JP2006100772A - 1次元照明装置及び画像生成装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 高出力かつ高効率であって、スペックルノイズ低減に有効な1次元照明装置及び画像生成装置を提供する。
【解決手段】 1次元照明装置1に1次元横マルチモードレーザを用いる。励起用光源2と、共振器3内のレーザ媒質4、波長変換用素子5(非線形光学結晶又は非線形光学素子)を設け、楕円状の横モードパターンでレーザ媒質4を励起して得られる線状ビームを非線形光学結晶又は非線形光学素子に照射する。そして、波長変換された線状光を1次元光変調素子7に照射し、該素子によって変調された光を走査して2次元画像を生成する。例えば、緑色照明光学系において、固体レーザ媒質の発振する近赤外光から第二高調波発生で可視光を得るための非線形光学素子が周期分極反転構造を有する場合に、気相平衡法処理による化学量論組成周期分極反転タンタル酸リチウムを用いて信頼性を高め、量産化によるコスト低減を図ることができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、1次元横マルチモードレーザを用いた1次元照明装置及び画像生成装置において、高出力化や高効率化を図るとともに、画質等を向上させるための技術に関する。
固体レーザは高い出力を必要とする場合に使用され、その励起用光源として半導体レーザを用いる場合に、例えば、複数のエミッタ(放射源)を有するレーザアレイと、光学素子(マイクロレンズアレイ)を組み合わせた形態(例えば、特許文献1参照)、あるいは、ダイオードアレイとコリメート用シリンドリカルレンズを組み合わせた形態(例えば、特許文献2参照)が知られている。
また、非線形光学結晶は波長変換等に用いられ、例えば、第二高調波発生(SHG)の場合、近赤外光を入射して緑色光を得ることができる。尚、光導波路型素子では、その光導波路方向に沿って周期分極反転構造を有するデバイスが知られており、ウエハープロセス技術による量産化及び低コスト化が可能である。
レーザ光源及び光変調素子を用いた画像生成装置(プロジェクタやプリンタ等)への適用において、画像の解像度を上げるために、1次元空間変調型構成の画像表示用光変調素子を用いた構成形態が知られている。例えば、画像投射装置への適用において、レーザ光源からの光を変調する光変調素子を設けるとともに、該素子からの光束について光走査しながらスクリーン上に投影することにより、2次元画像を映し出すことができる。
特開2001−185792号公報 米国特許第5521932号明細書
しかしながら、従来の構成にあっては、レーザ光源の出力や効率面等に関して問題がある。
例えば、画像投射装置等への適用において、5W程度の緑色レーザ装置が必要であるが、高出力かつ高効率のレーザを実際に作製することは難しく、あるいは高価な装置を用いることに起因するコスト上昇等が問題となる。また、1次元光変調素子に照射される線状ビームをスポット状のレーザから形成するには、プロファイル変換用光学系やラインジェネレータ等が必要となり、これが構成の複雑化の原因となる。また、光学的な調整(アライメント)を高い精度で行う必要が生じたり、調整箇所が増えることに起因する安定性への影響等が問題となる。
この他、レーザ光の干渉性が高いことに起因するスペックルノイズの低減対策が、レーザディスプレイ等への適用において必要とされる。
そして、1次元発振のビーム強度に関して不均一性が認められる場合には、照明時に強度ムラが生じる虞がある。従って、固体レーザの構成形態において、レーザ媒質の横励起を行う場合に、横方向の励起光の均一性が問題とされる。
そこで、本発明は、高出力、高効率であって、スペックルノイズ低減に有効な1次元照明装置及び画像生成装置の提供を課題とする。
本発明に係る1次元照明装置は、上記した課題を解決するために、レーザ光源として1次元横マルチモードレーザを用いる構成において、励起用光源、共振器内のレーザ媒質及び波長変換用素子を備え、楕円状の横モードパターンでレーザ媒質を励起して線状ビームを得るとともに、波長変換用素子を構成する非線形光学結晶又は非線形光学素子に該ビームを照射することにより線状光を出力する構成としたものである。
また、本発明に係る画像生成装置は、1次元横マルチモードレーザを用いた光源からの光を1次元光変調素子で変調してから、光走査手段によって走査して画像を生成するための構成を備え、楕円状の横モードパターンでレーザ媒質を励起して得られる線状ビームを、波長変換用素子を構成する非線形光学結晶又は非線形光学素子に照射し、波長変換された線状光を出力して1次元光変調素子に照射するように構成したものである。
従って、本発明では、楕円状の横モードパターンを利用して高出力及び高効率での1次元照明を実現することができる。また、横マルチモードでの励起により干渉性が低下することはスペックルノイズの低減にとって有効である。そして、共振器中に非線形光学結晶又は非線形光学素子に配置しているので、該共振器内部に閉じ込められた発振光のパワー密度が高いため高効率での波長変換が可能であり、連続発振が可能となる。
本発明によれば、単一横モードレーザに比して高出力かつ高効率をもって線状ビームを得ることができ、しかも、そのために装置構成が複雑化する等の弊害を伴うことがなく、低コスト化に有利である。そして、1次元光変調素子を用いた画像生成装置への適用において、光学素子等を用いたスペックルノイズの低減対策を積極的に講じる必要がなくなり、構成の簡素化や小型化等を実現することが可能である。
レーザ媒質の横励起を行う励起用光源からの励起光を、集光光学系によって集光する形態では、その焦点位置を、レーザ媒質の入射端面とは反対側の端面又はその近傍に配置することが望ましい。これにより、均一で高効率な一次元線状発振を実現でき、照明ムラの少ない高効率な照明系を実現できる。また、レーザ媒質の入射側に励起光が集中するのを防ぐことができるため、該レーザ媒質で生じる熱レンズ効果や熱複屈折の効果をも低減でき、高出力化や高効率化等に寄与する。
励起用光源として半導体レーザを用いた励起方式に関し、レーザ媒質に対してレーザ出力軸に沿う方向の端面に励起光を照射する形態(端面励起方式、所謂エンドポンプ)の採用は高効率化に有効である。また、半導体レーザを用いてレーザ媒質に対してレーザ出力軸に直交する側方から励起光を照射する形態(側面励起方式、所謂サイドポンプ)の採用は、高出力化の他、構成の簡単化及び部品点数削減、排熱対策に有効である。
そして、複数のレーザエミッタを一次元的に配列させた並列化光源(レーザアレイ)の使用によって、高出力化を実現することができ、該並列化光源とレーザ媒質との間に配置されるレンズアレイを用いることで、レーザ媒質に関する高効率での励起が可能となる。
また、このような並列化光源を用いてレーザ媒質を直接励起する形態では、部品点数を削減することができ、光学アライメントの不要化により工数削減に寄与する。その結果として低コスト化が図られ、また、品質管理面でも有効である。この場合、レーザ媒質に光閉じ込め手段を設け、励起光の閉じ込めにより効率を高めることが好ましい。
レーザ媒質の製造や加工性の面では、レーザ媒質の断面を矩形状とし(直方体形状等)、その形状設計に応じて所望の横モードパターンが得られるように制御できる。
共振器内に配置される非線形光学素子については、周期分極反転構造を有する光学デバイスを用いる場合に、従来の非線形光学結晶よりも非線形光学定数が大きく、高い変換効率が得られる。また、ウエハープロセス技術による大量生産が可能であり、低コスト化に好適である。特に、気相平衡法処理を施した化学量論組成周期分極反転タンタル酸リチウムを用いる場合には、光損傷に強く長期信頼性に優れた素子が得られ、波長変換効率が高いため、高出力の光を安定に得ることができる。また、レーザ媒質からの線状ビーム長に対して素子の横幅(厚み方向及び光軸方向に直交する方向における幅)を大きくすることにより対応できるので、高出力化対策に有効である。具体的には、抗電場が約100V/mmであって、かつ基板厚を0.9mm以上とし、高調波発生に係る位相整合のために分極反転周期を10μm(マイクロメートル)以下とすれば良い(ビームスポットサイズ100μmに対して充分なアパーチャーを確保することができ、ブリュースター研磨の加工性を高めることが可能となる。)。
共振器サイズの小型化には、レーザ媒質と非線形光学結晶又は非線形光学素子との間に光路折り返し用の反射手段を配置する形態が好ましく、これによって、安定した出力光を得ることができる。
そして、非線形光学結晶又は非線形光学素子を用いた第二高調波発生により緑色又は青色の線状ビームを出力する形態において、希土類添加の固体レーザ媒質を赤外共振器内に配置することにより、固体レーザ媒質からの高出力の赤外光に基づいて可視光(線状光)を得ることができる。
また、コヒーレンス長(あるいはコヒーレント長)を短くして、2mm以上、20mm以下とすることが、干渉ノイズの低減や光学系の小型化等に有効であり、例えば、レーザ媒質として、Nd:YAGを用いる場合に、コヒーレンス長を2.2mm以上、15mm以下にすることが好ましい。
非線形光学素子の端面において基本波や高調波の損失を最小に抑えるには、両端面が、基本光の入射角及び出射角に関してほぼブリュースター角をもつように加工することが好ましいとされるが、その際、非線形光学素子から離間した位置に反射鏡を設けた構成形態を採用する。d33位相整合により発生する2方向の高調波光のうち、一方の高調波光が、非線形光学素子から出射されてから反射鏡で反射され、再び該非線形光学素子に入射された後で該素子における反対側の端面から出射される。他方の高調波光については反射鏡と反対側に位置する端面側から出射される。そして、両高調波光の間に角度差をもたせることで両者が重ならないように構成すると、位相制御を不要にすることができる。
1次元横マルチモードレーザを用いた1次元照明光源からの光を、1次元光変調素子によって変調するとともに、光走査によって2次元画像を生成する画像生成装置への適用において、変調素子に係る1次元方向(長軸方向)と横マルチモードの方向を合わせることで、プロファイル変換の必要がなくなり、部品点数や光学調整箇所を削減できる。そして、回折格子型の1次元光変調素子(あるいは1次元空間変調素子)を用いる場合に要求される線状の照明光(つまり、素子の有効長に亘って広がり、かつ該素子の短軸方向(横幅方向)には充分に集光された光)を該素子に対して照射することができ、性能や画質等の向上に有効である。
本発明は、1次元横マルチモードレーザを用いた1次元照明装置及び画像生成装置に関するものであり、例えば、光変調素子を用いた画像表示装置(画像投射装置等)や描画装置、プリンタ等の画像出力装置、各種の加工装置等に適用することができる。
図1及び図2は、本発明に係る基本構成例を示したものである。
図1は、1次元光変調素子に対する1次元照明装置の構成例を示している。
1次元照明装置1を構成するレーザ光源は、1次元横マルチモードレーザであり、励起用光源2と、共振器3内のレーザ媒質4及び波長変換用素子5を備えている。
励起用光源2にはレーザや放電灯等が用いられるが、小型化や寿命等を考慮した場合に半導体レーザの使用が好ましい(全固体レーザ化が可能である。)。
レーザ媒質4には、希土類添加の固体レーザ材料が用いられ、例えば、Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:GdVO4、Yb:YAG等が挙げられる。
波長変換用素子5を構成する非線形光学結晶又は非線形光学素子は、例えば、SHG、THG(第三高調波発生)等の波長変換に用いられ、あるいは、和周波発生や光パラメトリック発振等に用いられる。使用材料には、KTiOPO4、β−BaB24、LiB35、MgO:LiNbO3や、PP−KTiOPO4、PP−MgO:LiNbO3、PP−MgO:S−LiNbO3、PP−S−LiTaO3等の非線形光学材料(例えば、電圧印加等による周期分極制御により周期分極反転構造をもつ)が挙げられる。尚、ここで「PP」は「Periodical Poling」、「S」は「Stoichiometric」を意味する。
非線形光学結晶又は非線形光学素子を用いた波長変換手段5を共振器中に配置することによって、共振器3の内部に閉じ込められる発振光のパワー密度が高く、高効率での波長変換が可能である。また、非線形光学結晶又は非線形光学素子を共振器3の外部に置くとパルス発振が必要となるが、共振器3の内部に配置する場合には、連続発振が可能である。
励起用光源2の出力する励起光がレーザ媒質4に照射され、楕円状の横モードパターンでレーザ媒質4が励起される。これによって得られる線状ビームは非線形光学結晶又は非線形光学素子に照射され、波長変換された線状光が共振器3から出力される。
ビーム拡大系6は共振器3に後段に配置された光学系であり、1次元光変調素子7の長手方向(長軸方向)に拡がった線状照明光を得るために設けられている。図中の「I」で示す強度分布(一定範囲が平坦とされかつ裾野部分において強度が急峻に低下する、所謂トップハット形状の分布)をもって1次元光変調素子7への照明が行われる。
1次元光変調素子7は、図示しない駆動回路からの信号を受けて制御され、画像信号に基づいて光を変調する。
本発明の適用において1次元光変調素子の如何は問わないが、例えば、米国シリコン・ライト・マシン(SLM)社が開発したグレーティング・ライト・バルブ(Grating Light Valve)素子を用いることができる。この素子は反射型回折格子を用いて構成され、多数の可動リボンが所定間隔をもって配置され、隣り合う可動リボンの間に固定リボンが配置されている。そして、共通電極と可動リボンとの間に駆動電圧を印加することによって可動リボンが移動し、入射光に対する回折格子が構成される。つまり、この状態(所謂ピクセルオン時)では1次回折光が発生し、また、可動リボンを動かさない状態(所謂ピクセルオフ時)では1次回折光が発生しない(入射光に対する正反射のみである。)。特定の回折光を利用する構成により、高い回折効率をもって画像表示等に用いることができる(例えば、高階調の画像表示にはブレーズ型素子が好ましい。)。
上記構成において、例えば、励起用光源2に近赤外レーザを用いて、赤外共振器内にレーザ媒質4及び波長変換用素子5(SHG素子)を配置した形態において、第二高調波発生により緑色又は青色の線状ビームを出力して、ビーム拡大系6を経て1次元光変調素子7への照明を行うことができる。
線状ビームを形成するには、例えば、レーザダイオード等によって得られるスポットをラインジェネレータ(レンズ)で線状化にする方法も挙げられるが、それには高い位置精度を必要とする。これに対して、上記のように光励起段階から横長の線状ビームを用いる構成形態を採用することで光学素子を使わなくても済み、部品点数が削減され、光学アライメントが容易になる等の利点が得られる。
尚、図1では、ビーム拡大系6を用いて照射対象(本例では1次元光変調素子7)に線状照明光を照射する構成を例示したが、このような光学系を用いないで線状光を照射対象に直接照射する形態等、用途に応じた各種形態での実施が可能である。
図2は、画像生成装置8の要部(1次元横マルチモードレーザを用いた1次元照明光源を除く。)の構成例を概略的に示しており、プロジェクションシステムへの適用例を示している。
1次元光変調素子7R、7G、7Bは、R(赤)、G(緑)、B(青)の3原色にそれぞれ対応して設けられ、各色照明光を変調する光変調手段を構成している。これらの1次元光変調素子を用いて変調された光は、Lプリズム等の合成手段9によって混合された後に、後段の光学系10、光走査手段11を経てスクリーンSCN上に投影される。
光学系10には、空間フィルターや投影系等が含まれ、1次元光変調素子を用いて変調された光は、例えば、シュリーレンフィルターに通されて1次回折光が選別される。
光走査手段11は、光変調手段からの出力光を所定方向(図の矢印「SS」参照)に走査するものであり、回転反射鏡が用いられ、その反射光は前方のスクリーンSCNに向けて照射される。尚、光走査については、ガルバノミラーやポリゴンミラー等を用いた各種形態が挙げられる。
スクリーンSCNに投影される1次元像は、光走査によって2次元像に展開されて映し出される。
尚、本例に限らず、光走査系と投影系との関係を逆にして、光走査手段11とスクリーンSCNとの間に投影系を配置した形態等、光学要素の変更に関して各種形態での実施が可能である。
次に、1次元照明装置に関する具体的な構成について説明する。
光励起については、例えば、下記に示す形態が挙げられる。
(A)レーザ媒質に対してレーザ出力軸に沿う方向の端部に励起光を照射する形態(所謂エンドポンプ)
(B)レーザ媒質に対してレーザ出力軸に対して平行な側面部から励起光を照射する形態(所謂サイドポンプ)。
先ず、形態(A)について説明する。
励起用光源として、例えば、発光領域幅の広いブロードエリアLD(レーザダイオード)を用いて楕円状の横モードパターンでの励起を行う形態が挙げられ、この場合に単一又は複数のLDが用いられる。また、バーレーザ等の並列化光源とマイクロレンズアレイを用いて光励起を行う形態が挙げられる。
図3及び図4は構成例12を示したものであり、半導体レーザ(bar laser)、マイクロレンズを使ったコリメートレンズ、集光レンズ等を用いてレーザ媒質(YVO等)に励起光を照射する。
図3は、紙面に設定される直交座標系のx軸及びz軸に対して直交するy軸方向からみた構成を示し、図4は、紙面に設定される直交座標系のx軸及びy軸に対して直交するz軸方向からみた構成を示しており、x軸が光軸に沿うように設定されている。
励起用光源を構成する並列化光源13として、半導体レーザが用いられ、図5に示す例(1次元LDアレイ)では、複数のレーザエミッタを一次元的に配列させたアレイ構造を有する。例えば、GaAlAs(ガリウム・アルミニウム・砒素)の量子井戸構造のレーザダイオードを用いて波長808nm(ナノメートル)、40W程度の出力を得ることができ、開口幅「wa」のストライプ状エミッタ13a、13a、…が所定の間隔(図中の「d」参照。)をもってpn接合面に沿う方向に形成されている。各エミッタからほぼ楕円状をした横モードパターンの出力光が得られる。尚、光源部の長手方向のサイズ「D」は10mm程度である。
多数のエミッタを並列化させることで、高出力化を実現でき、また、エミッタについては、発光領域幅が数十乃至数百μmのブロードエリア構造を用いることが好ましい。
図3及び図4に示すように、半導体レーザアレイを構成する各エミッタの出力光線は、2つのコリメートレンズ14、15によって平行光線化される。例えば、独国LIMO社製のレンズユニットを用いることができる。このレンズユニットは、半導体レーザの「Fast Axis」 、「Slow Axis」の各方向の発散をコリメートするシリンドリカルレンズを組み合わせて構成されており、その一方「Fast Axis Collimator」(FAC)が非球面シリンドリカルレンズとされ、他方「Slow Axis Collimator」(SAC)が、レーザアレイのエミッタ配列ピッチ及び発散角に合わせた球面シリンドリカルレンズアレイである。つまり、半導体レーザアレイに近い方のコリメートレンズ14を「FAC」、他方のコリメートレンズ15を「SAC」として、コリメートレンズ14によって図4のx−y平面において各エミッタの出力光線が集光されて平行化され、コリメートレンズ15のマイクロレンズによって図3のx−z平面内において各エミッタの出力光線が集光されて平行化される。尚、レーザダイオードの発散角に関して、x−y平面内ではx−z平面内に比べて大きな発散角をもつが、各面について別個のシリンドリカルレンズを用いるので、出射ビーム径をそれぞれ独立に制御して所望のビーム形状にすることができる。また、レーザダイオードの発光領域が大きい場合において、非点収差が問題となるときには、その補正用として上記のシリンドリカルレンズを用いることが好ましい。
コリメートレンズ14、15を透過した光は後段の集光レンズ16によって収束され、線状ビームとしてレーザ媒質(YVO結晶等)17の一端に照射される。
レーザ媒質17の端面(反射面)又はこれに付設したミラー、反射手段(18、19、20)を用いて構成される共振器内には、SHG等による波長変換用に非線形光学結晶(又は非線形光学素子)21が設けられている。
レーザ媒質17と非線形光学結晶21との間の光路上に配置されたミラー18(平面鏡)、19(凹面鏡)は、光路折り返し用の反射手段として設けられたものである。本例ではレーザ媒質17の出力光がx軸方向に沿ってミラー18に到達し、該ミラーにて反射された光がミラー19に向かうように光路変更を受ける。そして、ミラー19の反射光が非線形光学結晶21を透過してミラー20に到達して反射される。
上記した反射手段(18、19)を用いた光路折り返しにより、直線的な光路設定に較べて装置サイズを小さくすることができる。
非線形光学結晶を用いたSHG素子の場合、ミラー18、19、20は、レーザ媒質17の出力光(基本波)波長に対して高反射率とされ、第二高調波の波長に対して高透過率とされる。そして、ミラー19、20から有効出力や後方出力(フォトダイオード等の光検出手段を用いてモニタリングされ、図示しない制御回路によって励起用光源の出力制御が行われる。)に係る光がそれぞれx軸に沿って反対方向に出射される。また、レーザ媒質17の端面又は付設のミラーについては、レーザ媒質17の出力光(基本波)波長に対して高反射率とされ、入射光波長(励起光波長)に対して高透過率とされる。
光路折り返し用のミラー18、19において第二高調波(SHG光)に対する反射率を最小とすることで迷光を低減できる。
以上のように、レーザダイオードを用いた励起光によって高効率が得られる(これは励起光波長と固体レーザ結晶の吸収線波長との一致に依る)。また、エンドポンプの採用は高効率化に有効である(レーザ発振光と励起光との空間的一致に依る。)。
そして、複数のレーザエミッタを一次元的に配列させた並列化光源を用いる場合には、該並列化光源とレーザ媒質との間に配置されるレンズアレイを用いて、各レンズの光軸を各エミッタに対して空間的に一致させることにより高効率での励起が可能となる(特に、1次元横マルチモードの場合、レーザ発振光に対してレーザダイオードのビームパターンの形状が一致するため高効率化に有効である。)。
次に、上記形態(B)について説明する。
サイドポンプの採用は、構成の簡素化によって部品点数の削減やコスト低減に有効であり、光学的な調整箇所が少ない等の利点が得られ、例えば、下記に示す構成形態が挙げられる。
(B−1)並列化光源及び2つのコリメートレンズを用いる形態(図6、図7参照)
(B−2)並列化光源及び1つの光学系を用いる形態(図8乃至図14参照)
(B−2−1)光学系にコリメートレンズを用いる形態(図8、図9、図13参照)
(B−2−2)光学系として集光光学系を用いる形態(図10、図11、図14参照)
(B−3)並列化光源による励起光をレーザ媒質に直接照射する形態(図15、図16参照)。
図6及び図7に示す構成例22では、半導体レーザ(bar laser)、2つのコリメートレンズを用いてレーザ媒質(Nd:YAG等)に励起光を照射する。
尚、図6は、紙面に設定される直交座標系のx軸及びz軸に対して直交するy軸方向からみた構成を示し、図7は、紙面に設定される直交座標系のx軸及びy軸に対して直交するz軸方向からみた構成を示しており(共振器についてはレーザ媒質だけを示す。)、z軸が共振器光軸に沿うように設定されている。
励起用光源を構成する上記並列化光源13と、コリメートレンズ14、15を用いる点において、図3及び図4の構成例と同様であるが、下記の点で相違する。
・レーザ媒質17の出力軸がz軸方向(長軸方向)に設定されており、並列化光源13からの励起光がコリメートレンズ14、15によって平行化されてx軸方向からレーザ媒質17に対して照射されること
・z軸上に配置されるミラー18及び23がレーザ媒質17を挟んで互いに反対側に位置されていること。
本例では、スラブ状結晶のレーザ媒質17において、その長手方向(長軸方向)がレーザ発振方向とされ、並列化光源13の出射光がコリメートレンズ14、15を透過して、レーザ媒質17の側面(x軸に直交する一方の側面)17aに照射される。つまり、並列化光源13を構成するLDの各エミッタからの出力光は、コリメートレンズ14によって図7のx−y平面において集光され、コリメートレンズ15のマイクロレンズによって図6のx−z平面内において集光される。そして、コリメートされた平行光線がレーザ媒質17の側面17aに垂直入射する。
尚、固体レーザ媒質として、例えば、ネオジウムイオンをイットリウム・アルミニウム・ガーネット(Y3Al512)をドープしたNd:YAGを用いる場合の形状については、図17に示す板状のものが挙げられる。本例では、固体レーザ媒質17Aの長軸方向(発振方向)における端面について、その法線が長軸方向を向いた形態(端面が長軸方向に対して直交する。)とされる。また、図18に示す例では、固体レーザ媒質17Bの長軸方向における端面が長軸に直交する平面に対して角度「θ」をもって傾いた形態とされ、発振光に関してブリュースター角をもつように加工されている。
これらの固体レーザのサイズについては、例えば、厚み「T」が1mm以下、長軸方向の長さ「L」が10〜20mm程度、横幅「W」が4〜6mm程度である。
レーザ媒質がほぼ直方体状をしている場合には加工が容易であり、また、直交する3軸方向の長さを形状パラメータとした矩形の形状設計により、横モードパターンの形状を制御することができる。尚、本発明の適用において、レーザ媒質の断面が矩形状とされるものだけに限定されないので、円形、楕円形等の断面形状を有するレーザ媒質の使用が可能であることは勿論である。
図6に示す反射手段(18、19、20、23)を用いて構成される共振器内には、SHG等による波長変換用に非線形光学結晶(又は非線形光学素子)21が設けられており、レーザ媒質17の長軸方向(z軸方向)における両端面からそれぞれ出射されるレーザ発振光の一方がミラー23に到達して反対方向に反射され、他方の発振光がミラー18に向けて出力される。
z軸方向に沿ってミラー18に到達した光は該ミラーで反射され、ミラー19に向かうように光路変更を受ける。そして、ミラー19の反射光が非線形光学結晶21を透過してミラー20に到達して反射される。
非線形光学結晶を用いたSHG素子の場合、ミラー18、19、20は、レーザ媒質17の出力光(基本波)波長に対して高反射率とされ、第二高調波の波長に対して高透過率とされる。そして、ミラー19、20から有効出力や後方出力(モニタ光として励起用光源の出力制御に利用される。)に係る光がそれぞれ反対方向に出射される。また、ミラー23については、レーザ媒質17の出力光(基本波)波長に対して高反射率とされる。
図8及び図9に示す構成例24では、半導体レーザ(bar laser)と1つのコリメートレンズを用いてレーザ媒質に励起光を照射するが、上記構成例22とは下記の点で相違する。
・並列化光源13からの出射光が、コリメートレンズ14を透過してレーザ媒質17に照射されること。
図8は、紙面に設定される直交座標系のx軸及びz軸に対して直交するy軸方向からみた構成を示し、図9は、紙面に設定される直交座標系のx軸及びy軸に対して直交するz軸方向からみた構成を示しており(共振器についてはレーザ媒質だけを示す。)、z軸が共振器光軸に沿うように設定されている。
本例では、コリメートレンズ15を使わないため、x−y平面内においてのみコリメーションが行われる。
尚、共振器構成等については上記構成例22の場合と同様である。
図10及び図11に示す構成例24Aでは、半導体レーザ(bar laser)と1つの集光光学系を用いてレーザ媒質に励起光を照射する点において、上記構成例22と相違する。即ち、並列化光源13からの出射光が、集光光学系14Aを介して集光された上でレーザ媒質17に照射される。
図10は、紙面に設定される直交座標系のx軸及びz軸に対して直交するy軸方向からみた構成を示し、図11は、紙面に設定される直交座標系のx軸及びy軸に対して直交するz軸方向からみた構成を示しており(共振器についてはレーザ媒質だけを示す。)、z軸が共振器光軸に沿うように設定されている。
本例では、集光光学系14Aが1つの集光レンズを用いて構成され、該集光レンズの作用により、x−y平面内において励起光が集光される。この集光レンズには、例えば、シリンダーレンズ(あるいはシリンドリカルレンズ)を用いることができ、その焦点距離は約1mmであって、開口数NAが0.5を超えるレンズとされる。このとき、シリンダーレンズでおよそ1mmのビーム幅となる。ここで、集光レンズとレーザ媒質17(Nd:YAG等)との距離をおよそ10mmに配置し、図11に点「F」で示すように、レーザ媒質17のx軸方向における励起光出射端面、即ち、励起光入射端とは反対側に位置する端面で焦点を結ぶように配置すると、レーザ媒質への励起光入射端でおよそ250μm、 励起光出射端でおよそ50μmのビーム幅に規定することができる。このビーム幅は、丁度レーザ媒質のy方向ビーム幅250μmと一致する。
図12は、レーザ媒質内での励起分布について例示したものであり、横軸にx軸方向の位置(励起光入射端位置を「0」とし、励起光入射端とは反対側の端位置を「0.5」とする任意単位で示す。)をとり、縦軸に光量(任意単位で示す。)をとって、x−y面内での吸収分布を例示している。尚、(A)図は上記形態(B−2−1)、即ち、コリメートを行う場合を示し、(B)図は、上記形態(B−2−2)、即ち、集光系の場合を示している。
形態(B−2−1)において、例えば、コリメートにより、250μmのビーム幅を得るためには、焦点距離250μmという、実用的には調整困難な短い焦点距離のレンズが必要となり、問題がある。さらには、レーザ媒質17として、例えば、1at%Nd添加のNd:YAG結晶を使う場合、吸収係数(α)は、808nmの励起光に対して「α=5cm -1」とされ、その吸収分布は、指数関数を用いて、「exp(−α・x)」で与えられる。
5mm幅のNd:YAG結晶に対しては、図12の(A)図に示すように、吸収分布に関して横軸方向における不均一性が大きくなる。つまり、本例では、入射端とその反対側の端との間で、およそ「10:1」と大きな差が生じている。このため、励起密度の不均一性に伴う発振効率の劣化や発振分布の不均一性が問題とされ、また、励起による熱歪みが入射端に集中するといった問題への解決策が必要とされる。
そこで、上記形態(B−2−2)において、レーザ媒質17の横励起を行う励起用光源からの励起光を、集光光学系14Aによって集光するとともに、その焦点位置を、レーザ媒質の励起光入射端面とは反対側の端面又はその近傍に配置することが望ましい。
例えば、シリンダーレンズを用いて、およそ1mmのビーム幅として、該レンズとレーザ媒質17の距離をおよそ10mmに配置し、図11に示したように、レーザ媒質の側面への励起光入射端とは反対側の端面上に焦点を結ぶように配置すると、励起光入射端でおよそ250μm、励起光出射端でおよそ50μmのビーム幅とすることができるから、吸収係数「α=5cm -1」で、5mm幅のNd::YAG結晶の場合に、吸収分布に関して、図12の(B)図に示すように、不均一性を大幅に改善することができる。つまり、本例では、レーザ媒質の入射端とその反対側の端での吸収分布において、およそ両者の比がほぼ「2:1」である。
つまり、集光光学系の焦点位置を、レーザ媒質において、その励起光入射端面とは反対側に配置すると、入射端では吸収分布は高くなるがスポットサイズは相対的に大きくなる。また、励起光入射端とは反対側の端面に近づくにつれて吸収分布は低くなるがスポットサイズは相対的に小さくなる。従って、励起光の光密度を横方向において均一にすることができる。本形態によれば、一次元の線状発振において均一で、かつ高効率な励起を実現することができ、線状ビームを、非線形光学結晶や非線形光学素子に照射することにより均一で良好な線状光を出力することができる。
レーザ媒質にNd:YAG等を用いる構成においては、その横幅を3mm以上とし(あまり狭くすると吸収効率が悪化するため)、集光レンズの焦点距離を約1mm(好ましくは0.9mm以上)とし、レーザ媒質の励起光出射端での集光スポットのサイズを、励起光入射端でのサイズに対して2分の1以下とすること(例えば、およそ100μm)が好ましく、励起光密度の均一性に関して、入射端とその反対側の端での相対比で、3対1程度、さらには上記のように2対1程度にすることが望ましい。
尚、レーザ媒質側面の励起光出射端にミラーや反射膜等を設ける形態も挙げられるが、レーザダイオード(励起光源)への戻り光の問題や、レーザ媒質の寄生発振を誘発する虞が生じること等を考慮すると、上記のように励起光出射端にミラー等を設けない構成が好ましい。
図13及び図14は、上記(B−2)について具体的構成を例示した図である。
図13に示す(B−2−1)の構成例24Bにおいて、並列化光源13の出力するレーザ光は、コリメートレンズ14を透過した後、反射鏡(赤外反射鏡)「RF」にて反射された上でレーザ媒質17(Nd:YAG)に側面から照射される。
共振器は、ミラー(平面鏡)23、凹面鏡18A、ミラー(平面鏡)19Aを用いて構成され、80mmの間隔をもって配置されたミラー23、凹面鏡18Aの間の光路上にレーザ媒質17が配置されている。また、凹面鏡18Aとミラー19Aとの間の光路上には、非線形光学素子(例えば、後述のPPSLT)21が所定の距離(26mm)をもって配置されている。尚、ミラー23、凹面鏡18Aは、基本波に対して高反射率とされ、ミラー19Aは基本波及び高調波に対して高反射率とされる。
レーザ媒質17の出力する基本波は、曲率半径50mmの凹面鏡18Aに入射角10°で入射し、その反射光が非線形光学素子21を透過してミラー19Aで反射される。
非線形光学素子21で発生する高調波は、凹面鏡18Aを透過し、該凹面鏡から所定の距離(5.1mm)をもって位置されたコリメートレンズ(f30mm)「CL」によって平行化されて出力される。
図14に示す構成例24Cは(B−2−2)の適用例を示し、並列化光源13の出力するレーザ光は、集光レンズ14Aを透過してレーザ媒質17(Nd:YAG)に側面から照射される。つまり、並列化光源13からの励起光をシリンダー集光レンズで集光し、その焦点位置を、図11と同様に、レーザ媒質17の入射端面とは反対側の端面上に設定している。
尚、共振器の構成は図13と同様である。
図15及び図16に示す上記(B−3)の構成例25では、半導体レーザ(bar laser)だけを用い、該レーザにレーザ媒質を近接させてコリメートレンズや集光レンズを使わずに励起光を照射する。
図15は、紙面に設定される直交座標系のx軸及びz軸に対して直交するy軸方向からみた構成を示し、図16は、紙面に設定される直交座標系のx軸及びy軸に対して直交するz軸方向からみた構成を示しており(共振器についてはレーザ媒質だけを示す。)、z軸が共振器光軸に沿うように設定されている。
本例では、並列化光源13を用いてレーザ媒質17を直接励起するため、両者間にレンズ素子が一切不要であり、部品点数を削減できる。また、その光学アライメントが必要ないので作製工数の削減に有効である。
但し、並列化光源13からレーザ媒質17への照射光について、x−y平面内で比較的大きな発散角をもってレーザ媒質17に入射される場合に、この光がレーザ媒質17を透過して外部に漏れてしまうと効率低下の原因となる。
そこで、レーザ媒質17に対して光閉じ込め手段を設けることが好ましく、例えば、該手段として下記に示す構成形態が挙げられる。
・全反射利用を利用する形態
・反射膜を形成する形態
・反射部材等を付設する形態。
例えば、レーザ媒質17への入射光が、その内部で全反射されるように角度設定や研磨等を行う形態では、反射部材等の付加的な手段が不要である。また、レーザ媒質17の外表面(z軸に直交する端面を除く。)に反射膜を形成したり、反射部材を設ける形態では、レーザ媒質の内部に入射された光を、反射膜や反射部材での反射によって効率良く閉じ込めることができる。
図16の丸枠の部分を拡大して右上に示す例では、レーザ媒質17に対して反射手段(金属膜や金属製ミラー等)26を用いた励起光の閉じ込めによって、高効率での光吸収が実現され、レーザ効率を向上させることができる。尚、共振器構成等については上記構成例22の場合と同様である。
上記した(B−1)、(B−2)、(B−3)の順にコリメートレンズ等が1つずつ減り、これに従って構成が簡単になるが、(B−3)では、光閉じ込め手段が必要とされる。
以上のように、形態(B)によれば、簡易な構成であり、また、LDアレイを使用できるので、高出力化に適する。そして、励起光を分散できるため、排熱(レーザ媒質の放熱対策)が形態(A)よりも容易であり、安定性の向上や長寿命化等に有利である。さらには、1次元マルチモード発振の場合、励起法の工夫によってエンドポンプ並みの効率を得ることが可能である。
上記(B−1)のように、レンズアレイによるコリメートを行う形態では、平行光での励起により、高効率のサイドポンプを実現することが可能である。発振モードサイズと励起光のサイズを一致させれば、1次元横モード発振においてエンドポンプの場合と同様の高効率発振が可能となる。
また、上記(B−2)では、例えば、ロッドレンズ(コリメータ)だけを用いて、x−y平面内でのコリメーション(ジャンクション垂直方向のコリメーション)を行い、縦方向(z軸方向)において発振モードサイズと励起光のサイズを一致させることができる。
上記(B−3)では、レンズを使わないので、部品点数やコストの削減等に有効である。
図19は、形態(B−3)に係る構成例27を概略的に示した斜視図である。
図中に設定した3次元直交座標系については、直方体状をしたレーザ媒質17のレーザ出力軸方向に延びる軸をz軸とし、該レーザ媒質17の側面部への励起光の照射方向に沿う軸をx軸に選定し、z軸及びx軸に直交する軸をy軸に設定している。
レーザダイオードアレイを用いた光源28からの側方照射光によって共振器29内のレーザ媒質17(Nd:YAG、YVO等)の光励起が行われ、レーザ発振光が反射手段30(平面鏡30aと凹面鏡30b)によって折り返されて線状ビームが非線形光学素子31に照射される。
本例では、光伝播方向において、レーザ媒質17や非線形光学素子31の一端面が反射面とされ、共振器29を構成する部品は4点である。
線状ビームが非線形光学素子31を透過することにより、波長変換された線状出力光が得られる。該非線形光学素子31には、例えば、周期分極反転構造を有する光学デバイスの使用が好ましい。従来の非線形光学結晶に比べて非線形光学定数が大きく、高い変換効率が得られるとともに、ウエハープロセス技術による大量生産が可能であるため、低コスト化に有利である。周期分極反転構造を有する非線形光学デバイス(SHG素子等)への適用において、周期分極反転材料として、気相平衡法処理(VTE:Vapor Transport Equilibration)された化学量論組成周期分極反転タンタル酸リチウム(PPSLT)を用いる場合には、光損傷に強く、長期信頼性に優れており、変換効率が高いデバイスが得られるので、数ワット以上の高出力光(SHG光等)を安定に得ることができる。また、その横マルチモード方向と、スラブレーザの横マルチモード方向を一致させることで、横方向にパワースケーリングが可能である(10Wを越すパワーが得られる可能性がある。)。
強誘電体材料を用いて気相平衡法処理される基板を加工して作製される光学デバイスについて、以下では、化学量論組成周期分極タンタル酸リチウム(LiTa03)を例にして説明する。
図20は、製造プロセスの概要を説明するための模式図であり、例えば、下記に示す工程を経て光学デバイスが作製される。
(1)ウエハー投入
(2)VTE
(3)単分域化
(4)パターニング(電極形成等)
(5)周期分極反転(電圧印加による分極反転処理)
(6)切断・研磨・コート。
先ず、基板(結晶基板)32を装置に投入して設定作業を行う。例えば、図20(A)において、約102mm(4インチ)のフルウエハーが用いられる。
VTE工程では、例えば、原料粉末が充填された白金皿等をアルミナ容器に入れて、原料粉末上に基板を配置した後、原料粉末及び基板の周囲を白金るつぼで覆った状態とし、それらをアルミナ容器内に収容して、高温で所定時間加熱する。
そして、VTEによる高温処理を経た基板32を取り出した後、所定温度で所定の電圧を印加することで単分域化し、図20(B)に示すように、リソグラフィーによるパターンニング工程で所定周期(数μm程度)の電極(アルミニウム電極等)を形成する。周期分極反転構造では、例えば、強誘電体の基板において分極周期パターンに一致する櫛状電極や格子状電極等を形成し、図20(C)に示すように、対をなす電極間(表裏面の電極対等)に数百ボルトの外部直流電圧を印加する。これによって、図20(D)に概念的に示すように、所要の分極反転周期をもったドメイン構造が実現される。
その後、研磨等の処理工程を経て基板上に形成された個々の素子部分が分離され、図20(E)に示すような光学デバイス33が完成する(例えば、光線伝播方向の長さが数mm程度のSHG素子等。)。
周期分極反転材料を用いた基板厚は0.5乃至1mm程度とされ、厚い基板ではVTEの処理時間が長くなる等の問題が生じるため、厚みには一定の限界があるが、基板幅(光線伝播方向及び厚み方向に直交する方向の幅。図20(E)の「wd」参照)に限界はなく、横幅を充分に大きくすることが可能である。このことは、図19の共振器において、レーザ媒質17から出力される線状ビームに対して、x軸方向に充分な幅をもった非線形光学素子を配置できることを意味する。つまり、結晶光密度(単位面積当たりの光出力)の限界に対しては、基板の横幅を大きくすることができるので、幅方向へのビーム拡大に関して容易に対応することができ、高出力化に好適である(固体レーザ結晶に係る1次元横マルチモード方向に対して、光学デバイスの基板厚に一定の限界が課せられる場合には、基板の幅方向を拡げることが有効である。)。
このような非線形光学素子を用いたSHGによって緑色又は青色の線状ビームを出力する場合には、図19において、希土類添加の固体レーザ媒質(17)を赤外共振器(29)内に配置する。固体レーザ媒質による高出力の赤外出力光が赤外共振器中の非線形光学素子(31)に照射され、SHGにより可視光が得られる。例えば、希土類の発振波長により、光色(緑や青)のもととなる発振光を得ることができ、赤外波長1064nm、914nmの場合、SHG光の波長は、それぞれ532nm、457nmである。
非線形光学素子を含めた固体レーザ共振器の構成としては、下記に示す形態が挙げられる。
(I)非線形光学素子の一端面に反射面を形成した形態
(II)非線形光学素子から所定の距離をおいて反射鏡を配置した形態。
図21は、形態(I)に係る共振器の設計例(側面励起方式)を示す側面図であり、レーザ媒質17としてNd:YAG(長さ15mm)を用い、非線形光学素子31としてPPSLT(長さ2乃至4mm)を用いることによって、基本波(1064nm)からSHG光(532nm)を出力する。
Nd:YAGの端面17b、17rのうち、その一方17bは、基本波に関してブリュースター角(61.2°)をもつように加工された傾斜面とされ、また、他方17rはHRコートによる反射面であり、基本波に関して高反射率とされる。
Nd:YAGからの出射光は、60mmの光路長をもって反射手段30(曲率半径50mmの凹面鏡)に到達して反射された後(反射角度10°)、25mmの光路長をもってPPSLTに入射される。
PPSLTの端面31b、31rのうち、その一方31bは、基本波及び第二高調波に関してほぼブリュースター角(64.9°)をもつように加工された傾斜面とされ、また、他方31rはHRコートによる反射面であり、基本波及び高調波に対して高反射率とされる。PPSLTによる高調波は、反射手段30(出力ミラー)を透過して出力され、図示しないコリメートレンズで集光される。
周期分極反転材料を用いて形成されるSHG素子においては、非線形光学定数d33(「3」はz軸方向を示す。)の位相整合時に効率良くSHG光が得られる。
このとき、入射基本波光とSHG光の偏光方向については、いずれも結晶軸のz方向(ウエハー垂直方向)となる。
同一偏光の場合、結晶端面においてブリュースター角をもつように研磨すれば、入射基本波光、SHG光ともに損失無く光をとり出すことができ、ARコート無しで済むという利点が得られる。しかしながら、z方向(ウエハー垂直方向)へのブリュースター加工はバルク位相整合の場合、従来の厚みの薄いウエハー(1mm以下)においてはウエハー厚み方向で約65°(PPSLTの場合)加工が必要であり、実用上有効なアパーチャーをとることが困難であった。
CLT(コングルエント組成タンタル酸リチウム)やCLN(コングルエント組成ニオブ酸リチウム)では、分極反転電圧(あるいはポーリング電圧)が高く、ウエハーの厚みが1mm又はそれ以上となる場合に可視光を発生するバルク分極反転が困難であったが、PPSLTでは、およそ100V/mmの抗電場とされるために、1mm以上での分極反転が可能である。この程度の厚みがあればスポットサイズ100μmのビームに対しても十分なアパーチャーを確保することができる。実験によれば、厚み0.9mm以上のウエハーにおいて良好なブリュースター研磨を行えることが確認されている。このとき、基本波1064nmと第二高調波532nmではブリュースター角において3.5°の角度ズレを生じるが532nmの反射損は0.7%未満と少なく2波長ともに殆ど損失無く取り出すことができる。
次に、上記(II)について図22を用いて説明する。尚、本図は、共振器の要部(非線形光学素子31と反射鏡34)だけを示した側面図である。
共振器内に配置された長さ「L1」の非線形光学素子31(PPSLT)は、その端面が、基本光の入射角及び出射角に関してほぼブリュースター角をもつように研磨加工されている(q1=64.8°)。
PPSLTでは、図に「SHG1」(右方向) と「SHG2」(左方向)に示す両方向にSHG出力を生じる。
このとき、各SHG出力は、基本発振光波長(1064nm)の半分であって、波長が短いため屈折率が大きく、基本発振光の進行方向に対してズレ角(「dq」で示す。)が生じる。実際、PPSLTの屈折率は1064nmにおいてn1=2.133であり、532nmにおいてn2=2.141であるから、スネルの法則により、dq=3.5°のズレを生じる(尚、このときの反射損失は0.7%未満と少ない。)。
反射鏡34は、1064nm、532nmの2波長についてほぼ100%反射する高反射ミラーである。
「SHG1」に示す出力光は、「−dq」の角度ズレをもって反射鏡34で反射されるが、この「−dq」の角度は、PPSLTを再度透過しても保存されるため、「−dq」の角度をもって図の左方向に進む。一方、SHG2に示す出力光については、「+dq」の角度ズレを生じる。
結局、「+dq」、「−dq」の各方向に、「2・dq」の角度差をもって各ビームが重ならずに発生することになる。両ビーム間で干渉が生じることがなく、反射鏡や結晶による位相差の影響を受けない安定なSHG出力が得られる。
このように、d33位相整合により発生する2方向の高調波光のうち、SHG1に示す高調波光が、非線形光学素子31から出射されて反射鏡34で反射されるとともに、再び非線形光学素子31に入射された後で該素子における反対側の端面から出射される。他方、SHG2に示す高調波光については、反射鏡34とは反対側に位置する端面から出射される。両高調波光の間に角度差をもたせることで両者が重ならないように構成すると、位相制御の必要性がなくなる。即ち、基本光波長1064nmとSHG光波長532nmでは、PPSLTのブリュースター角端面において波長差に起因する角度差が生じるため、反射鏡34において2つの分離したビームが得られ、この時、ビームが重ならないことが重要である(ビームの重なり合いが生じる場合には、周知のように位相制御が必要となるため、構成や制御の複雑化に繋がる。)。
上記した1次元光変調素子への照明においては、該変調素子の1次元方向(長軸方向)と横マルチモードの方向とを合わせることで、ラインジェネレータ等によるプロファイル変換を不要にすることができる。即ち、従来の構成では、固体レーザ出力であるガウシアンビームを、トップハット状に変換(プロファイル変換)する必要があったが、上記した構成では、プロファイル変換の必要がなく、部品点数を削減することができる。
プロファイル変換用の特殊な光学系を必要としないので、例えば、回折格子型の1次元空間変調素子(グレーティング・ライト・バルブ素子等)への1次元照明に用いるビーム拡大系について各色共通の構成を用いることができる。つまり、R、G、B各色のビーム毎に異なる構成のビームエキスパンダを用いることは、構成の複雑化等の原因となるため、各色について同じ構成のビームエキスパンダを用いることが好ましく、上記の構成によれば、緑色や青色のビームに対して、赤色ビームの場合と同じ光学的構成を用いて、線状ビームを所定倍率(例えば、ビーム長を数mmとし、変調素子の長手方向の有効長を数十mmとした場合に、十乃至数十倍)で拡大して1次元光変調素子に照射することができる。例えば、4枚の平凸レンズと1枚の円筒レンズ(シリンドリカルレンズ)を用いた既知の光学系が挙げられ、1次元光変調素子の長軸方向及び光軸方向を含む面内において、線状ビームを一旦集光してから、該長軸方向に拡大整形する(最終段の円筒レンズは当該面内でパワーをもたず、1次元光変調素子の短軸方向及び光軸方向を含む面内でのみ集光作用をもつ。)。
1次元横マルチモードレーザ光源を用いた、回折格子型1次元空間変調素子への照明系を有する画像投射装置等への適用を想定した場合に、該素子への照明光に関して、1次元方向(変調素子の長軸方向)では集光特性の空間コヒーレンスに対する要求が厳しくないが、当該方向に直交する方向(変調素子の短軸方向)では所定幅(数十μm程度)にビームを絞るために高いコヒーレンスが要求される。上記した構成の照明光学系を採用することによって、そのような要求を満たすべく、変調素子の長軸方向(長手方向)において横マルチモードでの光励起によって1次元方向に拡がったビームを得るとともに、変調素子の短軸方向では、ほぼ回折限界まで絞り込んだ線状ビームを1次元光変調素子に照射することができる。
以下に、コヒーレンス長の適正範囲について説明する。
マルチモードのときのコヒーレンス長(Lc)は、モード数を「N」と記し、共振器長を「L」と記すとき、「Lc=2・L/N」で表される。
従って、共振器長「L」を短くして、モード数「N」を大きくすれば、コヒーレンス長が短くなる。例えば、約150mmの共振器長で、N値が50を越える程度とされる場合に、コヒーレンス長が5mm程度である。
共振器長「L」、波長「λ」を用いて、モード間隔「Δλ」は、下式で与えられる。
Figure 2006100772
Nd:YAGの発振波長1064nmにおいて、L=150mmの共振器長では、Δλ≒3.8pm(ピコ・メートル)である。1064nmの発振スペクトル幅は約0.5nmであるため、130本程度のモードが発振可能であり、明らかに「モード数>50」の条件(スペックルに起因する干渉の影響で照明光プロファイルの均一性が損なわれないための必要条件)を満たしている。
尚、発振可能なモード数Nについては、下式で表される。
Figure 2006100772
上式中の「ΔλYAG」は1064nmの発振スペクトル幅を示す。
この式を、「Lc=2・L/N」に代入することで下式が得られる。
Figure 2006100772
「ΔλYAG≒0.5nm」、「λ=1064nm」からLc≒2.2mmが得られ、これがコヒーレンス長の下限値を与える。
本発明の適用において、コヒーレンス長が2mm以上、20mm以下であることが実用上好ましい(該範囲以外では、例えば、光学系の大サイズ化等の弊害を伴う。)。特に、レーザ媒質としてNd:YAGを用いる場合において、コヒーレンス長を2.2mm以上、15mm以下とすることが望ましい。つまり、横マルチモード固体レーザを用いて、集光性能を落とさずに一次元空間変調素子を照明し、スペックルノイズを充分に低減する上で有効である。
図23は、スペックル低減に有効な光学系を例示したものであり、(A)図が偏光合波による構成を示し、(B)図がマルチパス構成を示している。
(A)図では、PBS(偏光ビームスプリッタ)35と、2つのミラー36、37を用いた例を示しており、偏光面が45°傾いたマルチモードレーザ光が右方からPBS35に入射されると、S波が上方に反射され、P波が透過してさらにミラー36、37にてそれぞれ反射される。ミラー37の反射光はPBS35を透過して上方に出力される。
本例では、2本のビームの偏光合波を利用することにより、スペックルコントラストを1/(√2)に低減させることができる。
また、(B)図では、平行平板状の素子として、半透過ミラー38と、高反射ミラー39を用いた例を示している。下方からのマルチモードレーザ光がミラー38で分岐し、複数本の光が出力される。そして、これらは図示しないレンズを介して集光される。
半透過ミラー38をN本の光が透過する場合において、スペックルコントラストを1/(√N)に低減させることができる。
コヒーレンス長を、例えば、10mm以下とすることにより、光学系における光路長の短縮が可能となり、装置の小型化や光学部品の一体化(例えば、PBS35、ミラー36、37を一体構造にする等)に効果的である。尚、実験的には、上記横マルチモードレーザに関して、走査型TG干渉計での計測結果として7.4mmのコヒーレンス長が得られている。
一般には、1次元照明光の強度分布に関して、均一性を高めるために1次元インテグレータを用いてビームを空間的に重ね合わせる方法が用いられるが、この場合に、横マルチモードに起因する干渉性の低さが有効に作用する。勿論、本発明によれば1次元インテグレータを不要にすることも可能である。
また、上記した照明光学系を複数用いることにより、複数本のビームを1次元的又は2次元的に配列させたマルチビーム構成(あるいはビームスタック構成)の採用は、スペックルノイズの低減等に有効である。
上記に説明した構成によれば、下記に示す利点が得られる。
・楕円状の横モードパターンでの光励起により、高効率の照明が可能であり、スペックルノイズの低減に有効であること
・励起用光源とレーザ媒質との間に集光光学系を配置すること及びその焦点位置をレーザ媒質側面への励起光入射端とは反対側の端面に設定することにより、励起光密度の均一性、発振効率が改善されること及びさらには、励起による熱歪みが緩和され、より高出力が得られること
・LD端面励起により高効率化が可能であること
・LD側面励起により高出力化が可能であること
・LDアレイによるレーザ媒質の直接励起を採用する場合に、部品点数や作製工数を削減できること
・矩形状の固体レーザ媒質を用いることにより、加工が容易であること
・レーザ媒質内での励起光の閉じ込めにより、レーザの効率が向上させることができること
・周期分極反転構造を有する非線形光学素子を採用する場合に、高い変換効率が得られ、大量生産が可能であるため、コスト低減に有効であること
・VTEによるPPSLTの場合、光損傷に強く、長期信頼性も優れており、変換効率が高いため、高出力が安定に得られること及び1次元横マルチモード方向に対する周期分極反転の配置を選定して横方向にビームを拡大させることで周期分極反転材料の光密度の限界を超えてパワーアップを実現できること
・共振器内に折り返しミラーを配置して小サイズ化を図り、SHG光の迷光を低減できること
・従来のようにガウシアンビームをトップハットに変換(プロファイル変換)する必要がなくなり、1次元横マルチモードでトップハット形状の強度分布が得られること
・希土類添加の固体レーザ媒質を用いて、高出力の赤外光が得られ、緑色光、青色光(SHG光)のもとになる発振光が得られること
・1次元光変調素子の照明に要求される特性(1次元方向で横マルチモード、長手方向に直交する方向でほぼ回折限界のビーム)を実現し、簡易な光学系で効率の良い照明を行うことができ、スペックルノイズの低減が可能であること。
本発明に係る1次元照明装置の構成例を示す説明図である。 本発明に係る画像生成装置の構成例について要部を示す説明図である。 図4とともに、本発明に係る1次元照明装置を例示した図であり、本図は並列化光源を構成するエミッタの配列方向を含む面に対して直交する方向からみた場合の構成を示す図である。 図3とは異なる方向からみた場合の構成の要部を示す図である。 並列化光源としてレーザダイオードアレイを例示した斜視図である。 図7とともに、本発明に係る1次元照明装置の別例を示した図であり、本図は並列化光源を構成するエミッタの配列方向を含む面に対して直交する方向からみた場合の構成を示す図である。 図6とは異なる方向からみた場合の構成の要部を示す図である。 図9とともに、本発明に係る1次元照明装置の別例を示した図であり、本図は並列化光源を構成するエミッタの配列方向を含む面に対して直交する方向からみた場合の構成を示す図である。 図8とは異なる方向からみた場合の構成の要部を示す図である。 図11とともに、本発明に係る1次元照明装置のさらに別例を示した図であり、本図は並列化光源を構成するエミッタの配列方向を含む面に対して直交する方向からみた場合の構成を示す図である。 図10とは異なる方向からみた場合の構成の要部を示す図である。 レーザ媒質内における励起光分布を例示したグラフ図である。 装置の具体的構成例を示す図である。 図13とは別の装置構成例を示す図である。 図16とともに、本発明に係る1次元照明装置の別例として、並列化光源からの光をレーザ媒質に直接照射する形態を示した図であり、本図は並列化光源を構成するエミッタの配列方向を含む面に対して直交する方向からみた場合の構成を示す図である。 図15とは異なる方向からみた場合の構成の要部を示す図である。 固体レーザ媒質の形状例を示す斜視図である。 固体レーザ媒質の形状について別例を示す斜視図である。 本発明に係る1次元照明装置の構成形態を例示した斜視図である。 非線形光学デバイスの製造プロセスに関する概略説明図である。 本発明に係る共振器の設計例を示した側面図である。 本発明に係る共振器の別形態について要部を示した側面図である。 スペックル低減用光学系の説明図である。
符号の説明
1…1次元照明装置、2…励起用光源、3…共振器、4…レーザ媒質、5…波長変換用素子、7…1次元光変調素子、7R、7G、7B…光変調手段、8…画像生成装置、13…並列化光源、13a…エミッタ、14A…集光光学系、17、17A、17B…レーザ媒質、18、19、30…反射手段、21…非線形光学結晶、29…共振器、31…非線形光学素子、34…反射鏡

Claims (21)

  1. 1次元横マルチモードレーザを用いた1次元照明装置において、
    励起用光源と、共振器内のレーザ媒質及び波長変換用素子を備え、
    楕円状の横モードパターンでレーザ媒質を励起して得られる線状ビームを、上記波長変換用素子を構成する非線形光学結晶又は非線形光学素子に照射することにより線状光を出力する
    ことを特徴とする1次元照明装置。
  2. 請求項1に記載した1次元照明装置において、
    上記レーザ媒質の横励起を行う上記励起用光源からの励起光を、集光光学系によって集光し、その焦点位置を、上記レーザ媒質の側面への励起光入射端面とは反対側の端面又はその近傍に設定した
    ことを特徴とする1次元照明装置。
  3. 請求項1に記載した1次元照明装置において、
    上記励起用光源として半導体レーザを用いるとともに、上記レーザ媒質に対してレーザ出力軸に沿う方向の端部に励起光を照射する
    ことを特徴とする1次元照明装置。
  4. 請求項1に記載した1次元照明装置において、
    上記励起用光源として半導体レーザを用いるとともに、上記レーザ媒質に対してレーザ出力軸に直交する側方から励起光を照射する
    ことを特徴とする1次元照明装置。
  5. 請求項3に記載した1次元照明装置において、
    複数のレーザエミッタを一次元的に配列させた並列化光源と、該並列化光源と上記レーザ媒質との間に配置されるレンズアレイを用いた
    ことを特徴とする1次元照明装置。
  6. 請求項4に記載した1次元照明装置において、
    複数のレーザエミッタを一次元的に配列させた並列化光源と、該並列化光源と上記レーザ媒質との間に配置されるレンズアレイを用いた
    ことを特徴とする1次元照明装置。
  7. 請求項4に記載した1次元照明装置において、
    複数のレーザエミッタを一次元的に配列させた並列化光源を用いて上記レーザ媒質を直接励起する
    ことを特徴とする1次元照明装置。
  8. 請求項7に記載した1次元照明装置において、
    上記レーザ媒質の断面が矩形状とされる
    ことを特徴とする1次元照明装置。
  9. 請求項7に記載した1次元照明装置において、
    上記レーザ媒質に光閉じ込め手段を設けた
    ことを特徴とする1次元照明装置。
  10. 請求項1に記載した1次元照明装置において、
    上記非線形光学素子が周期分極反転構造を有する
    ことを特徴とする1次元照明装置。
  11. 請求項10に記載した1次元照明装置において、
    上記非線形光学素子の基板作製に用いる材料が、気相平衡法処理を施した化学量論組成周期分極反転タンタル酸リチウムである
    ことを特徴とする1次元照明装置。
  12. 請求項1に記載した1次元照明装置において、
    上記レーザ媒質と上記非線形光学結晶若しくは非線形光学素子との間に光路折り返し用の複数の反射手段を配置した
    ことを特徴とする1次元照明装置。
  13. 請求項1に記載した1次元照明装置において、
    上記非線形光学結晶又は非線形光学素子を用いた第二高調波発生により、緑色又は青色の線状ビームを出力する
    ことを特徴とする1次元照明装置。
  14. 請求項13に記載した1次元照明装置において、
    希土類添加の固体レーザ媒質を赤外共振器内に配置した
    ことを特徴とする1次元照明装置。
  15. 請求項1に記載した1次元照明装置において、
    コヒーレンス長が2mm以上、20mm以下である
    ことを特徴とする1次元照明装置。
  16. 請求項15に記載した1次元照明装置において、
    上記レーザ媒質として、ネオジウムイオンをドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネットを用いるとともに、
    コヒーレンス長を2.2mm以上、15mm以下とした
    ことを特徴とする1次元照明装置。
  17. 請求項10に記載した1次元照明装置において、
    上記非線形光学素子の両端面が、基本光の入射角及び出射角に関してほぼブリュースター角をもつように加工されており、該非線形光学素子から離間した位置に反射鏡が設けられ、
    d33位相整合により発生する2方向の高調波光のうち、一方の高調波光が、上記非線形光学素子から出射されてから上記反射鏡にて反射されるとともに、再び該非線形光学素子に入射された後で該素子における反対側の端面から出射され、また、他方の高調波光については上記反射鏡と反対側に位置する該非線形光学素子の端面から出射され、両高調波光の間に角度差をもたせることで両者が重ならないように構成した
    ことを特徴とする1次元照明装置。
  18. 請求項17に記載した1次元照明装置において、
    上記非線形光学素子に用いる基板の抗電場が約100V/mmであって、かつ基板厚が0.9mm以上とされ、高調波発生に係る位相整合のために分極反転周期が10μm以下とされる
    ことを特徴とする1次元照明装置。
  19. 1次元横マルチモードレーザを用いた1次元照明光源と、該光源からの光を変調する光変調手段と、該光変調手段からの出力光を走査する光走査手段を備えた画像生成装置において、
    励起用光源と、共振器内のレーザ媒質及び波長変換用素子を備え、
    楕円状の横モードパターンでレーザ媒質を励起して得られる線状ビームを、上記波長変換用素子を構成する非線形光学結晶又は非線形光学素子に照射することにより波長変換された線状光を出力し、上記光変調手段を構成する1次元光変調素子に照射する
    ことを特徴とする画像生成装置。
  20. 請求項19に記載した画像生成装置において、
    上記レーザ媒質の横励起を行う上記励起用光源からの励起光を、集光光学系によって集光し、その焦点位置を、上記レーザ媒質の側面への励起光入射端面とは反対側の端面又はその近傍に設定した
    ことを特徴とする画像生成装置。
  21. 請求項19に記載した画像生成装置において、
    回折格子型の1次元光変調素子を用いる
    ことを特徴とする画像生成装置。
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