JP5231806B2 - レーザ光源、およびそれを用いたディスプレイ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、安定して高出力で動作するマイクロチップレーザ光源と、それを用いたディスプレイ装置に関する。
固体レーザ結晶を用いたマイクロチップレーザは、光源の小型化を可能にする。マイクロチップレーザとは、半導体レーザ励起の固体レーザ結晶で、その共振器長を数ｍｍ程度に短くしたものである。
一般に、固体レーザ結晶の共振器長を短くすることにより、出力安定性を向上させている（非特許文献１参照）。さらに、マイクロチップレーザと、波長変換素子を組み合わせることにより、緑色光の発生を行っている（非特許文献２参照）。
また、特許文献１には、緑色光の高出力化を行うため、半導体レーザアレイと、固体レーザ結晶と、非線形結晶を組み合わせる半導体レーザ装置が開示されている。
また、特許文献２には、２次元のアレイ状に固体レーザ結晶を並べた構成とすることで、高出力化を図るレーザ光源が開示されている。
また、特許文献３には、レーザ光源の小型化を図るため、半導体レーザと近接させて固体レーザ結晶を配置することにより、レンズを用いることなく半導体レーザから出力される励起光を固体レーザ結晶に入射させる方法が提示されている。
また、特許文献４には、ＹＶＯ4結晶のＮｄ濃度に応じて共振器長を短くすることで、レーザ光源の小型化を図り、かつ、内部共振器構造のＳＨＧレーザを構成する方法が提示されている。
その他、特許文献５には、一つのレーザ結晶を複数の半導体レーザで励起することで、高出力化を図る方法や、複数のレーザ結晶を接着し複数の半導体レーザで励起する方法も示されている。
緑色レーザ光源のさらなる小型化と、高出力化を実現するものとして、特許文献６に示すレーザ光源が提案されている。特許文献６のレーザ光源は、非線形光学結晶としてＫＴｉＯＰＯ4（ＫＴＰ）を、レーザ結晶としてＹＶＯ4を用い、これら２つの結晶を、接着剤を用いて貼り合わせている。
特開２００４−１１１５４２号公報 特開平９−２４６６４８号公報 特許第２５８６２００号公報 特許第３０９１３２９号公報 特許第３０５３２７３号公報 特開２００４−３１６８３号公報 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ Ｂ Ｖｏｌ．１１，ｐｐ４３６−４４５，１９９４ Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ １０５（１９９４） ｐ１８３−８７
しかしながら、特許文献６の固体レーザ結晶と非線形光学結晶とを接着させたレーザ光源は、固体レーザ結晶と非線形光学結晶の熱膨張係数の差異があるため、レーザ発振中に、固体レーザ結晶自体が発熱したり、接着部が熱を吸収したりすると、接着していたレーザ結晶と非線形光学結晶とが剥離し、レーザ発振が停止するという問題がある。さらに、効率の悪いＫＴＰを非線形光学結晶として用いているため、５０〜６０ｍＷ程度の出力しか得ることができなかった。
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、安定した横モードでレーザ発振することができ、かつ高出力であるレーザ光源を提供することを目的とする。
さらに、安定した横モードと高出力特性に優れたレーザ光源を用いたディスプレイ装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の請求項１にかかるレーザ光源は、励起光を出力する半導体レーザと、前記半導体レーザからの励起光により励起される固体レーザ結晶と、該固体レーザ結晶より発する光の波長を変換する非線形光学結晶とが相互に接合され、その各々の反対側の面に第１の反射層と第２の反射層がそれぞれ形成されて構成されてなるレーザ共振器とを、備え、前記固体レーザ結晶は、ＧｄｘＹ１−ｘＶＯ４（０≦ｘ≦１）であり、前記非線形光学結晶は、ＬｉＮｂＯ３またはＬｉＴａＯ３であり、前記固体レーザ結晶の結晶軸であるｃ軸を、前記非線形光学結晶のｚｘ平面内で、該非線形光学結晶のｚ軸に対して傾け、前記固体レーザ結晶の結晶軸であるｃ軸の垂線と、励起用半導体レーザからのレーザビームの出射方向とが略平行であり、３００ｍＷ以上の緑色光を発生する、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項２にかかるレーザ光源は、それぞれ励起光を出力する複数の半導体レーザと、前記複数の半導体レーザからの励起光によりそれぞれ励起される複数の励起部を有する固体レーザ結晶と、該固体レーザ結晶中の複数の励起部により励起される複数の光の波長を変換する非線形光学結晶とが相互に接合され、その各々の反対側の面に第１の反射層と第２の反射層がそれぞれ形成されて構成されてなるレーザ共振器とを備え、前記固体レーザ結晶は、ＧｄｘＹ１−ｘＶＯ４（０≦ｘ≦１）であり、前記非線形光学結晶は、ＬｉＮｂＯ３またはＬｉＴａＯ３であり、前記固体レーザ結晶の結晶軸であるｃ軸を、前記非線形光学結晶のｚｘ平面内で、該非線形光学結晶のｚ軸に対して傾け、前記固体レーザ結晶の結晶軸であるｃ軸の垂線と、励起用半導体レーザからのレーザビームの出射方向とが略平行であり、３００ｍＷ以上の緑色光を発生する、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項３にかかるレーザ光源は、請求項１または２に記載のレーザ光源において、前記固体レーザ結晶の結晶軸であるｃ軸の傾きが、０．５度〜１０度の範囲内である、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項４にかかるレーザ光源は、請求項１または２に記載のレーザ光源において、前記固体レーザ結晶と前記非線形光学結晶の厚みの合計は２ｍｍ以下であり、前記レーザ共振器長は２ｍｍ以下である、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項５にかかるレーザ光源は、請求項２に記載のレーザ光源において、前記固体レーザ結晶の複数の励起部が、互いに２００μｍ以上離れている、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項６にかかるレーザ光源は、請求項２に記載のレーザ光源において、前記固体レーザ結晶の複数の励起部の間隔が、互いに異なっている、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項７にかかるレーザ光源は、請求項２に記載のレーザ光源において、表面に段差が形成されているヒートシンクを、さらに備え、前記複数の半導体レーザのうちの少なくとも２つ以上の半導体レーザが、前記ヒートシンクの異なる高さの段差上に配置されている、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項８にかかるレーザ光源は、請求項１または２に記載のレーザ光源において、前記半導体レーザの活性層の幅は、５０μｍ以下である、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項９にかかるレーザ光源は、請求項１記載のレーザ光源において、前記半導体レーザ、及び前記レーザ共振器の前記固体レーザ結晶はヒートシンクを備え、前記半導体レーザが固定されているヒートシンクと、前記レーザ共振器の前記固体レーザ結晶に設けられたヒートシンクとの間に熱分離層を設けた、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項１０にかかるレーザ光源は、請求項２に記載のレーザ光源において、前記複数の半導体レーザ、および前記レーザ共振器の前記固体レーザ結晶はそれぞれヒートシンクを備え、前記複数の半導体レーザが固定されているヒートシンクと前記レーザ共振器の前記固体レーザ結晶に設けられたヒートシンクとの間に熱分離層を設けた、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項１１にかかるレーザ光源は、請求項１または２に記載のレーザ光源において、前記半導体レーザの後端面に、体積グレーティングを備えた、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項１２にかかるレーザ光源は、請求項２に記載のレーザ光源において、前記レーザ共振器は、前記複数の励起部の間にヒートシンク部を備える、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項１３にかかるレーザ光源は、請求項１または２に記載のレーザ光源において、前記固体レーザ結晶と前記非線形光学結晶が、オプティカルコンタクトされている、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項１４にかかるレーザ光源は、請求項１または２に記載のレーザ光源において、前記固体レーザ結晶は、Ｎｄドープ量が２．５ａｔ％以上であり、結晶の厚みが０．５ｍｍ以下のＮｄ：ＹＶＯ4である、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項１５にかかるレーザ光源は、請求項１または２に記載のレーザ光源において、前記固体レーザ結晶は、Ｎｄドープ量が２．５ａｔ％以上であり、結晶の厚みが０．５ｍｍ以下のＮｄ：ＧｄＶＯ4である、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項１６にかかるレーザ光源は、請求項１または２に記載のレーザ光源において、前記非線形光学結晶は、周期状の分極反転構造を有するＭｇ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｃの何れかを含むＬｉＮｂＯ3であり、かつ厚みが１ｍｍ以下である、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項１７にかかるレーザ光源は、請求項１または２に記載のレーザ光源において、前記固体レーザ結晶のいずれかの対向する側面が、非平行である、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項１８にかかるレーザ光源は、請求項１または２に記載のレーザ光源において、２００ｍＷ以上のグリーン光出力を行う、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項１９にかかるレーザ光源は、請求項２に記載のレーザ光源において、前記固体レーザ結晶の励起部間に、溝を有する、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項２０にかかるレーザ光源は、請求項１９に記載のレーザ光源において、前記固体レーザ結晶の溝と端面が、非平行である、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項２１にかかるレーザ光源は、請求項１６に記載のレーザ光源において、前記非線形光学結晶に形成された分極反転構造の周期が、面内で分布を持っている、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項２２にかかるレーザ光源は、請求項１ないし請求項２１のレーザ光源のうち、少なくとも２つ以上のレーザ光源と、前記複数のレーザ光源からの各レーザビームを整形する均一化光学系と、前記均一化光学系により整形された前記複数のレーザビームを集光するコリメート光学系と、前記コリメート光学系により集光された前記複数のレーザビームを２次元画像に変換する２次元画像変換デバイスとを備えた、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項２３にかかるレーザ光源は、請求項２２に記載のディスプレイ装置において、前記均一化光学系が、ロッドプリズムから構成されている、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項２４にかかるレーザ光源は、請求項２２に記載のディスプレイ装置において、さらに、前記ロッドプリズムに入射するレーザ光の偏向、位相、偏光の少なくともいずれかを変調する光学素子を備えた、ことを特徴とする。
本発明のレーザ光源によれば、励起光を出力する半導体レーザと、前記半導体レーザからの励起光により励起される固体レーザ結晶と、該固体レーザ結晶より発する光の波長を変換する非線形光学結晶とが相互に接合され、その各々の反対側の面に第１の反射層と第２の反射層がそれぞれ形成されて構成されてなるレーザ共振器とを、備え、前記固体レーザ結晶は、ＧｄｘＹ１−ｘＶＯ４（０≦ｘ≦１）であり、前記非線形光学結晶は、ＬｉＮｂＯ３またはＬｉＴａＯ３であり、前記固体レーザ結晶の結晶軸であるｃ軸を、前記非線形光学結晶のｚｘ平面内で、該非線形光学結晶のｚ軸に対して傾け、前記固体レーザ結晶の結晶軸であるｃ軸の垂線と、励起用半導体レーザからのレーザビームの出射方向とが略平行であり、３００ｍＷ以上の緑色光を発生するものとしたことにより、固体レーザ結晶の持つ熱膨張係数と非線形光学結晶の持つ熱膨張係数を近づけることができるため、固体レーザ結晶と非線形光学結晶の熱膨張係数の差異から、レーザ発振中に生じる熱により、接合していたレーザ結晶と非線形光学結晶が剥離し、レーザ発振が停止する、という問題を回避することができ、また、安定して緑色光の高出力化を行うことができるため、より安定な、かつ高い信頼性を持つレーザ光源が実現できる。
本発明のディスプレイ装置によれば、請求項１ないし請求項２１のレーザ光源のうち、少なくとも２つ以上のレーザ光源と、前記複数のレーザ光源からの各レーザビームを整形する均一化光学系と、前記均一化光学系により整形された前記複数のレーザビームを集光するコリメート光学系と、前記コリメート光学系により集光された前記複数のレーザビームを２次元画像に変換する２次元画像変換デバイスとを備え、前記複数のレーザ光源からの複数のレーザビームは、前記均一化光学系により面内強度分布が均一化され、前記２次元画像変換デバイスにより画像に変換されることより、出力安定化と同時にスペックルノイズの低減を図ることが可能となり、高画質のディスプレイを実現できる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１によるレーザ光源装置について説明する。
図１（ａ）は、本実施の形態１によるレーザ光源の構成を示す表面図である。
本実施の形態１のレーザ光源１０８は、半導体レーザチップ１０２と、固体レーザ結晶１０４と非線形材料１０３が相互に接合され、その各々の反対側の面に反射コート１０６、１０５が形成されて構成されてなるレーザ共振器とを備えている。
半導体レーザチップ１０２は、励起光を出力する。この半導体レーザチップ１０２は、ヒートシンク１０１上に半田で固定されている。
固体レーザ結晶１０４は、半導体レーザチップ１０２からの励起光により励起される励起部６０１を有する。固体レーザ結晶１０４として、ＧｄxＶ1-xＯ4（０≦ｘ≦１）を用いる。
非線形材料１０３は、固体レーザ結晶１０４中の励起部６０１により励起される光の波長を変換する。非線形光学結晶１０３として、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）またはタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）を用いる。
このような本実施の形態１のレーザ光源の動作について説明する。
半導体レーザ１０２から出射されたレーザ光（８０８ｎｍ近傍の発振波長を有する。）は、固体レーザ結晶１０４の励起部６０１を励起し、１．０６μｍ近傍の光を発生する。発生した光は、非線形材料１０３により高調波に波長変換され、波長０．５３μｍの緑色レーザ光１０７が発生し、外部に出力される。
以下に、本実施の形態１のレーザ光源の特徴について説明する。
本実施の形態１では、固体レーザ結晶１０４としてネオジウムドープイットリウムバナデート（Ｎｄ：ＹＶＯ4）結晶を使用しており、この結晶のａ軸方向、ｃ軸方向における各結晶軸の熱膨張係数は、αａ＝４．４３ｘ１０-6／Ｋ、αｃ＝１１．３７ｘ１０-6／Ｋである。また、非線形材料１０３として、酸化マグネシウムドープニオブ酸リチウム（Ｍｇ：ＬｉＮｂＯ3）を使用しており、この材料のａ軸方向、ｃ軸方向における各結晶軸の熱膨張係数は、αａ＝２．０ｘ１０-6／Ｋ、αｃ＝２．２ｘ１０-6／Ｋとなっている。
通常、固体レーザ結晶と、非線形材料を、オプティカルコンタクト、拡散融着（ディフュージョンボンディング）、接着剤等により接合する場合、固体レーザ結晶から発せられる光の偏光方向と、波長変換結晶に入射するべき光の偏光方向とを一致させるために、Ｎｄ：ＹＶＯ4のｃ軸と、Ｍｇ：ＬｉＮｂＯ3のｃ軸とを一致させて接合する。ところが、ＹＶＯ4結晶と、ＬｉＮｂＯ3結晶とのｃ軸方向の熱膨張率の差は５倍以上であるため、レーザ発振時にＹＶＯ4結晶が発熱して温度が１００℃前後にまで至った際に結晶にクラックが入るという問題があった。そこで、本発明では、非線形光学結晶のｚｘ平面内で、該非線形光学結晶のｚ軸に対して、固体レーザ結晶のｃ軸を傾けることにより、Ｍｇ：ＬｉＮｂＯ3結晶との接合面における熱膨張係数を見かけ上、小さくすることができる。これにより、レーザ発振時のクラックの発生を防止し、レーザ装置の信頼性を向上させることができる。
図３に、本実施の形態１のレーザ光源における、非線形光学材料と、固体レーザ結晶の結晶軸の角度の関係を示している。図３に示すように、非線形材料１０３のｃ軸と、ｚ軸とが一致している。固体レーザ結晶１０４のｃ軸は、非線形材料１０３のｚ軸に対して、非線形材料１０３のｚｘ平面内で傾いている。
ここで、励起光の入射方向と、Ｎｄ：ＹＶＯ4結晶の傾きとの関係について、図２（ａ）を用いて説明する。
基準方向（非線形材料１０３のｚ軸と平行な方向）に対するＮｄ：ＹＶＯ4結晶の光軸（ｃ軸）を、非線形材料１０３のｚｘ平面内で、ｃ軸からａ軸へと移動させると、つまり、Ｎｄ：ＹＶＯ4結晶の光軸の傾き角を、０度から９０度へと変化させていくと、ＹＶＯ4の熱膨張係数は、図２（ａ）の波線部のように楕円の曲線を描きながら、徐々に減少してゆく。しかし、傾き角が９０度に近づくにつれ、励起光の吸収係数が小さくなるため、励起光パワーの発振閾値が上昇し、効率の低下につながったり、ｃ軸方向に平行な発振光の偏光方向がランダムになったりするなどの問題が発生する。一方、傾き角が５度以下の場合は、ＹＶＯ4結晶と、ＬｉＮｂＯ3結晶とのｃ軸方向の熱膨張率の差を縮めることができない。
従って、基準方向と、固体レーザ結晶１０４のｃ軸方向とがなす角度は、５〜６０度の範囲であることが望ましい。この場合、固体レーザ結晶の持つ熱膨張率係数と、非線形光学結晶の持つ熱膨張率係数を近づけることができるため、レーザ発振中に生じる熱により、接合していた固体レーザ結晶と、非線形光学結晶とが剥離するのを回避することができ、２００ｍＷ以上の高出力のレーザ光源を実現可能である。また、直線偏光が得られやすいという理由から、５〜４５度の範囲であることが、より望ましい。
図２（ｂ）に、Ｎｄ：ＹＶＯ4結晶における傾き角（０度（ｃ軸）、３０度、９０度（ａ軸））と、発振閾値との関係について示した。この図２（ｂ）から分かるように、傾き角を、０度、３０度、９０度と変化させると、それぞれの発振閾値も、２０１、２０２、２０３のように変化することがわかる。
以上のように、基準方向と、固体レーザ結晶１０４のｃ軸方向とがなす角をある範囲に設定することにより、信頼性の向上が可能になる上、発振閾値を極端に劣化することなく、直線偏光での発振が可能となる。これにより、グリーン出力として２００ｍＷ以上、特に３００ｍＷ以上の高出力のレーザ光源を実現することが可能である。
なお、本実施の形態１では、固体レーザ結晶１０４として、Ｎｄ：ＹＶＯ4結晶を使用したが、Ｎｄ：ＧｄＶＯ4結晶を、使用することもできる。このＮｄ：ＧｄＶＯ4結晶を使用する場合、ａ軸方向、ｃ軸方向における各結晶軸の熱膨張係数は、αａ＝１．５ｘ１０-6／Ｋ、αｃ＝７．３ｘ１０-6／Ｋであるため、非線形光学結晶Ｍｇ：ＬｉＮｂＯ3結晶の熱膨張率係数により近づけることができ、基準方向と、固体レーザ結晶１０４のｃ軸方向との傾きを、より小さくすることが可能となる。この場合の固体レーザ結晶１０４の傾き角度は、５〜４５度の範囲が望ましい。より望ましくは、５〜３０度の範囲とするのが良い。
このように、本実施の形態１によるレーザ光源では、励起光を出力する半導体レーザ１０２と、前記半導体レーザチップ１０２からの励起光により励起される励起部６０１を有する固体レーザ結晶１０４と、該固体レーザ結晶中の励起部６０１により励起される光の波長を変換する非線形光学結晶１０３とがオプティカルコンタクトにより接合され、その各々の反対側の面に反射コート１０６と反射コート１０５がそれぞれ形成されて構成されてなるレーザ共振器と、を備え、固体レーザ結晶１０４として、ＧｄxＶ1-xＯ4（０≦ｘ≦１）を用い、非線形光学結晶１０３として、ＬｉＮｂＯ3またはＬｉＴａＯ3を用い、固体レーザ結晶１０４の結晶軸を、非線形光学結晶１０３のｚｘ平面内で、該非線形光学結晶１０３のｚ軸に対して傾けるようにしたので、固体レーザ結晶の持つ熱膨張係数と、非線形光学結晶の持つ熱膨張係数を近づけることができる。そのため、レーザ発振中に生じる熱により、接合していたレーザ結晶と非線形光学結晶とが剥離するのを防止することができ、これにより、ビームの安定出力を保つことができ、より安定した、かつ信頼性の高いレーザ光源を実現することができる。
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２によるレーザ光源装置について説明する。
上記実施の形態１では、一つの固体レーザ結晶を一つの半導体レーザ光源で励起した場合における説明を行ったが、本実施の形態２では、複数の半導体レーザ光源を用いて固体レーザ結晶の複数箇所において励起を行う場合について説明する。
図４（ａ）は、本実施の形態２によるレーザ光源の構成を示す表面図であり、図４（ｂ）は正面図である。
本実施の形態２のレーザ光源は、複数の半導体レーザチップ１０２と、固体レーザ結晶１０４と非線形材料１０３が相互に接合され、その各々の反対側の面に反射コート１０６、１０５が形成されて構成されてなるレーザ共振器とを備えている。
複数の半導体レーザチップ１０２はそれぞれ、励起光を出力する。この複数の半導体レーザチップ１０２は、ヒートシンク１０１上に半田で固定されている。
固体レーザ結晶１０４は、複数の半導体レーザチップ１０２からの励起光によりそれぞれ励起される複数の励起部６０１を有する。
非線形材料１０３は、固体レーザ結晶１０４中の複数の励起部６０１により励起される複数の光の波長を変換する。
このような本実施の形態２のレーザ光源の動作について説明する。
複数の半導体レーザ１０２から出射された複数のレーザ光（８０８ｎｍ近傍の発振波長を有する。）は、固体レーザ結晶１０４の複数の励起部６０１を励起し、１．０６μｍ近傍の複数の光が発生する。この発生した複数の光はそれぞれ、非線形材料１０３により高調波に波長変換され、波長０．５３μｍの緑色レーザ光１０７が発生する。
以下に、本実施の形態２のレーザ光源の特徴について説明する。
レーザ共振器は、固体レーザ結晶と非線形光学材料一つの材料から構成されており、構造の簡素化が図れる。また、高出力化を行うためにはビームスポットを増やすことで対応することができる。
このような固体レーザ結晶を安定に発振させるには、レーザ共振器内でのレーザ発振を安定化させる必要があり、レーザ発振の縦モードおよび横モードの安定化が重要である。
まず、縦モードの安定化について述べる。
縦モードは、レーザ共振器内での発振スペクトルの多さであり、マルチモードとなって発振スペクトルが増大すると不安定となる。マイクロチップレーザは、共振器長を短くすることで発振モードを抑圧して出力の安定化を図ることが可能である。実際には、レーザ共振器の光学長を４ｍｍ以下にすることで、マルチモード発生の抑圧が可能になる。共振器長を変えて出力の安定性を実験した結果を図５（ａ）に示した。図５（ａ）から分かるように、媒質の屈折率が２程度の場合、レーザ共振器長が２ｍｍ以上になると、光学長が４ｍｍのときの出力変動幅よりも増大する。
一方、レーザ共振器には、固体レーザ結晶と非線形光学結晶が必要であり、これらを合わせた共振器の長さを２ｍｍ以下にする必要がある。ところが、非線形結晶の長さは変換効率に比例するため、素子を短くすると変換効率が低下する。図５（ｂ）は、高効率な非線形材料の変換効率と素子長の関係を示したものである。ポンプする固体レーザ結晶の出力を１Ｗ程度としたとき、最大の変換効率を得るには、図５（ｂ）に示した最大変換効率が得られる値程度の変換効率が必要となる。このときの非線形材料の結晶長としては、ＫＴＰの場合は４ｍｍ、周期分極反転構造を形成したＬｉＴａＯ3（ＰＰＬＴ）の場合は０．８ｍｍ、周期分極反転構造を形成したＫＴＰ（ＰＰＫＴＰ）の場合は０．５ｍｍ、周期分極反転構造を形成したＬｉＮｂＯ3（ＰＰＬＮ）の場合は０．２５ｍｍ必要である。
ところで、固体レーザ結晶は、Ｎｄドープ量が２．５ａｔ％以上で、結晶の厚みを０.５ｍｍ以下にすることができた。共振器長を２ｍｍ以下にするには、非線形材料としてＫＴＰを用いた場合では最大効率が得られない。ＰＰＬＴ、ＰＰＫＴＰ、ＰＰＬＮといった周期状の分極反転構造を有する結晶を用いて初めて安定な出力特性が得られた。特に、ＰＰＬＮは、非常に高い変換効率を有するため、共振器長を短くでき、安定性、高効率特性が最も優れていた。しかしながら、光損傷の問題があり、高出力の緑色光を安定に得るのが難しいという問題があった。これを解決するため、本実施の形態では、ＭｇドープしたＬｉＮｂＯ3を用いることとした。これにより、光損傷の問題は無くなり、固体レーザ結晶と合わせても１ｍｍ以下の共振器長が実現できた。このため、出力の安定性は大幅に増大し、外部の温度変化に対しても安定な動作が得られた。
また、レーザ共振器は、平板構造であるため、共振器の損失は共振器長に大きく影響される。そのため、共振器長を２ｍｍ以下にすれば、共振器の損失を低減させることができ、高効率化が可能である。
また、非線形材料として、周期状の分極反転構造を有する結晶を用いている。非線形光学結晶の位相整合波長は、分極反転周期により決定される。固体レーザ結晶の励起部を複数設けて同時に励起する構成において、固体レーザ結晶部分の温度上昇が発生する。この温度上昇は、各励起部で発生するが、各励起部で温度分布が発生する。具体的には、結晶の中央に近い励起部は端部に比べて温度が高くなる。この温度は非線形光学結晶にも伝わるので、非線形光学結晶の位相整合条件が部分的に異なることになり、全体の変換効率が低下する。これを解決するため、分極反転部の周期は部分的に分布を持たせて設計することが望ましい。結晶の中央部は温度が高くなるので周辺部より周期を短く設計するのが好ましい。
次に、横モードの安定性について説明する。
図４に示したように複数の励起光源で励起する場合、横モードの安定性が出力安定性には重要である。横モードは、本発明では固体レーザ結晶でのレーザ発振がそれぞれ独立して互いに干渉しないように励起部間隔をとっている。マイクロチップレーザは、平板間での共振器を用いるため、励起された固体レーザ結晶部分の熱レンズ効果を利用して共振器の安定化、低損失化を図っている。このため、固体レーザ結晶の励起部分が光学的にも、熱的にも互いに干渉すると発振が不安定になる。また共振器内での光のビームスポットが拡大するので非線形光学結晶での変換効率が低下する。このため、共振器内での横方向の干渉を十分抑える必要がある。図４（ｃ）には固体レーザ結晶における横方向の温度分布を示している。この温度分布が横方向に分離されることで、互いの熱レンズの発生を安定化させることが可能となる。我々の検討では、励起半導体レーザの活性層の幅が５０μｍ程度の時、励起部の間隔が２００μｍ以上になると安定した発振が確認された。活性層幅が１００μｍのときは２５０μｍ以上の間隔が必要となる。半導体レーザの活性層幅は１００μｍ以下が望ましく、５０μｍ以下がさらに望ましい。活性層の幅は、固体レーザ結晶の励起部の大きさを決定し、固体レーザ結晶で発振する横モードの大きさを決める。横モードが大きいと、共振器内のパワー密度が低下し波長変換の効率が大幅に低下する。このため、活性層の幅は５０μｍが望ましい。
以上の理由から、本実施の形態２では、以下のようなレーザ光源を作製した。
半導体レーザ１０２は、出力１Ｗを３つ、活性層の幅は５０μｍ、半導体レーザの間隔は２００μｍでヒートシンク１０１上に固定した。固体レーザ結晶１０４は、Ｎｄ：ＹＶＯ4であり、結晶長は０．５ｍｍであり、非線形結晶１０３は、周期状の分極反転構造を有するＭｇドープＬｉＮｂＯ3で、結晶長は０．５ｍｍであった。
このようにして作製されたレーザ光源は、各ビームからの緑色光の出力が０．３Ｗであるので、合計０．９Ｗの緑色光を発生することができた。出力は、安定であり、モード等の変動による不安定性は観測されなかった。従来のＫＴＰを用いたレーザ光源は、１ビームの構成で、出力は０．１Ｗ程度であるため、本発明のレーザ光源は、大幅な出力向上、および安定性が確認された。
従来のアレイ型の半導体レーザの場合、各活性層で励起される固体レーザ結晶が互いに干渉しレーザ発振が不安定になる。さらに、従来では、固体レーザ結晶のモード広がりが生じ、波長変換の効率が低下するといった問題が生じていたが、この問題が本実施の形態２の構成で改善された。
なお、ＭｇドープＬｉＮｂＯ3の代わりに、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｃ等をドープしたＬｉＮｂＯ3を用いた場合にも光損傷耐性は向上し、高出力化が可能である。
なお、固体レーザ結晶としてはＮｄ：ＹＶＯ4、Ｎｄ：ＧｄＶＯ4が望ましい。Ｎｄのドープ量を多くすることができるので、励起光の吸収係数を大きくすることができ、マイクロチップレーザの構成が容易になる。Ｎｄ：ＹＶＯ4、Ｎｄ：ＧｄＶＯ4の好ましい点は、固体レーザ結晶の励起効率が結晶軸に対して異方性を持っているため単一偏光でレーザ発振する。非線形光学材料の波長変換は偏光依存性を持つため、単一偏光での発振は変換効率が大幅に向上する。特に周期状の分極反転構造を有する非線形光学結晶は複屈折の光軸と位相整合の光軸が一致しているため、温度による偏光の変化が少なく、単一偏光の固体レーザ結晶を組み合わせることで変換効率の向上を図ることができ、偏光の安定化を実現することができる。さらに、Ｎｄ：ＹＶＯ4、Ｎｄ：ＧｄＶＯ4は異常光屈折率が２．１６５、２．１５であり、ＭｇドープＬｉＮｂＯ3の屈折率２．１５とほぼ等しい。このため、オプティカルコンタクトまたは直接接合した場合の屈折率差が非常に小さくフレネル損失が大幅に低下するため、共振器内におけるロスが低下し、高効率化を図ることができる。
固体レーザ結晶としてはＮｄ：ＹＶＯ4に比べてＮｄ：ＧｄＶＯ4はより好ましい。Ｎｄ：ＧｄＶＯ4結晶の熱膨張係数がＭｇドープＬｉＮｂＯ3の熱膨張係数により近いため、非線形光学結晶ＭｇドープＬｉＮｂＯ3と固体レーザ結晶Ｎｄ：ＧｄＶＯ4を接合した場合に、結晶の温度変化により接合部に生じるひずみが小さくなる。このため、接合プロセスが容易になり、かつ外部の温度変化に対しても安定した接合が実現できるという利点がある。
図６は、本実施の形態２のレーザ光源の他の構成例を示し、（ａ）は表面図、（ｂ）は正面図、（ｄ）は右側面図を示している。
複数の半導体レーザチップ１０２を、図６（ｄ）に示すように、表面に段差が形成されているヒートシンク１０１の異なる高さの段差上に配置するようにした。
このように、ヒートシンク１０１の表面に段差を形成することで、半導体レーザ間の熱的な影響が少なくなり、それぞれの半導体レーザの発振が安定する。また、表面積も大きくなるので冷却効果により半導体レーザの寿命が延びる。さらに、固体レーザ結晶を立体的に配置することで、同じ大きさで固体レーザ結晶の発光点距離を大きくできるため、小型化に有効である。
ここで、図１３に固体レーザ結晶の形状を示す。
図１３（ａ）に示す固体レーザ結晶は、側面１３１と側面１３２が非平行となっており、側面１３３と側面１３４は平行となっている。また、固体レーザ結晶のほぼ中央には、３つの励起部１３５がある。
レーザ媒質を半導体レーザからの励起光により励起した場合、励起部１３５に垂直方向にレーザ発振が励起されることで、レーザ共振器に形成したミラー（反射コート）で共振する。ところが、励起光が強くなると、固体レーザ結晶の側面１３１と側面１３２との間で異常なレーザ発振１３６が発生する。このような異常なレーザ発振が発生すると、損失が生じるため、レーザの発振効率が大幅に低下する。本実施の形態２では、固体レーザ結晶を多点で励起するため、異常なレーザ発振１３６が誘起されやすい。これを防止するため、ここでは、側面１３１と側面１３２が非平行になるように設計している。非平行にすることで、異常なレーザ発振１３６が抑圧され、安定した発振が可能となった。さらに、側面を砂状にしてその面での反射率を低減するのも有効である。
図１３（ｂ）に示す固体レーザ結晶は、側面１３１と側面１３２は平行であり、側面１３３と側面１３４も平行であり、３つの励起部１３５を個々にレーザ発振させるようにしたものである。
励起部１３５を個々にレーザ発振させる方法の一つとしては、図４に示すように、各励起部１３５が交互に段違いに配置されるよう設計する。これによって、隣接する励起部間での相互作用による異常なレーザ発振１３６を防止することができる。
もうひとつは、励起部間に溝（空隙）１３７を形成する。ここでは、２つの溝１３７を、側面１３１、１３２に対して非平行になるよう形成することで、より効果が大きくなる。このように、溝１３７によって励起部間が分断されることで、面内での異常なレーザ発振を防止することができ、安定して高効率な出力が得られる。また、固体レーザ結晶に溝を入れることは、非線形光学結晶とレーザ結晶を貼り合わせる場合に熱膨張の違いを緩和するのにも有効である。非線形光学結晶として用いたＭｇドープＬｉＮｂＯ3と固体レーザ結晶とでは、２倍前後の熱膨張係数の差があるため、結晶同士を貼り合わせた後、レーザの励起等で温度が上昇した場合に、熱膨張係数の違いにより接合がはがれたり、ひずみが生じたりする場合がある。これに対して、固体レーザ結晶に溝を設けると、熱膨張の差による歪を吸収できるため、温度変化に強い共振器を実現することができる。さらに、励起部間の熱の伝導を防ぐ効果もある。
図７は、本実施の形態２のレーザ光源のさらに他の構成例を示す図であり、（ａ）は表面図、（ｂ）は正面図を示している。
図７に示すレーザ光源は、固体レーザ結晶１０４にヒートシンク７０１を設けて、出力の安定化を図っている。
固体レーザ結晶１０４は、励起半導体レーザ１０２の光を吸収して１．０６μｍの光に変換するが、変換効率は５０％程度であり、励起された光の半分は熱に変わる。この熱による熱レンズ効果で固体レーザ結晶の共振器を安定化させているが、隣接する励起部６０１の影響を抑圧するため、励起部に間隔をもうける必要がある。この問題を解決する方法として、図７（ｂ）に示すように、固体レーザ結晶部分にヒートシンク７０１を設ける。ヒートシンク７０１により固体レーザ結晶で発生する熱を十分外部に放熱できるため、レーザ光源全体の小型化が可能となる。
図８は、本実施の形態２のレーザ光源のさらに他の構成例を示す図であり、（ａ）は表面図、（ｂ）は正面図である。
図８に示すレーザ光源は、図７に示すレーザ光源の構成に加え、さらに、ヒートシンク８０１を、固体レーザ結晶１０４の各励起部６０１間に設けることで、より高い冷却能力を実現している。これにより、さらなる高出力化が可能となる。
また、さらなる高出力化を図った場合に、固体レーザ結晶から非線形光学結晶への熱の伝導が問題となる。レーザ発振中の固体レーザ結晶は１０℃から数十℃温度が上昇するため、非線形光学結晶の温度が伝わると特性が不安定になり、位相整合がはずれて出力が低下するといった問題が生じる。これを防止するために、固体レーザ結晶１０４と非線形材料１０３の間に熱分離層を設ける構成、あるいは、該両者間にＹＡＧ等の透明で熱伝導度の高い材料を挟み込んで、熱をヒートシンクから逃がす構成をとることも有効である。例えば、図１４に示すように、レーザ共振器の両端面にヒートシンク７０１を設けるとともに、固体レーザ結晶１０４を挟み込むように熱分離層１４１を設けることで、固体レーザ結晶１０４で発生した熱を、ヒートシンク７０１から外部へと逃がすことができる。なお、熱分離層を設ける場合、上記実施の形態１で述べた非線形光学材料と固体レーザ結晶とを接合する場合と同様に、挟み込んだ材料の熱膨張率を勘案して、固体レーザ結晶の結晶軸を傾ける方法をとることも、当然可能である。
また、半導体レーザと固体レーザ結晶間での熱の伝導は、レーザ発振を不安定にする。このため、半導体レーザに固定されているヒートシンクと固体レーザ結晶に設けられたヒートシンクとの間に熱分離層を設けるのが好ましい。熱分離層としては、空気であっても良いが、セラミック材料等の熱伝導の低い材料を介して互いを固定することが望まれる。
図１１は、本実施の形態２のレーザ光源のさらに他の構成例を示す図であり、（ａ）は表面図、（ｂ）は正面図を示している。
図１１に示すレーザ光源は、ヒートシンク１０２の上下に半導体レーザ１０１が実装されている。このような構成とすることで、より少ない体積で半導体レーザの実装密度が上がるので、高効率なレーザ光源の小型化が図れる。
図１２は、本実施の形態２のレーザ光源のさらに他の構成例を示す図であり、（ａ）は表面図、（ｂ）は正面図である。
図１２に示すレーザ光源は、ヒートシンク１０２の表裏面が角度を有しており、表裏面上に半導体レーザ１２１，１２２が角度を持って実装されている。このような構成とすることで、表面と裏面の半導体レーザ１２１，１２２からの光を励起部１２３に集中することができる。これにより、励起部のパワー密度を上げることができ、高出力のレーザ発振を行うことが可能となる。ヒートシンクとしては熱伝導度の高い材料が必要でＳｉＣ、ダイヤモンド、Ｃｕ合金等が好ましい。
このように、本実施の形態２によるレーザ光源では、一つの固体レーザ結晶１０４を複数の半導体レーザ光源１０２により励起するようにしたので、固体レーザ結晶で発生する熱レンズ効果の影響を制御し、安定した高出力のマルチビームを実現することができる。さらに、固体レーザ結晶の複数の励起部におけるレーザ発振の相互作用を抑圧することで、各ビームが安定出力を保つことができるため、より安定な光源を実現することができる。
また、本実施の形態２によるレーザ光源では、共振器長が２mm以下になるよう、非線形光学結晶として、ＰＰＬＴ、ＰＰＫＴＰ、ＰＰＬＮといった周期状の分極反転構造を有する結晶を用いて、共振器構造の最適設計を行うようにしたので、縦モードをより少なく、安定化させることができる。
（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３によるレーザ光源装置について説明する。
本実施の形態３は、半導体レーザの傾ける角度と固体レーザ結晶の結晶軸の角度を合わせることを特徴としている。
図９は、本実施の形態３によるレーザ光源の構成を示す図であり、（ａ）は表面図、（ｂ）は正面図である。
本実施の形態３のレーザ光源は、複数の半導体レーザチップ１０２と、固体レーザ結晶１０４と非線形材料１０３が相互に接合され、その各々の反対側の面に反射コート１０６、１０５が形成されて構成されてなるレーザ共振器とを備えている。
複数の半導体レーザチップ１０２はそれぞれ、励起光を出力する。この複数の半導体レーザチップ１０２は、ヒートシンク１０１上に半田で固定され、固体レーザ結晶の端面に対して斜めに傾いている。
固体レーザ結晶１０４は、複数の半導体レーザチップ１０２からの励起光によりそれぞれ励起される複数の励起部６０１を有する。
非線形材料１０３は、固体レーザ結晶１０４中の複数の励起部６０１により励起される複数の光の波長を変換する。
このような本実施の形態３のレーザ光源の動作について説明する。
複数の半導体レーザ１０２から出射された複数のレーザ光（８０８ｎｍ近傍の発振波長を有する。）は、固体レーザ結晶１０４の複数の励起部６０１を励起し、１．０６μｍ近傍の複数の光が発生する。この発生した複数の光はそれぞれ、非線形材料１０３により高調波に波長変換され、波長０．５３μｍの緑色レーザ光１０７が発生する。
以下に、本実施の形態３のレーザ光源の特徴について説明する。
一般的に、マイクロチップレーザの構成は、半導体レーザからの光により固体レーザ結晶の端面を直接励起する構成であり、小型化、低コスト化に有効である。固体レーザ結晶の端面と半導体レーザの距離は５０〜１００μｍ程度であり、固体レーザ結晶内で励起されるレーザ発振の横モードと半導体レーザの励起光の強度分布が近い場所で励起効率が最大となる。半導体レーザが劣化する要因として、レーザの戻り光による影響が大きい。固体レーザ結晶の端面から反射された光は半導体レーザの活性層に帰還する。反射戻り光があると半導体レーザの出力が不安定になり、かつ寿命も大幅に低下する。
これに対して、本実施の形態３では、半導体レーザの活性層を固体レーザ結晶の端面に対して僅かに傾けることで、戻り光が大幅に低下するため、出力の安定化と、長寿命化を図ることができる。また、固体レーザ結晶端面でのビームスポットを小型化することも可能となるため、励起効率をも向上できるといった利点も得られる。
半導体レーザ１０１を傾ける角度は、０．５度以上望ましくは３度以上が良い。固体レーザ結晶１０４のｃ軸を基準方向に対して傾けた方向と同方向に傾けることにより、励起効率を向上させることができる。固体レーザ結晶１０４のｃ軸に対して半導体レーザ１０１の光が垂直方向に入射されるように半導体レーザ１０１を傾けると、励起光の吸収効率が上がるため、励起効率を向上させることができる。
以上の説明では、図９（ｂ）に示すように、半導体レーザ１０１を傾ける場合について説明したが、これは、傾ける角度が１０度ぐらいまでの場合に有効である。それ以上傾けた場合は、レーザ発振が難しくなる。従って、半導体レーザを傾ける角度が１０度以上の場合には、半導体レーザ１０１を傾けるのではなく、非線形光学結晶１０３の分極反転構造を傾ける。具体的には、図９（ｃ）に示すように、固体レーザ結晶１０４のｃ軸が共振器の端面に対して平行になるよう、非線形光学結晶１０３の光軸を傾ける。この場合、半導体レーザ１０１からの光の入射方向をレーザ共振器の端面に対して垂直にすることができるため、共振器から出射されるレーザ光１０７も、共振器の端面に対して垂直方向に出力することができる。
このように、本実施の形態３によるレーザ光源では、固体レーザ結晶１０４のｃ軸に対して半導体レーザ１０２の光が垂直方向に入射するように、固体レーザ結晶１０４の端面に対して半導体レーザ１０２自体を傾けるようにしたので、戻り光が大幅に低下し、出力の安定化と、長寿命化を図ることができる。また、固体レーザ結晶端面でのビームスポットを小型化することも可能となるため、励起効率を向上させることができる。
（実施の形態４）
以下、本発明の実施の形態４によるレーザ光源装置について説明する。
半導体レーザ励起の固体レーザ結晶の問題として、固体レーザ結晶の吸収スペクトルが狭く、外部の温度変化により半導体レーザの発振波長が固体レーザ結晶の吸収スペクトルからずれることで出力が低下するという問題がある。この問題を解決する方法として、図１０に示す構成を提案する。
図１０は、本実施の形態４によるレーザ光源の構成を示す図であり、（ａ）は表面図、（ｂ）は正面図である。
本実施の形態４のレーザ光源は、複数の半導体レーザチップ１０２と、固体レーザ結晶１０４と非線形材料１０３が相互に接合され、その各々の反対側の面に反射コート１０６、１０５が形成されて構成されてなるレーザ共振器とを備えている。
複数の半導体レーザチップ１０２はそれぞれ、励起光を出力する。この複数の半導体レーザチップ１０２は、ヒートシンク１０１上に半田で固定され、その後端面に体積グレーティグ１００１を備えた。
固体レーザ結晶１０４は、複数の半導体レーザチップ１０２からの励起光によりそれぞれ励起される複数の励起部６０１を有する。
非線形材料１０３は、固体レーザ結晶１０４中の複数の励起部６０１により励起される複数の光の波長を変換する。
このような本実施の形態４のレーザ光源の動作について説明する。
複数の半導体レーザ１０２から出射された複数のレーザ光（８０８ｎｍ近傍の発振波長を有する。）は、固体レーザ結晶１０４の複数の励起部６０１を励起し、１．０６μｍ近傍の複数の光が発生する。この発生した複数の光はそれぞれ、非線形材料１０３により高調波に波長変換され、波長０．５３μｍの緑色レーザ光１０７が発生する。
以下に、本実施の形態４のレーザ光源の特徴について説明する。
本実施の形態４では、半導体レーザ１０２の後端面に、つまり、レーザ光源の裏面に体積グレーティング１００１を備えたことを特徴としている。半導体レーザ１０２は、体積グレーティング１００１からのブラッグ波長に固定されるため、外部の温度が変化しても波長が変動しない。これにより、安定した固体レーザ結晶の励起を実現することができ、外部の温度変動による出力の変動を大幅に抑えることができた。さらに、この構成においては、図９（ｂ）で示した、半導体レーザ１０２を固体レーザ結晶１０４の端面に対して傾ける構成がより有効である。通常、グレーティングの回折光により半導体レーザの発振波長を固定する場合、半導体レーザに他の反射面からの戻り光が存在すると、安定な波長の固定が難しくなる。しかし、半導体レーザ１０２を固体レーザ結晶１０４の端面に対して傾けることで、固体レーザ結晶端面からの半導体レーザへの戻り光を低減できるので、半導体レーザの発振波長を安定に固定することができる。
このように、本実施の形態４によるレーザ光源では、半導体レーザチップ１０２の後端面に体積グレーティング１００１を設けたことにより、励起光の波長幅が狭くなるため、出力パワーを増大させることができ、外部の温度変動に対して、固体レーザ結晶の発振を安定させることができる。さらに、固体レーザ結晶１０４の端面に対して半導体レーザ１０２を傾けると、固体レーザ結晶の端面から半導体レーザへの戻り光を低減することができるため、半導体レーザの発振波長を安定に固定することができる。
（実施の形態５）
以下、本発明の実施の形態５によるディスプレイ装置について説明する。
図１（ｂ）は、本発明の実施の形態５にかかるディスプレイ装置の概略構成を示す正面図である。
本実施の形態５のディスプレイ装置は、少なくとも２つ以上の本発明のレーザ光源１０８と、前記複数のレーザ光源１０８からの各レーザビームを整形する均一化光学系であるロッドプリズム１１０と、前記ロッドプリズムに入射するレーザ光の偏向、位相、偏光の少なくともいずれかを変調する光学素子１０９と、前記ロッドプリズム１１０により整形された複数のレーザビームを集光するコリメート光学系（図示せず）と、前記コリメート光学系により集光された複数のレーザビームを２次元画像に変換する２次元画像変換デバイス（ＳＬＭ）１１１とを備えている。なお、レーザ光源１０８は、上記実施の形態１〜４で説明したレーザ光源であり、特に、図４に示すような複数の励起用半導体レーザ光源であることが望ましい。
次に、本実施の形態５のディスプレイ装置の動作について説明する。
レーザ光源１０８から出力された光１０７は、光学素子１０９を通った後、ロッドプリズム１１０に入射され、ロッドプリズム１１０内で矩形状に面内強度分布が整形された後、２次元画像変換スイッチであるＳＬＭ１１１により画像変換され、レンズ１１２により投射される。
ここで、本発明のレーザ光源がディスプレイ装置に有効である理由について説明する。
第１の理由は、高出力、高安定な特性に優れている点、第２の理由はスペックルノイズが少ない点である。
高出力、高安定な特性については、以下のレーザ光源の特徴を説明する中で述べるので、ここでは、スペックルノイズの低減について詳細を述べる。
スペックルノイズとは、レーザ光のような干渉性の高い光の干渉パターンが発生する現象で、レーザ光をディスプレイ等に適用する場合、画質の劣化の原因となる。この問題を低減するため、本発明のディスプレイ装置では、光学素子１０９を用いている。光学素子１０９は、屈折率可変のマイクロ形状からなる素子で、液晶をパターン構造内に閉じ込め、交流を印加することで時間的に屈折率を変化させ、光の偏向、位相を変化させている。この構成により、レーザ光のスペックルノイズの低減が可能となる。ここでの、スペックルノイズの低減は、干渉パターンを時間的に変化させる方式で、人間の目には複数の干渉パターンが高速に変化することで複数のパターンが平均化されて滑らかな画像として認識される方法である。この方法においては、本発明のレーザ光源は有効である。マルチビーム構造で複数のビームが離れた距離で存在するため、ロッドプリズム１１０にレーザ光が異なる角度で入射される。複数のレーザ光源からの光が異なる角度でプリズムに入射すると、スクリーンでの光の干渉パターンが複雑になるため、スペックルが多重化して抑圧効果が向上する。
また、ＲＧＢそれぞれの色において、複数のレーザ光を異なる周波数で発光させる方法も干渉パターンの変化に有効である。例えば、一つのＳＬＭを使用してフルカラー表示させる場合、１フィールド６０Ｈｚの間にＲＧＢの光源を複数周期で発光させるフィールドシーケンシャルと呼ばれる方法を使用する。この場合の周波数は、フィールドシーケンシャル駆動させる周期よりも十分速くする必要があり、励起の半導体レーザを変調することにより実現可能である。
さらに、固体レーザ結晶の反射コートとして、反射コート１０６は緑色光を全反射し、反射コート１０５は緑色光を透過するように設計する。これによって、レーザ光１０７は、非線形光学結晶１０３から直接外部にでた光と、反射コート１０６で一度反射された光の和となる。このため、レーザビームはそれぞれ２つのビームから構成されて、それらがロッドプリズム内で強度分布を整形されることで、より複雑な干渉パターンを形成し、効果的にスペックルノイズを低減することができる。
さらに、各ビームとしては、そのビーム間隔を互いに異なるように設計することでよりスペックルノイズの抑圧に効果がある。ビーム間隔の差としては、発振波長以上の差が必要である。緑色光のＳＨＧに対しては基本波の波長が１μｍ程度であるため、ビーム間隔が互いに１μｍ程度以上異なっていることが望ましい。
さらに、複数のレーザビームからなる本発明のレーザ光源を用いたディスプレイ装置は、高い信頼性を実現することができる。ポンプ用の半導体レーザおよび固体レーザ結晶部分を複数用意することで、例えば、一部のレーザが劣化した場合に、他のレーザでその出力を補うことができる。このため、ディスプレイの長寿命化、信頼性向上に有効である。さらに、レーザ光源としては、ひとつの光源で出力可能な最大値に対して余裕をもたせることで、全体の寿命が向上する。さらにいずれかのレーザが劣化した場合、他のレーザ出力を上げることで、輝度を確保できる。また、予備のレーザを備えており、一部のレーザが劣化した場合に全体の出力を補うことも可能である。このように、マルチビーム構造にすることで、ディスプレイ用光源の信頼性を大幅に向上することができる。
このように、本実施の形態５によるディスプレイ装置によれば、上記実施の形態１〜４で説明したような、少なくとも２つ以上の本発明のレーザ光源１０８と、複数のレーザ光源１０８からの各レーザビームを整形するロッドプリズム１１０と、ロッドプリズム１１０に入射するレーザ光の偏向、位相、偏光の少なくともいずれかを変調する光学素子１０９と、ロッドプリズム１１０により整形された複数のレーザビームをコリメート光学系により集光して、２次元画像に変換するＳＬＭ１１１とを備え、レーザ光源１０８からの複数のレーザビームは、ロッドプリズム１１０により面内強度分布が均一化され、ＳＬＭ１１１により画像に変換されるので、出力安定化と同時にスペックルノイズの低減を図ることが可能となり、高画質のディスプレイを実現することができる。
本発明にかかるレーザ光源は、固体レーザ結晶と非線形光学結晶とを接合するような半導体レーザ励起の固体レーザ結晶と波長変換素子を組み合わせた構成において、ビームが安定出力を保つことができるため、より安定かつ高い信頼性を持つ光源が実現できる。加えて、光源の信頼性を向上できることから、より信頼性の高いレーザディスプレイ装置を提供することが可能となる。
図１（ａ）は本発明の実施の形態１に係るレーザ光源の一例を示す表面図であり、図１（ｂ）は該レーザ光源を用いたディスプレイ装置の一例を示す正面図である。 図２（ａ）は実施の形態１のレーザ光源における基準方向の角度と、熱膨張係数の大きさとの関係を示すプロット図であり、図２（ｂ）は基準方向の傾きと、発振閾値・発振特性との関係を示すプロット図である。 図３は、上記実施の形態１における、固体レーザ結晶の結晶軸方向と、非線形光学結晶（ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3）の結晶軸との関係を示す模式図である。 図４（ａ）は本発明の実施の形態２に係るレーザ光源の構成を示す表面図であり、図４（ｂ）は該レーザ光源の正面図である。図４（ｃ）は固体レーザ結晶の温度分布を示す図である。 図５は、上記実施の形態２に係るレーザ光源の特性要因を示す図であり、図５（ａ）は共振器長とレーザ出力の出力変動の関係を示す図であり、図５（ｂ）は各種非線形材料の結晶長と効率の関係を示す図である。 図６（ａ）は、上記実施の形態２のレーザ光源の他の一例を示す表面図であり、図６（ｂ）は正面図、図６（ｃ）は右側面図である。 図７（ａ）は、上記実施の形態２のレーザ光源の他の一例を示す表面図、図７（ｂ）は正面図である。 図８（ａ）は、上記実施の形態２のレーザ光源の他の一例を示す表面図、図８（ｂ）は正面図である。 図９（ａ）は、本発明の実施の形態３に係る他のレーザ光源の一例を示す表面図、図９（ｂ）は正面図である。図９（ｃ）は、上記実施の形態３のレーザ光源の他の構成例を示す正面図である。 図１０（ａ）は、本発明の実施の形態４に係るレーザ光源の一例を示す表面図、図１０（ｂ）は正面図である。 図１１（ａ）は、上記実施の形態２のレーザ光源の他の一例を示す表面図、図１１（ｂ）は正面図である。 図１２（ａ）は、上記実施の形態２のレーザ光源の他の一例を示す表面図、図１２（ｂ）は正面図である。 図１３（ａ），（ｂ）は、上記実施の形態１のレーザ光源を構成する固体レーザ結晶の一例を示す図である。 図１４は、上記実施の形態２のレーザ光源の他の一例を示す図である。
符号の説明
１０１ ヒートシンク
１０２ 半導体レーザ
１０３ 非線形材料（非線形光学結晶）
１０４ 固体レーザ結晶
１０５ 反射コート（第２の反射層）
１０６ 反射コート（第１の反射層）
１０７ レーザ光
１０８ レーザ光源装置
１０９ 光学素子
１１０ ロッドプリズム
１１１ ＳＬＭ
１１２ 投影レンズ
２０１ 傾き角０度の場合の発振特性
２０２ 傾き角３０度の場合の発振特性
２０３ 傾き角９０度の場合の発振特性
６０１ 励起部
７０１，８０１ ヒートシンク
１００１ 体積グレーティング
１２１ 半導体レーザ
１２２ 半導体レーザ
１２３ 励起部
１３１，１３２，１３３，１３４ 側面
１３５ 励起部
１３６ レーザ発振
１３７ 溝
１４１ 熱分離層

Claims (24)

  1. 励起光を出力する半導体レーザと、
    前記半導体レーザからの励起光により励起される固体レーザ結晶と、該固体レーザ結晶より発する光の波長を変換する非線形光学結晶とが相互に接合され、その各々の反対側の面に第１の反射層と第２の反射層がそれぞれ形成されて構成されてなるレーザ共振器とを、備え、
    前記固体レーザ結晶は、ＧｄｘＹ１−ｘＶＯ４（０≦ｘ≦１）であり、
    前記非線形光学結晶は、ＬｉＮｂＯ３またはＬｉＴａＯ３であり、
    前記固体レーザ結晶の結晶軸であるｃ軸を、前記非線形光学結晶のｚｘ平面内で、該非線形光学結晶のｚ軸に対して傾け、
    前記固体レーザ結晶の結晶軸であるｃ軸の垂線と、励起用半導体レーザからのレーザビームの出射方向とが略平行であり、
    ３００ｍＷ以上の緑色光を発生する、
    ことを特徴とするレーザ光源。
  2. それぞれ励起光を出力する複数の半導体レーザと、
    前記複数の半導体レーザからの励起光によりそれぞれ励起される複数の励起部を有する固体レーザ結晶と、該固体レーザ結晶中の複数の励起部により励起される複数の光の波長を変換する非線形光学結晶とが相互に接合され、その各々の反対側の面に第１の反射層と第２の反射層がそれぞれ形成されて構成されてなるレーザ共振器とを備え、
    前記固体レーザ結晶は、ＧｄｘＹ１−ｘＶＯ４（０≦ｘ≦１）であり、
    前記非線形光学結晶は、ＬｉＮｂＯ３またはＬｉＴａＯ３であり、
    前記固体レーザ結晶の結晶軸であるｃ軸を、前記非線形光学結晶のｚｘ平面内で、該非線形光学結晶のｚ軸に対して傾け、
    前記固体レーザ結晶の結晶軸であるｃ軸の垂線と、励起用半導体レーザからのレーザビームの出射方向とが略平行であり、
    ３００ｍＷ以上の緑色光を発生する、
    ことを特徴とするレーザ光源。
  3. 請求項１または２に記載のレーザ光源において、
    前記固体レーザ結晶の結晶軸であるｃ軸の傾きが、０．５度〜１０度の範囲内である、
    ことを特徴とするレーザ光源。
  4. 請求項１または２に記載のレーザ光源において、
    前記固体レーザ結晶と前記非線形光学結晶の厚みの合計は２ｍｍ以下であり、前記レーザ共振器長は２ｍｍ以下である、
    ことを特徴とするレーザ光源。
  5. 請求項２に記載のレーザ光源において、
    前記固体レーザ結晶の複数の励起部が、互いに２００μｍ以上離れている、
    ことを特徴とするレーザ光源。
  6. 請求項２に記載のレーザ光源において、
    前記固体レーザ結晶の複数の励起部の間隔が、互いに異なっている、
    ことを特徴とするレーザ光源。
  7. 請求項２に記載のレーザ光源において、
    表面に段差が形成されているヒートシンクを、さらに備え、
    前記複数の半導体レーザのうちの少なくとも２つ以上の半導体レーザが、前記ヒートシンクの異なる高さの段差上に配置されている、
    ことを特徴とするレーザ光源。
  8. 請求項１または２に記載のレーザ光源において、
    前記半導体レーザの活性層の幅は、５０μｍ以下である、
    ことを特徴とするレーザ光源。
  9. 請求項１記載のレーザ光源において、
    前記半導体レーザ、及び前記レーザ共振器の前記固体レーザ結晶はヒートシンクを備え、
    前記半導体レーザが固定されているヒートシンクと、前記レーザ共振器の前記固体レーザ結晶に設けられたヒートシンクとの間に熱分離層を設けた、
    ことを特徴とするレーザ光源。
  10. 請求項２に記載のレーザ光源において、
    前記複数の半導体レーザ、および前記レーザ共振器の前記固体レーザ結晶はそれぞれヒートシンクを備え、
    前記複数の半導体レーザが固定されているヒートシンクと前記レーザ共振器の前記固体レーザ結晶に設けられたヒートシンクの間に熱分離層を設けた、
    ことを特徴とするレーザ光源。
  11. 請求項１または２に記載のレーザ光源において、
    前記半導体レーザの後端面に、体積グレーティングを備えた、
    ことを特徴とするレーザ光源。
  12. 請求項２に記載のレーザ光源において、
    前記レーザ共振器は、前記複数の励起部の間にヒートシンク部を備える、
    ことを特徴とするレーザ光源。
  13. 請求項１または２に記載のレーザ光源において、
    前記固体レーザ結晶と前記非線形光学結晶が、オプティカルコンタクトされている、
    ことを特徴とするレーザ光源。
  14. 請求項１または２に記載のレーザ光源において、
    前記固体レーザ結晶は、Ｎｄドープ量が２．５ａｔ％以上であり、結晶の厚みが０．５ｍｍ以下のＮｄ：ＹＶＯ4である、
    ことを特徴とするレーザ光源。
  15. 請求項１または２に記載のレーザ光源において、
    前記固体レーザ結晶は、Ｎｄドープ量が２．５ａｔ％以上であり、結晶の厚みが０．５ｍｍ以下のＮｄ：ＧｄＶＯ4である、
    ことを特徴とするレーザ光源。
  16. 請求項１または２に記載のレーザ光源において、
    前記非線形光学結晶は、周期状の分極反転構造を有するＭｇ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｃの何れかを含むＬｉＮｂＯ3であり、かつ厚みが１ｍｍ以下である、
    ことを特徴とするレーザ光源。
  17. 請求項１または２に記載のレーザ光源において、
    前記固体レーザ結晶のいずれかの対向する側面が、非平行である、
    ことを特徴とするレーザ光源。
  18. 請求項１または２に記載のレーザ光源において、
    ２００ｍＷ以上のグリーン光出力を行う、
    ことを特徴とするレーザ光源。
  19. 請求項２に記載のレーザ光源において、
    前記固体レーザ結晶の励起部間に、溝を有する、
    ことを特徴とするレーザ光源。
  20. 請求項１９に記載のレーザ光源において、
    前記固体レーザ結晶の溝と端面が、非平行である、
    ことを特徴とするレーザ光源。
  21. 請求項１６に記載のレーザ光源において、
    前記非線形光学結晶に形成された分極反転構造の周期が、面内で分布を持っている、
    ことを特徴とするレーザ光源。
  22. 請求項１ないし請求項２１のレーザ光源のうち、少なくとも２つ以上のレーザ光源と、
    前記複数のレーザ光源からの各レーザビームを整形する均一化光学系と、
    前記均一化光学系により整形された前記複数のレーザビームを集光するコリメート光学系と、
    前記コリメート光学系により集光された前記複数のレーザビームを２次元画像に変換する２次元画像変換デバイスとを備えた、
    ことを特徴とするディスプレイ装置。
  23. 請求項２２に記載のディスプレイ装置において、
    前記均一化光学系が、ロッドプリズムから構成されている、
    ことを特徴とするディスプレイ装置。
  24. 請求項２２に記載のディスプレイ装置において、
    さらに、前記ロッドプリズムに入射するレーザ光の偏向、位相、偏光の少なくともいずれかを変調する光学素子を備えた、
    ことを特徴とするディスプレイ装置。
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