JP6141452B2 - 多波長レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には、レーザ技術に関し、特には、波長の異なる複数のレーザ光を発生可能なレーザ装置に関する。

例えばプロジェクタやプロジェクションテレビで代表されるカラー画像の表示装置においては、光源として例えばＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３つの色の光源が必要とされる。

近年、これらの光源として、基本波長が９００ｎｍ帯、１μｍ帯、１．３μｍ帯のレーザ光を基本波（以下、基本波レーザ光と記載。）とし、非線形材料を用いてこれら基本波レーザ光に対し波長変換を行って第２高調波発生（ＳＨＧ：Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）をさせることで、必要な色（波長）の光を生成する、波長変換型のレーザ装置が提案されている。

このような従来のレーザ装置の一例として、半導体レーザ、レーザ媒質、および非線形材料で構成されているものがある。（特許文献１）

特許文献１のレーザ装置では、特許文献１中の図１に示すように、レーザ光発生に係る構成要素として、半導体レーザ、レーザ媒質および非線形光学材料を備えている。

そして、半導体レーザ素子がレーザ媒質に対する励起光を発生する。発生した励起光はレーザ媒質に吸収されて、レーザ媒質内において基本波レーザ光を増幅するための利得が生じる。

さらに、発生した利得により、レーザ媒質において基本波長でレーザ発振が起こり、基本波レーザ光が出射される。レーザ媒質から出射された基本波レーザ光は、非線形光学材料における波長変換によって、第２高調波の光に変換される。

ＷＯ２００６／１０３７６７号公報

このような従来のレーザ装置において、レーザ媒質として特に固体素子を用いて基本波レーザ光を発生させる場合（いわゆる固体レーザの場合）に、基本波レーザ光の波長スペクトル幅が非常に狭くなることが多く、従って、波長変換により得られた光の波長スペクトルの幅も非常に狭くなることになる。

これは、波長変換後の光のコヒーレンシーが高いことを意味し、レーザ光として様々なメリットがある。

その反面、干渉性が強くなることを意味し、表示装置用に用いた場合にスペックルノイズが発生するという問題が知られている。

スペックルノイズを低減する方法としては、例えば、複数の波長の光を重ね合わせることで、光源のコヒーレンシーを低下させる方法が提案されている。

図９は、従来技術を適用した場合の、多波長レーザ装置の概略構成の例を示す図である。

なお、図９は、説明を分かりやすくするために、上記特許文献１のような波長変換を用いた場合で、波長の異なる２つの基本派レーザ光から、第２高調波発生と和周波発生により、波長変換後のレーザ光を３種類発生する場合の例となっている。

図において、２００ａおよび２００ｂは基本波用のレーザ光源、３００ａおよび３００ｂは基本波レーザ光、４００、・・・、４０７はミラー（ハーフミラーを含む）、５００ａ、５００ｂ、５００ａｂは波長変換素子、６００ａ、６００ｂ、６００ａｂは波長変換により得られたレーザ光を示す。また、矢印の方向は光の進行方向に対応する。

レーザ光源２００ａから出射された基本波レーザ光３００ａは、ミラー４００により分岐される。分岐した基本波レーザ光３００ａの、一方は波長変換素子５００ａへ、他方はミラー４０１および４０２を介して波長変換素子５００ａｂへ入射する。

同様に、レーザ光源２００ｂから出射された基本波レーザ光３００ｂは、ミラー４０３により分岐される。分岐した基本波レーザ光３００ｂの、一方は波長変換素子５００ｂへ、他方はミラー４０２を介して波長変換素子５００ａｂへ入射する。

波長変換素子５００ａは、入射した基本波レーザ光３００ａを波長変換して、第２高調波のレーザ光６００ａを出射する。また、波長変換素子５００ｂは、入射した基本波レーザ光３００ｂを波長変換し、第２高調波のレーザ光６００ｂを出射する。また波長変換素子５００ａｂは、入射した基本波レーザ光３００ａと３００ｂとから、和周波のレーザ光６００ａｂを出射する。

第２高調波のレーザ光６００ａおよび和周波のレーザ光６００ａｂは、ミラー４０４および４０５により重なり合わされ、さらに、ミラー４０６および４０７により第２高調波のレーザ光６００ｂが重なり合わされる。

このように、図９の構成例では、２つの基本波レーザ光２０ａおよび２０ｂを発生させ、発生した基本波レーザ光に対し波長変換素子において波長変換を行い、波長変換により得られたレーザ光６００ａ、６００ｂ、６００ｂが複数のミラーにより重なり合わされて出射される。

上記図９の多波長レーザ装置では、複数枚のミラーを用いて複数個の波長変換素子に基本波レーザ光を入射させ、また、波長変換素子から出射された波長変換後のレーザ光をさらに複数枚のミラーにより同一軸上に結合しなければならない。

このため、装置の構成が複雑となるという課題があった。

一方、光の波長の差が小さい場合、ミラーのコーティングの分光特性によって各々の波長の光の進行方向を規定または制限することが難しい。

このような場合に、偏光の異なる光を用いて重ね合わせる方法が考えられるが、偏光の異なる多くの光を重ねあわせることが困難であるという課題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、同一軸上に重なり合う複数の波長変換後の光が簡便な構成で得られ、且つ重ね合わせられる光に対する制限が緩和可能な、多波長レーザ装置を提供することを目的とする。

また、本発明に係る別の多波長レーザ装置は、レーザ媒質に利得を与えるための複数の励起光を出射する励起光源と、
前記励起光を透過し基本波長のレーザ光を反射するための端部を前記励起光源側に有し、前記励起光源から出射された前記複数の励起光を用いて光増幅をし、基本波長が互いに異なる複数のレーザ光を出射するレーザ媒質と、
前記レーザ媒質から出射された前記複数のレーザ光の各々の進行方向を波長及び入射方向に応じて変更させ、前記複数のレーザ光を同一軸上に重なり合った状態で出射する分散素子と、
周期的に形成された分極反転領域及び非分極反転領域を有し、前記分散素子から出射され前記同一軸上で重なり合った状態の前記複数のレーザ光に対し前記分極反転領域及び非分極反転領域において波長変換をし、前記波長変換により得られた複数のレーザ光を同一軸上に重なり合った状態で出射する、波長変換素子と、
前記レーザ媒質の前記励起光源側の前記端部とともに前記基本波長が互いに異なる複数のレーザ光に対する共振器を構成し、前記波長変換素子から出射された前記波長変換により得られた複数のレーザ光を透過するとともに、前記基本波長が互いに異なる複数のレーザ光を反射するミラーと、を備えるようにしている。

本発明の多波長レーザ装置によれば、同一軸上に重なり合う複数の波長変換後の光が簡便な構成で得られ、且つ重ね合わせられる光に対する制限が緩和可能な、多波長レーザ装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１における、多波長レーザ装置の概略構成の例を示す図である。 本発明の実施の形態１における、回折格子の動作原理を示す図である。 本発明の実施の形態１における、波長変換素子の概略構成と動作の例を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１における、波長変換素子の内部構造の例を示す図である。 本発明の実施の形態２における、多波長レーザ装置の概略構成の例を示す図である。 本発明の実施の形態３における、多波長レーザ装置の概略構成の例を示す図である。 本発明の実施の形態４における、多波長レーザ装置の概略構成の例を示す図である。 本発明の実施の形態５における、多波長レーザ装置の概略構成の例を示す図である。 従来技術を適用した場合の、多波長レーザ装置の概略構成の例を示す図である。

以下に、本発明の各実施の形態について図を用いて説明する。

なお、以下の各実施の形態の図においては、同一または同様なものについては、同一または同様の番号を付け、各実施の形態の説明においてその説明を一部省略する場合がある。

また、図の各要素は、本発明を説明するために便宜的に分割したものであり、その実装形態は図の構成、分割、名称等に限定されない。また、分割の仕方自体も図に示した分割に限定されない。

実施の形態１.

以下に、本発明の各実施の形態１について図１ないし図５を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態１における、多波長レーザ装置の概略構成を示す図である。

図において、１０（１０ａ、・・・、１０ｎ）はレーザ光源、２０（２０ａ、・・・、２０ｎ）は基本波レーザ光、３０は分散素子、４０は波長変換素子、５０は波長変換により得られたレーザ光を示す。また、矢印の方向は光の進行方向を示す。

本実施の形態１は、いわゆる外部型の波長変換方式、すなわちレーザ発振のための共振器構造の外部に波長変換素子が配置される構成、を用いた場合の例となっている。

なお、以下の説明において、レーザ光源全体を指す場合または個々のレーザ光源を区別しない場合は符号１０を用い、個々のレーザ光源を指す場合または個々のレーザ光源を区別するは符号１０ａないし１０ｎを用いて説明する場合がある。基本波レーザ光２０（２０ａ、・・・、２０ｎ）についても同様にして説明する場合がある。

また、波長変換により得られるレーザ光５０は、波長変換素子で発生する複数のレーザ光の組合せに依存するため、波長変換により得られる複数のレーザ光の全体を示すものとし、波長変換により得られた個々のレーザ光を区別しない。

レーザ光源１０は、基本波長が互いに異なる複数のレーザ光、すなわち基本波レーザ光、２０ａないし２０ｎを出射する。

ここで、個々のレーザ光源１０ａ、１０ｂ、・・・、１０ｎは、その内部に、レーザ発振のための共振器構造を有している。また、個々のレーザ光源１０ａ、１０ｂ、・・・、１０ｎから出射されるレーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎは、対応する基本波長λａ、λｂ、・・・、λｎでレーザ発振しているものとする。

また、本実施の形態では、個々のレーザ光源１０ａ、１０ｂ、・・・、１０ｎは、互いに異なる位置に配置される、または、異なる位置からレーザ光を出射する、場合の例となっている。

さらに、本実施の形態では、個々のレーザ光源１０ａ、１０ｂ、・・・、１０ｎから出射されるレーザ光が直接分散素子３０に入射する場合の例となっている。そのため、個々のレーザ光源１０ａ、１０ｂ、・・・、１０ｎの、レーザ光を出射する側の端部の向きは、分散素子３０にレーザ光が入射するように配置されている。

レーザ光源１０としては、本実施の形態に適用可能なレーザは種類を問わず、例えば（１）半導体レーザ、（２）固体レーザ、が適用可能である。

例えば半導体レーザの場合には、複数の活性層を有し、複数のレーザ光をアレー状に出射可能な、マルチエミッタ発振を行なっているものを適用することができる。

また、例えば固体レーザの場合には、（１）バルク型、（２）導波路型、のものを適用することができる。

分散素子３０は、レーザ光源１０から入射した複数のレーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎの各々の進行方向を、波長及び入射方向に応じて変更させる。

また、分散素子３０は、レーザ光源１０から出射される複数のレーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎが、分散素子３０における入射領域が重なる位置及び向きに配置されている。

また、分散素子３０は、入射した複数のレーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎを、同一軸上で重なり合った状態で出射するように配置される。

本実施の形態１では、分散素子３０として、入射する光の波長に依存して光の進行する方向を変更できる回折格子を用いる場合の例となっている。

なお、分散素子３０として回折格子を用いる場合は、例えば、特定の次数と波長に対して高い回折効率を有するブレーズド（ｂｌａｚｅｄ）回折格子が望ましい。

また、後述する回折格子の次数については、低い次数で使用するほど回折効率としては高くなるので、低い次数で使用可能なように形状及び寸法にすることが望ましい。

なお、レーザ光源１０の向きおよび配置を、基本波レーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎが分散素子３０の入射領域が重なるように調整してもよい。

本実施の形態においては、ブレーズド回折格子を用いた場合を例に説明する。なお、ブレーズド回折格子の詳細については後述する。

また、分散素子３０は、レーザ光源１０から出射されるレーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎが、分散素子３０で反射され、反射された基本波レーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎがほぼ同軸上に重ね合わされた状態で波長変換素子４０に入射されるよう、形状、寸法および配置が規定されている。

波長変換素子４０は、入射する基本波レーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎに対し、波長変換を行い、波長変換により得られたレーザ光５０を出射する。

本実施の形態の動作説明では主に、第２高調波発生及び和周波発生の少なくとも一方を用いた波長変換を行い、波長変換により得られたレーザ光５０を出射する場合を例に説明する。

なお、以下の説明では、基本波レーザ光２０の数（ｎ）、及び、レーザ光５０として同一軸上に重なり合った状態で出射されるレーザ光の数、に関し、数を特に限定しない汎用的な図を用いて説明をするが、特定の数の組合せ、例えば各々が２、の場合でも適用可能である。

また、波長変換素子４０の端部の面４１は、分散素子３０で反射されて重なりあった状態のレーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎが、入射するように配置されている。

また、波長変換素子４０の端部の面４１には、基本波長のレーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎを透過するとともに、波長変換により得られたレーザ光５０を反射するよう、光学膜が形成されている。

また、波長変換素子４０の他方の端部の面４２には、波長変換により得られたレーザ光５０を透過するように、光学膜が形成されている。なお、端部の面４２の光学膜は、基本波レーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎを反射する光学膜にしても良いし、透過する光学膜にしても良い。

これらの光学膜４１および４２は、例えば誘電体薄膜を積層することによって形成することができる。

波長変換素子４０の材料としては、従来及び新規な波長変換用材料を用いることができ、例えば、従来の材料として、ＫＴＰ、ＫＮ、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＣＬＢＯ、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、を用いることができる。

波長変換素子４０の詳細については後述する。

次に、分散素子３０として用いたブレーズド回折格子について説明する。

図２は、ブレーズド回折格子の動作原理を示す図である。

なお、図１と同様な構成要素および符号については、詳細な説明を省略する。

図において、７０は回折格子が形成される面に対する法線、α（αａ、αｂ、αｃ）は、回折格子の法線７０を基準とした基本波レーザ光２０（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の入射角、βは回折格子の法線７０を基準とした基本波レーザ光２０（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の出射角、ｄは回折格子のピッチ、矢印は光の進行方向を示す。

なお、図においては、回折格子３０は、その断面を示しており、図の上側の面に格子が形成されている。

また、図においては、わかりやすくするために、基本波レーザ光２０の数が３の場合を例として示している。ただし、他の数でもよく、図１と同様に基本波レーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎがあるものとして考えてよい。

また、角度をわかりやすくするために、図１と異なり、矢印は細い矢印で示している。

分散素子３０から出射される光の出射角度は、分散素子３０への光の入射角度、分散素子３０の回折格子のピッチ、入射する光の波長、に依存し、ブレーズド回折格子の場合は以下のグレーティング（ｇｒａｔｉｎｇ）方程式により表される。

ここで、αは光の入射角度、βは光の出射角度、λは光の波長、ｍは次数、Ｎは１ｍｍあたりの格子のスリット数（溝本数）を表す。ここで、スリット数（溝本数）Ｎは、開口の間隔（回折格子周期）ｄの逆数として規定される。

なお、角度αおよびβの値は、回折格子が形成される面に対する法線を基準とし、図において反時計回りを正とする。

式（１）基づいて、基本波レーザ光２０ａ、２０ｂ、２０ｃの出射角度βが等しくなるように、回折格子３０に入射する３つの基本波レーザ光２０ａ、２０ｂ、２０ｃの入射角度αａ、αｂ、αｃを決定し、複数のレーザ光源１０および回折格子３０を配置させる。

このようにして、レーザ光源１０から出射された、波長の異なる複数の基本波レーザ光２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、同じ出射角度βで出射するようにすることができる。

そして、基本波レーザ光２０ａ、２０ｂ、２０ｃの入射領域が重なるように配置することで、基本波レーザ光２０ａ、２０ｂ、２０ｃが同一軸上に重なり合った状態で回折格子３０から出射するようにできる。

次に、波長変換素子４０の詳細および動作原理について説明する。

波長変換素子４０には、同一軸上に重なり合った状態の複数の基本波長のレーザ光が、分散素子３０から入射する。波長変換素子４０は、入射したレーザ光を波長変換して、波長変換により得られた複数のレーザ光５０を端部の面４２から出力する。

本実施の形態では、波長変換素子４０としてＱＰＭ（Ｑｕａｓｉ-Ｐｈａｓｅ Ｍａｔｃｈｉｎｇ：擬似位相整合）波長変換素子を用いる場合の例を説明する。

図３は、ＱＰＭ波長変換素子４０の概略構成と動作の例を示す斜視図である。

図において、４３は分極反転層、４４、４５は光学膜を示す。

なお、図１および図２と同様な構成要素については、詳細な説明を省略する。

図に示すように、波長変換素子４０は、複数の分極反転層４３を有している。

分極反転層４３は、一定方向に分極した誘電体材料の、分極の方向が反転したものである。

波長変換素子４０内では、分極反転層４３として、非分極反転領域と分極反転領域が交互に配置されており、分極反転層４３全体として１つの結晶となっている。

これにより、波長変換素子４０内には、周期的に分極反転層４３が形成される。

波長変換素子４０には、基本波長が互いに異なる複数の基本波レーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎが、同一軸上で重なり合った状態で端部の面４１から入射する。

なお、この場合、重なり合った状態の基本波レーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎの軸線と、波長変換素子４０の光学的な軸または結晶軸とが必ずしも一致している必要はなく、例えば、（１）レーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎの波長の組合せ、（２）素子の構造、（３）波長変換方式、に依存して異なってもよい。

波長変換素子４０に入射した基本波レーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎは、交互に配置された非分極反転領域および分極反転領域の中を順番に伝播し、他の端部の面４２まで伝播する。

図４は、図３に示したＱＰＭ波長変換格子の内部構造の例を示す図である。

なお、上記各図と同様な構成要素については、詳細な説明を省略する。

図においては、図３に示した波長変換素子４０を側面からみた場合の、分極反転のパターンを示している。

なお、図４は、基本波長λａ、・・・、λｎの光のすべての光に対応する波長変換が可能な、汎用的な場合を示している。

図において、４６（４６ａａ、・・・、４６ｎｎ）は第２高調波発生領域、４７（４７ａｂ、・・・、４７ｎａ）は和周波発生領域、Λ（Λａａ、・・・、Λｎｎ、Λａｂ、・・・、Λｎａ）は各発生領域４６（４６ａａ、・・、４６ｎｎ、４７ａｂ、・・・、４７ｎａ）の周期、プラス（＋）印およびマイナス（−）印は分極の向きを示す。

また、各領域を示す符号中の添字ａ、ｂ、・・・、ｎは、基本波レーザ光２０の符号２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎの添字ａ、ｂ、・・・、ｎに対応している。したがって、第２高調波発生領域４６の場合は同じ添字が、和周波発生領域４７の場合は異なる添字が符号中に用いられる。

また、図において、プラス（＋）で示した分極層（非分極反転領域）とマイナス（−）で示した分極層（分極反転領域）からなる１組の分極層が、光軸方向に沿って複数組配設された構成となっている。

上記の非分極反転領域と分極反転領域の周期Λ（Λａａ、・・、Λｎｎ、Λａｂ、・・、Λｎａ）は、入射する基本波レーザ光２０の波長、および、波長変換により得られるレーザ光５０の波長、に応じて波長変換素子４０を形成する際に決められる。

第２高調波発生領域４６ａａは、基本波長λａの光が波長λａ／２を有する第２高調波に変換されるよう、結晶軸の角度、動作温度、周期などのパラメータが、波長変換素子４０を形成する際に決められる。

同様にして、他の第２高調波発生領域４６ｂｂ（、・・・、４６ｎｎ）を形成することで、基本波長λｂ（、・・、λｎ）の光が、波長λｂ／２（、・・・、λｎ／２）を有する第２高調波に変換されるようにすることができる。

さらに、和周発生領域４７ａｂは、基本波長λａ及びλｂの光が波長λａｂ（＝（λａ・λｂ）／（λａ＋λｂ））を有する和周波光に変換されるよう、結晶軸の角度、動作温度、周期などのパラメータが素子を形成する際に決められる。

他の和周発生領域についても上記同様であるので、その説明を省略する。

このように、基本波長λａの光に対して第２高調波を発生させたい場合には、波長λａに対応する周期Λａａの領域、波長λｂの光に対して第２高調波を発生させたい場合には、波長λｂに対応する周期Λｂの領域、・・・、波長λｎの第２高調波を発生させたい場合には、波長λｎに対応する周期Λｎの領域が形成される。

同様に、波長λａと波長λｂの和周波を発生させる場合には、波長λａと波長λｂとに対応する周期Λａｂの領域、波長λｂと波長λｃの和周波を発生させる場合には、波長λｂと波長λｃに対応する周期Λｂｃの領域、・・・、波長λｎと波長λａの和周波を発生させる場合には、波長λｎと波長λａに対応する周期Λｎａの領域が形成される。

以上のように構成された波長変換素子（ＱＰＭ波長変換素子）４０に、例えば例えば波長λａの基本波レーザ光２０ａと波長λｂの基本波レーザ光２０ｂが入射する場合を考える。波長λａの基本波レーザ光２０ａが入射すると、波長λａ用の第２高調波発生領域４６ａａにおいて、非線形光学効果によって、波長λａの基本波レーザ光２０ａの一部が、波長λａ／２を有する第２高調波のレーザ光に波長変換される。

同様に、波長λｂの基本波レーザ光２０ｂが入射すると、その波長に対応する第２高調波発生領域４６ｂｂにおいて、波長λｂの基本波レーザ光２０ｂの一部が第２高調波のレーザ光２０ｂに波長変換される。

そして、周期Λａａの領域４６ａａおよび周期Λｂｂの領域４６ｂｂにおいて第２高調波のレーザ光に変換されなかった基本波レーザ光２０ａおよび２０ｂ、の一部が、これら両波長に対する和周波発生領域４７ａｂにおいて、非線形光学効果によって、波長λａｂ（＝λａ・λｂ／（λａ＋λｂ））を有する和周波のレーザ光に変換される。

他の波長の基本波レーザ光が入射する場合についても同様に、対応する第２高調波発生領域を設けておくことで、同様に第２高調波のレーザ光に変換される。また、基本波レーザ光の他の組合せに対して、和周波に変換される領域（周期Λｂｃ、・・・周期Λｎａの領域）４７を設けておくことで、各々の領域において、対応する波長の基本波レーザ光の一部が和周波のレーザ光に変換される。

端面４２が基本波レーザ光を反射する光学膜が形成されている場合、波長変換素子４０に入射したが波長変換されなかった基本波レーザ光２０は、端面４２で全反射され、再度、波長変換素子４０内を伝播し、その一部が第２高調波および和周波のレーザ光に変換される。

一方、波長変換により得られた第２高調波および和周波のレーザ光は、端面４２から波長変換素子４０の外部に直接出射されるか、端面４１で全反射してから端面４２から素子の外部に出射される。

波長変換により得られたレーザ光は、複数のレーザ光が同一軸上に重ね合わされた状態のレーザ光５０となる。

以上のように、本実施の形態の多波長レーザ装置によれば、同一軸上に重なり合う複数の波長変換後のレーザ光が簡便な構成で得られ、且つ重ね合わせられる光に対する制限が緩和可能な、多波長レーザ装置を提供することができる。

また、１つの波長変換素子内において複数の波長変換領域を設けているので、各変換領域における、基本波長のレーザ光２０に対する損失を少なくすることができ、波長変換効率の良好な多波長レーザ装置を提供することができる。

なお、本発明の実施の形態おいては、多波長レーザ装置の構成が図１に示した構成の場合の例を用いて説明したが、図１に示した構成以外の構成であってもよい。

また、本発明の実施の形態の説明において、同一軸上で重なり合った状態としては、各レーザ光の断面および進行方向が全て一致することが望ましいが、完全に一致する必要はなく、本発明の効果を奏する程度、または、例えば本発明のレーザ装置を利用する表示装置において表示装置に必要な性能を満足する程度、に重なっていればよい。

また、本実施の形態では、分散素子３０として、反射型の回折格子を用いて説明したが、分散素子３０の形態はこれに限定されるものではない。例えば、後述する分散プリズムを用いてもよい。この場合も、複数のレーザ光源１０から入射されたレーザ光に対して、これらの複数の基本波レーザ光がほぼ同軸上に重なり合った状態で波長変換素子４０に入射させるように、分散素子３０およびレーザ光源１０が配置されていれば、本実施の形態と同様の機能が得られる。

また、波長変換素子４０の材料として、光損傷に強いＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３、ＭｇＯ添加ＬｉＴａＯ３、定比ＬｉＮｂＯ３、定比ＬｉＴａＯ３を用いるようにしてもよい。

この場合、波長変換素子４０に入射する基本波レーザ光２０のパワー密度を上げることができるので、より高効率な波長変換が可能となる。

さらに、波長変換素子４０の材料として、周期反転分極構造を持つＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３、ＭｇＯ添加ＬｉＴａＯ３、定比ＬｉＮｂＯ３、定比ＬｉＴａＯ３、ＫＴＰを用いるようにしてもよい。この場合、非線形定数が大きいので、ＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３などよりも高効率な波長変換が可能となる。

実施の形態２.

以下に、本発明の各実施の形態２について図５を用いて説明する。

なお、上記実施の形態１の図２の構成と同一または同様な要素については、その説明を省略する場合がある。

図５は、本発明の実施の形態２における、多波長レーザ装置の概略構成の例を示す図である。

図において、６０はレンズを示す。

上記実施の形態１と異なる点は、実施の形態１の図１に示すレーザ装置において、レーザ光源１０と分散素子３０との間に、レンズ６０が追加され、レーザ光源１０のレーザ光出射側をレンズ６０に向けて配置している点である。

レンズ６０は、レーザ光源１０から入射した、基本波長が互いに異なる複数のレーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎを、分散素子３０の同一領域に向けて出射する。

レーザ光源１０ａ、１０ｂ、・・・、１０ｎ、レンズ６０および分散素子３０の配置は、上記実施の形態１と同様に、分散素子３０に入射するレーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎの出射角度βが等しくなるように、上記式（１）を満足するよう配置される。

なお、レーザ光源１０ａ、１０ｂ、・・・、１０ｎのレーザ光出射位置と、レンズ６０と、の間の距離は、レンズ６０の焦点距離に相当する距離にすることが望ましい。

以上のような構成により、レーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎは、レンズ６０に入射する位置がそれぞれ異なるので、レンズ２０の偏心によって、分散素子３０にそれぞれ入射する角度が異なる。

分散素子３０には、レンズ６０により集光されたレーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎが、分散素子３０の同一領域で重なり合うように入射する。

分散素子３０からは、集光されたレーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎが、同一軸上に重なり合った状態で、波長変換素子４０に向かって出射される。

以上のように、本実施の形態の多波長レーザ装置によれば、実施の形態１と同様な効果を奏する。

なお、本発明の実施の形態の説明において、同一領域で重なり合う状態として、分散素子３０の同一領域で重なり合う領域が全て一致することが望ましいが、完全に一致する必要はなく、本発明の効果を奏する程度、または、例えば本発明のレーザ装置を利用する表示装置において表示装置に必要な性能を満足する程度、に重なっていればよい。

また、本実施の形態では、1つのレンズ６０を用いているが、図の構成に限定されず、例えば（１）個々のレーザ光源１０ａ、１０ｂ、・・・、１０ｎまたはレーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎに対しレンズを配置する、（２）一部のレーザ光源またはレーザ光に対して個別のレンズを用いるようにしてもよい。

実施の形態３.
以下に、本発明の各実施の形態３について図６を用いて説明する。

なお、上記各実施の形態の図の構成と同一または同様な要素については、その説明を省略する場合がある。

図６は、本発明の実施の形態３における、多波長レーザ装置の概略構成の例を示す図である。

図において、３１は角度調整機構、７０はミラー、８０（８０ａ、８０ｂ、・・・、８０ｎ）は半導体レーザ、９０（９０ａ、９０ｂ、・・・、９０ｎ）は励起光、１００（１００ａ、１００ｂ、・・・、１００ｎ）はレーザ媒質を示す。

なお、以下の説明において、実施の形態１と同様に、半導体レーザ全体を指す場合または個々のレーザ光源を区別しない場合は符号８０を用い、個々のレーザ光源を指す場合または個々のレーザ光源を区別するは符号８０ａないし８０ｎを用い説明する場合がある。励起光９０についても同様にして説明する場合がある。

上記実施の形態１との図１と大きく異なる点は、図１のレーザ光源１０を、半導体レーザ８０およびレーザ媒質１００に置き換えて配置している点と、波長変換素子４０のレーザ光５０出力側に、ミラー７０が追加されている点である。

これにより、実施の形態１および実施の形態２に示す外部型の波長変換方式、すなわち共振器外部に波長変換素子を設置する構成、ではなく、内部型の波長変換方式、すなわち共振器内部に波長変換素子を設置する構成の場合の例となっている。

半導体レーザ８０は、レーザ媒質１００を励起するための複数の励起光９０を出射する励起光源である。

すなわち、半導体レーザ８０は、レーザ媒質１００が光増幅のための利得を生じさせるのに必要な、励起光９０を出射する。各励起光９０ａ、９０ｂ、・・・、９０ｎの波長は、各レーザ媒質１００ａ、１００ｂ、・・・、１００ｎ、レーザ媒質から出射されるレーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎの波長および出力等に応じて予め決定される。

また、半導体レーザ８０は、励起光９０を出射する側の端部が、レーザ媒質１００の端部の面１０１と対向するように設けられる。

半導体レーザ８０は、例えば、化合物半導体材料によって構成されたレーザを用いることができる。

レーザ媒質１００には、励起光源８０から出射された励起光９０が入射する。また、レーザ媒質１００は、基本波長が互いに異なる複数のレーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎを出射する。

また、レーザ媒質１００ａは、励起光９０ａを透過し基本波レーザ光２０ａを反射するための端部の面１０１を励起光源側に有する。端部の面１０１は、基本波長のレーザ光２０ａを発振するための共振器構造の一部を構成する。

同様に、他のレーザ媒質１００ｂ、・・・、１００ｎも、励起光を透過し基本波レーザ光を透過する面１０１を有する。

レーザ媒質１００の材料としては、従来及び新規なレーザ媒質を用いることができ、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：Ｇｌａｓｓ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＬＦ、Ｙｂ：ＫＧＷ、Ｅｒ：Ｇｌａｓｓ、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＬＦ、Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｈｏ：ＹＬＦ、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦを用いることができる。

波長変換素子４０は、端部の面４２が、基本波長の光も透過する特性を有する。

ミラー７０は、基本波レーザ光２０を反射し、波長変換により得られたレーザ光５０を透過する特性を有する。

また、ミラー７０は、レーザ媒質の端部の面１０１とともに、基本波長のレーザ光２０を発振するための共振器の一部を構成する。

次に、レーザ装置の動作について説明する。

以下では、説明を分かりやすくするため、異なる２つの基本波長λａおよびλｂの基本波レーザ光を用いて波長変換をし、各々の基本波レーザ光の第２高調波、及び両基本波レーザ光の和周波のレーザ光、を発生する場合を例として説明する。但し、レーザ光の数は他の数であってもよく、限定されない。

なお、レーザ媒質１００ａは、増幅利得がピークとなる波長がλａあり、レーザ媒質１００ｂは増幅利得がピークとなる波長がλｂにあり、それぞれその波長でレーザ発振するとして説明する。

まず、半導体レーザ８０ａからレーザ媒質１００ａを励起するための励起光９０ａが出射される。

レーザ媒質１００ａに励起光９０ａが入射することにより、レーザ媒質１００ａ内では電子の反転分布状態が形成され、自然放出光が共振するモードに入り、自然放出光が誘導放出により増幅される。

この光は、レーザ媒質１００ａの端部の面１０１とミラー７０とで構成される共振器の中を往復する。

その際、共振器を１周する際の増幅利得が、共振器を１周する際に受ける損失を上回ると、波長λａの光がレーザ発振し、レーザ媒質１００ａから基本波レーザ光２０ａが出射される。

同様に、半導体レーザ８０ｂ、レーザ媒質１００ｂ、ミラー７０によって、波長λｂの光がレーザ発振し、レーザ媒質１００ｂから基本波レーザ光２０ｂが出射される。

レーザ媒質１００ａから出射される基本波レーザ光２０ａおよびレーザ媒質１００ｂから出射される基本波レーザ光２０ｂは、波長λａおよびλｂに関し式（１）を満足する入射角度αａ、αｂ（図２参照）で分散素子３０に入射する。

分散素子３０から出射される基本波レーザ光２０ａおよび２０ｂは、出射角度βが等しくなり、同一軸上に重なり合った状態で出射される。

波長変換素子４０は、波長λａ及び波長λｂの基本波長の光に対して、波長λａの第２高調波（波長＝λａ／２）、波長λｂの第２高調波（波長＝λｂ／２）、波長λａと波長λｂとの和周波（波長λａｂ＝（λａ・λｂ）／（λａ＋λｂ））が発生するように、周期的な分極反転層が予め形成される（図４参照）。

波長変換素子４０に波長λａの基本波レーザ光２０ａが入射すると、波長λａ用の第２高調波発生領域（周期Λａａの領域）４６ａａにおいて、波長λａの基本波レーザ光２０ａの一部が、波長λａ／２を有する第２高調波光に波長変換される。

同様に、波長λｂの基本波レーザ光２０ｂに対して、波長λｂの光が第２高調波に変換される領域（周期Λｂｂ領域）４６ｂｂにおいて、波長λｂ／２のレーザ光に変換される。

また、和周波発生領域（周期Λａｂの領域）４７ａｂにおいて、波長λａと波長λｂの基本波レーザ光が、波長λａｂ（＝λａ・λｂ／（λａ＋λｂ））を有する和周波光に変換される。

波長変換素子４０で発生した上記第２高調波および和周波のレーザ光は、波長変換素子４０の端部の面４２およびミラー７０を介して、外部に出射される。

このとき、波長変換により得られたレーザ光は、複数のレーザ光が同一軸上に重なりあった状態のレーザ光５０となって、波長変換素子４０から出射される。

このように、同一軸上に重ね合わされた状態で波長λａ及び波長λｂの基本波レーザ光（２０ａ、２０ｂ）が波長変換素子４０に入射し、入射したレーザ光が非分極反転領域内と分極反転領域内とを順番に伝搬することで波長変換され、波長λａ／２、λｂ／２、λａｂの３つのレーザ光が発生する。

これらの３つのレーザ光は、波長変換素子４０の端面４２を介して、ミラー７０から外部に出射される。

分散素子３０から入射したが波長変換素子４０内で第２高調波および和周波の光に変換されなかった基本波レーザ光２０ａ、２０ｂは、端面４２を介してミラー７０で反射され、再度波長変換素子４０内に入射し、上記同様に、非分極反転領域および分極反転領域を通過する際に、その一部が第２高調波および和周波の光に変換される。

この際に発生した第２高調波および和周波の光は、波長変換素子４０の端面４１で反射され、端面４２を介してミラー７０から外部に出射される。

一方、ミラー７０で反射され再度波長変換素子４０に入射したが波長変換されなかった基本波レーザ光２０ａ、２０ｂは、各々の波長に対応するレーザ媒質１００ａ、１００ｂの端部の面１０１、すなわち共振器の一部、まで伝播し、そこで反射され、上記同様に基本波レーザ光のレーザ発振動作に寄与する。

以上のように、本実施の形態の多波長レーザ装置によれば、実施の形態1と同様な効果を奏する。

また、内部型の波長変換方式にすることにより、実施の形態１および実施の形態２で示した基本波の波長変換を共振器外部で行う場合よりも、効率良く波長変換することができる。

なお、本実施の形態においては、レーザ媒質１００の利得のピーク波長において基本波長でレーザ発振し、且つ、利得のピーク波長において分散素子３０で反射される光の出射角度βが同一になるように、レーザ媒質１００および分散素子３０が構成される場合について説明した。

上記式（１）を参照すると、本実施の形態におけるレーザ媒質１００の利得帯域が広い場合には、分散素子３０の角度を変えることで式（１）を満足する波長が変化することから、レーザ発振する基本波長を変えることができることがわかる。

そこで、分散素子３０に複数のレーザ媒質１２から入射されるレーザ光の入射角度を変えて配置する、または、分散素子３０に入射するレーザ光２０の入射角度を調整できるように角度調整機構３１（図６参照。但し、詳細な構成は図示していない。）を備えるようにしてもよい。

角度調整機構３１を備える場合、分散素子３０への入射角度αが変化するので基本波レーザ光２０ａ、２０ｂの波長は、レーザ媒質１００ａ、１００ｂの利得のピーク波長であるλａ、波長λｂから波長λａ＋Δλａ、波長λｂ＋Δλｂへ変化する。ここで、Δλａ、Δλｂは波長変化量を示す。

波長変換素子４０において、波長λａ＋Δλａ、波長λｂ＋Δλｂの基本波長の光も波長変換されるように、予め結晶軸角度、温度、反転分極の周期などのパラメータを決定し分極構造を設けておくことで、波長変換により得られるレーザ光の波長を変化させ、同軸上に重なり合った状態で出射するようにできる。

実施の形態４.

以下に、本発明の各実施の形態４について図７を用いて説明する。

なお、上記各実施の形態構成と同一または同様な要素については、その説明を省略する場合がある。

図７は、本発明の実施の形態４における、多波長レーザ装置の概略構成の例を示す図である。

上記実施の形態３の図６と異なる点は、レーザ媒質１００と分散素子３０との間に、レンズ６０が追加され、レーザ媒質１００の基本波レーザ光を出射する側が、レンズ６０に向けて配置されている点である。

レンズ６０は、レーザ媒質１００から出射された基本波レーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎの進行方向を変化させ、分散素子３０の同一領域に向けて出射する。

各レーザ媒質１００ａ、１００ｂ、・・・、１００ｎ、レンズ６０および分散素子３０の配置は、上記実施の形態２と同様に、分散素子３０に入射する基本波レーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎの出射角度βが揃うよう、上記式（１）を満足するように配置される。

なお、レーザ光源１００ａ、１００ｂ、・・・、１００ｎの基本波レーザ光の出射位置と、レンズ６０と、の間の距離は、レンズ６０の焦点距離に相当する距離にすることが望ましい。

以上のように、本実施の形態の多波長レーザ装置によれば、実施の形態１と同様の効果を奏する。

また、実施の形態３と同様に、基本波に対する波長変換を共振器内部で行うことにより、実施の形態１および実施の形態２で示した基本波の波長変換を共振器外部で行う場合よりも、効率良く波長変換することができる。

また、角度調整機構３１を備えるので、実施の形態３において角度調整機構３１を備える場合と同様に、波長変換後の波長を変化させ、同軸上に重なり合った状態で出射することができる。

実施の形態５.

以下に、本発明の各実施の形態５について図８を用いて説明する。

なお、上記実施の形態１の図２の構成と同一または同様な要素については、その説明を省略する場合がある。

図８は、本発明の実施の形態５における、多波長発生レーザ装置の概略構成の例を示す図である。

図において、１１０は分散プリズムを示す。

上記各実施の形態と異なる点は、分散素子３０として、回折格子ではなく、分散プリズム１１０を用いている点である。

上記実施の形態１の回折格子３０の場合は、入射したレーザ光２０が反射する際に、進行方向が変化させるが、分散プリズム１１０の場合は、透過する際に進行方向が変化させる。

多波長レーザ装置としての動作は、上記以外は同様である。

以上のように、実施の形態１と同様な効果を奏する。

なお、上記実施の形態２および４のように、集光のためのレンズ６０をさらに用いるようにしてもよい。

また、実施の形態３および４のように、内部共振器型の構成に適用してもよく、本実施の形態に限定されない。

なお、上記各実施の形態においては、波長変換素子４０として、図４に示すような順番で分極反転領域が形成されている場合について説明したが、図４に示した波長変換領域を全て設ける必要はなく、例えば、同一軸上に重ねあわされた状態で出射させたい波長に対応する波長変換領域のみを形成しておいてもよい。レーザ光源１０、または、半導体レーザ９０およびレーザ媒質１００、についても同様であり、全て設ける必要はない。

また、レーザ装置の実装として、（１）上記各図に示した構成及び構造を全て有するようにする、（２）波長変換素子４０として図４に示した波長変換領域を全て有するが、レーザ光源１０、または、半導体レーザ９０およびレーザ媒質１００の全ては備えない、など各種実装形態が可能である。

また、上記各実施の形態においては、波長変換素子４０の第２高調波発生領域４６において、分極反転周期がΛａａの領域、Λｂｂの領域、・・・、Λｎｎの領域を図に示す順番に配置する構造の場合を説明したが、これに限定されない。

例えば、端部４１から端部４２に向かって分極反転周期が漸増または漸減する、いわゆるチャープ状に変化する構造、を有するようにしてもよい。

さらに、各領域内において、チャープ状に変化する構造を有するようにしてもよい。

このように、分極反転の周期構造をチャープ状に変化させることにより、分極反転周期が一様な場合と比べて、位相整合条件の許容度である位相整合帯域幅を広くできる。

和周波発生領域４７についても同様に、分極反転の周期構造をチャープ状に変化させた構造にしてもよく、同様の効果が得られる。

また、上記各実施の形態においては、波長変換素子４０が第２高調波および和周波を発生する場合の例を説明したが、これに限定されない。

例えば、波長変換素子４０内にとして差周波発生用の領域やパラメトリック発振用の領域を設けてもよく、本発明の効果を奏する。

また、上記各実施の形態においては、分散素子３０から出射された基本波レーザ光２０が、同一軸上に重なり合った状態で波長変換素子４０に入力し、波長変換により得られた複数のレーザ光が同一軸上に重なり合った状態で波長変換素子４０から出射されている。

しかし、波長変換素子４０への入射と波長変換素子４０からの出射における上記両「同一軸」は必ずしも一致する必要はなく、例えばレーザ装置を実装する際の各種パラメータ、例えば波長変換素子４０に用いるＱＰＭ波長変換阻止の擬似位相整合の条件、によっては異なる軸上で重なり合っていてもよい。

また、上記各実施の形態で示した多波長レーザ装置の図は、わかりやすく説明するため、詳細な構造を省略した図となっているが、他の機能要素または構成要素、例えば電源手段、制御手段を含んでもよい。

また、上記各実施の形態における多波長レーザ装置の構成のしかたは一例であり、装置の実装においては、図に示す構成に限定されない。また、等価な機能を実現できればよく各本実施の形態に限定されず、本発明の課題及び効果の範囲で各種変形が可能である。

１０（１０ａ、１０ｂ、・・・、１０ｎ） レーザ光源、２０（２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎ） 基本波レーザ光、３０ 分散素子（回折格子または分散プリズム）、３１ 角度調節機構、４０ 波長変換素子、４１ 波長変換素子の端部（または端部の面）、４２ 波長変換素子の端部（または端部の面）、４３ 分極反転領域、４４、４５ 光学膜（誘電体薄膜）、４６（４６ａａ、・・・、４６ｎｎ）第２高調波発生領域、４７（４７ａｂ、・・・、４７ｎａ） 和周波発生領域、５０ 波長変換後の波長のレーザ光、６０ レンズ、７０ ミラー、８０（８０ａ、８０ｂ、・・・、８０ｎ） 半導体レーザ、９０（９０ａ、９０ｂ、・・・、９０ｎ） 励起光、１００（１００ａ、１００ｂ、・・・、１００ｎ） レーザ媒質、１１０ 分散プリズム（分散素子）、α 入射角度、β 出射角度、ｄ 回折格子のピッチ

Claims (5)

1. レーザ媒質に利得を与えるための複数の励起光を出射する励起光源と、
   前記励起光を透過し基本波長のレーザ光を反射するための端部を前記励起光源側に有し、前記励起光源から出射された前記複数の励起光を用いて光増幅をし、基本波長が互いに異なる複数のレーザ光を出射するレーザ媒質と、
   前記レーザ媒質から出射された前記複数のレーザ光の各々の進行方向を波長及び入射方向に応じて変更させ、前記複数のレーザ光を同一軸上に重なり合った状態で出射する分散素子と、
   周期的に形成された分極反転領域及び非分極反転領域を有し、前記分散素子から出射され前記同一軸上で重なり合った状態の前記複数のレーザ光に対し前記分極反転領域及び非分極反転領域において波長変換をし、前記波長変換により得られた複数のレーザ光を同一軸上に重なり合った状態で出射する、波長変換素子と、
   前記レーザ媒質の前記励起光源側の前記端部とともに前記基本波長が互いに異なる複数のレーザ光に対する共振器を構成し、前記波長変換素子から出射された前記波長変換により得られた複数のレーザ光を透過するとともに、前記基本波長が互いに異なる複数のレーザ光を反射するミラーと、
   を備える多波長レーザ装置。
2. 前記波長変換素子は、
   前記非分極反転領域及び分極反転領域を複数有し、
   複数の前記非分極反転領域及び前記分極反転領域における第２高調波発生及び和周波発生の少なくとも一方を用いた波長変換により、前記分散素子から出射された前記同一軸上で重なり合った状態の複数のレーザ光に対し前記波長変換をし、前記波長変換により得られた互いに異なる複数の波長のレーザ光を同一軸上に重なり合った状態で出射する、
   請求項１に記載の多波長レーザ装置。
3. 前記レーザ媒質と前記分散素子との間に配置され、前記レーザ媒質から出射され前記基本波長が互いに異なる複数のレーザ光を、前記分散素子の同一領域に向けて出射する光学レンズ
   をさらに備える、請求項１に記載の多波長レーザ装置。
4. 前記波長変換素子は、
   前記複数の前記非分極反転領域及び前記分極反転領域の分極反転周期が、前記基本波長のレーザ光が入射する側の端部から前記波長変換により得られたレーザ光を出射する側の端部に向かって、連続的に漸増または漸減する構造を有する、
   請求項２または請求項３に記載の多波長レーザ装置。
5. 前記分散素子は、
   前記基本波長が互いに異なる複数のレーザ光の入射方向を調整できる角度調整機構を有する、
   請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の多波長レーザ装置。

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