JP2007073552A - Laser light generator and image formation apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ光を発生するレーザ光発生装置及びこれを光源として搭載した画像生成装置に関する。 The present invention relates to a laser beam generator for generating laser beam and an image generation device equipped with the laser beam generator as a light source.
従来から、例えば横シングルモードまたは横マルチモードの光共振器内SHG(Second Harmonic Generation)型のレーザが開発され、また、そのレーザ光の発生装置が製品化されている。このような光共振器内SHG型のレーザ光発生装置では、共振器内に波長変換用の非線形光学素子が配置されるため、モード間結合によるノイズが発生する。モード間結合は、Journal of Optical Society of America B, Volume 3, Issue 9, pp.1175-1180(September 1986)に記載された現象である。非線形光学素子でレーザ媒体の発振波長が変換されると、その波長のレーザ光の損失により、レーザ媒体の発振波長とは異なる他の波長のレーザ光が空間ホールバーニングなどが存在すると発振しやすくなる。当該他の波長のレーザ光が発振すると、波長変換素子によって、またさらに別の波長や元の波長のレーザ光が発振する。このようなことが繰り返されることで、所望の発振波長が発生したり消えたりして不安定となり、これが結果的にノイズとなる。 2. Description of the Related Art Conventionally, for example, an SHG (Second Harmonic Generation) type laser in a lateral single mode or lateral multimode optical resonator has been developed, and a laser beam generator has been commercialized. In such an intra-cavity SHG type laser beam generator, since a nonlinear optical element for wavelength conversion is arranged in the resonator, noise due to coupling between modes is generated. Inter-mode coupling is a phenomenon described in Journal of Optical Society of America B, Volume 3, Issue 9, pp. 1175-1180 (September 1986). When the oscillation wavelength of a laser medium is converted by a nonlinear optical element, laser light with a wavelength other than the oscillation wavelength of the laser medium is likely to oscillate due to loss of laser light of that wavelength if there is spatial hole burning or the like. . When the laser light of the other wavelength oscillates, the laser light of another wavelength or the original wavelength oscillates by the wavelength conversion element. By repeating this, a desired oscillation wavelength is generated or disappears and becomes unstable, resulting in noise.
かかる問題を解決するために、光共振器長を長くすることで、100〜500程度の縦モードのレーザ光を同時に発振させ(multi axial mode)、モード間結合に起因するノイズを低減する技術が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、上記特許文献1の技術では、共振器長が長くなるので装置全体が大型化する。 However, in the technique of the above-mentioned Patent Document 1, the length of the resonator becomes long, so that the entire apparatus becomes large.
一方、横マルチモードの光共振器内SHGレーザでは、横モードの各ビームの光路長が、共振器内でそれぞれ少しずつ異なるので、それぞれ異なる波長で発振する。すなわち、波長選択素子により選択される帯域の中で発振波長が縦横モードの数に応じて多数あるので、ノイズはその分低減される。しかしながら、外乱、横モードの変動、あるいは共振器を構成するミラー等の経時変化等により、共振器内の光路分布がずれてくるおそれがあり、安定してレーザ光を発生できないおそれがある。 On the other hand, in the transverse multi-mode intra-cavity SHG laser, the optical path length of each beam in the transverse mode is slightly different within the cavity, and therefore oscillates at different wavelengths. That is, since there are a large number of oscillation wavelengths in accordance with the number of longitudinal and transverse modes in the band selected by the wavelength selection element, noise is reduced accordingly. However, there is a possibility that the optical path distribution in the resonator may be shifted due to disturbances, fluctuations in the transverse mode, or changes over time of mirrors constituting the resonator, and there is a possibility that laser light cannot be generated stably.
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、安定してレーザ光を発振させることができ、かつ、小型化を実現することができるレーザ光発生装置及びこれを光源として搭載した画像生成装置を提供することにある。 In view of the circumstances as described above, an object of the present invention is to stably oscillate laser light and to realize downsizing, and an image generation apparatus equipped with the laser light generator. Is to provide.
上記目的を達成するため、本発明に係るレーザ光発生装置は、励起光を発生し、前記発生した励起光を複数の光軸に分割可能な励起光発生器と、前記分割された励起光が照射される利得媒体と、前記利得媒体を利用して、前記分割された励起光ごとに複数の光軸でなるレーザ光を光増幅により発振させるために、前記各レーザ光を反射させるための少なくとも1つのミラーを共有する光共振器と、前記光共振器内に設けられ、前記発振する各レーザ光の波長を制御する波長制御器と、前記光共振器内に設けられ、前記各レーザ光の第2高調波を発生させるための非線形光学素子とを具備する。 In order to achieve the above object, a laser light generator according to the present invention generates an excitation light, and an excitation light generator capable of dividing the generated excitation light into a plurality of optical axes, and the divided excitation light Irradiating gain medium, and using the gain medium, for oscillating laser light having a plurality of optical axes for each of the divided excitation lights by optical amplification, at least for reflecting each laser light An optical resonator sharing one mirror, a wavelength controller provided in the optical resonator for controlling the wavelength of each oscillating laser beam, provided in the optical resonator, A nonlinear optical element for generating a second harmonic.
本発明では、光共振器内で複数の光軸のレーザ光が独立して発振し、非線形光学素子により第2の高調波が発生する。このように独立した複数のレーザ光により、たとえ横モードの変動や光共振器のミラーの経時変化等があっても、安定してレーザ光を発生させることができる。また、本発明では、1つの光共振器により、少なくとも2つの独立したレーザ光を発生させるので、小型化を実現することができる。 In the present invention, laser beams having a plurality of optical axes oscillate independently in the optical resonator, and the second harmonic is generated by the nonlinear optical element. Thus, even if there are a change in transverse mode, a change with time of the mirror of the optical resonator, etc., the laser light can be stably generated by a plurality of independent laser beams. In the present invention, since at least two independent laser beams are generated by one optical resonator, it is possible to reduce the size.
利得媒体が1つの場合、分割された励起光が当該1つの利得媒体のうちの複数の箇所に照射されればよい。あるいは、利得媒体は、分割された励起光ごとに複数あってもよい。利得媒体が複数ある場合に、分割された励起光の光軸の数が、利得媒体の数の整数倍となるように設定されてもよい。利得媒体が複数の場合、利得媒体はファイバでなることが多い。しかし、必ずしもファイバに限らず、結晶またはアモルファスの利得媒体が複数あってもよい。 When there is one gain medium, the divided excitation light may be irradiated to a plurality of places in the one gain medium. Alternatively, there may be a plurality of gain media for each of the divided excitation lights. When there are a plurality of gain media, the number of optical axes of the divided pumping light may be set to be an integral multiple of the number of gain media. When there are a plurality of gain media, the gain media is often a fiber. However, the present invention is not necessarily limited to fibers, and there may be a plurality of crystalline or amorphous gain media.
利得媒体がファイバであって、そのファイバにFBG(Fiber Bragg Grating)が設けられる場合、光共振器は、そのBGのほかに少なくとも1つのミラーを有していればよい。また、利得媒体がファイバの場合、そのファイバの数は、複数の光軸ごとにそれぞれ複数あることになる。利得媒体がファイバでない場合、光共振器は少なくとも2つのミラーを有していればよい。 When the gain medium is a fiber and an FBG (Fiber Bragg Grating) is provided on the fiber, the optical resonator may have at least one mirror in addition to the BG. When the gain medium is a fiber, there are a plurality of fibers for each of a plurality of optical axes. If the gain medium is not a fiber, the optical resonator need only have at least two mirrors.
「非線形光学素子」において、励起光発生器により分割されたすべてのレーザ光を非線形光学効果の対象とすることが好ましいが、必ずしもそれには限られない。すなわち、分割されたすべてのレーザ光のうち、少なくとも2つの軸(2本)のレーザ光を対象とすればよい。このことは、「波長制御器」についても同様のことが言える。 In the “nonlinear optical element”, it is preferable that all laser beams divided by the excitation light generator are targets of the nonlinear optical effect, but this is not necessarily limited thereto. That is, it is only necessary to target laser beams of at least two axes (two) out of all the divided laser beams. The same can be said for the “wavelength controller”.
「反射」とは、100パーセントの反射に限られないことは言うまでもない。 It goes without saying that "reflection" is not limited to 100% reflection.
「波長域」とは、ある程度微小な波長帯域を意味するほか、完全な単一波長も含む意味である。 “Wavelength region” means a wavelength band that is very small to some extent, and also includes a complete single wavelength.
発振する各レーザ光のモードは、それぞれ横マルチモードであってもよし、それぞれ横シングルモードであってもよい。 The mode of each laser beam to be oscillated may be a transverse multi-mode or a transverse single mode.
本発明において、前記波長制御器は、前記各レーザ光の中心波長を所定の波長に揃えるための波長選択素子を有する。あるいは、前記波長制御器は、前記発振する前記レーザ光ごとに異なる波長域のレーザ光を選択するための波長選択素子を有する。このように、波長選択素子により、発振するレーザ光ごとに異なる波長がそれぞれ選択されることで、スペックルを低減することができる。 In the present invention, the wavelength controller includes a wavelength selection element for aligning a center wavelength of each laser beam to a predetermined wavelength. Alternatively, the wavelength controller includes a wavelength selection element for selecting a laser beam having a different wavelength range for each of the oscillating laser beams. Thus, speckles can be reduced by selecting different wavelengths for each laser beam to be oscillated by the wavelength selection element.
本発明において、前記非線形光学素子は、前記レーザ光ごとに異なる周期で形成された分極反転構造を有する。これにより、例えば少なくとも1つの非線形結晶を用意するだけでよいので、装置の小型化に寄与する。 In the present invention, the nonlinear optical element has a polarization inversion structure formed with a different period for each laser beam. Thereby, for example, it is only necessary to prepare at least one nonlinear crystal, which contributes to miniaturization of the apparatus.
本発明において、前記利得媒体は、前記利得媒体は、固体レーザ媒体でなり、前記固体レーザ媒体は、第1の反射率を有し、前記各レーザ光がそれぞれ通過する通過領域と、前記第1の反射率より高い第2の反射率を有し、各出射領域の間に設けられた反射領域領域とを有する。これにより、各レーザ光同士の干渉等を抑制することができ、複数のレーザ光が安定して発振する。「固体レーザ媒体」とは、ここでは、結晶やアモルファス、その他の固体レーザ媒体を意味し、ファイバレーザを除く意味である。 In the present invention, the gain medium is a solid-state laser medium, and the solid-state laser medium has a first reflectance, and each of the laser beams passes through the first medium. And a reflection area region provided between the respective emission areas. Thereby, interference etc. of each laser beam can be suppressed and a plurality of laser beams oscillate stably. “Solid-state laser medium” means here a crystal, amorphous, or other solid-state laser medium, excluding a fiber laser.
本発明において、前記各レーザ光の干渉を抑制するための遮光部材をさらに具備する。これにより、複数のレーザ光が安定して発振する。 The present invention further includes a light shielding member for suppressing interference between the laser beams. Thereby, a plurality of laser beams oscillate stably.
本発明に係る画像生成装置は、励起光を発生し、前記発生した励起光を複数の光軸に分割可能な励起光発生器と、前記分割された励起光が照射される利得媒体と、前記利得媒体を利用して、前記分割された励起光ごとに複数の光軸でなるレーザ光を光増幅により発振させるための光共振器と、前記光共振器内に設けられ、前記発振する各レーザ光の波長を制御する波長制御器と、前記光共振器内に設けられ、前記各レーザ光の第2高調波を発生させるための非線形光学素子と、画像を生成するために、前記発生した各第2高調波のレーザ光を変調する変調素子とを具備する。 An image generation apparatus according to the present invention generates an excitation light, an excitation light generator capable of dividing the generated excitation light into a plurality of optical axes, a gain medium to which the divided excitation light is irradiated, Using a gain medium, an optical resonator for oscillating laser light having a plurality of optical axes for each of the divided excitation lights by optical amplification, and each laser provided in the optical resonator and oscillating A wavelength controller for controlling the wavelength of light; a non-linear optical element provided in the optical resonator for generating a second harmonic of each of the laser beams; and each of the generated optical elements for generating an image. And a modulation element for modulating the second harmonic laser beam.
画像生成装置の変調素子としては、例えばGLV(Grating Light Valve)、DMD(Digital Micro-mirror Device)、液晶、またはEL(Electro-Luminescence)素子等が挙げられる。 Examples of the modulation element of the image generation apparatus include GLV (Grating Light Valve), DMD (Digital Micro-mirror Device), liquid crystal, EL (Electro-Luminescence) element, and the like.
以上のように、本発明によれば、安定してレーザ光を発振させることができ、かつ、小型化を実現することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to stably oscillate laser light and realize downsizing.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施の形態に係るレーザ光発生装置を示す概略図である。 FIG. 1 is a schematic diagram showing a laser beam generator according to an embodiment of the present invention.
レーザ光発生装置10は、励起光源2、コリメートレンズ系4、集光レンズ8、光共振器15を構成するミラー5、6、7、この光共振器15内に配置されたレーザ媒体11、波長選択素子13、波長変換素子(非線形光学素子)12を備えている。励起光源2は、レーザ媒体11を励起するための励起光を発生する。コリメートレンズ系4は、マイクロレンズアレイ3を用いて、励起光源2から出射された光を平行光にする。集光レンズ8は、平行光にされたレーザ光を集光してレーザ媒体11の所定の領域に入射させる。 The laser beam generator 10 includes an excitation light source 2, a collimating lens system 4, a condenser lens 8, mirrors 5, 6, and 7 constituting an optical resonator 15, a laser medium 11 disposed in the optical resonator 15, a wavelength A selection element 13 and a wavelength conversion element (nonlinear optical element) 12 are provided. The excitation light source 2 generates excitation light for exciting the laser medium 11. The collimating lens system 4 uses the microlens array 3 to convert the light emitted from the excitation light source 2 into parallel light. The condensing lens 8 condenses the parallel laser light and makes it incident on a predetermined region of the laser medium 11.
図2は、励起光源2を示す斜視図である。励起用光源として、例えば、発光領域幅の広い1次元LD(Laser Diode)アレイ(いわゆるバーレーザ)が用いられ、楕円状の横モードパターンでレーザ励起光が発生する。このような1次元LDアレイでは、複数のレーザエミッタを1次元的に配列させたアレイ構造を有する。例えば、Ndイオンを含むレーザ媒体11には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が用いられ、波長797〜810nm程度、40W程度の出力が得られる。LDの材料は、これに限られず、レーザ媒体11の吸収波長帯に合うように適宜選択されればよい。例えば、Ybイオンを含むレーザ媒体には910〜980nmの半導体レーザーが使われる。 FIG. 2 is a perspective view showing the excitation light source 2. As the excitation light source, for example, a one-dimensional LD (Laser Diode) array (so-called bar laser) having a wide light emitting region width is used, and laser excitation light is generated in an elliptical transverse mode pattern. Such a one-dimensional LD array has an array structure in which a plurality of laser emitters are arranged one-dimensionally. For example, a laser diode 11 having a quantum well structure of GaAlAs (gallium / aluminum / arsenic) is used for the laser medium 11 containing Nd ions, and an output of about 797 to 810 nm and about 40 W is obtained. The material of the LD is not limited to this, and may be appropriately selected so as to match the absorption wavelength band of the laser medium 11. For example, a 910-980 nm semiconductor laser is used for the laser medium containing Yb ions.
図2に示すように、開口幅wのストライプ状エミッタ2a、2a、・・・が、所定のピッチdをもってpn接合部に沿う方向に形成されている。各エミッタ2aからほぼ楕円状の横モードパターンの出力光が得られる。なお、エミッタ2aの幅wは、例えば100μmで25個設けられている。また、各エミッタ2aのピッチdは例えば400μm、光源部の長手方向のサイズDは、10mm程度である。wの値と個数、d、Dの値はこれらの値に限られない。 As shown in FIG. 2, striped emitters 2a, 2a,... Having an opening width w are formed in a direction along the pn junction with a predetermined pitch d. Output light of a substantially elliptical transverse mode pattern is obtained from each emitter 2a. For example, 25 emitters 2a having a width w of 100 μm are provided. Moreover, the pitch d of each emitter 2a is 400 micrometers, for example, and the size D of the longitudinal direction of a light source part is about 10 mm. The value and number of w, and the values of d and D are not limited to these values.
励起光源2は、このように図2に示したようなバーレーザが1つで、または複数配列されて構成される。バーレーザが1つの場合、マイクロレンズアレイ3も1次元で構成される。バーレーザが、各エミッタ2aの配列方向と直交する方向に複数配列されている場合、つまり、各エミッタ2aが2次元的に配置されている場合は、マイクロレンズアレイ3も2次元で構成されればよい。集光レンズ8は、例えば円筒レンズが用いられる。集光レンズ8は、1つ1つのレンズが1次元または2次元に配置され、集光レンズ8の数だけ、バーレーザから出射された光が分割される。図1に示す例では、集光レンズ8は2個であるので、2つの光軸でなる励起光が発生する。実用的には、集光レンズ8は、2個より多いことが好ましい。励起光源2、コリメートレンズ系4及び集光レンズ8により、励起光を複数の光軸に分割することが可能な励起光発生器が構成される。 As described above, the excitation light source 2 is configured by one or a plurality of bar lasers as shown in FIG. When there is one bar laser, the microlens array 3 is also configured in one dimension. When a plurality of bar lasers are arranged in a direction perpendicular to the arrangement direction of the emitters 2a, that is, when the emitters 2a are arranged two-dimensionally, the microlens array 3 is also configured two-dimensionally. Good. For example, a cylindrical lens is used as the condenser lens 8. Each of the condenser lenses 8 is arranged one-dimensionally or two-dimensionally, and the light emitted from the bar laser is divided by the number of the condenser lenses 8. In the example shown in FIG. 1, since there are two condenser lenses 8, excitation light having two optical axes is generated. Practically, it is preferable that there are more than two condenser lenses 8. The excitation light source 2, the collimating lens system 4, and the condenser lens 8 constitute an excitation light generator that can divide the excitation light into a plurality of optical axes.
レーザ媒体11は、光共振器15を構成する、ミラー6の反射を介したミラー5及び7の間の往復光により励起及び増幅され、各励起光に対応したレーザ光をそれぞれ発振する。レーザ媒体11が発振する各レーザ光のモードは、それぞれ横マルチモードであってもよし、それぞれ横シングルモードであってもよい。レーザ媒体11は、励起光源2の照射領域の面積に応じて広い利得波長域を持っていたり、いくつかの発振波長を有している。したがって、後述の波長選択素子13により波長制御(波長選択)がなされなければ、いくつかの波長が同時に発振したり停止したりして不安定化するおそれがある。 The laser medium 11 is excited and amplified by the reciprocating light between the mirrors 5 and 7 through the reflection of the mirror 6 constituting the optical resonator 15, and oscillates the laser light corresponding to each excitation light. The mode of each laser beam oscillated by the laser medium 11 may be a transverse multimode or a transverse single mode. The laser medium 11 has a wide gain wavelength range or several oscillation wavelengths depending on the area of the irradiation region of the excitation light source 2. Therefore, if wavelength control (wavelength selection) is not performed by the wavelength selection element 13 described later, some wavelengths may oscillate or stop at the same time and become unstable.
レーザ媒体11としては、例えば、Nd:YAG,Nd:YVO4、セラミックYAG、Yb:YAG、Ybガラス等が用いられる。Nd:YAGが用いられる場合、発振するレーザ光の基本波長は、1064nmである。レーザ媒体11は、円筒形状や直方体板状等の形状を有している。レーザ媒体11は、吸収量を確保し、かつ、発振したレーザの損失を減らすために、吸収係数が大きければ薄く、小さければある程度厚く形成される。本実施の形態では、複数の光軸でなる励起光がレーザ媒体11に入射するため、励起光ごとにそれぞれ照射領域が設定される。つまり、励起光の照射領域が、1つのレーザ媒体11で複数存在する。レーザ媒体11の励起光が照射された部分は、発熱して温度が上昇するため、屈折率の温度依存性(通常、温度が上がると屈折率が大きくなる)により、レンズ作用が起こる。そのため各ビームがそれぞれ閉じ込め効果で分離され、アレイ状に発振するようになる。 As the laser medium 11, for example, Nd: YAG, Nd: YVO4, ceramic YAG, Yb: YAG, Yb glass or the like is used. When Nd: YAG is used, the fundamental wavelength of the oscillating laser light is 1064 nm. The laser medium 11 has a shape such as a cylindrical shape or a rectangular parallelepiped plate shape. The laser medium 11 is formed to be thin if the absorption coefficient is large and to be thick to some extent if the absorption coefficient is small in order to secure the amount of absorption and reduce the loss of the oscillated laser. In the present embodiment, since the excitation light composed of a plurality of optical axes is incident on the laser medium 11, an irradiation area is set for each excitation light. That is, a plurality of excitation light irradiation regions exist in one laser medium 11. Since the portion of the laser medium 11 irradiated with the excitation light generates heat and the temperature rises, a lens action occurs due to the temperature dependence of the refractive index (usually, the refractive index increases as the temperature rises). Therefore, each beam is separated by the confinement effect and oscillates in an array.
波長選択素子13は、発振する各光軸のレーザ光の中心波長をすべて近い波長に揃えたり、逆に、それぞれ異なる波長にしたりすることが可能である。当該中心波長は、上記の例では、例えば1064nm付近となるが、これに限られない。波長選択素子13としては、回折格子、ボリュームホログラム(3次元回折格子等)、BRF(BiRefringent Filter)(複屈折フィルタ)、あるいはエタロン、あるいはこれらが複数組み合わせられた例が挙げられる。 The wavelength selection element 13 can make all the center wavelengths of the laser beams of the oscillating optical axes all close to each other, or conversely, have different wavelengths. In the above example, the center wavelength is, for example, around 1064 nm, but is not limited thereto. Examples of the wavelength selection element 13 include a diffraction grating, a volume hologram (such as a three-dimensional diffraction grating), a BRF (BiRefringent Filter) (birefringence filter), an etalon, or a combination of a plurality of these.
本実施の形態のように、独立したレーザビームは無相関な位相で発振するため、重ね合わされた時にレーザビーム全体としてはノイズ低減効果がある。つまり、独立したレーザビーム数が多いほど、レーザビーム数全体としては、外乱、横モードの変動、または光共振器15の経時変化等により影響を受けにくく、レーザ光発生が安定する。 Since the independent laser beam oscillates in an uncorrelated phase as in the present embodiment, the entire laser beam has a noise reduction effect when superimposed. That is, as the number of independent laser beams increases, the number of laser beams as a whole is less affected by disturbances, transverse mode fluctuations, or changes over time of the optical resonator 15, and the generation of laser light becomes more stable.
例えば、上述のように、波長選択素子13により、発振するレーザ光ごとに積極的に少しずつ異なる波長がそれぞれ選択されるように構成することも可能である。この場合、波長選択素子13としては、例えば、発振するレーザ光ごとに異なる反射または回折波長域を有するボリュームホログラム(3次元回折格子等)が複数並べられて構成される。このように、波長選択素子13により、発振するレーザ光ごとに異なる波長がそれぞれ選択されることで、スペックル低減に有効である。この場合、特に、各反射波長域の中心波長同士の間隔は、1nm以上離れていることが望ましい。 For example, as described above, the wavelength selection element 13 may be configured to positively select slightly different wavelengths for each of the oscillating laser beams. In this case, as the wavelength selection element 13, for example, a plurality of volume holograms (three-dimensional diffraction gratings or the like) having different reflection or diffraction wavelength ranges for each oscillating laser beam are arranged. In this way, the wavelength selection element 13 is effective in reducing speckles by selecting different wavelengths for each laser beam to be oscillated. In this case, in particular, it is desirable that the distance between the central wavelengths in each reflection wavelength region is 1 nm or more.
非線形光学素子12は、レーザ媒体11で発振するレーザ光の第2高調波を発生する素子である。基本波が上述したように1064nmであるなら、534nmのレーザ光19を出力する。ミラー7は、その基本波長のレーザ光を反射し、第2の高調波のレーザ光19を透過させる。 The nonlinear optical element 12 is an element that generates the second harmonic of the laser light oscillated by the laser medium 11. If the fundamental wave is 1064 nm as described above, the laser beam 19 of 534 nm is output. The mirror 7 reflects the laser beam having the fundamental wavelength and transmits the laser beam 19 having the second harmonic.
例えば、非線形光学素子12は、非線形光学効果を有する結晶またはアモルファスからなる。非線形光学素子12としては、BBO((β) Barium Borate)、LBO(Lithium Triborate)、CLBO(セシウムLBO)、KTP(KTiOPO4)、LiNbO3(Lithium Niobate)、LiTiO3(Lithium Titanate)、PPSLT等が挙げられる。 For example, the nonlinear optical element 12 is made of a crystal or amorphous having a nonlinear optical effect. Examples of the nonlinear optical element 12 include BBO ((β) Barium Borate), LBO (Lithium Triborate), CLBO (Cesium LBO), KTP (KTiOPO 4 ), LiNbO 3 (Lithium Niobate), LiTiO 3 (Lithium Titanate), PPSLT, and the like. It is done.
また、非線形光学素子12は、これらの非線形光学素子に人工的な光導波路が形成されたタイプや、擬似位相整合を可能にする分極反転周期構造を持つタイプがある。これは、結晶の自発分極の方向が周期的に反転したタイプである。分極反転周期構造を持つタイプとしては、例えばPPLN(Periodically Poled Lithium Niobate)やPPLT(Periodically Poled Lithium Tantalate)等がある。さらに、波長変換素子材料の欠陥を減らしたり、光損傷閾値を上昇させるべく、化学量論組成の材料が開発されており、これらを組み合わせたPPSLT(Periodically Poled Stoichiometric Lithium Tantalate)等も現在では市販され始めている。 The nonlinear optical element 12 includes a type in which an artificial optical waveguide is formed on these nonlinear optical elements and a type having a polarization inversion periodic structure that enables quasi phase matching. This is a type in which the direction of spontaneous polarization of the crystal is periodically reversed. Examples of the type having the domain-inverted periodic structure include PPLN (Periodically Poled Lithium Niobate) and PPLT (Periodically Poled Lithium Tantalate). In addition, stoichiometric materials have been developed to reduce defects in wavelength conversion element materials and increase the optical damage threshold, and PPSLT (Periodically Poled Stoichiometric Lithium Tantalate) that combines these materials is now commercially available. I'm starting.
通常、単一のレーザビームが波長変換される場合、分極反転の周期は単一のタイプが作られる。図3は、そのような単一周期タイプの非線形光学素子を示す模式図である。この非線形光学素子16は、分極反転周期構造16aを有している。説明のために、周期構造16aが斜線で描かれているが、実際のデバイスでは少なくとも使用波長で透明であることが望ましいため、分極反転周期構造16aは透明であることが多い。 Normally, when a single laser beam is wavelength-converted, a single type of polarization inversion period is created. FIG. 3 is a schematic diagram showing such a single-period type nonlinear optical element. The nonlinear optical element 16 has a polarization inversion periodic structure 16a. For the sake of explanation, the periodic structure 16a is drawn with diagonal lines. However, in an actual device, it is desirable that the periodic structure 16a is transparent at least at the wavelength used, and thus the domain-inverted periodic structure 16a is often transparent.
一方、本実施の形態に係る非線形光学素子12は、複数の光軸で発生するレーザ光に対応するために、図4に示すように、分極反転周期構造12a〜12eを有する。この図4の場合、5本のレーザ光に対応できることになる。もちろん5本に限られないことは言うまでもない。これにより、例えば1つの非線形結晶を用意するだけでよいので、装置の小型化に寄与する。 On the other hand, the nonlinear optical element 12 according to the present embodiment has polarization inversion periodic structures 12a to 12e as shown in FIG. 4 in order to cope with laser light generated at a plurality of optical axes. In the case of this FIG. 4, it can respond to five laser beams. Of course, the number is not limited to five. As a result, for example, only one nonlinear crystal needs to be prepared, which contributes to downsizing of the apparatus.
各周期により変換波長が少しずつ異なるが、これは、レーザの発振波長を設計によりおおよそ合わせておき、結晶の角度や温度が制御されるとともに、必要に応じて波長が微調整されればよい。これにより、各チャンネルで位相整合に近い状態が保持される。 The conversion wavelength is slightly different depending on each cycle, but this is achieved by adjusting the laser oscillation wavelength by design, controlling the crystal angle and temperature, and finely adjusting the wavelength as necessary. Thereby, a state close to phase matching is maintained in each channel.
以上のように、本実施の形態では、光共振器15内で複数の光軸のレーザ光が独立して発振する。したがって、レーザ光発生装置10に外乱が発生したり、光共振器15のミラー5〜7の経時変化等があっても、安定してレーザ光を発生させることができる。また、例えば光共振器15が、複数の光軸でなるレーザ光を反射させるミラー5、6、7等を共有しているので、小型化を実現することができる。すなわち、レーザ光発生装置10は、1つの光共振器15で、複数の光軸でなるレーザ光が発生する構成とされているので小型化が図られる。 As described above, in the present embodiment, laser beams having a plurality of optical axes oscillate independently within the optical resonator 15. Therefore, even if a disturbance occurs in the laser light generator 10 or there is a change with time of the mirrors 5 to 7 of the optical resonator 15, the laser light can be generated stably. Further, for example, since the optical resonator 15 shares the mirrors 5, 6, 7 and the like that reflect the laser light having a plurality of optical axes, the miniaturization can be realized. That is, since the laser beam generator 10 is configured to generate laser beams having a plurality of optical axes with one optical resonator 15, the laser beam generator 10 can be reduced in size.
上記レーザ媒体11は、さらに以下のように構成することもできる。例えば、レーザ媒体11からは、複数の光軸でなるレーザ光が出射するので、隣同士のビームが1つのビーム(モード)にならないようにすることが好ましい。このため、発振するレーザ光のモード径(ビームの強度がピーク強度の1/e2以上となる領域の直径のこと)に対して、各ビームの間隔が十分広くなるように設定される。 The laser medium 11 can be further configured as follows. For example, since laser light having a plurality of optical axes is emitted from the laser medium 11, it is preferable that adjacent beams do not become one beam (mode). For this reason, the interval between the beams is set to be sufficiently wide with respect to the mode diameter of the oscillating laser beam (the diameter of the region where the beam intensity is 1 / e 2 or more of the peak intensity).
あるいは、ビーム間に仕切りが設けられていてもよい。具体的には、図5に示すように、レーザ媒体21の各レーザ光26の入射面(または/及び出射面)22(入射面22は、励起光源からの励起光の入射面でもある。)には、レーザ光26の通過領域22aと、反射領域22bとが形成されている。図5に示す例では、1つの入射面22において、2つの通過領域22aの間に反射領域22bが形成されている。このように、反射領域22bでなる仕切り部が設けられることにより、各レーザビームの干渉を防ぐことができる。 Alternatively, a partition may be provided between the beams. Specifically, as shown in FIG. 5, the incident surface (or / and the exit surface) 22 of each laser beam 26 of the laser medium 21 (the incident surface 22 is also the incident surface of the excitation light from the excitation light source). Are formed with a passage region 22a for the laser beam 26 and a reflection region 22b. In the example shown in FIG. 5, a reflection region 22 b is formed between two passage regions 22 a on one incident surface 22. Thus, by providing the partition part which consists of reflection area | region 22b, interference of each laser beam can be prevented.
通過領域22a及び反射領域22bは、反射領域22bとなる部分がマスキングされた状態で、入射面22に例えばAR(Anti Reflection)コーティングが施されることで形成される。 The passage region 22a and the reflection region 22b are formed by applying an AR (Anti Reflection) coating, for example, to the incident surface 22 in a state where a portion to be the reflection region 22b is masked.
逆に、反射領域22bに、通過領域22aの反射率より高反射率の膜がコーティングされることによっても仕切り部を形成することができる。 Conversely, the partition portion can also be formed by coating the reflective region 22b with a film having a higher reflectance than that of the passage region 22a.
図5に示す例では、ビームは2つであるが、ビームが3つ、あるいは4つ以上多数である場合、そのビーム数に応じた通過領域22aが形成されればよい。例えば、通過領域22aが1次元的に配列され、それら通過領域22a間に複数の反射領域22bがそれぞれ形成されればよい。ビームが2次元状に照射される場合、例えば通過領域22aを格子状に配置することができる。 In the example shown in FIG. 5, there are two beams. However, when there are three, or four or more beams, it is only necessary to form a passing region 22 a corresponding to the number of beams. For example, the passage areas 22a may be arranged one-dimensionally, and a plurality of reflection areas 22b may be formed between the passage areas 22a. When the beam is irradiated two-dimensionally, for example, the passage regions 22a can be arranged in a lattice pattern.
図5において、光路に沿って、レーザ媒体11の前段または/及び後段に、遮光部材が配置されることによっても、各レーザビーム同士の干渉を防ぐことができる。遮光部材は、例えば金属、樹脂、その他遮光性のある材料なら何でもよい。遮光部材の形状も、板状等、何でもよい。 In FIG. 5, interference between the laser beams can also be prevented by arranging a light shielding member along the optical path at the front stage and / or the rear stage of the laser medium 11. The light shielding member may be any material, such as metal, resin, or other light shielding material. The light shielding member may have any shape such as a plate shape.
図6は、本発明の他の実施の形態に係るレーザ光発生装置を示す概略図である。なお、これ以降の実施形態の説明では、上記図1等に示すレーザ光発生装置10が備える部材や機能等について同様のものは説明を簡略または省略し、異なる点を中心に説明する。 FIG. 6 is a schematic view showing a laser beam generator according to another embodiment of the present invention. In the following description of the embodiments, the same members, functions, and the like included in the laser light generation apparatus 10 shown in FIG. 1 and the like will not be described or will be mainly described.
本実施の形態に係るレーザ光発生装置30は、レーザの利得媒体として、上記のように固体レーザ媒体11の代わりに、ファイバ25を備えている。励起光源2で発生する励起光が集光レンズ8で分割され、分割されたレーザビームは、それぞれファイバ25a及び25bを介してミラー6に反射される。ファイバ25としては、例えば希土類元素がドープされたファイバが用いられる。図6では、ファイバ25は2本となっているが、分割された励起光の光軸の数に合わせて適宜変更できることは言うまでもないことである。 The laser beam generator 30 according to the present embodiment includes the fiber 25 as a laser gain medium instead of the solid-state laser medium 11 as described above. The excitation light generated by the excitation light source 2 is divided by the condenser lens 8, and the divided laser beams are reflected to the mirror 6 via the fibers 25a and 25b, respectively. As the fiber 25, for example, a fiber doped with a rare earth element is used. In FIG. 6, the number of fibers 25 is two, but it goes without saying that the number of fibers 25 can be appropriately changed according to the number of optical axes of the divided excitation lights.
光共振器35内または外で波長変換される場合、ファイバは偏波面保持ファイバであることが望ましい。また、レーザ発振の安定性や波長変換効率を高めるためには、シングルモードファイバであることが望ましい。上記固体レーザ媒体11が用いられる場合と同様、励起光の波長は、ファイバコアにドープされた希土類元素の吸収波長帯に合致している必要がある。発振レーザ光が伝搬するコアは小さく、特にシングルモードファイバではそれが数μmであるため、この中に高出力の励起光絞り込むことは難しいことが多い。したがって、その場合ダブルクラッドファイバが用いられればよい。ダブルクラッドファイバは、外側及び内側の2層のクラッドのうち、内側のクラッドを励起光が伝搬しながら吸収される構造であるので効果的である。 When wavelength conversion is performed inside or outside the optical resonator 35, the fiber is preferably a polarization maintaining fiber. In order to improve the stability of laser oscillation and the wavelength conversion efficiency, it is desirable to use a single mode fiber. As in the case where the solid laser medium 11 is used, the wavelength of the excitation light needs to match the absorption wavelength band of the rare earth element doped in the fiber core. Since the core through which the oscillation laser beam propagates is small, especially in a single-mode fiber, it is several μm, so it is often difficult to narrow down the high-output excitation light in this. Therefore, in this case, a double clad fiber may be used. The double clad fiber is effective because the pump light is absorbed while propagating through the inner clad of the outer and inner clads.
図7は、図6に示したファイバ型レーザ光発生装置30の変形例を示す概略図である。レーザ光発生装置40は、FBG43をそれぞれ有するファイバ35a及び35bを備えている。FBG43、ミラー6及び7により光共振器35が構成される。このように、FBG43があることで、図6に示したミラー5が不要になり、レーザ光発生装置40の小型化を実現できる。また、FBG43は波長選択性の機能を有しているので、波長選択素子等が設けられる必要もなく、さらに小型化が容易になる。 FIG. 7 is a schematic diagram showing a modification of the fiber type laser beam generator 30 shown in FIG. The laser beam generator 40 includes fibers 35a and 35b each having an FBG 43. The optical resonator 35 is configured by the FBG 43 and the mirrors 6 and 7. Thus, the presence of the FBG 43 eliminates the need for the mirror 5 shown in FIG. 6, and the laser light generating device 40 can be downsized. Further, since the FBG 43 has a wavelength selection function, it is not necessary to provide a wavelength selection element or the like, and further miniaturization is facilitated.
例えば、すべてのファイバ35a及び35bにおけるレーザ光の中心波長が所定の波長となるように設定される。あるいは、ファイバごとにFBG43の選択波長が少しずつ異なるように設定すれば、スペックルが低減する。 For example, the center wavelength of the laser light in all the fibers 35a and 35b is set to be a predetermined wavelength. Or if the selection wavelength of FBG43 changes little for every fiber, a speckle will reduce.
本発明は以上説明した実施の形態には限定されるものではなく、種々の変形が可能である。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications are possible.
例えば、図1に示した実施の形態では、レーザ媒体11の励起方式としてエンドポンプ方式が用いられた。エンドポンプ方式とは、レーザ媒体11のレーザ出力軸にほぼ垂直な側面から励起光を照射する方式である。しかし、これに限らず、レーザ媒体のレーザ出力軸にほぼ平行な側面から励起光を照射する、いわゆるサイドポンプ方式が用いられてもよい。 For example, in the embodiment shown in FIG. 1, the end pump method is used as the excitation method of the laser medium 11. The end pump method is a method of irradiating excitation light from a side surface substantially perpendicular to the laser output axis of the laser medium 11. However, the present invention is not limited to this, and a so-called side pump system in which excitation light is irradiated from a side surface substantially parallel to the laser output axis of the laser medium may be used.
上記各実施の形態では、SHGについて説明した。これに限られず、THG(Third Harmonic Generation)、あるいはそれ以上の高調波や和周波を発生させる装置にも適用可能である。 In the above embodiments, SHG has been described. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can also be applied to an apparatus that generates THG (Third Harmonic Generation) or higher harmonics and sum frequencies.
図1に示したレーザ光発生装置10は、光共振器ミラーを3つ(ミラー5、6及び7)備えていた。しかし、例えばミラー6が外れ、波長選択素子13の後段に非線形光学素子12が配置され、非線形光学素子12の後段にミラー7が配置されているような形態も考えられる。この場合、光共振器はミラーを2つ(ミラー5及び7)備えるだけでよく、共振器長を短くして、レーザ光発生装置のさらなる小型化が達成される。図7に示したファイバ型レーザ光発生装置40についても同様に、ミラー6が外れ、FBG43とミラー7だけで光共振器を構成することも可能である。 The laser beam generator 10 shown in FIG. 1 includes three optical resonator mirrors (mirrors 5, 6 and 7). However, for example, a configuration in which the mirror 6 is detached, the nonlinear optical element 12 is disposed at the subsequent stage of the wavelength selection element 13, and the mirror 7 is disposed at the subsequent stage of the nonlinear optical element 12 is also conceivable. In this case, the optical resonator only needs to have two mirrors (mirrors 5 and 7), and the resonator length can be shortened to achieve further miniaturization of the laser light generator. Similarly, in the fiber type laser light generator 40 shown in FIG. 7, the mirror 6 can be removed, and an optical resonator can be configured by the FBG 43 and the mirror 7 alone.
2…励起光源
3…マイクロレンズアレイ
4…コリメートレンズ系
5〜7…ミラー
8…集光レンズ
10、30、40…レーザ光発生装置
11、21…レーザ媒体
12…波長変換素子(非線形光学素子)
12a〜12e…分極反転周期構造
13…波長選択素子
15、35、45…光共振器
19…レーザ光(第2高調波)
22a…通過領域
22b…反射領域
25、25a、25b、35、35a、35b…ファイバ
43…FBG
DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 ... Excitation light source 3 ... Micro lens array 4 ... Collimating lens system 5-7 ... Mirror 8 ... Condensing lens 10, 30, 40 ... Laser beam generator 11, 21 ... Laser medium 12 ... Wavelength conversion element (nonlinear optical element)
12a to 12e ... polarization inversion periodic structure 13 ... wavelength selection element 15, 35, 45 ... optical resonator 19 ... laser light (second harmonic)
22a ... Passing region 22b ... Reflection region 25, 25a, 25b, 35, 35a, 35b ... Fiber 43 ... FBG
Claims (8)
前記分割された励起光が照射される利得媒体と、
前記利得媒体を利用して、前記分割された励起光ごとに複数の光軸でなるレーザ光を光増幅により発振させるための光共振器と、
前記光共振器内に設けられ、前記発振する各レーザ光の波長を制御する波長制御器と、
前記光共振器内に設けられ、前記各レーザ光の第2高調波を発生させるための非線形光学素子と
を具備することを特徴とするレーザ光発生装置。 An excitation light generator capable of generating excitation light and dividing the generated excitation light into a plurality of optical axes;
A gain medium to which the divided excitation light is irradiated;
Using the gain medium, an optical resonator for oscillating laser light having a plurality of optical axes for each of the divided excitation lights by optical amplification;
A wavelength controller that is provided in the optical resonator and controls the wavelength of each of the oscillating laser beams;
A non-linear optical element provided in the optical resonator for generating a second harmonic of each of the laser beams.
前記波長制御器は、前記各レーザ光の中心波長を所定の波長に揃えるための波長選択素子を有することを特徴とするレーザ光発生装置。 The laser light generator according to claim 1,
The wavelength controller includes a wavelength selection element for aligning a center wavelength of each laser beam to a predetermined wavelength.
前記波長制御器は、前記発振する前記レーザ光ごとに異なる波長域のレーザ光を選択するための波長選択素子を有することを特徴とするレーザ光発生装置。 The laser light generator according to claim 1,
The wavelength controller includes a wavelength selection element for selecting a laser beam having a different wavelength range for each of the oscillating laser beams.
前記非線形光学素子は、前記レーザ光ごとに異なる周期で形成された分極反転構造を有することを特徴とするレーザ光発生装置。 The laser light generator according to claim 1,
The non-linear optical element has a polarization inversion structure formed with a different period for each laser beam.
前記利得媒体は、固体レーザ媒体でなり、
前記固体レーザ媒体は、
第1の反射率を有し、前記各レーザ光がそれぞれ通過する通過領域と、
前記第1の反射率より高い第2の反射率を有し、各出射領域の間に設けられた反射領域領域と
を有することを特徴とするレーザ光発生装置。 The laser light generator according to claim 1,
The gain medium is a solid laser medium,
The solid-state laser medium is
A passing region having a first reflectivity through which each of the laser beams passes;
A laser light generator, comprising: a second reflectance higher than the first reflectance, and a reflective region provided between the respective outgoing regions.
前記各レーザ光の干渉を抑制するための遮光部材をさらに具備することを特徴とするレーザ光発生装置。 The laser light generator according to claim 1,
A laser light generator, further comprising a light shielding member for suppressing interference between the laser lights.
前記利得媒体は、光ファイバであり、
前記光ファイバは、前記光共振器に設けられたブラッググレーティングを有することを特徴とするレーザ光発生装置。 The laser light generator according to claim 1,
The gain medium is an optical fiber;
The optical fiber includes a Bragg grating provided in the optical resonator.
前記分割された励起光が照射される利得媒体と、
前記利得媒体を利用して、前記分割された励起光ごとに複数の光軸でなるレーザ光を光増幅により発振させるための光共振器と、
前記光共振器内に設けられ、前記発振する各レーザ光の波長を制御する波長制御器と、
前記光共振器内に設けられ、前記各レーザ光の第2高調波を発生させるための非線形光学素子と、
画像を生成するために、前記発生した各第2高調波のレーザ光を変調する変調素子と
を具備することを特徴とする画像生成装置。 An excitation light generator capable of generating excitation light and dividing the generated excitation light into a plurality of optical axes;
A gain medium to which the divided excitation light is irradiated;
Using the gain medium, an optical resonator for oscillating laser light having a plurality of optical axes for each of the divided excitation lights by optical amplification;
A wavelength controller that is provided in the optical resonator and controls the wavelength of each of the oscillating laser beams;
A non-linear optical element provided in the optical resonator for generating a second harmonic of each laser beam;
An image generating apparatus comprising: a modulation element that modulates the generated second harmonic laser beam to generate an image.
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