JP2004125943A - Wavelength conversion apparatus - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To efficiently perform wavelength conversion without optically damaging a wavelength conversion element. <P>SOLUTION: A basic light A0 made incident in the wavelength conversion element 11 from an external part and having a prescribed wavelength is repetitively reflected by a partial reflection film 12 and a reflection film 13 opposed to each other, the wavelength of the basic light A<SB>0</SB>to A<SB>(n-1)</SB>is converted into converted light B<SB>1</SB>to B<SB>n</SB>by a plurality of wavelength conversion parts 14a<SB>1</SB>to 14a<SB>n</SB>provided in optical paths of the basic light A<SB>0</SB>to A<SB>(n-1)</SB>while the basic light is guided in the direction vertical to the direction in which the partial reflection film 12 and the reflection film 13 are opposed to each other and the converted light B<SB>1</SB>to B<SB>n</SB>is outputted from the partial reflection film 12 to an external part. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【００５５】
表１に示すように、波長変換部１４ａ_１は、入射した基本光Ａ_０を変換効率が略４％で変換光Ｂ_１に波長変換する。また、表１に示すように、波長変換部１４ａ_１の相互作用長と波長変換部１４ａ_ｉの相互作用長との比は、ｉが大きくなるに従って増大し、これにより波長変換部１４ａ_ｉの変換効率η_ｉが順次増大している。すなわち、波長変換部１４ａ_１〜１４ａ_２０を通過するたびに減少する基本光Ａ_０〜Ａ_１９の光強度に対応して、波長変換部１４ａ_１〜１４ａ_２０ではそれぞれの相互作用長を長くして変換効率を上げて、変換光Ｂ_１〜Ｂ_２０の光強度を一定に保っている。
【００５６】
このように、波長変換装置１は、上述の表１に示すような設計とされた２０個の波長変換部１４ａ_１〜１４ａ_２０が設けられた波長変換素子１１を用いれば、装置全体での変換効率を８０％以上にすることができる。
【００５７】
以上のように、第１の実施の形態における波長変換装置１は、部分反射膜１２及び反射膜１３により繰り返し基本光を反射することで基本光の光路を分割し、部分反射膜１２に向かう基本光Ａ_０〜Ａ_{（ｎ−１）}の光路毎に相互作用長の異なるｎ個の波長変換部１４ａ_１〜１４ａ_ｎを分散させて配することで、装置全体で高変換効率の波長変換を行うことができる。なお、波長変換部を基本光Ａ_０〜Ａ_{（ｎ−１）}が反射部１３に向かう光路中にも配するようにしてもよく、この場合に波長変換装置１は、反射膜１３を部分反射膜１２と同様に変換光を透過するような波長選択性を有する光学膜とすることとなる。
【００５８】
また、波長変換装置１は、波長変換部１４ａ_１〜１４ａ_ｎが基本光Ａ_０〜Ａ_{（ｎ−１）}の光強度に対して光損傷が起こらない程度の相互作用長とされていることで、基本光Ａ_０〜Ａ_{（ｎ−１）}による波長変換部１４ａ_１〜１４ａ_ｎの光損傷を抑制することができる。これにより、波長変換装置１は、波長変換素子１１の寿命と信頼性を大幅に向上させることができる。
【００５９】
さらに、波長変換装置１は、部分反射膜１２及び反射膜１３が互いに平行であり、また波長変換素子１１の波長変換部１４ａ_１〜１４ａ_ｎが互いに平行に等間隔に設けられているので、部分反射膜１２での変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎの入射位置が等間隔となり、且つ部分反射膜１２への変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎの入射角度が均一な角度となるため、変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎを等間隔に並べて所定の方向へ揃えて出力することができる。
【００６０】
さらにまた、波長変換装置１は、波長変換部１４ａ_１〜１４ａ_ｎの相互作用長を調整して均一な光強度の変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎを出力することができるため、これら変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎをまとめて１つの光束として光強度分布が均一な光源とすることができる。
【００６１】
さらにまた、波長変換装置１は、均一な光強度の変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎを平行に等間隔に並べて出力することができるので、線状光源として用いることができる。なお、波長変換装置が出力する変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎの具体的な利用方法については、第１０の実施の形態で詳細に述べる。
【００６２】
＜第２の実施の形態＞
以下では、第２の実施の形態として、図２に示す波長変換装置２について説明する。なお、上述した第１の実施の形態における波長変換装置１と同一の機能を有するものについては、同じ符号を付して説明を省略する。
【００６３】
波長変換装置２は、上述した波長変換装置１の部分反射膜１２及び反射膜１３を波長変換素子１１の側面１１ａ，１１ｂに対して平行となるように、それぞれ所定の距離だけ波長変換素子１１から離れるように配設し、波長変換素子１１と部分反射膜１２及び反射膜１３とを別体の構成としたものである。
【００６４】
この場合、波長変換装置２は、波長変換素子１１と部分反射膜１２及び反射膜１３との間が空隙となるために、波長変換素子１１の側面１１ａ，１１ｂ上に第１の波長の光及び第２の波長の光の反射を防止する反射防止膜１５，１６がそれぞれ設けられている。
【００６５】
反射防止膜１５，１６は、第１の波長の光及び第２の波長の光の反射を防止する、すなわち基本光及び変換光の反射を防止する。
【００６６】
波長変換装置２は、反射防止膜１５，１６を設けることにより、波長変換素子１１の側面１１ａ，１１ｂで基本光及び変換光が反射することにより発生する迷光を低減することができる。
【００６７】
以上のように、第２の実施の形態における波長変換装置２は、上述した波長変換装置１と同等の効果を得ることができるとともに、波長変換素子１１の側面１１ａ，１１ｂ上に部分反射膜１２及び反射膜１３を設けにくい場合に装置構成の実現を容易とすることができる。
【００６８】
＜第３の実施の形態＞
以下では、第３の実施の形態として、図３に示す波長変換装置３について説明する。なお、上述した第１〜２の実施の形態における波長変換装置１〜２と同一の機能を有するものについては、同じ符号を付して説明を省略する。
【００６９】
波長変換装置３は、上述したように相互作用長をそれぞれ調整することで所望の変換効率を達成する波長変換部１４ａ_１〜１４ａ_ｎに換えて、分域反転の反転周期や反転比率をそれぞれ調整することで所望の変換効率を達成するｎ個の波長変換部１７ａ_１〜１７ａ_ｎを、波長変換素子１１内に設けるようにしたものである。
【００７０】
波長変換部１７ａ_１〜１７ａ_ｎは、それぞれ直方体の形状を呈しており、直方体の長手方向の長さが均一とされている以外、上述した波長変換部１４ａ_１〜１４ａ_ｎと同様に配設されている。
【００７１】
そこで、以下において、波長変換装置３については、波長変換部１７ａ_１〜１７ａ_ｎと波長変換部１４ａ_１〜１４ａ_ｎとの相違点についてのみ説明する。
【００７２】
まず、基本光の減衰を簡単のため無視し、基本光が平行光であるとすれば、第二次高調波発生による変換光の光強度は、以下の式５に示す値に比例する。
【００７３】
｛ｓｉｎ（Δｋｌ／２）／（Δｋｌ／２）｝^２　　　・・・（式５）
但し、式５において、Δｋは基本光と第二次高調波発生による変換光の波数不整合量、ｌは相互作用長である。波数不整合量Δｋは、上述した分域反転の周期をΛとして、この反転周期Λを用いると、以下の式６に示すように一次擬似位相整合の条件式として表すことができる。
【００７４】
Δｋ＝ｋ_（２ω）−２×ｋ_（ω）−２π／Λ　　　・・・（式６）
但し、ｋ_（ω）及びｋ_（２ω）は、それぞれ基本光及び変換光の波数である。Δｋ＝０とすることで式５に示す値が最大値１を取り、この状態では、式６に示すように疑似位相整合が達成される。
【００７５】
波長変換部１７ａ_１〜１７ａ_ｎは、それぞれの反転周期が上述の式６に示すように疑似位相整合が達成できる反転周期Λとされている。波長変換部１７ａ_１〜１７ａ_ｎは、それぞれの反転周期を調整することで、出力する複数の変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎの光強度を均一化することができる。
【００７６】
具体的には、部分反射膜１２及び反射膜１３の間で繰り返し反射される基本光Ａ_０〜Ａ_{（ｎ −１ ）}の光路中に、例えば、それぞれ反転周期の少しずつ異なる分域反転領域、すなわち波長変換部１７ａ_１〜１７ａ_ｎを形成することにより、均一な光強度の変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎを出力することができる。波長変換部１７ａ_１〜１７ａ_ｎは、変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎの光強度を均一にするために、分域反転領域の反転周期を以下のように調整している。
【００７７】
波長変換部１７ａ_１〜１７ａ_ｎは、ｉを１〜ｎまでの整数、波長変換部１７ａ_ｉの反転周期をΛ_ｉ、簡単のため各分域反転領域内での分域の比率を１：１、それぞれの相互作用長を等しい長さであるとする。
【００７８】
疑似位相整合を達成する最適な反転周期がΛ_０（但し、Δｋ_０＝ｋ_（２ω）−２×ｋ_（ω）−２π／Λ_０＝０）であるときの最大変換効率をη_０、波数不整合量をΔｋ_０とすると、反転周期がΛ_ｉである波長変換部１７ａ_ｉの変換効率η_ｉは、波数不整合量をΔｋ_ｉとして、上述した式５より、以下の式７に示すように計算することができる。
【００７９】
η_ｉ＝η_０×｛ｓｉｎ（Δｋ_ｉｌ／２）／（Δｋ_ｉｌ／２）｝^２　・・・（式７）
但し、上述した式６よりΔｋ_ｉは、以下の式８に示すように計算することができる。
【００８０】
Δｋ_ｉ＝ｋ_（２ω）−２×ｋ_（ω）−２π／Λ_ｉ＝２π×（１／Λ_０−１／Λ_ｉ）　　・・・（式８）
従って、均一な光強度の変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎを得るためには、それぞれの波長変換部１７ａ_１〜１７ａ_ｎにおける変換効率η_ｉが上述した式４を満たすように、反転周期Λ_ｉを持つ分域反転領域を波長変換部１７ａ_１〜１７ａ_ｎに形成すればよい。
【００８１】
例えば、全部で１０個の変換光Ｂ_１〜Ｂ_１０を取り出す場合、１つの変換光の光強度Ｉ_ｉが、入射した基本光の光強度Ｉ_０に対して略５％の光強度比になるよう変換するには、以下の表２に示すような反転周期Λ_ｉで分域反転領域を形成すればよい。
【００８２】
【表２】

【００８３】
表２より、各波長変換部１７ａ_１〜１７ａ_１０において、ｉが大きくなるにつれてΛ_ｉが減少し、変換効率η_ｉが増大していることがわかる。
【００８４】
ここで、この波長変換部１７ａ_１〜１７ａ_１０は、波長変換部１７ａ_１０、すなわち最終領域で完全に疑似位相整合が取れるとしている。但し、表２における値は、近似的に計算した結果であり、計算の精度を上げれば変換光Ｂ_１〜Ｂ_１０の光強度が均一になることは言うまでもない。
【００８５】
以上のように、第３の実施の形態における波長変換装置３は、部分反射膜１２及び反射膜１３により繰り返し基本光を反射することで基本光の光路を分割し、部分反射膜１２に向かう基本光Ａ_０〜Ａ_{（ｎ−１）}の光路毎に反転周期の異なるｎ個の波長変換部１７ａ_１〜１７ａ_ｎを分散させて配することで、装置全体で高変換効率の波長変換を行うことができる。なお、波長変換部を基本光Ａ_０〜Ａ_{（ｎ−１）}が反射部１３に向かう光路中にも配するようにしてもよく、この場合に波長変換装置１は、反射膜１３を部分反射膜１２と同様に変換光を透過するような波長選択性を有する光学膜とすることとなる。
【００８６】
また、波長変換装置３は、波長変換部１７ａ_１〜１７ａ_ｎが基本光Ａ_０〜Ａ_{（ｎ−１）}の光強度に対して光損傷が起こらない程度の相互作用長とされていることで、基本光Ａ_０〜Ａ_{（ｎ−１）}による波長変換部１７ａ_１〜１７ａ_ｎの光損傷を抑制することができる。これにより、波長変換装置２は、波長変換素子１１の寿命と信頼性を大幅に向上させることができる。
【００８７】
さらに、波長変換装置３は、部分反射膜１２及び反射膜１３が互いに平行であり、また波長変換素子１１の波長変換部１７ａ_１〜１７ａ_ｎが互いに平行に等間隔に設けられているので、部分反射膜１２での変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎの入射位置が等間隔となり、且つ部分反射膜１２への変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎの入射角度が均一な角度となるため、変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎを等間隔に並べて所定の方向へ揃えて出力することができる。
【００８８】
さらにまた、波長変換装置３は、波長変換部１７ａ_１〜１７ａ_ｎの反転周期や反転比率を調整して均一な光強度の変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎを出力することができるため、これら変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎをまとめて１つの光束として光強度分布が均一な光源とすることができる。
【００８９】
さらにまた、波長変換装置３は、均一な光強度の変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎを平行に等間隔に並べて出力することができるので、線状光源として用いることができる。なお、波長変換装置が出力する変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎの具体的な利用方法については、第１０の実施の形態で詳細に述べる。
【００９０】
＜第４の実施の形態＞
以下では、第４の実施の形態として、図４に示す波長変換装置４について説明する。なお、上述した第１〜３の実施の形態における波長変換装置１〜３と同一の機能を有するものについては、同じ符号を付して説明を省略する。
【００９１】
波長変換装置４は、上述した波長変換装置１における波長変換部１４ａ_１〜１４ａ_ｎや波長変換装置３における波長変換部１７ａ_１〜１７ａ_ｎのように波長変換素子１１の特定の領域に分域反転構造を設けずに、波長変換素子１１の全体に分域反転構造を有する波長変換部１８を設けるとしたものである。
【００９２】
そこで、以下において、波長変換装置４については、波長変換部１８についてのみ説明する。なお、波長変換装置４は、詳細を第１０の実施の形態において説明する基本光分割手段により複数に分割された基本光が平行に入射されるため、部分反射膜１２及び反射膜１３を備えずに、波長変換素子１１の側面１１ａ，１１ｂ上に反射防止膜１５，１６と略同等の図示しない反射防止膜がそれぞれ設けられているものとする。
【００９３】
波長変換素子１１は、側面１１ｂに対して垂直にｎ個の基本光が平行に入射され、入射された基本光のそれぞれ平行な光路Ｃ_１〜Ｃ_ｎに対して徐々に反転周期を線形変化させたような構造、いわゆるチャープ構造が設けられた波長変換部１８が素子全体に渡って形成されている。
【００９４】
具体的には、ｉを１〜ｎまでの整数で、波長変換部１８内での各光路において反転周期が長いほうから順に割り付けられた数であるとすると、ｉ番目の光路Ｃ_ｉにおける反転周期Λ_ｉは、以下の式９に示すように計算することができる。
【００９５】
Λ_ｉ＝Λ_０×（１＋（ｎ−ｉ）×δΛ）　　・・・（式９）
但し、ｎは疑似位相整合を達成する周期を持つ光路の順番、すなわち波長変換素子１１から取り出す全変換光の数であり、δΛは反転周期の変化量である。ここで、反転周期Λ_ｉの計算例を以下の表３に示す。
【００９６】
【表３】

【００９７】
なお、表３における反転周期Λ_ｉは、この波長変換部１８の各光路Ｃ_１〜Ｃ_ｎ上での相互作用長を一定として、計算した結果である。
【００９８】
例えば、全部で１０個の変換光Ｂ_１〜Ｂ_１０を取り出す場合、すなわちｎ＝１０である場合、１つの変換光の光強度Ｉ_ｉが、入射した基本光の光強度Ｉ_０に対して略５％の光強度比になるよう変換するには、波長変換部１８の各光路Ｃ_１〜Ｃ_１０における反転周期を、表３に示される反転周期Λ_ｉとする分域反転領域を形成すればよい。
【００９９】
なお、波長変換装置４では、上述したような波長変換部１８を有する波長変換素子１１を用いることにより、最終領域（ｎ＝１０）で完全に疑似位相整合が取れるとしている。
【０１００】
以上のように、第４の実施の形態における波長変換装置４は、複数の基本光の光路Ｃ_１〜Ｃ_ｎに対応する部分において分域反転の反転周期が異なる波長変換部１８を用いることで、装置全体で高変換効率の波長変換を行うことができる。
【０１０１】
また、波長変換装置４は、複数の基本光の入射方向が等間隔に平行であれば、変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎを等間隔に平行に並べて出力することができる。
【０１０２】
但し、波長変換装置４は、変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎの光強度が全く均一ではないが、波長変換部１８が簡単な構造であり、均一な反転周期の分域反転領域を形成する場合に比べて変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎの光強度差を減少させることができる。
【０１０３】
＜第５の実施の形態＞
以下では、第５の実施の形態として、図５に示す波長変換装置５について説明する。なお、上述した第１の実施の形態における波長変換装置１と同一の機能を有するものについては、同じ符号を付して説明を省略する。
【０１０４】
波長変換装置５は、波長変換部１４ａ_１〜１４ａ_ｎに換えて、基本光の進行方向に対して直交する方向に延在され任意の反転周期の分域反転領域が形成された、例えば６個の波長変換部１９ａ_１〜１９ａ_６を、波長変換素子１１内に設けるようにしたものである。そこで、以下において、波長変換装置５については、波長変換部１４ａ_１〜１４ａ_ｎと異なる波長変換部１９ａ_１〜１９ａ_６についてのみ説明する。
【０１０５】
波長変換部１９ａ_１〜１９ａ_６は、互いに平行な一対の部分反射膜１２及び反射膜１３により繰り返し反射される基本光の光路中で、基本光Ａ_０〜Ａ_４が部分反射膜１２に入射する向きに対してそれぞれ略直交する方向に延在されている。また、波長変換部１９ａ_１〜１９ａ_６は、基本光Ａ_０〜Ａ_４が部分反射膜１２に入射する向きに順に重ねられている。すなわち、波長変換部１９ａ_１〜１９ａ_６は、基本光Ａ_０〜Ａ_４の通過するそれぞれの光路中に複数ずつまたがるように設けられている。このような波長変換素子１１では、基本光Ａ_０〜Ａ_４がそれぞれ波長変換部１９ａ_１〜１９ａ_６のうち２つ以上により波長変換される。
【０１０６】
波長変換部１９ａ_１〜１９ａ_６は、波長変換素子１１内における基本光Ａ_０〜Ａ_４が部分反射膜１２に向かう方向に対して直行する方向に、それぞれ擬似位相整合により基本光から変換光を生成するための条件に適応する所定の周期の分域反転構造とされている。すなわち、波長変換部１９ａ_１〜１９ａ_６は、それぞれ基本光の進行方向に対して自発分極を所定の周期で反転させた構造とされている。
【０１０７】
これら波長変換部１９ａ_１〜１９ａ_６は、それぞれ所定の反転周期及び反転比率とされているが、基本光Ａ_０〜Ａ_４が部分反射膜１２に入射する向きに反転周期が少しずつ異なる。また、これら複数の波長変換部１９ａ_１〜１９ａ_６は、それぞれ基本光Ａ_０〜Ａ_４の光強度によって光損傷が起こらないような相互作用長とされている。そして、それぞれの波長変換部１９ａ_１〜１９ａ_６は、入射された基本光Ａ_０〜Ａ_４を所定の変換効率で波長変換して変換光Ｂ_１〜Ｂ_５を出力するようになっている。
【０１０８】
具体的に、波長変換部１９ａ_１〜１９ａ_６は、入射される基本光の周波数をωとすると、二次高調波発生により周波数が２ωの変換光を出力する。すなわち、波長変換部１９ａ_１〜１９ａ_６は、基本光の波長が半分である変換光を出力する。
【０１０９】
次に、波長変換装置５が、基本光から変換光へ波長変換を行う際の各部の作用について説明する。なお、以下では、ｉを１〜５までの整数として、開口部１１ｃから入射された基本光の進行方向に数えてｉ番目の波長変換部を波長変換部１９ａ_ｉ、外部の光源から出射された基本光をＡ_０、反射膜１２ｂでｉ回反射された基本光をＡ_ｉ、ｉ番目に出力される変換光をＢ_ｉとして、基本光及び変換光の光路に沿って説明する。
【０１１０】
まず、図示しない光源から出射された基本光Ａ_０は、周波数ωのレーザ光であり、非線形変換素子１１における開口部１１ｃから入射角θ_１で入射し、屈折角θ_２だけ屈折する。
【０１１１】
次に、非線形変換素子１１内に入射した基本光Ａ_０は、波長変換部１９ａ_１〜１９ａ_３に順次入射し、所定の変換効率で周波数２ωの変換光Ｂ_１に波長変換される。波長変換部１９ａ_１〜１９ａ_３は、変換光Ｂ_１を出力するとともに未変換の基本光Ａ_１を出力する。そして、波長変換部１９ａ_３から出力された変換光Ｂ_１は、部分反射膜１２に入射し、この部分反射膜１２を透過して外部に出力される。
【０１１２】
一方、波長変換部１９ａ_１〜１９ａ_３から出力された未変換の基本光Ａ_１は、部分反射膜１２により全反射されて、波長変換素子１１内を進み、そして、反射膜１３でさらに全反射されて波長変換部１９ａ_２〜１９ａ_４に順次入射し、所定の変換効率で周波数２ωの変換光Ｂ_２に波長変換される。波長変換部１９ａ_２〜１９ａ_４、変換光Ｂ_２を出力するとともに未変換の基本光Ａ_２を出力する。そして、波長変換部１９ａ_４から出力された変換光Ｂ_２は、部分反射膜１２に入射し、この部分反射膜１２を透過して外部に出力される。
【０１１３】
このように、波長変換装置５は、波長変換素子１１内へ入射した基本光Ａ_０を、基本光Ａ_４となるまで、部分反射膜１２及び反射膜１３により繰り返し反射させるとともに部分反射膜１２及び反射膜１３の互いに対向する方向に対して水平方向に導きながら波長変換部１９ａ_１〜１９ａ_６により波長変換することで変換光Ｂ_１〜Ｂ_５を出力する。
【０１１４】
ここで、波長変換部１９ａ_１〜１９ａ_６は、変換効率が所望の値となるように、例えば、基本光Ａ_０の部分反射膜１２に向かう光路において、波長変換部１９ａ_１〜１９ａ_３の反転周期がそれぞれ異なるように分域反転領域が設定されており、基本光Ａ_１の部分反射膜１２に向かう光路において、波長変換部１９ａ_２〜１９ａ_４の反転周期がそれぞれ異なるように分域反転領域が設定されている。波長変換部１９ａ_４の変換効率は、波長変換部１９ａ_２〜１９ａ_３のそれぞれの変換効率の和を所望の変換効率から差し引いた値となる。
【０１１５】
このような変換効率の計算を波長変換素子１１全体に渡って行い、基本光Ａ_０〜Ａ_４の光路における各波長変換部１９ａ_１〜１９ａ_６の反転周期と反転比率の最適化を行えば、変換光Ｂ_１〜Ｂ_５の光強度比を所望の値とすることができる。
【０１１６】
なお、このような波長変換部１９ａ_１〜１９ａ_６が設けられた波長変換素子１１を用いる場合には、基本光Ａ_０〜Ａ_４の光路中に反転周期及び相互作用長等の異なった任意の数の分域反転領域を設定できるため、比較的簡単な構造でありながら、基本光Ａ_０〜Ａ_４の光強度に応じて自由度の高い設計をすることができる。
【０１１７】
以上のように、第５の実施の形態における波長変換装置５は、部分反射膜１２及び反射膜１３により繰り返し基本光を反射することで基本光の光路を分割し、部分反射膜１２に向かう基本光Ａ_０〜Ａ_４の光路毎に反転周期の異なるｎ個の波長変換部１９ａ_１〜１９ａ_６を基本光Ａ_０〜Ａ_４の進行方向に対して垂直に延在させて配することで、装置全体で高変換効率の波長変換を行うことができる。
【０１１８】
また、波長変換装置５は、波長変換部１９ａ_１〜１９ａ_６が基本光Ａ_０〜Ａ_４の光強度に対して光損傷が起こらない程度の相互作用長とされていることで、基本光Ａ_０〜Ａ_４による波長変換部１９ａ_１〜１９ａ_６の光損傷を抑制することができる。これにより、波長変換装置５は、波長変換素子１１の寿命と信頼性を大幅に向上させることができる。
【０１１９】
さらに、波長変換装置５は、部分反射膜１２及び反射膜１３が互いに平行であるので、部分反射膜１２での変換光Ｂ_１〜Ｂ_５の入射位置が等間隔となり、且つ部分反射膜１２への変換光Ｂ_１〜Ｂ_５の入射角度が均一な角度となるため、変換光Ｂ_１〜Ｂ_５を等間隔に並べて所定の方向へ揃えて出力することができる。
【０１２０】
さらにまた、波長変換装置５は、波長変換部１９ａ_１〜１９ａ_６の反転周期を調整して均一な光強度の変換光Ｂ_１〜Ｂ_５を出力することができるため、これら変換光Ｂ_１〜Ｂ_５をまとめて１つの光束として光強度分布が均一な光源とすることができる。
【０１２１】
さらにまた、波長変換装置５は、均一な光強度の変換光Ｂ_１〜Ｂ_５を平行に等間隔に並べて出力することができるので、線状光源として用いることができる。なお、波長変換装置５が出力する変換光Ｂ_１〜Ｂ_５の具体的な利用方法については、第１０の実施の形態で詳細に述べる。
【０１２２】
なお、波長変換装置５では、一つの変換光を出力するのに３つの波長変換部により波長変換を行うようにしているが、４つ以上の波長変換部により波長変換を行うようにしてもよいことは言うまでもない。また、波長変換装置５は、５個の光束として変換光Ｂ_１〜Ｂ_５を出力するようにしたが、波長変換部を調整することで上述した波長変換装置１〜４と同様に任意の数の光束として変換光を出力することができることは言うまでもない。
【０１２３】
＜第６の実施の形態＞
以下では、第６の実施の形態として、図６に示す波長変換装置６について説明する。なお、上述した第１〜５の実施の形態における波長変換装置１〜５と同一の機能を有するものについては、同じ符号を付して説明を省略する。
【０１２４】
上述した第１の実施の形態における波長変換装置１において、基本光の光路を分離する導光路として、互いに平行な部分反射膜１２及び反射膜１３を用いたが、波長変換装置６は、他の反射手段を用いて基本光の光路分離を行うものである。具体的に、波長変換装置６は、一対のコーナーキューブ型反射鏡、いわゆるキャッツアイを用いて基本光を繰り返し反射しながら一対のキャッツアイが対向する方向と直行する方向に基本光を導く。
【０１２５】
波長変換装置６は、図６に示すように、基本光の波長を変換して変換光を生成する波長変換素子２１と、基本光及び変換光の反射を防止する反射防止膜１５，１６と、基本光を繰り返し反射するとともに変換光を透過する一対のキャッツアイ２２，２３とを備えている。
【０１２６】
波長変換素子２１は、直方体の形状を呈した光学部材である。波長変換素子２１には、非線形光学現象を利用して基本光の波長を変換し、変換光を生成するｎ個の波長変換部２４ａ_１〜２４ａ_ｎが内部に設けられている。波長変換素子２１は、直方体の長手方向に平行な１つの側面２１ａ上に反射防止膜１５が設けられ、この側面２１ａから所定の距離にキャッツアイ２２が設けられている。また、波長変換素子２１は、側面２１ａと平行な反対側の側面２１ｂ上に反射防止膜１６が設けられ、この側面２１ｂから所定の距離にキャッツアイ２３が設けられている。
【０１２７】
キャッツアイ２２，２３は、第２の波長の光を透過し、第１の波長の光を反射する波長選択性を有する光学部材である。すなわち、キャッツアイ２２，２３は、基本光を反射し、変換光を透過する光分部材であり、キャッツアイ２２，２３の間の変換光を装置外部に取り出すことができる。具体的に、キャッツアイ２２，２３は、コーナーキューブ型反射鏡であり、入射した基本光を、コーナーキューブ面で反射させて入射光路と平行に所定の方向にシフトした光路となるように反射する。
【０１２８】
波長変換素子２１は、波長変換を行う波長変換部２４ａ_１〜２４ａ_ｎ以外の部分が、波長変換に寄与しない光透過性の高い光学材料で埋められている。波長変換素子２１の波長変換部２４ａ_１〜２４ａ_ｎ以外の部分を埋める光学材料としては、第１の波長の光及び第２の波長の光に対して高い透過率を有するものが好ましい。すなわち、波長変換素子２１の波長変換部２４ａ_１〜２４ａ_ｎ以外の部分を埋める光学材料としては、基本光及び変換光に対して高い透過率を有するものが好ましい。なお、波長変換素子２１の形状は、直方体に限定されるものではないことは言うまでもない。
【０１２９】
なお、波長変換素子２１の側面２１ｂから所定の距離に配設されたキャッツアイ２３は、側面２１ｂに対して長手方向にシフトした位置に配設されており、側面２１ｂの長手方向の一端側が外部に露呈している。この側面２１ｂが外部に露呈した部分を開口部２１ｃとする。図示しない光源から出射された基本光は、この開口部２１ｃから波長変換素子２１の内部に垂直に入射する。
【０１３０】
キャッツアイ２２，２３は、波長変換素子２１を挟んで互いに平行であり、それぞれ基本光を反射するので、開口部２１ｃから波長変換素子２１の内部に垂直に入射した基本光を、同一平面内で繰り返し反射する。ここで、キャッツアイ２２，２３は、入射した基本光を入射光路とは異なるが、入射方向と平行な方向へ正確に反射することができるように周期的な反射面からなるコーナーキューブ面が組み合わされている。この一対のキャッツアイ２２，２３は、波長変換素子２１の長手方向に、それぞれ対向するコーナーキューブ面の周期的な反射面を半周期分だけずらすことで、一対のキャッツアイ２２，２３の間で繰り返し反射しながら、この基本光を波長変換素子２１の長手方向、すなわちキャッツアイ２２，２３が対向する方向に対して直交する方向に導く。つまり、キャッツアイ２２，２３は、基本光を導く光路を形成している。
【０１３１】
具体的に、キャッツアイ２２，２３は、開口部２１ｃから波長変換素子２１の内部に入射した基本光を繰り返し反射することで、この基本光を互いに同一の直線上にはない複数の光路に導光する。つまり、キャッツアイ２２，２３は、先の光路から入射された基本光を同一の直線上にはない次の光路に順次導光する。ここで、先の光路及び次の光路とは、キャッツアイ２２又はキャッツアイ２３に入射した基本光が反射されて光路が変化する場合において、反射前後の基本光の光路をそれぞれ示している。
【０１３２】
波長変換部２４ａ_１〜２４ａ_ｎは、それぞれ直方体の形状を呈しており、長手方向の一端がキャッツアイ２３側に向けられ、他端がキャッツアイ２２側に向けられている。波長変換部２４ａ_１〜２４ａ_ｎは、キャッツアイ２２，２３が対向する方向に沿って、互いに平行で等間隔となるように形成されている。なお、波長変換部２４ａ_１〜２４ａ_ｎの形状は、直方体に限定されるものではなく、長手方向に延在された形状であればよい。
【０１３３】
波長変換部２４ａ_１〜２４ａ_ｎは、詳細を後述するが、基本光が長手方向の一端から長手方向に沿って入射されることで波長変換を行い、他端から変換光を出力する。なお、波長変換部２４ａ_１〜２４ａ_ｎは、長手方向の一端から基本光が長手方向に沿って入射されることで、他端から未変換の基本光も出力する。
【０１３４】
具体的に、波長変換部２４ａ_１〜２４ａ_ｎは、長手方向の一端から入射される基本光の周波数をωとすると、二次高調波発生により周波数が２ωの変換光を他端から出力する。すなわち、波長変換部２４ａ_１〜２４ａ_ｎは、基本光の波長が半分である変換光を出力する。
【０１３５】
また、波長変換部２４ａ_１〜２４ａ_ｎは、それぞれ長手方向の長さが均一とされており、それぞれ入射された基本光及び出力する変換光の光強度により光損傷が起こらないような相互作用長とされている。
【０１３６】
波長変換部２４ａ_１〜２４ａ_ｎは、それぞれ擬似位相整合により基本光から変換光を生成するための条件に適応するように、長手方向に反転周期や反転比率がそれぞれ異なるような分域反転構造とされている。すなわち、波長変換部２４ａ_１〜２４ａ_ｎは、それぞれ長手方向に対して自発分極を異なる周期で反転させた分域反転領域が形成されている。
【０１３７】
なお、波長変換部２４ａ_１〜２４ａ_ｎは、例えば、長手方向に反転周期が異なるように、相互作用長が均一となる反転パターンを、リソグラフィ技術等を用いて製作し、電界を印加することで分域反転構造が作成されている。
【０１３８】
波長変換部２４ａ_１〜２４ａ_ｎは、基本光及び変換光に対して光透過性を有する材料により形成されており、上述した波長変換部１４ａ_１〜１４ａ_ｎと同様の非線形光学結晶が用いられる。
【０１３９】
なお、上述した波長変換素子２１は、素子全体を単一の光学結晶で構成し、波長変換部２４ａ_１〜２４ａ_ｎのみに分域反転構造を形成する等して光学特性を変化させて、この波長変換部２４ａ_１〜２４ａ_ｎが波長変換を行うようにしてもよい。
【０１４０】
次に、波長変換装置６が、基本光から変換光へ波長変換を行う際の各部の作用について説明する。なお、以下では、ｉを１〜ｎまでの整数として、開口部２１ｃから入射された基本光の光路順に数えてｉ番目の波長変換部を波長変換部２４ａ_ｉ、外部の光源から出射された基本光をＡ_０、波長変換部２４ａ_ｉから出力された基本光をＡ_ｉ、波長変換部２４ａ_ｉから出力された変換光をＢ_ｉとして、基本光及び変換光の光路に沿って説明する。
【０１４１】
まず、図示しない光源から出射された基本光Ａ_０は、周波数ωのレーザ光であり、反射防止膜１６を透過して波長変換素子２１の入射面に対して垂直に入射する。
【０１４２】
次に、波長変換素子２１内に入射した基本光Ａ_０は、波長変換部２４ａ_１に入射し、所定の変換効率で周波数２ωの変換光Ｂ_１に波長変換される。波長変換部２４ａ_１からは、変換光Ｂ_１とともに未変換の基本光Ａ_１が出力される。そして、波長変換部２４ａ_１から出力された変換光Ｂ_１は、反射防止膜１５を透過してキャッツアイ２２に入射し、このキャッツアイ２２を透過して外部に出力される。
【０１４３】
一方、波長変換部２４ａ_１から出力された基本光Ａ_１は、反射防止膜１５を透過してキャッツアイ２２のコーナーキューブ面に所定の入射角で入射し、コーナーキューブ面により全反射され、入射方向から平行にシフトした方向に反射され、反射防止膜１５を透過して再び波長変換素子２１内に入射する。
【０１４４】
次に、波長変換素子２１内に入射した基本光Ａ_１は、波長変換部２４ａ_２に入射し、所定の変換効率で周波数２ωの変換光Ｂ_２に波長変換される。波長変換部２４ａ_２からは、変換光Ｂ_２とともに未変換の基本光Ａ_２が出力される。そして、波長変換部２４ａ_２から出力された変換光Ｂ_２は、反射防止膜１６を透過してキャッツアイ２３に入射し、このキャッツアイ２３を透過して外部に出力される。
【０１４５】
一方、波長変換部２４ａ_２から出力された基本光Ａ_２は、反射防止膜１６を透過してキャッツアイ２３のコーナーキューブ面に所定の入射角で入射し、コーナーキューブ面により全反射され、入射方向から平行にシフトした方向に反射され、反射防止膜１６を透過して再び波長変換素子２１内に入射する。
【０１４６】
このように、波長変換装置６は、波長変換素子２１内へ入射した基本光Ａ_０を、基本光Ａ_ｎとなるまで、キャッツアイ２２，２３により繰り返し反射させながらｎ個の波長変換部２４ａ_１〜２４ａ_ｎにより波長変換することで変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎを出力する。
【０１４７】
以上のように、第６の実施の形態における波長変換装置６は、キャッツアイ２２，２３により繰り返し基本光を反射することで基本光の光路を分割し、キャッツアイ２２，２３に向かう基本光Ａ_０〜Ａ_{（ｎ−１）}の光路毎に相互作用長の異なるｎ個の波長変換部２４ａ_１〜２４ａ_ｎを分散させて配することで、装置全体で高変換効率の波長変換を行うことができる。
【０１４８】
また、波長変換装置６は、波長変換部２４ａ_１〜２４ａ_ｎが基本光Ａ_０〜Ａ_{（ｎ−１）}の光強度に対して光損傷が起こらない程度の相互作用長とされていることで、基本光Ａ_０〜Ａ_{（ｎ−１）}による波長変換部２４ａ_１〜２４ａ_ｎの光損傷を抑制することができる。これにより、波長変換装置６は、波長変換素子２１の寿命と信頼性を大幅に向上させることができる。
【０１４９】
さらに、波長変換装置６は、キャッツアイ２２，２３が互いに平行であり、また波長変換素子１１の波長変換部１４ａ_１〜１４ａ_ｎが互いに平行に等間隔に設けられているので、部分反射膜１２での変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎの入射位置が等間隔となり、且つキャッツアイ２２，２３への変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎの入射角度が均一な角度となるため、変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎを等間隔に並べて所定の方向へ揃えて出力することができる。
【０１５０】
さらにまた、波長変換装置６は、波長変換部２４ａ_１〜２４ａ_ｎの反転周期を調整して均一な光強度の変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎを出力することができるため、これら変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎをまとめて１つの光束として光強度分布が均一な光源とすることができる。
【０１５１】
さらにまた、波長変換装置６は、均一な光強度の変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎを平行に等間隔に並べて出力することができるので、線状光源として用いることができる。なお、波長変換装置が出力する変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎの具体的な利用方法については、第１０の実施の形態で詳細に述べる。
【０１５２】
＜第７の実施の形態＞
以下では、第７の実施の形態として、図７に示す波長変換装置７について説明する。なお、上述した第１〜６の実施の形態における波長変換装置１〜６と同一の機能を有するものについては、同じ符号を付して説明を省略する。
【０１５３】
ここで、波長変換装置６は、波長変換部２４ａ_１〜２４ａ_ｎにおける位相整合方式として、分域反転を用いた擬似位相整合により波長変換を行っていたが、位相整合方式として擬似位相整合に限定されないことは言うまでもない。
【０１５４】
波長変換装置７は、波長変換装置６における疑似位相整合により波長変換を行う波長変換素子２１に換えて、擬似位相整合以外の位相整合方式で波長変換を行う波長変換素子２５を備えるようにしたものである。
【０１５５】
ただし、波長変換素子２１を平行平板型の非線形光学結晶に置き換えただけでは、基本光Ａ_０〜Ａ_{（ｎ−１）}の各光路において同一の変換効率を持つため、出力される変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎの均一な光強度比を実現することはできない。変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎの均一な光強度比を実現するには、角度位相整合や温度位相整合等の方式を用いる場合、基本光Ａ_０〜Ａ_{（ｎ−１）}の各光路において波長変換部の相互作用長を変化させて並べることで実現可能である。
【０１５６】
そこで、波長変換装置７では、図７に示すように、それぞれ相互作用長の異なる波長変換部２８ａ_１〜２８ａ_ｎを相互作用長順に並べた波長変換素子２５を用いる。
【０１５７】
波長変換素子２５は、それぞれ幅が均一で長さが異なる直方体の形状とされたｎ個の波長変換部２８ａ_１〜２８ａ_ｎを複数有し、これら波長変換部２８ａ_１〜２８ａ_ｎが長さ順に接合されて２つの階段状平面２５ａ，２５ｂを形成している。また、波長変換素子２５は、この階段状平面２５ａ，２５ｂ上にそれぞれ反射防止膜２６、２７が設けられている。なお、反射防止膜２６，２７は、反射防止膜１５，１６と略同等の構成とされ、基本光及び変換光の反射を防止するようになっている。
【０１５８】
波長変換部２８ａ_１〜２８ａ_ｎは、波長変換を行う結晶材料であり、それぞれ位相整合により基本光から変換光を生成するための条件に適応するように調整されている。なお、波長変換部２８ａ_１〜２８ａ_ｎは、波長変換部１４ａ_１〜１４ａ_ｎと同じ非線形光学結晶を用いることができる。
【０１５９】
また、波長変換部２８ａ_１〜２８ａ_ｎは、互いに平行な一対のキャッツアイ２２，２３により繰り返し反射される基本光の光路中で、基本光がキャッツアイ２２，２３の間を１往復する毎の往路及び復路に１つずつ設けられている。これら複数の波長変換部２８ａ_１〜２８ａ_ｎは、それぞれ入射する基本光の光強度によって光損傷が起こらないような相互作用長となるように結晶長が調整されている。そして、それぞれの波長変換部２８ａ_１〜２８ａ_ｎは、入射された基本光を相互作用長に応じた所定の変換効率で波長変換して、変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎを出力する。
【０１６０】
具体的に、波長変換部２８ａ_１〜２８ａ_ｎは、長手方向の一端から入射される基本光の周波数をωとすると、二次高調波発生により周波数が２ωの変換光を他端から出力する。すなわち、波長変換部２８ａ_１〜２８ａ_ｎは、基本光の波長が半分である変換光を出力する。
【０１６１】
ここで、上述した波長変換部２８ａ_１〜２８ａ_ｎは、たとえ任意の結晶長であっても、結晶方位を変化させたり、温度を調節したり、電場又は磁場を印加し電気光学学効果又は磁気光学効果を発生させたり、外部応力を印加して光弾性効果を発生させる等により、位相整合条件を制御し、変換効率を適宜調整することで、必要とされる変換光の光強度比を実現することが可能である。また、波長変換部２８ａ_１〜２８ａ_ｎは、それぞれ異なる非線形光学結晶を用いることで、変換効率を調整することもできる。
【０１６２】
以上のように、第７の実施の形態における波長変換装置７は、キャッツアイ２２，２３により繰り返し基本光を反射することで基本光の光路を分割し、キャッツアイ２２，２３に向かう基本光Ａ_０〜Ａ_{（ｎ−１）}の光路毎に相互作用長の異なるｎ個の波長変換部２８ａ_１〜２８ａ_ｎを分散させて配することで、装置全体で高変換効率の波長変換を行うことができる。
【０１６３】
また、波長変換装置７は、波長変換部２８ａ_１〜２８ａ_ｎが基本光Ａ_０〜Ａ_{（ｎ−１）}の光強度に対して光損傷が起こらない程度の相互作用長とされていることで、基本光Ａ_０〜Ａ_{（ｎ−１）}による波長変換部２４ａ_１〜２４ａ_ｎの光損傷を抑制することができる。これにより、波長変換装置７は、波長変換素子２５の寿命と信頼性を大幅に向上させることができる。
【０１６４】
さらに、波長変換装置７は、キャッツアイ２２，２３が互いに平行であり、また波長変換素子２５の波長変換部２８ａ_１〜２８ａ_ｎが互いに平行に等間隔に設けられているので、キャッツアイ２２，２３への変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎの入射位置が等間隔となり、且つキャッツアイ２２，２３への変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎの入射角度が均一な角度となるため、変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎを等間隔に並べて所定の方向へ揃えて出力することができる。
【０１６５】
さらにまた、波長変換装置７は、波長変換部２８ａ_１〜２８ａ_ｎの上述した各種条件を調整して均一な光強度の変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎを出力することができるため、これら変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎをまとめて１つの光束として光強度分布が均一な光源とすることができる。
【０１６６】
さらにまた、波長変換装置７は、均一な光強度の変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎを平行に等間隔に並べて出力することができるので、線状光源として用いることができる。なお、波長変換装置が出力する変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎの具体的な利用方法については、第１０の実施の形態で詳細に述べる。
【０１６７】
＜第８の実施の形態＞
以下では、第８の実施の形態として、図８に示す波長変換装置８について説明する。なお、上述した第１〜７の実施の形態における波長変換装置１〜７と同一の機能を有するものについては、同じ符号を付して説明を省略する。
【０１６８】
波長変換装置８は、波長変換装置６における疑似位相整合により波長変換を行う波長変換素子２１に換えて、楔形状の波長変換素子２９を用い、この波長変換素子２９に対してキャッツアイ２２，２３をそれぞれ所定の角度だけ傾けて配設するようにしたものである。
【０１６９】
波長変換素子２９は、互いに対向して所定の角度θ_３をなす２つの主面２９ａ，２９ｂを有し、この２つの主面上にそれぞれ反射防止膜１５，１６が設けられている。波長変換素子２９は、主面２９ａ又は２９ｂから基本光が入射されるようになっており、２つの主面２９ａ，２９ｂがなす角度（以下では、頂角と記述する。）をθ_３として、この頂角θ_３を調整することで変換効率を調整することができる。
【０１７０】
また、波長変換素子２９は、一対のキャッツアイ２２，２３によって繰り返し反射される基本光の波長を変換して変換光とする。波長変換素子２９は、角度位相整合により基本光から変換光を生成するための条件に適応する構造とされている。すなわち、波長変換素子２９は、基本光の進行方向に対して結晶方位や結晶長が調整された構造とされている。
【０１７１】
また、波長変換素子２９は、互いに対向する一対のキャッツアイ２２，２３により繰り返し反射される基本光の光路中において、それぞれ入射する基本光の光強度によって光損傷が起こらないような相互作用長とされている。そして、波長変換素子２９は、入射された基本光を所定の変換効率で波長変換して、変換光を出力するようになっている。
【０１７２】
具体的に、波長変換部２９は、主面２９ａ又は２９ｂから入射される基本光の周波数をωとすると、二次高調波発生により周波数が２ωの変換光を他方の主面２９ｂ又は２９ａから出力する。すなわち、波長変換部２９は、基本光の波長が半分である変換光を出力する。
【０１７３】
ここで、キャッツアイ２２，２３は、波長変換素子２９に入射する基本光と波長変換素子２９から出射される基本光及び変換光の光路がそれぞれ平行となるように波長変換素子２９にそれぞれ対向する楔形の主面に対して、角度が調整されている。
【０１７４】
このように、第８の実施の形態における波長変換装置８は、波長変換装置６及び７と同様に、波長変換素子２９内へ入射した基本光Ａ_０を、基本光Ａ_ｎとなるまで、キャッツアイ２２，２３により繰り返し反射させながら波長変換することで変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎを出力し、装置全体での波長変換効率を上げることができる。
【０１７５】
また、波長変換装置８は、波長変換素子２９の楔形の２つの主面２９ａ，２９ｂがなす頂角θ_３と、キャッツアイ２２，２３が波長変換素子２９の２つの主面２９ａ，２９ｂに対する角度とをそれぞれ調整することにより、出力される複数の変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎが、キャッツアイ２２側と、キャッツアイ２３側とでそれぞれ所定の間隔で並び且つ所定の方向へ揃えて出力することができる。
【０１７６】
さらに、波長変換装置８は、反射面をもつコーナーキューブ等のプリズムの組み合わせにより、各変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎについて必要とされる光強度比を、例えば楔形状の波長変換素子２９の頂角θ_３を調整することで、実効的な相互作用長を調整し、変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎを比較的容易に取り出すことができる。
【０１７７】
＜第９の実施の形態＞
以下では、第９の実施の形態として、図９に示す波長変換装置９について説明する。なお、上述した第１〜８の実施の形態における波長変換装置１〜８と同一の機能を有するものについては、同じ符号を付して説明を省略する。
【０１７８】
上述の第１〜８の実施の形態では、例えば部分反射膜，反射膜，キャッツアイ等の反射手段の間に波長変換素子を配設する構成を説明してきたが、本発明を適用した波長変換装置９は、波長変換素子が一対の反射手段の外側に配設されるようにしたものである。
【０１７９】
波長変換装置９は、図９に示すように、１つの光束からの複数の光束に基本光を分割する基本光分割手段６１と、基本光分割手段６１により分割された基本光の波長を変換して変換光を生成する波長変換手段６２とを備えている。
【０１８０】
基本光分割手段６１は、基本光を透過する光透過ブロック６３と、基本光を所定の透過率で透過するとともに残りを反射するハーフミラー６４と、基本光を反射する反射膜６５とを有する。
【０１８１】
光透過ブロック６３は、直方体の形状を呈した光学部材であり、基本光に対して光透過性を有している。光透過ブロック６３は、直方体の長手方向に平行な１つの側面６３ａ上に、ハーフミラー６４が設けられ、側面６３ａと平行な反対側の側面６３ｂ上に反射膜６５が設けられている。
【０１８２】
ハーフミラー６４は、第１の波長の光を所定量だけ透過するとともに残りの光を反射する、すなわち基本光を所定量だけ透過するとともに残りの基本光を反射する光学膜である。反射膜６５は、第１の波長の光を反射する、すなわち基本光を反射する光学膜である。
【０１８３】
なお、光透過ブロック６３の側面６３ｂ上には、全面に渡って反射膜６５が設けられているわけではない。光透過ブロック６３は、側面６３ｂの長手方向の一端側に反射膜６５が設けられていない部分があり、側面６３ｂが外部に露呈している。この側面６３ｂが外部に露呈した部分を開口部６３ｃとして、図示しない光源から出射された基本光が、この開口部６３ｃから波長変換素子６３の内部に入射する。ここで、波長変換素子６３の開口部６３ｃに入射する基本光の入射角をθ_１とし、屈折角をθ_２とする。基本光は、波長変換素子６３の長手方向に、側面６３ｂに対してθ_１だけ傾いて開口部６３ｃに入射する。
【０１８４】
ハーフミラー６４及び反射膜６５は、光透過ブロック６３を挟んで互いに平行であり、それぞれ基本光を反射するので、開口部６３ｃから波長変換素子６６の内部に入射角θ_１で入射され屈折角θ_２で屈折した基本光を、同一平面内で繰り返し反射する。ここで、ハーフミラー６４及び反射膜６５は、ハーフミラー６４に入射する基本光が入射面に対して垂直に入射しない限り、スネルの法則にしたがって入射方向と異なる方向へ基本光を反射する。すなわち、ハーフミラー６４及び反射膜６５は、それぞれθ_２の角度で基本光を繰り返し反射しながら、この基本光をハーフミラー６４及び反射膜６５が対向する方向に対して直交する方向に導く。つまり、ハーフミラー６４及び反射膜６５は、基本光を導く光路を形成している。
【０１８５】
具体的に、ハーフミラー６４及び反射膜６５は、開口部６３ｃから光透過ブロック６３の内部に入射した基本光を繰り返し反射することで、この基本光を互いに同一の直線上にはない複数の光路に導光する。つまり、ハーフミラー６４及び反射膜６５は、先の光路から入射された基本光を同一の直線上にはない次の光路に順次導光する。ここで、先の光路及び次の光路とは、ハーフミラー６４又は反射膜６５に入射した基本光が反射されて光路が変化する場合において、反射前後の基本光の光路をそれぞれ示している。
【０１８６】
上述したような構成とされた基本光分割手段６１は、ハーフミラー６４が所定の透過率で基本光を透過するので、ハーフミラー６４及び反射膜６５の間を繰り返し反射する基本光を、複数の光束として波長変換手段６２に向けて出力することができる。なお、ハーフミラー６４及び反射膜６５の間を繰り返し反射する基本光は、ハーフミラー６４に入射するたびに所定の透過率で外部に出力されるため、光強度が低減する。これにより、基本光分割手段６１から複数の光束として出力される基本光の光強度も順次低減することとなる。
【０１８７】
波長変換手段６２は、基本光を基本光とは異なる波長の変換光に変換する波長変換素子６６と、反射防止膜６７，６８とを有している。
【０１８８】
波長変換素子６６は、直方体の形状を呈した光学部材である。波長変換素子６６には、非線形光学現象を利用して基本光の波長を変換し、変換光を生成するｎ個の波長変換部６９ａ_１〜６９ａ_ｎが内部に設けられている。波長変換素子６６は、直方体の長手方向に平行な１つの側面６６ａ上に、反射防止膜６７が設けられ、側面６６ａと平行な反対側の側面６６ｂ上に反射防止膜６８が設けられている。
【０１８９】
反射防止膜６７，６８は、波長変換素子６６へ入射する基本光が波長変換素子６６の界面で反射してしまうことを防ぎ、基本光を透過する。なお、後述するが変換光を出射する側の反射防止膜６８は、基本光を吸収又は反射するようにすることで、変換光のみを取り出すことを容易にすることができる。
【０１９０】
波長変換素子６６は、波長変換を行う波長変換部６９ａ_１〜６９ａ_ｎ以外の部分が、波長変換に寄与しない光透過性の高い光学材料で埋められている。波長変換素子６６の波長変換部６９ａ_１〜６９ａ_ｎ以外の部分を埋める光学材料としては、第１の波長の光及び第２の波長の光に対して高い透過率を有するものが好ましい。すなわち、波長変換素子６６の波長変換部６９ａ_１〜６９ａ_ｎ以外の部分を埋める光学材料としては、基本光及び変換光に対して高い透過率を有するものが好ましい。なお、波長変換素子６６の形状は、直方体に限定されるものではなく、側面６６ａ，６６ｂ上にそれぞれ反射防止膜６７，６８を互いに平行に設けることができる形状であればよい。
【０１９１】
波長変換部６９ａ_１〜６９ａ_ｎは、それぞれ直方体の形状を呈しており、長手方向の一端が反射防止膜６７側に向けられ、他端が反射防止膜６８側に向けられている。なお、波長変換部６９ａ_１〜６９ａ_ｎの形状は、直方体に限定されるものではなく、長手方向に延在された形状であればよい。
【０１９２】
波長変換部６９ａ_１〜６９ａ_ｎは、詳細を後述するが、基本光が長手方向の一端から長手方向に沿って入射されることで波長変換を行い、他端から変換光を出力する。
【０１９３】
具体的に、波長変換部６９ａ_１〜６９ａ_ｎは、長手方向の一端から入射される基本光の周波数をωとすると、二次高調波発生により周波数が２ωの変換光を他端から出力する。すなわち、波長変換部６９ａ_１〜６９ａ_ｎは、基本光の波長が半分である変換光を出力する。
【０１９４】
波長変換部６９ａ_１〜６９ａ_ｎは、反射防止膜６７，６８に対して、長手方向が垂直とされており、互いに平行で等間隔となるように配設されている。波長変換部６９ａ_１〜６９ａ_ｎは、それぞれ長手方向の長さが均一とされ、部反射防止膜６７，６８が対向する方向に対して直交する方向に配設されている。なお、波長変換部６９ａ_１〜６９ａ_ｎは、それぞれ入射された基本光及び出力する変換光の光強度により光損傷が起こらないような相互作用長とされている。
【０１９５】
具体的に、波長変換部６９ａ_１〜６９ａ_ｎは、それぞれ擬似位相整合により基本光から変換光を生成するための条件に適応するように、長手方向に反転周期や反転比率が調整された分域反転構造とされている。すなわち、波長変換部６９ａ_１〜６９ａ_ｎは、それぞれ長手方向に対して自発分極を所定の周期で反転させた分域反転領域が形成されている。
【０１９６】
なお、波長変換部６９ａ_１〜６９ａ_ｎは、例えば、長手方向に反転周期が調整された分域反転パターンを、リソグラフィ技術等を用いて製作し、電界を印加することで分域反転構造が作成されている。
【０１９７】
波長変換部６９ａ_１〜６９ａ_ｎは、基本光及び変換光に対して光透過性を有する材料により形成されており、上述した波長変換部２４ａ_１〜２４ａ_ｎと同じ非線形光学結晶を用いることができる。
【０１９８】
ここで、上述したように構成された波長変換手段６２は、波長変換素子６６の側面６６ａに対して基本光分割手段６１により複数の光束とされた基本光が垂直に入射されるように基本光分割手段６１に対して位置決めされている。すなわち、波長変換部６９ａ_１〜６９ａ_ｎは、側面６６ａ側の端部から長手方向に向かってそれぞれ基本光が入射される。
【０１９９】
次に、波長変換装置９が、基本光から変換光へ波長変換を行う際の各部の作用について説明する。なお、以下では、ｉを１〜ｎまでの整数として、開口部６３ｃから入射された基本光をＡ_０、ハーフミラー６４から出力された基本光のうちハーフミラー６４へｉ回入射して出力された基本光をＡ_ｉ、波長変換部１４ａ_ｉから出力された変換光をＢ_ｉとして、基本光及び変換光の光路に沿って説明する。
【０２００】
まず、図示しない光源から出射された基本光Ａ_０は、周波数ωのレーザ光であり、開口部６５ａの入射面に対して入射角θ_１で入射し、入射面で屈折角θ_２だけ屈折する。
【０２０１】
次に、入射部６５ａから入射した基本光Ａ_０は、ハーフミラー６４を所定量だけ透過して基本光Ａ_１となり、残りが反射されて反射膜６５に入射する。ハーフミラー６４を透過した基本光Ａ_１は、反射防止膜６７を介して波長変換素子６６に対して垂直に入射し、波長変換部６９ａ_１により波長変換されて変換光Ｂ_１となる。波長変換部６９ａ_１により波長変換された変換光Ｂ_１は、反射防止膜６８入射し、この反射防止膜６８を透過して外部に出力される。
【０２０２】
一方、反射膜６５で反射された残りの基本光は、反射膜６５で全反射されて再びハーフミラー６４に入射し、ハーフミラー６４を所定量だけ透過して基本光Ａ_２となり、残りが反射されて反射膜６５に入射する。ハーフミラー６４を透過した基本光Ａ_２は、反射防止膜６７を介して波長変換素子６６に対して垂直に入射し、波長変換部６９ａ_２により波長変換されて変換光Ｂ_２となる。波長変換部６９ａ_２により波長変換された変換光Ｂ_２は、反射防止膜６８に入射し、この反射防止膜６８を透過して外部に出力される。
【０２０３】
このように、第９の実施の形態における波長変換装置９は、基本光分割手段６１内へ入射した基本光Ａ_０を、基本光Ａ_ｎとなるまで、ハーフミラー６４及び反射膜６５により繰り返し反射させながらｎ個の光束の基本光に分離する。そして、波長変換装置９は、基本光分割手段６１により分割された基本光Ａ_１〜Ａ_ｎを波長変換素子６６の各波長変換部６９ａ_１〜６９ａ_ｎにより波長変換することで変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎを出力し、装置全体での波長変換効率を上げることができる。
【０２０４】
また、波長変換装置９は、基本光分割手段６１のハーフミラー６４及び反射膜６５が互いに平行であるので、複数の基本光Ａ_１〜Ａ_ｎを所定の間隔で並び且つ所定の方向へ揃えて出力して波長変換手段６２に入射することができる。これにより波長変換手段６２は、変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎを所定の間隔で並び且つ所定の方向へ揃えて出力することができる。
【０２０５】
さらに、波長変換装置９は、基本光分割手段６１の光透過ブロック６３と波長変換手段６２の波長変換素子６６とに、それぞれ異なる光学材料を用いることができ、基本光及び変換光の光強度や集光条件と光損傷に関する閾値との兼ね合いで、それぞれ最適な光学材料を選ぶことができる。
【０２０６】
具体的に、基本光分割手段６１の光透過ブロック６３としては、例えば、変換光に対しては光損傷に関する閾値が低いが、基本光に対しては光損傷に関する閾値が高い、すなわち基本光に強い光学材料を用いることができる。一方、波長変換手段６２の波長変換素子６６としては、光透過ブロック６３と比べて低い光強度の基本光しか入射しないため、変換光に対する光耐力を優先した光学材料を選ぶことや、変換効率を増大するために、光損傷に関する閾値以下で強く集光することもできる。
【０２０７】
さらに、波長変換装置９は、直線状に変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎを等間隔に並べて出力することができるので、線状光源として用いることができる。なお、波長変換装置が出力する変換光Ｂ_１〜Ｂ_ｎの具体的な利用方法については、第１０の実施の形態で詳細に述べる。
【０２０８】
なお、波長変換装置９は、上述した波長変換手段６２の波長変換素子６６に換えて、図１０及び図１１に示す波長変換素子７１又は波長変換素子８１を用いてもよい。波長変換素子７１は、直方体の形状を呈しており、素子全体に渡って角度位相整合を行うように結晶方位と相互作用長が調整された波長変換素子である。波長変換素子８１は、直方体の形状を呈しており、素子全体に渡って分域反転領域８２を設け、反転周期や反転比率が調整された波長変換素子である。
【０２０９】
波長変換素子７１，８１は、上述した波長変換素子６６と同様に直方体の形状を呈している。また、波長変換素子７１，８１は、上述した波長変換部６９ａ_１〜６９ａ_ｎと同様に、非線形光学結晶を用いることができる。
【０２１０】
波長変換素子７１，８１は、上述した基本光分割手段６１のような方法で得られる複数の基本光が、側面７１ａ，７１ｂ、側面８１ａ，８１ｂの間でさらに反射を繰り返して、各光路中で波長変換されるように構成してもよい。この場合、波長変換素子７１，８１には、反射防止膜６７，６８に換えて基本光に対する全反射膜を取り付けることになる。この場合は、上述した波長変換装置１と同様に、波長変換素子７１，８１に対して所定の入射角で基本光を入射させることによって、各基本光を複数回、波長変換することができる。
【０２１１】
入射する基本光の間隔は、波長変換素子７１，８１内の反射により形成される変換光の光路の間を互いに進むよう適切に設定する。波長変換素子７１，８１は、このような構成とすることによって、限られた波長変換を行う構造部の開口部に空間的に分離された多くの波長変換光路を設けることができる。反射防止膜６７，６８に換えた全反射膜は、基本光を所望の数だけ波長変換素子７１，８１に入射させるよう部分的に取り付けることが好ましい。この全反射膜は、変換光に対して選択的に透過するよう反射防止作用をもたせるとしてもよい。
【０２１２】
また、上述した波長変換装置９は、波長変換素子７１，８１以外にも、各光路に所望の変換効率を実現するような分域反転等の波長変換を行う構造を設ければ、応用上必要とされる任意の光強度比の変換光を得ることができることは言うまでもない。
【０２１３】
さらに、上述した波長変換装置９は、波長変換素子７１，８１に対して複数の基本光を出力する方法として、上述した基本光分割手段６１を用いずに、半導体レーザアレイから出力される基本光をそのまま用いる方法、空間的に離れて配置された複数光源をミラー及びマイクロミラーを使用して平行に配置する方法、空間的に離れて配置された複数光源を光ファイバ等の光導波路を用いて各光を導光させてその光ファイバからの出射光を適切に配置する方法、空間的に離れて配置された複数光源をフォトニック結晶等による光導波路構造を用いて平行な光路に導く方法、複数光源でレーザ媒質の異なる位置或いは別々のレーザ媒質を励起して発生したレーザ光を利用する方法、複数光源から出射した基本光をレーザ利得を持った光ファイバ等に入射させてその光ファイバを別の光源で励起し増幅されたレーザ光を利用する方法や、これらの組み合わせによる方法を用いることができる。
【０２１４】
ここで、上述したレーザ媒質としては、例えば共振ミラーを構成するような光学薄膜を取り付けたＮｄ：ＹＡＧ（ｙｔｔｒｉｕｍ−ａｌｕｍｉｎｕｍ−ｇａｒｎｅｔ）結晶等を用いることができる。
【０２１５】
光ファイバからの出射光を平行に配置するためには、ガラス等の基板上に等間隔及び平行にＶ型の溝を設け、そこに光ファイバを配置する方法を用いることができる。
【０２１６】
上述した複数光源としては、固体レーザ、半導体レーザ等様々な光源を用いることができ、また、これらをミラー、コーナーキューブ、プリズム、コーティング、光導波路、光ファイバ、ビームスプリッタ（ＢＳ：Ｂｅａｍ　Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ：Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ　Ｂｅａｍ　Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）、複屈折板、ＭＥＭＳ（ｍｉｃｒｏ　ｅｌｅｃｔｒｏ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｙｓｔｅｍｓ）、フォトニック結晶等を用いて２つ以上に分割して用いることもできる。なお、固体レーザとしては、例えばマイクロチップレーザ等も用いることができる。なお、複数光源から出力された基本光は、効率的な波長変換のためにマイクロレンズ等を用いて適切にビーム整形及び集光されて波長変換素子に入射させることが好ましい。
【０２１７】
上述したフォトニック結晶としては、図１２に示すように、フォトニック結晶８３を用いることができる。このフォトニック結晶８３は、結晶構造中における光エネルギーのバンドギャップを利用して、入射したレーザ光を所望の方向に偏向させることが可能となっている。フォトニック結晶８３では、外部から入射した複数の基本光Ａ_１〜Ａ_５が、内部で偏向されて、一定方向に揃えて出射することができる。また、このようなフォトニック結晶を用いることにより、基本光や変換光の閉じこめを図ることもできる。
【０２１８】
さらにまた、上述した波長変換装置９は、基本光分割手段６１に変えて、基本光を時間的に分割する手段を用いてもよい。この場合に、波長変換装置９は、基本光分割手段６１に換えて、上述したように基本光を分割する手段としてマイクロミラーや回折型空間光位相変調素子といったＭＥＭＳデバイス等を用いることができる。
【０２１９】
このような分割手段は、例えば、図１３及び図１４に示すように、外部から入射された基本光を時間により異なる方向へ反射するマイクロミラー８５と、マイクロミラー８５により反射された基本光を更に反射するミラー８６及びミラー８７とを有する。
【０２２０】
上述したように構成された分割手段は、マイクロミラー８５を所定時間毎に向きを所定量変化させてマイクロミラー８５に入射する基本光をミラー８６又はミラー８７に導くことができる。具体的には、図１３及び図１４に示すように基本光が時間的に分割される。
【０２２１】
まず、図１３に示すように、第１の時刻Ｔ_１において、基本光Ａ_０は、マイクロミラー８５に入射すると、マイクロミラー８５により反射されてミラー８６に入射し、ミラー８６により反射されて基本光Ａ_１として図示しない非線形変換素子に出力される。
【０２２２】
次に、図１４に示すように、第２の時刻Ｔ_２において、基本光Ａ_０は、マイクロミラー８５に入射すると、マイクロミラー８５により反射されてミラー８７に入射し、ミラー８７により反射されて基本光Ａ_２として図示しない非線形変換素子に出力される。
【０２２３】
このように、分割手段は、図示しないミラー駆動手段により適切な時間間隔でマイクロミラー８５を交互に駆動し、かつ基本光Ａ_１，Ａ_２が平行となるようにすれば、擬似的に空間分離された２つの基本光Ａ_１，Ａ_２を出力することになる。このとき、分割の時間間隔は、応用上必要とされる範囲で、十分速く設定すればよい。また、分割の時間比率は変換効率に応じて適切に分けることが好ましい。なお、本例では、基本光Ａ_０を２つに分割したが、３つ以上のミラーを用いて３つ以上に分割してもよいことは言うまでもない。
【０２２４】
＜第１０の実施の形態＞
以下では、第１０の実施の形態として、図１５に示すように、上述した第１〜９の実施の形態で説明した波長変換装置１〜９が出力した複数の光束の変換光をまとめて出力する変換光収束装置９０について説明する。なお、上述した第１〜９の実施の形態における波長変換装置１〜９と同一の機能を有するものについては、同じ符号を付して説明を省略する。
【０２２５】
変換光集束装置９０は、複数の変換光を出力する波長変換装置９１から出力される複数の変換光Ｂ_１〜Ｂ_７をそれぞれ集光する複数のカップリング部９２と、カップリング部９２により集光された変換光Ｂ_１〜Ｂ_７をそれぞれ導光する複数の光ファイバ９３と、光ファイバ９３により導光された変換光Ｂ_１〜Ｂ_７を取りまとめるバンドルファイバ９４と、バンドルファイバ９４により取りまとめられた変換光を出力するホモジナイザ９５とを備えている。
【０２２６】
なお、波長変換装置９１は、上述した第１〜９の実施の形態における波長変換装置１〜９のうち何れか１つと略同様の構成とされており、複数の変換光Ｂ_１〜Ｂ_７を出力する。
【０２２７】
カップリング部９２は、波長変換装置９１から出力された各変換光Ｂ_１〜Ｂ_７を光ファイバ９３にカップリングするためのレンズ等の集光光学系からなる。
【０２２８】
光ファイバ９３は、可撓性を有し、変換光に対して光透過性の高いチューブを変換光が全反射するような反射面でシールドしたファイバである。光ファイバ９３は、一端に入射した変換光を反射面で反射させながら他端まで伝達する。
【０２２９】
バンドルファイバ９４は、光ファイバ９３を取りまとめ、光ファイバ９３から出力される変換光を１つの光束とするファイバであり、光ファイバ９３と比して大径とされている。
【０２３０】
ホモジナイザ９５は、バンドルファイバ９４に取りまとめられた変換光の強度分布をより一層均一化するためのフライアイレンズ等の光学系からなる。
【０２３１】
このような変換光集束装置９０は、波長変換装置９１から出力された各変換光Ｂ_１〜Ｂ_７を各カップリング部９２によりそれぞれ光ファイバ９３に集光し、複数の光ファイバ９３を用いて各変換光Ｂ_１〜Ｂ_７を導光し、光ファイバ９３により導光された変換光Ｂ_１〜Ｂ_７をバンドルファイバ９４により効率良く集め、ホモジナイザ９５により変換光の強度分布を高精度に均一化して出力する。
【０２３２】
これにより、変換光集束装置９０は、空間的に強度分布が均一で高品位な変換光を得ることができる。また、変換光集束装置９０は、光ファイバ９３がバンドルファイバ９４によりバンドルされるまで、各変換光Ｂ_１〜Ｂ_７が低出力光であるため、高価で高耐力の光学素子の部品点数を減らすことができ安価に作製することが可能である。
【０２３３】
また、変換光集束装置９０は、上述のような手法を用いることにより、変換光Ｂ_１〜Ｂ_７を光ファイバ９３内に閉じ込めることができるため、空間伝送が容易になり、外部に変換光を漏らすことがなくなる。
【０２３４】
このような変換光集束装置９０を用いることで上述した第１乃至第９の実施の形態における波長変換装置１〜９は、変換光の短波長化、高出力化、高輝度化、空間的均一化等を実現でき、リソグラフィ光源として有用なことはもとより、レーザ微細加工、レーザアブレーション、レーザアニール、レーザ表面改質等、材料加工へ応用することができる。特に、レーザアニール、レーザ表面改質等においては、大きな面積を照明することが可能となるので、タクトタイムが短くなり、生産性が向上する。
【０２３５】
ここで、ＳＬＭ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｌｉｇｈｔ　Ｍａｃｈｉｎｅｓ）社において開発された、静電容量型Ｍｅｍｂｒａｎｃｅを有するＭＯＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏ−ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）素子である、回折型空間光位相変調素子（Ｇｒａｔｉｎｇ　Ｌｉｇｈｔ　Ｖａｌｖｅ：商標）は、その高速応答性と消光比の高さから、光通信、レーザプロジェクタ、プリンターヘッド等への応用が考えられている。この変調素子は、空間的な解像度を高くするために、直線状に多数の変調素子を並べて用いる。こうした素子への照明として、たとえば、縦２５ｍｍ、横１００μｍという非常に扁平なアスペクト比をもつ形状に、点光源から均一なレーザ照明を行うことは、困難であり、例えば　非球面をもつ特殊なレンズ、例えば、Ｅｄｍｕｎｄ　Ｏｐｔｉｃｓ　Ｊａｐａｎ社製のレーザラインジェネレータ等を用いていた。また、レーザディスプレイへ応用の場合、投影された映像に、レーザスペックルが発生し、映像を劣化させることが問題であった。
【０２３６】
上述した変換光集束装置９０は、多点光源を照明源として用いると、マイクロレンズとの組み合わせにより容易に均一な強度分布を実現できる。また、レーザスペックルが、その統計的性質上、光源の多数化による平均化又は時間平均によって低減が可能であるので、上述の基本光分割手段９１や変換光集束手段９２は、有効である。
【０２３７】
このような波長変換装置９１は、ディスプレイ分野において、ｅ−Ｃｉｎｅｍａ、デジタルシネマ用プロジェクタ、業務用プロジェクタ、リア型プロジェクタ、フロント型プロジェクタ、ホームシアター用ディスプレイ、プレゼンテーション用等に用いるコンピュータ画像投影機に応用することができる。
【０２３８】
また波長変換装置は、光通信用分野において、ＷＤＭ用各種デバイス、ＭＵＸ、ＤＥＭＵＸ、ａｄｄ／ｄｒｏｐフィルタ、Ｘｃｏｎｎｅｃｔ等に応用することができ、ディスプレイ以外の露光装置として、プリンタエンジン、微細描画装置、半導体露光装置（マスクレス、ＣＡＤデジタル画像の直描装置）等に応用することができる。
【０２３９】
最後に、本発明を適用した波長変換装置は、第１〜１０の実施の形態で説明した波長変換装置１〜９に限定されるものでなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。また、本発明を適用した波長変換装置は、第１〜１０の実施の形態で説明した波長変換装置１〜９を組み合わせたものとしてもよい。
【０２４０】
なお、上述した本発明を適用した波長変換装置１〜９では、波長変換を行う手段として、相互作用長、分域構造が調整された非線形光学結晶を用いたが、本発明において波長変換を行う手段としては、これらに限定されるものではなく、例えば、結晶方位、分域構造、相互作用長、結晶の温度、外部電磁場、外部音波、外部応力等のうち少なくとも１つを調整することで、所望の変換効率を達成する波長変換素子を用いてもよい。
【０２４１】
また、上述した本発明を適用した波長変換装置１〜９では、基本光を導光する手段として、コーティングやコーナーキューブについて説明したが、本発明において基本光を導光する手段としては、これらに限定されるものではなく、例えば、平面ミラー、プリズム、光導波路、光ファイバ、ビームスプリッタ、偏光ビームスプリッタ、ＭＥＭＳ、フォトニック結晶等のうち少なくとも１つを用いてもよい。
【０２４２】
さらに、上述した本発明を適用した波長変換装置１〜９では、基本光又は変換光の少なくとも一つに対して、集光作用又は発散作用を有する光制御手段を用いてもよい。このような光制御手段としては、レンズ、マイクロレンズアレイ、曲面ミラー、光導波路、光ファイバ、フォトニック結晶等のうち少なくとも１つを用いることができる。
【０２４３】
【発明の効果】
上述したように本発明に係る波長変換装置は、非線形光学現象を用いて波長変換を行う素子の光学材料に対する光損傷を低減することができるため、素子の寿命と信頼性を大幅に向上させることができる。
【０２４４】
また、波長変換装置は、非線形変換素子の材料に発生する光誘起複屈折率効果等により、変換効率の低減を被ることなく、高変換効率の波長変換を行うことができる。これにより、波長変換装置は、低出力の基本光で高出力の変換光を得ることができるため省エネルギー化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した波長変換装置の装置構成を示す平面図である。
【図２】部分反射膜と反射膜とを波長変換素子から所定の距離に配した波長変換装置の構成を説明するための平面図である。
【図３】各波長変換部の相互作用長を等しくし、それぞれの分域反転領域の反転周期及び反転比率を調整した波長変換装置の構成を説明するための平面図である。
【図４】波長変換素子全体に渡ってチャープ構造を設けた波長変換装置を説明するための平面図である。
【図５】基本光の進行方向に対して、反転周期の異なる波長変換部を複数設けた波長変換素子を説明するための平面図である。
【図６】一対のキャッツアイにより基本光を繰り返し反射する波長変換装置を説明するための平面図である。
【図７】一対のキャッツアイにより基本光を繰り返し反射する波長変換装置において、結晶長の異なる部材を組み合わせた波長変換素子を用いた場合を説明するための平面図である。
【図８】一対のキャッツアイにより基本光を繰り返し反射する波長変換装置において、略楔形状の波長変換素子を用いた場合を説明するための平面図である。
【図９】基本光を分離する手段と波長を変換する手段とが別体とされた波長変換装置を説明するための平面図である。
【図１０】図９に示す波長変換装置において、波長を変換する手段の他の例を示す平面図である。
【図１１】図９に示す波長変換装置において、波長を変換する手段のさらに他の例を示す平面図である。
【図１２】波長変換装置に基本光を入射するフォトニック結晶を説明するための平面図である。
【図１３】基本光を時間的に分割する分割手段の第１の時刻における状態を説明するための平面図である。
【図１４】基本光を時間的に分割する分割手段の第２の時刻における状態を説明するための平面図である。
【図１５】波長変換装置が出力する複数の変換光をまとめる変換光集束装置の構成を示す斜視図である。
【図１６】従来の波長変換装置の構成を説明するための図である。
【図１７】波長変換素子におけるウォークオフ角を説明するための図である。
【符号の説明】
Ａ_０〜ｎ　基本光、Ｂ_１〜ｎ　変換光、１１　波長変換素子、１２　部分反射膜、１３　反射膜、１１ａ，１１ｂ　側面、１１ｃ　入射部、１４ａ_１〜ｎ　波長変換部、１５　反射防止膜、１６　反射防止膜、１７ａ_１〜ｎ　波長変換部、１８　波長変換部、１９ａ_１〜６　波長変換部、２１　波長変換素子、２１ａ，２１ｂ　側面、２１ｃ　開口部、２２　キャッツアイ、２３　キャッツアイ、２４ａ_１〜ｎ　波長変換部、２５　波長変換素子、２５ａ，２５ｂ　側面、２６　反射防止膜、２７　反射防止膜、２８ａ_１〜ｎ　波長変換部、２９　波長変換素子、２９ａ，２９ｂ　主面、６１　基本光分離手段、６２　波長変換手段、６３光透過ブロック、６３ａ，６３ｂ　側面、６３ｃ　開口部、６４　ハーフミラー、６５　反射膜、６６　波長変換素子、６６ａ，６６ｂ　側面、６７　反射防止膜、６８　反射防止膜、６９ａ_１〜ｎ　波長変換部、７１　波長変換素子、８１　波長変換素子、８２　分域反転領域、８３　フォトニック結晶、８５　マイクロミラー、８６　ミラー、８７　ミラー、９０　変換光収束装置、９１　波長変換装置、９２　カップリング部、９３　光ファイバ、９４　バンドルファイバ、９５　ホモジナイザ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a wavelength conversion device that converts the wavelength of light.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Some wavelength converters that convert the wavelength of laser light perform wavelength conversion with high efficiency by a nonlinear optical phenomenon such as second harmonic generation (SHG) using a wavelength conversion element.
[0003]
For example, as shown in FIG. 16, a wavelength conversion device that performs such wavelength conversion includes a laser light source 101 that emits basic light that is a laser light having a frequency ω, and condenses the basic light emitted from the laser light source 101. And a non-linear optical crystal 103 that converts the wavelength of the basic light condensed by the condensing lens 102 to generate converted light having a frequency of 2ω.
[0004]
The nonlinear optical crystal 103 is disposed at the beam waist position of the fundamental light condensed by the condenser lens 102, and is a wavelength conversion element that generates converted light having a frequency of 2ω by interaction with the incident basic light. . The nonlinear optical crystal 103 can efficiently convert the wavelength of the fundamental light by appropriately adjusting the crystal orientation, the domain inversion structure, and the like so that the phases of the fundamental light and the converted light match. Here, the domain-inverted structure is a structure in which the spontaneous polarization of the nonlinear optical crystal 103 is periodically inverted, that is, a domain-inverted region is provided.
[0005]
Here, in the case of performing wavelength conversion from the infrared wavelength range to the visible wavelength range in the wavelength conversion device, the nonlinear optical crystal 103 may be made of, for example, a ferroelectric material from the viewpoint of light transmittance and nonlinear optical characteristics at that wavelength. Alternatively, a pyroelectric single crystal is often used.
[0006]
The wavelength converter configured as described above emits the fundamental light having the frequency ω from the light source 101, condenses the fundamental light emitted from the light source 101 by the condenser lens 102, enters the nonlinear optical crystal 103, The converted light having a frequency of 2ω is generated by the interaction between the basic light and the nonlinear optical crystal 103.
[0007]
In such a wavelength conversion device, the output ratio of the converted light generated by the nonlinear optical crystal 103 to the basic light incident on the nonlinear optical crystal 103, that is, the conversion efficiency η, is such that the attenuation of the basic light and the converted light can be ignored. In the case of confocal convergence (confocal focusing), it can be expressed as the following equation 1.
[0008]
η∝LP (ω) (Equation 1)
However, in the above equation 1, the distance at which the wavelength conversion is performed by the interaction between the nonlinear optical crystal 103 and the fundamental light, that is, the interaction length is L, and the peak value of the fundamental light, that is, the peak power is P (ω ).
[0009]
From the above Equation 1, it is understood that the conversion efficiency η is proportional to the interaction length L and the peak power P (ω). Therefore, in the wavelength converter described above, when it is desired to increase the efficiency conversion η, the interaction length L of the nonlinear optical crystal 103 is increased or the peak power P (ω) of the fundamental light incident on the nonlinear optical crystal 103 is increased. You know what you need to do. In order to increase the peak power of the fundamental light, it is conceivable to use a light source that outputs a fundamental light having a large peak power. In particular, a pulse laser is often used as a light source having a large peak power.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the peak power of the fundamental light is increased, a wavelength conversion element such as the above-described nonlinear optical crystal generally has irreversible damage to optical characteristics, that is, so-called optical damage (optical breakdown), even if the material has high light transmittance. ). Specifically, the wavelength conversion element has a peak power exceeding a predetermined threshold depending on the wavelengths of the fundamental light and the converted light, and conditions such as the reflection characteristics, absorption characteristics, internal structure, and surface properties of the material constituting the crystal. Light damage is caused by the incidence of light.
[0011]
In the wavelength conversion device, when such optical damage occurs in the wavelength conversion element, the optical characteristics of the wavelength conversion element change, and a desired conversion efficiency cannot be obtained.
[0012]
For this reason, in the wavelength conversion device as described above, the fundamental light having a peak power within a range not exceeding the threshold of the wavelength conversion element to be used is used, or the wavelength conversion element having a threshold larger than the peak power of the basic light is used. Therefore, the choice of the material of the wavelength conversion element is narrowed, and the conversion efficiency is limited.
[0013]
Further, when increasing the interaction length of the wavelength conversion element, the wavelength conversion element has an optimum interaction length at the time of wavelength conversion, so that the conversion efficiency does not increase even if the interaction length is increased to a certain extent or more. . In particular, as shown in FIG. 17, in a wavelength conversion element having a large walk-off angle, which is the difference in the direction in which the energy of the basic light and the converted light travels, the optimum interaction length is short. In addition, when the interaction length is shortened, for example, when a plurality of wavelength conversion elements are arranged in series in the optical path of a single basic light and the light-collecting conditions are optimized in each element, the wavelength conversion element A large number of materials are required, and a small and inexpensive wavelength converter cannot be realized.
[0014]
Further, in the wavelength conversion device, even when the wavelength conversion element is irradiated with basic light having a peak power that does not cause optical damage, particularly lithium niobate (LiNbO 3) is used.₃Conversion efficiency decreases due to phase mismatch caused by a photo-induced birefringence (Photo-refractive) effect in which a charge distribution is biased inside the crystal and the refractive index changes, which is observed in the case of a crystal or the like. KTiOPO₄Conversion efficiency may decrease due to absorption due to coloring (Gray @ track) observed in the case of crystals and the like.
[0015]
In addition, the optical damage considered above includes not only the damage caused by the fundamental light but also the damage caused further by the short-wavelength converted light having a larger light energy than the fundamental light, particularly in the generation of harmonics. .
[0016]
The present invention has been made in view of the above-described situation, and when performing nonlinear wavelength conversion, improves the optical damage and reduction in conversion efficiency of the wavelength conversion element, and provides a basic light with relatively weak light intensity. However, an object of the present invention is to provide a wavelength conversion device capable of performing wavelength conversion with high conversion efficiency.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
A wavelength converter according to the present invention is a wavelength converter for converting the wavelength of a laser beam in order to achieve the above-mentioned object, and guides incident laser beams to a plurality of optical paths that are not on the same straight line. A light guiding means for emitting light, a wavelength converting means disposed on a plurality of optical paths which are not on the same straight line to each other, for converting the wavelength of the incident laser light, and extracting the laser light whose wavelength has been converted by the wavelength converting means. And a laser light extracting means.
[0018]
The wavelength conversion device configured as described above guides the incident laser light to a plurality of optical paths that are not on the same straight line by the light guide means, and the wavelength conversion means disposed in the plurality of optical paths. Converts the wavelength of the laser light, thereby increasing the wavelength conversion efficiency of the entire apparatus.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a wavelength converter to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings.
[0020]
A wavelength converter to which the present invention is applied converts light of a first wavelength (hereinafter referred to as fundamental light) input from the outside to light of a second wavelength different from the first wavelength by a wavelength conversion element. (Hereinafter referred to as converted light.) The wavelength is converted and output as a plurality of converted lights.
[0021]
<First embodiment>
Hereinafter, a wavelength converter 1 shown in FIG. 1 will be described as a first embodiment.
[0022]
The wavelength conversion device 1 includes a wavelength conversion element 11 that converts the wavelength of the basic light to generate converted light, a partial reflection film 12 that reflects the basic light and transmits the converted light, and a reflection film 13 that reflects the basic light. And
[0023]
The wavelength conversion element 11 is an optical member having a rectangular parallelepiped shape. The wavelength conversion element 11 converts the wavelength of the fundamental light using a nonlinear optical phenomenon and generates n converted light.₁~ 14a_nIs provided inside. In the wavelength conversion element 11, a partial reflection film 12 is provided on one side surface 11a parallel to the longitudinal direction of the rectangular parallelepiped, and a reflection film 13 is provided on an opposite side surface 11b parallel to the side surface 11a.
[0024]
The partial reflection film 12 is a light separation film having a wavelength selectivity that transmits light of the second wavelength and reflects light of the first wavelength. That is, the partial reflection film 12 is a light separation film that reflects the basic light and transmits the converted light, and can take out the converted light between the partial reflection film 12 and the reflection film 13 to the outside of the device. The reflection film 13 is a light reflection film having no wavelength selectivity.
[0025]
The wavelength conversion element 11 includes a wavelength conversion unit 14a that performs wavelength conversion.₁~ 14a_nOther portions are filled with an optical material having high light transmittance that does not contribute to wavelength conversion. Wavelength converter 14a of wavelength converter 11₁~ 14a_nThe optical material that fills the other parts is preferably one that has a high transmittance for the light of the first wavelength and the light of the second wavelength. That is, the wavelength converter 14a of the wavelength converter 11₁~ 14a_nAs an optical material that fills other portions, a material having a high transmittance for the fundamental light and the converted light is preferable. The shape of the wavelength conversion element 11 is not limited to a rectangular parallelepiped, and may be any shape as long as the partial reflection film 12 and the reflection film 13 can be provided on the side surfaces 11a and 11b, respectively, in parallel with each other.
[0026]
Note that the reflection film 13 is not provided on the entire side surface 11 b of the wavelength conversion element 11. The wavelength conversion element 11 has a portion where the reflective film 13 is not provided on one end side in the longitudinal direction of the side surface 11b, and the side surface 11b is exposed to the outside. A portion where the side surface 11b is exposed to the outside is defined as an opening 11c. Basic light emitted from a light source (not shown) enters the wavelength conversion element 11 through the opening 11c. Here, the incident angle of the fundamental light incident on the opening 11c of the wavelength conversion element 11 is θ₁And the refraction angle is θ₂And The basic light is θ with respect to the side surface 11b in the longitudinal direction of the wavelength conversion element 11.₁Incident on the opening 11c.
[0027]
The partial reflection film 12 and the reflection film 13 are parallel to each other with the wavelength conversion element 11 interposed therebetween, and each reflect the basic light, so that the angle of incidence θ enters the wavelength conversion element 11 from the opening 11c.₁Angle of refraction θ₂The fundamental light refracted by the above is repeatedly reflected within the same plane. Here, the partial reflection film 12 and the reflection film 13 reflect the basic light in a direction different from the incident direction according to Snell's law unless the basic light incident on the partial reflection film 12 is perpendicularly incident on the incident surface. . That is, the partial reflection film 12 and the reflection film 13₂While repeatedly reflecting the fundamental light at the angle of, the fundamental light is guided in the longitudinal direction of the wavelength conversion element 11, that is, in the direction orthogonal to the direction in which the partial reflection film 12 and the reflection film 13 face each other. That is, the partial reflection film 12 and the reflection film 13 form an optical path for guiding the basic light.
[0028]
Specifically, the partial reflection film 12 and the reflection film 13 repeatedly reflect the basic light incident on the inside of the wavelength conversion element 11 from the opening 11c, so that a plurality of the basic lights that are not on the same straight line are formed. Light is guided to the optical path. That is, the partial reflection film 12 and the reflection film 13 sequentially guide the basic light incident from the previous optical path to the next optical path that is not on the same straight line. Here, the previous optical path and the next optical path respectively indicate the optical paths of the basic light before and after the reflection when the basic light incident on the partial reflection film 12 or the reflection film 13 is reflected and changes the optical path.
[0029]
Wavelength converter 14a₁~ 14a_nHave a rectangular parallelepiped shape, one end in the longitudinal direction is directed to the reflective film 13 side, and the other end is directed to the partial reflective film 12 side. Wavelength converter 14a₁~ 14a_nIndicates that the longitudinal direction is an angle θ with respect to the partial reflection film 12 and the reflection film 13.₂And are formed so as to be parallel to each other and at equal intervals. Note that the wavelength converter 14a₁~ 14a_nAre inclined only in the longitudinal direction of the wavelength conversion element 11. Further, the wavelength converter 14a₁~ 14a_nIs not limited to a rectangular parallelepiped, and may be any shape that extends in the longitudinal direction.
[0030]
Wavelength converter 14a₁~ 14a_nAlthough the details will be described later, the wavelength conversion is performed by the basic light being incident from one end in the longitudinal direction along the longitudinal direction, and the converted light is output from the other end. Note that the wavelength converter 14a₁~ 14a_nWhen the fundamental light is incident along the longitudinal direction from one end in the longitudinal direction, the unconverted fundamental light is also output from the other end.
[0031]
Specifically, the wavelength converter 14a₁~ 14a_nAssuming that the frequency of the fundamental light incident from one end in the longitudinal direction is ω, the converted light having a frequency of 2ω is output from the other end by generation of the second harmonic. That is, the wavelength converter 14a₁~ 14a_nOutputs converted light in which the wavelength of the fundamental light is half.
[0032]
Further, the wavelength converter 14a₁~ 14a_nHave different lengths in the longitudinal direction, and the length in the longitudinal direction sequentially increases from one end to the other end of the wavelength conversion element 11 in a direction orthogonal to the direction in which the partial reflection film 12 and the reflection film 13 face each other. It is formed to be long. Wavelength converter 14a₁~ 14a_nThe length in the longitudinal direction corresponds to the interaction length in wavelength conversion, and the conversion efficiency increases in proportion to the interaction length. Note that the wavelength converter 14a₁~ 14a_nIs an interaction length such that optical damage is not caused by the light intensity of the incident fundamental light and the output converted light.
[0033]
Specifically, the wavelength converter 14a₁~ 14a_nHave a domain inversion structure in which the inversion period is uniform in the longitudinal direction so as to adapt to the condition for generating converted light from the fundamental light by quasi-phase matching (Quasi-Phase Matching: QPM). That is, the wavelength converter 14a₁~ 14a_nHave domain inversion regions in which spontaneous polarization is inverted at a uniform period in the longitudinal direction.
[0034]
Note that the wavelength converter 14a₁~ 14a_nFor example, a domain reversal pattern having a uniform reversal period in the longitudinal direction and different interaction lengths is manufactured using lithography technology or the like, and a domain reversal structure is created by applying an electric field.
[0035]
Wavelength converter 14a₁~ 14a_nIs formed of a material having a light transmittance with respect to the fundamental light and the converted light, and a non-linear optical crystal as described below is used.
[0036]
Wavelength converter 14a₁~ 14a_nFor example, KTP (KTiOPO₄) And LN (LiNbO)₃) Or those obtained by periodically inverting the domain in the longitudinal direction, an optical crystal having high conversion efficiency in nonlinear wavelength conversion can be used. Wavelength converter 14a₁~ 14a_nBy using KTP, LN, or the like, optical damage and the effect of light-induced birefringence can be reduced, and wavelength conversion with high output is enabled.
[0037]
Further, the wavelength converter 14a₁~ 14a_nFor example, RTP (RbTiOPO₄), RTA (RbTiOAsO)₄), KTA (KTiOAsO)₄), LT (LiTaO)₃), MgO: LN (MgO with LN added), MgO: LT (MgO with LT added), KN (KNbO₃), BTO (BaTiO₃), BNN (Ba₂NaNb₅O_Fifteen), SBN (SrBaNbO)₇), KDP (KH₂PO₄), DKDP (KD₂PO₄), BBO (BaB₂O₄), LBO (LiB₃O₅), LiB₄O₇, CLBO (CsLiB₆O₁₀), CBO (CsB₃O₅), SiO₂, BaMgF₄, KB₅O₈・ 4H₂A single crystal of O or a eutectic thereof can be used.
[0038]
Here, as described above, the wavelength conversion unit 14a₁~ 14a_nIs the reflection angle θ in the optical path of the fundamental light repeatedly reflected by the partial reflection film 12 and the reflection film 13.₂Has the same inclination. That is, the wavelength converter 14a₁~ 14a_nIs provided along the optical path of the basic light. Specifically, the wavelength converter 14a₁Is provided in the optical path of the fundamental light incident on the wavelength conversion element 11 from the opening 11c toward the partial reflection film 12, and the wavelength conversion section 14a₂~ 14a_nAre provided for each optical path in which the basic light is reflected by the reflection film 13 and travels toward the partial reflection film 12.
[0039]
Wavelength converter 14a₁~ 14a_nIn the optical path of the fundamental light repeatedly reflected by the partial reflection film 12 and the reflection film 13, the fundamental light incident into the wavelength conversion element 11 from the opening 11 c is converted into light with a conversion efficiency corresponding to the interaction length. , The light intensity of the fundamental light is sequentially reduced. That is, the wavelength converter 14a₁~ 14a_nAre different in the light intensity of the incident fundamental light, and the light intensity of the incident fundamental light decreases as n increases. Therefore, the wavelength converter 14a₁~ 14a_n, The interaction length is sequentially increased so as to compensate for the decrease in the light intensity of the incident basic light, thereby suppressing a decrease in the light intensity of the output converted light.
[0040]
The above-described wavelength conversion element 11 is configured such that the entire element is formed of a single optical crystal, and the wavelength conversion section 14a₁~ 14a_nThe optical characteristics are changed by forming a domain inversion structure only in the wavelength conversion section 14a.₁~ 14a_nMay perform wavelength conversion.
[0041]
Next, the operation of each unit when the wavelength converter 1 performs wavelength conversion from the fundamental light to the converted light will be described. In the following, i is an integer from 1 to n, and the i-th wavelength conversion unit is counted in the optical path order of the basic light incident from the opening 11c and the wavelength conversion unit 14a_i, The basic light emitted from the external light source₀, Wavelength converter 14a_iThe basic light output from_i, Wavelength converter 14a_iThe converted light output from_iThis will be described along the optical paths of the basic light and the converted light.
[0042]
First, basic light A emitted from a light source (not shown)₀Is a laser beam having a frequency ω, and an incident angle θ with respect to the incident surface of the opening 11c.₁At the incident surface and the angle of refraction θ₂Only refraction.
[0043]
Next, the fundamental light A incident on the wavelength conversion element 11 through the opening 11c₀Is the wavelength converter 14a₁To the wavelength converter 14a₁Converted light B of frequency 2ω with conversion efficiency according to the interaction length of₁The wavelength is converted to Wavelength converter 14a₁From the converted light B₁With unconverted basic light A₁Is output. Then, the wavelength converter 14a₁Converted light B output from₁Is incident on the partial reflection film 12 and is transmitted to the outside through the partial reflection film 12.
[0044]
Next, the wavelength converter 14a₁Basic light A output from₁Is the incident angle θ with respect to the partial reflection film 12.₂And the reflection angle θ₂Are reflected in the wavelength conversion element 11 and are incident on the reflection film 13 at an incident angle θ.₂And the reflection angle θ₂Is totally reflected by the wavelength conversion unit 14a₂Incident on.
[0045]
Next, the wavelength converter 14a₂Basic light A incident on₁Is the wavelength converter 14a₂The converted light B having a frequency of 2ω with a conversion efficiency corresponding to the interaction length₂The wavelength is converted to Wavelength converter 14a₂From the converted light B₂With unconverted basic light A₂Is output. Then, the wavelength converter 14a₂Converted light B output from₂Is incident on the partial reflection film 12 and is transmitted to the outside through the partial reflection film 12.
[0046]
As described above, the wavelength conversion device 1 transmits the fundamental light A incident into the wavelength conversion element 11.₀Is the basic light A_nThe wavelength conversion unit 14a is repeatedly reflected by the partial reflection film 12 and the reflection film 13 and guided in the horizontal direction with respect to the direction in which the partial reflection film 12 and the reflection film 13 are opposed to each other.₁~ 14a_nThe converted light B₁~ B_nIs output.
[0047]
Here, in the wavelength converter 1, the output converted light B₁~ B_nAre different from each other, the converted light B₁~ B_nWhen the light is condensed and used, for example, the uniformity of the condensed converted light is reduced and the light intensity distribution is biased.
[0048]
Therefore, in the wavelength converter 1, the output converted light B₁~ B_nThe wavelength converting section 14a in the wavelength converting element 11₁~ 14a_nThe interaction length is adjusted.
[0049]
Incident basic light A₀The light intensity of I₀, Wavelength converter 14a_iConversion efficiency at η_i, Basic light A₀~ A_(N-1)Is condensed so as to become parallel light inside the wavelength conversion element 11, the converted light B_iThe light intensity of I_iThen, the light intensity I_iCan be represented by a recurrence formula as shown in the following formulas 2 and 3.
[0050]
I₁= Η₁× I₀(Equation 2)
I_i= (1-η_(I-1)) × η_i× I₀(Equation 3)
However, i in Formula 3 is an integer from 1 to n.
[0051]
Conversion efficiency η_iIs the output converted light B₁~ B_nLight intensity I₁~ I_nAre all equal to each other, the above equation 3 can be solved to calculate as shown in the following equation 4.
[0052]
η_i= Η₁/ (1- (i-1) × η₁) (Equation 4)
From equation 4, the conversion efficiency η_iIncreases as i approaches n.
[0053]
For example, in the wavelength converter 1, when n = 20, that is, a total of 20 wavelength converters 14a₁~ 14a₂₀Of converted light B using₁~ B₂₀Is emitted, the wavelength converter 14a₁~ 14a₂₀The domain inversion region may be formed such that the interaction length becomes a value as shown in Table 1 below.
[0054]
[Table 1]

[0055]
As shown in Table 1, the wavelength converter 14a₁Is the incident basic light A₀Is converted light B with a conversion efficiency of about 4%.₁Wavelength conversion. Further, as shown in Table 1, the wavelength converter 14a₁Interaction length and wavelength converter 14a_iThe ratio with respect to the interaction length increases as i increases, whereby the wavelength converter 14a_iConversion efficiency η_iAre increasing sequentially. That is, the wavelength converter 14a₁~ 14a₂₀Basic light A that decreases each time it passes₀~ A₁₉Corresponding to the light intensity of the wavelength converter 14a₁~ 14a₂₀Then, the conversion length is increased by increasing the interaction length of each, and the converted light B₁~ B₂₀Light intensity is kept constant.
[0056]
As described above, the wavelength conversion device 1 has the twenty wavelength conversion units 14a designed as shown in Table 1 above.₁~ 14a₂₀Is used, the conversion efficiency of the entire device can be increased to 80% or more.
[0057]
As described above, the wavelength conversion device 1 according to the first embodiment divides the optical path of the basic light by repeatedly reflecting the basic light by the partial reflection film 12 and the reflection film 13, and Light A₀~ A_(N-1)N wavelength converters 14a having different interaction lengths for each optical path₁~ 14a_nBy dispersing them, wavelength conversion with high conversion efficiency can be performed in the entire apparatus. In addition, the wavelength converter is used as the basic light A.₀~ A_(N-1)May be arranged in the optical path toward the reflection unit 13. In this case, the wavelength conversion device 1 has a wavelength selectivity such that the reflection film 13 transmits the converted light similarly to the partial reflection film 12. It will be an optical film.
[0058]
Further, the wavelength converter 1 includes a wavelength converter 14a.₁~ 14a_nIs the basic light A₀~ A_(N-1)The interaction length is such that light damage does not occur with respect to the light intensity of₀~ A_(N-1)Wavelength conversion unit 14a₁~ 14a_nCan be suppressed from light damage. Thereby, the wavelength conversion device 1 can greatly improve the life and reliability of the wavelength conversion element 11.
[0059]
Further, in the wavelength conversion device 1, the partial reflection film 12 and the reflection film 13 are parallel to each other, and the wavelength conversion unit 14 a₁~ 14a_nAre provided at equal intervals in parallel with each other, so that the converted light B₁~ B_nAre incident at equal intervals, and the converted light B₁~ B_nBecomes uniform, the converted light B₁~ B_nCan be arranged at regular intervals and output in a predetermined direction.
[0060]
Furthermore, the wavelength converter 1 includes a wavelength converter 14a.₁~ 14a_nOf the converted light B with uniform light intensity by adjusting the interaction length of₁~ B_nCan be output, the converted light B₁~ B_nCan be combined into one light beam to provide a light source having a uniform light intensity distribution.
[0061]
Furthermore, the wavelength converter 1 converts the converted light B having a uniform light intensity.₁~ B_nCan be output in parallel at equal intervals and can be used as a linear light source. Note that the converted light B output by the wavelength converter is₁~ B_nThe specific usage of will be described in detail in the tenth embodiment.
[0062]
<Second embodiment>
Hereinafter, a wavelength converter 2 shown in FIG. 2 will be described as a second embodiment. The components having the same functions as those of the wavelength conversion device 1 according to the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
[0063]
The wavelength conversion device 2 separates the partial reflection film 12 and the reflection film 13 of the wavelength conversion device 1 from the wavelength conversion device 11 by a predetermined distance so as to be parallel to the side surfaces 11a and 11b of the wavelength conversion device 11. The wavelength conversion element 11 and the partial reflection film 12 and the reflection film 13 are separately provided.
[0064]
In this case, since the gap between the wavelength conversion element 11 and the partial reflection film 12 and the reflection film 13 forms an air gap, the wavelength conversion device 2 emits light of the first wavelength on the side surfaces 11 a and 11 b of the wavelength conversion element 11. Antireflection films 15 and 16 for preventing reflection of light of the second wavelength are provided, respectively.
[0065]
The antireflection films 15 and 16 prevent reflection of the light of the first wavelength and light of the second wavelength, that is, prevent reflection of the fundamental light and the converted light.
[0066]
By providing the antireflection films 15 and 16, the wavelength conversion device 2 can reduce stray light generated by the reflection of the fundamental light and the converted light on the side surfaces 11 a and 11 b of the wavelength conversion element 11.
[0067]
As described above, the wavelength conversion device 2 according to the second embodiment can obtain the same effect as the wavelength conversion device 1 described above, and also has the partial reflection film 12 on the side surfaces 11a and 11b of the wavelength conversion element 11. Further, when it is difficult to provide the reflection film 13, it is possible to easily realize the device configuration.
[0068]
<Third embodiment>
Hereinafter, a wavelength converter 3 shown in FIG. 3 will be described as a third embodiment. Note that components having the same functions as those of the wavelength converters 1 and 2 in the first and second embodiments described above are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
[0069]
The wavelength conversion device 3 adjusts the interaction length as described above to achieve a desired conversion efficiency.₁~ 14a_nInstead, the n wavelength converters 17a that achieve the desired conversion efficiency by respectively adjusting the inversion period and the inversion ratio of the domain inversion.₁~ 17a_nIs provided in the wavelength conversion element 11.
[0070]
Wavelength converter 17a₁~ 17a_nHave the shape of a rectangular parallelepiped, and the length of the rectangular parallelepiped in the longitudinal direction is uniform.₁~ 14a_nIt is arranged in the same way as.
[0071]
Therefore, in the following, regarding the wavelength conversion device 3, the wavelength conversion unit 17a₁~ 17a_nAnd wavelength converter 14a₁~ 14a_nOnly the differences from the above will be described.
[0072]
First, if the attenuation of the fundamental light is neglected for simplicity and the fundamental light is parallel light, the light intensity of the converted light due to the generation of the second harmonic is proportional to the value shown in Expression 5 below.
[0073]
{Sin (Δkl / 2) / (Δkl / 2)}²(Equation 5)
In Equation 5, Δk is the wave number mismatch between the fundamental light and the converted light due to the generation of the second harmonic, and l is the interaction length. The wave number mismatch Δk can be expressed as a conditional expression of the first-order quasi-phase matching as shown in Expression 6 below by using the period of domain inversion described above as Λ and using this inversion period Λ.
[0074]
Δk = k_(2ω)-2 x k_(Ω)-2π / Λ (Equation 6)
Where k_(Ω)And k_(2ω)Are the wave numbers of the fundamental light and the converted light, respectively. By setting Δk = 0, the value shown in Expression 5 takes the maximum value 1, and in this state, quasi-phase matching is achieved as shown in Expression 6.
[0075]
Wavelength converter 17a₁~ 17a_nIs the inversion period Λ in which each of the inversion periods can achieve the quasi-phase matching as shown in Expression 6 above. Wavelength converter 17a₁~ 17a_nAdjusts each inversion period to output a plurality of converted lights B₁~ B_nLight intensity can be made uniform.
[0076]
Specifically, the fundamental light A repeatedly reflected between the partial reflection film 12 and the reflection film 13₀~ A_{(N -1 )}In the optical path of, for example, domain inversion regions each having a slightly different inversion period, that is, the wavelength conversion unit 17a₁~ 17a_nIs formed, the converted light B having uniform light intensity is obtained.₁~ B_nCan be output. Wavelength converter 17a₁~ 17a_nIs converted light B₁~ B_nIn order to make the light intensity uniform, the inversion period of the domain inversion region is adjusted as follows.
[0077]
Wavelength converter 17a₁~ 17a_nIs a wavelength conversion unit 17a where i is an integer from 1 to n._i反 転_iFor simplicity, it is assumed that the ratio of the domains in each domain inversion area is 1: 1 and the interaction lengths are equal.
[0078]
The optimal inversion period to achieve quasi-phase matching is Λ₀(However, Δk₀= K_(2ω)-2 x k_(Ω)-2π / Λ₀= 0), the maximum conversion efficiency is η₀And the wave number mismatch Δk₀Then the inversion cycle is Λ_iWavelength converter 17a_iConversion efficiency η_iIs the amount of wave number mismatch Δk_iCan be calculated from Expression 5 described above as shown in Expression 7 below.
[0079]
η_i= Η₀× ｛sin (Δk_il / 2) / (Δk_il / 2)｝²・ ・ ・ (Equation 7)
However, Δk_iCan be calculated as shown in Equation 8 below.
[0080]
Δk_i= K_(2ω)-2 x k_(Ω)-2π / Λ_i= 2π × (1 / Λ₀−1 / Λ_i) ・ ・ ・ (Equation 8)
Therefore, the converted light B having a uniform light intensity₁~ B_nIn order to obtain the wavelength conversion unit 17a₁~ 17a_nConversion efficiency η at_iSatisfies Equation 4 described above,_iThe domain inversion region having₁~ 17a_nWhat is necessary is just to form.
[0081]
For example, a total of ten converted lights B₁~ B₁₀Is taken out, the light intensity I of one converted light_iIs the light intensity I of the incident fundamental light.₀In order to convert the light intensity ratio to about 5% with respect to the inversion period Λ as shown in Table 2 below._iMay be used to form the domain inversion region.
[0082]
[Table 2]

[0083]
From Table 2, each wavelength conversion unit 17a₁~ 17a₁₀, As i increases,_iDecreases, and the conversion efficiency η_iIt can be seen that has increased.
[0084]
Here, the wavelength conversion unit 17a₁~ 17a₁₀Is the wavelength conversion unit 17a₁₀That is, the pseudo phase matching can be completely obtained in the final region. However, the values in Table 2 are approximately calculated results, and if the accuracy of the calculation is increased, the converted light B₁~ B₁₀Needless to say, the light intensity becomes uniform.
[0085]
As described above, the wavelength converter 3 according to the third embodiment divides the optical path of the basic light by repeatedly reflecting the basic light by the partial reflection film 12 and the reflection film 13, and Light A₀~ A_(N-1)N wavelength converters 17a having different inversion periods for each optical path₁~ 17a_nBy dispersing them, wavelength conversion with high conversion efficiency can be performed in the entire apparatus. In addition, the wavelength converter is used as the basic light A.₀~ A_(N-1)May be arranged in the optical path toward the reflection unit 13. In this case, the wavelength conversion device 1 has a wavelength selectivity such that the reflection film 13 transmits the converted light similarly to the partial reflection film 12. It will be an optical film.
[0086]
The wavelength conversion device 3 includes a wavelength conversion unit 17a.₁~ 17a_nIs the basic light A₀~ A_(N-1)The interaction length is such that light damage does not occur with respect to the light intensity of₀~ A_(N-1)Wavelength conversion unit 17a₁~ 17a_nCan be suppressed from light damage. Thereby, the wavelength conversion device 2 can significantly improve the life and reliability of the wavelength conversion element 11.
[0087]
Further, in the wavelength conversion device 3, the partial reflection film 12 and the reflection film 13 are parallel to each other, and the wavelength conversion unit 17a of the wavelength conversion element 11₁~ 17a_nAre provided at equal intervals in parallel with each other, so that the converted light B₁~ B_nAre incident at equal intervals, and the converted light B₁~ B_nBecomes uniform, the converted light B₁~ B_nCan be arranged at regular intervals and output in a predetermined direction.
[0088]
Furthermore, the wavelength conversion device 3 includes a wavelength conversion unit 17a.₁~ 17a_nThe conversion light B of uniform light intensity by adjusting the reversal period and reversal ratio of₁~ B_nCan be output, the converted light B₁~ B_nCan be combined into one light beam to provide a light source having a uniform light intensity distribution.
[0089]
Furthermore, the wavelength converter 3 converts the converted light B having a uniform light intensity.₁~ B_nCan be output in parallel at equal intervals and can be used as a linear light source. Note that the converted light B output by the wavelength converter is₁~ B_nThe specific usage of will be described in detail in the tenth embodiment.
[0090]
<Fourth embodiment>
Hereinafter, a wavelength converter 4 shown in FIG. 4 will be described as a fourth embodiment. Note that components having the same functions as those of the wavelength conversion devices 1 to 3 in the above-described first to third embodiments are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
[0091]
The wavelength converter 4 is a wavelength converter 14a in the wavelength converter 1 described above.₁~ 14a_nConverter 17a in the wavelength converter 3₁~ 17a_nThe wavelength conversion element 18 having the domain inversion structure is provided on the entire wavelength conversion element 11 without providing the domain inversion structure in a specific region of the wavelength conversion element 11 as described above.
[0092]
Therefore, hereinafter, only the wavelength conversion unit 18 of the wavelength conversion device 4 will be described. Note that the wavelength conversion device 4 does not include the partial reflection film 12 and the reflection film 13 because the basic light split into a plurality by the basic light splitting unit described in detail in the tenth embodiment is incident in parallel. In addition, it is assumed that antireflection films (not shown) substantially equivalent to the antireflection films 15 and 16 are provided on the side surfaces 11a and 11b of the wavelength conversion element 11, respectively.
[0093]
In the wavelength conversion element 11, n basic lights are incident in parallel perpendicularly to the side surface 11b, and the parallel optical paths C of the incident basic lights are respectively provided.₁~ C_nIn contrast, a wavelength conversion section 18 provided with a structure in which the inversion cycle is gradually changed linearly, that is, a so-called chirp structure is formed over the entire element.
[0094]
Specifically, assuming that i is an integer from 1 to n and is a number sequentially assigned from the longest inversion cycle in each optical path in the wavelength conversion unit 18, the i-th optical path C_iInversion period at_iCan be calculated as shown in Equation 9 below.
[0095]
Λ_i= Λ₀× (1+ (ni) × δΛ) (Formula 9)
Here, n is the order of the optical paths having a period for achieving the quasi-phase matching, that is, the number of all converted lights extracted from the wavelength conversion element 11, and δΛ is the change amount of the inversion period. Here, the inversion cycle Λ_iIs shown in Table 3 below.
[0096]
[Table 3]

[0097]
Note that the inversion period Λ in Table 3_iAre the respective optical paths C of the wavelength converter 18.₁~ C_nThis is a calculation result with the above interaction length kept constant.
[0098]
For example, a total of ten converted lights B₁~ B₁₀Is taken out, that is, when n = 10, the light intensity I of one converted light_iIs the light intensity I of the incident fundamental light.₀In order to convert the light intensity ratio to about 5% with respect to₁~ C₁₀Is the inversion period Λ shown in Table 3._iA domain inversion region may be formed.
[0099]
In the wavelength converter 4, the use of the wavelength conversion element 11 having the wavelength conversion unit 18 as described above allows perfect quasi-phase matching in the final region (n = 10).
[0100]
As described above, the wavelength conversion device 4 according to the fourth embodiment includes a plurality of optical paths C₁~ C_nBy using the wavelength converters 18 having different reversal periods of the domain reversal in a portion corresponding to the above, wavelength conversion with high conversion efficiency can be performed in the entire apparatus.
[0101]
Further, if the incident directions of the plurality of basic lights are parallel at equal intervals, the wavelength conversion device 4₁~ B_nCan be output in parallel at equal intervals.
[0102]
However, the wavelength converter 4 converts the converted light B₁~ B_nAlthough the light intensity is not uniform at all, the wavelength conversion section 18 has a simple structure, and the converted light B is smaller than when the domain inversion region having a uniform inversion cycle is formed.₁~ B_nCan be reduced.
[0103]
<Fifth embodiment>
Hereinafter, a wavelength converter 5 shown in FIG. 5 will be described as a fifth embodiment. The components having the same functions as those of the wavelength conversion device 1 according to the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
[0104]
The wavelength converter 5 includes a wavelength converter 14a.₁~ 14a_nInstead, for example, six wavelength converters 19a extending in a direction orthogonal to the traveling direction of the basic light and forming domain inversion regions having an arbitrary inversion cycle are formed.₁~ 19a₆Is provided in the wavelength conversion element 11. Therefore, in the following, regarding the wavelength conversion device 5, the wavelength conversion unit 14a₁~ 14a_nWavelength converter 19a different from₁~ 19a₆Will be described only.
[0105]
Wavelength converter 19a₁~ 19a₆Is the basic light A in the optical path of the basic light repeatedly reflected by the pair of partial reflection films 12 and the reflection film 13 parallel to each other.₀~ A₄Extend in a direction substantially orthogonal to the direction of incidence on the partial reflection film 12. Further, the wavelength converter 19a₁~ 19a₆Is the basic light A₀~ A₄Are sequentially stacked in the direction in which the light enters the partial reflection film 12. That is, the wavelength converter 19a₁~ 19a₆Is the basic light A₀~ A₄Are provided so as to straddle a plurality of optical paths in each of the optical paths passing through. In such a wavelength conversion element 11, the basic light A₀~ A₄Are the wavelength converters 19a, respectively.₁~ 19a₆Are wavelength-converted by two or more of them.
[0106]
Wavelength converter 19a₁~ 19a₆Is the fundamental light A in the wavelength conversion element 11.₀~ A₄Are in a direction perpendicular to the direction toward the partial reflection film 12, and have a domain inversion structure of a predetermined cycle adapted to the condition for generating the converted light from the basic light by quasi-phase matching. That is, the wavelength converter 19a₁~ 19a₆Have a structure in which spontaneous polarization is inverted at a predetermined cycle with respect to the traveling direction of the basic light.
[0107]
These wavelength converters 19a₁~ 19a₆Have predetermined inversion periods and inversion ratios, respectively.₀~ A₄Is slightly different in the inversion period in the direction in which the light enters the partial reflection film 12. The plurality of wavelength converters 19a₁~ 19a₆Is the basic light A₀~ A₄The interaction length is such that optical damage does not occur due to the light intensity of. Then, each wavelength converter 19a₁~ 19a₆Is the incident basic light A₀~ A₄Is converted at a predetermined conversion efficiency into a converted light B₁~ B₅Is output.
[0108]
Specifically, the wavelength conversion unit 19a₁~ 19a₆Outputs converted light having a frequency of 2ω due to generation of a second harmonic, where ω is the frequency of the incident fundamental light. That is, the wavelength converter 19a₁~ 19a₆Outputs converted light in which the wavelength of the fundamental light is half.
[0109]
Next, the operation of each unit when the wavelength converter 5 performs wavelength conversion from the fundamental light to the converted light will be described. In the following, i is an integer from 1 to 5, and the i-th wavelength converter is counted in the traveling direction of the basic light incident from the opening 11c, and the i-th wavelength converter is a wavelength converter 19a._i, The basic light emitted from the external light source₀The basic light reflected i times by the reflection film 12b is denoted by A_i, The converted light output from the ith_iThis will be described along the optical paths of the basic light and the converted light.
[0110]
First, basic light A emitted from a light source (not shown)₀Is a laser beam having a frequency ω, and an incident angle θ from the opening 11 c of the nonlinear conversion element 11.₁And the refraction angle θ₂Only refraction.
[0111]
Next, the fundamental light A incident on the nonlinear conversion element 11₀Is the wavelength converter 19a₁~ 19a₃, And converted light B having a frequency of 2ω with a predetermined conversion efficiency.₁The wavelength is converted to Wavelength converter 19a₁~ 19a₃Is converted light B₁And the unconverted basic light A₁Is output. Then, the wavelength converter 19a₃Converted light B output from₁Is incident on the partial reflection film 12 and is transmitted to the outside through the partial reflection film 12.
[0112]
On the other hand, the wavelength converter 19a₁~ 19a₃Unconverted basic light A output from₁Is totally reflected by the partial reflection film 12, travels inside the wavelength conversion element 11, and is further totally reflected by the reflection film 13 to be converted into the wavelength conversion portion 19a.₂~ 19a₄, And converted light B having a frequency of 2ω with a predetermined conversion efficiency.₂The wavelength is converted to Wavelength converter 19a₂~ 19a₄, Converted light B₂And the unconverted basic light A₂Is output. Then, the wavelength converter 19a₄Converted light B output from₂Is incident on the partial reflection film 12 and is transmitted to the outside through the partial reflection film 12.
[0113]
As described above, the wavelength conversion device 5 transmits the fundamental light A incident into the wavelength conversion element 11.₀Is the basic light A₄The wavelength conversion unit 19a is repeatedly reflected by the partial reflection film 12 and the reflection film 13 and guided in the horizontal direction with respect to the direction in which the partial reflection film 12 and the reflection film 13 face each other until₁~ 19a₆The converted light B₁~ B₅Is output.
[0114]
Here, the wavelength converter 19a₁~ 19a₆Is set such that, for example, the fundamental light A₀In the optical path toward the partial reflection film 12, the wavelength converter 19a₁~ 19a₃Domain inversion regions are set such that the inversion periods of₁In the optical path toward the partial reflection film 12, the wavelength converter 19a₂~ 19a₄Domain inversion regions are set such that the inversion periods of the respective domains are different from each other. Wavelength converter 19a₄The conversion efficiency of the wavelength conversion unit 19a₂~ 19a₃Is the value obtained by subtracting the sum of the respective conversion efficiencies from the desired conversion efficiency.
[0115]
The calculation of the conversion efficiency is performed over the entire wavelength conversion element 11, and the fundamental light A₀~ A₄Wavelength conversion section 19a in the optical path of₁~ 19a₆By optimizing the inversion period and the inversion ratio of₁~ B₅Can be set to a desired value.
[0116]
Note that such a wavelength conversion unit 19a₁~ 19a₆When using the wavelength conversion element 11 provided with₀~ A₄Since any number of domain-inverted regions having different inversion periods and interaction lengths can be set in the optical path, the basic light A has a relatively simple structure.₀~ A₄Can be designed with a high degree of freedom according to the light intensity of the light.
[0117]
As described above, the wavelength converter 5 according to the fifth embodiment divides the optical path of the basic light by repeatedly reflecting the basic light by the partial reflection film 12 and the reflection film 13, and Light A₀~ A₄N wavelength converters 19a having different inversion periods for each optical path₁~ 19a₆Is the basic light A₀~ A₄, The wavelength conversion with high conversion efficiency can be performed in the entire apparatus.
[0118]
The wavelength conversion device 5 includes a wavelength conversion unit 19a.₁~ 19a₆Is the basic light A₀~ A₄The interaction length is such that light damage does not occur with respect to the light intensity of₀~ A₄Wavelength conversion unit 19a₁~ 19a₆Can be suppressed from light damage. Thereby, the wavelength conversion device 5 can greatly improve the life and reliability of the wavelength conversion element 11.
[0119]
Further, in the wavelength conversion device 5, since the partial reflection film 12 and the reflection film 13 are parallel to each other, the converted light B₁~ B₅Are incident at equal intervals, and the converted light B₁~ B₅Becomes uniform, the converted light B₁~ B₅Can be arranged at regular intervals and output in a predetermined direction.
[0120]
Furthermore, the wavelength converter 5 includes a wavelength converter 19a.₁~ 19a₆Of the uniform light intensity by adjusting the inversion period of₁~ B₅Can be output, the converted light B₁~ B₅Can be combined into one light beam to provide a light source having a uniform light intensity distribution.
[0121]
Furthermore, the wavelength converter 5 converts the converted light B having a uniform light intensity.₁~ B₅Can be output in parallel at equal intervals and can be used as a linear light source. The converted light B output from the wavelength converter 5₁~ B₅The specific usage of will be described in detail in the tenth embodiment.
[0122]
In the wavelength converter 5, the wavelength conversion is performed by three wavelength converters to output one converted light, but the wavelength conversion may be performed by four or more wavelength converters. Needless to say. The wavelength converter 5 converts the converted light B into five light beams.₁~ B₅However, it is needless to say that the converted light can be output as an arbitrary number of light beams similarly to the wavelength conversion devices 1 to 4 described above by adjusting the wavelength conversion unit.
[0123]
<Sixth Embodiment>
Hereinafter, a wavelength converter 6 shown in FIG. 6 will be described as a sixth embodiment. Note that components having the same functions as those of the wavelength converters 1 to 5 in the above-described first to fifth embodiments are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
[0124]
In the wavelength converter 1 according to the first embodiment, the partial reflection film 12 and the reflection film 13 which are parallel to each other are used as the light guide paths for separating the optical path of the fundamental light. The optical path separation of the fundamental light is performed by using the reflection means. Specifically, the wavelength conversion device 6 guides the basic light in a direction orthogonal to the direction in which the pair of cats eyes opposes while repeatedly reflecting the basic light using a pair of corner cube type reflecting mirrors, so-called cat's eyes.
[0125]
As shown in FIG. 6, the wavelength conversion device 6 includes a wavelength conversion element 21 that converts the wavelength of the basic light to generate converted light, anti-reflection films 15 and 16 that prevent reflection of the basic light and the converted light, A pair of cat's eyes 22 and 23 that repeatedly reflect the basic light and transmit the converted light are provided.
[0126]
The wavelength conversion element 21 is an optical member having a rectangular parallelepiped shape. The wavelength conversion element 21 converts the wavelength of the fundamental light using the nonlinear optical phenomenon and generates n converted wavelengths.₁~ 24a_nIs provided inside. In the wavelength conversion element 21, the antireflection film 15 is provided on one side surface 21a parallel to the longitudinal direction of the rectangular parallelepiped, and the cat's eye 22 is provided at a predetermined distance from the side surface 21a. In the wavelength conversion element 21, the antireflection film 16 is provided on a side surface 21b opposite to the side surface 21a and a cat's eye 23 is provided at a predetermined distance from the side surface 21b.
[0127]
The cat's eyes 22 and 23 are optical members having wavelength selectivity that transmit light of the second wavelength and reflect light of the first wavelength. That is, the cat's eyes 22, 23 are light dividing members that reflect the basic light and transmit the converted light, and can take out the converted light between the cat's eyes 22, 23 to the outside of the device. Specifically, the cat's eyes 22 and 23 are corner cube-type reflecting mirrors, and reflect the incident basic light on the corner cube surface so as to have an optical path shifted in a predetermined direction parallel to the incident optical path. .
[0128]
The wavelength conversion element 21 includes a wavelength conversion unit 24a that performs wavelength conversion.₁~ 24a_nOther portions are filled with an optical material having high light transmittance that does not contribute to wavelength conversion. Wavelength converter 24a of wavelength converter 21₁~ 24a_nThe optical material that fills the other parts is preferably one that has a high transmittance for the light of the first wavelength and the light of the second wavelength. That is, the wavelength conversion unit 24a of the wavelength conversion element 21₁~ 24a_nAs an optical material that fills other portions, a material having a high transmittance for the fundamental light and the converted light is preferable. Needless to say, the shape of the wavelength conversion element 21 is not limited to a rectangular parallelepiped.
[0129]
In addition, the cat's eye 23 disposed at a predetermined distance from the side surface 21b of the wavelength conversion element 21 is disposed at a position shifted in the longitudinal direction with respect to the side surface 21b, and one end of the side surface 21b in the longitudinal direction is outside. It is exposed to. A portion where the side surface 21b is exposed to the outside is defined as an opening 21c. Basic light emitted from a light source (not shown) vertically enters the wavelength conversion element 21 through the opening 21c.
[0130]
Since the cat's eyes 22 and 23 are parallel to each other with the wavelength conversion element 21 interposed therebetween and reflect the basic light, respectively, the basic light that is vertically incident on the inside of the wavelength conversion element 21 from the opening 21 c is converted into the same plane. Reflects repeatedly. Here, the cat's eyes 22 and 23 are combined with a corner cube surface composed of a periodic reflecting surface so that the incident basic light is different from the incident optical path but can be accurately reflected in a direction parallel to the incident direction. Have been. The pair of cat's eyes 22 and 23 are shifted between the pair of cat's eyes 22 and 23 in the longitudinal direction of the wavelength conversion element 21 by shifting the periodically reflecting surfaces of the opposing corner cube surfaces by a half cycle. While being repeatedly reflected, the basic light is guided in the longitudinal direction of the wavelength conversion element 21, that is, in the direction orthogonal to the direction in which the cat's eyes 22, 23 face. That is, the cat's eyes 22, 23 form an optical path for guiding the basic light.
[0131]
Specifically, the cat's eyes 22 and 23 repeatedly reflect the fundamental light that has entered the inside of the wavelength conversion element 21 from the opening 21c, thereby guiding the fundamental light to a plurality of optical paths that are not on the same straight line. Light. In other words, the cat's eyes 22, 23 sequentially guide the basic light incident from the previous optical path to the next optical path that is not on the same straight line. Here, the previous optical path and the next optical path indicate the optical paths of the basic light before and after the reflection, respectively, when the basic light incident on the cat's eye 22 or the cat's eye 23 is reflected and changes the optical path.
[0132]
Wavelength converter 24a₁~ 24a_nHave a rectangular parallelepiped shape, one end in the longitudinal direction is directed to the cat's eye 23 side, and the other end is directed to the cat's eye 22 side. Wavelength converter 24a₁~ 24a_nAre formed so as to be parallel to each other and at equal intervals along the direction in which the cat's eyes 22 and 23 face each other. Note that the wavelength converter 24a₁~ 24a_nIs not limited to a rectangular parallelepiped, and may be any shape that extends in the longitudinal direction.
[0133]
Wavelength converter 24a₁~ 24a_nAlthough the details will be described later, the wavelength conversion is performed by the basic light being incident from one end in the longitudinal direction along the longitudinal direction, and the converted light is output from the other end. Note that the wavelength converter 24a₁~ 24a_nWhen the fundamental light is incident along the longitudinal direction from one end in the longitudinal direction, the unconverted fundamental light is also output from the other end.
[0134]
Specifically, the wavelength converter 24a₁~ 24a_nAssuming that the frequency of the fundamental light incident from one end in the longitudinal direction is ω, the converted light having a frequency of 2ω is output from the other end by generation of the second harmonic. That is, the wavelength converter 24a₁~ 24a_nOutputs converted light in which the wavelength of the fundamental light is half.
[0135]
Further, the wavelength converter 24a₁~ 24a_nHave a uniform length in the longitudinal direction, and have an interaction length that does not cause optical damage due to the light intensity of the incident basic light and the output converted light.
[0136]
Wavelength converter 24a₁~ 24a_nHave a domain inversion structure in which the inversion period and the inversion ratio are different in the longitudinal direction, respectively, so as to adapt to the condition for generating the converted light from the fundamental light by quasi-phase matching. That is, the wavelength converter 24a₁~ 24a_nHave domain inversion regions in which spontaneous polarization is inverted at different periods in the longitudinal direction.
[0137]
Note that the wavelength converter 24a₁~ 24a_nFor example, a domain inversion structure is produced by manufacturing a reversal pattern having a uniform interaction length using lithography technology or the like so that the reversal period differs in the longitudinal direction, and applying an electric field.
[0138]
Wavelength converter 24a₁~ 24a_nIs formed of a material having a light transmitting property with respect to the basic light and the converted light, and₁~ 14a_nThe same nonlinear optical crystal as described above is used.
[0139]
The above-described wavelength conversion element 21 is constituted by a single optical crystal as a whole, and the wavelength conversion section 24a₁~ 24a_nThe optical characteristics are changed by forming a domain inversion structure only in the wavelength conversion section 24a.₁~ 24a_nMay perform wavelength conversion.
[0140]
Next, the operation of each unit when the wavelength converter 6 performs wavelength conversion from the fundamental light to the converted light will be described. In the following, i is an integer from 1 to n, and the i-th wavelength converter is counted in the order of the optical path of the basic light incident from the opening 21c, and the i-th wavelength converter 24a_i, The basic light emitted from the external light source₀, Wavelength converter 24a_iThe basic light output from_i, Wavelength converter 24a_iThe converted light output from_iThis will be described along the optical paths of the basic light and the converted light.
[0141]
First, basic light A emitted from a light source (not shown)₀Is a laser beam having a frequency ω, which is transmitted through the antireflection film 16 and vertically incident on the incident surface of the wavelength conversion element 21.
[0142]
Next, the fundamental light A incident on the wavelength conversion element 21₀Is a wavelength converter 24a₁And converted light B of frequency 2ω with a predetermined conversion efficiency₁The wavelength is converted to Wavelength converter 24a₁From the converted light B₁With unconverted basic light A₁Is output. Then, the wavelength converter 24a₁Converted light B output from₁Are transmitted through the antireflection film 15 and enter the cat's eye 22, and are transmitted through the cat's eye 22 and output to the outside.
[0143]
On the other hand, the wavelength converter 24a₁Basic light A output from₁Is transmitted through the antireflection film 15 and is incident on the corner cube surface of the cat's eye 22 at a predetermined incident angle, is totally reflected by the corner cube surface, is reflected in a direction shifted in parallel from the incident direction, and Is transmitted to the wavelength conversion element 21 again.
[0144]
Next, the fundamental light A incident on the wavelength conversion element 21₁Is a wavelength converter 24a₂And converted light B of frequency 2ω with a predetermined conversion efficiency₂The wavelength is converted to Wavelength converter 24a₂From the converted light B₂With unconverted basic light A₂Is output. Then, the wavelength converter 24a₂Converted light B output from₂Are transmitted through the anti-reflection film 16 and enter the cat's eye 23, transmitted through the cat's eye 23, and output to the outside.
[0145]
On the other hand, the wavelength converter 24a₂Basic light A output from₂Is transmitted through the antireflection film 16 and enters the corner cube surface of the cat's eye 23 at a predetermined incident angle, is totally reflected by the corner cube surface, is reflected in a direction shifted parallel to the incident direction, and Is transmitted to the wavelength conversion element 21 again.
[0146]
As described above, the wavelength conversion device 6 outputs the fundamental light A that has entered the wavelength conversion element 21.₀Is the basic light A_nN wavelength conversion units 24a while being repeatedly reflected by the cat's eyes 22 and 23 until₁~ 24a_nThe converted light B₁~ B_nIs output.
[0147]
As described above, the wavelength conversion device 6 in the sixth embodiment divides the optical path of the basic light by repeatedly reflecting the basic light by the cat's eyes 22 and 23, and splits the basic light A toward the cat's eyes 22 and 23.₀~ A_(N-1)N wavelength converters 24a having different interaction lengths for each optical path₁~ 24a_nBy dispersing them, wavelength conversion with high conversion efficiency can be performed in the entire apparatus.
[0148]
Further, the wavelength converter 6 includes a wavelength converter 24a.₁~ 24a_nIs the basic light A₀~ A_(N-1)The interaction length is such that light damage does not occur with respect to the light intensity of₀~ A_(N-1)Wavelength conversion unit 24a₁~ 24a_nCan be suppressed from light damage. Thus, the wavelength conversion device 6 can significantly improve the life and reliability of the wavelength conversion element 21.
[0149]
Further, in the wavelength conversion device 6, the cat's eyes 22 and 23 are parallel to each other, and the wavelength conversion unit 14a of the wavelength conversion element 11₁~ 14a_nAre provided at equal intervals in parallel with each other, so that the converted light B₁~ B_nAre incident at equal intervals, and the converted light B to the cat's eyes 22 and 23₁~ B_nBecomes uniform, the converted light B₁~ B_nCan be arranged at regular intervals and output in a predetermined direction.
[0150]
Furthermore, the wavelength converter 6 includes a wavelength converter 24a.₁~ 24a_nOf the uniform light intensity by adjusting the inversion period of₁~ B_nCan be output, the converted light B₁~ B_nCan be combined into one light beam to provide a light source having a uniform light intensity distribution.
[0151]
Furthermore, the wavelength converter 6 converts the converted light B having a uniform light intensity.₁~ B_nCan be output in parallel at equal intervals and can be used as a linear light source. Note that the converted light B output by the wavelength converter is₁~ B_nThe specific usage of will be described in detail in the tenth embodiment.
[0152]
<Seventh embodiment>
Hereinafter, a wavelength converter 7 shown in FIG. 7 will be described as a seventh embodiment. Note that components having the same functions as those of the wavelength converters 1 to 6 in the above-described first to sixth embodiments are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
[0153]
Here, the wavelength converter 6 includes a wavelength converter 24a.₁~ 24a_nAlthough wavelength conversion was performed by quasi-phase matching using domain inversion as described in the above, it goes without saying that the phase matching method is not limited to quasi-phase matching.
[0154]
The wavelength conversion device 7 includes a wavelength conversion device 25 that performs wavelength conversion by a phase matching method other than the quasi-phase matching, instead of the wavelength conversion device 21 that performs wavelength conversion by quasi-phase matching in the wavelength conversion device 6. It is.
[0155]
However, if the wavelength conversion element 21 is simply replaced with a parallel plate type nonlinear optical crystal, the fundamental light A₀~ A_(N-1)Has the same conversion efficiency in each optical path of₁~ B_nCannot achieve a uniform light intensity ratio. Converted light B₁~ B_nIn order to realize a uniform light intensity ratio of a light beam, if a method such as angle phase matching or temperature phase matching is used, the basic light A₀~ A_(N-1)It can be realized by changing the interaction length of the wavelength conversion unit in each optical path and arranging them.
[0156]
Therefore, in the wavelength conversion device 7, as shown in FIG.₁~ 28a_nAre arranged in the order of the interaction length.
[0157]
The wavelength conversion element 25 includes n wavelength conversion portions 28a each having a rectangular parallelepiped shape having a uniform width and a different length.₁~ 28a_nAnd a plurality of these wavelength converters 28a₁~ 28a_nAre joined in order of length to form two stepped flat surfaces 25a and 25b. In the wavelength conversion element 25, antireflection films 26 and 27 are provided on the stepped flat surfaces 25a and 25b, respectively. The anti-reflection films 26 and 27 have substantially the same configuration as the anti-reflection films 15 and 16, and are configured to prevent reflection of the fundamental light and the converted light.
[0158]
Wavelength converter 28a₁~ 28a_nAre crystal materials that perform wavelength conversion, and are adjusted so as to be adapted to conditions for generating converted light from basic light by phase matching. Note that the wavelength converter 28a₁~ 28a_nIs the wavelength converter 14a₁~ 14a_nThe same nonlinear optical crystal as described above can be used.
[0159]
Further, the wavelength conversion unit 28a₁~ 28a_nIs provided in the optical path of the basic light repeatedly reflected by the pair of cat's eyes 22 and 23, one in each of the forward path and the return path each time the basic light makes one round trip between the cat's eyes 22 and 23. I have. These plural wavelength converters 28a₁~ 28a_nThe crystal length is adjusted such that the interaction length does not cause optical damage due to the light intensity of the incident fundamental light. Then, each wavelength converter 28a₁~ 28a_nConverts the wavelength of incident basic light with a predetermined conversion efficiency according to the interaction length, and converts the converted light B₁~ B_nIs output.
[0160]
Specifically, the wavelength conversion unit 28a₁~ 28a_nAssuming that the frequency of the fundamental light incident from one end in the longitudinal direction is ω, the converted light having a frequency of 2ω is output from the other end by generation of the second harmonic. That is, the wavelength converter 28a₁~ 28a_nOutputs converted light in which the wavelength of the fundamental light is half.
[0161]
Here, the above-described wavelength conversion unit 28a₁~ 28a_nEven if it is an arbitrary crystal length, it changes the crystal orientation, adjusts the temperature, generates an electro-optical effect or magneto-optical effect by applying an electric or magnetic field, or applies an external stress. By controlling the phase matching condition by generating a photoelastic effect and adjusting the conversion efficiency appropriately, it is possible to realize the required light intensity ratio of the converted light. Further, the wavelength conversion unit 28a₁~ 28a_nCan use different nonlinear optical crystals to adjust the conversion efficiency.
[0162]
As described above, the wavelength conversion device 7 according to the seventh embodiment divides the optical path of the basic light by repeatedly reflecting the basic light by the cat's eyes 22 and 23, and splits the basic light A toward the cat's eyes 22 and 23.₀~ A_(N-1)N wavelength converters 28a having different interaction lengths for each optical path₁~ 28a_nBy dispersing them, wavelength conversion with high conversion efficiency can be performed in the entire apparatus.
[0163]
The wavelength conversion device 7 includes a wavelength conversion unit 28a.₁~ 28a_nIs the basic light A₀~ A_(N-1)The interaction length is such that light damage does not occur with respect to the light intensity of₀~ A_(N-1)Wavelength conversion unit 24a₁~ 24a_nCan be suppressed from light damage. Accordingly, the wavelength conversion device 7 can significantly improve the life and reliability of the wavelength conversion element 25.
[0164]
Further, in the wavelength conversion device 7, the cat's eyes 22 and 23 are parallel to each other, and the wavelength conversion unit 28 a₁~ 28a_nAre provided at equal intervals in parallel with each other, so that the converted light B₁~ B_nAre incident at equal intervals, and the converted light B to the cat's eyes 22 and 23₁~ B_nBecomes uniform, the converted light B₁~ B_nCan be arranged at regular intervals and output in a predetermined direction.
[0165]
Furthermore, the wavelength conversion device 7 includes a wavelength conversion unit 28a.₁~ 28a_nOf the converted light B having uniform light intensity by adjusting the above-described various conditions.₁~ B_nCan be output, the converted light B₁~ B_nCan be combined into one light beam to provide a light source having a uniform light intensity distribution.
[0166]
Furthermore, the wavelength converter 7 converts the converted light B having a uniform light intensity.₁~ B_nCan be output in parallel at equal intervals and can be used as a linear light source. Note that the converted light B output by the wavelength converter is₁~ B_nThe specific usage of will be described in detail in the tenth embodiment.
[0167]
<Eighth Embodiment>
Hereinafter, a wavelength converter 8 shown in FIG. 8 will be described as an eighth embodiment. The components having the same functions as those of the wavelength converters 1 to 7 in the above-described first to seventh embodiments are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
[0168]
The wavelength converter 8 uses a wedge-shaped wavelength converter 29 instead of the wavelength converter 21 that performs wavelength conversion by quasi-phase matching in the wavelength converter 6, and uses the cats-eye 22, 23 for this wavelength converter 29. Are arranged at a predetermined angle.
[0169]
The wavelength conversion elements 29 are opposed to each other at a predetermined angle θ.₃Are formed, and antireflection films 15 and 16 are provided on the two main surfaces, respectively. The wavelength conversion element 29 is configured to receive the basic light from the main surface 29a or 29b, and the angle formed by the two main surfaces 29a and 29b (hereinafter, referred to as a vertex angle) is θ.₃This apex angle θ₃The conversion efficiency can be adjusted by adjusting.
[0170]
The wavelength conversion element 29 converts the wavelength of the fundamental light that is repeatedly reflected by the pair of cat's eyes 22 and 23 into converted light. The wavelength conversion element 29 has a structure adapted to a condition for generating converted light from basic light by angular phase matching. That is, the wavelength conversion element 29 has a structure in which the crystal orientation and the crystal length are adjusted with respect to the traveling direction of the fundamental light.
[0171]
The wavelength conversion element 29 has an interaction length in the optical path of the fundamental light that is repeatedly reflected by the pair of cat's eyes 22 and 23 facing each other such that optical damage is not caused by the light intensity of the incident fundamental light. Have been. Then, the wavelength conversion element 29 converts the wavelength of the incident basic light with a predetermined conversion efficiency and outputs the converted light.
[0172]
Specifically, assuming that the frequency of the fundamental light incident from the main surface 29a or 29b is ω, the wavelength converter 29 outputs the converted light having a frequency of 2ω from the other main surface 29b or 29a due to the generation of the second harmonic. I do. That is, the wavelength converter 29 outputs converted light in which the wavelength of the basic light is half.
[0173]
Here, the cat's eyes 22 and 23 respectively face the wavelength conversion element 29 such that the optical paths of the basic light incident on the wavelength conversion element 29 and the basic light and the converted light emitted from the wavelength conversion element 29 are parallel to each other. The angle is adjusted with respect to the wedge-shaped main surface.
[0174]
As described above, the wavelength converter 8 according to the eighth embodiment is similar to the wavelength converters 6 and 7 in that the basic light A₀Is the basic light A_nIs converted by the wavelength conversion while being repeatedly reflected by the cat's eyes 22 and 23 until₁~ B_nAnd the wavelength conversion efficiency of the entire device can be increased.
[0175]
In addition, the wavelength conversion device 8 includes a vertex angle θ formed by two wedge-shaped main surfaces 29a and 29b of the wavelength conversion element 29.₃And the angles of the cat's eyes 22 and 23 with respect to the two main surfaces 29a and 29b of the wavelength conversion element 29, respectively, so that a plurality of converted light B₁~ B_nHowever, the cat's eye 22 side and the cat's eye 23 side can be arranged at predetermined intervals and output in a predetermined direction.
[0176]
Further, the wavelength conversion device 8 uses a combination of prisms such as corner cubes having a reflection surface to convert each converted light B₁~ B_nIs required, for example, the vertex angle θ of the wedge-shaped wavelength conversion element 29.₃By adjusting the effective interaction length, the converted light B₁~ B_nCan be taken out relatively easily.
[0177]
<Ninth embodiment>
Hereinafter, a wavelength converter 9 shown in FIG. 9 will be described as a ninth embodiment. Note that components having the same functions as those of the wavelength conversion devices 1 to 8 in the above-described first to eighth embodiments are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
[0178]
In the above-described first to eighth embodiments, the configuration in which the wavelength conversion element is disposed between the reflection means such as the partial reflection film, the reflection film, and the cat's eye has been described. The device 9 is such that the wavelength conversion element is disposed outside the pair of reflection means.
[0179]
As shown in FIG. 9, the wavelength conversion device 9 converts the wavelength of the basic light split by the basic light splitting unit 61 into a basic light splitting unit 61 that splits the basic light into a plurality of light beams from one light beam. Wavelength conversion means 62 for generating converted light.
[0180]
The basic light splitting unit 61 includes a light transmitting block 63 that transmits the basic light, a half mirror 64 that transmits the basic light at a predetermined transmittance and reflects the rest, and a reflective film 65 that reflects the basic light.
[0181]
The light transmission block 63 is an optical member having a rectangular parallelepiped shape, and has light transmission with respect to basic light. In the light transmission block 63, a half mirror 64 is provided on one side surface 63a parallel to the longitudinal direction of the rectangular parallelepiped, and a reflection film 65 is provided on an opposite side surface 63b parallel to the side surface 63a.
[0182]
The half mirror 64 is an optical film that transmits the first wavelength light by a predetermined amount and reflects the remaining light, that is, transmits the basic light by a predetermined amount and reflects the remaining basic light. The reflection film 65 is an optical film that reflects light of the first wavelength, that is, reflects basic light.
[0183]
Note that the reflection film 65 is not provided on the entire side surface 63b of the light transmission block 63. The light transmitting block 63 has a portion where the reflective film 65 is not provided on one end side of the side surface 63b in the longitudinal direction, and the side surface 63b is exposed to the outside. The portion where the side surface 63b is exposed to the outside is defined as an opening 63c, and basic light emitted from a light source (not shown) enters the inside of the wavelength conversion element 63 from the opening 63c. Here, the incident angle of the basic light incident on the opening 63c of the wavelength conversion element 63 is θ₁And the refraction angle is θ₂And The basic light is θ with respect to the side surface 63b in the longitudinal direction of the wavelength conversion element 63.₁And the light enters the opening 63c.
[0184]
The half mirror 64 and the reflection film 65 are parallel to each other with the light transmitting block 63 interposed therebetween, and reflect the basic light, respectively. Therefore, the incident angle θ from the opening 63 c to the inside of the wavelength conversion element 66.₁Angle of refraction θ₂The fundamental light refracted by the above is repeatedly reflected within the same plane. Here, the half mirror 64 and the reflection film 65 reflect the basic light in a direction different from the incident direction according to Snell's law unless the basic light incident on the half mirror 64 is perpendicularly incident on the incident surface. That is, the half mirror 64 and the reflection film 65₂The basic light is guided in a direction orthogonal to the direction in which the half mirror 64 and the reflection film 65 face while repeatedly reflecting the basic light at an angle of. That is, the half mirror 64 and the reflection film 65 form an optical path for guiding the basic light.
[0185]
Specifically, the half mirror 64 and the reflection film 65 repeatedly reflect the basic light that has entered the inside of the light transmitting block 63 from the opening 63c, so that the basic light can be reflected on a plurality of optical paths that are not on the same straight line. Light. That is, the half mirror 64 and the reflective film 65 sequentially guide the basic light incident from the previous optical path to the next optical path that is not on the same straight line. Here, the previous optical path and the next optical path respectively indicate the optical paths of the basic light before and after the reflection when the basic light incident on the half mirror 64 or the reflection film 65 is reflected and changes the optical path.
[0186]
The basic light splitting means 61 having the above-described configuration, since the half mirror 64 transmits the basic light with a predetermined transmittance, the basic light repeatedly reflected between the half mirror 64 and the reflection film 65 is converted into a plurality of basic lights. The light beam can be output to the wavelength conversion means 62. The basic light that is repeatedly reflected between the half mirror 64 and the reflection film 65 is output to the outside at a predetermined transmittance every time the light enters the half mirror 64, so that the light intensity is reduced. As a result, the light intensity of the basic light output as a plurality of light beams from the basic light splitting means 61 is also sequentially reduced.
[0187]
The wavelength conversion means 62 has a wavelength conversion element 66 for converting the basic light into converted light having a wavelength different from the basic light, and antireflection films 67 and 68.
[0188]
The wavelength conversion element 66 is an optical member having a rectangular parallelepiped shape. The wavelength conversion element 66 converts the wavelength of the fundamental light using the nonlinear optical phenomenon and generates n converted wavelengths 69a.₁~ 69a_nIs provided inside. In the wavelength conversion element 66, an antireflection film 67 is provided on one side surface 66a parallel to the longitudinal direction of the rectangular parallelepiped, and an antireflection film 68 is provided on an opposite side surface 66b parallel to the side surface 66a.
[0189]
The antireflection films 67 and 68 prevent the basic light incident on the wavelength conversion element 66 from being reflected at the interface of the wavelength conversion element 66 and transmit the basic light. As will be described later, the antireflection film 68 on the side from which the converted light is emitted absorbs or reflects the basic light, so that it is easy to extract only the converted light.
[0190]
The wavelength conversion element 66 includes a wavelength conversion unit 69a that performs wavelength conversion.₁~ 69a_nOther portions are filled with an optical material having high light transmittance that does not contribute to wavelength conversion. The wavelength conversion section 69a of the wavelength conversion element 66₁~ 69a_nThe optical material that fills the other parts is preferably one that has a high transmittance for the light of the first wavelength and the light of the second wavelength. That is, the wavelength conversion section 69a of the wavelength conversion element 66₁~ 69a_nAs an optical material that fills other portions, a material having a high transmittance for the fundamental light and the converted light is preferable. The shape of the wavelength conversion element 66 is not limited to a rectangular parallelepiped, and may be any shape as long as the antireflection films 67 and 68 can be provided on the side surfaces 66a and 66b in parallel with each other.
[0191]
Wavelength converter 69a₁~ 69a_nHave a rectangular parallelepiped shape, and one end in the longitudinal direction is directed to the antireflection film 67 side and the other end is directed to the antireflection film 68 side. Note that the wavelength converter 69a₁~ 69a_nIs not limited to a rectangular parallelepiped, and may be any shape that extends in the longitudinal direction.
[0192]
Wavelength converter 69a₁~ 69a_nAlthough the details will be described later, the wavelength conversion is performed by the basic light being incident from one end in the longitudinal direction along the longitudinal direction, and the converted light is output from the other end.
[0193]
Specifically, the wavelength converter 69a₁~ 69a_nAssuming that the frequency of the fundamental light incident from one end in the longitudinal direction is ω, the converted light having a frequency of 2ω is output from the other end by generation of the second harmonic. That is, the wavelength converter 69a₁~ 69a_nOutputs converted light in which the wavelength of the fundamental light is half.
[0194]
Wavelength converter 69a₁~ 69a_nAre arranged so that their longitudinal directions are perpendicular to the antireflection films 67 and 68, and are parallel to each other and at equal intervals. Wavelength converter 69a₁~ 69a_nHave a uniform length in the longitudinal direction, and are disposed in a direction perpendicular to the direction in which the partial antireflection films 67 and 68 face each other. Note that the wavelength converter 69a₁~ 69a_nIs an interaction length such that optical damage is not caused by the light intensity of the incident fundamental light and the output converted light.
[0195]
Specifically, the wavelength converter 69a₁~ 69a_nHave a domain inversion structure in which the inversion period and the inversion ratio are adjusted in the longitudinal direction so as to adapt to the conditions for generating the converted light from the fundamental light by quasi-phase matching. That is, the wavelength converter 69a₁~ 69a_nEach has a domain inversion region in which spontaneous polarization is inverted at a predetermined period in the longitudinal direction.
[0196]
Note that the wavelength converter 69a₁~ 69a_nFor example, a domain inversion pattern in which the inversion cycle is adjusted in the longitudinal direction is manufactured by using a lithography technique or the like, and a domain inversion structure is created by applying an electric field.
[0197]
Wavelength converter 69a₁~ 69a_nIs formed of a material having a light transmitting property with respect to the fundamental light and the converted light, and₁~ 24a_nThe same nonlinear optical crystal as described above can be used.
[0198]
Here, the wavelength conversion unit 62 configured as described above performs the basic light conversion so that the basic light divided into a plurality of light beams by the basic light splitting unit 61 is perpendicularly incident on the side surface 66 a of the wavelength conversion element 66. It is positioned with respect to the dividing means 61. That is, the wavelength converter 69a₁~ 69a_nThe elementary light is incident from the end on the side surface 66a side toward the longitudinal direction.
[0199]
Next, the operation of each unit when the wavelength converter 9 performs wavelength conversion from the fundamental light to the converted light will be described. In the following, the basic light incident from the opening 63c is represented by A, where i is an integer from 1 to n.₀, Of the basic light output from the half mirror 64,_i, Wavelength converter 14a_iThe converted light output from_iThis will be described along the optical paths of the basic light and the converted light.
[0200]
First, basic light A emitted from a light source (not shown)₀Is a laser beam having a frequency ω, and an incident angle θ with respect to the incident surface of the opening 65a.₁At the incident surface and the angle of refraction θ₂Only refraction.
[0201]
Next, the basic light A incident from the incident portion 65a₀Is transmitted through the half mirror 64 by a predetermined amount, and₁And the rest is reflected and enters the reflection film 65. Basic light A transmitted through the half mirror 64₁Is perpendicularly incident on the wavelength conversion element 66 via the anti-reflection film 67, and the wavelength conversion section 69a₁Converted by the wavelength conversion light B₁Becomes Wavelength converter 69a₁Light B wavelength-converted by₁Enters the anti-reflection film 68, passes through the anti-reflection film 68, and is output to the outside.
[0202]
On the other hand, the remaining basic light reflected by the reflection film 65 is totally reflected by the reflection film 65 and reenters the half mirror 64, passes through the half mirror 64 by a predetermined amount, and returns to the basic light A.₂And the rest is reflected and enters the reflection film 65. Basic light A transmitted through the half mirror 64₂Is perpendicularly incident on the wavelength conversion element 66 via the anti-reflection film 67, and the wavelength conversion section 69a₂Converted by the wavelength conversion light B₂Becomes Wavelength converter 69a₂Light B wavelength-converted by₂Enter the antireflection film 68, pass through the antireflection film 68, and are output to the outside.
[0203]
As described above, the wavelength converter 9 according to the ninth embodiment includes the basic light A₀Is the basic light A_nUntil the above, the light is split into n basic light beams while being repeatedly reflected by the half mirror 64 and the reflection film 65. Then, the wavelength converter 9 outputs the basic light A divided by the basic light dividing means 61.₁~ A_nTo each wavelength converter 69a of the wavelength converter 66.₁~ 69a_nThe converted light B₁~ B_nAnd the wavelength conversion efficiency of the entire device can be increased.
[0204]
Further, since the half mirror 64 and the reflection film 65 of the basic light splitting means 61 are parallel to each other, the wavelength₁~ A_nAre arranged at a predetermined interval and aligned in a predetermined direction, output, and incident on the wavelength conversion means 62. As a result, the wavelength conversion means 62 outputs the converted light B₁~ B_nCan be arranged at a predetermined interval and output in a predetermined direction.
[0205]
Further, the wavelength conversion device 9 can use different optical materials for the light transmission block 63 of the basic light splitting means 61 and the wavelength conversion element 66 of the wavelength conversion means 62, respectively. Optimal optical materials can be respectively selected in consideration of the focusing condition and the threshold value for optical damage.
[0206]
Specifically, for example, the light transmission block 63 of the basic light splitting unit 61 has a low threshold value for light damage for converted light, but has a high threshold value for light damage for basic light, that is, for the basic light. Strong optical materials can be used. On the other hand, as the wavelength conversion element 66 of the wavelength conversion means 62, only the basic light having a lower light intensity than the light transmission block 63 is incident, so that an optical material giving priority to the light resistance to the converted light can be selected, and the conversion efficiency can be reduced. In order to increase, it may be possible to collect light strongly below the threshold for optical damage.
[0207]
Further, the wavelength converter 9 linearly converts the converted light B₁~ B_nCan be output side by side at equal intervals, and can be used as a linear light source. Note that the converted light B output by the wavelength converter is₁~ B_nThe specific usage of will be described in detail in the tenth embodiment.
[0208]
The wavelength conversion device 9 may use a wavelength conversion element 71 or a wavelength conversion element 81 shown in FIGS. 10 and 11 instead of the wavelength conversion element 66 of the wavelength conversion means 62 described above. The wavelength conversion element 71 has a rectangular parallelepiped shape, and is a wavelength conversion element whose crystal orientation and interaction length are adjusted so as to perform angular phase matching over the entire element. The wavelength conversion element 81 has a rectangular parallelepiped shape, is provided with a domain inversion region 82 over the entire element, and is a wavelength conversion element in which the inversion period and the inversion ratio are adjusted.
[0209]
The wavelength conversion elements 71 and 81 have a rectangular parallelepiped shape similarly to the wavelength conversion element 66 described above. The wavelength conversion elements 71 and 81 are provided with the above-described wavelength conversion section 69a.₁~ 69a_nSimilarly, a nonlinear optical crystal can be used.
[0210]
In the wavelength conversion elements 71 and 81, the plurality of basic lights obtained by the method such as the above-described basic light splitting means 61 are further repeatedly reflected between the side surfaces 71a and 71b and the side surfaces 81a and 81b, and in each optical path. The wavelength may be converted. In this case, a total reflection film for basic light is attached to the wavelength conversion elements 71, 81 instead of the antireflection films 67, 68. In this case, similarly to the wavelength conversion device 1 described above, by making the basic light incident on the wavelength conversion elements 71 and 81 at a predetermined incident angle, the wavelength of each basic light can be converted a plurality of times.
[0211]
The intervals between the incident basic lights are appropriately set so as to proceed between the optical paths of the converted lights formed by the reflections in the wavelength conversion elements 71 and 81. With such a configuration, the wavelength conversion elements 71 and 81 can provide many spatially separated wavelength conversion optical paths at the opening of the structure that performs limited wavelength conversion. It is preferable that the total reflection film instead of the anti-reflection films 67 and 68 is partially attached so that a desired number of basic light beams enter the wavelength conversion elements 71 and 81. The total reflection film may have an antireflection effect so as to selectively transmit the converted light.
[0212]
In addition, the wavelength conversion device 9 described above is necessary for application if a structure for performing wavelength conversion such as domain inversion to realize a desired conversion efficiency is provided in each optical path other than the wavelength conversion elements 71 and 81. Needless to say, it is possible to obtain converted light having an arbitrary light intensity ratio.
[0213]
Further, the above-described wavelength conversion device 9 outputs a plurality of basic light beams to the wavelength conversion elements 71 and 81 without using the above-described basic light splitting means 61. A method in which a plurality of light sources spatially separated are arranged in parallel using mirrors and micromirrors, and a plurality of light sources spatially separated using an optical waveguide such as an optical fiber. A method of guiding each light and appropriately arranging outgoing light from the optical fiber, a method of guiding a plurality of light sources spatially separated to a parallel light path using an optical waveguide structure such as a photonic crystal, Method of using laser light generated by exciting different positions of laser medium or different laser medium with multiple light sources, optical fiber with laser gain for basic light emitted from multiple light sources, etc. A method of utilizing the by incident exciting the optical fiber in a different light amplified laser light, it is possible to use a method by these combinations.
[0214]
Here, as the above-mentioned laser medium, for example, an Nd: YAG (yttrium-aluminum-garnet) crystal or the like to which an optical thin film forming a resonance mirror is attached can be used.
[0215]
In order to arrange the emitted light from the optical fiber in parallel, a method of providing V-shaped grooves at equal intervals and in parallel on a substrate such as glass and placing the optical fiber therein can be used.
[0216]
Various light sources such as a solid-state laser and a semiconductor laser can be used as the plurality of light sources described above. These light sources are mirrors, corner cubes, prisms, coatings, optical waveguides, optical fibers, beam splitters (BS: Beam Splitter), and the like. It can also be divided into two or more using a polarizing beam splitter (PBS: Polarized Beam Splitter), a birefringent plate, a MEMS (micro electro mechanical systems), a photonic crystal, or the like. As the solid-state laser, for example, a microchip laser or the like can be used. It is preferable that the basic light output from the plurality of light sources be appropriately shaped and condensed by using a microlens or the like for efficient wavelength conversion, and then incident on the wavelength conversion element.
[0219]
As the photonic crystal described above, a photonic crystal 83 can be used as shown in FIG. The photonic crystal 83 can deflect incident laser light in a desired direction by utilizing the band gap of light energy in the crystal structure. In the photonic crystal 83, a plurality of basic lights A₁~ A₅Can be deflected inside and emitted in a certain direction. Further, by using such a photonic crystal, it is possible to confine the basic light and the converted light.
[0218]
Furthermore, the wavelength conversion device 9 described above may use a unit that temporally divides the basic light instead of the basic light dividing unit 61. In this case, the wavelength conversion device 9 can use a MEMS device such as a micromirror or a diffractive spatial light phase modulator as a means for splitting the basic light as described above, instead of the basic light splitting means 61.
[0219]
As shown in FIGS. 13 and 14, for example, such a dividing unit further includes a micromirror 85 that reflects externally incident basic light in different directions depending on time, and a basic mirror reflected by the micromirror 85. It has a mirror 86 and a mirror 87 that reflect light.
[0220]
The dividing means configured as described above can change the direction of the micromirror 85 by a predetermined amount every predetermined time and guide the basic light incident on the micromirror 85 to the mirror 86 or the mirror 87. Specifically, the basic light is temporally divided as shown in FIGS.
[0221]
First, as shown in FIG.₁In the basic light A₀Is incident on the micromirror 85, is reflected by the micromirror 85 and is incident on the mirror 86, is reflected by the mirror 86, and₁Is output to a non-linear conversion element (not shown).
[0222]
Next, as shown in FIG.₂In the basic light A₀Is incident on the micro mirror 85, is reflected by the micro mirror 85 and is incident on the mirror 87, is reflected by the mirror 87, and₂Is output to a non-linear conversion element (not shown).
[0223]
As described above, the dividing unit alternately drives the micro mirrors 85 at appropriate time intervals by the mirror driving unit (not shown), and₁, A₂Are parallel, two quasi-space-separated fundamental lights A₁, A₂Will be output. At this time, the time interval of the division may be set sufficiently fast within a range required for application. Further, it is preferable that the division time ratio is appropriately divided according to the conversion efficiency. In this example, the basic light A₀Is divided into two, but it is needless to say that it may be divided into three or more using three or more mirrors.
[0224]
<Tenth embodiment>
In the following, as a tenth embodiment, as shown in FIG. 15, the converted light of a plurality of light beams output by the wavelength converters 1 to 9 described in the first to ninth embodiments will be collectively output. The converted light converging device 90 will be described. The components having the same functions as those of the wavelength converters 1 to 9 in the first to ninth embodiments are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
[0225]
The converted light focusing device 90 includes a plurality of converted lights B output from a wavelength converter 91 that outputs a plurality of converted lights.₁~ B₇A plurality of coupling portions 92 each of which condenses light, and the converted light B condensed by the coupling portions 92.₁~ B₇And the converted light B guided by the optical fibers 93.₁~ B₇And a homogenizer 95 that outputs the converted light collected by the bundle fiber 94.
[0226]
The wavelength conversion device 91 has substantially the same configuration as any one of the wavelength conversion devices 1 to 9 according to the first to ninth embodiments described above.₁~ B₇Is output.
[0227]
The coupling unit 92 converts each converted light B output from the wavelength converter 91₁~ B₇From the optical fiber 93 to the optical fiber 93.
[0228]
The optical fiber 93 is a fiber that is flexible and is shielded by a reflective surface such that the converted light totally reflects a tube having high light transmittance to the converted light. The optical fiber 93 transmits the converted light incident on one end to the other end while reflecting the converted light on the reflection surface.
[0229]
The bundle fiber 94 is a fiber that integrates the optical fiber 93 and uses the converted light output from the optical fiber 93 as one light flux, and has a larger diameter than the optical fiber 93.
[0230]
The homogenizer 95 is composed of an optical system such as a fly-eye lens for making the intensity distribution of the converted light collected in the bundle fiber 94 even more uniform.
[0231]
The converted light focusing device 90 includes the converted light beams B output from the wavelength converting device 91.₁~ B₇Is condensed on each optical fiber 93 by each coupling unit 92, and each converted light B is condensed using a plurality of optical fibers 93.₁~ B₇And the converted light B guided by the optical fiber 93₁~ B₇Are efficiently collected by the bundle fiber 94, and the intensity distribution of the converted light is homogenized with high accuracy by the homogenizer 95 and output.
[0232]
Thus, the converted light focusing device 90 can obtain high-quality converted light having a uniform intensity distribution spatially. The converted light focusing device 90 outputs the converted light B until the optical fiber 93 is bundled by the bundle fiber 94.₁~ B₇Is a low-output light, so that the number of components of an expensive and high-yield optical element can be reduced, and the optical element can be manufactured at low cost.
[0233]
The converted light focusing device 90 uses the above-described method to convert the converted light B₁~ B₇Can be confined in the optical fiber 93, spatial transmission becomes easy, and the converted light does not leak outside.
[0234]
By using such a converted light focusing device 90, the wavelength converters 1 to 9 in the above-described first to ninth embodiments can shorten the converted light, increase the output, increase the brightness, and achieve spatial uniformity. In addition to being useful as a lithography light source, it can be applied to material processing such as laser micromachining, laser ablation, laser annealing, and laser surface modification. In particular, in laser annealing, laser surface modification, and the like, a large area can be illuminated, so that the tact time is shortened and the productivity is improved.
[0235]
Here, a diffraction-type spatial light phase modulation element (Grating @ Valid: Valve), which is a MOEMS (Micro @ Electro-Electro-Mechanical System) element having a capacitance type Membrance developed by SLM (Silicon @ Light @ Machines), Inc. Due to its high-speed response and high extinction ratio, application to optical communication, laser projectors, printer heads, and the like has been considered. This modulator uses a large number of modulators arranged linearly in order to increase the spatial resolution. As illumination for such an element, it is difficult to perform uniform laser illumination from a point light source in a shape having a very flat aspect ratio of 25 mm in length and 100 μm in width, for example, a special lens having an aspherical surface. For example, a laser line generator manufactured by Edmund Optics Japan was used. Further, in the case of application to a laser display, there is a problem that a laser speckle is generated in a projected image and the image is deteriorated.
[0236]
The conversion light focusing device 90 described above can easily realize a uniform intensity distribution by using a multi-point light source as an illumination source in combination with a microlens. Further, since the laser speckle can be reduced by averaging or time averaging by increasing the number of light sources due to its statistical property, the above-described basic light splitting means 91 and converted light focusing means 92 are effective.
[0237]
In the display field, such a wavelength conversion device 91 is applied to a computer image projector used for e-cinema, digital cinema projector, commercial projector, rear projector, front projector, home theater display, presentation, and the like. be able to.
[0238]
Further, the wavelength converter can be applied to various devices for WDM, MUX, DEMUX, add / drop filter, Xconnect, etc. in the field of optical communication. As an exposure device other than a display, a printer engine, a fine drawing device, a semiconductor It can be applied to an exposure apparatus (maskless, CAD digital image direct drawing apparatus) and the like.
[0239]
Finally, the wavelength conversion device to which the present invention is applied is not limited to the wavelength conversion devices 1 to 9 described in the first to tenth embodiments, and can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention. Needless to say, The wavelength converter to which the present invention is applied may be a combination of the wavelength converters 1 to 9 described in the first to tenth embodiments.
[0240]
In the wavelength converters 1 to 9 to which the present invention is applied, a nonlinear optical crystal whose interaction length and domain structure are adjusted is used as a means for performing wavelength conversion. The means is not limited to these, for example, by adjusting at least one of crystal orientation, domain structure, interaction length, crystal temperature, external electromagnetic field, external sound wave, external stress, etc. A wavelength conversion element that achieves a desired conversion efficiency may be used.
[0241]
Further, in the wavelength converters 1 to 9 to which the present invention is applied, the coating and the corner cube are described as the means for guiding the basic light. However, the means for guiding the basic light in the present invention include these. For example, at least one of a plane mirror, a prism, an optical waveguide, an optical fiber, a beam splitter, a polarizing beam splitter, a MEMS, and a photonic crystal may be used.
[0242]
Further, in the wavelength converters 1 to 9 to which the present invention described above is applied, a light control unit having a condensing action or a diverging action for at least one of the basic light and the converted light may be used. As such light control means, at least one of a lens, a microlens array, a curved mirror, an optical waveguide, an optical fiber, a photonic crystal, and the like can be used.
[0243]
【The invention's effect】
As described above, the wavelength conversion device according to the present invention can reduce the optical damage to the optical material of the element that performs wavelength conversion by using the nonlinear optical phenomenon, so that the life and reliability of the element can be significantly improved. Can be.
[0244]
In addition, the wavelength conversion device can perform wavelength conversion with high conversion efficiency without suffering a reduction in conversion efficiency due to the light-induced birefringence effect or the like generated in the material of the nonlinear conversion element. Thus, the wavelength converter can obtain high-output converted light with low-output basic light, thereby achieving energy saving.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing a device configuration of a wavelength conversion device to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a plan view illustrating a configuration of a wavelength conversion device in which a partial reflection film and a reflection film are arranged at a predetermined distance from a wavelength conversion element.
FIG. 3 is a plan view for explaining a configuration of a wavelength conversion device in which the interaction length of each wavelength conversion unit is made equal and the inversion period and the inversion ratio of each domain inversion region are adjusted.
FIG. 4 is a plan view for explaining a wavelength conversion device provided with a chirp structure over the entire wavelength conversion element.
FIG. 5 is a plan view for explaining a wavelength conversion element provided with a plurality of wavelength conversion units having different inversion periods with respect to the traveling direction of basic light.
FIG. 6 is a plan view for explaining a wavelength converter that repeatedly reflects fundamental light with a pair of cat's eyes.
FIG. 7 is a plan view for explaining a case where a wavelength conversion element in which members having different crystal lengths are combined is used in a wavelength conversion device that repeatedly reflects basic light with a pair of cat's eyes.
FIG. 8 is a plan view for explaining a case where a wavelength conversion element having a substantially wedge shape is used in a wavelength conversion device that repeatedly reflects basic light with a pair of cat's eyes.
FIG. 9 is a plan view for explaining a wavelength converter in which a unit for separating basic light and a unit for converting a wavelength are provided separately.
FIG. 10 is a plan view showing another example of a means for converting a wavelength in the wavelength converter shown in FIG.
11 is a plan view showing still another example of a means for converting a wavelength in the wavelength converter shown in FIG.
FIG. 12 is a plan view for explaining a photonic crystal in which fundamental light is incident on a wavelength conversion device.
FIG. 13 is a plan view illustrating a state at a first time of a division unit that temporally divides the basic light.
FIG. 14 is a plan view illustrating a state at a second time of a dividing unit that temporally divides the basic light.
FIG. 15 is a perspective view showing a configuration of a converted light focusing device that combines a plurality of converted lights output by the wavelength converter.
FIG. 16 is a diagram for explaining a configuration of a conventional wavelength converter.
FIG. 17 is a diagram for explaining a walk-off angle in a wavelength conversion element.
[Explanation of symbols]
A_0-nBasic light, B_{1 to n}{Conversion light, 11} Wavelength conversion element, 12} Partial reflection film, 13} Reflection film, 11a, 11b {Side, 11c} Incident part, 14a_{1 to n}{Wavelength converter, 15} Antireflection film, 16} Antireflection film, 17a_{1 to n}{Wavelength converter, 18} wavelength converter, 19a_1-6{Wavelength conversion unit, 21} Wavelength conversion element, 21a, 21b} Side surface, 21c} Opening, 22 Cat's eye, 23 Cat's eye, 24a_{1 to n}{Wavelength conversion part, 25} wavelength conversion element, 25a, 25b} side surface, 26 ° antireflection film, 27 ° antireflection film, 28a_{1 to n}Wavelength conversion unit, 29 wavelength conversion element, 29a, 29b main surface, 61 basic light separation unit, 62 wavelength conversion unit, 63 light transmission block, 63a, 63b side surface, 63c opening, 64 half mirror, 65 reflection film, 66 wavelength Conversion element, 66a, 66b {side surface, 67} antireflection film, 68 # antireflection film, 69a_{1 to n}Wavelength conversion unit, 71 wavelength conversion element, 81 wavelength conversion element, 82 domain inversion region, 83 photonic crystal, 85 micro mirror, 86 mirror, 87 mirror, 90 conversion light converging device, 91 wavelength conversion device, 92 coupling unit , 93 optical fiber, 94 bundle fiber, 95 homogenizer

Claims (14)

In a wavelength converter for converting the wavelength of laser light,
Light guiding means for guiding the incident laser light to a plurality of optical paths that are not on the same straight line,
Wavelength conversion means disposed on a plurality of optical paths that are not on the same straight line as each other, and for converting the wavelength of the incident laser light,
A wavelength conversion device, comprising: a laser beam extraction unit that extracts a laser beam whose wavelength has been converted by the wavelength conversion unit. The light guide means is provided at one end of the plurality of optical paths that are not on the same straight line, and sequentially guides the incident laser light to the plurality of optical paths that are not on the same straight line. Having a light member,
2. The wavelength conversion device according to claim 1, wherein the light guide member guides the laser beam guided from an optical path that is not on the same straight line to the next optical path that is not on the same straight line. apparatus. 3. The light guide member according to claim 2, wherein the light guide member is a reflection member that reflects the laser light guided from the light path that is not on the same straight line to the next light path that is not on the same straight line. Wavelength converter. The reflecting member reflects the incident laser light and transmits the laser light whose wavelength has been converted by the wavelength converting means, thereby also serving as the laser light extracting means for extracting the laser light having the converted wavelength. 4. The wavelength converter according to claim 3, wherein: The plurality of optical paths that are not on the same straight line with each other where the wavelength conversion means are arranged are parallel to each other and are on the same plane,
4. The wavelength conversion device according to claim 3, wherein the optical axes of the plurality of laser beams whose wavelengths have been converted and which are extracted by the laser light extraction means are parallel to each other and are in the same plane. The wavelength conversion device according to claim 3, wherein the light guide member forms a part of one of the two reflection members provided opposite to each other. 2. The wavelength conversion device according to claim 1, wherein the light guide unit guides the plurality of incident laser beams to the plurality of optical paths that are not on the same straight line. The light guiding means has a splitting means for splitting the incident laser light into a plurality of light fluxes, and each of the plurality of light fluxes split by the splitting means is guided to a plurality of light paths which are not on the same straight line as each other. The wavelength converter according to claim 1, wherein the wavelength converter emits light. The splitting means has a pair of reflecting members opposing each other for reflecting the incident laser light, and sequentially divides the incident laser light by the pair of reflecting members to a plurality of optical paths that are not on the same straight line as each other. 9. The wavelength conversion device according to claim 8, wherein the incident laser light is split by being reflected and at least one of the pair of reflecting members transmits the incident laser light at a predetermined transmittance. 4. The wavelength converter according to claim 3, wherein the reflection member is a mirror. 4. The wavelength converter according to claim 3, wherein the reflection member is a corner cube. The wavelength conversion means disposed on the plurality of optical paths that are not on the same straight line are nonlinear optical elements, and at least one of the domain structure, crystal orientation, and interaction length of each nonlinear optical element is adjusted. 3. The wavelength conversion device according to claim 2, wherein said laser light having the converted wavelength has the same light intensity. The nonlinear optical element is characterized in that the domain structure is adjusted to an inversion ratio and / or an inversion period according to the light intensity of the laser light for each of the plurality of optical paths that are not on the same straight line. The wavelength converter according to claim 12. 13. The nonlinear optical element according to claim 12, wherein the interaction length is adjusted to a length according to the light intensity of the laser light for each of a plurality of optical paths that are not on the same straight line. Wavelength converter.

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