JP2006019603A

JP2006019603A - コヒーレント光源および光学装置

Info

Publication number: JP2006019603A
Application number: JP2004197568A
Authority: JP
Inventors: Kiminori Mizuuchi; 公典水内
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-07-05
Filing date: 2004-07-05
Publication date: 2006-01-19

Abstract

【課題】波長変換素子は位相整合波長許容度が狭いため、安定した出力を得るには、光学系の波長安定化および波長変換素子の温度制御により出力安定化を図る必要があった。
【解決手段】レーザ媒質と波長変換素子からなるコヒーレント光源において、レーザ媒質からの基本波を波長変換素子により高調波に変換した後、反射体により反射した基本波をレーザ媒質に帰還することで、レーザ媒質の発振波長を帰還光の波長に固定する。これにより、レーザ媒質の発振波長を波長変換素子の位相整合波長に自動的に固定する。
【選択図】図１

Description

本発明は波長変換素子を用いたコヒーレント光源およびこれを利用した光学装置に関する。

非線形光学効果を用いた波長変換素子は小型高出力化が可能であり、コヒーレント光の波長変換を利用することで短波長化が可能となる。一方、波長変換素子が高効率で波長変換するための波長許容度は一般的に非常に狭いため、出力を安定させるには光源波長を波長変換素子の許容度内に固定する技術が重要となる。

この問題を解決する方法として、固体レーザ、半導体レーザ、ファイバーレーザ等のレーザ媒質に光帰還をかける方法が提案されている。レーザ媒質の発振波長は外部からの光帰還により制御可能であり、レーザの発振波長を波長変換素子の位相整合波長に制御可能である。たとえば、非特許文献１に示したように狭帯域の波長選択フィルターやファイバーグレーティングで半導体レーザの出射光を波長選択した後、半導体レーザの共振器内に帰還することで、半導体レーザの発振波長を固定できる。非特許文献２に示したように、外部グレーティングにより外部から光を返すことで、半導体レーザの発振波長を制御する方法が提案されている。図１６は、従来のコヒーレント光源の例を示したもので、バンドパスフィルターを用いて、半導体レーザに光フィードバックをかけて、バンドパスフィルターの透過波長に半導体レーザの発振波長を固定しているものである。ダイクロイックミラーは高調波を全反射、基本波を透過する特性を有し、バンドパスフィルター５０４は基本波の選択された波長のみを透過する構成となっている。半導体レーザ５０１から出た基本波は集光光学系５０２で集光され波長変換素子５０３に入射する。波長変換素子により基本波の一部は高調波に変換されコリメートレンズを通った高調波はダイクロイックミラー５０５により波長分離され、高調波として外部に取り出される。一方、波長変換素子から出射した基本波は、コリメートレンズ５１０を通った後、ダイクロイックミラー５０５を通過しバンドパスフィルター５０４により特定波長に選択される。その後、基本波は、ミラー５１３により反射されて、同じ経路を逆行して半導体レーザ５０１の活性層内に帰還する。半導体レーザの活性層内では、帰還波長のパワーが増大するため、共振器内における帰還波長の光のロスが見かけ上低減するため、発振波長が帰還波長に固定される。バンドパスフィルターの角度を調整することで、透過波長を制御することができるため、半導体レーザの発振波長を波長変換素子の位相整合波長に調整して、高効率の波長変換が可能となる。
特開平１０−１８６４２７号公報特開平０６−１０２５５２号公報

レーザ媒質の発振波長は光フィードバックによって制御可能である。しかしながら、波長変換素子の位相整合波長の許容度が一般的に狭いため、正確に制御するのが非常に難しい。さらに、外部環境の変化により波長変換素子に位相整合波長や、外部フィードバックの光の波長が変動することで、従来の方法として、波長変換素子から出射された光をダイクロイックミラーで基本波と分離し、基本波をバンドパスフィルターまたはグレーティング素子により波長選択した後半導体レーザに帰還する方法が提案されている。しかしながら、従来の方法では、外部環境の変化による出力変動は避けられず、安定出力を得るには、外部環境の変化をフィードバックして出力を安定化させる必要があった。また使用可能な温度範囲が限られるという問題があった。

さらに、従来の構成では波長変換素子の精密な温度制御が必要であった。波長変換素子の位相整合波長は温度によって変化する。このため、安定な出力を得るには、波長変換素子の温度を精密にコントロールして、フィードバック波長からずれない状態に保つ必要があった。

前記の課題を解決するために、本発明の請求項１に係るコヒーレント光源は、レーザ媒質と、波長変換素子と、反射体と、を備えたコヒーレント光源において、前記レーザ媒質から出射された基本波は前記波長変換素子により高調波に変換され、前記基本波は、前記反射体に反射された後、前記レーザ媒質に入射し、前記基本波により前記レーザ媒質の発振波長が固定されているコヒーレント光源である。

また、本発明の請求項６に係るコヒーレント光源は、レーザ媒質と、波長変換素子と、反射体と、を備えたコヒーレント光源において、前記レーザ媒質から出射された基本波は前記波長変換素子により高調波に変換され、前記高調波は前記反射体により反射された後、前記波長変換素子に再度入射することによって再び基本波に変換され、前記変換された基本波が、前記レーザ媒質に入射しているコヒーレント光源である。

また、本発明の請求項７に係るコヒーレント光源は、レーザ媒質と、波長変換素子と、波長選択ミラーと、を備えたコヒーレント光源において、前記レーザ媒質から出射した第１の基本波は前記波長変換素子に入射し、前記第１の基本波の一部が前記波長変換素子により高調波に波長変換され、前記波長変換素子から出射された第１の基本波と高調波は前記波長選択ミラーにより分離された後、前記高調波のみが前記波長変換素子に再度入射し、前記高調波の一部は、前記波長変換素子により第２の基本波に変換された後、前記レーザ媒質に入射し、前記レーザ媒質の発振波長が、入射した第２の基本波の波長に固定されているコヒーレント光源である。

また、本発明の請求項８に係るコヒーレント光源は、レーザ媒質と、波長変換素子と、共振器と、を備えたコヒーレント光源において、前記波長変換素子を前記共振器内に設置し、前記レーザ媒質からの第１の基本波の一部は前記波長変換素子により高調波に変換され、前記共振器は、前記高調波に対して共振条件を満足し、前記共振器内で、前記第１の基本波と前記高調波の差周波発生により第２の基本波が発生し、前記第２の基本波が前記レーザ媒質に入射し、前記レーザ媒質の発振波長が、入射した第２の基本波の波長に固定されているコヒーレント光源である。

また、本発明の請求項２５に係るコヒーレント光源は、上記何れかのコヒーレント光源と画像変換光学系とを有し、前記コヒーレント光源からの光を前記光学系により２次元画像に変換する光学装置である。

レーザ媒質から発振された基本波を波長変換素子の位相整合波長に自動的に固定し、外部の温度変化等対しても安定な出力が得られるコヒーレント光源を実現する。

本発明は、レーザ媒質からのコヒーレント光源を波長変換素子で変換する構成において、波長変換素子の位相整合波長と前記コヒーレント光源の発振波長を自動的に一致させ、コヒーレント光源の出力安定化の機構を提案するものである。

レーザ媒質は、外部から特定波長のコヒーレント光を媒質内に帰還することで、発振波長を帰還光の波長に固定することが可能である。外部からの帰還波長を波長変換素子の位相整合波長と一致させることで、レーザ媒質の発振波長を波長変換素子に位相整合波長に固定することが可能となる。

レーザ媒質への帰還波長を波長変換素子の位相整合波長とを物理的に相関させるには、いくつかの方法がある。

第１は、位相整合の波長依存性を変調することで、基本波の特定波長における帰還光量を増大させて、レーザ媒質の発振波長を固定する方法である。

第２の方法は、非線形光学効果において、波長変換素子による高調波発生とさらに発生した高調波を再び基本波に変換する逆過程を利用し、逆過程により発生した基本波を選択的にレーザ媒質に帰還することで、その発振波長を帰還した基本波に固定する構成である。帰還する基本波の強度は波長変換された高調波の強度に依存するため、高調波発生が最大となる状態でレーザ媒質への帰還光強度が最大となる。これによって、高調波出力が最大となる状態にレーザ媒質の発振波長が固定される。これを利用することで、レーザ媒質の発振波長を自動的に高調波発生の最適波長に固定することが可能となる。この現象を利用すれば、レーザ媒質の発振波長が自動的に波長変換素子の変換の最適波長に固定され安定したコヒーレント光源が実現できる。外部の温度等の変化が生じても、常に高調波出力が最大となる波長にレーザ媒質の発振波長が調整されるため、安定した出力が得られる。

（実施の形態１）
図１（ａ）は本発明のコヒーレント光源の構成図である。レーザ媒質１として半導体増幅器を用いる。レーザ媒質１の片端面は反射膜が形成され、出射側は反射防止膜が形成されている。レーザ媒質１から出た基本波２はレンズ６により波長変換素子３内に集光され、その一部は波長変換により高調波４に変換される。波長変換素子３から出た基本波２と高調波４はレンズ７により波長選択ミラー５の表面に集光される。波長選択ミラー５は基本波を反射し、高調波４を透過する。波長選択ミラー５により選択的に反射された基本波２は同じ経路を通って、レーザ媒質１に帰還する。レーザ媒質１内では、帰還波長の光の強度が強くなるため、レーザ媒質１は帰還光の波長に固定される。本発明の特長は、レーザ媒質１の発振波長が波長変換素子３の位相整合波長（変換波長）の最適な状態に固定される点である。波長変換素子３での高調波出力が最大となる状態にレーザの発振波長が固定される。この結果、本発明のコヒーレント光源は、レーザ媒質１の発振波長を調整することなく、自動的に波長変換素子３の位相整合波長に固定される。

本発明の方式としては、変換効率の波長依存性を図１（ｂ）に示すように、波長変換素子３の位相整合特性を変換効率が最大となる近傍で２ピークを有するように設計する。高調波４と基本波２はエネルギー保存の法則が成立するので、変換効率が低くなり高調波成分が減少すると基本波成分は増大する。従って、変換効率の最大値近傍での波長と高調波出力、基本波出力の関係は図１（ｂ）に示すようになり、基本波２の出力は、変換効率の最大値近傍でピークを有する。この基本波２を反射してレーザ媒質１に帰還すると、変換効率が最大となるピーク近傍でレーザ発振が固定される。従って、外部の温度変化等により位相整合波長が変動しても自動的に、基本波２のフィードバックが最大となる点。即ち、基本波２のピーク位置でレーザ媒質１の発振波長が固定されているため、安定した出力が得られた。実験では、外部温度の変化１０℃から８０℃に変化した場合、波長変換素子３のみの温度が変化した場合、レーザ媒質１のみの温度が変化した場合等について測定したが、高調波出力の変動は最大±５％以下に抑えられ、温度変化に対して非常に安定な特性を示した。

図１（ｂ）に示す位相整合特性を有する波長変換素子３を設計するのは、周期状の分極反転構造からなる波長変換素子３では比較的容易である。通常の分極反転構造は、単一周期構造であり、この場合、位相整合特性はシングルピークの変換効率特性となる。位相整合特性を制御する場合、この周期構造を伝搬方向に渡り変調することで位相整合特性を設計できる。図１（ｂ）の設計では、伝搬方向に分極反転の周期構造を７分割し、伝搬方向に渡り、周期が異なる部分を作製することで、実現している。分極反転の領域を分割し、それぞれ異なる周期構造を作りつけることでも任意の位相整合特性が実現できる。また、バルクの結晶の場合は、２つ以上に結晶を僅かに位相整合条件が異なる状態で張り合わせ、かつ結晶間に位相制御部分を設けることで位相整合特性を設計できる。

なお、位相整合特性としては、最大値近傍で複数のピークを有する設計でも利用可能である。ピーク間で出力安定化を図ることができる。ただし、変換効率のロスを考えると２ピークの位相整合特性が最も高効率の波長変換が行えるので好ましい。

また、初期条件として位相整合特性の２ピーク間に位相整合波長を調整する必要がある。最初の調整後は、自動的にピーク間に波長は固定されるが、初期状態としての調整作業が必要となる。この方法としては、実施の形態４で説明するが、グレーティングや狭帯域フィルター等を用いて、外部から選択波長をフィードバックすることで、レーザの発振波長を制御する。これによって、位相整合波長を２つのピーク波長の中間に持ってくることで、位相整合の初期条件を満足することが可能となる。

（実施の形態２）
図２を用いて、本発明の他の方法について説明する。

レーザ媒質１の片端面は反射膜が形成され、出射側は反射防止膜が形成されている。レーザ媒質１から出た基本波２はレンズ６により波長変換素子３内に集光され、その一部は波長変換により高調波４に変換される。波長変換素子３から出た基本波２と高調波４は反射体２１に入射する。反射体は非線形光学材料からなり、基本波２と高調波４の和周波として、反対方向に伝搬する第２の基本波２２を発生する。第２の基本波２２は同じ経路を通って、レーザ媒質１に帰還する。レーザ媒質１内では、帰還波長の光の強度が強くなるため、レーザ媒質１は第２の基本波２２の波長に固定される。本発明の特長は、レーザ媒質１の発振波長が波長変換素子３の位相整合波長（変換波長）の最適な状態に固定される点である。波長変換素子３での高調波出力が最大となる状態にレーザの発振波長が固定される。この結果、本発明のコヒーレント光源は、レーザ媒質１の発振波長を調整することなく、自動的に波長変換素子３の位相整合波長に固定される。

反射体２１は、進行方向の基本波２と高調波４の和周波として、逆方向に伝搬する基本波２を発生する非線形材料である。位相の不整合量は４πｎ／λであり、大きな位相不整合を補償する必要がある。例えば、周期状の分極反転構造で位相不整合を補償するばあい。基本波２の波長を１．０６４μｍ、非線形光学結晶をＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３、とすると１次の周期構造で０．２４μｍ程度の周期が必要となる。５次の周期構造ならば１．２μｍ程度であり周期構造の形成は可能である。変換効率は１／２５程度になるが、数Ｗの基本波２および高調波４の入力で数１０ｍＷ程度の第２の高調波発生が可能となる。この反射方式によりレーザ媒質１の発振波長を高調波４の位相整合波長に固定することが可能となった。

なお、波長変換素子３と反射体２１をモノリシックに形成することも可能である。それぞれの光に位相整合する非線形光学結晶を接合することでモノリシック化が可能である。また周期状の分極反転構造の場合、分極反転周期を場所によって変えることで、対応できる。

（実施の形態３）
図３は本発明のコヒーレント光源の構成図である。レーザ媒質１０１として半導体増幅器を用いる。レーザ媒質１０１の片端面は反射膜が形成され、出射側は反射防止膜が形成されている。レーザ媒質１０１から出た第１の基本波１０２はレンズ９１により波長変換素子１０３内に集光され、その一部は波長変換により高調波１０４に変換される。波長変換素子１０３から出た第１の基本波１０２と高調波１０４はレンズ９２により波長選択ミラー１０５の表面に集光される。波長選択ミラー１０５は基本波１０２をほぼ１００％透過し、高調波１０４を反射する。高調波１０４の反射率については後述するが、使用目的、構成により異なる。波長選択ミラー１０５により選択的に反射された高調波１０４はレンズ９２を通って波長変換素子１０３内に再び入射し、波長変換素子１０３により第２の基本波１０６に変換される。第２の基本波１０６はレーザ媒質１０１に帰還し、レーザ媒質１０１を励起するため、レーザ媒質１０１は帰還光の波長に固定される。本発明の特長は、レーザ媒質１０１の発振波長が波長変換素子１０３の位相整合波長（変換波長）の最適な状態に固定される点である。波長変換素子１０３での高調波出力が最大となる状態にレーザの発振波長が固定される。この結果、本発明のコヒーレント光源は、レーザ媒質１０１の発振波長を調整することなく、自動的に波長変換素子１０３の位相整合波長に固定される。

次に、本発明のコヒーレント光源の詳細について説明する。

最初にレーザ媒質１０１について述べる。レーザ媒質１０１には、広い発振波長域に渡るゲインが必要である。波長変換素子１０３の位相整合波長が変化した場合や、波長変換素子１０３の固体バラツキが生じても、レーザ媒質１０１の発振波長域が広ければ、位相整合条件に合った波長で発振するからである。この様な広い波長範囲に渡って利得を有するレーザ媒質１０１としては、半導体増幅器、ファイバーレーザ等がある。半導体増幅器は電流によって励起し、ファイバーレーザはポンプ光源によって励起される。Ｙｂドープのファイバーレーザは特に広い波長域に渡って発振利得を有する。レーザ媒質１０１に求められる広帯域の利得特性であるが、あまりに広い場合には問題が生じる。レーザ媒質１０１から出射された第１の基本波１０２は波長変換素子１０３により高調波１０４に変換され、高調波１０４はさらに第２の基本波１０６に変換される。非線形光学効果を利用した高調波発生は、低パワーの光に対して変換効率は低くなる。レーザ媒質１０１からの第１の基本波１０２の発振スペクトルが広がっている場合には、高調波１０４への変換効率が小さくなり、帰還する第２の基本波１０６への変換効率はさらに低下する。このため、レーザ媒質１０１へ帰還する第２の基本波１０６の強度が十分とれなくなりレーザ媒質１０１の発振波長を光フィードバックにより固定するのが難しくなる。スペクトルが広がることで発生するもう一つの問題は、発生する高調波１０４のモードが複数存在することである。バルクの空間モードとして基本モード以外に高次のモードが存在する。このため、変換される高調波１０４が波長の異なる複数のモードとして存在する。複数の異なる波長の高調波１０４が発生するとレーザ媒質１０１に帰還する第２の基本波１０６が複数の異なる波長で存在するため、レーザ媒質１０１が安定した発振が出来なくなる。この様な問題を解決するには、レーザ媒質１０１の利得波長領域としては１ｎｍ〜１０ｎｍ程度が好ましい。１０ｎｍ以上に広がると変換効率の低下や複数の高調波モードの発生が生じる。２ｎｍ以上にすれば、波長変換素子１０３の温度を±１０℃程度の範囲に安定化させることで出力安定化が図れる。±１０℃は非常に緩い温度制御であり、簡易な温度制御機能で安定化が可能となる。

一方、レーザ媒質１０１の利得波長領域を限定する方法としては、レーザ媒質１０１内にＤＢＲグレーティングを形成し、グレーティングの反射波長をグレーティング構造により調整することで実現できる。その他、多層膜フィルター等でも実現できる。レーザ媒質１０１の片端面に形成する反射膜の反射波長域を調整することでレーザ媒質の発振波長域を限定できる。

波長変換素子１０３の位相整合波長の許容度は変換効率特性に影響を与える。レーザ媒質１０１の発振波長へ波長変換素子１０３の位相整合波長に固定されるが、発振波長のスペクトル幅は波長変換素子１０３の位相整合許容幅に狭帯域化される。発振波長スペクトルが狭帯域化するとスペクトルのピーク強度が強くなるため、波長変換素子１０３の変換効率が増大する。その結果高出力変換が可能となる。一般的な波長変換素子の使われ方は安定出力を得るために波長許容度の広い波長変換素子が好まれる。これに対して、本発明の構成では、出力安定化は自動的に図られるため、本発明の構成において高効率変換が可能な狭帯域の位相整合許容度が好まれる。具体的には、波長許容度として１ｎｍ以下が望ましく。さらに望ましくは０．２ｎｍ以下の波長許容度が好ましい。その理由は、本発明の構成では、レーザ媒質１０１の発振波長は最終的には波長変換素子１０３の位相整合許容度内に限定される。レーザ媒質１０１が波長変換素子１０３の変換波長でフィードバックを受けるからである。波長変換素子１０３の変換効率はレーザ媒質１０１からの基本波のピークパワーに依存する。このため波長変換素子１０３の位相整合波長が狭いほど、基本波の発振スペクトルが狭帯域化し位相整合許容度内のピークパワーが増大する。このため、波長変換素子１０３の位相整合許容度を狭帯域化することで波長変換素子１０３に高効率化が図れ、コヒーレント光源の高効率化が可能となる。位相整合波長の許容度としては、少なくとも１ｎｍ以下が好ましい。さらに好ましくは０．２ｎｍ以下が望ましい。０．２ｎｍ以下にすることで、高効率の波長変換が可能となる。また、発振する高調波１０４のスペクトルが狭帯域化することで光のコヒーレンスが良くなるという利点も有する。１ｎｍ以上になると、変換効率の低下が顕著になる。このためには、擬似位相整合型の波長変換素子１０３としては、素子長５ｍｍ以上が必要となる。望ましくは１０ｍｍ以上の素子長で、狭帯域特性と高効率特性を実現することがより好ましい。

また、波長変換素子１０３の高調波１０４の変換効率は高効率特性が必要となる。前述したように、基本波を高調波１０４に変換し、さらに基本波に逆変換した光をレーザ媒質１０１に帰還することで、レーザ媒質１０１の発振波長を固定する。このためには、高効率の波長変換素子１０３が必要となる。変換効率が低い素子では十分な光フィードバックが得られないため、安定した出力が得られない。変換効率としては１０％以上が必要となる。１０％以上の変換効率でも帰還する光は０．１％以下となる。このため、高効率の波長変換が必要である。また、波長λの基本波を波長λ／２の高調波１０４に変換する波長変換素子１０３を用いて、その逆変換により高調波１０４を基本波に変換する場合、パラメトリック効果を利用した波長変換を行う。パラメトリック変換の場合λ／２の光をλ＋Δλとλ―Δλのアイドラー光とシグナル光に変換する。λをλ／２の第２高調波に変換する波長変換素子１０３を用いて、λ／２の光をλの光に変換する場合のパラメトリック変換のアイドラー光、シグナル光は縮退しており、位相整合条件が成立する波長範囲が非常に広くなる。このため、パラメトリック変換により発生する第２の基本波１０６は広い波長スペクトルを有し、かつ非常に低い変換効率となる。しかしながら、本発明の構成で、従来と異なるのは同じ光軸において第１の基本波１０２が存在する点である。進行方向で第１の基本波１０２（波長λ）の光を高調波１０４（波長λ／２）に変換し、後進行方向で高調波１０４（波長λ／２）の光を第２の基本波１０６（波長λ）に変換する。２つの変換は同軸で行われ、同軸方向に第１の基本波λが高いパワー密度で存在する状態で後進方向の第２の基本波１０６を発生させる。このため第１の基本波１０２の微量な反射と高調波１０４の相互作用で効率よくパラメトリック変換が行われ、第２の基本波１０６を効率よく発生することが可能となる。さらに、周期的な分極反転構造を用いた波長変換素子１０３を用いるとさらに高効率化が可能となる。分極反転周期においては、高い非線形光学定数が利用できることと、分極の境界部分に僅かな屈折率差が存在するため、基本波の微少な反射が存在し、より高効率な第２の基本波１０６の発生が可能となる。

高効率変換と狭帯域の位相整合特性が実現可能な波長変換素子としては、周期的な分極反転構造を利用した擬似位相整合型の波長変換素子がある。擬似位相整合型の波長変換素子はウォークオフが無いため、素子長の増大による高効率化が可能であり、素子長の増大により波長許容度を狭帯域化できる。また高い非線形定数を有するＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＫＴｉＯＰＯ_４材料、ＭｇをドープＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３材料、ストイキオメトリック構造のこれらの材料が利用できるため、高効率変換が可能である。本構成においては、擬似位相整合型の波長変換素子が好ましい。

波長選択ミラー１０５とレーザ媒質１０１の出射端は共にレンズの集光点となっており、共焦点関係にある。このため、波長変換素子１０３により再変換された基本波は高効率でレーザ媒質へ帰還する。レーザ媒質１０１への帰還が高効率で行われることで、レーザ媒質１０１の発振波長を波長変換素子１０３の変換波長に効率よく固定することが可能となる。

本発明の構成として、バルク型の波長変換素子１０３を用いているが、バルク型の波長変換素子１０３の変換効率は、基本波のビーム品質に依存する。ビーム品質はＭ^２表されるが、Ｍ^２が１の場合に理想的なガウシアンビームである。Ｍ^２が増大すると共にビーム品質が劣化し、ビームを集光光学系で集光したときに良好な集光特性が得られなくなるため、波長変換素子１０３の変換効率が劣化する。高効率の波長変換を得るためにはＭ^２＜２が望ましい。Ｍ２が２以上になると波長変換素子１０３の変換効率は半分以下になる。高効率化にはＭ^２＜２のビーム品質が必要であり、そのためには、レーザ媒質１０１が重要となる。レーザ媒質１０１としてはドープファイバーを用いれば、高出力化と高いビーム品質が実現できる。その他のレーザ媒質１０１としては、半導体アンプがある。半導体アンプは半導体レーザ媒質の端面反射率を０に近くして光アンプとして利用するものである。半導体アンプを用いる場合はＭ２を低減するために横モードをシングルモードに近い状態で発振させる必要がある。

（実施の形態４）
本発明のもう一つのポイントは、ファイバーレーザを利用する点にある。

波長変換素子の変換効率は基本波の入射パワーに比例する。一般的に非線形効果を利用した波長変換素子の変換効率はＷ以下の基本波に対しては、低い変換効率しか得られない。このため、高効率の波長変換を必要とする本発明の構成においては、高出力のレーザ媒質が必要となる。さらに、波長変換素子の高効率化には、レーザ光源のビーム品質が重要となる。回折限界に近い集光が可能なビーム品質の光源により高効率変換が可能となる。これらの特性を満足するレーザ媒質として、ドープファイバーによるファイバーレーザがある。ファイバーレーザは横モードシングルであるＭ^２が１に近い理想的なビーム品質を実現できる。さらに高出力化として数１００Ｗの出力が得られている。さらに利得波長領域も数１０ｎｍある。最近、高出力のファイバーレーザとして注目されているのがＹｂドープのファイバーである。Ｙｂドープファイバーは、吸収波長域が広く、ポンプ光源の波長変動に対しても安定した出力が得られる。さらに、出力利得が得られる波長域が広いため、外部フィードバックにより広い波長域に渡る波長出力が可能である。本発明の構成ではレーザ媒質の発振波長を波長変換素子の変換波長に自動的にチューニングすることを目的としているため、外部温度の変化や個体ばらつきにより波長変換素子の位相整合波長が変化または、ばらついた場合でも、位相整合波長を十分カバーできる利得波長域を有するレーザ媒質が必要となる。この問題に対してＹｂドープのファイバーは適している。高出力化が可能な理由として、ファイバー構造によるものも大きい。高出力化が容易なファイバーレーザの構成としては、クラッド励起のファイバー構成がある、ファイバーの励起光をファイバークラッドを導入することで、マルチストライプレーザとの結合を容易にする。Ｙｂがドープされているのはファイバーのコア部分で、クラッド部で励起光を吸収してレーザ発振する。クラッドファイバーを利用することで励起光との高効率結合が可能となる。さらにコア部分の断面積を大きくするために、フォトニック構造が利用されている。エアクラッド構造をとることで、強い閉じ込めを実現できる。波長変換素子の高効率化には、ファイバーに偏光特性を持たせる必要がある。通常の波長変換素子は非線形光学結晶を利用するため、変換効率は結晶軸依存性をもち、単一偏光の光に対して高効率変換が得られる。単一偏光にするには、ファイバーに偏光依存性を持たせる必要がある。ファイバー内で偏光方向が変化すると、波長変換素子の変換効率が変化し出力が不安定になるからである。偏波保存ファイバーを用いて単一偏光にすることで、波長変換素子の出力安定化が図れる。さらに、本発明の構成に偏波保存ファイバーを用いることで高効率化が図れる。偏波保存ファイバーは、偏光方向が２つ存在するため、レーザ媒質にした場合には２つの偏光方向がそれぞれ発振する。波長変換素子は単一偏光のみ波長変換可能なので、他の偏光の光は変換できず、変換効率が低下する。そこで、偏波保持ファイバーの一方の偏光軸と波長変換素子の波長変換が可能な偏光軸が一致するように固定する。波長変換素子により変換された基本波は再変換された後、同じ偏光方向でファイバーに入射する。ファイバーでは帰還のある光のパワー密度が増大するので、帰還した偏光の光が選択的に励振される。結果的に、高効率変換が可能な偏光軸の光が選択的に励振されるようになる。本発明の構成を用いれば、レーザ媒質の波長および偏光方向を波長変換素子が高効率変換できる状態に自動的に調整することが可能となる。

なお、ファイバーにドープする金属としては、Ｙｂ、Ｐｒ、Ｃｒ、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｔｉ、Ｖ、Ｈｏイオン、またはこれらの混合がよい。特にＹｂと混合することで吸収波長領域が拡大できるためポンプ光の波長許容度がひろがり安定した励起が可能となる。さらに、Ｔｉ、ＣｒイオンまたはＹｂとの混合イオンをドープすることで９００ｎｍ前後での発振が可能となる。９００ｎｍ程度の光を波長変換することで青色光発生が可能となるためさらに有効である。

（実施の形態５）
上記構成において、実施の形態１、２の構成で波長変換素子の位相整合条件にレーザ媒質の発振波長を自動的に固定する方法について説明した。ここでは、高調波を効率よく取り出す方法について述べる。図３の構成でも高調波１０４を取り出すことは、可能である。図３において、波長選択ミラー１０５における高調波１０４の反射率を１００％以下にすると、波長選択ミラー１０５を透過した高調波１０４を外部に取り出せる。また、ファイバーに入射した高調波１０４をレーザ媒質１０１の反対側の端面より取り出すことも可能である。この場合、ファイバーの端面に基本波を反射し、高調波１０４を透過する誘電体多層膜を形成する必要がある。

その他の取り出し方法として、図４に示す構成を提案する。図４においては、レーザ媒質１０１から出た第１の基本波１０２をレンズ系によって波長変換素子１０３に集光するが、この集光光学系に第２の波長選択ミラー１０７を挿入する。第２の波長選択ミラー１０７は基本波を透過し、高調波１０４を反射するように設計する。その他の構成は図３の構成と同じである。波長変換素子１０３により再変換された第２の基本波１０６と高調波１０４は、波長選択ミラー１０７で分離され、高調波１０４は効率よく外部に取り出される。

図５は、波長分離フィルターの代わりに、偏光分離プリズム１０８とλ／２板１０９を用いた構成である。レーザ媒質１０１から出た光は、偏光プリズム１０８でＰ偏光とＳ偏光に分離され、Ｓ偏光のみプリズム１０８を透過する。λ／２板１０９を通った基本波はＰ偏光になり、波長変換素子１０３（Ｐ偏光の光を変換するように設定）によりその一部がＰ偏光の高調波１０４に変換される。波長選択ミラー１０５によって反射された高調波１０４は波長変換素子１０３により第２の基本波１０６に変換される。ここでは、第２の基本波１０６、高調波１０４はＰ偏光である。２つの光がλ／２板１０９を透過すると基本波はＳ偏光に、高調波１０４は波長が基本波の半分なので、Ｐ偏光に変換される。このため、偏光プリズム１０８によって、高調波１０４は反射されて外部に取り出され、基本波は偏光プリズム１０８を透過してレーザ媒質１０１に入射する。偏光を利用することで、光の透過ロスを低減できる。また、レーザ媒質１０１への再入射する基本波の偏光の分離比を高めることができるため、より効率の高い変換が可能となる。

次に、本発明の構成における波長変換素子の変換効率と、取り出し出力の関係について述べる。最初に図３の構成において高調波出力を安定に取り出す条件について図７を用いて説明する。図３の構成において高調波を取り出す方法としては、２通りある。第１の方法は、図７（ａ）に示すように、波長選択ミラー１０５において、高調波１０４の透過率を上げることで、発生した高調波１０４を取り出せる。第２の方法は、レーザ媒質１０１の出射面と反対側の端面において、高調波１０４の反射率を下げることで取り出すことができる。この場合は、波長選択ミラー１０５の高調波１０４の反射率は１００％近い特性が望ましい。ここでは、第１の方法について詳しく説明する。図７（ａ）は図３と同じ構成であり、ＳＨＧおよび基本波の流れを示している。レーザ媒質１０１から出力した第１の基本波１０２はＰ１のパワーを有する。Ｐ１は波長変換素子１０３によりパワーＳＨＧ１の高調波１０４に変換される。波長変換素子１０３の変換効率はＳＨＧ１／Ｐ１である。波長選択ミラー１０５は基本波をほぼ１００％透過、高調波１０４を特定の反射率で反射する。波長選択ミラー１０５を透過した高調波１０４は外部に取り出され、パワーＳＨＧ２を有する。反射された高調波１０４は波長変換素子１０３により第２の基本波１０６に変換される。変換された基本波はパワーＰ２をする。ここでは高調波１０４として第２高調波（以下ＳＨＧ）について説明する。波長選択ミラー１０５におけるＳＨＧの透過率を調整すれば、第２高調波を取り出すことができる。この場合、本発明のコヒーレント光源が機能するためには、レーザ媒質１０１に帰還する基本波の効率が重要である。レーザ媒質１０１に帰還する第２の基本波１０６により発振波長が固定されるには、出射した光に対する帰還した光の割合であるフィードバック効率（Ｐ２／Ｐ１）が１％以上なければならない。さらに、安定した出力を得るにはフィードバック効率の値が５％以上必要である。

図７（ａ）の構成において、波長選択ミラー１０５における高調波１０４の反射率に対する、ＳＨＧの変換効率（ＳＨＧ１／Ｐ１）の関係をフィードバック効率（Ｐ２／Ｐ１）が１％、５％に対してそれぞれ計算したのが図７（ｂ）である。反射率が低いほど、ＳＨＧ光の取り出し効率が高くなるが、図７（ｂ）から分かるように、反射率を低くするとＳＨＧ素子に要求される変換効率が大幅に増大する。反射率が１０％以下の反射率ではフィードバックが十分かからなくなる。フィードバックの最低値である１％以上の値を得るには反射率は１０％以上、安定した出力を得る５％のフィードバック効率を得るには２０％以上の反射率が必要となる。実際には、波長変換素子１０３の変換効率は１００％を得るのは難しく、再現性よく、安定な波長変換が行える変換効率としては６０％程度である。このため、最小のフィードバック効率１％を得るためには約２０％以上の反射率が必要であり、安定した出力を得るには約４０％以上の反射率が必要となる。一方、図７（ａ）の構成において取り出せるＳＨＧ出力の効率：出力効率（ＳＨＧ２／Ｐ１）の値は、波長選択フィルターの透過率によって限定される。出力効率を高めるには波長選択ミラー１０５における高調波１０４の透過率をできるだけ高く設定するのが好ましい（反射率は出来るだけ低く）。反射率が８０％以上になると取り出し効率は２０％以下に低下する。従って、波長選択ミラー１０５の高調波１０４の反射率は２０％以上、８０％以下が好ましく、さらに出力安定化を実現するには、４０％以上８０％以下が好ましい。高効率と安定性を両立するには、４０％〜５０％の範囲で使用するのが良い。

図８（ａ）は高調波１０４の反射率が４０％の波長選択ミラー１０５を用いた場合の出力効率（ＳＨＧ２／Ｐ１）、フィードバック効率（Ｐ２／Ｐ１）と変換効率（ＳＨＧ１／Ｐ１）の関係を求めたものである。フィードバック効率としては最低でも１％、安定した出力を得るには５％必要である。５％のフィードバック効率を得るには、変換効率は６０％以上が必要である。このときの出力効率は約３６％である。

図８（ｂ）は、実際の波長変換素子１０３の特性と比較したものである。高効率変換が可能なＭｇドープＬｉＮｂＯ_３を用いた周期分極反転構造により波長変換素子１０３を実現した。位相整合波長１０６０ｎｍ程度であり、ＳＨＧとして５３０ｎｍの緑色光を得る場合、ＳＨＧ素子の変換効率は素子長１０ｍｍの場合で３．５％／Ｗ程度である。この素子を用いた場合の基本波入力とＳＨＧ出力、フィードバック効率の関係を求めたのが図８（ｂ）である。基本波入力が３０Ｗの時、ＳＨＧ出力は約１０Ｗ、フィードバック効率５％が得られる。フィードバック効率を得るためには３０Ｗ以上の基本波で利用する必要がある。さらなるフィードバック効率の向上を実現するには、波長変換素子１０３の高効率化が必要である。波長変換素子１０３の変換効率を向上するには素子長の増大が必要であり、図７（ａ）の構成では素子長を１０ｍｍ以上として利用するのが、望ましい。図７（ｂ）に示したように、この構成においては、高効率の波長変換素子１０３が必要である。高効率化を実現するのは、波長変換素子１０３の変換効率と基本波のパワーである。ＳＨＧの変換効率は基本波パワーに依存するため基本波パワーの増大とともに、変換効率が増大する。素子長をＬ（ｍｍ）、基本波出力をＰ１（Ｗ）としたときに、Ｐ１×Ｌ＞３５０となる条件を満足する必要がある。

次に図４の構成でレーザ媒質１０１に基本波をフィードバックして波長安定化を図る構成について、図９を用いて説明する。図９（ａ）は図２と同じ構成であり、ＳＨＧおよび基本波の流れを示している。レーザ媒質１０１から出力した第１の基本波１０２はＰ１のパワーを有する。Ｐ１は波長変換素子１０３によりパワーＳＨＧ１の高調波１０４に変換される。波長変換素子１０３の変換効率はＳＨＧ１／Ｐ１である。波長選択ミラー１０５は基本波をほぼ１００％透過、高調波１０４を１００％反射する。反射された高調波１０４の一部は波長変換素子１０３により第２の基本波１０６に変換される。変換された基本波はパワーＰ２を有し、変換されなかった高調波１０４（パワーＳＨＧ２）は第２の波長選択ミラー１０７によって外部に出射される。図７の構成と異なる点は、大きなフィードバック効率が得られる点である。比較的低パワーの構成において有効である。しかしながら、出力効率は最適値があり、最大でも３５％程度しか得られない。図９（ｂ）は出力効率、フィードバック効率と変換効率の関係を表したものである。変換効率が５０％程度となるところで、出力効率の最大値３５％が得られる。このときのフィードバック効率は１５％程度であり、安定した出力が得られるのに十分な値である。変換効率の値では３５％以上の変換効率に対してフィードバック効率５％以上が得られる。フィードバック効率５％以上、出力効率３０％を共に満足して、安定した高効率変換を実現するために、変換効率（ＳＨＧ１／Ｐ１）を３５％〜７０％の範囲で利用するのが好ましい。さらに高効率化を実現するためには、４０％〜６０％の変換効率で使用するのがよい。７０％以上の変換効率は、図９（ｂ）から分かるように、変換効率が高すぎてフィードバック効率が高まり、出力効率（ＳＨＧ２／Ｐ１）が低下してしまう。

図９（ｃ）は、実際の波長変換素子１０３の特性と比較したものである。高効率変換が可能なＭｇドープＬｉＮｂＯ_３を用いた周期分極反転構造により波長変換素子１０３を実現した。位相整合波長１０６０ｎｍ程度であり、ＳＨＧとして５３０ｎｍの緑色光を得る場合、ＳＨＧ素子の変換効率は素子長１０ｍｍの場合で３．５％／Ｗ程度である。この素子を用いた場合の基本波入力とＳＨＧ出力、フィードバック効率の関係を求めたのが図９（ｃ）である。基本波のパワーＰ１が２５Ｗ近傍で最大の出力効率３５％程度が得られている。Ｐ１＞１３Ｗで５％以上のフィードバック効率が得られた。波長変換素子１０３の変換効率は素子長に比例するため、素子長をＬ（ｍｍ）、基本波パワーをＰ１（Ｗ）とすると、５％以上のフィードバック効率が得られる値としては、Ｌ×Ｐ１＞１３０を満足する必要がある。また３０％以上の出力効率と５％以上のフィードバック効率を実現し、安定した高効率特性を実現するためには、１３０＜Ｌ×Ｐ１＜４００の条件を満足する必要がある。

次に高出力特性を実現する場合について図１０を用いて説明する。図９で説明したように、出力効率が最大となるのは、変換効率が５０％程度のときである。変換効率が高すぎると出力効率は低下する。出力効率が最大（３５％程度）となる場合の素子長とＳＨＧ出力の関係を求めたのが図８である。素子の規格化変換効率は３．５％／Ｗ・ｃｍであり、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３周期状分極反転を用いた。図から分かるように、高出力特性を高効率で実現するには、素子長Ｌを限定する必要がある。５Ｗ以上の出力を得るには、素子長を１５ｍｍ以下にするのが好ましい。素子長を短くすることで、変換効率が５０％となる基本波パワーを増大させ、高出力化が図れる。高出力化には素子長を短くして変換効率を低下するのが有効である。

なお、上記式で用いた、Ｌの値は素子の規格化変換効率が３．５％／Ｗの場合である。素子特性が理想的な周期構造からずれていた場合や、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３以外の材料、例えばＬｉＴａＯ_３、ＫＴｉＯＰＯ_４、を用いた場合は異なってくる。用いた素子の規格化変換効率η（％／Ｗ・ｃｍ）に対してＬ＝素子長＊η／３．５の値を用いればいよい。ただし、実際の設計において、素子特性の劣化や、光学系の損失、素子内部の吸収散乱損失、アライメントのミスマッチ、光学系の設計等によりこれらの値は異なることがある。

なお、高調波は第２高調波に限らず、第３高調波、第４高調波、和周波等でも同様の構成で、安定出力が取り出せる。

なお、図９の構成で基本波のフィードバック効率を上げることで、レーザ媒質内での基本波のパワーを増大させることができるため、さらに高効率な波長変換が可能となる。そのためには、フィードバック効率を１０％以上にするのがよい。

なお、今回、説明した波長変換素子の変換効率はバルク型の波長変換素子であり、集光光学系を変換効率が最適になるように設計した場合である。具体的には、波長変換素子長をＬ、レーザ光の波長をλ、波長変換素子の屈折率を、素子内の集光スポットの半径をω０とした場合に、Ｌ＝２．８４×（２π＊ｎ＊ω０^２／λ）の関係を満足するように、レンズ系を設計している。素子の変換効率は、レンズのＮＡを変える、レンズの収差、レーザ光の波面精度の劣化、等で低下するので、その場合は、補正が必要となる。補正はその系で得られた波長変換素子の規格化変換効率ηを用いて、前述したように、Ｌ＝素子長＊η／３．５の関係を満足するように、素子長を増大させればよい。

さらに波長変換素子としては、シングルパスでの高効率変換が可能で、かつ基本波と高調波の波面が一致するノンクリティカルな条件での位相整合をとる必要がある。そのためには周期分極反転構造を利用した擬似位相整合素子が好ましい。擬似位相整合型の波長変換素子の中でも、高効率化が可能なのものとしては、ＬｉＮｂＯ_３、ＫＴｉＯＰＯ_４、ＬｉＴａＯ_３が好ましい。なかでもＭｇをドープしたＬｉＮｂＯ_３は、高い非線形定数と高出力耐性に優れ、１０Ｗの基本波に対して２０〜３０％の変換効率が得られるため、本発明の構成には非常に有効である。その他の非線形材料を用いた波長変換素子では数１００Ｗ以上の基本波を必要とし、非常に大型の大出力光源の応用に限られる。また、高効率変換が可能であるという観点より高調波としては第２高調波が望ましい。第３高調波は変換効率が低いため、非常に高出力のレーザ媒質が必要となる。

一方、レーザ媒質であるドープファイバーに帰還した第２の基本波でレーザ媒質の発振波長を固定するには、ファイバーの入射側の端面で基本波を反射させて、レーザ共振器を構成する必要がある。図６（ａ）に示すように、入射側の端面に誘電体反射膜４０２を形成して基本波を反射することで、レーザの発振効率を高め、波長変換素子の変換波長にレーザの発振波長を合わせることが可能となる。反射としては、図６（ｂ）に示すように周期的なグレーティング構造によるブラッググレーティング４０３を用いることも可能である。ブラッググレーティングとしては、波長変換素子の位相整合波長の変動を考慮して数ｎｍ程度の広い波長で反射するように設計するのが好ましい。また図６（ｃ）に示したように、ファイバーカップルによって複数のファイバーをドープファイバーにカップリングさせて、高出力の励起光を利用することで、高出力化が可能である。

ファイバーのドープ材料としてはＹｂが好ましい。Ｙｂドープファイバーは広い吸収波長域と、広い発振波長域を有しており、安定した出力特性が得られる。その他、Ｎｄ、Ｅｒ、Ｃｒ、Ｔｉイオンやこれらの混合ドープも有効である。

なお、本実施の形態では、連続光（ＣＷ）の発生について説明したが、ＣＷ光の代わりにパルス光を利用することもできる。連続パルスを用いれば平均パワーに対してパルスのピークパワーを上げることが可能となるため、波長変換素子の変換効率を大幅に向上させることができる。ただし、連続パルス光を用いる場合は、レーザ媒質に入射する第２の基本波と、レーザ媒質から出力する第１の基本波の伝搬が一致するモードロック条件にレーザ媒質の共振器長を調整する必要がある。

（実施の形態６）
ここでは、フィードバックによりレーザ媒質の発振波長を固定するフィードバックの初期条件について説明する。

本発明の構成によりレーザ媒質を波長変換素子の位相整合条件に固定できる。しかしながら、レーザ媒質の発振波長が波長変換素子の位相整合波長に固定される、初期状態において十分な光帰還を得られない場合がある。初期状態においてレーザ媒質の発振波長を固定するフィードバックがかからないと、レーザ媒質が波長変換素子の位相整合波長に固定されないため、高出力な波長変換が実現しない。レーザ媒質の初期状態においては、その発振波長がフィードバックによる限定を受けないため、広いスペクトル領域に分布している。このため、波長変換素子の位相整合波長領域に存在するレーザ光は非常に微弱であり変換される高調波は非常に弱くなるため、十分なフィードバック効率が得られない。また、レーザ媒質の発振利得の波長域が広いほど変換される光は小さくなる。このような初期状態では、フィードバック効率が得られず、フィードバックが十分かかる安定状態に達しない。初期状態でフィードバックが僅かでもかかるとレーザ媒質の発振が固定され、さらに帰還する光の強度が増加し、強いフィードバックがかかる正のフィードバック帰還が実現する。しかし、初期状態で僅かでもフィードバックがかかる状態を実現するための、フィードバック効率が得られない可能性がある。この問題を解決するには、初期のフィードバック効率を高める必要がある。

一つの方法は、レーザ媒質を位相整合波長近傍で発振波長領域狭帯域化し、初期状態でのパワー密度を上げて、フィードバック効率を向上させる方法である。レーザ媒質にブラッググレーティング等を形成し、レーザ発振の発振波長を数ｎｍ以下に限定することで、レーザスペクトルの広がりを限定して、初期のフィードバック条件を実現できる。波長変換素子の位相整合波長の温度特性は０．１ｎｍ／℃程度なので、±１０℃の温度範囲での位相整合条件を満足するには２ｎｍ程度のレーザの利得波長領域を得られれば十分カバーできる。ファイバーレーザの場合、利得波長領域は４０〜５０ｎｍ程度存在する、図４に示すように、ファイバーグレーティングを付加することでレーザの発振波長領域を制御できる。２ｎｍ程度の利得領域はグレーティング構造を調整することで容易に実現できる。さらにグレーティングファイバーの材質を調整することでその温度特性を調整できる。波長変換素子の温度特性と整合させることで外部の温度変化が発生した場合でも位相整合波長とレーザ媒質の利得波長領域を一致させることが可能となる。その結果、２ｎｍ以上の発振利得波長領域があれば、±２０℃程度の温度変化に対しても安定した出力が得られるため、温調フリーでも安定した出力が得られる。ファイバーグレーティングの反射波長領域を２ｎｍ程度に限定することで発振波長領域を２ｎｍ程度に限定し、フィードバックの初期状態を実現するフィードバック強度を実現できる。この場合、波長変換素子の位相整合波長領域をλ（ＳＨＧ）、ブラッグ反射器の反射波長領域をλ（ＢＲ）とするとλ（ＳＨＧ）＜λ（ＢＲ）の関係を満足する必要がある。

レーザ媒質の初期状態におけるフィードバック効率を向上させる他の方法として、図１１に示す外部からのフィードバック方法を提案する。図１１の構成は、図３の構成に波長選択機構を取り付けた構成である。

波長選択ミラー１０５を透過した第１の基本波１０２は狭帯域フィルター７０１を透過した後ミラー７０２で反射され、狭帯域フィルター７０１を透過し、レーザ媒質１０１に帰還する。狭帯域フィルター７０１の透過波長を波長変換素子１０３の位相整合波長に調整することで、レーザ媒質１０１の発振波長を波長変換素子１０３の位相整合波長に固定することができる。これによって、波長変換素子１０３の変換効率が高まり、初期状態のフィードバック効率が満足されれば、フィードバック光の強度がさらに強くなる正のフィードバック帰還がかかり、レーザ媒質１０１の発振波長が波長変換素子１０３に位相整合波長に固定できる。

波長変換素子１０３による変換光によるフードバックが十分レーザ媒質１０１に帰還していない初期状態では、波長変換素子１０３により波長変換される高調波１０４は非常に小さい、そのため、レーザ媒質１０１から出射される第１の基本波１０２はほとんど波長選択ミラー１０５を透過する。この様な状態では、レーザ媒質１０１への帰還光が微弱なためフィードバックがかからない。これを解決するのが、本構成である。波長選択ミラー１０５を透過した第１の基本波１０２を狭帯域フィルター７０１により波長選択した後、再び、レーザ媒質１０１に帰還することで、狭帯域フィルター７０１の透過波長にレーザ媒質の発振波長を限定できる。狭帯域フィルター７０１の透過波長はフィルターの角度で調整できる。レーザ媒質１０１の発振波長を波長変換素子１０３の位相整合波長に調整することで、波長変換素子１０３の変換効率が向上し、高調波出力が増大するため、フィードバックの初期条件が満足され、レーザ媒質１０１の発振波長が波長変換素子１０３の位相整合波長に固定され、さらに、レーザの発振状態が波長変換素子１０３の位相整合条件に整合するフィードバックがかかる。フィードバック効率が高くなれば、より強い波長変換が行われ、フィードバック光の強度が増大する正のフィードバックがかかるため、安定したフィードバック状態となり、出力が安定する。フィードバックがかかった後、波長選択機構は必要なくなるため、波長選択機構からの光の帰還を除去することも可能である。波長選択機構からの帰還が無くなれば、レーザ媒質１０１の発振は波長変換素子１０３のみにより限定されるため、波長変換素子１０３の位相整合状態が安定する。

なお、本実施の形態では狭帯域フィルター７０１を用いて説明したが、その他、グレーティングや、ブラッググレーティングを用いた狭帯域な反射ミラー、ホログラムを利用したノッチフィルターも同様に利用できる。反射型の狭帯域な波長選択ミラーを用いて、選択した光をレーザ媒質に帰還することで、レーザの発振波長領域を限定しレーザ発振の初期条件を満足することができる。この場合は反射型フィルターの反射波長領域Δλ（ＢＲ）の条件としては、透過型フィルターと同様であり、波長変換素子の位相整合波長許容度Δλ（ＳＨＧ）に対して、Δλ（ＢＲ）＞Δλ（ＳＨＧ）の関係を満足する必要がある。波長変換素子の許容度より広い波長領域でレーザ発振波長を限定することで、温度変化等による位相整合波長の変動に対しても安定した波長変換が可能となり出力が安定化する。

なお、本実施の形態では図３の構成を用いて、波長選択機構の働きを説明したが、図１、図４、図５で示した、本発明の他の構成においても同様に利用できる。波長選択機構は、レーザ媒質の発振を波長変換素子の位相整合条件に一致させるフィードバックを実現するための、初期条件を満足するためのトリガーの役割を果たす。

（実施の形態７）
ここでは、共振器構造を利用した構成について図１２を用いて説明する。レーザ媒質２０１から出射された第１の基本波２０２はレンズ２１０によって集光される。波長変換素子２０３の端面には反射多層膜２１１が堆積されている反射多層膜２１１は基本波の透過率がほぼ１００％で、高調波２０４の反射率がほぼ１００％である。波長選択ミラー２０５は基本波の反射率を０．０１％〜１０％程度に、高調波２０４の反射率が９０％以上に設計している。第１の基本波２０２は波長変換素子２０３に入射すると高調波２０４に変換される。波長変換素子は２０３反射多層膜２１１と波長選択ミラー２０５に挟まれており、高調波２０４に対して共振構造をとっているため、高調波２０４のパワー密度は共振器内で増大する。非線形材料にロスが内場合、９０％の反射ミラーを用いれば、内部パワーは１０倍に、９９％の反射ミラーを用いれば、内部パワーは１００倍に増大する。高調波２０４の一部は波長選択ミラー２０５を透過して外部に取り出される。共振器構造内でλ／２のパワー密度が増大した状態で、波長選択ミラー２０５で僅かに反射した第１の基本波２０２が存在すると高調波２０４との差周波発生により波長λの第２の基本波２０６が発生する。第２の基本波２０６は反射多層膜２１１を透過してレーザ媒質２０１に帰還する。これによってレーザ発振の波長を第２の基本波の波長に固定することが可能となる。共振器構造内での高調波のパワー密度が最大となるとき第２の基本波のパワーも最大となる。このため、レーザ媒質２０１の発振波長が波長変換素子２０３の変換波長に固定される。共振器構造を利用することで、第２の基本波２０２を効率よく発生することが可能となり、安定した出力が得られた。

図１３に示した構成でも共振器構造を利用した構成が実現できる。図１３において、レーザ媒質３０１から出た第１の基本波３０２は波長変換素子３０３の端面に集光される。波長変換素子３０３には反射多層膜３０８が堆積されている。また反射多層膜３０８と波長選択ミラー３０５は、波長変換素子３０３を内部にもつ共振器構造となっている。反射多層膜３０８は基本波の透過率がほぼ１００％、高調波３０４の反射率は９０％以上に設計している。波長選択ミラー３０５は基本波の透過率が０．０１％〜１０％程度、高調波３０４の反射率がほぼ１００％になっている。第１の基本波３０２の一部は波長変換素子３０３により高調波３０４に変換される。共振器構造により高調波３０４が共振状態になっており、共振器構造内で高調波３０４は高いパワー密度となっている。基本波は波長選択ミラー３０５で僅かに反射される。反射された基本波と共振器内の高調波３０４による差周波発生で、波長λの第２の基本波が３０６発生する。第２の基本波３０６は第２の波長選択ミラー３０７を透過してレーザ媒質３０１に帰還し、レーザ媒質３０１の発振波長を固定する。反射多層膜３０８は高調波３０４を僅かに透過するため、透過した高調波３０４は第２の波長選択ミラー３０７によって反射されて外部に取り出される。共振器構造により高効率で第２の基本波３０６を発生することが可能となり、安定した高調波出力が得られた。

また、第２の基本波３０６を効率よくレーザ媒質３０１に機関するには、波長変換素子３０３を内部にもつ共振器構造としては、図１２に示したように、入射部を平面、出射部を曲面ミラーの非対称な共振器構成が望ましい。レーザ媒質２０１からの第１の基本波２０２をレンズ２１０によって集光し、反射多層膜２１１面に集光すれば、レーザ媒質２０１と共振器の入射面が共焦点構造となる。このため、発生する第２の基本２０６を効率よくレーザ媒質２０１に入射することが可能となった。

（実施の形態８）
ここでは、本発明のコヒーレント光源を用いた光学装置としてレーザディスプレイについて説明する。ＲＧＢレーザを用いれば、色再現性の高いディスプレイが実現できる。しかしながら、レーザ光源としては、赤色半導体レーザは高出力のものが開発されているが、青色に関しては高出力化が実現しておらず。緑色に関しては半導体レーザの形成が難しい。そこで波長変換を利用した緑および青色光源が必要となる。本発明のコヒーレント光源は外部の温度変化に影響されず安定した出力が得られるため、波長変換素子と組み合わせて高出力の青、緑色光が実現できる。青色出力としては９００ｎｍ近傍の半導体レーザまたはファイバーレーザを波長変換して、４５０ｎｍ近傍の青色光を、緑色光としては１０６０〜１１００ｎｍの半導体レーザまたはファイバーレーザを波長変換して５３０〜５５０ｎｍの緑色光を実現できる。図１４においては、これらの光源を一体化し、２次元スイッチである液晶パネルにより画像変換して、スクリーン上に映像を投影するレーザディスプレイである。コヒーレント光源８０１から出射された光はコリメート光学系８０２、インテグレータ光学系８０３を通って、拡散板８０４を通過した後、液晶パネル８０５により画像変換され、投影レンズ８０７によりスクリーン８０６に投影される。拡散板は揺動機構により位置変動しており、スクリーン８０６上で発生するスペックルノイズを低減している。本発明のコヒーレント光源８０１は外部の温度変化に対しても安定した出力が得られるため、高出力で安定な映像が実現できた。また、高いビーム品質のため、光学系の設計を容易にし、小型化、簡素化が可能となった。

なお、２次元スイッチとしては、液晶パネル以外にも、反射型液晶スイッチ、ＤＭＤミラー等の利用も可能である。

レーザディスプレイ装置としては図１５に示す方式も有効である。レーザ光９０４はミラー９０２、９０３で走査することによりスクリーン９０５上に２次元的な画像を描く。この場合にはレーザ光源に高速なスイッチ機能が必要である。本発明のコヒーレント光源は、高出力化が可能であり、出力安定化に優れる。温度制御素子なし、または簡易な温度制御によって、安定した出力が得られる。またビーム品質が高いため、走査光学系の小型化、簡素化が可能である。またビーム走査光学系としてはＭＥＭＳを利用した小型走査装置も利用できる。高いビーム品質は集光特性、コリメート特性に優れ、ＭＥＭＳ等の小型ミラーも利用可能となる。これによって、走査型のレーザディスプレイが実現できた。

また、光学装置としては、レーザディスプレイについて説明したが、その他、光ディスク装置や、計測装置にも有効である。光ディスク装置では、書き込み速度の高速化によりレーザ出力の向上が求められている。さらに、レーザ光９０４には回折限界の集光特性が求められるため、シングルモード化は必須である。本発明の光源は高出力かつ、高いコヒーレンスを有するため、光ディスク等への応用にも有効である。

以上述べたように、本発明のコヒーレント光源は、広い発振利得波長を有するレーザ媒質と波長変換素子を用い、波長変換素子により変換した高調波を、再度基本波に変換して、レーザ媒質内に帰還することで、波長変換素子の変換波長にレーザ媒質の発振波長を固定することができる。これによって、レーザ媒質の発振波長が自動的に波長変換素子の最適な変換状態に調整できるため、外部の変動に強い安定した高調波出力が得られるため、その実用効果は大きい。

また、ファイバーレーザを用いた構成により高出力、高安定特性を実現できる。高いビーム品質の短波長光源が実現できるため、集光特性に優れ、コヒーレンスが高く、回折限界までの集光が可能となり、光ディスクやレーザ加工、光の回折を利用した計測装置、またシングルモード導波路を利用した各種光デバイスへの応用が可能となる。さらに、本発明の高出力レーザを波長変換素子と共に用いると、高出力特性を利用した高効率、高出力の短波長光源が実現できるため、その実用効果は大きい。

さらに、このコヒーレント光源を用いれば、高出力の小型ＲＧＢ光源が実現できるためレーザディスプレイをはじめ、光ディスク装置等各種の光学装置への応用が可能となり、その実用効果は大きい。

本発明の実施形態に係るコヒーレント光源の構成図の一例を示す図本発明の実施形態に係る他のコヒーレント光源の構成図の一例を示す図本発明の実施形態に係る他のコヒーレント光源の構成図の一例を示す図本発明の実施形態に係る他のコヒーレント光源の構成図の一例を示す図本発明の実施形態に係る他のコヒーレント光源の構成図の一例を示す図本発明の実施形態に係る他のコヒーレント光源に用いるレーザ媒質の一例を示す図（ａ）本発明のコヒーレント光源の構成図（ｂ）本発明のコヒーレント光源の特性要因図本発明のコヒーレント光源の特性要因図（ａ）本発明のコヒーレント光源の構成図（ｂ）、（ｃ）本発明のコヒーレント光源の特性要因図本発明のコヒーレント光源の特性要因図本発明の実施形態に係る他のコヒーレント光源の構成図の一例を示す図本発明の実施形態に係る他のコヒーレント光源の構成図の一例を示す図本発明の実施形態に係る他のコヒーレント光源の構成図の一例を示す図本発明の実施形態に係る光学装置の構成図の一例を示す図本発明の実施形態に係る光学装置の構成図の他の一例を示す図従来のコヒーレント光源の構成図を示す図

符号の説明

１レーザ媒質
２基本波
３波長変換素子
４高調波
５波長選択ミラー
６レンズ
７レンズ
２１反射体
２２第２の基本波
９１レンズ
９２レンズ
１０１レーザ媒質
１０２第１の基本波
１０３波長変換素子
１０４高調波
１０５波長選択ミラー
１０６第２の基本波
１０７第２の波長選択ミラー
１０８偏光分離プリズム
１０９ λ／２板
２０１レーザ媒質
２０２第１の基本波
２０３波長変換素子
２０４高調波
２０５波長選択ミラー
２０６第２の基本波
２１０レンズ
２１１反射多層膜
３０１レーザ媒質
３０２第１の基本波
３０３波長変換素子
３０４高調波
３０５波長選択ミラー
３０６第２の基本波
３０７第２の波長選択ミラー
３０８反射多層膜
３０９レンズ
４０１ドープファイバー
４０２誘電体反射膜
４０３ブラッググレーティング
４０４ファイバーカップル
５０１半導体レーザ
５０２集光光学系
５０３波長変換素子
５０４バンドパスフィルター
５０５ダイクロイックミラー
５１０コリメートレンズ
５１１集光レンズ
５１２高調波
５１３ミラー
８０１コヒーレント光源
８０２コリメート光学系
８０３インテグレータ光学系
８０４拡散板
８０５液晶パネル
８０６スクリーン
８０７投影レンズ
９０１コヒーレント光源
９０２ミラー
９０３ミラー
９０４レーザ光
９０５スクリーン

Claims

レーザ媒質と、
波長変換素子と、
反射体と、を備えたコヒーレント光源において、
前記レーザ媒質から出射された基本波は前記波長変換素子により一部高調波に変換され、
前記波長変換素子を通過した基本波は、前記反射体に反射された後、
前記レーザ媒質に入射し、
前記基本波により前記レーザ媒質の発振波長が固定されているコヒーレント光源。
前記波長変換素子における変換効率の波長依存性が、最大値近傍で２つ以上のピークを有しており、前記レーザ媒質の発振波長が、いずれかのピーク間の波長に固定されている請求項１記載のコヒーレント光源。
前記反射体が、非線形光学結晶からなり、
前記反射体に入射した前記基本波と、前記高調波の和周波により、前記基本波と同じ波長で、かつ前記基本波と進行方向が逆の第２の基本波を発生し、
前記第２の基本波が前記レーザ媒質に入射している請求項１記載のコヒーレント光源。
前記波長変換素子が周期状の分極反転構造を有し、前記分極反転構造が前記基本波の伝搬方向に渡って少なくとも一部の周期構造が変調されている請求項２または３記載のコヒーレント光源。
前記波長変換素子が２つ以上のバルク結晶から構成されている請求項２または３記載のコヒーレント光源。
レーザ媒質と、
波長変換素子と、
波長選択ミラーと、を備えたコヒーレント光源において、
前記レーザ媒質から出射された基本波は前記波長変換素子により高調波に変換され、
前記高調波は反射体により反射された後、前記波長変換素子に再度入射することによって再び基本波に変換され、
前記変換された基本波が、前記レーザ媒質に入射しているコヒーレント光源。
レーザ媒質と、
波長変換素子と、
波長選択ミラーと、を備えたコヒーレント光源において、
前記レーザ媒質から出射した第１の基本波は前記波長変換素子に入射し、
前記第１の基本波の一部が前記波長変換素子により高調波に波長変換され、
前記波長変換素子から出射された第１の基本波と高調波は前記波長選択ミラーにより分離された後、前記高調波のみが前記波長変換素子に再度入射し、
前記高調波の一部は、前記波長変換素子により第２の基本波に変換された後、前記レーザ媒質に入射し、
前記レーザ媒質の発振波長が、入射した第２の基本波の波長に固定されているコヒーレント光源。
レーザ媒質と、
波長変換素子と、
共振器と、を備えたコヒーレント光源において、
前記波長変換素子を前記共振器内に設置し、
前記レーザ媒質からの第１の基本波の一部は前記波長変換素子により高調波に変換され、
前記共振器は、前記高調波に対して共振条件を満足し、
前記共振器内で、前記第１の基本波と前記高調波の差周波発生により第２の基本波が発生し、前記第２の基本波が前記レーザ媒質に入射し、
前記レーザ媒質の発振波長が、入射した第２の基本波の波長に固定されているコヒーレント光源。
さらに集光光学系を備え、
前記レーザ媒質の出射端面と前記波長選択ミラーが共焦点関係になっている請求項７記載のコヒーレント光源。
さらに第２の波長選択ミラーを備え、
前記第２の波長選択ミラーは前記レーザ媒質と前記波長変換素子の間に設置され、
前記波長変換素子から出射した高調波と第２の基本波は前記第２の波長選択ミラーにより分離された後、前記第２の基本波が選択的に前記レーザ媒質に再入射している請求項７記載のコヒーレント光源。
さらに偏光分離プリズムと基本波波長に対するλ／２板を備え、
前記レーザ媒質から出射した第１の基本波は、前記偏光分離プリズムを通った後、前記λ／２板を通過し、その後前記波長変換素子に入射し、
前記第１の基本波の一部が前記波長変換素子により高調波に波長変換され、
前記波長変換素子から出射された第１の基本波と高調波は前記波長選択ミラーにより分離された後、前記高調波のみが前記波長変換素子に再度入射し、
前記高調波の一部は、前記波長変換素子により第２の基本波に変換され、
前記第２の基本波と高調波は前記λ／２を通った後、前記偏光分離プリズムにより基本波と高調波に分離され、
前記基本波は、前記レーザ媒質に再度入射し、
前記レーザ媒質の発振波長が、入射した第２の基本波の波長に固定されている請求項７記載のコヒーレント光源。
前記レーザ媒質の発振利得の波長範囲が２ｎｍ以上である請求項１〜１１いずれか記載のコヒーレント光源。
前記波長変換素子の変換波長の許容幅が１ｎｍ以下である請求項１〜１２いずれか記載のコヒーレント光源。
前記レーザ媒質から出射された基本波のビーム品質がＭ^２＜２の関係を満足する請求項１〜１３いずれか記載のコヒーレント光源。
前記波長変換素子が偏向特性を有し、前記レーザ媒質の発振利得の波長範囲において一方の偏向の光に対する変換効率が他方の偏向の光に対する変換効率の１０倍以上である請求項１〜３いずれか記載のコヒーレント光源。
前記レーザ媒質が偏向特性を有する請求項１〜１５いずれか記載のコヒーレント光源。
前記レーザ媒質が偏向特性を有するドープファイバーである請求項１〜１６いずれか記載のコヒーレント光源。
前記波長変換素子の変換効率が１０％以上である請求項６〜８いずれか記載のコヒーレント光源。
前記レーザ媒質が連続パルス発振しており、前記レーザ媒質内のパルス光と、前記レーザ媒質内に入射した第２の基本波パルス光の位相が、前記レーザ媒質内で一致している請求項１〜１８いずれか記載のコヒーレント光源。
さらに透過型の狭帯域波長フィルターを備え、
前記波長変換素子の変換波長域Δλ（ＳＨＧ）は、前記狭帯域波長フィルターの透過波長域Δλ（ＢＲ）内に存在し、
Δλ（ＳＨＧ）＜ Δλ（ＢＲ）の関係を満足し、
前記狭帯域波長フィルターの透過光をレーザ媒質に帰還することで、前記レーザ媒質の発振波長が前記狭帯域波長フィルターの透過波長に固定されている請求項１〜１９いずれか記載のコヒーレント光源。
さらにブラッグ反射器を備え、
前記波長変換素子の変換波長域Δλ（ＳＨＧ）は、前記ブラッグ反射器の反射波長域Δλ（ＢＲ）内に存在し、
Δλ（ＳＨＧ）＜ Δλ（ＢＲ）の関係を満足し、
前記ブラッグ反射器の反射光を前記レーザ媒質に帰還することで、前記レーザ媒質の発振波長が前記ブラッグ反射器の反射波長に固定されている請求項１〜２０いずれか記載のコヒーレント光源。
さらにノッチフィルターを備え、
前記波長変換素子の変換波長域Δλ（ＳＨＧ）は、前記ノッチフィルターの反射波長域Δλ（ＢＲ）内に存在し、
Δλ（ＳＨＧ）＜ Δλ（ＢＲ）の関係を満足し、
前記ノッチフィルターの反射光を前記レーザ媒質に帰還することで、前記レーザ媒質の発振波長が前記ノッチフィルターの反射波長に固定されている請求項１〜２１いずれか記載のコヒーレント光源。
前記レーザ媒質が半導体材料からなる請求項１〜２２いずれか記載のコヒーレント光源。
前記レーザ媒質がＹｂ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｅｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｈｏイオンの少なくともいずれかを添加したファイバーである請求項１〜２３いずれか記載のコヒーレント光源。
請求項１〜２４記載の何れかのコヒーレント光源と画像変換光学系とを有し、前記コヒーレント光源からの光を前記光学系により２次元画像に変換する光学装置。
前記画像変換光学系が２次元のビーム走査光学系からなる請求項２５記載の光学装置。
前記画像変換光学系が２次元スイッチからなる請求項２５記載の光学装置。