JP5259385B2 - 波長変換装置及び画像表示装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ファイバレーザと波長変換素子を組み合わせて安定な可視光高出力レーザを得る波長変換装置及び、この波長変換装置を光源として用いた画像表示装置に関する。
単色性が強く、Ｗ級の高出力を出力できる可視光光源は、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、緑色又は青色の光源については、半導体レーザ等での実現が難しく、生産性の高い小型の光源が求められている。特に、緑色の出力光を得ることは、半導体レーザとして構成できる適当な材料が無いこともあり、緑色の光源を実現する上での難易度は高い。
このような光源として、ファイバレーザと波長変換素子とを組み合わせた波長変換装置が、低出力の可視光光源として実現されている。ファイバレーザを励起する励起光の光源として半導体レーザを用い、波長変換素子として非線形光学結晶を用いた緑色や青色の小型の光源はよく知られている。
しかしながら、このような波長変換装置からＷ級の高出力の緑色や青色の出力光を得るためには、いくつかの課題を解決することが必要である。図１６に従来の波長変換装置２０の概略構成を示す。この構成で、例えば、緑色の出力光を得る場合について説明する。図１６に示す波長変換装置２０は、基本波を出力するファイバレーザ１５と、基本波を緑色のレーザ光に変換する波長変換素子１と、この波長変換素子１の端面に基本波の出力を集光するレンズ２と、から構成されている。
次に、ファイバレーザ１５の基本のレーザ動作について説明する。まず、図１６で、励起用レーザ光源３からの励起光がファイバ４の一端４ａから入射する。入射した励起光はファイバ４に含まれるレーザ活性物質で吸収された後、ファイバ４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４に形成されたファイバグレーティング４ｂと、ファイバ４とは別のファイバ５に形成されたファイバグレーティング５ｂ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、種光はファイバ４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４とファイバ５とは、接続部６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。
次に、波長変換装置２０の基本動作について説明する。上記のようにしてファイバレーザ１５から基本波が出力され、その基本波がレンズ２を介して波長変換素子１に入射する。ファイバレーザ１５からの基本波は波長変換素子１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８で一部反射されるが、透過した高調波は波長変換装置２０の出力光である緑色のレーザ光となる。
ビームスプリッタ８で一部反射された高調波は、波長変換装置２０の出力光をモニターするための受光素子９で受光された後、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波長変換装置２０で所望の出力が得られる強度になるように、出力制御部１０は励起用レーザ電流源７でレーザ光源３の駆動電流を調整する。そうすると、レーザ光源３からの励起光の強度が調整され、ファイバレーザ１５の基本波の出力強度が調整され、その結果として波長変換装置２０の出力の強度が調整される。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。
このような構成により、数百ｍＷの緑色の高出力レーザを得ることは可能であるが、Ｗ級の緑色の高出力レーザを得ることは難しい。すなわち、波長変換装置の光出力を増大するためには、ファイバレーザの基本波及び励起光の出力を増大させる必要がある。しかしながら、図１６に示す従来のファイバレーザの構成では、ファイバの長さを長くして、基本波のゲインを増加させようとしても基本波の吸収量が長さに比例して増加するので、ファイバの長さがある長さを超えるとファイバレーザはレーザ発振に至らなくなる。
ところで、ファイバの基本波に対する光吸収は、ファイバレーザの発振波長が短くなるに従って顕著に増加する。図１７に従来のファイバレーザの発振波長に対する最適なファイバ長を示す。発振波長が１０８０ｎｍより１０２０ｎｍにまで短くなるに従い、最適ファイバ長も短くなるので、種光が増幅される区間が短くなり、ファイバレーザから得られる基本波の出力も小さくなる。
このような状況で基本波の出力の増大を図るためには、ファイバの長さを適当な長さに設定して、励起光の出力を大きくしてファイバレーザを励起することとなるが、ファイバの長さが十分長くないので励起光を完全に吸収させることができずに、かなりの出力強度の励起光が余ってしまう。したがって、このようなファイバレーザを用いた波長変換装置からＷ級の高出力を得ようとする場合は、ファイバ内での基本波に励起光を加えた光出力の増大や光吸収の増大による温度上昇等が原因となり、ファイバの劣化の課題が顕著に生じるようになる。また、ファイバ内での光出力が増大して、その増大した基本波の戻り光により励起用のレーザ光源が損傷を受ける等の課題も生じる。
これらの課題を解決するために、様々な工夫がなされている。レーザ光源の損傷の防止の例としては、光通信用のファイバレーザにおいて、ファイバ内で増幅されたピーク光出力の高い信号光が、励起用のレーザ光源に戻らないように、光路中に波長選択フィルターを挿入している。励起光と信号光とのわずかな波長の差を利用することにより、この波長選択フィルターは、励起光を透過するが信号光は反射する。このことにより、励起用のレーザ光源からは、励起光が出射されるだけで、増幅された信号光は戻らないようにするのでレーザ光源は損傷を受けない（例えば、特許文献１参照）。
一方、ファイバの劣化の防止のためには、レーザ活性物質として希土類元素を添加したファイバの構造を工夫した例がある。すなわち、医療分野で使用する３μｍ帯の波長の基本波を出力するファイバレーザにおいて、希土類元素の添加量の範囲を定めることや、ファイバのコアやクラッドの直径を一定の範囲に調整することにより、励起光の吸収率が最適化される。このような構造にすることで、ファイバレーザが劣化することなく３Ｗの高い光出力が得られている（例えば、特許文献２参照）。
また、光通信分野等において、信号光が伝達されるファイバにガイドファイバを介して励起光を入射するときに、上記ファイバとガイドファイバとの接続構造を工夫してファイバの劣化が防止されている（例えば、特許文献３参照）。
さらに、ファイバのコア部を、コア部よりも屈折率の高い材料から成るアウターコアで包囲し、ファイバ内の光出力が増加した場合にファイバ外部に光を漏出して光出力の増加を抑制することにより、ファイバの劣化が防止されている（例えば、特許文献４参照）。
また、本願とは別の課題として、発振した光と励起光とを分離するために、励起光をファイバ内で折り返す構造も提案されている（例えば、特許文献５参照）。
特開平５−７０３８号公報 特開２００５−７９１９７号公報 特開２００５−１９５４０号公報 特開２００４−１７０７４１号公報 特開２００５−１０９１８５号公報
しかしながら、上記従来の波長変換装置では、基本波であるファイバレーザの光出力は２〜３Ｗしか得られず、５Ｗを超えるような基本波の出力を得ることが難しいため、Ｗ級の高出力の緑色や青色のレーザ出力光が得られない。また、ファイバレーザの利得を増加させて基本波の出力を増加させる目的で単純にファイバレーザのファイバの長さを長くしても、ファイバの基本波に対する光吸収量が長さに比例して大きくなるので、大きい光出力が得られない。
一方、ファイバの基本波に対する光吸収は、ファイバレーザの発振波長が１０７０ｎｍから短くなるに従って顕著になるため、１０７０ｎｍ以下の光を得るにはファイバ長を短くする必要があった。ところが、ファイバを短くすると効率が低下し、例えば１０３０ｎｍ付近の光を発生させる場合に高効率化が困難になる。
したがって、ファイバレーザの基本波の波長を短くすることにより得られるはずの、Ｗ級の短波長の緑色のレーザ出力光を得るのが難しいという課題があった。
本発明の目的は、Ｗ級の高出力の緑色や青色のレーザ出力光を安定して得られる波長変換装置と、この波長変換装置を用いた高輝度の画像表示装置を提供することである。
本発明の一局面に従う波長変換装置は、レーザ活性物質を含み、ファイバグレーティングが形成されたファイバからなるレーザ共振器と、前記ファイバに励起光を入射するレーザ光源と、前記レーザ共振器から出射され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、前記レーザ共振器はさらに、前記ファイバグレーティングの近傍に配置された第１の反射面と、前記レーザ光源の近傍に配置された第２の反射面と、備え、前記レーザ光源から出射される励起光は、前記第２の反射面から入射された後、前記第１の反射面で反射されることにより、前記第２の反射面から前記第１の反射面までの間を一往復する。
上記の波長変換装置では、レーザ光源からファイバに入射する励起光は、ファイバの第２の反射面に入射した後、ファイバの第１の反射面で反射して、ファイバ内を往復してレーザ活性物質が関与するエネルギー準位により効率よく吸収される。従来、ファイバレーザに必要な長さは、励起光をほぼ全て吸収する長さが必要であったが、励起光をファイバレーザ内で折り返すことで半分の長さで励起光は吸収されることとなる。このため、ファイバレーザは従来の半分の長さのファイバで効率よく励起光を吸収し、高いゲインで基本波を発振して効率よく基本波を出射するので、波長変換装置は小型・高効率・低消費電力で構成できる。
本発明によれば、ファイバレーザは従来の半分の長さのファイバで効率よく励起光を吸収し、高いゲインで基本波を発振して効率よく基本波を出射するので、波長変換装置は小型・高効率・低消費電力で構成できる。
以下、本発明の実施の形態に係る波長変換装置及び画像表示装置について、図面を参照しながら説明する。なお、同一部分には同一符号を付し、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）
図１に本発明の実施の形態１に係る波長変換装置の構成を示す。図１に示す波長変換装置２１は、その基本構成として、ファイバレーザ２２と、ファイバレーザ２２から出射される基本波２３を高調波出力２４に変換する波長変換素子２５と、ファイバレーザ２２と波長変換素子２５との間に配置された集光レンズ３６と、を備えている。
ファイバレーザ２２は、その主な構成要素としては、レーザ活性物質を含み一部にファイバグレーティング２９が形成されたファイバ２６からなるレーザ共振器、ファイバ２６に励起光２７を入射するレーザ光源２８、ファイバ２６から出射される基本波２３を波長変換素子２５の方向に取り出す取り出しミラー３０を含む光学系２００、及び、ファイバ２６の各端面に形成された第１及び第２の反射面３３及び３４、である。なお、ここでファイバ２６からなるレーザ共振器は、ファイバグレーティング２９とファイバ２６の一方の端面に形成された第２の反射面３３を一組の反射面として基本波２３を増幅して出射する。
すなわち、ファイバレーザ２２は、ファイバ２６に入射する励起光２７を出力するレーザ光源２８と、基本波の波長を選択して基本波を反射するファイバグレーティング２９が内部に形成され、各端面に第１及び第２の反射面３３及び３４が形成されたファイバ２６と、出力である基本波２３を波長変換素子２５に導く取り出しミラー３０を含む光学系２００と、から構成されている。なお、取り出しミラー３０は、励起光２７を透過してレーザ光源２８とファイバ２６を結びつけ、かつファイバ２６から出射する基本波２３を反射して波長変換素子２５に導く機能を果たしている。
ファイバレーザ２２のレーザ共振器の一方の反射面としてファイバグレーティング２９を適用することで、任意の反射中心波長を選択することが可能となり発振中心波長を任意に選択できる上、波長変換素子２５側の要求する波長帯域０．０５〜０．２ｎｍの基本波を発生することができる。誘電体多層膜を用いた反射ミラーではこの帯域とすることは困難であり、誘電体多層膜のような帯域の広い反射面を用いた場合、ファイバのゲインが高い発振波長で発振する（発振しやすい発振波長で発振する）ため任意に波長選択することも困難であり、発振波長が不安定になる原因となる。
また、レーザ共振器をファイバ２６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。
次に、図１のファイバレーザ２２の基本のレーザ動作について説明する。図１でピッグテイル型のレーザ光源２８からの励起光２７は、レーザ光源２８に付属したファイバ３１中を伝搬した後、光学系２００のコリメートレンズ３２ａで平行光に変換された状態で取り出しミラー３０を透過する。さらに励起光２７は、光学系２００の集光レンズ３２ｂにより集光されて、ファイバ２６の第２の反射面３３よりファイバ２６に入射する。入射した励起光２７はファイバ２６に含まれるレーザ活性物質で吸収されつつファイバ２６中を伝搬する。励起光２７はファイバグレーティング２９を通過した後、第１の反射面３４で反射されてファイバ２６の中を折り返してレーザ活性物質で吸収されつつ伝搬し、第２の反射面３３に到達するまでに１往復してほぼレーザ活性物質に吸収されて消失する。従来はファイバ内を一方向に伝搬しつつ励起光が吸収されるだけなので、基本波を増幅するゲインは励起光が伝搬していく方向に進行するに従い減少していく。一方、本実施の形態では、励起光２７はファイバ２６内を折り返して一往復して吸収されるので、基本波を増幅するゲインは従来に比べてファイバ２６内で一様に高くなる。
このように本実施の形態では、励起光２７がファイバ２６の中を一往復してほぼ全て吸収され、ファイバ２６内で基本波を増幅するゲインが一様に高くなった状態で、基本波２３の種光がファイバ２６の内部で発生する。この基本波２３の種光は、ファイバ２６の第２の反射面３３とファイバグレーティング２９をレーザ共振器の一組の反射面として、このレーザ共振器の中を増幅されて強度を増しつつ何度も反射して往復しレーザ発振に至る。
本実施の形態で用いたファイバ２６は、例えば、高出力の励起光２７を伝搬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用した。したがって、励起光２７はファイバ２６のコアと内側のクラッドの比較的広い領域を伝搬して、ファイバ２６に含まれるレーザ活性物質により吸収される。また、広い範囲を伝搬することができるので高出力の励起光２７を用いることもできる。
このようにしてファイバ２６から出力される基本波２３は第２の反射面３３から出射した後、集光レンズ３２ｂにより平行光に変換されて取り出しミラー３０に到達する。取り出しミラー３０の一方の表面には、波長選択用の多層膜３５が形成されている。この多層膜３５は励起光２７の波長の光は透過し、基本波２３の波長の光は反射するように構成されているので、第２の反射面３３から出射した基本波２３は取り出しミラー３０の表面の多層膜３５で反射されて波長変換素子２５に導かれる。
本実施の形態において、取り出しミラー３０を狭帯域透過フィルタで構成し、励起光２７に対して、例えば、４０〜５０度の角度で挿入するのが望ましい。４０〜５０度で挿入するのは取り出しミラー３０で反射する励起光２７の一部がレーザ光源２８に戻らないようにするためである。また、ファイバ２６から出射される光の光路と波長変換素子２５から出射される光の光路とを直角にすることができるため、波長変換装置２１をモジュール化する場合、よりコンパクトにすることができるためである。また、取り出しミラー３０とは別個に狭帯域透過フィルタを取り出しミラー３０とコリメートレンズ３２ａの間に挿入してもよい。
このような構成にすると、例えば、ファイバ２６をＹｂドープファイバとした場合に、透過フィルタの透過波長を９１５ｎｍや９７６ｎｍのＹｂドープファイバの吸収のピーク波長に合わせることができる。しかも、透過波長の９１５ｎｍや９７６ｎｍを中心に２〜３ｎｍの狭帯域の半値幅しか持たないこととなる。励起光２７がこのような狭帯域の光となって取り出しミラー３０を透過してファイバ２６に入射するとき、励起光２７の一部がファイバ２６の端面である第２の反射面３３で反射される。反射された励起光２７の一部は同じ光路を逆に進行してレーザ光源２８に帰還して、レーザ光源２８の発振波長はこの帰還した励起光２７の一部である狭帯域の光でロックされる。そもそも励起用レーザ光源２８はマルチモードで発振するため比較的広い５ｎｍ以上の波長半値幅を持つが、このように透過型フィルタなどの波長を狭帯域にロックする光学部品を用いると波長半値幅が２〜３ｎｍの狭帯域のレーザ光源になる。このような効果により、励起光２７の波長の半値幅が小さくなり、レーザ光源２８自体の効率も向上する上、励起光２７がファイバレーザ２２で、より効率よく吸収され、励起光２７から基本波２３への光出力の変換がさらに高効率で実現できる。また、本実施の形態では、ファイバ２６の励起光２７の吸収効率が高くファイバ長をより短くすることができるため１０３０ｎｍ以下の波長を発生させる際に使用すると、より高効率なファイバレーザを作製できる。なお、このときにファイバ２６の端面である第２の反射面３３での励起光２７の反射率は少なくとも３〜８％程度に設定されていることが望ましく、励起用ＬＤのエミッタ幅は、発振するモードの数が少ない方が波長ロックを行いやすくなるため、５０〜２００μｍ、より望ましくは５０〜１００μｍ程度であることが望ましい。
次に、波長変換素子２５の基本動作について説明する。上記のようにしてファイバレーザ２２により基本波２３のレーザ光が出力され、集光レンズ３６で集光されて波長変換素子２５に入射する。このファイバレーザ２２からの基本波２３が入射波となり波長変換素子２５の非線形光学効果により変換されると、波長が基本波２３の１／２の高調波出力２４となる。この変換された高調波出力２４は、ビームスプリッタ３７で一部反射されるが、透過した高調波出力２４のほとんど全てが波長変換装置２１の出力光となって出射される。
ビームスプリッタ３７で一部反射された高調波出力３８は、波長変換装置２１の出力光をモニターするために受光素子３９で受光して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波長変換装置２１で所望の出力が得られる強度になるように、出力コントローラー４０は励起用レーザ電流源４１でレーザ光源２８の駆動電流を調整する。そうするとレーザ光源２８からの励起光２７の強度が調整され、ファイバレーザ２２の基本波２３の出力強度が調整され、その結果として波長変換装置２１の出力の強度が調整される。このことにより波長変換装置２１の出力の強度は一定に保たれ、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。
波長変換装置２１の出力の強度をＡＰＣ動作により、さらに精度よく制御するために、ファイバ２６の他方の端面に形成された第１の反射面３４の外側に受光素子４２を配置することもできる。このようにして、ファイバグレーティング２９で反射されずに、わずかに漏れて透過してくる基本波２３を検出する、または第１の反射面３４で反射されずに、わずかに漏れて透過してくる励起光２７を検出することができる。この検出データを基に、励起光２７や基本波２３の全体の強度を各々推定することにより、出力コントローラー４０は励起用レーザ電流源４１でレーザ光源２８の駆動電流を調整して波長変換装置２１の出力の強度をＡＰＣ動作させる。また同様に、取り出しミラー３０の基本波２３を反射する多層膜３５が構成された表面と反対の他方の表面４３から、わずかに反射してくる励起光２７の一部４４を受光素子５０で検出することにより、励起光２７の一部４４から励起光２７全体の強度を推定して出力コントローラー４０でＡＰＣ動作をさせることもできる。
次に、図１の波長変換装置２１が高出力の緑色のレーザ光（以下、Ｇ光とする）を出力する具体的な動作について説明する。
図１において、ファイバレーザ２２のファイバ２６のコア部分にはレーザ活性物質として希土類元素Ｙｂが１２００ｐｐｍの濃度でドープされている。ファイバ励起用のレーザ光源２８は波長９１５ｎｍ、しきい値電流４００ｍＡ、最大光出力１０Ｗの半導体レーザが使用されている。波長９１５ｎｍの励起光２７はファイバ２６に入射されて、反射率９８％の第１の反射面３４で折り返してファイバ２６を１往復して第２の反射ミラー３３に到達するまでに全て吸収される。その結果、このレーザ光源２８からの励起光２７をファイバ２６に入射すると、励起光２７がコア部分で吸収されてコア部分のＹｂの準位を利用して、ファイバ２６から波長約１０６０ｎｍの誘導放出が起こる。この約１０６０ｎｍの誘導放出光は、ファイバ２６の中を励起光２７が吸収されることで得られたゲインで増幅されて進み、波長約１０６０ｎｍの赤外レーザ光である基本波２３となる。
また、この基本波２３はファイバグレーティング２９と第２の反射面３３とをレーザ共振器の一組の反射面として、これらの反射面の間を往復することにより、主として高反射率のファイバグレーティング２９により発振波長の選択が行われる。このときのファイバグレーティング２９の反射波長及び反射波長帯域幅は、１０６４ｎｍ及び０．１ｎｍに設定されている。したがって基本波２３の波長帯域幅は０．１ｎｍとなってファイバレーザ２２から出力される。なお、ファイバ２６のファイバグレーティング２９と第２の反射面３３の基本波２３の波長１０６４ｎｍに対する反射率は、それぞれ９８％と１０％に設定されている。レーザ共振器の一方の反射面において、波長帯域幅０．１ｎｍという狭帯域で、反射率９８％以上を実現できたのはファイバグレーティング２９を用いたためである。ファイバグレーティング２９の反射率を全反射に近い値とすることで、ファイバレーザ２２内で発生する基本波が増幅される区間を大きくすることができる。また、ファイバグレーティング２９の波長帯域幅は、０．１ｎｍ以下であることが好ましく、０．０５ｎｍ以下であることがより好ましい。この場合、ファイバレーザ２２から出力される基本波の帯域を狭帯域とすることで、波長変換素子２５での波長変換効率を高めることができる。図２にファイバグレーティング２９の波長帯域幅に対する波長変換素子２５での波長変換効率を示す。図２に示すように、ファイバグレーティング２９の波長帯域幅を狭くする、つまり、ファイバレーザ２２からの基本波の波長帯域幅を狭くすることで、波長変換素子２５での波長変換効率が向上することがわかる。
また、ファイバレーザ２２の基本波出力は、励起用レーザ光源２８の入力電流によって増加させることができる。図３に励起用レーザ光源２８の入力電流に対する波長１０６４ｎｍの基本波の光出力の入出力特性について示す。ファイバレーザ２２からの基本波出力は７Ｗまでレーザ光源の入力電流に対して比例して直線性よく増加しているのがわかる。
このように励起光２７に対して第１の反射面３４において高い反射率を得るために、ファイバ２６の端面には、多層膜が形成されている。これらの多層膜は、例えば、誘電体からなる材料で、よく用いられるものはＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ３などであり、ファイバ２６の端面にスパッタ法や蒸着法などにより作製される。これらの材料から、例えば、２つの材料を選択し積層して、励起光２７の波長の１／４の厚さの膜を周期的な多層構造にすることにより第１の反射面３４は構成される。また、上記したように、第１の反射面３４は励起光２７に対しては高い反射率を要求される一方、基本波２３に対しては低い反射率が要求される。すなわち、第１の反射面３４の反射率はファイバグレーティング２９の反射率に対して次の関係を満たすことが要求される。基本波２３の波長に対しては、
ファイバグレーティング２９の反射率＞第１の反射面３４の反射率
を満たし、励起光２７に対しては、
ファイバグレーティング２９の反射率＜第１の反射面３４の反射率
を満たす必要がある。
これら関係を満足することで、基本波２３はファイバグレーティング２９と第２の反射面３３の間で共振する一方、励起光２７はファイバグレーティング２９を通過し、第１の反射面３４で反射することが実現される。図４に第１の反射面３４の反射率の理想的な特性の一例を示す。図４に例示するように、第１の反射面３４の反射率は、レーザ光源２８の励起光２７の波長９１５ｎｍ、９７５ｎｍでは全反射に近い反射率を持ち、ファイバレーザ２２の基本波２３の波長１０６０ｎｍでは低い反射率を持っている。
また、第２の反射面３３は、基本波２３が効率よく、波長変換素子２５の入射光として取り出せるように１０％の反射率に設定されている。さらに、基本波２３の偏光方向を安定させて波長変換素子２５への偏光方向の光学的調整を容易にするために、ファイバ２６の第２の反射面３３を偏光ミラーで構成してもよい。この偏光ミラーはファイバ２６の端面に、例えば、誘電体のＳｉＯ２／ＨｆＯ２の多層薄膜からなる薄膜を形成し、ＨｆＯ２薄膜の表面はストライプ状の凹凸の形状に加工し偏光方向を選択して反射することにより実現できる。第２の反射面３３を偏光ミラーとした場合、高効率かつ偏光分離性の良いレーザ共振器を構成するために、発振させたい偏光方向の光に対して反射率が１０〜１５％程度となり、不要な偏光方向の光に対して、透過率が９９％以上となるように第２の反射面３３を設計するのが望ましい。また、この偏光ミラーの反射帯域は、ファイバグレーティング２９の反射帯域と比較して５０〜１００ｎｍの広帯域で良い。また、反射率を１０〜２０％とすることで、ファイバ２６に入射させる励起光２７への反射スペクトルのサイドバンドによる不要なロスを低減することができる。なお、第２の反射面３３の反射率としては、基本波２３の波長に対して、上記の１０〜２０％であることが好ましく、１５％であることがより好ましい。この場合、光学系２００と第２の反射面３３との間での異常発振の生成を抑えつつ、ファイバ２６からの基本波２３を第２の反射面３３を通して効率よく取り出すことができる。
次に、出射した基本波２３が波長変換素子２５により高調波出力２４に変換される過程について説明する。
ファイバレーザ２２から出力された１０６４ｎｍの基本波２３は集光レンズ３６を介して波長変換素子２５に入射する。波長変換素子２５は、入射した光を第２高調波に変換して出力する素子で、ここでは長さ１０ｍｍの周期分極反転ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶を用いている。ここで、波長変換素子２５において高調波に変換可能な波長は位相整合波長と呼ばれ、本実施の形態では２５℃で１０６４ｎｍに設定されている。したがって、ファイバレーザ２２の基本波２３の波長１０６４ｎｍは位相整合波長と一致し、波長変換素子２５で第２高調波に変換され、１／２の波長である５３２ｎｍの波長の緑色レーザとなって波長変換装置から高調波出力２４として出力される。なお、一般的に、波長変換素子２５は、素子の温度により位相整合波長が敏感に変化するため、０．０１℃の精度で温度制御されている。また、ファイバグレーティング２９もＷ級以上の出力の基本波２３が反射するときの温度上昇により、グレーティング間隔が変化することを防止するために、０．０１℃の精度で波長変換素子２５と同様に温度制御されている。
本実施の形態では波長変換素子２５及びファイバグレーティング２９はペルチェ素子４６、４７を取り付けて０．０１℃の精度でそれぞれ個別に温度制御している。このようにすると、ファイバレーザ２２の基本波出力が５Ｗを超えて波長変換素子２５及びファイバグレーティング２９での発熱が大きくなってもＷ級の緑色レーザの高調波出力２４を得ることができる。なお、ペルチェ素子４６、４７には温度センサ４８、４９が取り付けられており、ペルチェ素子４６、４７及び温度センサ４８、４９は全て出力コントローラー４０に接続されて温度の信号出力の取り込みや各部品や素子の駆動などを制御されている。
しかしながら、波長変換装置からＷ級のＧ光を得ようとすると、ファイバレーザ２２の基本波の波長と波長変換素子２５の位相整合波長とを一致させることが必要であり、この波長の一致は難しい。すなわち、波長変換素子２５に入射する基本波の出力が大きくなると波長変換素子２５の内部温度が上昇する。
図５に１０６４ｎｍ光の基本波から５３２ｎｍ光の第２高調波を発生させる場合における、基本波出力２３に対する、ファイバグレーティング２９の反射波長変化量と波長変換素子２５の位相整合波長変化量とを示す。一般的にファイバグレーティングと波長変換素子との内部温度に対する波長変化の割合は、図５に示すように基本波２３の出力が２〜３Ｗを超えると、それぞれ０．０１ｎｍ／Ｋ、０．０５ｎｍ／Ｋとなる。ここで、ファイバグレーティング２９及び波長変換素子２５での基本波出力２３が１Ｗ増加するときの温度上昇量は約１℃に相当する。これらのことより、基本波が２〜３Ｗ程度の低出力のときに比べて、基本波が５Ｗを超える状態になると基本波の波長の温度上昇によるシフト量と位相整合波長の温度上昇によるシフト量が大きく離れる。この関係は、基本波の波長つまり発生させる高調波の波長によって異なり、高調波の波長が短波長化するにつれ波長変換素子２５の内部温度がより高く上昇する傾向にある。
この２つの波長シフト量の差を縮めて一致させるために、温度上昇による波長シフト量が大きい波長変換素子２５は放熱用のフィンを取り付けた上でファンにより空冷して温度上昇を抑える。さらに２つの波長シフト量の差をゼロにするために、図５のデータも活用しながら、出力コントローラー４０はペルチェ素子４６及び４７により高調波出力２４が最大となるように０．０１℃の精度で温度調整を行う。この温度調整として、波長変換素子２５の温度が上昇した場合を例に説明すると、波長変換素子２５の位相整合波長は長波長側にシフトし、波長変換素子２５から出力されるＧ光の出力は低下してしまう。そこで、上記のように波長変換素子２５の温度上昇を抑える一方で、出力コントローラー４０はファイバグレーティング２９の温度を上昇させ、基本波の波長を長波長側にシフトさせる。それにより、波長変換素子２５の位相整合波長のシフト量と基本波の波長のシフト量を一致させ、波長変換素子２５からのＧ光の出力低下を回復する。
このように、波長変換素子２５とファイバグレーティング２９との温度をそれぞれ微調整することで基本波の波長のシフト量と位相整合波長のシフト量を一致させて、高出力の数Ｗ以上のＧ光が安定に得られる。
ところで、本実施の形態のファイバレーザ２２ではファイバ２６の長さを従来の約半分としている。図６Ａ及び図６Ｂにコア部分にレーザ活性物質として希土類元素Ｙｂを１２００ｐｐｍの濃度でドープしたファイバを２種類の形態で用いたときのファイバ長に対する基本波の発振光出力の関係について示す。図６Ａは図１６に示す従来と同様の使用形態で、励起光をファイバに吸収する場合であり、励起光はファイバの一端から入射し、余剰の励起光はもう一方の端から出力される場合を示している。一方、図１に示す本実施の形態において、励起光をファイバの端面で折り返し、ファイバにすべて吸収させた場合、基本波光の発振出力は１０％程度増加する。図６Ｂは図１に示す本実施の形態の場合で、励起光２７を第１の反射面３４で折り返して、ファイバ２６の中を１往復する間に全て吸収してしまう。図６Ａ及び図６Ｂでは、励起用レーザ光源２８には波長９１５ｎｍのレーザを用い、光出力９Ｗの励起光２７をファイバの端面から注入し、１０６４ｎｍの基本波が発生する場合にファイバの長さを変化させて、１０６４ｎｍの基本波の光出力を測定した。
図６Ａ、図６Ｂに示すように、いずれの場合であっても、基本波の光出力を最大にする最適なファイバ長さが存在する。ファイバの長さが最適な長さより短い場合は、ファイバレーザの共振器で吸収される励起光が少ないことや、発振した光の増幅区間が短いことから、基本波の光出力はファイバの長さが短くなると共に減少していき、レーザ発振が停止する。逆に、ファイバの長さが最適な長さより長い場合は、ファイバレーザの共振器内で基本波が吸収される量が増加し、共振器内の損失が増大するので、基本波の出力はファイバの長さが長くなるほど減少し、やがてレーザ発振は停止する。本測定結果は、本発明の実験結果の一例であるが、図６Ａより従来の構成でのファイバの最適な長さは１７ｍであり、図６Ｂより本実施の形態でのファイバの最適な長さは７．５ｍであることがわかる。このことからも本実施の形態では従来の構成に比べてファイバの長さが半分以下でよいことがわかる。
なお、図６Ａ及び図６Ｂで縦軸の発振光出力は任意強度（ａ．ｕ．）としているが基準となる光出力は同じであり、本実施の形態でのファイバの最適な長さでの光出力は、従来の構成での最適な長さでの光出力に比べて２０％程度大きいことがわかる。このことより、発振した光がファイバを１往復する間に効率よく増幅されることで、基本波に対するゲインが高くなっていると考えられる。発振した光強度を入力した励起光強度で割り算して算出する「光−光変換効率」では、図１６の従来例の場合４１．３％であったのに対し、本実施の形態で提案した折り返し構成では、基本波がファイバグレーティング２９で全反射に近い反射率で反射させ、短いファイバ内で低損失で効率よく増幅することにより５０．２％まで向上し、さらに、励起光を反射するための第１の反射面３４を設け、基本波の増幅される区間のゲインを高めることにより５４．７％まで向上させることができた。
図６Ｂのファイバを用いた波長変換装置２１を動作させたところ、光出力９Ｗの励起光でファイバを励起し、基本波出力が６．３Ｗのときに１．５ＷのＧ光が安定に得られた。さらに、基本波出力を増加するとＧ光の変換効率が大きく改善されると考えられる。図７に基本波の１０６４ｎｍの入力光に対する５３２ｎｍの高調波出力光の入出力特性を示す。入力光の２乗に比例して出力光が増加していることがわかる。
以上に説明した構成により、本実施の形態のファイバレーザは従来のファイバの半分の長さで励起光をほぼ全て吸収でき、かつ基本波の増幅区間が長くなったため、基本波を増幅するのに一様な高いゲインを得ることができる。また、ファイバの長さが半分にできるのでファイバレーザをコンパクトにすることができ、高出力の基本波が得られ、かつ波長変換装置を小型にすることができる。
さらに、本実施の形態のファイバレーザは従来の半分の長さのファイバで構成できる。したがって、ファイバレーザの基本波の吸収量も半分になるので、光吸収量の多い短波長側での吸収量も半分となり、例えば、１０６４ｎｍよりも短波長の１０３０ｎｍの基本波のレーザ光が高出力で出力することができるようになる。
次に、図１のファイバレーザ２２の励起用レーザ光源２８とファイバ２６を結合している光学系の詳細について説明する。図８Ａは図１の光学系の拡大図、図８Ｂは図１の取り出しミラー３０の拡大図を示す。
図８Ａで、励起用レーザ光源２８から付属のファイバ３１を介して出射される励起光２７は、コリメートレンズ３２ａで平行光に変換された後に、取り出しミラー３０を透過する。ほぼ全ての励起光２７が取り出しミラー３０を透過して集光レンズ３２ｂによりファイバ２６に入射する。入射した励起光２７はファイバ２６を１往復する間に全て吸収される。励起光２７を吸収して、基本波に対して一様な高いゲインを持つファイバ２６は基本波を増幅して、基本波２３を第２の反射面３３より出力する。基本波２３は取り出しミラー３０の表面に形成された多層膜３５により、ほぼ全ての基本波が反射されて波長変換素子２５に入射する。
図８Ｂは取り出しミラー３０の拡大図である。基本波２３は取り出しミラー３０に入射して、取り出しミラー３０表面の多層膜３５により反射される。この多層膜３５は、基本波２３に対して吸収の少ない、例えば、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２及びＮｂ２Ｏ３などの誘電体薄膜３５ａ、３５ｂで構成される。多層膜３５中を基本波２３が進行する距離５２ａ、５２ｂは、反射した基本波２３の各成分２３ａ、２３ｂ、２３ｃの位相が揃う距離に設計されているので、基本波２３に対して高い反射率を示す。なお、基本波２３に対して取り出しミラー３０が４５度の角度で配置された場合は、距離５２ａ及び５２ｂは、基本波の１／２の波長に相当する厚さとなっている。一方、図８Ａで説明したように、取り出しミラー３０は励起光２７に対しては高い透過率を示すように設計される。すなわち、励起光２７の波長９１５ｎｍと基本波２３の波長１０６４ｎｍとの波長の差を利用して波長選択性を持った多層膜３５を取り出しミラー３０の表面に形成することで、励起光２７の透過率と基本波２３の反射率とが高くなり、波長変換装置全体の効率を高めている。また、基本波２３は取り出しミラー３０でほぼ全てが反射されるので、励起用レーザ光源２８にはほとんど到達しない。このことにより、取り出しミラー３０は波長選択部である多層膜３５によりレーザ光源２８の損傷なども防止している。
さらに、図９Ａ及び図９Ｂに図１の励起用レーザ光源２８の発振波長を安定化する構成の例について示す。図９Ａは反射型の回折格子を利用した例、図９Ｂは透過型の回折格子を利用した例である。
図９Ａに示すように、図８Ａの光学系に反射型の回折格子５１ａを付け加えることにより、励起用レーザ光源２８の発振波長の安定化が可能となる。取り出しミラー３０でわずかに反射する励起光２７の一部の励起光２７ｂは、図９Ａに示す回折格子５１ａで高精度に波長選択をされた後に、同じ経路で励起光２７ａとして戻されることにより、レーザ光源２８に注入される。このようにすると、回折格子５１ａで高精度に選択された波長がレーザ光源２８で増幅されて、レーザ光源から出射する励起光２７の波長が、選択された波長に固定される。しかも、取り出しミラー３０を透過型フィルタとして構成する場合に説明したように、回折格子５１ａは中心波長を選択するだけではなく狭帯域のフィルタとしても働くこととなる。図９Ａに示すように、この励起光２７の波長選択は回折格子５１ａを配置して励起光２７ｂに対して角度θ１を回転調整することにより実現できる。
また、図９Ｂに、図９Ａの反射型の回折格子５１ａの換わりに透過型の回折格子５１ｂと反射ミラー５３を使用することにより、励起用レーザ光源２８の発振波長を安定化した例を示す。取り出しミラー３０でわずかに反射する励起光２７の一部の励起光２７ｂは図９Ｂに示す回折格子５１ｂで高精度に波長選択をされて透過した後に、反射ミラー５３の反射面５４で反射される。反射された励起光２７ｂは、同じ経路で励起光２７ａとして戻されることによりレーザ光源２８に注入される。このようにすると回折格子５１ｂで高精度に選択された波長がレーザ光源２８で増幅されて、レーザ光源から出射する励起光２７の波長が、選択された波長に固定される。しかも、取り出しミラー３０を透過型フィルタとして構成する場合に説明したように、回折格子５１ｂは中心波長を選択するだけではなく狭帯域のフィルタとしても働くこととなる。
ところで、図９Ａの構成に比べて、図９Ｂの構成では回折格子５１ｂが透過型のものを用いるので中心波長の選択の範囲が広い。また、取り出しミラー３０を回転して基本波２３の出射方向を選択し制御することと励起光２７の波長の選択とを独立して行うことができる。すなわち、図９Ｂにおいて、取り出しミラー３０をθ２だけ回して基本波２３の出射方向を選ぶと、これに追随して回折格子５１ｂと反射ミラー５３は一体となってθ３だけ回転する。しかしながら、励起光２７の波長の選択は、上記のθ２及びθ３の角度の回転とは別に、回折格子５１を励起光２７に対してθ１の角度を選択することにより行っている。
このように図９Ａまたは図９Ｂの構成を利用すると、例えば、本実施の形態でファイバレーザとして用いたＹｂドープファイバの吸収スペクトルにおいて、図１のレーザ光源２８の波長として、よりファイバの吸収量が大きい波長を利用することができる。すなわち、本実施の形態で利用した波長９１５ｎｍの吸収量よりも、３倍以上大きい吸収量をもつ９７６ｎｍの波長の励起光を利用することができる。この９７６ｎｍの吸収スペクトルは９１５ｎｍに比べて波長帯域が狭いが、図９Ａまたは図９Ｂで示した回折格子５１ａ、５１ｂを用いて高精度に波長選択をして、レーザ光源２８の励起光２７の発振波長を固定することにより十分利用することができる。なお、図１で示した構成の波長変換装置２１で励起光２７の波長を９７６ｎｍにして適用したところ、同じ９Ｗの波長９１５ｎｍの励起光で１．５ＷであったＧ光が２．５Ｗの出力となり、高調波出力２４であるＧ光が高効率で得られることを確認した。
図６Ａ及び図６Ｂに示した、ファイバレーザ２２の発振波長に対する最適なファイバ長の関係から明らかなように、ファイバレーザ２２の基本波２３の発振波長が短くなるに従い、基本波２３の吸収量が多くなるので、最適なファイバ長も短くなることがわかる。このため、基本波の種光が増幅される区間が短くなり、高出力の基本波を得ることは困難であった。しかしながら、本実施の形態では、励起光を折り返すことで、最適ファイバ長を短くして基本波の損失を抑え、それにより基本波の出力を向上させる。したがって、従来よりも短いファイバ長でＷクラスの高出力のＧ光を得ることができるので、本実施の形態の構成は、従来のＧ光より短い波長のＧ光の発生に適している。
したがって、本実施の形態ではファイバに添加する希土類元素の種類や量を調整することやファイバグレーティングの反射波長を短波長に調整することにより、本実施の形態で用いた基本波よりも短波長の基本波を５Ｗ以上の高出力で出力できるので、より短波長の５１０〜５４０ｎｍのＷ級の緑色レーザ光を同様の構成で得ることができる。
なお、ファイバレーザのファイバ長を短くすることで５１０〜５４０ｎｍの短波長の緑色レーザ光を得ることができ、再生色の範囲を従来のＳＲＧＢ規格より大きく拡げることができるので、ディスプレイ等に適用するときにさらに色再現範囲が広げられる。
なお、本実施の形態では、図１の光学系２００内に取り出しミラー３０を設け、励起用レーザ光源２８からの励起光２７をそのまま直進させてファイバ２６に入射する一方、ファイバ２６からの基本波２３を、レーザ光源２８とファイバ２６との間の光路に対して略垂直となる方向に出射することで、ファイバレーザ２２から基本波２３を取り出している。しかしながら、本発明はこの光学系２００の構成に限るものではない。すなわち、ファイバ２６からの基本波２３の取り出し方向がレーザ光源２８−ファイバ２６間の光路と一致することを回避し、基本波２３がレーザ光源２８に戻ること無く、波長変換素子２５に出射することができるように、基本波２３の出射方向を変化させることができるものであれば、どのような構成の光学系を用いても構わない。
（実施の形態２）
図１０に本発明の実施の形態２に係る波長変換装置の構成を示す。本実施の形態の波長変換装置５５は、実施の形態１と同様に、その基本的な構成として、ファイバレーザ５６と、ファイバレーザ５６から出射される基本波２３を高調波出力２４に変換する波長変換素子２５と、ファイバレーザ５６と波長変換素子２５との間に配置された集光レンズ３６と、を備えている。本実施の形態が、上記の実施の形態１と異なるところは、ファイバレーザ５６のファイバが１本のものからではなく、レーザ活性物質を含む第１のファイバ５７とファイバグレーティング５９を内部に形成した第２のファイバ５８とが接続部６０で接続されたものからなることである。
このような構成とすることで、第１のファイバ５７は励起光２７を効率よく吸収できるようにレーザ活性物質の材料と添加量を最適化した構造で作製することができる。また、第２のファイバ５８はファイバグレーティング５９や第１の反射面３４を形成しやすい構造のものを選ぶことができる。
ここでは、例えば、第１のファイバ５７はダブルクラッドの偏波保持ファイバを使用しており、レーザ活性物質はコア部分に希土類元素のＹｂを１３２０ｐｐｍの濃度でドープして励起光２７の単位長さ当りの吸収量を増加させてファイバの長さを図１の構成と比較して１０％程度短くしている。基本波２３を増幅するゲインの総量を維持して、ファイバの長さを短くすることにより、ファイバレーザ５６の基本波２３の吸収量を少なくして、より短波長の基本波２３も出力可能な構成としている。
一方、第２のファイバ５８は希土類元素を添加しない構造のものを使用し、第２のファイバ５８中での励起光２７の吸収を少なくしファイバレーザ５６全体での励起光２７の基本波２３への変換効率を高めている。また、このファイバの材料・構造は、ファイバグレーティング５９の反射波長や波長帯域幅が精度良く設定して作製できるのに適した材料・構造となっている。このような構成のファイバレーザ５６を用いて、実施の形態１と同様に波長変換装置５５からＷ級のＧ光が得られた。
なお、本実施の形態では第１及び第２のファイバ５７、５８はダブルクラッドファイバで構成されているため、図１６の従来例で示したようなダブルクラッドファイバ−シングルモードファイバの接続部分に生じるファイバ劣化を防止することが出来、ファイバレーザ及び波長変換装置の信頼性を向上させることができる。
また、ファイバを複数の部分に分けて、それぞれのファイバを最適な材料・構造で構成するので、さらにファイバ長を短くすることができる。したがって、ファイバレーザのファイバ長を短くすることで５１０〜５４０ｎｍの短波長の緑色レーザ光を得ることができ、再生色の範囲を従来のＳＲＧＢ規格より大きく拡げることができるので、ディスプレイ等に適用するときにさらに色再現範囲が広げられる。
（実施の形態３）
図１１に本発明の実施の形態３に係る波長変換装置の構成を示す。本実施の形態において、図１１の波長変換装置６１は装置全体として予め入力されたデータに基づき波長変換後のレーザ出力を制御できる構成となっている。励起光２７、基本波２３及び高調波出力２４の各光量を検出する受光素子が多く配置されて出力コントローラー４０に接続されていること以外は、図１に示した実施の形態１と同様の構成である。
図１１の波長変換装置６１において、高調波出力２４は、受光素子３９でその出力の一部３８を検出することにより検出される。また、基本波２３は、ファイバレーザ２２の第１の反射面３４から漏れてくる光、ファイバ２６の一部を加工し、その部分から漏れ出させた基本波の一部６２及びファイバグレーティング２９で散乱される基本波の一部６３のいずれかを受光素子４２、６４及び６５のいずれかで検出する。さらに、励起光２７は、取り出しミラー３０でわずかに反射する光を受光素子５０で検出するか、または、第１の反射面３４をわずかに透過する光を受光素子４２で検出する。これらの受光素子３９、４２、５０、６４、６５は全て出力コントローラー４０に接続されている。また、波長変換素子２５とファイバグレーティング２９との温度制御のためにそれぞれ配置されているペルチェ素子４６、４７及び温度センサ４８，４９も出力コントローラー４０に接続されている。出力コントローラー４０は、各受光素子３９、４２、５０、６４、６５や温度制御・温度検知素子の信号により波長変換装置６１の全体状況を把握し、これらの素子やレーザ電流源４１を制御することにより所望の高調波出力２４を安定に出力する。例えば、各受光素子３９、４２、５０、６４、６５からの検出信号と予め入力されたテーブルデータを基に入力である励起用レーザ光源２８の電流値を最小に、出力である高調波出力２４を最大にするように出力コントローラー４０が出力制御部として動作することとなる。
テーブルとして予め入力され、記憶されたデータの代表的なものは、図５に示す基本波出力２３に対する波長変換素子２５での位相整合波長変化量及びファイバグレーティング２９での反射波長変化量のデータである。この波長変化量の温度依存性は、波長変換素子２５とファイバグレーティング２９が、それぞれ０．０５ｎｍ／Ｋ、０．０１ｎｍ／Ｋであるので、この数値により、それぞれの温度上昇量を推定する。これらのデータにより波長変換素子２５の位相整合波長に基本波２３の波長を正確に合わせて、基本波２３の高調波出力２４への変換の効率を最大にする。そのために、波長変換素子２５は予め放熱フィンが取り付けられ、ファンによって温度上昇を極力抑制されるとともに、ペルチェ素子４６により温度上昇を抑えるために冷却されて常に、例えば、２５℃前後の室温になるように制御される。一方、基本波２３の波長はファイバグレーティング２９の反射波波長で決まるので、ペルチェ素子４７でファイバグレーティング２９を加熱・冷却してグレーティング間隔を変化させて反射波波長を変化させることにより、そのときの波長変換素子２５の位相整合波長に合うように調整される。このように波長変換装置６１の出力の効率を高めるための物理量が出力コントローラーで制御されるので、例えば、１０６４ｎｍの赤外光を基本波として使用したときは、基本波２３の出力が波長変換素子２５で第２高調波に効率よく変換されて、５３２ｎｍのＷ級のＧ光が得られる。
（実施の形態４）
図１２Ａ及び図１２Ｂに本発明の実施の形態４に係る波長変換装置に使用される励起用レーザ光源の構成について示す。実施の形態１〜３では、励起用レーザ光源は励起光を外部に誘導するファイバを備えた、一般的なピッグテイル型のものを使用している。このようなレーザ光源を用いるとファイバレーザと結合する光学系を小型にすることが難しい。このような光学系を小型にするためには、励起用レーザチップの直近に光学系を配置することが必要である。
図１２Ａ及び図１２Ｂは、励起用のレーザチップ７０の直近に小型の光学部品を配置して、励起光７１のビーム径を数十μｍの状態で平行光線としてファイバレーザと結合する、小型化された光学系である。励起用のレーザチップ７０から出射する励起光７１の広がり角はレーザ構造に依存し、その構造が導波路型の半導体レーザであるので、導波路と平行な水平方向は１０°前後、導波路と垂直方向は３０°前後の値を持つ。したがって、水平方向と垂直方向のアスペクト比は２〜４程度となる。このアスペクト比がほぼ１になるように改善しないと、ファイバと結合するときにレーザ光を光学系に効率よく取り込めず光量の損失が生じる。
アスペクト比を改善するためには、レーザチップ７０から出射する励起光７１のレーザビームをビーム整形すればよい。ビーム整形の一例としてシリンドリカルレンズ７２を用いた例を図１２Ａに示す。図１２Ａでレーザチップ７０から出た励起光７１の垂直方向の広がり角が、垂直方向のビームを絞るシリンドリカルレンズ７２により絞られていることが判る。このビーム整形された励起光７１は、コリメートレンズ７３により垂直方向と水平方向と光量のロスなく平行光に変換される。このときにレーザチップ７０は放熱性のよい、例えば、ＡｌＮ製のサブマウント７４にハンダ付けされており、このサブマウント７４は金属基台７５に高熱伝導のＡｕペーストで接着されている。すなわち、レーザチップ７０で生じた熱を熱伝導のよいサブマウント７４等で効率よくパッケージや筐体に放熱して、レーザチップ７０での発熱による温度上昇を抑えている。また、シリンドリカルレンズ７２及びコリメートレンズ７３は絶縁性のホルダー７６で支持され、このホルダー７６は接着剤等で金属基台７５に固定されている。
もう１つの例として、図１２Ｂにシリンドリカルレンズ機能が付いたレンズファイバ７７でビーム整形をした例について示す。図１２Ｂでレーザチップ７０から出た励起光７１の垂直方向の広がり角が、垂直方向のビームを絞るシリンドリカルレンズ機能付きのレンズファイバ７７により絞られていることが判る。このレンズファイバ７７のテーパ状の先端部７８でビーム整形された励起光７１は、レンズファイバ７７の本体部分でコリメートされて光量のロスなく平行光に変換される。このときにレーザチップ７０は、図１２Ａと同様に放熱性のよい、例えば、ＡｌＮ製のサブマウント７４にハンダ付けされており、このサブマウント７４は金属基台７５に高熱伝導のＡｕペーストで接着されている。また、レンズファイバ７７は絶縁性のホルダー７６で支持され、このホルダー７６は接着剤等で金属基台７５に固定されている。
このように図１２Ａ及び図１２Ｂに示したレーザチップ７０は数ｍｍ以内の距離に光学素子を近接して配置できるので、レーザチップ７０と光学系の構成を放熱性の良い金属基台の付いた小型パッケージ内にコンパクトに納めることができる。このときのパッケージの金属製の筐体を金属基台としてもよい。また、パッケージは少なくとも防塵のための外部とのシールド、例えば、透明ガラスの付いた金属性のキャップ等でのシールドが必要である。このとき、水素を５％程度含んだ窒素雰囲気で内部をパージすることにより、パッケージ内部の塵がレーザビームで燃えた事による炭素の発生を抑えることができる。
さらに、図１３に示すように、図１２Ａ又は図１２Ｂの励起用レーザ光源の構成に加えて、ファイバとの結合の光学系や波長変換素子を含んだモジュールとして同一の筐体内にコンパクトに納めてもよい。
図１３にモジュール８０の内部の構成を上部から見た模式図を示す。モジュール８０の内部に主に配置されるものを以下に示す。励起光７１はレーザチップ７０から出射された後、例えばここでは、レンズファイバ７７でビーム整形されて平行光に変換される。この励起光７１はレンズファイバ７７からコリメートレンズ８１を通過した後、集光レンズ８２によりファイバ２６に集光されて入射する。このときに、ファイバ２６はモジュール８０に設けられたファイバホルダー８３により第２の反射面３３を含めて固定されている。ファイバ２６でレーザ発振した基本波８４は、ファイバ２６の第２の反射面３３から出射した後に、集光レンズ８２を通過し、取り出しミラー８５で反射された後に集光レンズ８６により波長変換素子８７に集光されて高調波出力８８に変換される。この高調波出力８８がモジュール８０の出力となる。なお、波長変換素子８７には冷却のためのフィン（図示していない）が取り付けてあるのに加えて、温度調節のためのペルチェ素子８９を付けている。また、モジュール８０には、レーザチップ７０及び波長変換素子８８を冷却しているペルチェ素子８９を冷却するためのファン（図示していない）が取り付けてある。なお、モジュール８０の内部の素子や部品をモジュール制御部９０により、入出力配線９１を介して制御することもできる。
このようにレーザチップとレンズとを筐体内に近接させて配置すると、レーザ光源をコンパクトにすることができる、さらに図１３に示したようにファイバ以外のものをコンパクトにモジュール化することができ、波長変換装置の小型化・軽量化が実現できる上、故障時においてもモジュール毎交換することができるので、複雑な光学調整を簡略化できるとともに、モジュール内を清浄な状態に保つことができるため、レーザトラッピングによる、波長変換素子８７やレンズなどの光学系への塵の付着を防止することが可能となり信頼性を向上させることができる。
なお、ここでは受光素子や温度センサ及びペルチェ素子について、その配置を十分に図示していないが、図１１の実施の形態３に示したように必要なところに必要なだけ配置してもよい。
なお、出力コントローラーや励起用レーザ電流源等についても図示していないが、波長変換装置に必要な部品及び機器は全て配置され、出力コントローラーで波長変換装置の全体が制御されている。
なお、本実施の形態では励起用レーザの励起光をシリンドリカルレンズやレンズファイバを用いてビーム整形を行ったが、他のビーム整形ができる光学部品、例えば、ビーム整形プリズムや凹レンズ等を用いてもよい。
（実施の形態５）
図１４に、上記で説明した実施の形態１〜４で示した波長変換装置を適用した、本発明の実施の形態５に係るレーザディスプレイ（２次元画像表示装置）の構成の一例について示す。光源には赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色のレーザ光源１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃを用いた。赤色レーザ光源（Ｒ光源）１０１ａには波長６３８ｎｍのＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系半導体レーザを、青色レーザ光源（Ｂ光源）１０１ｃには波長４６５ｎｍのＧａＮ系半導体レーザを用いている。
一方、緑色レーザ光源（Ｇ光源）１０１ｂには赤外レーザの波長を１／２にする波長変換素子を具備した、実施の形態１〜４で示した波長変換装置を用いている。Ｒ、Ｇ、Ｂ各光源１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃより出射されたレーザビームは、集光レンズ１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃにより集光した後、反射型２次元ビーム走査手段１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃにより拡散板１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ上を走査される。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、その信号をフィールドレンズ１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃで絞って空間変調素子１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃに入力した後、ダイクロイックプリズム１０６で合波することによりカラー画像を形成する。このように合波した画像は投射レンズ１０７によりスクリーン１０８に投影される。ただし、Ｇ光源１０１ｂから空間変調素子１０５ｂに入射する光路中には、空間変調素子１０５ｂ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の凹レンズ１０９が挿入されている。
なお、本実施の形態では１つの半導体レーザを使用してＲ光源やＢ光源を構成しているが、複数個の半導体レーザの出力を、例えば、バンドルファイバなどにより１本のファイバとしてまとめて得られるようにＲ光源やＢ光源を構成する構造としてもよい。このようにすると、Ｒ光源やＢ光源の波長スペクトルの幅を大きくすることができて、可干渉性を緩和することができ光源としてスペックルノイズを抑制することもできる。同様にＧ光源についても、複数の波長変換装置のＧ光出力をそれぞれ出力ファイバで導波し、これらの出力ファイバを、例えば、バンドルファイバなどにより１本のファイバとしてまとめることにより、スペックルノイズを抑制したＧ光源としてもよい。
また、拡散板やレンチキュラーレンズなどが２次元空間変調装置の手前に配置されている。このような部材の配置は、可干渉性の強いレーザ光線を光源に用いることにより発生するスペックルノイズを除去するためであり、これらのスペックルノイズ除去手段を揺動することにより、人間の目の応答時間で見たスペックルノイズを低減することができる。すなわち、本実施の形態では、Ｇ光源１０１ｂにファイバレーザから出射される基本波を波長変換素子に入射して第２高調波を発生させる波長変換装置を用いている。レーザディスプレイの構成においては、この波長変換装置が特徴となっている。
このように、本実施の形態のレーザディスプレイは、Ｒ、Ｇ、Ｂの光源にレーザ光源を用いるので、高輝度で薄型に構成できる。また、Ｇ光源にはファイバレーザからなる波長変換装置を用い、しかも本実施の形態でも説明したようにファイバ長を従来の１／２で構成できるので、さらに小型・軽量で低消費電力のレーザディスプレイを実現できる。そのうえ、本実施の形態の波長変換装置は、ファイバ長が短く基本波の吸収量を抑制できるので、従来よりも短波長の緑色のレーザ光、例えば、５３２ｎｍ及びその前後の５１０ｎｍや５４０ｎｍの波長の緑色レーザ光を出力することができる。このことにより、図１５に示したように再生色範囲を従来のＳＲＧＢ規格より、例えば、５１０ｎｍの範囲にまで広く拡げることができ、さらに原色に近い色表現が可能となる。すなわち、本実施の形態のレーザディスプレイは、従来のレーザディスプレイよりも色再現範囲を拡げることができる。
なお、このような構成の２次元画像表示装置のほかに、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）をとることも可能である。
なお、図１４では超小型ミラーが集積された反射型空間変調素子を用いたが、液晶を用いた変調素子やガルバノミラー、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の場合、高調波を伝搬するファイバはＰＡＮＤＡ（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ ＡＮＤ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ−ｒｅｄｕｃｉｎｇ）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することが望ましい。
なお、上記の実施の形態１〜５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。
また、上記の実施の形態１〜５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及び波長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。
さらに、上記の実施の形態１〜５において波長変換素子は周期分極反転ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３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（ＫＴｉＯＰＯ４：ＫＴＰ）やＭｇ：ＬｉＴａＯ３等を用いてもよい。
以上説明したように、本発明の波長変換装置によれば、ファイバに入射する励起光は、ファイバ内を一往復する間に吸収されて基本波の種光を発生し、基本波の種光は、この励起光により増幅されて発振し高出力の基本波となる。ファイバレーザは従来の半分の長さのファイバで効率よく励起光を吸収し、高いゲインで基本波を発振して効率よく取り出しミラーから基本波を出射するので、波長変換装置は小型・高効率・低消費電力で構成できる。さらに、従来構成と比較してファイバグレーティング部による基本波の帰還量が多いため、基本波を増幅する区間を大きく取ることができ、高効率・低消費電力なファイバレーザ光源を構成することができる。従来構成では５Ｗを超えるような出力の発生が困難だった短波長の１０３０ｎｍ付近の基本波も発生可能となったので、本発明の波長変換装置は５１０ｎｍ付近の短波長でＷ級の緑色レーザ光を出力することができる。
また、ファイバ内で一様に励起光を吸収できるのでレーザ光による損傷もなく、波長変換装置からＷ級の可視のレーザ光を安定に出力でき、視感度の高い緑色のレーザ光を出射することもできるという大きな効果を奏する。
さらに、ファイバ内で励起光を全て吸収するので、従来のようなファイバの接続部分で吸収されない励起光の吸収等によるファイバ劣化を防止することができ、ファイバレーザ及び波長変換装置の信頼性を向上させることができる。
このような特徴を持つ波長変換装置を用いた本発明の２次元画像表示装置は、高輝度で、かつ色再現範囲が広く高画質に加えて、薄型・高効率・低消費電力化も可能であるという大きな効果を奏する。
上記の各実施の形態から本発明を要約すると、以下のようになる。すなわち、本発明に係る波長変換装置は、レーザ活性物質を含み、ファイバグレーティングが形成されたファイバからなるレーザ共振器と、前記ファイバに励起光を入射するレーザ光源と、前記レーザ共振器から出射され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、前記レーザ共振器はさらに、前記ファイバグレーティングの近傍に配置された第１の反射面と、前記レーザ光源の近傍に配置された第２の反射面と、備え、前記レーザ光源から出射される励起光は、前記第２の反射面から入射された後、前記第１の反射面で反射されることにより、前記第２の反射面から前記第１の反射面までの間を一往復する。
上記の波長変換装置では、レーザ光源からファイバに入射する励起光は、ファイバの第２の反射面に入射した後、ファイバの第１の反射面で反射して、ファイバ内を往復してレーザ活性物質が関与するエネルギー準位により効率よく吸収される。従来、ファイバレーザに必要な長さは、励起光をほぼ全て吸収する長さが必要であったが、励起光をファイバレーザ内で折り返すことで半分の長さで励起光は吸収されることとなる。このため、ファイバレーザは従来の半分の長さのファイバで効率よく励起光を吸収し、高いゲインで基本波を発振して効率よく基本波を出射するので、波長変換装置は小型・高効率・低消費電力で構成できる。
さらに、上記の波長変換装置では、従来と比べて半分の長さのファイバで励起光をほぼ吸収することができ、同時に基本波の吸収量もファイバの長さに比例して半分になる。このことにより、ファイバレーザの基本波は、光吸収量の多い１０３０ｎｍ付近の短波長側でも高出力のレーザ光として出力できるようになる。その結果、通常より短波長の基本波を入射光として用いると、波長変換素子から出力される高調波の波長も通常より短波長の光、例えば、視感度の高い５１５ｎｍ付近の緑色のレーザ光がＷ級の光出力で得られることとなる。
また、第１の反射面をファイバの他方の端部に設けることにより、ファイバと第１の反射面との間で光の伝搬を行うためのレンズ・ミラーなどの光学部品点数を削減でき、調整も不要となるため、コスト削減・信頼性向上を達成することができる。
さらに、第２の反射面をファイバの一方の端部に設けることにより、基本波を効率よく取り出すことができる。
前記波長変換装置はさらに、前記レーザ光源から出射される励起光を前記ファイバの一方の端部に伝搬し、前記レーザ共振器から出射されるレーザの基本波を前記波長変換素子に伝搬する光伝搬部を具備することが好ましい。
この場合、レーザの基本波がレーザ光源に戻ることがないので、基本波を波長変換素子に効率よく伝搬することができる。
前記光伝搬部は、前記レーザ光源から出射される励起光を透過させ、前記レーザ共振器から出射されるレーザの基本波を反射する反射部材を備えることが好ましい。
この場合、基本波の取り出しを簡単な構成で実現することができる。
前記反射部材の表面には、前記レーザ光源から出射される励起光を透過させ、前記レーザ共振器から出射されるレーザの基本波を反射する波長選択層が形成されることが好ましい。
この場合、ファイバレーザからの高出力の基本波が波長選択層で反射され、励起光を出射するレーザ光源には入射しないので、基本波の入射によるレーザ光源の損傷をさらに防止することができる。
前記反射部材は、狭帯域透過フィルタからなることが好ましい。
この場合、励起光の波長の半値幅が小さくなり、励起光がファイバレーザでより効率よく吸収され、励起光から基本波への光出力の変換がさらに高効率で実現できる。
上記波長変換装置はさらに、前記レーザ光源から出射された後に前記反射部材で反射される励起光のうち、所定の狭帯域の波長を有する光のみを回折する回折部材を具備し、前記回折部材による回折光が前記レーザ光源に戻ることにより、前記レーザ光源の発振波長が前記回折部材による回折光の波長に固定されることが好ましい。
この場合、ファイバレーザで吸収量が大きい波長が励起光の波長として固定されることにより、励起光はファイバレーザ内でさらに効率よく吸収される。
前記回折部材は、入射される光を反射する反射型の回折格子からなることが好ましい。
この場合、１つの回折格子を調整するだけで、所望の波長の光を回折させることができ、波長選択の調整のための制御が容易となる。
前記回折部材は、入射される光を透過させる透過型の回折格子と、前記回折格子を透過する光を反射する反射ミラーと、からなることが好ましい。
この場合、透過型の回折格子を用いるので、回折させることができる波長の範囲を広くすることができる。また、回折格子と反射ミラーとの組み合わせて調整するので、波長の選択と回折光の出射方向を独立して制御することができる。
前記ファイバは、第１のファイバと、前記ファイバグレーティングが形成された第２のファイバとを光学的に接続して構成されていることが好ましい。
この場合、励起光を吸収する第１のファイバと基本波の波長選択をする第２のファイバとをそれぞれの機能に応じて、さらに個別に最適な構造のものを組み合わせて、使用することができる。
前記第１の反射面は、多層膜からなることが好ましい。
この場合、第１の反射面は、励起光をほぼ全反射に近い反射率で反射することができ、励起光はさらに効率良く利用される。
前記第２の反射面は、偏光ミラーからなることが好ましい。
この場合、光学系の偏光面に関する調整がさらに容易になる。
前記反射部材の前記波長選択層は、多層膜からなることが好ましい。
この場合、光の吸収による損失をさらに少なくし、励起光と基本波との波長選択性をさらに高めた反射部材を実現することができる。
前記レーザ光源は、励起光を出射するレーザ素子と、前記レーザ素子から出射される励起光をビーム整形するレンズと、前記レーザ素子及び前記レンズを格納する筐体と、からなることが好ましい。
この場合、レーザ光源から出射される励起光をファイバレーザに入射する光学系が、さらに小型で結合効率の高いものとなる。
前記レンズは、シリンドリカルレンズであることが好ましい。
この場合、レーザ光源から出射する励起光は、その光量を減らすことなくアスペクト比が改善され、しかもファイバレーザと光学的に結合し易くすることができる。このことにより、励起光は、さらに効率よく利用されることとなる。
前記狭帯域透過フィルタの波長帯域幅は、０．１ｎｍ以下であることが好ましい。
この場合、基本波の帯域を狭帯域とすることで、波長変換素子での波長変換効率を高めることができる。
前記ファイバグレーティングと前記第１の反射面との反射率は、前記レーザ光源から出射される励起光の波長に対しては、前記ファイバグレーティングの反射率＜前記第１の反射面の反射率、なる関係を満たし、前記レーザ共振器から出射されるレーザの基本波の波長に対しては、前記ファイバグレーティングの反射率＞前記第１の反射面の反射率、なる関係を満たすことが好ましい。
この場合、基本波はファイバグレーティングと第２の反射面の間で共振する一方、励起光はファイバグレーティングを通過し、第１の反射面で反射することが実現される。
なお、ファイバグレーティングが基本波に対して高反射率に設定されているので、ほぼ全ての基本波は第２の反射面から出射し、波長変換素子に入射する。入射した基本波は波長変換素子で高調波に変換されて、Ｗ級の緑色光レーザが波長変換装置から出力される。さらに、基本波のフィードバック量を多くすることで、ファイバレーザ内で発生した基本波が増幅される区間を大きく取ることができ、励起光を折り返した場合以上に高効率なファイバレーザ光源を構成することができる。
また、第１の反射面の反射率を励起光に対して全反射に近い反射率に設定すると、励起光はファイバレーザ内で高い光密度で存在し、効率良くレーザ活性物質が関与するエネルギー準位で吸収されるので、ファイバレーザの基本波を発振するための高いゲインを有することになる。このような状態の下に、ファイバレーザ内で基本波の種光が発生すると、基本波の種光は高いゲインで増幅され、かつ、ファイバグレーティングにより波長選択されて、所望の波長の高出力の基本波が得られる。
前記第２の反射面の反射率は、１０〜２０％であることが好ましい。
この場合、光伝搬部と第２の反射面との間での異常発振の生成を抑えつつ、ファイバからの基本波を第２の反射面を通して効率よく取り出すことができる。
前記波長変換装置はさらに、前記基本波の出力の一部を検出する基本波検出部と、前記基本波検出部による検出値に基づいて前記波長変換素子から出射する前記高調波の出力を制御する出力制御部とを具備することが好ましい。
この場合、基本波の出力の増大によるファイバグレーティングや波長変換素子での温度上昇をそれぞれで制御することにより、基本波の波長変換素子での位相整合条件を精密に制御することができ、さらに効率よく安定な高調波の出力が波長変換素子から得られる。
前記出力制御部は、予め入力されたテーブルを記憶し、前記テーブルに基づき前記ファイバグレーティング及び前記波長変換素子の少なくとも一方の温度制御を行うことが好ましい。
この場合、波長変換素子の入力である基本波の出力と、波長変換素子の出力である波長変換後の高調波の出力との定量的関係を予め把握してテーブルとして参照できるようにすることで、波長変換後のレーザ出力をさらに効果的にＷ級の高出力まで制御することができる。
前記テーブルは、前記基本波の出力に対する前記波長変換素子での位相整合波長変化量のデータからなることが好ましい。
この場合、基本波の出力が変化したときに上記のようなデータに基づき、迅速に基本波の出力と波長に対して波長変換素子の位相整合条件が、ファイバグレーティングと波長変換素子との温度制御により迅速に調整される。その結果、位相整合条件が迅速に満たされて、波長変換素子からの高調波出力がさらに安定に維持される。
前記テーブルは、前記基本波の出力に対する前記基本波の前記ファイバグレーティングでの反射波長変化量のデータからなることが好ましい。
この場合、基本波の出力が変化したときに上記のようなデータに基づき、迅速に基本波の出力と波長に対して波長変換素子の位相整合条件が、ファイバグレーティングと波長変換素子との温度制御により迅速に調整される。その結果、位相整合条件が迅速に満たされて、波長変換素子からの高調波出力がさらに安定に維持される。
前記基本波検出部は、前記ファイバでの前記基本波の分岐光を受光する受光素子を備えることが好ましい。
この場合、基本波の出力をより正確に検出して基本波の出力を安定に制御することにより、波長変換装置からの高調波出力はさらに安定して維持される。
前記基本波検出部は、前記ファイバグレーティングでの前記基本波の漏れ光を受光する受光素子を備えることが好ましい。
この場合、基本波の出力をより正確に検出して基本波の出力を安定に制御することにより、波長変換装置からの高調波出力はさらに安定して維持される。
前記基本波検出部は、前記第１の反射面を透過した前記基本波の出力を受光する受光素子を備えることが好ましい。
この場合、基本波の出力をより正確に検出して基本波の出力を安定に制御することにより、波長変換装置からの高調波出力はさらに安定して維持される。
前記励起光を前記反射部材により反射させて、前記励起光の一部を受光素子で検出することにより、前記基本波の出力を前記出力制御部で制御することが好ましい。
この場合、励起光の出力をより正確に検出して基本波の出力を安定に制御することにより、波長変換装置からの高調波出力はさらに安定して維持される。
前記高調波の波長は、５１０〜５４０ｎｍであり、前記高調波の出力は、１Ｗ以上であることが好ましい。
この場合、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。
本発明に係る画像表示装置は、複数のレーザ光源と、前記各レーザ光源から出射されるレーザ光を走査する走査部と、前記各レーザ光源から出射されるレーザ光を用いて画像を表示するスクリーンとを備え、前記レーザ光源は、少なくとも赤色、緑色及び青色をそれぞれ出射する光源から構成され、前記レーザ光源のうち、少なくとも緑色の光源は、上記の波長変換装置を備える。
上記の画像表示装置では、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。
本発明の波長変換装置及び画像表示装置は、高輝度で色再現範囲が広く低消費電力であるので、大型ディスプレイや高輝度ディスプレイ等のディスプレイ分野で有用である。
本発明の実施の形態１における波長変換装置の構成を示す概略図である。 ファイバグレーティングの波長帯域幅と波長変換素子の波長変換効率との関係を示す図である。 励起用レーザ光源の入力電流に対する基本波の光出力の入出力特性を示す図である。 第１の反射面の反射率の理想的な特性を示す図である。 基本波出力に対する波長変換素子での位相整合波長変化量とファイバグレーティングでの反射波長変化量を示す図である。 ファイバ長に対する基本波の光出力の依存性を示す図で、図６Ａは従来のファイバレーザでの依存性を示す図、図６Ｂは実施の形態１のファイバレーザでの依存性を示す図である。 基本波の入力光に対する高周波出力光の入出力特性を示す図である。 図８Ａは本発明の実施の形態１における波長変換装置の励起用レーザ光源とファイバを結合する光学系の拡大図、図８Ｂは図８Ａの光学系の中の取り出しミラーの拡大図である。 図９Ａは本発明の実施の形態１における波長変換装置の励起光の波長を反射型の回折格子で選択する光学系の拡大図、図９Ｂは励起光の波長を透過型の回折格子で選択する光学系の拡大図である。 本発明の実施の形態２における波長変換装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態３における波長変換装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態４における波長変換装置に使用される励起用レーザ光源の構成を示す図であり、図１２Ａはシリンドリカルレンズでビーム整形をするときの構成の模式図、図１２Ｂはレンズファイバでビーム整形をするときの構成の模式図である。 本発明の実施の形態４における波長変換装置をモジュール化した構成を上部から見た模式図である。 本発明の実施の形態５における２次元画像表示装置の構成を示す概略図である。 ＳＲＧＢ規格と本発明の実施の形態５に係る２次元画像表示装置との色再現範囲を示した色度図である。 従来の波長変換装置の構成を示す概略図である。 従来の波長変換装置における従来のファイバレーザの発振波長に対する最適なファイバ長を示す図である。

Claims (27)

  1. レーザ活性物質を含み、ファイバグレーティングが形成されたファイバからなるレーザ共振器と、
    前記ファイバに励起光を入射するレーザ光源と、
    前記レーザ共振器から出射され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、
    前記レーザ共振器はさらに、前記ファイバグレーティングの近傍に配置された第１の反射面と、前記レーザ光源の近傍に配置された第２の反射面と、備え、
    前記レーザ共振器から出射されるレーザの基本波は、前記ファイバグレーティングと前記第２の反射面との間を往復し、
    前記レーザ光源から出射される励起光は、前記第２の反射面から入射された後、前記第１の反射面で反射されることにより、前記第２の反射面から前記第１の反射面までの間を一往復し、
    前記ファイバグレーティングの反射率と前記第１の反射面の反射率とは、
    前記基本波の波長に対して、
    前記ファイバグレーティングの反射率＞前記第１の反射面の反射率
    なる関係を満足し、
    前記励起光の波長に対して、
    前記ファイバグレーティングの反射率＜前記第１の反射面の反射率
    なる関係を満足し、
    前記第２の反射面は、ストライプ状の凹凸の形状に加工され、偏光方向を選択して反射することを特徴とする波長変換装置。
  2. 前記波長変換装置はさらに、前記レーザ光源から出射される励起光を前記第２の反射面に伝搬し、前記レーザ共振器から出射されるレーザの基本波を前記波長変換素子に伝搬する光伝搬部を具備することを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。
  3. 前記光伝搬部は、前記レーザ光源から出射される励起光を透過させ、前記レーザ共振器から出射されるレーザの基本波を反射する反射部材を備えることを特徴とする請求項２に記載の波長変換装置。
  4. 前記反射部材の表面には、前記レーザ光源から出射される励起光を透過させ、前記レー
    ザ共振器から出射されるレーザの基本波を反射する波長選択層が形成されることを特徴とする請求項３に記載の波長変換装置。
  5. 前記反射部材は、狭帯域透過フィルタからなることを特徴とする請求項３または４に記載の波長変換装置。
  6. 前記波長変換装置はさらに、前記レーザ光源から出射された後に前記反射部材で反射される励起光のうち、所定の狭帯域の波長を有する光のみを回折する回折部材を具備し、
    前記回折部材による回折光が前記レーザ光源に戻ることにより、前記レーザ光源の発振波長が前記回折部材による回折光の波長に固定されることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の波長変換装置。
  7. 前記回折部材は、入射される光を反射する反射型の回折格子からなることを特徴とする請求項６に記載の波長変換装置。
  8. 前記回折部材は、入射される光を透過させる透過型の回折格子と、前記回折格子を透過する光を反射する反射ミラーと、からなることを特徴とする請求項６に記載の波長変換装置。
  9. 前記ファイバは、第１のファイバと、前記ファイバグレーティングが形成された第２のファイバとを光学的に接続して構成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の波長変換装置。
  10. 前記第１の反射面は、多層膜からなることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の波長変換装置。
  11. 前記第２の反射面は、偏光ミラーからなることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の波長変換装置。
  12. 前記反射部材の前記波長選択層は、多層膜からなることを特徴とする請求項４〜８のいずれか１項に記載の波長変換装置。
  13. 前記レーザ光源は、励起光を出射するレーザ素子と、前記レーザ素子から出射される励起光をビーム整形するレンズと、前記レーザ素子及び前記レンズを格納する筐体と、からなることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の波長変換装置。
  14. 前記レンズは、シリンドリカルレンズであることを特徴とする請求項１３に記載の波長変換装置。
  15. 前記狭帯域透過フィルタの波長帯域幅は、０．１ｎｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の波長変換装置。
  16. 前記第２の反射面の反射率は、１０〜２０％であることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の波長変換装置。
  17. 前記波長変換装置はさらに、前記基本波の出力の一部を検出する基本波検出部と、前記基本波検出部による検出値に基づいて前記波長変換素子から出射する前記高調波の出力を制御する出力制御部とを具備することを特徴とする請求項２〜１６のいずれか１項に記載の波長変換装置。
  18. 前記出力制御部は、予め入力されたテーブルを記憶し、前記テーブルに基づき前記ファイバグレーティング及び前記波長変換素子の少なくとも一方の温度制御を行うことを特徴とする請求項１７に記載の波長変換装置。
  19. 前記テーブルは、前記基本波の出力に対する前記波長変換素子での位相整合波長変化量のデータからなることを特徴とする請求項１８に記載の波長変換装置。
  20. 前記テーブルは、前記基本波の出力に対する前記基本波の前記ファイバグレーティングでの反射波長変化量のデータからなることを特徴とする請求項１８に記載の波長変換装置。
  21. 前記基本波検出部は、前記ファイバでの前記基本波の分岐光を受光する受光素子を備えることを特徴とする請求項１７〜２０のいずれか１項に記載の波長変換装置。
  22. 前記基本波検出部は、前記ファイバグレーティングでの前記基本波の漏れ光を受光する受光素子を備えることを特徴とする請求項１７〜２１のいずれか１項に記載の波長変換装置。
  23. 前記基本波検出部は、前記第１の反射面を透過した前記基本波の出力を受光する受光素子を備えることを特徴とする請求項１７〜２２のいずれか１項に記載の波長変換装置。
  24. 前記励起光を前記光伝搬部により反射させて、前記励起光の一部を受光素子で検出することにより、前記基本波の出力を前記出力制御部で制御することを特徴とする請求項１７〜２３のいずれか１項に記載の波長変換装置。
  25. 前記高調波の波長は、５１０〜５４０ｎｍであり、前記高調波の出力は、１Ｗ以上であることを特徴とする請求項１〜２４のいずれか１項に記載の波長変換装置。
  26. 前記基本波の波長は、１０２０ｎｍ〜１０６０ｎｍであり、
    前記ファイバグレーティングの波長帯域幅は、０．０５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜２５のいずれか１項に記載の波長変換装置。
  27. 複数のレーザ光源と、
    前記各レーザ光源から出射されるレーザ光を走査する走査部と、
    前記各レーザ光源から出射されるレーザ光を用いて画像を表示するスクリーンと
    を備え、
    前記レーザ光源は、少なくとも赤色、緑色及び青色をそれぞれ出射する光源から構成され、
    前記レーザ光源のうち、少なくとも緑色の光源は、請求項１〜２６のいずれか１項に記載の波長変換装置を備えることを特徴とする画像表示装置。
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