JP2011134735A - パルスファイバレーザ光源、及び、波長変換レーザ光源 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のパルス発振ファイバレーザ光源の構成ではパルス発振を得るための部材が効率低下の要因となっていた。また、高効率な波長変換素子を使用した場合出力が飽和したり波長変換素子が劣化したりする等の問題があった。
【解決手段】Ｙｂファイバレーザ共振器部分のＹｂファイバに励起が弱くなる部分をもうけ、ポンプ用ＬＤに印加する電流をパルス状にすることによりファイバレーザを安定的にパルス発振させ、高効率な波長変換を実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は、自励発振可能なパルスファイバレーザを得るレーザ装置に関する。

これまで、１μｍ帯の光を発生するレーザ光源としては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザ等の固体レーザが主流となっており、これらを用いたレーザ加工機やこれらの光を基本波とした可視光源などが実現されているが、大出力になるほどレーザ媒質の冷却が必要となり装置が大型化するという課題があった。そこで、簡単な冷却でＷ級の高出力が出力できるファイバレーザ光源は、溶接や波長変換光源の基本波で注目とされている。

さらに、このファイバレーザの基本のレーザ動作について説明する。まず、励起用レーザ光源からの励起光がファイバの一端から入射する。入射した励起光はファイバに含まれるレーザ活性物質で吸収された後、ファイバの内部で基本波の種光が発生する。この基本波の種光は、ファイバに形成されたファイバグレーティングと、ここでは別のファイバのファイバグレーティングを一対の反射ミラーとする共振器の中を何度も反射して往復する。それと同時に、種光はファイバに含まれるレーザ活性物質によるゲインで増幅されて、光強度が増大し波長選択もされてレーザ発振に到る。なお、ファイバとファイバとは、接続部で接続されており、レーザ光源３は励起用レーザ電流源７により電流駆動される。

なお、ビームスプリッタで出力光の一部を分離し、出力光をモニターするための受光素子で受光されたのち電気信号に変換されて利用される。この変換された信号の強度が所望の出力が得られる強度になるように、出力制御部は励起用レーザ電流源でレーザ光源の駆動電流を調整する。そうするとレーザ光源からの励起光の強度が調整され、ファイバレーザの基本波の出力強度が調整される。このことにより波長変換装置の出力の強度は一定に保たれる、いわゆるオートパワーコントロール（以下、「ＡＰＣ」と略する）が安定に動作することとなる。

ところで、レーザ光源としては、高いピークパワーを持つパルス光源であれば、穴あけなどのレーザ加工、高効率波長変換などさらに用途が広がるが、実用段階となっているのは連続発振のタイプであるため、レーザ溶接などに用途が限られている。ファイバを用いた光源でパルス発振させるためには、変調された種光源をファイバアンプで増幅する構成が主流となっている。

加えて、ファイバレーザで発生した基本波から、波長変換装置で高調波を発生させる場合でも、同じ平均出力においては、連続光を波長変換するより高いピークパワーを持つパルス状の基本波光を発生させる方が、基本波から高調波への変換効率を向上させることができるため、ファイバレーザのパルス発振は効率向上に大きく貢献する。

ファイバレーザのパルス化についても通信応用等で検討されており、主共振器と副共振器を設け共振器内に光変調器を挿入し、光変調器により主共振器と副共振器のビート位相を整合させパルスを発生させる方法が特許文献１に記述されているほか、以上分散特性を持つ光ファイバに高い強度のパルス光を入力し、周波数シフト効果により、狭帯域パルス光を発生させる方法（特許文献２）、ファイバレーザ共振器のファイバグレーティング部に過飽和吸収効果を持たせる方法（特許文献３）が示されている。

一方、逆に予期しない光サージパルスを発生させない励起用ＬＤの変調方法についても特許文献４に記載されている。
特許第２５７７７８５号公報 特開平８−１４６４７４号公報 特開２００５−１７４９９３号公報 特開２００７−１４２３８０号公報

しかしながら、従来例の特許文献１ないし２に示しされたような方法は、超狭帯域のパルス光を発生させることは可能であるが、図２の従来構成に示しているように共振器内に変調器２０１を挿入する必要があったり、励起効率が低かったりするため、光源としての効率が低下するという課題があった。また、過飽和吸収帯を共振器内に設けた場合においても、共振器内損失が大きくなるため、効率低下の要因となっていた。また、いずれの場合も、連続光を発生させるファイバレーザ共振器の構成に加えて、新たな部材が必要となるため、コストアップの要因となるという課題もあり、高効率なパルスファイバレーザを利用した波長変換光源の実現が困難であった。

課題を解決する手段として、ファイバに励起光を入射する励起用レーザ光源と、レーザ活性物質を含むファイバと前記レーザ活性物質を含むファイバを挟む形で光学的に接続されている一組のファイバグレーティングからなるレーザ共振器と、上記レーザ共振器から出射するレーザの基本波を高調波に変換する波長変換素子とを具備し、上記レーザ活性物質を含むファイバにおいて励起光が到達しない領域が設けられており、前記励起用レーザ光源を所定のパルス幅および立ち上がり速度で変調することでパルス光を発生させることを特徴としている。

このような方法で、ファイバレーザ光源をパルス化し、効率よく波長変換することを可能にしている。

本願のファイバレーザ光源では、新たに高価な部品を追加すること無しにパルス発振が可能であるため、高効率なレーザ加工機や波長変換光源などを実現することができる。

加えて、パルス発振ファイバレーザ実現の課題となっていた、構成部品の破壊をも防止することを可能とし、より信頼性の高い波長変換レーザ光源を実現できる。

以下、本発明の実施の形態にかかるレーザ応用装置について、図面を参照しながら説明する。なお、図面で同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合もある。

（実施の形態１）
本実施の形態における実施例の一つについて図１に示している。ポンプ用ＬＤ１０１でコア部分に希土類としてＹｂをドープしたダブルクラッド偏波保持ファイバ１０３（本実施例の場合、ファイバ長１０ｍ）を励起し一組のファイバグレーティング１０２・１０４で構成された共振器内でレーザ光を発振させる。Ｙｂをドープしたダブルクラッド偏波保持ファイバとすることで、ファイバグレーティングの特性を操作することにより１０５０−１１７０ｎｍまでの光を任意に発振でき、加工応用や波長変換光源等に応用できるため、このレーザ活性物質を選択した。

本実施例の場合ポンプ用ＬＤとして、発振波長９７５ｎｍのシングルエミッターレーザダイオード（最大出力８Ｗを３個）を使用している。ファイバグレーティング１０２はダブルクラッド偏波保持ファイバのコア部分にゲルマニウムが添加されており、紫外光に対する感度を向上させ、グレーティングを形成させた偏波保持ファイバに形成されており、中心波長１０６４ｎｍ、反射スペクトル半値幅１ｎｍ、反射率９８％という特性を持っている。また、ファイバグレーティング１０４は一般的なシングルモード偏波保持ファイバ（コア径９ｕｍ、クラッド外形１２５ｕｍ）のコア部分に同じくゲルマニウムが添加されたものに形成しており、中心波長は１０６４ｎｍで反射スペクトル半値幅は０．０５ｎｍ、反射率１０ないし１５％のものを使用している。反射スペクトル半値幅については、波長変換光源の基本波として使用する際、波長変換モジュール内での可視光への変換効率を考慮すると０．１ｎｍ以下で０．０１〜０．０６ｎｍの範囲内であることがより望ましいが、この検討においてファイバグレーティング１０４の反射帯域が０．０５ｎｍ以下となった場合、より安定してパルス発振することを確認している。

また、希土類添加ダブルクラッドファイバの発振したレーザ光に対するモードフィールド径が８〜１３μｍのとき、よりパルス発振しやすくなることも確認している。この理由として、モードフィールド径が増加する分レーザ活性物質である希土類イオンの密度を同じくした場合においても添加量を増やすことができることが挙げられる。

なお、波長変換光源の基本波として使用する際、本願に記載のファイバレーザ光源は偏光を単一偏光（直線偏光）にして使用することが望ましい。直線偏光にする理由としては、ＳＨＧモジュール内の波長変換結晶が一方の偏光成分しか波長変換しないためである。その後、発振した１０６４ｎｍ付近の光を伝搬させる光偏波保持ファイバにより、ＳＨＧモジュールに導入し、第２高調波発生により５３２ｎｍの光を発生させる。

本実施形態で提案しているパルスファイバレーザ光源の特長は、ファイバレーザ共振器内のＹｂドープファイバに励起光で励起されない部分が存在していることと、ファイバレーザ共振器と励起光源であるポンプ用ＬＤとの間にＮＡ（開口率）変換器が挿入されていることである。このように構成されたファイバレーザ共振器に対して、ポンプ用ＬＤを駆動する電流波形を所定の立ち上がり速度、パルス幅で駆動することにより、ファイバレーザ共振器をパルス発振させることができ、高ピークパワーの光パルスを得ることができる。

ファイバレーザ共振器内に励起されないＹｂドープ偏波保持ファイバが挿入されていることで、ファイバレーザ共振器が自ら発振した光を自己吸収することで発振が不安定となる。発振が不安定になることで出力光はパルス化しやすい状態となる。発振が不安定なファイバレーザ共振器で、励起光を急峻な立ち上がりとすることで、Ｙｂドープファイバの緩和振動により、ジャイアントパルスを発生させることができる。このことを利用して、急峻な立ち上がり特性を持った励起光で本実施形態のファイバレーザ共振器を周期的に繰り返し励起することで、高ピークな繰り返しパルスレーザを実現することができる。

具体的には、Ｙｂドープダブルクラッド偏波保持ファイバ１０３部分でポンプ用ＬＤから発せられた励起光の９０％以上を吸収させ、Ｙｂドープ偏波保持ファイバ１０６部分では励起光の１０％以下しか到達できないような構造となっていることが望ましい。本願ではコア径９ｕｍでＹｂイオン濃度９×１０^２５個／ｍ^３のＹｂドープファイバを用いているが、その際、Ｙｂドープダブルクラッド偏波保持ファイバ１０３の長さは１０ｍ、Ｙｂドープ偏波保持ファイバ１０６の長さは５ｍとしている。この長さは、ファイバのコア径やＹｂイオン濃度によって変化する値であるので、構成によって変わりうる値であるが、Ｙｂドープ偏波保持ファイバ１０６の長さはＹｂドープダブルクラッド偏波保持ファイバ１０３が励起光の９０％以上を吸収するファイバ長の０．５倍程度であることが望ましい。

さらに、図３に示したようにＹｂドープダブルクラッド偏波保持ファイバ１０３の間に励起光吸収機構３０２を挿入し、強制的に励起光を除去する構成でも同様の効果が得られる。

一方、本ファイバレーザ共振器では高いピークパワーを持つ光が発振するため、ＬＤ側のファイバグレーティング１０２を通過して、励起光に発振した光が戻り（戻り光）、励起光源を破壊してしまうことがあるが、本願で提案のＮＡ変換器を挿入することで、戻り光による破壊を防止することができる。ＮＡ変換機構１０７のメカニズムについて以下に説明する。ポンプ用ＬＤから光を伝搬させる光ファイバはＮＡ０．２２であり、ファイバレーザ共振器に用いるファイバは、励起光はＮＡ０．４６、発振した光はＮＡ０．１でファイバ内を伝搬している。ファイバ内を伝搬する光は、ＮＡが小さいファイバから大きなファイバについては、高い結合効率で光学的に結合されるため、伝搬ロスが小さくなるが、逆にＮＡが大きなファイバから小さなファイバへは、結合効率が小さくなる。そこで、ポンプ用ＬＤとファイバレーザ共振器との間にＮＡ０．２５（ポンプＬＤの光ファイバＮＡより大きく）〜ＮＡ０．４６（ファイバレーザ共振器を構成するファイバにおける励起光に対するＮＡ以下）のマルチモードファイバを挿入することで、発振した光がポンプＬＤへ逆流することを防止できる。具体的にはファイバレーザ共振器内の戻り光はＮＡ０．１なのに対し、ＮＡ変換器はＮＡ０．２５〜ＮＡ０．４６と大きいため、ＮＡ変換器を伝搬する間に、ＮＡ０．３程度となる。その後ポンプ用ＬＤへ接続されるため、戻り光に対しては、ポンプ量ＬＤの光ファイバへの結合効率を低下させることができる。このときＮＡ変換器としてマルチモードファイバを使用する際にはＮＡ０．３〜ＮＡ０．４６であり、長さ１〜５ｍ程度のステップインデックス型光ファイバを用いることが望ましい。

以上のような、ファイバレーザ共振器の構成により、パルス発振しやすい状態の共振器を形成することができるが、ポンプ用ＬＤに印加する電流をパルス変調することで、繰り返しパルス発振をさせることが可能となる。その構成を図４に示している。ＬＤ電源４０１は、立ち上がり速度１〜１５ｎｓの急速な立ち上がりを実現できる電源となっている。この電源は、パルスジェネレータ４０２からの信号をトリガにしてパルス状の電流波形を形成する。立ち上がり速度については、１００μｓｅｃ程度までの早さであればファイバレーザ共振器をパルス発振させることが可能であるが、１〜１５ｎｓという値は、ファイバレーザ共振器に緩和振動によるパルス発光を特に発生させやすくするために必要な値である。図５（ａ）にポンプ用ＬＤへ印加される電流波形に対するファイバレーザ共振器１００から発生される光出力波形を示している。電流波形は立ち上がり速度５ｎｓ・パルス幅３０ｎｓ・パルス間隔１０μｓｅｃとなるよう変調している。図５（ｂ）は実際のパルス波形である。安定した繰り返しパルス波形が得られていることが分かる。

この構成により、ピークパワーで５００Ｗ程度の１０６４ｎｍ光を得ることができた。この１０６４ｎｍ光は、ＳＨＧモジュール１０８の様に非線形光学結晶を用いた波長変換により、２００Ｗ程度のピークパワーを持つグリーン光へ変換される。このパルスグリーンレーザ光は、レーザマーキング等を行うことができるピークパワーを持っていることになる。

ＳＨＧモジュール１０８の構成については、後の実施形態で説明を行う。

なお、ＮＡ変換器として、ＮＡ０．２２のファイバ２〜７本からの励起光入力をＮＡ０．４６のファイバ１本へまとめる際に使用する「マルチモードコンバイナ」を使用することもできる。マルチモードコンバイナを使用することで、ファイバのＮＡの違いによりポンプ用ＬＤへの戻り光を低減する効果に加え、ファイバが分岐されていることによる戻り光低減の効果を得ることができる。この際、コンバイナのポンプ用ＬＤを接続する側のファイバについて、出力側ファイバの中央部分に接続される入力側ファイバは戻り光の影響が大きいため、少なくとも１本は励起用ＬＤを接続しない状態とすることが望ましい。

また、非線形光学結晶を用いた波長変換には、パルスファイバレーザ１００から発生される光の偏光状態が直線偏光である必要がある。直線偏光にする方法として、ＰＡＮＤＡファイバのｆａｓｔ軸ｓｌｏｗ軸の曲げ損失差を利用する方法や、ファイバグレーティング１０２およびファイバグレーティング１０４のｆａｓｔ軸とｓｌｏｗ軸との軸関係を９０°回転させてファイバ融着するなどの方法を用いることができる。

（実施の形態２）
本実施の形態における実施例の一つについて図６に示している。実施の形態２では実施の形態１で提案したパルスファイバレーザ光源をシード光として、さらにファイバアンプで増幅することにより、ピークパワーをさらに増幅できる構成となっている。

なお、本願では、光源から発生した出力光１０５を非線形光学結晶による波長変換に用いるため直線偏光となっている必要がある。そのためファイバアンプに用いるＹｂドープダブルクラッド偏波保持ファイバ５０１もダブルクラッド偏波保持ファイバとなっている必要がある。

ファイバレーザ光源１００とファイバアンプ５００とは、シグナル光を導入するポートがついたコンバイナ５０２から導入される。コンバイナは、ファイバアンプを励起するポンプ用ＬＤ５０３も接続されている。

一方、ファイバアンプを使用する際の課題として、ポンプ用ＬＤ５０３を連続的に励起するとＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）と呼ばれるブロードな波長スペクトルを持つ光が発生し、予期しないジャイアントパルスを引き起こす原因となるため、シード光を発生するファイバレーザ１００を駆動するパルスジェネレータ４０２の信号をトリガにして、ファイバアンプの励起用ＬＤを変調することも本実施形態の特徴となっている。

図７には、シード光のポンプＬＤ電流波形・ファイバアンプのポンプＬＤ波形・シード光出力波形・ファイバアンプ出力光波形を示している。シード光を発生させるファイバレーザは第１の実施形態と同じく、電流波形は立ち上がり速度５ｎｓ・パルス幅３０ｎｓ・パルス間隔１０μｓｅｃとなるよう変調している。ファイバアンプの励起ＬＤを駆動する電流波形は、シード光ＬＤ電流のたち下がりを検出して、パルス間隔１０μｓｅｃ、デューティー比５０％で駆動させている。具体的には、シード光ＬＤ電流のたち下がりから５μｓｅｃ後にファイバアンプを励起するＬＤ電流を印加するという波形になっている。図８に本実施形態の構成を用いて発生させたファイバアンプからの光出力波形を示している。本実施形態では、シード光を駆動するＬＤ電流波形のたち下がり時間とファイバアンプを駆動するＬＤ電流波形のたち下がり時間とを一致させているが、ファイバアンプを駆動するＬＤ電流波形のたち下がりタイミングを、シード光を駆動するＬＤ電流波形のたち下がりタイミングより１〜５ｎｓ早めておくこと（位相をシフトさせること）で、ファイバアンプからの出力光波形におけるたち下がり時の裾を小さくすることができる。たち下がり時の裾を小さくすることは、スキャニングミラーを使用してレーザ加工する際に加工速度・精度・形状を高めることにおいて重要な意味を持つ。

この構成により、第１の実施形態に示したファイバレーザ構成の５〜１０倍のピークパワーを得ることができ、ピークパワーで５ｋＷ程度の１０６４ｎｍ光を得ることができた。この１０６４ｎｍ光は、図１のＳＨＧモジュール１０８の様に非線形光学結晶を用いた波長変換により、２〜３ｋＷ程度のピークパワーを持つグリーン光へ変換される。このパルスグリーンレーザ光は、金属のレーザトリミング等を行うことができるピークパワーを持っていることになる。

また、実施の形態２で説明した、パルスファイバレーザとパルス駆動ファイバアンプとの組み合わせにより、ポンプ用ＬＤからの発熱を小さくすることができるため、放熱構造を簡単な構造にできるという利点もある。本実施形態の場合、ポンプ用ＬＤは、常時点灯しているわけではないため、アルミニウム製のヒートシンクに固定され、外気を冷却ファンで強制的に吹き付けるだけで動作が可能で、従来のＹＡＧ、ＹＶＯ４レーザのような水冷機構が不要で、低消費電力化が可能である。実施の形態２の構成では、０〜５０℃の範囲で安定的にどうさせることができた。

（実施の形態３）
次に実施の形態３では、実施の形態１および２に示した構成の基本波光源から発生した赤外光をＱＰＭ−ＬＮ素子で波長変換する場合の課題とその解決方法について説明している。ＱＰＭ−ＬＮ素子は、大きな非線形光学定数を持つことから基本波から波長変換後の光への変換効率を大きくすることができるが、その大きな非線形光学定数が原因となり、基本波となる赤外光と変換された緑色光（第２高調波）の和周波である紫外光（第３高調波）が位相整合条件からはずれた場合においても発生し、この紫外光で、緑色光の吸収を引き起こし、緑色高出力の飽和・結晶破壊を引き起こすという問題を持っている。

図９に従来例と実施の形態３で提案する波長変換装置の光学系について示している。ファイバレーザ光源１００から発せられた基本波光９０３は集光レンズ９０４で波長変換素子９０１へ集光され、波長変換素子９０１より出射した光は再コリメートレンズ９０５で平行光とされ、ダイクロイックミラー９０６で残った基本波と変換された第２高調波９０７に分離される構成となっている。図９（ｂ）は光学系の従来例であるが、基本波を発生するファイバレーザ光源１００からの基本波９０３を集光レンズ９０４で波長変換素子９０１へ集光する。このとき、ビームの焦光点９０８は波長変換素子の中央とすることが一般的であった。本実施例では、図９の９００（ａ）のように焦光点９０８の位置を波長変換素子の端面近傍に配置することで結晶破壊を防止する方法を提案している。

図９（ｂ）に波長変換素子９０１近傍を拡大、表示した図面を示している。本願では素子長２５ｍｍの分極反転構造を有するＭｇ：ＬｉＮｂＯ_３素子を使用している。素子の温度は、ペルチェ素子９０２で管理されており、位相整合温度を保つようになっている。長さＬ１は焦点位置９０８の結晶端面からの距離を示している。以後、この図面を元に説明を行っている。

図１０はシミュレーションにより得た、各集光位置をパラメータとした素子の端面からの位置と基本波パワー密度との関係を示しているが、想定した集光位置で基本波のパワー密度が最も大きくなっていることが分かる。この計算よりさらに、各集光位置をパラメータとして、紫外光である第３高調波のパワー密度の目安として素子の位置に対する”第２高調波のパワー密度×基本波パワー密度”を示したプロット図が図１１である。このプロット図より、紫外光の強度は集光位置Ｌ１を１０ｍｍ以上とした場合、急激に大きくなることが分かる。この結果より、基本波の集光位置は素子端面より１０ｍｍ以下の値とすることが望ましいことが分かる。このような意味で、波長変換素子の素子長を１０ｍｍ以下とする構成を取ることも可能であるが、波長変換効率が低減するため、素子長は２０−３０ｍｍ程度であることが望ましい。図１２は、従来例である、素子の中央で集光した場合と、Ｌ＝０で集光した場合の入力基本波光に対する、第２高調波光の入出力特性をプロットした図である。従来例（Ｌ＝１２．５）では第２高調波出力が３Ｗとなるあたりで出力飽和が発生しているが、本実施例で提案の構成（Ｌ＝０）では変換効率が６割程度となっているものの、最大出力自体は４．５Ｗまで出力しても出力飽和が観測されず良好な結果が得られている。

この方法は、分極反転構造を有するＭｇ：ＬｉＮｂＯ_３素子に代表されるような大きな非線形光学定数（実効的非線形光学定数ｄ_ｅｆｆ＝１０ｐｍ／Ｖ以上）を持つと本願で提案しているような基本波光のピークパワーがｋＷ以上と大きなパルスレーザでは特に有効である。

（実施の形態４）
図１３は実施の形態４における波長変換レーザ１３００の概略図である。図１３（ｂ）は、基本波レーザ光の主光線のみを示し、基本波レーザ光が波長変換素子への入射角を変化させながら通過する様子を示している。

基本波レーザ光源１３０１を出射した基本波レーザ光は、集光光学系１３０２により集光点が制御され、第１凹面ミラー１３０３と第２凹面ミラー１３０４からなる反射鏡間に入射する。基本波レーザ光は、波長変換素子１３０５に入射し、第２高調波に一部が変換される（１パス目）。第１凹面ミラー１３０３は、基本波レーザ光を反射し、第２高調波レーザ光（波長変換レーザ光）を透過するコーティングを有している。基本波レーザ光と第２高調波レーザ光は、波長変換素子を通過後、第１凹面ミラーに達し、基本波レーザ光は反射され波長変換素子に再入射し、第２高調波レーザ光（波長変換レーザ光）は外部に出力される。第１凹面ミラーを反射した基本波レーザ光は、波長変換素子に再入射し、第２高調波に一部変換され、第２凹面ミラーに達する（２パス目）。第２凹面ミラーでは、基本波レーザ光が反射され、波長変換素子に再入射し、第２高調波に一部変換され、第１凹面ミラーに達する（３パス目）。第１凹面ミラーからは、第２高調波レーザ光は外部に出力され、基本波レーザ光は反射され波長変換素子に再入射する（４パス目）。上記を繰り返すことで、基本波レーザ光は２つの反射鏡間を往復する間に、波長変換素子の通過をくり返し、波長変換レーザ光を発生させる。

基本波レーザ光は、反射鏡の曲率および配置条件、集光光学系の設定により、数から数十往復した後、反射鏡間の往復を停止する。往復を停止するまでに発生した波長変換レーザ光は、本実施形態では第１凹面ミラーから出力される。

波長変換素子における基本波から第２高調波に変換する変換効率ηは、波長変換素子の相互作用長をＬ、基本波のパワーをＰ、波長変換素子でのビーム断面積をＡ、位相整合条件からのずれをΔｋとすると、
η ∝ Ｌ^２ Ｐ ／ Ａ × ｓｉｎｃ^２（Δｋ Ｌ） （１）
とおける。（１）式からわかるように、ビーム断面積が小さい領域で変換効率が高く、波長変換素子の通過領域では、ビームウェスト位置での変換効率が著しく高くなる。本発明では、このビームウェスト位置が、基本波レーザ光が反射鏡間で反射している間に点在するように集光光学系で制御している。反射鏡間のビームウェスト位置が集中すると、光損傷などによる波長変換素子の破壊や、集中した箇所での波長変換が不安定になるという問題が生じるが、これを解決することができる。特に、第１凹面ミラー（第１反射鏡）と第２凹面ミラー（第２反射鏡）の各焦点距離をｆ１、ｆ２で表すと、反射鏡間の距離をｆ１＋ｆ２とする共焦点配置（波長変換素子の屈折率を考慮していない場合）において、ビームウェスト位置が反射鏡の共焦点に集中し、光損傷や波長変換の不安定性が問題となる。

本実施例では、集光光学系によりビームウェスト位置を制御することで、前記共焦点配置をもちいた場合でも、安定な波長変換レーザの出力を可能とする。実施の形態１では、集光光学系によって、図のように第１反射鏡の入射前にビームウェストを形成し、第１および第２反射鏡の焦点でビームウェストを数パス内で形成させず、波長変換素子内の異なるビームウェスト位置で波長変換を行い、安定した波長変換レーザ光を得られるようにしている。集光光学系によりビームウェスト位置を点在させることは、各ビームウェスト位置の異なる位相整合条件をもつビームパスの波長変換をそれぞれ安定に行うことができ、合計する波長変換レーザ光を安定に取り出すことができる本発明に必須の構成となる。

実施の形態４では、第１凹面ミラーに焦点距離ｆ１：２５ｍｍ、第２凹面ミラーに焦点距離ｆ２：２０ｍｍを用いている。反射鏡間への入射は、第２凹面ミラーを第１凹面ミラーよりも小さくなるように切断し、この切断部から行っている。反射鏡の中央間を結ぶ主光線軸とは、図１３の下部で示すように反射鏡間の曲率中心を結ぶ光軸のことをさす。基本波レーザ光は、集光光学系により主光線軸と平行になるように波長変換素子および第１凹面ミラーに入射している。波長変換素子には、分極反転構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３（長さ２６ｍｍ、幅１０ｍｍ）を用いた。反射鏡間距離は５８．４ｍｍとし、共焦点配置からわずかにずらしている。基本波レーザ光は反射鏡間を波長変換素子への入射角を変化させながら、波長変換素子の通過を繰り返している。

位相整合条件とは、非線形光学材料で発生する波長変換光の位相が一致し、波長変換効率が最大（Δｋ＝０）となる条件である。位相整合条件は、レーザ光の波長、非線形光学材料の屈折率、レーザ光の入射角、分極反転構造の周期、などによって決まる。従来ある波長の変換を行う場合、位相整合条件を一致させるため、温度による非線形光学材料の屈折率の調整と入射角の調整を行っており、温度や入射角がずれると位相整合条件からずれ、Δｋ＞０となり波長変換効率の低下がみられる。またレーザ光の波長がずれると、位相整合条件が異なるため、再調整や構成の見直しが必要であった。

本発明では、通過パスにより波長変換素子への入射角が変化しているため、通過パスにより位相整合条件を満たす、レーザ光の波長、非線形光学材料の屈折率（温度）、分極反転周期などが変化することとなる。このため、本発明の波長変換レーザは複数の位相整合条件を有することとなる。一定のレーザ光波長の波長変換を行う場合、位相整合条件を満たす温度が複数存在し、あるひとつの位相整合条件から温度がずれた場合でも、他の通過パスの位相整合条件と合致し、変換効率の低下を補完することができる。

実施の形態４では、通過パスの入射角により位相整合条件を満たす温度が各パスで異なり、合計する全体での変換効率は、温度が変化しても低下しにくくなっている。実施形態１や実施の形態２の構成（パスが一つだけ）の場合、変換効率の半値全幅は１．１度であったが、実施の形態１の変換効率の半値全幅は２．６度と２倍以上の許容幅を持つ。また実施の形態１の合計の変換効率は、繰り返し波長変換素子に基本波レーザ光が入射することにより、従来の構成よりも広い温度範囲で高い値となっている。実施の形態４では、合計変換効率も高く、従来の構成の２倍の変換効率であたる６０％以上の変換効率を達成している。

本実施の形態の波長変換レーザは、波長変換素子がレーザ光を反射し曲率を有する２枚の反射鏡間に配置され、レーザ光が集光光学系により反射機能のない部位より反射鏡間に入射し、レーザ光が反射鏡間を前記波長変換素子への入射角を変化させながら通過を繰り返すことで、位相整合条件を変化させて波長変換を繰り返し、レーザ光の反射鏡間のビームウェスト位置が点在するように集光光学系で制御し、反射鏡の少なくとも一方が波長変換したレーザ光を透過して波長変換レーザを出射することにより、高変換効率を有しながら、位相整合条件を複数有することで、温度などの位相整合条件からの許容幅を拡大し、環境変化などに対し安定な波長変換レーザが得られる。またビームウェスト位置を点在させることで、光損傷や波長変換の不安定性をなくした高出力の波長変換レーザ光を得ることができる。

本実施の形態では、基本波レーザ光源１に中心波長１０６４ｎｍ、スペクトルの半値全幅０．１ｎｍのファイバレーザを用いている。レーザ光源には、ファイバレーザの他、固体レーザ、半導体レーザ、気体レーザ、波長変換レーザなどをもちいることができる。本実施の形態では、第２高調波への波長変換を行っているが、本発明の波長変換レーザは、適当なレーザ光源を選択することで、和周波、差周波および光パラメトリック発振などの波長変換レーザに用いることもできる。

本実施形態は、反射鏡間の距離Ｄを、２枚の反射鏡の焦点距離ｆ１、ｆ２と波長変換素子長をＬとするとき、
ｆ１＋ｆ２＜Ｄ＜ｆ１＋ｆ２＋Ｌ （２）
である好ましい形態である。本実施形態では、ｆ１：２５ｍｍ、ｆ２：２０ｍｍ、Ｌ：２６ｍｍ、のとき、Ｄを５８．４ｍｍとしている。上記の関係に反射鏡間の距離Ｄがあるとき、２枚のミラーの共焦点配置に近く、ビームパスの往復回数が多くなり、波長変換素子の通過数が増大することで、波長変換レーザの合計変換効率を高めることができる。反射鏡の焦点距離とは、反射鏡が非対称レンズの場合、主光線軸に対して反射鏡間への入射光線がずれた方位の焦点距離をさす。波長変換素子の屈折率をｎとするとき、反射鏡間の距離Ｄは、
Ｄ≠ｆ１＋ｆ２＋（１−１／ｎ）×Ｌ（＝共焦点配置） （３）
を満たすことが特に好ましい。ここで共焦点配置とは、２枚の反射鏡の焦点が同じ位置にくる距離Ｄのことをさす。反射鏡間の距離Ｄを共焦点配置とする場合、レーザ光が主光線軸に収束し、高出力時に光損傷や波長変換の不安定性を引き起こす場合がある。このため、共焦点配置からわずかにずれた位置の（２）式の範囲に反射鏡間の距離を設定することが好ましい。具体的には、共焦点配置から０．１〜３ｍｍ程度ずらした位置に距離Ｄを設定する。特に好ましくは、共焦点配置から０．１〜３ｍｍ距離が短い範囲に距離Ｄを設定する。共焦点配置よりも距離を上記範囲に短くすることで、往復数を確保し、反射鏡の焦点位置の収束を避けるとともに、反射鏡間に入射するレーザ光と第２凹面ミラー４（第２反射鏡）の有効径に対するマージンを大きくすることができる。

本実施形態の集光光学系１３０２は、ファイバーコリメータと平凸レンズからなる。集光光学系は、２枚の反射鏡の焦点以外で波長変換素子内にレーザ光の集光を行い、往復する間のビームウェスト位置が波長変換素子内で点在するように制御している。２枚の反射鏡の焦点では、レーザ光のオーバラップが生じ、波長変換素子の破壊や波長変換の不安定性を引き起こす可能性がある。また波長変換を１箇所で集中して行う場合も同様に、波長変換素子の破壊や波長変換の不安定性を引き起こすこととなる。波長変換は集光したビームウェスト位置で強く行われるが、このビームウェスト位置を２枚の反射鏡の焦点以外に点在させている。本発明では、点在したビームウェスト位置で波長変換を行うことで、安定した波長変換レーザ光を出力している。なお、レーザ光が点在したビームウェスト位置で波長変換を繰り返し行った後に、２枚の反射鏡の焦点位置にレーザ光のビームウェスト位置が収束しても構わない。

図１３で示されるように本実施形態は、集光光学系１３０２により、レーザ光が第１凹面ミラー１３０３で反射する前に第１凹面ミラー１３０３と第２凹面ミラー１３０４の反射鏡間で集光する好ましい形態である。反射鏡で反射する前に反射鏡間で集光点（ビームウェスト位置）を有することで、反射鏡の焦点近傍を通過しない多数のレーザ光パスでビームウェストを形成することができる。これにより、波長変換素子のレーザ光路となる広い範囲に多数のビームウェスト位置を配置することができる。本実施の形態では、波長変換素子内の広い範囲にビームウェスト位置を多数点在することができ、高出力時でも安定した波長変換を行うことができる。本実施の形態は、反射鏡で反射する前に波長変換素子内で集光する特に好ましい形態である。反射鏡で反射前に波長変換を行うことで、波長変換素子での初めのパスで波長変換されたレーザ光をモニターし、反射鏡に関わらない波長変換レーザの調整を行うことができ、コンパクトなレーザを作製することができる。また反射鏡で反射を行う前に波長変換を行うことで、合計変換効率を上昇させることができる。

本実施の形態では２枚の反射鏡に球面の凹面ミラーを用いているが、非球面や平面の反射鏡を用いることができる。２枚の反射鏡の内少なくとも１枚は曲率を有し、レーザ光を曲げ、反射鏡間を複数回往復させることと、反射鏡間にレーザ光のビームウェストが形成されるようにする。２枚の反射鏡の組み合わせは、レーザ光が複数回反射し、波長変換素子に少なくとも２種類以上の入射角でレーザ光が入射させればよい。

反射鏡の少なくとも一方は、波長変換したレーザ光を出力するため、波長変換したレーザ光を透過する。本実施の形態では、第１凹面ミラーが波長変換した第２高調波を透過する。第１凹面ミラー１３０３は、基本波（１０６４ｎｍ）の反射率９９．５％、第２高調波（５３２ｎｍ）の透過率９９％で、基本波レーザ光を反射し、第２高調波レーザ光を透過する。第２凹面ミラー１３０４は、基本波（１０６４ｎｍ）の反射率９９．５％、第２高調波（５３２ｎｍ）の反射率９９％で、基本波レーザ光と第２高調波レーザ光をともに反射する。反射鏡のレーザ光（基本波）に対する反射率は、高ければ、損失が少なくなり好ましい。波長変換レーザ光に対しては、２枚の反射鏡が透過する構成としてもよいし、１枚だけが透過する構成としてもよい。

実施の形態４では、波長変換素子１３０５に分極反転構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３（ＰＰＬＮ）を用い、形状は直方体（長さ２６ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚み１ｍｍ）である。波長変換素子は、波長変換を行うことができる非線形光学結晶からなる。例えば、ＫＴＰ、ＬＢＯ、ＣＬＢＯ、ＬＴなどの非線形光学結晶を用いることができる。特に、分極反転構造を有し擬似位相整合を行う波長変換素子は、分極反転周期により異なる位相整合条件を同一素子内で形成することができるため、本発明の波長変換レーザに用いることが好ましい。同一素子内で異なる位相整合条件を有することで、波長変換レーザの全体としての温度や波長に対する許容幅を大きくすることができる。

実施の形態４の波長変換素子１３０５は、主光線軸と垂直な入射面を持つように配置されている。波長変換素子１３０５は、分極反転構造は、入射面と平行な周期で形成され、分極反転周期は約７μｍである。前記したように分極反転周期は、素子内で同一でなく、周期や向きを変化させた構成としてもよい。波長変換素子１３０５の入出射面は、レーザ光（基本波）と波長変換レーザ光（第２高調波）のＡＲコートが形成されている。波長変換素子は、反射鏡間での不要な反射を避けるため、レーザ光と波長変換レーザ光のＡＲコートを形成することが好ましい。

実施の形態４は、第１凹面ミラー１３０３の有効径がφ５、第２凹面ミラー１３０４の有効径がφ４であり、波長変換素子１３０５のレーザ光が往復する幅は５ｍｍであり、細長いコンパクトな形状で、ハイパワーの波長変換レーザを安定して出力することができる。実施の形態４では第１凹面ミラー１３０３に入射するビーム径がφ０．３と、反射鏡に入射するレーザ光のビーム径が有効径の小さい反射鏡（第２凹面ミラー）の有効径の１／５以下である好ましい形態である。反射鏡間に入射するビームが、反射鏡に対して十分に小さいため、反射鏡間でのレーザ光のオーバラップを緩和するとともに、反射鏡間でのレーザ光の往復数を大きくすることができる。オーバラップの緩和と往復数の増加により、コンパクトであっても高出力と高変換効率を両立させることができる。本実施の形態の構成で、反射鏡の有効径の１／５よりも入射ビーム径が大きくすると、往復数が３程度となり、変換効率が低くなった。反射鏡の有効径とは、反射鏡にレーザ光があたる範囲の長手方向の長さをさす。

実施の形態４は、基本波レーザ光源の中心波長λが１０６４ｎｍ、スペクトル半値全幅Δλが０．１ｎｍとなり、コヒーレンス長（λ^２／Δλ）は１１．３ｍｍとなる。反射鏡間の距離Ｄが５８．４ｍｍのため、コヒーレンス長は反射間距離の２倍未満となっている。本実施の形態は、レーザ光のコヒーレンス長が反射鏡間の距離の２倍未満となる好ましい形態である。コヒーレンス長が反射鏡間の距離の２倍以上の場合、反射鏡間を往復するレーザ光がオーバラップする点で干渉が生じ、ビーム強度が非常に強くなる点ができる。干渉により生じたビーム強度の強い点は、波長変換素子の結晶破壊や波長変換の不安定性を引き起こすこととなる。本実施の形態は、反射鏡間を往復するレーザ光のコヒーレンス長を往復する距離よりも短くすることで、本発明の構成の場合に生じる干渉性の問題を解決することができる。

このとき、図１３（ｂ）を見ても明らかなようにビームパスは非線形光学結晶素子の外側から内側へ徐々に移動することが分かる。波長変換を行う際、発生した高調波を吸収することによりビームパスの温度が上昇することがあることは本実施形態で示したとおりである。実施の形態４において出力される光高調波は非線形光学結晶素子の外側で大きく、内側に行くほど小さくなる。それ故、実施の形態４のような構成においては、外側のビームパスでは素子の温度が低い状態となっており、内側になるほど温度の高い状態となっていることが望ましい状態といえる。

（実施の形態５）
このパルスファイバレーザ光源を用いた波長変換グリーンレーザ光源を使用してディスプレイ装置を構成する際、レーザをパルス駆動し、レーザの点灯回数のデューティー比（点灯時間／（点灯時間＋非点灯時間）の値）つまり、パルスの間引きかたを変化させることにより平均的な光量を変化させるような制御方法（ＰＷＭ制御）を取ることもできる。

また、図１４に本願で提案しているレーザを光源に用いたプロジェクタシステムの光学エンジン模式図を示している。本実施の形態の２次元画像表示装置１４００は、液晶３板式プロジェクターの光学エンジンに本願の内容を適用させた一例である。画像処理部１４０２、レーザ出力コントローラー（コントローラー）１４０３とＬＤ電源１４０４、赤色、緑色、青色レーザ光源１４０５Ｒ、１４０５Ｇ、１４０５Ｂと、ビーム形成ロッドレンズ１４０６Ｒ、１４０６Ｇ、１４０６Ｂと、リレーレンズ１４０７Ｒ、１４０７Ｇ、１４０７Ｂと折り返しミラー１４０８Ｇ、１４０８Ｂと、画像を表示させるための２次元変調素子１４０９Ｒ、１４０９Ｇ、１４０９Ｂと偏光子１４１０Ｒ、１４１０Ｇ、１４１０Ｂと、合波プリズム１４１１および投影レンズ１４１２から構成されている。

グリーンレーザ光源１４０５Ｇはグリーン光源の出力をコントロールするコントローラー１４０３およびＬＤ電源１４０４で制御される。

各光源１４０６Ｒ、１４０６Ｇ、１４０６Ｂからのレーザ光はロッドレンズ１４０６Ｒ、１４０６Ｇ、１４０６Ｂにより、矩形に整形され、リレーレンズ１４０７Ｒ、１４０７Ｇ、１４０７Ｂで各色の２次元変調素子を照明する。各色で、２次元に変調された画像を合波プリズム１４１１で合成し、投影レンズ１４１２よりスクリーン上に投影することにより映像を表示する。

また、緑色レーザ光源１４０５Ｇはレーザ共振器をファイバ内に閉じた系とし、外部からの塵あるいは反射面のミスアライメントなどで共振器の損失が増加することによる出力の経時低下・出力変動を抑制することができる。

一方画像処理部１４０２では、入力される映像信号１４０１の輝度情報に応じてレーザ光の出力を変動させる光量制御信号を発生し、レーザ出力コントローラー１４０３に送出する役割を果たしている。輝度情報に応じて光量を制御することにより、コントラストを向上することが可能となる。

この際、レーザをパルス駆動し、レーザの点灯時間のデューティー比（点灯時間／（点灯時間＋非点灯時間）の値）を変化させることにより平均的な光量を変化させるような制御方法（ＰＷＭ制御）を取ることもできる。

また、このレーザ光源をレーザディスプレイに用いられる緑光源として使用する場合、５１０ｎｍから５５０ｎｍの緑色レーザ光を出射する構成としてもよい。この構成により、視感度の高い緑色のレーザ出力光を得ることができ、色再現性の良いディスプレイとして、さらに原色に近い色表現をすることができる。

また、上記目的を達成するために、本発明の２次元画像表示装置は、スクリーンと、複数のレーザ光源と、レーザ光源を走査する走査部とを備え、レーザ光源は、少なくとも赤色、緑色および青色をそれぞれ出射する光源を用いた構成からなり、レーザ光源のうち、少なくとも緑色の光源は上記のいずれかの波長変換装置を用いた構成としてもよい。

この構成により、視感度の高い緑色のレーザ出力光を得ることができるので、色再現性の良いディスプレイ等に使用して、さらに原色に近い色表現をすることができる。

なお、このような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）のほかに、前方投影型構成の２次元画像表示装置をとることも可能である。

なお、空間変調素子は、透過型液晶あるいは反射型液晶、ガルバノミラーやＤＭＤに代表されるメカニカルマイクロスイッチ（ＭＥＭＳ）を用いた２次元変調素子を用いることももちろん可能である。

なお、本実施の形態のように反射型空間変調素子やＭＥＭＳ、ガルバノミラーといった光変調特性に対する偏光成分の影響が少ない光変調素子において、高調波を光ファイバで伝搬する際は、ＰＡＮＤＡファイバなどの偏波保持ファイバである必要はないが、液晶を用いた２次元変調デバイスを使用する際には、変調特性と偏光特性が大いに関係するため、偏波保持ファイバを使用し、波長変換後の光は直線偏光とすることが望ましい。

また、本願のレーザ装置を眼科手術用のレーザ光源として使用することも可能である。

なお、実施の形態１から２においてファイバレーザは希土類元素としてＹｂをドープしたものを用いたが、他の希土類元素、例えば、Ｎｄ、Ｅｒ、Ｄｙ、Ｐｒ、Ｔｂ、Ｅｕ、等から選択された少なくとも１つの希土類元素を用いてもよい。また、波長変換装置の波長や出力に応じて希土類元素のドープ量を変えたり、複数の希土類元素をドープしたりしてもよい。

なお、実施の形態１から２においてファイバレーザの励起用レーザ光源には、波長９１５ｎｍおよび波長９７６ｎｍのレーザを用いたが、ファイバレーザを励起できるものであれば、これらの波長以外のレーザ光源を用いてもよい。

なお、第１から第２の実施の形態において波長変換素子は周期分極反転ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３を用いたが、他の材料や構造の波長変換素子、例えば、周期的に分極反転構造を有するリン酸チタニルカリウム（ＫＴＰ）やＭｇ：ＬｉＴａＯ_３等を用いてもよい。

本発明のレーザ光源によれば、高効率かつ高ピークパワーのパルス光源を得られるため、加工用途あるいは波長変換光源の基本波として使用することで、レーザ応用装置そのものの効率を向上することが可能になるとともに温度特性も合わせて改善されるため外気温等が変化した場合においても安定して高効率なパルス光源として使用することが可能となる。特に励起用ＬＤの冷却にペルチェ素子等の冷却機構を必要とせず、ヒートシンクと冷却ファンによる強制空冷のみで、室温〜４０・５０℃程度の環境で使用できるパルス光源を実現することが可能となるためトータルの投入電力から光出力への変換効率を向上させることが可能となる。

本願実施の形態１で提案するパルスファイバレーザ光源の構成を示す模式図 パルスファイバレーザ光源における従来構成の一例を示した模式図 本願実施の形態１で提案するパルスファイバレーザ光源における別形態の構成を示す模式図 本願実施の形態１で提案するパルスファイバレーザ光源を駆動するポンプ用ＬＤへの電流供給方法を示した模式図 （ａ）ポンプ用ＬＤへ供給する電流の波形とパルスファイバレーザ光源から発生する光出力の波形との時間関係を示したプロット図（ｂ）パルスファイバレーザ光源から発生した実際の光出力波形を示す図 本願実施の形態２で提案している、実施の形態１のパルスファイバレーザをシード光にして、ファイバアンプで増幅させる構成（Ｍａｓｔｅｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ − Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）と各ポンプ用ＬＤの電源についての接続状態を示す模式図 シード光および光アンプのポンプ用ＬＤへ供給する電流の波形とシード光のパルスファイバレーザ光源と光アンプからから発生する光出力の波形との時間関係を示したプロット図 光アンプから発生した実際の光出力波形を示す図 （ａ）実施の形態３に示した、波長変換機構の構成模式図（ｂ）波長変換素子と基本波集光位置との関係を示した構成模式図 集光位置と基本波パワー密度との関係を示したプロット図 集光位置と第３高調波である紫外光のパワー密度を示したプロット図 従来例と実施の形態３に記載の構成での波長変換特性を示したプロット図 本願実施の形態４における波長変換レーザ光源の概略図 本願パルス光源を用いた波長変換グリーン光源を使用してディスプレイ装置を構成した構成例の模式図

符号の説明

１００ ファイバレーザ光源
１０１ ポンプ用ＬＤ（励起光源）
１０２ ファイバグレーティング
１０３ Ｙｂドープダブルクラッド偏波保持ファイバ
１０４ ファイバグレーティング
１０５ 出力光
１０６ Ｙｂドープ・偏波保持ファイバ
１０７ ＮＡ変換器
１０８ ＳＨＧモジュール
２０１ 変調機構
３０１ Ｙｂドープダブルクラッド偏波保持ファイバ
３０２ 励起光吸収機構
３０３ 励起光が吸収される部分
３０４ 励起光が到達しない部分
４０１ ＬＤ電源
４０２ パルスジェネレータ
９００ 波長変換機構
９０１ 波長変換素子
９０２ 温調機構
９０３ 基本波光
９０４ 集光レンズ
９０５ 再コリメートレンズ
９０６ ダイクロイックミラー
９０７ 第２高調波（波長変換された光）
９０８ 集光位置（集光点）
１３０１ 基本波レーザ光源
１３０２ 集光光学系
１３０３ 第１凹面ミラー
１３０４ 第２凹面ミラー
１３０５ 波長変換素子
１３０６ ビームウェスト位置
１３０７ 基本波レーザ光の主光線
１３０８ 主光線軸
１４００ ２次元画像表示装置
１４０１ 映像信号
１４０２ 画像処理部
１４０３ レーザ出力コントローラー
１４０４ ＬＤ電源
１４０５Ｒ，１４０５Ｇ，１４０５Ｂ 赤色・緑色・青色レーザ光源
１４０６Ｒ，１４０６Ｇ，１４０６Ｂ ビーム形成ロッドレンズ
１４０７Ｒ，１４０７Ｇ，１４０７Ｂ リレーレンズ
１４０８Ｇ，１４０８Ｂ 折り返しミラー
１４０９Ｒ，１４０９Ｇ，１４０９Ｂ ２次元変調素子（液晶パネル）
１４１０Ｒ，１４１０Ｇ，１４１０Ｂ 偏光子
１４１１ 合波プリズム
１４１２ 投影レンズ

Claims (11)

1. ファイバに励起光を入射する励起用レーザ光源と、
   レーザ活性物質を含むファイバと
   前記レーザ活性物質を含むファイバを挟む形で光学的に接続されている
   一組のファイバグレーティングからなるレーザ共振器と、
   前記レーザ共振器から出射するレーザの基本波を高調波に変換する波長変換素子とを具備し、前記レーザ活性物質を含むファイバにおいて励起光が到達しない領域が設けられており、
   前記励起用レーザ光源を所定のパルス幅および立ち上がり速度で変調することでパルス光を発生させることを特徴とするパルスファイバレーザ光源。
2. ファイバに励起光を入射する種光励起用レーザ光源と、
   レーザ活性物質を含むファイバと
   前記レーザ活性物質を含むファイバを挟む形で光学的に接続されている
   一組のファイバグレーティングからなるレーザ共振器と、
   前記レーザ共振器から出射するレーザの基本波を高調波に変換する波長変換素子とを具備し、前記レーザ活性物質を含むファイバにおいて励起光が到達しない領域が設けられた構成のファイバレーザを種光とし、
   偏波保持構造を有するレーザ活性物質を含むファイバと
   増幅器励起用レーザ光源と
   前記増幅器励起用レーザ光源と前記偏波保持構造を有するレーザ活性物質を含むファイバとを光学的に結合するコンバイナで構成される増幅器とで構成され、
   前記種光励起用レーザ光源および増幅器励起用レーザ光源の駆動電流が同期して、所定のパルス幅および立ち上がり速度で変調することでパルス光を発生させることを特徴とするパルスファイバレーザ光源。
3. 前記励起光が到達しない領域を形成するために、前記レーザ活性物質を含むファイバの中間に励起光吸収機構が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパルスファイバレーザ光源。
4. 前記励起用レーザ光源と前記レーザ共振器とが前記励起用レーザ光源の出力ファイバＮＡ以上で、前記レーザ共振器の励起光に対するファイバＮＡ以下であるステップインデックス型マルチモードファイバで光学的に結合されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のパルスファイバレーザ光源。
5. 前記励起用レーザ光源と前記レーザ共振器とが入力ポートのＮＡが前記励起用レーザ光源の出力ファイバＮＡ以上で、出力ポートのＮＡが前記レーザ共振器の励起光に対するファイバＮＡ以下であるマルチモードコンバイナで光学的に接続されており、前記コンバイナの入力ポートのうち少なくとも一つ以上は励起用ＬＤが接続されない構造となっていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のパルスファイバレーザ光源。
6. 前記励起用レーザ光源に印加する電流の立ち上がり速度が１ｎｓ〜１００μｓであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のパルスファイバレーザ光源。
7. 前記増幅器励起用レーザ光源を駆動するＬＤ電流の立ち下がりタイミングが、前記種光励起用レーザ光源を駆動するＬＤ電流のたち下がりタイミングより早くなっていることを特徴とする請求項２から請求項６のいずれか１項に記載のパルスファイバレーザ光源。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のパルスファイバレーザ光源において、前記励起用レーザ光源がヒートシンクと冷却ファンによって冷却されているパルス発振ファイバレーザ光源を基本波とすることを特徴とする波長変換レーザ光源。
9. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のパルスファイバレーザ光源を基本波光とし、
   前記基本波光を波長変換素子に通過させて、第２高調波を得る構成において、
   前記基本波光の集光位置が、前記波長変換素子の素子端面から０〜１０ｍｍの位置であることを特徴とする波長変換レーザ光源。
10. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のパルスファイバレーザ光源を基本波光とし、
    前記基本波光を波長変換素子に通過させて、第２高調波を得る構成において、
    前記波長変換素子の長さが、０〜１０ｍｍであることを特徴とする波長変換レーザ光源。
11. 請求項８から請求項１０のいずれか１項に記載の波長変換レーザ光源において、波長変換素子に用いられる非線形光学結晶の実効的非線形光学定数が１０ｐｍ／Ｖ以上であることを特徴とする波長変換レーザ光源。

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