件40的端面41反射，经由端面42从镜70出射到外部。
另一方面，在镜70反射并再次入射到波长变换元件40但未被变换波长的基波激光20a、20b，一直传播到与各个波长对应的激光介质100a、100b的端部的面101即谐振器的一部分并在此反射，与上述同样地有助于基波激光的激光振荡动作。
如上所述，根据本实施方式的多波长激光装置，发挥与实施方式1相同的效果。
并且，通过设为内部型的波长变换方式，与实施方式1和实施方式2所示的在谐振器外部进行基波的波长变换的情况相比，能够高效地进行波长变换。
另外，在本实施方式中说明了如下情况：构成激光介质100和色散元件30，使得在激光介质100的增益的峰值波长时以基波长进行激光振荡，而且在增益的峰值波长时在色散元件30反射的光的出射角度β相同。
参照上述式(1)可知，在本实施方式的激光介质100的增益频带较宽的情况下，通过改变色散元件30的角度，满足式(1)的波长变化，因而能够改变进行激光振荡的基波长。
因此，也可以具有角度调整机构31(参照图6，但未图示具体结构)，该角度调整机构31以改变从多个激光介质12入射到色散元件30的激光的入射角度的方式配置，或者能够调整入射到色散元件30的激光20的入射角度。
在具有角度调整机构31的情况下，入射到色散元件30的入射角度α变化，因而基波激光20a、20b的波长从激光介质100a、100b的增益的峰值波长λa、波长λb变化成波长λa+Δλa、波长λb+Δλb。其中，Δλa、Δλb表示波长变化量。
在波长变换元件40中，通过预先决定晶轴角度、温度、反转极化的周期等参数并设置极化构造，使得对波长λa+Δλa、波长λb+Δλb的基波长的光也进行波长变换，由此，能够改变通过波长变换而得到的激光的波长而以重叠于同一轴上的状态出射。
实施方式4
下面，使用图7说明本发明的实施方式4。
另外，对与上述各实施方式的结构同一或者同样的要素，有时省略其说明。
图7是表示本发明的实施方式4的多波长激光装置的概略结构的例子的图。
与上述实施方式3的图6的不同之处在于，在激光介质100与色散元件30之间追加透镜60，激光介质100的出射基波激光的一侧朝向透镜60配置。
透镜60改变从激光介质100出射的基波激光20a、20b、…、20n的行进方向，并朝向色散元件30的同一区域出射。
各个激光介质100a、100b、…、100n、透镜60以及色散元件30的配置，与上述实施方式2同样以满足上式(1)的方式配置，使得入射到色散元件30的基波激光20a、20b、…、20n的出射角度β一致。
另外，优选将激光光源100a、100b、…、100n的基波激光的出射位置与透镜60之间的距离，设为与透镜60的焦距相当的距离。
如上所述，根据本实施方式的多波长激光装置，发挥与实施方式1相同的效果。
并且，与实施方式3同样，通过在谐振器内部进行对基波的波长变换，与实施方式1和实施方式2所示的在谐振器外部进行基波的波长变换的情况相比，能够高效地进行波长变换。
并且，由于具有角度调整机构31，因而与在实施方式3中具有角度调整机构31的情况同样，能够改变波长变换后的波长而以重叠于同一轴上的状态出射。
实施方式5
下面，使用图8说明本发明的实施方式5。
另外，对与上述实施方式1的图2的结构同一或者同样的要素，有时省略其说明。
图8是表示本发明的实施方式5的多波长激光装置的概略结构的例子的图。
图中，110表示色散棱镜。
与上述各实施方式的不同之处在于，色散元件30使用色散棱镜110而不是衍射光栅。
在上述实施方式1的衍射光栅30的情况下，在反射所入射的激光20时行进方向变化，在色散棱镜110的情况下是在透过时行进方向变化。
作为多波长激光装置的动作除了上述以外，其它相同。
如上所述，发挥与实施方式1相同的效果。
另外，也可以如上述实施方式2、4那样还使用会聚用的透镜60。
并且，也可以如实施方式3、4那样适用于内部谐振器型的结构而不限于本实施方式。
另外，在上述各实施方式中，作为波长变换元件40说明了按照图4所示的顺序形成极化反转区域的情况，但是，不需要全部设置图4所示的极化反转区域，例如也可以仅形成与想要以重叠于同一轴上的状态出射的波长对应的波长变换区域。对于激光光源10或者半导体激光器90和激光介质100也是同样的，不需要全部设置。
另外，作为激光装置的安装，能够采用(1)全部具有上述各图示出的结构和构造，(2)波长变换元件40具有图4所示的全部波长变换区域，但是激光光源10或者半导体激光器90和激光介质100全部没有等各种安装方式。
另外，在上述各实施方式中，说明了在波长变换元件40的二次谐波产生区域46中，按照图示的顺序配置极化反转周期∧aa的区域、∧bb的区域、…、∧nn的区域的构造，但不限于此。
例如，也可以具有极化反转周期从端部41朝向端部42渐增或者渐减的所谓线性调频脉冲(chirp)状变化的构造。
另外，也可以在各区域内具有呈线性调频脉冲状变化的构造。
这样，通过使极化反转的周期构造呈线性调频脉冲状变化，与极化反转周期一样的情况相比，能够扩大相位匹配条件的允许度即相位匹配带宽。
和频产生区域47也是同样的，也可以是使极化反转的周期构造呈线性调频脉冲状变化的构造，可得到相同的效果。
另外，在上述各实施方式中说明了波长变换元件40产生二次谐波及和频的示例，但不限于此。
例如，也可以在波长变换元件40内设置差频产生用的区域或参量振荡用的区域，发挥本发明的效果。
另外，在上述各实施方式中，是从色散元件30出射的基波激光20以重叠于同一轴上的状态输入到波长变换元件40，通过波长变换而得到的多个激光以重叠于同一轴上的状态从波长变换元件40出射。
但是，向波长变换元件40的入射和从波长变换元件40的出射中的上述两个“同一轴”不一定需要一致，例如根据安装激光装置时的各种参数例如用作波长变换元件40的QPM波长变换元件的准相位匹配的条件，也可以重叠在不同轴上。
另外，在上述各实施方式中示出的多波长激光装置的附图，是为了容易理解地进行说明而省略了具体构造的图，也可以包含其它功能要素或者构成要素例如电源单元、控制单元。
另外，上述各实施方式中的多波长激光装置的结构的方式只是一例，在安装装置时不限于附图所示的结构。并且，只要能够实现等效的功能即可而不限于各个实施方式，能够在本发明的课题和效果的范围内进行各种变形。
标号说明
10(10a、10b、…、10n)激光光源；20(20a、20b、…、20n)基波激光；30色散元件(衍射光栅或者色散棱镜)；31角度调整机构；40波长变换元件；41波长变换元件的端部(或者端部的面)；42波长变换元件的端部(或者端部的面)；43极化反转区域；44、45光学膜(介电体薄膜)；46(46aa、…、46nn)二次谐波产生区域；47和频产生区域(47ab、…、47na)；50波长变换后的波长的激光；60透镜；70镜；80(80a、80b、…、80n)半导体激光器；90(90a、90b、…、90n)激励光；100(100a、100b、…、100n)激光介质；110色散棱镜(色散元件)；α入射角度；β出射角度；d衍射光栅的节距。

Claims (7)

1.一种多波长激光装置，该多波长激光装置具有：
激光光源，其射出基波长彼此不同的多个激光；
色散元件，其按照波长和入射方向变更从所述激光光源射出的所述多个激光各自的行进方向，使所述多个激光以重叠于同一轴上的状态出射；以及
波长变换元件，其具有周期性地形成的极化反转区域和非极化反转区域，在所述极化反转区域和非极化反转区域中，对从所述色散元件出射并重叠于所述同一轴上的状态的所述多个激光进行波长变换，使通过所述波长变换而得到的多个激光以重叠于同一轴上的状态出射。
2.一种多波长激光装置，该多波长激光装置具有：
激励光源，其射出用于对激光介质赋予增益的多个激励光；
激光介质，其在所述激励光源一侧具有用于使所述激励光透过并反射基波长的激光的端部，使用从所述激励光源射出的所述多个激励光进行光放大，出射基波长彼此不同的多个激光；
色散元件，其按照波长和入射方向变更从所述激光介质出射的所述多个激光各自的行进方向，使所述多个激光以重叠于同一轴上的状态出射；
波长变换元件，其具有周期性地形成的极化反转区域和非极化反转区域，在所述极化反转区域和非极化反转区域中，对从所述色散元件出射并重叠于所述同一轴上的状态的所述多个激光进行波长变换，使通过所述波长变换而得到的多个激光以重叠于同一轴上的状态出射；以及
镜，其与所述激光介质的所述激励光源一侧的所述端部一起构成针对所述基波长彼此不同的多个激光的谐振器，使从所述波长变换元件出射的通过所述波长变换而得到的多个激光透过，并且反射所述基波长彼此不同的多个激光。
3.根据权利要求1或2所述的多波长激光装置，其中，
所述波长变换元件具有多个所述非极化反转区域和极化反转区域，
通过使用所述多个所述非极化反转区域和极化反转区域中的二次谐波产生及和频产生中的至少一方的波长变换，对从所述色散元件出射的重叠于所述同一轴上的状态的多个激光进行所述波长变换，使通过所述波长变换而得到的多个激光以重叠于同一轴上的状态出射。
4.根据权利要求1所述的多波长激光装置，其中，
所述多波长激光装置还具有光学透镜，该光学透镜配置在所述激光光源与所述色散元件之间，使从所述激光光源射出的所述基波长彼此不同的多个激光朝向所述色散元件的同一区域出射。
5.根据权利要求2所述的多波长激光装置，其中，
所述多波长激光装置还具有光学透镜，该光学透镜配置在所述激光介质与所述色散元件之间，使从所述激光介质出射的所述基波长彼此不同的多个激光朝向所述色散元件的同一区域出射。
6.根据权利要求3～5中任意一项所述的多波长激光装置，其中，
所述波长变换元件具有如下的构造：使所述多个所述非极化反转区域和极化反转区域的极化反转周期，从所述基波长的激光入射的一侧的端部朝向出射通过所述波长变换而得到的激光的一侧的端部渐增或者渐减。
7.根据权利要求1～6中的任意一项所述的多波长激光装置，其中，
所述色散元件具有角度调整机构，该角度调整机构能够调整所述基波长彼此不同的多个激光的入射方向。
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