JP2008026873A

JP2008026873A - Wavelength conversion apparatus and two-dimensional image display apparatus

Info

Publication number: JP2008026873A
Application number: JP2007145232A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Shikii; 愼一式井; Hiroyuki Furuya; 博之古屋; Kiminori Mizuuchi; 公典水内; Tatsuo Ito; 達男伊藤; Kazuhisa Yamamoto; 和久山本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-06-23
Filing date: 2007-05-31
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2027-05-31
Also published as: JP4977531B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a wavelength conversion apparatus capable of stably providing high output harmonic laser light. <P>SOLUTION: The wavelength conversion apparatus includes an end pump fiber laser 3 containing a laser activating substance, and including a reflecting surface at one end thereof and a fiber grating in the vicinity of the reflecting surface; an excitation laser light source 1 for outputting excitation laser light; an excitation laser light introduction section 4 for introducing the excitation laser light to the fiber laser; a wavelength conversion element 5 for converting a fundamental wave generated by the fiber laser to a harmonic; and a rear reflecting surface 6 located outside the fiber laser and forming a laser cavity together with the fiber grating 2. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、波長変換装置及び二次元画像表示装置に関し、より特定的には、レーザファイバと波長変換素子とを組み合わせて、高出力な高調波レーザを安定して得ることができる波長変換装置、及びそれを用いた二次元画像表示装置に関する。 The present invention relates to a wavelength conversion device and a two-dimensional image display device, and more specifically, a wavelength conversion device capable of stably obtaining a high-power harmonic laser by combining a laser fiber and a wavelength conversion element, And a two-dimensional image display apparatus using the same.

単色性が強くＷ級の高出力が得られる可視光源は、大型ディスプレイや高輝度ディスプレイ等を実現する上で必要とされている。赤、緑、青の３原色のうち赤色の光源については、ＤＶＤレコーダー等で使用されている赤色高出力半導体レーザが、生産性の高い小型の光源として利用可能である。しかし、緑色または青色の光源については、半導体レーザでの実現が難しく、生産性の高い小型の光源が求められている。 A visible light source having strong monochromaticity and capable of obtaining a W-class high output is required for realizing a large display, a high-luminance display, and the like. Of the three primary colors of red, green, and blue, red high-power semiconductor lasers used in DVD recorders and the like can be used as compact light sources with high productivity. However, a green or blue light source is difficult to realize with a semiconductor laser, and a compact light source with high productivity is demanded.

従来の緑色または青色の光源としては、レーザファイバと波長変換素子とを組み合わせた波長変換装置が低出力の可視光源として実現されている。このような波長変換装置では、レーザファイバを励起する励起光の光源として半導体レーザが、波長変換素子として非線形光学結晶が用いられる。 As a conventional green or blue light source, a wavelength conversion device combining a laser fiber and a wavelength conversion element is realized as a low-power visible light source. In such a wavelength conversion device, a semiconductor laser is used as a light source of excitation light for exciting a laser fiber, and a nonlinear optical crystal is used as a wavelength conversion element.

図１０に従来の波長変換装置の概略構成を示す。ここでは、図１０に示す波長変換装置を用いて、緑色の出力光を得る場合について説明する。図１０において、従来の波長変換装置は、基本波を出力するレーザファイバ４０と、基本波を緑色のレーザ光に変換する波長変換素子４１と、波長変換素子４１の端面に基本波を集光するレンズ４２とから構成されている。 FIG. 10 shows a schematic configuration of a conventional wavelength converter. Here, a case where green output light is obtained using the wavelength conversion device shown in FIG. 10 will be described. In FIG. 10, the conventional wavelength conversion device condenses the fundamental wave on the end surface of the laser fiber 40 that outputs the fundamental wave, the wavelength conversion element 41 that converts the fundamental wave into green laser light, and the wavelength conversion element 41. And a lens 42.

まず、レーザファイバ４０の基本動作について説明する。レーザファイバ４０において、励起用レーザ光源４３から出力された励起光（励起レーザ）がファイバ４４の一端４４ａから入射する。ファイバ４４に入射した励起光は、ファイバ４４に含まれるレーザ活性物質で吸収された後、ファイバ４４の内部で基本波の種光に変換される。この基本波の種光は、ファイバ４４に形成されたファイバグレーティング４４ｂと、ファイバ４５に形成されたファイバグレーティング４５ｂとを一対の反射ミラーとするレーザ共振器の中を何度も反射して往復する。それと同時に、基本波の種光は、ファイバ４４に含まれるレーザ活性物質によるゲインで増幅されて、光強度が増大すると共に波長選択されてレーザ発振に到る。なお、ファイバ４４とファイバ４５とは、接続部４６で接続されており、励起用レーザ光源４３は励起用レーザ電流源４７により電流駆動される。 First, the basic operation of the laser fiber 40 will be described. In the laser fiber 40, excitation light (excitation laser) output from the excitation laser light source 43 enters from one end 44 a of the fiber 44. The excitation light incident on the fiber 44 is absorbed by the laser active material contained in the fiber 44 and then converted into fundamental seed light inside the fiber 44. The seed light of the fundamental wave is reflected back and forth many times in a laser resonator having a pair of reflecting mirrors, a fiber grating 44b formed in the fiber 44 and a fiber grating 45b formed in the fiber 45. . At the same time, the seed light of the fundamental wave is amplified by the gain of the laser active substance contained in the fiber 44, and the light intensity increases and the wavelength is selected to reach laser oscillation. The fiber 44 and the fiber 45 are connected by a connecting portion 46, and the excitation laser light source 43 is current-driven by the excitation laser current source 47.

レーザファイバ４０から出力された基本波は、レンズ４２を介して波長変換素子４１に入射し、波長変換素子４１の非線形光学効果により高調波に変換される。この変換された高調波は、ビームスプリッタ４８で一部反射されるが、透過された高調波が波長変換装置の出力光である緑色のレーザ光となる。 The fundamental wave output from the laser fiber 40 enters the wavelength conversion element 41 via the lens 42 and is converted into a harmonic by the nonlinear optical effect of the wavelength conversion element 41. The converted harmonic is partially reflected by the beam splitter 48, but the transmitted harmonic becomes green laser light that is output light of the wavelength converter.

ビームスプリッタ４８で一部反射された高調波は、波長変換装置の出力光をモニターするための受光素子４９で受光された後、電気信号に変換されて利用される。出力制御部５０は、受光素子４９で変換された電気信号が所望の強度が得られるように、励起用レーザ電流源４７を制御し、励起用レーザ光源４３の駆動電流を調整する。これによって、従来の波長変換装置は、励起用レーザ光源４３から出力される励起光の強度が調整されると共に、レーザファイバ４０から出力される基本波の強度が調整され、安定した出力光を得ることができた。 The harmonics partially reflected by the beam splitter 48 are received by a light receiving element 49 for monitoring the output light of the wavelength converter, and then converted into an electrical signal for use. The output control unit 50 controls the excitation laser current source 47 and adjusts the drive current of the excitation laser light source 43 so that the electric signal converted by the light receiving element 49 has a desired intensity. As a result, the conventional wavelength conversion device adjusts the intensity of the excitation light output from the excitation laser light source 43 and adjusts the intensity of the fundamental wave output from the laser fiber 40 to obtain stable output light. I was able to.

また、上述した以外の従来の光源としては、例えば、特許文献１には、基本波の波長を固定することで、安定した出力光を得ることができる波長変換装置が提案されている。図１１に、特許文献１に記載の従来の波長変換装置の概略構成を示す。図１１において、レーザ媒質５１の片端面には反射膜が形成され、出射側面には反射防止膜が形成されている。レーザ媒質５１から出力された基本波は、レンズ５６により波長変換素子５３内に集光され、その一部が波長変換されて高調波として出力される。波長変換素子５３から出力された基本波と高調波とは、レンズ５７により波長選択ミラー５５の表面に集光される。波長選択ミラー５５は、基本波を反射し、高調波を透過する。波長選択ミラー５５により選択的に反射された基本波は、逆の経路を経由してレーザ媒質５１に帰還する。これによって、レーザ媒質５１の発振波長を、帰還光の波長に固定することができる。すなわち、従来の波長変換装置は、レーザ媒質５１の発振波長を波長変換素子５３の位相整合波長に自動的に固定できるため、安定した出力光を得ることができた。
特開２００６−１９６０３号公報 As a conventional light source other than those described above, for example, Patent Document 1 proposes a wavelength converter that can obtain stable output light by fixing the wavelength of the fundamental wave. FIG. 11 shows a schematic configuration of a conventional wavelength conversion device described in Patent Document 1. In FIG. 11, a reflection film is formed on one end surface of the laser medium 51, and an antireflection film is formed on the emission side surface. The fundamental wave outputted from the laser medium 51 is condensed in the wavelength conversion element 53 by the lens 56, and a part of the fundamental wave is wavelength-converted and outputted as a harmonic. The fundamental wave and the harmonic wave output from the wavelength conversion element 53 are collected on the surface of the wavelength selection mirror 55 by the lens 57. The wavelength selection mirror 55 reflects the fundamental wave and transmits the harmonic. The fundamental wave selectively reflected by the wavelength selection mirror 55 returns to the laser medium 51 via the reverse path. Thereby, the oscillation wavelength of the laser medium 51 can be fixed to the wavelength of the feedback light. That is, the conventional wavelength conversion device can automatically fix the oscillation wavelength of the laser medium 51 to the phase matching wavelength of the wavelength conversion element 53, so that stable output light can be obtained.
JP 2006-19603 A

しかしながら、図１０及び図１１に示した従来の波長変換装置は、比較的低出力な高調波レーザを安定して得ることは可能であったが、Ｗ級の高出力な高調波レーザを得ることが難しいという課題があった。 However, the conventional wavelength converter shown in FIGS. 10 and 11 can stably obtain a relatively low-power harmonic laser, but can obtain a W-class high-power harmonic laser. There was a problem that was difficult.

また、図１０及び図１１に示した従来の波長変換装置では、波長変換素子４１、５３として分極反転構造を設けたＬｉＮｂＯ₃やＬｉＴａＯ₃を用いた場合、波長変換素子４１、５３が大きな非線形光学定数を持つことから、第二高調波の発生と共に第三高調波が発生し、この第三高調波が引き金となり第二高調波を吸収するという現象が発生することがあった。そのため、ある一定のパワー密度の基本波と第二高調波とが混在している場合、波長変換素子４１、５３の出射端面付近で素子温度が上昇し、位相整合条件が崩れ（Ｔｈｅｒｍａｌｄｅｐｈａｓｉｎｇが発生し）、発光効率が下がるという課題があった。 In the conventional wavelength conversion device shown in FIGS. 10 and 11, when LiNbO ₃ or LiTaO ₃ having a polarization inversion structure is used as the wavelength conversion elements 41 and 53, the wavelength conversion elements 41 and 53 have a large nonlinear optical property. Since it has a constant, a third harmonic is generated along with the generation of the second harmonic, and a phenomenon may occur in which the third harmonic is triggered and absorbs the second harmonic. For this reason, when a fundamental wave having a certain power density and a second harmonic are mixed, the element temperature rises in the vicinity of the emission end faces of the wavelength conversion elements 41 and 53, and the phase matching condition collapses (thermal dephasing occurs). However, there is a problem that the luminous efficiency is lowered.

それ故に、本発明の目的は、上記従来の課題を解決するものであり、高出力な高調波レーザを安定して得ることができる波長変換装置、及びそれを用いた二次元画像表示装置を提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems, and provide a wavelength converter capable of stably obtaining a high-power harmonic laser, and a two-dimensional image display device using the same. It is to be.

本発明は、波長変換装置に向けられている。そして、上記目的を達成するために、本発明の波長変換装置は、レーザ活性物質を含み、片側端部に反射面を設け、反射面近傍にファイバグレーティングを配置したエンドポンプ型のレーザファイバと、励起レーザを出力する励起光源と、励起光源から出力された励起レーザを、反射面側とは逆側の端面からレーザファイバに取り込む励起レーザ取り込み部と、レーザファイバから発生した基本波を高調波に変換する波長変換素子と、レーザファイバの外部に配置され、ファイバグレーティングとレーザ共振器を構成する後ろ側反射面とを備える。波長変換素子は、ファイバグレーティングと後ろ側反射面との間に配置される。 The present invention is directed to a wavelength converter. In order to achieve the above object, the wavelength conversion device of the present invention includes an end-pump type laser fiber including a laser active substance, having a reflection surface at one end, and arranging a fiber grating in the vicinity of the reflection surface; An excitation light source that outputs the excitation laser, an excitation laser capturing unit that captures the excitation laser output from the excitation light source into the laser fiber from the end surface opposite to the reflection surface side, and a fundamental wave generated from the laser fiber as a harmonic. A wavelength conversion element for conversion and a fiber grating and a back reflecting surface constituting a laser resonator are provided outside the laser fiber. The wavelength conversion element is disposed between the fiber grating and the rear reflective surface.

これによって、波長変換装置は、往路、復路両方の基本波を高調波の発生に寄与させることができる。また、往路、復路両方からそれぞれ高調波を取り出すことができるので、往路方向から取り出すのみではＴｈｅｒｍａｌｄｅｐｈａｓｉｎｇが発生していた光量を、Ｔｈｅｒｍａｌｄｅｐｈａｓｉｎｇを発生させずに往路、復路両方からトータルで取り出すことが可能になる。 As a result, the wavelength conversion device can contribute to the generation of higher harmonic waves in both the forward path and the return path. In addition, since harmonics can be extracted from both the forward path and the return path, the amount of light that has been generated by thermal dephasing can be extracted in total from both the forward path and the return path without generating thermal dephasing only by extracting from the forward path direction. It becomes possible.

好ましくは、後ろ側反射面は、レーザファイバから発生した基本波を反射し、かつ波長変換素子から発生した高調波を透過する波長選択機能を設け、レーザファイバ端部の反射面は、励起レーザと高調波との両方を反射する。これによって、波長変換装置は、さらに効率良く高調波を取り出すことが出来る。 Preferably, the back reflecting surface is provided with a wavelength selecting function for reflecting the fundamental wave generated from the laser fiber and transmitting the harmonic generated from the wavelength conversion element, and the reflecting surface at the end of the laser fiber is formed of an excitation laser. Reflects both harmonics. As a result, the wavelength converter can extract harmonics more efficiently.

波長変換装置は、レーザファイバの出射端部と、波長変換素子との間に高調波取り出し部をさらに備え、高調波取り出し部は、後ろ側反射面で反射した基本波から当該基本波によって発生した高調波を取り出す。これによって、波長変換装置は、復路の基本波で発生した高調波をレーザファイバに戻さずとも取り出すことが可能となる。 The wavelength conversion device further includes a harmonic extraction unit between the output end of the laser fiber and the wavelength conversion element, and the harmonic extraction unit is generated by the fundamental wave from the fundamental wave reflected by the back side reflection surface. Extract harmonics. As a result, the wavelength converter can extract the harmonics generated by the fundamental wave in the return path without returning to the laser fiber.

高調波取り出し部は、波長変換素子のレーザファイバ側端面に設けられた高調波反射用のコーティングであってもよいし、励起レーザ取り込み部に設けられた高調波反射用のコーティングであってもよい。 The harmonic extraction unit may be a harmonic reflection coating provided on the end face of the wavelength conversion element on the laser fiber, or may be a harmonic reflection coating provided on the excitation laser capturing unit. .

後ろ側反射面は、ダイクロイックミラーであり、光軸方向をＺ軸方向とした場合に、Ｘ軸、Ｙ軸周りに回転調整可能とする。あるいは、後ろ側反射面は、波長変換素子から発生した高調波を集光するファイバの入射端面に設けられたコーティングであり、光軸方向をＺ軸方向とした場合に、ファイバの入射端面をＸ軸、Ｙ軸まわりに回転調整可能としてもよい。これによって、波長変換素子は、後ろ側反射面を簡便に調整することが可能となる。 The rear-side reflection surface is a dichroic mirror, and can be rotated around the X and Y axes when the optical axis direction is the Z axis direction. Alternatively, the back-side reflection surface is a coating provided on the incident end surface of the fiber that collects harmonics generated from the wavelength conversion element, and when the optical axis direction is the Z-axis direction, the incident end surface of the fiber is X The rotation adjustment about the axis and the Y axis may be possible. As a result, the wavelength conversion element can easily adjust the rear reflection surface.

レーザファイバの出射側端面は、レーザファイバから出射する基本波の伝播方向が、レーザファイバの出射側端面の垂直方向に対してブリュースター角を形成するようにカットされていることが望ましい。これによって、波長変換装置は、レーザファイバから出射する基本波として単一偏光を得ることができる。この場合、レーザファイバとして、偏波保持機能を持たないシングルモードファイバを用いることができ、安価に波長変換装置を構成することができる。 The emission side end face of the laser fiber is preferably cut so that the propagation direction of the fundamental wave emitted from the laser fiber forms a Brewster angle with respect to the vertical direction of the emission side end face of the laser fiber. As a result, the wavelength conversion device can obtain a single polarized light as a fundamental wave emitted from the laser fiber. In this case, a single-mode fiber having no polarization maintaining function can be used as the laser fiber, and the wavelength conversion device can be configured at a low cost.

また、本発明は、二次元画像表示装置にも向けられている。二次元画像表示装置は、スクリーンと複数のレーザ光源とを備え、レーザ光源は、少なくとも赤色、緑色、青色をそれぞれ出射する光源であり、レーザ光源の内、少なくとも緑色の光源には、上述した波長変換装置のいずれかが用いられる。 The present invention is also directed to a two-dimensional image display device. The two-dimensional image display device includes a screen and a plurality of laser light sources. The laser light sources emit light of at least red, green, and blue, respectively. Among the laser light sources, at least the green light source has the wavelength described above. Any of the conversion devices is used.

これによって、二次元画像表示装置は、緑色の光源を高効率化し、高輝度な画像を得ることができる。また、高効率化の効果として、例えば、レーザファイバを短尺化させ、コストダウンに反映させることも可能であるし、励起光源の光量を下げることにより、消費電力の低減に繋げることも可能になる。 As a result, the two-dimensional image display device can obtain a high-luminance image by increasing the efficiency of the green light source. In addition, as an effect of high efficiency, for example, it is possible to shorten the length of the laser fiber and reflect the cost reduction, and it is also possible to reduce power consumption by reducing the light amount of the excitation light source. .

以上のように、本発明に係る波長変換装置によれば、ファイバグレーティングと後ろ側反射面とで構成されるレーザ共振器の中に波長変換素子を配置することで、往路、復路両方の基本波を高調波の発生に寄与させることができる。また、往路、復路両方からそれぞれ高調波を取り出すことができるので、往路方向から取り出すのみではＴｈｅｒｍａｌｄｅｐｈａｓｉｎｇが発生していた光量を、Ｔｈｅｒｍａｌｄｅｐｈａｓｉｎｇを発生させずに往路、復路両方からトータルで取り出すことが可能になる。これによって、波長変換素子は、高出力な高調波を安定して得ることができる。 As described above, according to the wavelength conversion device of the present invention, by arranging the wavelength conversion element in the laser resonator composed of the fiber grating and the back-side reflection surface, the fundamental wave of both the forward path and the return path Can contribute to the generation of harmonics. In addition, since harmonics can be extracted from both the forward path and the return path, the amount of light that has been generated by thermal dephasing can be extracted in total from both the forward path and the return path without generating thermal dephasing only by extracting from the forward path direction. It becomes possible. As a result, the wavelength conversion element can stably obtain high-output harmonics.

本発明のこれらおよび他の目的、特徴、局面、効果は、添付図面と照合して、以下の詳細な説明から一層明らかになるであろう。 These and other objects, features, aspects and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description when taken in conjunction with the accompanying drawings.

以下、本発明の各実施形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る波長変換装置の構成例を示すブロック図である。図１において、波長変換装置は、励起光源１、エンドポンプ型レーザファイバ３（以下、単にレーザファイバ３と記す）、励起レーザ取り込み部４、波長変換素子５、後ろ側反射面６、集光レンズ１１、集光レンズ１２、及びコリメータレンズ１３を備える。また、レーザファイバ３は、レーザ活性物質を含み、基本波９を反射させるファイバグレーティング２と、励起レーザ８を反射させるファイバ端部の反射面７とから構成されている。 (First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of a wavelength conversion device according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, the wavelength conversion apparatus includes an excitation light source 1, an end pump type laser fiber 3 (hereinafter simply referred to as a laser fiber 3), an excitation laser capture unit 4, a wavelength conversion element 5, a rear reflection surface 6, and a condenser lens. 11, a condenser lens 12, and a collimator lens 13. The laser fiber 3 includes a fiber grating 2 that contains a laser active substance and reflects the fundamental wave 9, and a reflection surface 7 at the end of the fiber that reflects the excitation laser 8.

励起光源１から発した励起レーザ８は、励起レーザ取り込み部４にて反射されコリメータレンズ１３を経由してレーザファイバ３に導光される。励起レーザ取り込み部４は、励起光源１とレーザファイバ３との間に配置され、励起レーザ８をレーザファイバ３に導光する役割をする。レーザファイバ３に導光された励起レーザ８は、レーザファイバ３の中をレーザ活性物質に吸収されながら伝播し、ファイバグレーティング２を通過した後、ファイバ端部の反射面７で反射されてレーザファイバ３の中を折り返してレーザ活性物質に吸収されながら伝播する。そして、励起レーザ８は、一往復してレーザファイバ３から出るまでにほぼレーザ活性物質に吸収されて消失する。 The excitation laser 8 emitted from the excitation light source 1 is reflected by the excitation laser capturing unit 4 and guided to the laser fiber 3 through the collimator lens 13. The excitation laser capturing unit 4 is disposed between the excitation light source 1 and the laser fiber 3 and serves to guide the excitation laser 8 to the laser fiber 3. The excitation laser 8 guided to the laser fiber 3 propagates through the laser fiber 3 while being absorbed by the laser active material, passes through the fiber grating 2, and then is reflected by the reflecting surface 7 at the end of the fiber. 3 is folded and propagated while being absorbed by the laser active material. Then, the excitation laser 8 is almost absorbed by the laser active material and disappears before it exits the laser fiber 3 after one round trip.

この間に発生した基本波の種光は、ファイバグレーティング２と後ろ側反射面６とで構成されたレーザ共振器の間を往復しながら励起レーザ８により増幅され、高出力の基本波としてレーザ発振に至る。このレーザ共振器構造において、共振器の片側をファイバグレーティング２とすることで、任意の反射中心波長を選択すると共に、任意の発振中心波長を選択することが可能になる。さらには、０．０５−０．２ｎｍの狭帯域の基本波を発生することも可能になる。仮にこのファイバグレーティング２を誘電体多層膜等の反射ミラーで構成しただけでは、このレベルの帯域の基本波を発生することは困難であり、また発振しやすい高ゲインの波長で発振するため、任意の波長で発振させることが困難である。波長変換素子５は、ファイバグレーティング２と後ろ側反射面６とで構成された共振器内部に配置される。 The seed light of the fundamental wave generated during this time is amplified by the excitation laser 8 while reciprocating between the laser resonator constituted by the fiber grating 2 and the back-side reflecting surface 6, and becomes laser oscillation as a high-output fundamental wave. It reaches. In this laser resonator structure, by making one side of the resonator a fiber grating 2, it is possible to select an arbitrary reflection center wavelength and an arbitrary oscillation center wavelength. Furthermore, it becomes possible to generate a narrow band fundamental wave of 0.05 to 0.2 nm. If this fiber grating 2 is simply composed of a reflective mirror such as a dielectric multilayer film, it is difficult to generate a fundamental wave of this level, and it oscillates at a high gain wavelength that tends to oscillate. It is difficult to oscillate at a wavelength of. The wavelength conversion element 5 is disposed inside a resonator constituted by the fiber grating 2 and the rear reflection surface 6.

次に、波長変換素子５の機能に関して説明する。上記の様にレーザファイバ３から出射された基本波９（すなわち、往路の基本波）は、コリメータレンズ１３により平行光になった後、集光レンズ１１で集光されて波長変換素子５に入射し、波長変換素子５の非線形光学効果により、一部の基本波９が変換され、波長が基本波９の１／２の高調波１０になって出力される。波長変換素子５から出力された高調波１０は、集光レンズ１２により略平行光となり、後ろ側反射面６を透過して外部に取り出される。外部に取り出された高調波１０は、高調波レーザとして波長変換装置から出力される。この際、波長変換に用いられずに波長変換素子５を透過した基本波９も、集光レンズ１２でやはり略平行光に変換され、後ろ側反射面６にて逆向きに反射される。 Next, the function of the wavelength conversion element 5 will be described. As described above, the fundamental wave 9 emitted from the laser fiber 3 (that is, the fundamental wave in the forward path) is converted into parallel light by the collimator lens 13, then condensed by the condenser lens 11 and incident on the wavelength conversion element 5. Then, due to the nonlinear optical effect of the wavelength conversion element 5, a part of the fundamental wave 9 is converted, and the wavelength becomes a harmonic 10 that is ½ of the fundamental wave 9 and is output. The harmonic wave 10 output from the wavelength conversion element 5 becomes substantially parallel light by the condenser lens 12, passes through the rear reflection surface 6, and is extracted outside. The harmonic wave 10 extracted outside is output from the wavelength conversion device as a harmonic laser. At this time, the fundamental wave 9 that has not been used for wavelength conversion and has passed through the wavelength conversion element 5 is also converted into substantially parallel light by the condenser lens 12 and reflected by the rear reflecting surface 6 in the reverse direction.

後ろ側反射面６で反射された基本波９（すなわち、復路の基本波）は、レーザファイバ３から出射したルートと全く同じルートを逆行し、集光レンズ１２を透過した後、波長変換素子５に入射し、高調波の発生に寄与する。ここでも、波長変換素子５を透過した基本波９は、やはり往路と全く同じルートを逆行し、集光レンズ１１、励起レーザ取り込み部４、及びコリメータレンズ１３を経由してレーザファイバ３に戻ることになり、基本波のレーザ発振に寄与する。通常ＹＡＧレーザ等の固体レーザでは、レーザ共振器を構成するレーザ媒質端に設けられる反射面の反射率は１００％に近い特性を求められるが、レーザファイバでは、ファイバ出射端においては２０％程度の低い光量でも戻れば、安定したレーザ発振を得ることが出来る。そのため、本発明のようにレーザ共振器内部に波長変換素子５を設ける構成を取ることが可能になる。 The fundamental wave 9 reflected by the rear reflecting surface 6 (that is, the fundamental wave on the return path) travels exactly the same route as the route emitted from the laser fiber 3, passes through the condenser lens 12, and then passes through the wavelength conversion element 5. And contributes to the generation of harmonics. Again, the fundamental wave 9 that has passed through the wavelength conversion element 5 travels in exactly the same route as the forward path, and returns to the laser fiber 3 via the condenser lens 11, the excitation laser capturing unit 4, and the collimator lens 13. And contributes to the laser oscillation of the fundamental wave. Normally, in a solid-state laser such as a YAG laser, the reflectance of the reflecting surface provided at the end of the laser medium constituting the laser resonator is required to have a characteristic close to 100%, but in the case of a laser fiber, about 20% at the fiber exit end. Stable laser oscillation can be obtained by returning even a low amount of light. Therefore, it is possible to adopt a configuration in which the wavelength conversion element 5 is provided inside the laser resonator as in the present invention.

波長変換素子５としては、周期状の分極反転構造を有する非線形光学結晶からなるＳＨＧ素子が好ましい。分極反転構造を有するＳＨＧ素子としては、ＫＴｉＯＰＯ₄、ＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃またはＭｇをドープしたＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃またはストイキオＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃等がある。これらの結晶は、高い非線形定数を有するため高効率な波長変換が可能である。また周期構造を変えることで、位相整合条件を自由に設計できるという利点がある。 The wavelength conversion element 5 is preferably an SHG element made of a nonlinear optical crystal having a periodic domain-inverted structure. Examples of SHG elements having a domain-inverted structure include KTiOPO ₄ , LiNbO ₃ , LiTaO _3, or Mg-doped LiNbO ₃ , LiTaO _3, stoichio LiNbO ₃ , LiTaO _{3, and the} like. Since these crystals have high nonlinear constants, highly efficient wavelength conversion is possible. Moreover, there is an advantage that the phase matching condition can be freely designed by changing the periodic structure.

後ろ側反射面６で反射して戻る基本波９によって波長変換素子５内で発生した高調波１０は、やはり集光レンズ１１により平行光にされた後、励起レーザ取り込み部４を経由してコリメータレンズ１３で集光され、レーザファイバ３に入射する。レーザファイバ３は、例えば上述のＹｂドープのファイバであれば、励起レーザ波長９１５ｎｍで吸収を持つが、約５３０ｎｍの高調波に対してはほぼ透明であるため、高調波１０がそのままレーザファイバ３内を伝播する。本構成において、高調波１０は、ファイバグレーティング２を通過した後、励起光反射用のファイバ端部の反射面７があるため、このファイバ端部の反射面７で折り返されることになる。レーザファイバ３内を一往復した高調波１０は、レーザファイバ３から出射し、コリメータレンズ１３で平行光になった後、励起レーザ取り込み部４を通過し、集光レンズ１１、波長変換素子５、集光レンズ１２、及び後ろ側反射面６を経由して、先に述べた往路で発生した高調波１０と同じく外部に取り出すことが可能になる。 The harmonic wave 10 generated in the wavelength conversion element 5 by the fundamental wave 9 reflected and returned from the back reflecting surface 6 is also converted into parallel light by the condenser lens 11, and then passes through the excitation laser capturing unit 4 and collimator. The light is condensed by the lens 13 and enters the laser fiber 3. If the laser fiber 3 is, for example, the Yb-doped fiber described above, the laser fiber 3 has absorption at the excitation laser wavelength of 915 nm, but is almost transparent to the harmonic of about 530 nm. To propagate. In this configuration, after passing through the fiber grating 2, the harmonic wave 10 is folded at the reflection surface 7 at the fiber end because there is the reflection surface 7 at the fiber end for reflecting excitation light. The harmonic wave 10 that reciprocates once in the laser fiber 3 is emitted from the laser fiber 3, becomes parallel light by the collimator lens 13, passes through the excitation laser capturing unit 4, and collects the condensing lens 11, the wavelength conversion element 5, As with the harmonics 10 generated in the forward path described above, the light can be extracted to the outside via the condenser lens 12 and the rear reflective surface 6.

本実施形態においては、励起レーザ取り込み部４、及び後ろ側反射面６をダイクロイックミラーで構成することが考えられる。この場合、励起レーザ取り込み部４には、励起レーザ８を反射し、基本波９を透過する特性を持たせ、後ろ側反射面６には、基本波９を反射し、高調波１０を透過するような特性を持たせることが望ましい。通常は、誘電体多層膜コートにてこのような特性を持たせることが出来る。また、ファイバ端部の反射面７は、励起レーザ８、及び高調波１０をともに反射させる特性を持たせることが望ましい。 In the present embodiment, it is conceivable that the excitation laser capturing unit 4 and the rear reflection surface 6 are configured by a dichroic mirror. In this case, the excitation laser capturing unit 4 has a characteristic of reflecting the excitation laser 8 and transmitting the fundamental wave 9, and reflecting the fundamental wave 9 and transmitting the harmonic wave 10 to the rear side reflection surface 6. It is desirable to have such characteristics. Usually, such a characteristic can be provided by a dielectric multilayer coating. Moreover, it is desirable that the reflection surface 7 at the end of the fiber has a characteristic of reflecting both the excitation laser 8 and the harmonics 10.

なお、波長変換装置は、後ろ側反射面６で反射して戻る基本波９によって波長変換素子５内で発生した高調波１０の取り出しに関して、上述したようにレーザファイバ３に戻すことで取り出すことが可能であったが、図２に示すように、レーザファイバ３と波長変換素子５との間に挿入した高調波取り出し部１４から取り出すことも可能である。この場合、高調波取り出し部１４に基本波９を透過し、高調波１０を反射するような特性を持たせることで、反射した高調波１０を取り出すことが可能になる。すなわち、高調波取り出し部１４で反射した高調波１０は、集光レンズ１１、波長変換素子５、集光レンズ１２、及び後ろ側反射面６を通過して、外部に取り出される。 Note that the wavelength conversion device can extract the harmonics 10 generated in the wavelength conversion element 5 by the fundamental wave 9 reflected and returned from the back reflecting surface 6 by returning to the laser fiber 3 as described above. Although it was possible, as shown in FIG. 2, it is also possible to take out from the harmonic extraction part 14 inserted between the laser fiber 3 and the wavelength conversion element 5. In this case, the reflected harmonics 10 can be extracted by providing the harmonic extraction unit 14 with the characteristic of transmitting the fundamental wave 9 and reflecting the harmonics 10. That is, the harmonic wave 10 reflected by the harmonic wave extraction unit 14 passes through the condenser lens 11, the wavelength conversion element 5, the condenser lens 12, and the rear side reflection surface 6 and is extracted to the outside.

また、波長変換装置は、特別に高調波取り出し部１４として部材を追加しなくても、図３に示すように、励起レーザ取り込み部４に、高調波取り出し用のコーティング１５を施すことで、励起レーザ取り込み部４にて高調波１０を取り出すことも可能である。なお、図３に示す例では、波長変換装置は、後ろ側反射面６及び励起レーザ取り込み部４の両方から高調波１０を取り出すことが可能である。 Further, the wavelength conversion device can be excited by applying a coating 15 for extracting harmonics to the excitation laser capturing unit 4 as shown in FIG. 3 without adding a special member as the harmonic extracting unit 14. It is also possible to take out the harmonics 10 by the laser capturing unit 4. In the example illustrated in FIG. 3, the wavelength conversion device can extract the harmonics 10 from both the rear reflection surface 6 and the excitation laser capturing unit 4.

また、波長変換装置は、図４に示すように、波長変換素子５のレーザファイバ側端面に、基本波９を透過し、高調波１０を反射するコーティング１６を追加しておくことでも、高調波１０を取り出すことが可能になる。 In addition, as shown in FIG. 4, the wavelength conversion device can also add a coating 16 that transmits the fundamental wave 9 and reflects the harmonic wave 10 to the end face of the wavelength conversion element 5 on the laser fiber side. 10 can be taken out.

また、波長変換装置は、後ろ側反射面６で反射された基本波９をレーザファイバ３に戻すことに関して、集光レンズ１２にて往路の基本波を平行光にするか、もしくは後ろ側反射面６上にレーザファイバ３からの出射端に対する共役点が形成されるようにしておく必要がある。ただし、集光レンズ１２にて同時に高調波１０も集光されることから、後ろ側反射面６をダイクロイックミラーで構成する場合は、基本波９が平行光になるように集光レンズ１２の位置を調整しておくことが使用上簡便であり望ましい。 In addition, the wavelength converter converts the fundamental wave 9 reflected by the rear reflective surface 6 back to the laser fiber 3, or converts the fundamental wave of the forward path into parallel light by the condenser lens 12, or the rear reflective surface. It is necessary to form a conjugate point with respect to the emission end from the laser fiber 3 on 6. However, since the harmonic wave 10 is simultaneously collected by the condenser lens 12, the position of the condenser lens 12 is set so that the fundamental wave 9 becomes parallel light when the rear reflecting surface 6 is formed of a dichroic mirror. It is convenient and desirable to adjust the value in advance.

また、波長変換装置は、上述したように後ろ側反射面６をダイクロイックミラーで構成しても良いが、図５Ａに示すように、後ろ側反射面６を設けずに、高調波１０をファイバ１７で集光する構成であってもよい。この場合、ファイバ１７の入射側端面に、基本波９を反射して高調波１０を透過するコーティング１８を施しておけば良い。また、この構成においては、ファイバ１７の入射端面に高調波１０が集光されるように、集光レンズ１２を配置しておくことが望ましい。どちらにしても、ファイバ１７の入射端面で反射された基本波９は、往路と同じ光路を全く逆向きに戻る配置とする。また、波長変換装置は、図５Ｂに示すように、後ろ側反射面６とファイバ１７との間にもうひとつ集光レンズ１２ａを配置し、ファイバ１７の入射端面に高調波１０を集光する構成を取っても良い。この場合、図５Ａに示すようなファイバ１７の入射側端面のコーティング１８は不要になる。 In the wavelength converter, the rear reflecting surface 6 may be formed of a dichroic mirror as described above. However, as shown in FIG. The structure which condenses with may be sufficient. In this case, a coating 18 that reflects the fundamental wave 9 and transmits the harmonic wave 10 may be applied to the incident side end face of the fiber 17. In this configuration, it is desirable to arrange the condenser lens 12 so that the harmonic wave 10 is condensed on the incident end face of the fiber 17. In any case, the fundamental wave 9 reflected by the incident end face of the fiber 17 is arranged to return in the opposite direction on the same optical path as the forward path. In addition, as shown in FIG. 5B, the wavelength conversion device is configured such that another condensing lens 12 a is disposed between the rear-side reflecting surface 6 and the fiber 17 and the harmonic wave 10 is condensed on the incident end surface of the fiber 17. You may take it. In this case, the coating 18 on the incident side end face of the fiber 17 as shown in FIG. 5A becomes unnecessary.

さらに、波長変換装置は、後ろ側反射面６で反射された基本波９をレーザファイバ３に効率良く戻す為には、レーザファイバ３から出射された基本波９の往路に対してなるべく同じ光路を逆向きに伝播させる必要がある。このため、後ろ側反射面６の取り付け角度を、Ｘ軸、Ｙ軸（ただし、光軸方向がＺ軸である）周りに回転調整できるようにしておくとさらに良い。図５Ａにおいても、ファイバ１７の取り付け位置を同じくＸ軸、Ｙ軸周りに回転調整出来る様にしておけば良い。 Further, in order to efficiently return the fundamental wave 9 reflected by the rear reflecting surface 6 to the laser fiber 3, the wavelength conversion device makes the same optical path as possible with respect to the forward path of the fundamental wave 9 emitted from the laser fiber 3. It is necessary to propagate in the reverse direction. For this reason, it is further preferable that the attachment angle of the rear reflective surface 6 can be rotationally adjusted around the X axis and the Y axis (however, the optical axis direction is the Z axis). Also in FIG. 5A, the attachment position of the fiber 17 may be adjusted so that it can be rotated around the X axis and the Y axis.

図６Ａに示す波長変換装置は、図１と同じ構成要素でありながら、励起光源１からの励起レーザ８を、レーザファイバ３に対して折り曲げずに、励起レーザ取り込み部１９を透過させて入射させている。一方で、基本波９を励起レーザ取り込み部１９で折り曲げ、波長変換素子５に導く構成を取っている。この構成を実施するために、励起レーザ取り込み部１９には、励起レーザ８を透過し、基本波９を反射するコーティングを施してある。この構成を取ることで、基本波９、及び高調波１０をレーザファイバ３に戻す際の光路調整の自由度が増すことになる。励起レーザ取り込み部１９、及び後ろ側反射面６の調整方向は、それぞれ光軸をＺ軸とした時に、Ｘ軸、Ｙ軸まわりに回転調整可能であることが望ましい。また、励起光源１の位置を調整することで、励起レーザ８をレーザファイバ３に効率良く入射させることが可能となる。 The wavelength conversion device shown in FIG. 6A is the same component as that in FIG. 1, but allows the excitation laser 8 from the excitation light source 1 to pass through the excitation laser capturing unit 19 without being bent with respect to the laser fiber 3. ing. On the other hand, the fundamental wave 9 is bent by the excitation laser capturing unit 19 and guided to the wavelength conversion element 5. In order to implement this configuration, the excitation laser capturing unit 19 is provided with a coating that transmits the excitation laser 8 and reflects the fundamental wave 9. By adopting this configuration, the degree of freedom of optical path adjustment when returning the fundamental wave 9 and the harmonic wave 10 to the laser fiber 3 is increased. The adjustment directions of the excitation laser capturing unit 19 and the rear reflection surface 6 are preferably adjustable around the X and Y axes when the optical axis is the Z axis. Further, by adjusting the position of the excitation light source 1, the excitation laser 8 can be efficiently incident on the laser fiber 3.

また、図６Ａでは、後ろ側反射面６としてダイクロイックミラーを使用する例を挙げているが、図６Ｂに示すように、高調波１０をファイバ１７に集光する構成を取り、ファイバ１７の入射端面に基本波９を反射し、高調波１０を透過するコーティング１８を設けても良い。また、この構成において、励起レーザ取り込み部１９のコーティングに、さらに高調波１０の波長を反射する特性を持たせることにより、高調波出力の効率を高めることが可能になる。 6A shows an example in which a dichroic mirror is used as the rear-side reflecting surface 6. However, as shown in FIG. 6B, a configuration in which the harmonic wave 10 is condensed on the fiber 17 is adopted. A coating 18 that reflects the fundamental wave 9 and transmits the harmonics 10 may be provided. Further, in this configuration, it is possible to increase the efficiency of the harmonic output by providing the coating of the excitation laser capturing unit 19 with the characteristic of reflecting the wavelength of the harmonic 10.

なお、上述した通り、従来の波長変換装置には、波長変換素子として分極反転構造を設けたＬｉＮｂＯ₃やＬｉＴａＯ₃を用いた場合、波長変換素子が大きな非線形光学定数を持つことから、第二高調波の発生と共に第三高調波が発生し、この第三高調波が引き金となり第二高調波を吸収するという現象が発生することがあった。そのため、ある一定のパワー密度の基本波と第二高調波とが混在している場合、波長変換素子の出射端面付近で素子温度が上昇し、位相整合条件が崩れ（Ｔｈｅｒｍａｌｄｅｐｈａｓｉｎｇが発生し）、発光効率が下がるという課題があった。しかし、本発明の波長変換装置は、上述したように往路、復路両方から第二高調波を取り出すことができるので、従来往路方向から取り出すのみではＴｈｅｒｍａｌｄｅｐｈａｓｉｎｇが発生していた光量を、Ｔｈｅｒｍａｌｄｅｐｈａｓｉｎｇを発生させずに往路、復路両方からトータルで取り出すことが可能になり、結果的に往路、復路トータルで得られる高調波レーザの光量を高出力化することが可能になる。 As described above, when LiNbO ₃ or LiTaO ₃ provided with a domain-inverted structure is used as the wavelength conversion device in the conventional wavelength conversion device, the wavelength conversion device has a large non-linear optical constant. A third harmonic was generated along with the generation of the wave, and this third harmonic was triggered to absorb the second harmonic. Therefore, when the fundamental wave and the second harmonic of a certain power density are mixed, the element temperature rises near the emission end face of the wavelength conversion element, and the phase matching condition collapses (thermal dephasing occurs) There was a problem that the luminous efficiency was lowered. However, since the wavelength conversion device of the present invention can extract the second harmonic from both the forward path and the return path as described above, the amount of light that has been generated by the thermal dephasing by simply extracting from the forward path direction can be reduced by the thermal dephasing. It is possible to take out in total from both the forward path and the return path without generating them, and as a result, it is possible to increase the output of the harmonic laser light obtained in the total of the forward path and the return path.

具体的には、例えば、従来往路方向からのみ約２．８Ｗの出力光の取り出しが可能であった波長変換装置が、本発明の構成を取ることにより、Ｔｈｅｒｍａｌｄｅｐｈａｓｉｎｇを発生させずに、往路方向から約２．２Ｗ程度、復路方向から約１．２Ｗ程度の出力光を得ることが可能になり、トータルで約３．４Ｗ程度の出力光を得ることができる。また、高出力化の効果として、発光量が上がった分を例えばレーザファイバ３を短尺化させコストダウンに反映させることも可能であるし、励起光源１の光量を下げることにより消費電力の低減に繋げることも可能になる。 Specifically, for example, a wavelength converter that has conventionally been capable of extracting about 2.8 W of output light only from the forward direction can take the direction of the forward direction without causing thermal dephasing by adopting the configuration of the present invention. Therefore, it is possible to obtain output light of about 2.2 W from the rear and about 1.2 W from the return direction, and a total output light of about 3.4 W can be obtained. In addition, as an effect of increasing the output, it is possible to reflect the increase in the light emission amount, for example, by shortening the length of the laser fiber 3 and reducing the cost. It can also be connected.

次に、レーザファイバ３から出射される基本波９として、単一偏光を得る手段に関して説明する。図７に、レーザファイバ３の端面２０と波長変換素子５の角度との関係を示す。一般にＬｉＮｂＯ₃のような波長変換素子５では、効率良く波長変換が行える結晶軸と、入射される基本波の電界方向との関係が決まっている。例えば、波長変換素子５にＬｉＮｂＯ₃を用いた場合、高調波１０の出力効率を上げるためには、レーザファイバ３から出射される基本波９がなるべく単一偏光に近く、かつその偏光方向（電界の振幅方向）とＺ軸が同じであることが望ましい。 Next, a means for obtaining a single polarized light as the fundamental wave 9 emitted from the laser fiber 3 will be described. FIG. 7 shows the relationship between the end face 20 of the laser fiber 3 and the angle of the wavelength conversion element 5. In general, in the wavelength conversion element 5 such as LiNbO ₃ , the relationship between the crystal axis capable of efficient wavelength conversion and the electric field direction of the incident fundamental wave is determined. For example, when LiNbO ₃ is used for the wavelength conversion element 5, in order to increase the output efficiency of the harmonic wave 10, the fundamental wave 9 emitted from the laser fiber 3 is as close to a single polarization as possible and its polarization direction (electric field) It is desirable that the Z axis is the same.

レーザファイバ３から出射される基本波９を単一偏光に近づける方法としては、レーザファイバ３から出射する基本波９の角度θｏｕｔを規定しておくことが考えられる。具体的には、レーザファイバ３の端面２０の垂直方向に対して、基本波９の出射角度θｏｕｔがブリュースター角近傍になるように、レーザファイバ３の端面２０をカットしておく。図８に、レーザファイバ３の端面２０での基本波９のＳ偏光、Ｐ偏光の透過率角度依存性を示す。この構成において、レーザファイバ３からの基本波９の出射角度θｏｕｔを５５°近傍に設けると、基本波９のＰ偏光成分はほぼ１００％が透過してレーザファイバ３から出射されるのに対し、Ｓ偏光成分は８７％程度しかレーザファイバ３から出射されないことになる。さらに、基本波９が、例えば後ろ側反射面６にて反射されてレーザファイバ３に戻り、再度レーザファイバ３の端面２０を透過すると、Ｓ偏光の割合は７５％程度に下がる。このようにして、レーザファイバ３の出射端面を所定の角度にカットしておくだけで、Ｐ偏光成分をＳ偏光成分と比較して、ある割合で多く出力することが出来る。 As a method for bringing the fundamental wave 9 emitted from the laser fiber 3 closer to a single polarized light, it is conceivable to define the angle θout of the fundamental wave 9 emitted from the laser fiber 3. Specifically, the end face 20 of the laser fiber 3 is cut so that the emission angle θout of the fundamental wave 9 is in the vicinity of the Brewster angle with respect to the direction perpendicular to the end face 20 of the laser fiber 3. FIG. 8 shows the transmittance angle dependence of the S-polarized light and the P-polarized light of the fundamental wave 9 at the end face 20 of the laser fiber 3. In this configuration, when the emission angle θout of the fundamental wave 9 from the laser fiber 3 is provided in the vicinity of 55 °, almost 100% of the P-polarized component of the fundamental wave 9 is transmitted and emitted from the laser fiber 3, whereas Only about 87% of the S-polarized light component is emitted from the laser fiber 3. Further, when the fundamental wave 9 is reflected by, for example, the rear reflecting surface 6 and returns to the laser fiber 3 and passes through the end face 20 of the laser fiber 3 again, the ratio of S-polarized light decreases to about 75%. In this way, it is possible to output a large amount of P-polarized component at a certain ratio as compared with the S-polarized component simply by cutting the emission end face of the laser fiber 3 at a predetermined angle.

なお、ここでは、レーザファイバ３の端面２０をブリュースター角近傍になるようにカットすることで、偏光を制御しているが、もちろん基本波９が入出射する波長変換素子５の端面をブリュースター角近傍になるようにカットすることでも、同様の効果を得ることが出来るし、複数の面をブリュースター角近傍にカットしておくことで、Ｓ偏光成分に対するＰ偏光成分の割合を増やすことも可能になる。 Here, although the polarization is controlled by cutting the end face 20 of the laser fiber 3 so as to be close to the Brewster angle, of course, the end face of the wavelength conversion element 5 where the fundamental wave 9 enters and exits the Brewster. The same effect can be obtained by cutting near the corner, and the ratio of the P-polarized component to the S-polarized component can be increased by cutting a plurality of surfaces near the Brewster angle. It becomes possible.

この時、レーザファイバ３には、例えば、高出力の励起レーザ８を伝播させることが可能なダブルクラッドの偏波保持ファイバを使うことが考えられている。しかし、偏波保持ファイバは、偏波保持機能を持たないシングルモードファイバ（以下、単にシングルモードファイバと記す）と比較して高価であり、伝播効率が低いという欠点がある。ここで、偏波保持ファイバの伝播効率が低い理由について説明する。ファイバの伝播効率はファイバ自身の構造に依存しており、例えば、ＰＡＮＤＡファイバのような偏波保持ファイバでは、伝送方向に対しコアの両側に応力付与部を設けることで、光弾性効果によりコアに複屈折が誘起され、コア内を伝播する基本波の偏波を保持している。しかし、この応力付与部は基本波が伝播する領域に対して、発振した基本波の散乱源としてわずかに作用し、基本波の伝送損失が発生することになる。そのため、偏波保持ファイバの伝播効率は、シングルモードファイバと比べて低下する。 At this time, for the laser fiber 3, for example, it is considered to use a double clad polarization maintaining fiber capable of propagating the high output pump laser 8. However, the polarization maintaining fiber is expensive as compared with a single mode fiber (hereinafter simply referred to as a single mode fiber) that does not have a polarization maintaining function, and has a drawback that propagation efficiency is low. Here, the reason why the propagation efficiency of the polarization maintaining fiber is low will be described. The propagation efficiency of the fiber depends on the structure of the fiber itself. For example, in a polarization maintaining fiber such as a PANDA fiber, a stress applying portion is provided on both sides of the core with respect to the transmission direction. Birefringence is induced and the polarization of the fundamental wave propagating in the core is maintained. However, this stress applying portion slightly acts as a scatter source of the oscillated fundamental wave in the region where the fundamental wave propagates, and transmission loss of the fundamental wave occurs. Therefore, the propagation efficiency of the polarization maintaining fiber is lower than that of the single mode fiber.

実際、レーザファイバ３にシングルモードファイバと同じ長さの偏波保持ファイバを用いると、その伝播効率から、同じ構成で得られる出力は低くなり、発振に至らないこともある。例えば、１０６４ｎｍで発振するレーザの場合、通常のシングルモードファイバを使用したときの最適長が３０ｍであるのに対し、偏波保持シングルモードファイバを使用したときの最適長は１８〜２０ｍと短くなる上、励起光から発振光への変換効率も１０〜１５％程度低下することが実験により確認されている。しかし上述した通り、レーザファイバ３の端面２０をブリュースター角にカットして偏光の向きを制御しておくことで、安価で伝播効率の良いシングルモードファイバを使用しても、基本波を高効率化することが可能となり、最終的に高調波を高効率化できる。 In fact, if a polarization maintaining fiber having the same length as the single mode fiber is used for the laser fiber 3, the output obtained with the same configuration is lowered due to its propagation efficiency, and oscillation may not occur. For example, in the case of a laser oscillating at 1064 nm, the optimum length when using a normal single mode fiber is 30 m, whereas the optimum length when using a polarization maintaining single mode fiber is as short as 18 to 20 m. Furthermore, it has been confirmed by experiments that the conversion efficiency from excitation light to oscillation light is also reduced by about 10 to 15%. However, as described above, the end face 20 of the laser fiber 3 is cut to the Brewster angle and the direction of polarization is controlled, so that even if a single mode fiber with low cost and good propagation efficiency is used, the fundamental wave is highly efficient. It is possible to improve the efficiency of the harmonics.

こうして主にＰ偏光成分を含んだ基本波の電界Ｐ変更成分Ｅｐを、例えばＬｉＮｂＯ₃結晶やＬｉＴａＯ₃であれはＺ軸方向と同じ方向に配置することにより、基本波を効率良く高調波に変換することが可能になる。また、ＫＴｉＯＰ₄であれば、結晶軸のＺ軸に対して９０°、さらにＸ軸に対して２３．５°傾けた方向からビームを入射し、ＸＹ平面に対して４５°の向きに電界Ｅｐを向けることで、同様に基本波を効率良く高調波に変換することが可能になる。なお、入射角θｏｕｔの範囲としては、ブリュースター角の±１０°以下が望ましく、さらには±５°以下に設計するのが良い。 Thus, the fundamental wave electric field P changing component Ep mainly including the P-polarized component is arranged in the same direction as the Z-axis direction, for example, in the case of LiNbO ₃ crystal or LiTaO ₃ , thereby efficiently converting the fundamental wave into a harmonic. It becomes possible to do. In the case of KTiOP ₄ , the beam is incident from a direction inclined by 90 ° with respect to the Z-axis of the crystal axis and further 23.5 ° with respect to the X-axis, and the electric field Ep is oriented at 45 ° with respect to the XY plane. Similarly, the fundamental wave can be efficiently converted into a higher harmonic wave. The range of the incident angle θout is preferably ± 10 ° or less of the Brewster angle, and more preferably ± 5 ° or less.

以上のように、本発明の第１の実施形態に係る波長変換装置は、ファイバグレーティング２と後ろ側反射面６とで構成されるレーザ共振器の中に波長変換素子５を配置することで、往路と復路の両方の基本波を高調波の発生に寄与させることができ、波長変換の高効率化を達成することが可能となる。また、往路、復路両方から高調波を取り出すことができるので、往路方向から取り出すのみではＴｈｅｒｍａｌｄｅｐｈａｓｉｎｇが発生していた光量を、Ｔｈｅｒｍａｌｄｅｐｈａｓｉｎｇを発生させずに往路、復路両方からトータルで取り出すことが可能になる。これによって、波長変換素子は、高出力な高調波を安定して得ることができる。 As described above, the wavelength conversion device according to the first embodiment of the present invention is configured by disposing the wavelength conversion element 5 in the laser resonator composed of the fiber grating 2 and the rear reflection surface 6. Both the forward and return fundamental waves can contribute to the generation of harmonics, and it is possible to achieve high efficiency in wavelength conversion. In addition, since harmonics can be extracted from both the forward path and the return path, the amount of light that has been generated by thermal dephasing can be extracted in total from both the forward path and the return path without generating thermal dephasing only by extracting from the forward path direction. become. As a result, the wavelength conversion element can stably obtain high-output harmonics.

（第２の実施形態）
図９は、本発明の第２の実施形態に係る二次元画像表示装置（レーザディスプレイ）の概略構成の一例を示すブロック図である。図９において、光源には、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の三色のレーザ光源２１ａ、２１ｂ、２１ｃを用いた。Ｒ光源２１ａには、波長６３８ｎｍのＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系半導体レーザを、Ｂ光源２１ｃには、波長４６５ｎｍのＧａＮ系半導体レーザを用いている。Ｇ光源２１ｂには、第１の実施形態に係る波長変換装置を用いている。Ｒ、Ｇ、Ｂ各光源２１ａ、２１ｂ、２１ｃから出射されたレーザビームは、集光レンズ２２ａ、２２ｂ、２２ｃにより集光した後、二次元ビーム走査手段２３ａ、２３ｂ、２３ｃにより、拡散板２５ａ、２５ｂ、２５ｃ上を走査する。 (Second Embodiment)
FIG. 9 is a block diagram showing an example of a schematic configuration of a two-dimensional image display device (laser display) according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 9, laser light sources 21a, 21b, 21c of three colors of red (R), green (G), and blue (B) are used as light sources. The R light source 21a uses an AlGaInP / GaAs semiconductor laser having a wavelength of 638 nm, and the B light source 21c uses a GaN semiconductor laser having a wavelength of 465 nm. As the G light source 21b, the wavelength conversion device according to the first embodiment is used. After the laser beams emitted from the R, G, and B light sources 21a, 21b, and 21c are condensed by the condenser lenses 22a, 22b, and 22c, the two-dimensional beam scanning units 23a, 23b, and 23c, and the diffusion plate 25a, Scan over 25b and 25c.

画像データは、Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれのデータに分割されており、分割された画像データに関する信号をフィールドレンズ２６ａ、２６ｂ、２６ｃで絞って空間光変調素子２７ａ、２７ｂ、２７ｃに入力した後、ダイクロイックプリズム２８で合波することにより、カラー画像を形成する。カラー画像に関するビームは、投射レンズ２９、３０を通過してスクリーン３１に投射される。ただし、Ｇ光源２１ｂから空間光変調素子２７ｂに入射する光路中には、空間光変調素子２７ｂでのＧ光のスポットサイズをＲ光やＢ光と同じにするために、凹レンズ２４を挿入している。 The image data is divided into R, G, and B data. After the signals related to the divided image data are narrowed down by the field lenses 26a, 26b, and 26c and input to the spatial light modulators 27a, 27b, and 27c, A color image is formed by combining with the dichroic prism 28. The beam relating to the color image is projected onto the screen 31 through the projection lenses 29 and 30. However, a concave lens 24 is inserted in the optical path incident on the spatial light modulator 27b from the G light source 21b so that the spot size of the G light at the spatial light modulator 27b is the same as that of the R light and B light. Yes.

このように、本発明の第２の実施形態に係る二次元画像表示装置は、Ｒ、Ｇ、Ｂ光源にレーザ光源を用いることで、高輝度かつ薄型に構成することができる。また、Ｇ光源に、第１の実施形態に係る波長変換装置を用いることで、Ｇ光出力を高効率化し、高輝度な画像を得ることができる。また、高効率化の効果として、例えば、レーザファイバを短尺化させ、コストダウンに反映させることも可能であるし、励起光源の光量を下げることにより、消費電力の低減に繋げることも可能になる。なお、本発明の第２の実施形態に係る二次元画像表示装置は、上述したようなレーザディスプレイの他に、スクリーンの背後から投影する形態（リアプロジェクションディスプレイ）を取ることも可能である。 As described above, the two-dimensional image display device according to the second embodiment of the present invention can be configured to be high-intensity and thin by using the laser light source as the R, G, and B light sources. Further, by using the wavelength conversion device according to the first embodiment as the G light source, it is possible to increase the efficiency of the G light output and obtain a high-luminance image. In addition, as an effect of high efficiency, for example, it is possible to shorten the length of the laser fiber and reflect the cost reduction, and it is also possible to reduce power consumption by reducing the light amount of the excitation light source. . Note that the two-dimensional image display apparatus according to the second embodiment of the present invention can take a form of projecting from behind the screen (rear projection display) in addition to the laser display as described above.

以上、本発明を詳細に説明してきたが、前述の説明はあらゆる点において本発明の例示にすぎず、その範囲を限定しようとするものではない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。 Although the present invention has been described in detail above, the above description is merely illustrative of the present invention in all respects and is not intended to limit the scope thereof. It goes without saying that various improvements and modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

本発明に係る波長変換装置は、高出力の可視光源等として使用することがで、ディスプレイ分野等への応用が可能である。 The wavelength converter according to the present invention can be used as a high-power visible light source or the like, and can be applied to the display field and the like.

本発明の第１の実施形態に係る波長変換装置の構成例を示すブロック図The block diagram which shows the structural example of the wavelength converter which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施形態に係る波長変換装置の他の構成の一例を示すブロック図The block diagram which shows an example of the other structure of the wavelength converter which concerns on the 1st Embodiment of this invention 本発明の第１の実施形態に係る波長変換装置の他の構成の一例を示すブロック図The block diagram which shows an example of the other structure of the wavelength converter which concerns on the 1st Embodiment of this invention 本発明の第１の実施形態に係る波長変換装置の他の構成の一例を示すブロック図The block diagram which shows an example of the other structure of the wavelength converter which concerns on the 1st Embodiment of this invention 本発明の第１の実施形態に係る波長変換装置の他の構成の一例を示すブロック図The block diagram which shows an example of the other structure of the wavelength converter which concerns on the 1st Embodiment of this invention 本発明の第１の実施形態に係る波長変換装置の他の構成の一例を示すブロック図The block diagram which shows an example of the other structure of the wavelength converter which concerns on the 1st Embodiment of this invention 本発明の第１の実施形態に係る波長変換装置の他の構成の一例を示すブロック図The block diagram which shows an example of the other structure of the wavelength converter which concerns on the 1st Embodiment of this invention 本発明の第１の実施形態に係る波長変換装置の他の構成の一例を示すブロック図The block diagram which shows an example of the other structure of the wavelength converter which concerns on the 1st Embodiment of this invention レーザファイバ３の端面２０と波長変換素子５との角度の関係を示す図The figure which shows the relationship of the angle of the end surface 20 of the laser fiber 3, and the wavelength conversion element 5 レーザファイバ３の端面２０での基本波９のＳ偏光、Ｐ偏光の透過率角度依存性を示す図The figure which shows the transmittance angle dependence of S polarization of the fundamental wave 9 in the end surface 20 of the laser fiber 3, and P polarization | polarized-light 本発明の第２の実施形態に係る二次元画像表示装置の概略構成の一例を示すブロック図The block diagram which shows an example of schematic structure of the two-dimensional image display apparatus which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 従来の波長変換装置の概略構成を示すブロック図Block diagram showing schematic configuration of conventional wavelength converter 従来の波長変換装置の概略構成を示すブロック図Block diagram showing schematic configuration of conventional wavelength converter

Explanation of symbols

１励起光源
２ファイバグレーティング
３レーザファイバ
４励起レーザ取り込み手段
５波長変換素子
６後ろ側反射面
７反射面
８励起レーザ
９基本波
１０高調波
１１集光レンズ
１２集光レンズ
１３コリメータレンズ
１４高調波取出し手段
１５コーティング
１６コーティング
１７ファイバ
１８コーティング
１９励起レーザ取り込み手段
２０レーザファイバの端面
２１ａレーザ光源（Ｒ光源）
２１ｂレーザ光源（Ｇ光源）
２１ｃレーザ光源（Ｂ光源）
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ集光レンズ
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ走査手段
２４凹面レンズ
２５ａ，２５ｂ，２５ｃ拡散板
２６ａ，２６ｂ，２６ｃフィールドレンズ
２７ａ，２７ｂ，２７ｃ空間光変調素子
２８ダイクロイックプリズム
２９投射レンズ１
３０投射レンズ２
３１スクリーン DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Excitation light source 2 Fiber grating 3 Laser fiber 4 Excitation laser capture means 5 Wavelength conversion element 6 Back side reflection surface 7 Reflection surface 8 Excitation laser 9 Fundamental wave 10 Harmonic wave 11 Condensing lens 12 Condensing lens 13 Collimator lens 14 Harmonic extraction Means 15 Coating 16 Coating 17 Fiber 18 Coating 19 Excitation laser capturing means 20 End face of laser fiber 21a Laser light source (R light source)
21b Laser light source (G light source)
21c Laser light source (B light source)
22a, 22b, 22c Condensing lens 23a, 23b, 23c Scanning means 24 Concave lens 25a, 25b, 25c Diffuser plate 26a, 26b, 26c Field lens 27a, 27b, 27c Spatial light modulator 28 Dichroic prism 29 Projection lens 1
30 Projection lens 2
31 screens

Claims

A wavelength converter,
An end-pump type laser fiber containing a laser active material, provided with a reflection surface at one end, and having a fiber grating disposed in the vicinity of the reflection surface;
An excitation light source that outputs an excitation laser;
An excitation laser capturing unit that captures the excitation laser output from the excitation light source into the laser fiber from an end surface opposite to the reflection surface;
A wavelength conversion element that converts a fundamental wave generated from the laser fiber into a harmonic; and
Arranged outside the laser fiber, comprising the fiber grating and a back reflecting surface constituting a laser resonator,
The wavelength conversion device, wherein the wavelength conversion element is disposed between the fiber grating and the rear reflective surface.

The back-side reflecting surface is provided with a wavelength selection function for reflecting the fundamental wave generated from the laser fiber and transmitting the harmonic generated from the wavelength conversion element,
The wavelength conversion device according to claim 1, wherein the reflection surface of the end portion of the laser fiber reflects both the excitation laser and the harmonics.

Further comprising a harmonic extraction part between the emission end of the laser fiber and the wavelength conversion element,
The wavelength converter according to claim 1, wherein the harmonic extraction unit extracts a harmonic generated by the fundamental wave from the fundamental wave reflected by the rear reflecting surface.

The wavelength conversion device according to claim 3, wherein the harmonic extraction unit is a harmonic reflection coating provided on an end surface of the wavelength conversion element on the laser fiber side.

4. The wavelength conversion device according to claim 3, wherein the harmonic extraction unit is a harmonic reflection coating provided in the excitation laser acquisition unit.

2. The wavelength conversion according to claim 1, wherein the back-side reflection surface is a dichroic mirror and can be rotated around the X-axis and the Y-axis when the optical axis direction is the Z-axis direction. apparatus.

The back-side reflection surface is a coating provided on an incident end surface of a fiber that collects harmonics generated from the wavelength conversion element, and when the optical axis direction is a Z-axis direction, the incident end surface of the fiber is The wavelength converter according to claim 1, wherein rotation adjustment is possible around the X axis and the Y axis.

The emission side end face of the laser fiber is cut so that the propagation direction of the fundamental wave emitted from the laser fiber forms a Brewster angle with respect to the vertical direction of the emission side end face of the laser fiber. The wavelength converter according to claim 1.

The wavelength conversion device according to claim 8, wherein the laser fiber is a single mode fiber having no polarization maintaining function.

A two-dimensional image display device,
A screen and a plurality of laser light sources,
The laser light source is a light source that emits at least red, green, and blue, respectively.
The two-dimensional image display apparatus characterized by using the wavelength converter in any one of Claims 1-9 for the green light source among the said laser light sources.