JP5251040B2 - レーザ光源装置及びこれを用いた画像生成装置 - Google Patents
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Description
またその際、波長変換素子におけるモード径を小さくし基本波のパワー密度を高くすることによって高変換効率を得るために、効果的に曲率をもつ折返しミラーを設ける構成が提案されている。
このような横マルチモードの光を例えば画像生成装置に用いる場合は、光変調装置に対して比較的均質に照明できることから画質を向上させることができ、また、横マルチモードであることからスペックルノイズを低減させることができ、装置構成を複雑化することなく高効率なレーザ光源装置を得ることが期待されている。
不都合な方向への出射を回避するためには別体のブリュースター板等を用いればよいが、この場合は、部品点数の増加を避けられない。また、この場合でも、凹面ミラーを用いて共振光路を曲げている場合、光学系の有限な有効径のため励起方向と高調波方向を平行にすることはできず、装置構成が複雑化する。
特に、線状のビームを特に凹面ミラーで折り返す場合には、収差の発生が問題となり、折り返し角度は小さい方が望ましい。またビームの大きさによっては、折り返しミラーの有効径を大きくする必要が生じ、小型化に不利となる。
このように、共振光路に、光路を折り返す反射部を設けることから、本発明においては、より小型のレーザ光源装置を提供することができる。そして特に、レーザ媒質又は波長変換素子の端面に偏光膜を設けることによって、ブリュースター板等の他の偏光用の光学素子を用いることなく、所望の偏光以外の偏光による基本波の寄生発振を十分に抑えることができ、またそれによる変換波の出力変動を抑えることができる。また、励起方向や励起光源の排熱面等に対して、変換波の出射方向等のレイアウトを自由に選択できることとなり、レーザ光源装置内の共振器のレイアウトを複雑にすることなく、確実に上述の寄生発振を抑制できる。
図1及び図2は、本発明の実施の形態に係るレーザ光源装置の各例の概略構成図である。図1に示すレーザ光源装置30においては、励起光源1と、一対の共振器ミラー5及び11とを有し、共振器ミラー5及び11により構成される共振器20内(破線で示す)に、レーザ媒質6と波長変換素子10とを備える。半導体レーザアレイ等の励起光源1から出射される横マルチモードパターンの光でレーザ媒質6が励起され、レーザ媒質6の発振により得られる線状の基本波を波長変換素子10に照射して、線状の変換波Loを出力する構成とする。そしてレーザ媒質6と波長変換素子10との間の共振光路に、光路を折り返す反射部8を設け、レーザ媒質6又は波長変換素子10の端面、図示の例ではレーザ媒質6の反射部8側の端面がブリュースター角以外の傾斜角の傾斜面とされ、この傾斜面に偏光膜7を設ける。
本発明においては、ブリュースター面以外の傾斜面に偏光膜を設けて、上述したように偏光に対して透過率の差を生じるようにすることによって、高い透過率の偏光を発振させ、基本波が入射面内偏光をもつ構成とすることができる。すなわち、共振光路面内の偏光に対する透過損失を低減化し、かつ共振光路と垂直な偏光による寄生発振を抑制することができる。
更に透過率の差を大きくするためには、偏光膜を構成する多層膜の材料や層数等に制限が生じ、コストに影響する。また、製造上の膜特性のロット間ばらつきや、複屈折結晶を用いる場合の軸ずれによる基板結晶の使用する方位に対する実効屈折率ばらつき、あるいは傾斜面角度のばらつきなどを考えても、透過率の差は5%あれば十分に寄生発振を抑えられる。したがって、この透過率の差は5%以下であれば十分といえる。
なお、この偏光膜は波長変換素子において発生する線状の変換波の偏光方向に対して十分に透過率が高いように構成することによって、波長変換素子の端面を傾斜面としてここに偏光膜を設け、基本波における不要な偏光の寄生発振を抑えると共に、変換波の透過損失も低減化することが可能となる。
また、それらに分極反転処理をほどこした、PP−C−LiNbO3、PP−C−LiTaO3、PP−S−LiNbO3、PP−S−LiTaO3(PPSLT)、PP−MgO:C−LiNbO3、PP−MgO:C−LiTaO3、PP−ZnO:C−LiNbO3、PP−ZnO:C−LiTaO3、PP−MgO:S−LiNbO3、PP−MgO:S−LiTaO3、PP−ZnO:S−LiNbO3、PP−ZnO:S−LiTaO3、PP−KTiOPO4などの結晶素子を挙げることができる。
また、波長変換素子の大きさは、共振器内部での基本波及び変換波の線状ビームサイズよりも適切量大きいサイズとすることが望ましい。
波長変換素子の大きさは、共振器内部での基本波及び変換波のビームサイズよりも適切量大きいサイズであることが必要である。しかしながら、上述した各種材料の非線形光学結晶や非線形光学素子、特に周期分極反転構造を設ける非線形光学結晶は、実用上その大型化には限界がある。このため、基本波の入射する端面の有効径を大きくすることなく調整することが望ましく、すなわち調整が容易となるように、装置構成が簡易であることが望ましい。上述したように励起方向と変換波の出射方向とを平行とする場合は、光学的な調整が容易となる。すなわち、角度を適切に選定する場合は波長変換素子の調整も簡易化されるという利点がある。
図3A及びBは本発明の実施形態例に係るレーザ光源装置の一例を示す概略平面構成図である。図3Aは1対の共振器ミラー5,11により構成される共振器20内の反射光路における入射面に沿う平面内の平面構成図を示し、図3Bはこの平面に沿う方向(図3A中矢印Bで示す方向)からみた概略平面構成図を示す。
図3に示す例においては、レーザ媒質6の共振器方向に沿う端面から励起光を入射するエンドポンプ方式を採る場合で、レーザ媒質6の一方の端面を基本波に対し入射面内偏光がより高透過になるような偏光膜7のついた傾斜面6Sとして設ける例を示す。またこの場合、線状の基本波の長手方向が、共振光路を折り返す反射部の入射面に対して略垂直に配置される例を示す。
従来は、このような線状の横マルチモードの光を取り扱う場合、基本波の長手方向を反射部8の入射面に沿う方向としていた。このような従来の配置と比べて、図3A及びBに示すように基本波の長手方向を反射部8の入射面と略直交する方向とする場合は、ビームの長手方向の対称性の乱れを抑制することができ、一様で安定なビーム形状を得ることができて、空間モードを高次モードまで均一に発振させることができるという利点を有する。
その結果、励起方向とレーザ媒質出射後のビームの変化を少なくできるので、レーザ光源装置を小型化するのに都合がよい。また、励起光源1の例えばレーザダイオードを取り付ける面と、高調波等の変換波の出射方向もほぼ平行になるので、レーザ光源装置の機械的な外形ひいては励起光の排熱面と出射方向を平行にするのは容易であり、組立や取扱の容易な構造を作製し易いという利点がある。以上のように、本発明によれば、レーザ光源装置の小型化、組み立ての容易さを実現でき、かつ安定で高い変換効率の両立を図ることができる。
n=1.82
であり、ブリュースター角θBは、
θB=arctan(n)=61.2°
である。
また、結晶の内部屈折角θi2は
θi2=arcsin[sin(θB)/n]=28.8°
である。
従って、Nd:YAG結晶入出射で曲がる角度は、
θB−θi2=32.4°
となる。
b2=32.4°−20°=12.4°
の角度がついてしまう。
これは、レーザ装置全体の小型化や作り易さ、使い易さに対して制限要因となる。また、励起方向と平行に変換波を取り出すために、共振光路の反射角度a2を変化させることもでき、この場合例えば折り返しミラー73の反射角度a2を
a2=θB−θi2=32.4°
とすることによって、変換波の出射方向を励起方向と平行とすることも可能である。しかしながらこのように反射角度a2を大きくする場合、意図しない収差が発生する原因となり得る。
このような収差が発生すると、収差を補正する光学素子が別途必要となる等装置構成の簡易化、小型化を図り難くなってしまい、または、レーザのビームプロファイルの悪化や不安定性をまねく。また、所定の角度、位置に光学素子を配置する必要が生じることとなって、結果的に装置の設計及び製造作業が煩雑化してしまうという問題がある。
θB−θi2=40.4°
となり、より大きくなる。従って、励起方向と高調波の出射方向をほぼ平行にしようとすると、反射部73の反射角度は40.4°とする必要があり、コマ収差や球面収差の影響が更に大きくなるという問題がある。
例えば、Nd:YAG結晶で傾斜角(光路方向と傾斜面6Sのなす角度)を65.2°とすると、結晶の内部屈折角θi1は、
θi1=90−65.2=24.8°
となり、レーザ媒質6の傾斜面6S側外部の入射角は
θ0=arcsin[sin(θi1)×n]=49.8°
となる。Nd:YAG結晶にこの傾斜角で入出射する際に曲がる角度は、
θ0−θi1=25°
となり、ブリュースター角を用いた場合よりも減少させることができる。
θ0−θi1=25°
となる。
θ0−θi1=20°
となり、より角度を小さくすることができる。この角度に共振器光路の折れ曲がり角度a1を合わせることによって、上述の例と同様にレーザ媒質の外形や励起方向等、ひいては励起光源の排熱面と変換波の出射方向とを略平行とすることができる。つまり、レーザ媒質の屈折率が大きいすなわち屈折角の大きい材料を用いる場合ほど、本発明の効果が顕著となる。
なお、本発明においては、図5における反射部8において変換波を高透過、共振器ミラー11において高反射としたが、本例に限定されるものではない。用途に応じて、例えば共振器ミラー11においても高透過としても構わない。
上述の構成による画像生成装置100によれば、レーザ光源装置30として本発明構成のレーザ光源装置を用いることから、小型の構成とし、かつ安定で高効率の変換波を利用することができる。したがって照明むらの少ない良質な画質をもって画像を生成することが可能となる。
更にまた、画像生成装置以外においても、共振器内部に波長変換素子を有するレーザ装置を1以上用いる光学装置であれば、その少なくとも1つのレーザ光源装置に本発明を適用することが可能である。
Claims (5)
- 励起光源と、一対の共振器ミラーとを有し、
前記共振器ミラーにより構成される共振器内に、レーザ媒質と波長変換素子とを備え、
横マルチモードパターンの光で前記レーザ媒質が励起され、前記レーザ媒質の発振により得られる線状の基本波を前記波長変換素子に照射して線状の変換波を出力する構成とされ、
前記励起光源と前記共振器との間には、前記励起光源から出射される光の偏光方向を変える波長板が設けられ、
前記レーザ媒質と前記波長変換素子との間の共振光路に、光路を折り返す反射部が設けられ、
前記レーザ媒質又は波長変換素子の端面がブリュースター角以外の傾斜面とされ、
前記傾斜面に偏光膜が設けられ、
前記一対の共振器ミラーのうち一方の共振器ミラーは、前記レーザ媒質における前記傾斜面が設けられた面と反対側であり、かつ前記励起光源側の端面に設けられ、
前記一対の共振器ミラーのうち他方の共振器ミラーは、前記波長変換素子における前記傾斜面が設けられた面と反対側であり、かつ前記反射部側の端面と反対側の端面に設けられ、
前記偏光膜は、前記傾斜面の角度に対応して前記基本波に対する偏光分離作用をもつ
レーザ光源装置。 - 前記レーザ媒質又は波長変換素子として、複屈折性材料が用いられる請求項1記載のレーザ光源装置。
- 前記線状の基本波の長手方向が、前記反射部の入射面に対して略垂直に配置されて成る請求項1記載のレーザ光源装置。
- 前記レーザ媒質又は波長変換素子の一方の端面が共振光路と略垂直に加工され、かつ、前記基本波に対する高反射膜が形成されて、前記共振器ミラーとされる請求項1記載のレーザ光源装置。
- レーザ光源装置と、該レーザ光源装置から出射される光を情報に対応して変調する光変調部と、投射光学部とを備え、
前記レーザ光源装置は、励起光源と、一対の共振器ミラーとを有し、前記共振器ミラーにより構成される共振器内にレーザ媒質及び波長変換素子を備え、
横マルチモードパターンの光で前記レーザ媒質が励起され、前記レーザ媒質の発振により得られる線状の基本波を前記波長変換素子に照射して線状の変換波を出力する構成とされ、
前記励起光源と前記共振器との間には、前記励起光源から出射される光の偏光方向を変える波長板が設けられ、
前記レーザ媒質と前記波長変換素子との間の共振光路に、光路を折り返す反射部が設けられ、
前記レーザ媒質又は波長変換素子の端面がブリュースター角以外の傾斜面とされ、
前記傾斜面に偏光膜が設けられ、
前記一対の共振器ミラーのうち一方の共振器ミラーは、前記レーザ媒質における前記傾斜面が設けられた面と反対側であり、かつ前記励起光源側の端面に設けられ、
前記一対の共振器ミラーのうち他方の共振器ミラーは、前記波長変換素子における前記傾斜面が設けられた面と反対側であり、かつ前記反射部側の端面と反対側の端面に設けられ、
前記偏光膜は、前記傾斜面の角度に対応して前記基本波に対する偏光分離作用をもつ
画像生成装置。
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