JPWO2006006701A1 - コヒーレント光源およびこれを用いた光学装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、ドープファイバーを備え、前記ドープファイバーにより、第１波長の光と第２波長の光を出射する光源部と、前記第１波長の光を受け、前記第１波長の光よりも波長の短い光を出射する第１波長変換素子を含む波長変換素子部とを有するコヒーレント光源である。

Description

本発明は波長変換素子を用いたコヒーレント光源、および、これを用いた光学装置に関する。

高出力のレーザ光源として、固体ファイバーレーザが開発されている。ドープファイバーによるレーザ増幅器を利用したレーザ光源は、高出力、高ビーム品質化が容易であり、大出力レーザ光源として応用が広がっている。ファイバーレーザは、２重クラッド構造により励起ポンプ光源を多段階に増幅できるため、高出力化が可能である。さらには、コア部にレーザ光を閉じ込めることで単一モード発振が可能となり、高いビーム品質を保って高出力のレーザ光を実現できる。ファイバーレーザの発振は赤外領域であり、可視領域への応用としては、波長変換による発振光の短波長化が報告されている。現在、ファイバーレーザ、またはファイバー増幅器を利用したレーザ発振は、Ｙｂ、Ｎｄ、Ｅｒ、Ｙｂ／Ｅｒをファイバーのコア部に添加する構造が実現されている。発振波長としては、Ｙｂドープファイバーが１０３０〜１１００ｎｍ近傍、Ｎｄドープファイバーが１０６０ｎｍ近傍、Ｅｒ、Ｅｒ／Ｙｂファイバーが１５５０ｎｍ近傍で発振可能である。可視光を出力する光源として、ＹｂまたはＮｄファイバーからの出力を第２高調波に変換し波長５３０ｎｍ近傍の緑色光を発生させる構成、Ｅｒ、Ｅｒ／Ｙｂドープファイバーからの出力を第２高調波に変換し７７０ｎｍ近傍の近赤外光を発生させる構成を有する光源が実現されている。

一方、ファイバーレーザを利用した青色光の発生についても検討が進められている。特許文献１は、Ｎｄドープファイバーの発する９１０ｎｍ光の基本波を第２高調波に波長変換し４５５ｎｍ近傍の青色光の発生を行う構成を開示する。

上記のように、ファイバー増幅器を用いたレーザ発振は、高効率、高出力のレーザ発振が可能であるが、現在のところファイバーでの青色光の直接発振は困難である。そのため、特許文献１のように、高調波発生による出射光の短波長化が検討されている。ファイバーレーザによって９００ｎｍ近傍の波長の光を発生させれば、第２高調波の発生により青色光を出力可能である。
特表２００４−５０３０９８号公報

しかしながら、９００ｎｍ近傍の波長の光はレーザ媒質での吸収が大きく、相互作用長の長いファイバーを用いたレーザ光源は、固体レーザと同様、９００ｎｍ近傍の光の発生効率は悪く、光源の高効率化、および、高出力化は難しい。よって、高効率でＷクラスの光源を実現することは困難である。

本発明は、ファイバーレーザにおける発生効率が、９００ｎｍ近傍の光よりも高い光を利用し、高効率で青色光領域の光を出射するコヒーレント光源を提供する。

さらに、本発明は、青色光および緑色光の同時発生が可能なコヒーレント光源を提供する。

さらに、本発明は、赤色光、青色光、および、緑色光の３色同時発生が可能なコヒーレント光源を提供する。

本発明は、その一態様においては、ドープファイバーを備え、ドープファイバーにより、第１波長の光と第２波長の光を出射する光源部と、第１波長の光を受け、第１波長の光よりも波長の短い光を出射する第１波長変換素子を含む波長変換素子部とを有するコヒーレント光源である。

本発明の一態様においては、第１波長変換素子は、第１波長の光を受け、第１波長の光の第２高調波を出射することが好ましい。

本発明の一態様においては、さらに、波長変換素子部は、第１波長の光の第２高調波と第２波長の光を受け、第２高調波と第２波長の光との和周波を有する光を出射する第２波長変換素子を含むことが好ましい。

本発明の一態様においては、光源部は、Ｅｒ、または、ＥｒとＹｂを含む第１のドープファイバーと、Ｙｂを含む第２のドープファイバーを含むことが好ましい。

本発明の一態様においては、第１波長は、１５４０ｎｍ近傍の波長であり、第２波長は、１０８０ｎｍ近傍の波長であり、波長変換素子部は、第１波長の光および第２波長の光を受け、４５０ｎｍ近傍の波長を有する光を出射することが好ましい。

本発明の一態様においては、波長変換素子部は、さらに、第２波長の光を受け、第２波長の第２高調波を出射する第３波長変換素子を含むことが好ましい。

本発明の一態様においては、波長変換素子部は、さらに、第１波長の光と第２波長の光を受け、第１波長の光と第２波長の光の和周波を有する光を出射する第４波長変換素子を含むことが好ましい。

本発明の一態様においては、第１波長変換素子は、第１波長の光の少なくとも一部を受け、第２波長変換素子は、第１波長変換素子から出射する光の少なくとも一部と第２波長の光の少なくとも一部を受け、第３波長変換素子は、第２波長の光の少なくとも一部を受けることが好ましい。

本発明の一態様においては、第１波長変換素子は、第１波長の光の少なくとも一部を受け、第２波長変換素子は、第１波長変換素子から出射する光の少なくとも一部と第２波長の光の少なくとも一部を受け、第３波長変換素子は、第２波長の光の少なくとも一部を受け、さらに、第４波長変換素子は、第１波長の光の少なくとも一部と、第２波長の光の少なくとも一部とを受けることが好ましい。

本発明の一態様においては、第１波長変換素子および第２波長変換素子の少なくとも一方は、周期状分極反転構造を備えるＭｇドープＬｉＮｂＯ３、ＭｇドープＬｉＴａＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４、ストイキオメトリック組成のＭｇドープＬｉＮｂＯ３、および、ストイキオメトリック組成のＭｇドープＬｉＴａＯ３の少なくともひとつを含むことが好ましい。

本発明の一態様においては、光源部は、さらに、ドープファイバーに入射される光を発生するマスター光源を有することが好ましい。

本発明の一態様においては、光源部は、パルス状の光源部駆動用エネルギを供給する駆動装置と接続可能であることが好ましい。

本発明の一態様においては、光源部は、２つのドープファイバーと２つのマスター光源を備え、２つのマスター光源は、駆動装置と接続可能であり、同一の周期および位相を有するパルス状のエネルギの供給を受けて動作することが好ましい。

本発明の一態様においては、ドープファイバーは、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｅｒ／Ｙｂ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、および、Ｈｏの少なくともいずれか１つの元素を含むことが好ましい。

本発明の一態様においては、第１波長変換素子と、第２波長変換素子とは、単一の非線形光学結晶構造を有することが好ましい。

本発明の一態様においては、光源部は、単一のドープファイバーを備えることが好ましい。

本発明の一態様においては、ドープファイバーは、Ｅｒ／Ｙｂドープファイバーであることが好ましい。

本発明の一態様においては、２つのマスター光源のうち少なくともひとつは、半導体レーザ光源であることが好ましい。

本発明の一態様においては、さらに、波長変換素子部の出射する光を受ける光ファイバーを有することが好ましい。

本発明は、その一態様においては、ドープファイバーを備え、ドープファイバーにより、第１波長の光と第２波長の光を出射する光源部と、第１波長の光を受け、第１波長の光よりも波長の短い光を出射する第１波長変換素子を含む波長変換素子部とを有するコヒーレント光源と、コヒーレント光源の出射する光を受け、コヒーレント光源の出射する光の２次元的強度分布を制御する画像変換部を有する光学装置である。

本発明により、ファイバーレーザを利用した青色光領域のコヒーレント光源が実現される。本コヒーレント光源は、効率が高く、高出力化も可能である。

本発明の第１実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図 ブラッググレーティングを備えたドープファイバーの構成を示す図 本発明の第１実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図 本発明の第１実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図 本発明の第１実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図 本発明の第２実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図 本発明の第２実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図 本発明の第２実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図 本発明の第２実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図 本発明の第２実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図 光源部の駆動信号の例を示す図 駆動電源と光源部との接続例を示す図 本発明の第３実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図 本発明の第３実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図 本発明の第３実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図 本発明の第３実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図 本発明の第３実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図 本発明の第４実施形態による光学装置の構成例を示す図 本発明の第４実施形態による光学装置の構成例を示す図 本発明の第４実施形態による光学装置の構成例を示す図 本発明の第４実施形態による光学装置に好適なコヒーレント光源の構成例を示す図

符号の説明

１０１、１０３ ・・・ マスター光源
１０２、１０４、１００２ ・・・ ポンプ光源
１０５、１０６、２０４、３０１、３０２ ・・・ ドープファイバー
１０７、３０３、４０１、４０３ ・・・ ＳＨＧ素子
５０１、５０５、５１１、５１７ ・・・ ＳＨＧ素子
１０８、４０２、４０６、５０３ ・・・ ＳＦＧ素子
５０７、５１３、５１５ ・・・ ＳＦＧ素子
１０９ａ ・・・ パルス駆動電源
１０９ｂ ・・・ 駆動電源
１５１ ・・・ ブラッググレーティング
８０１ ・・・ コヒーレント光源
８０２ ・・・ コリメート光学系
８０３、９０７ ・・・ インテグレータ光学系
８０４ ・・・ 拡散板
８０５、９０９ ・・・ 液晶パネル
８０６ ・・・ スクリーン
８０７ ・・・ 投影レンズ
９０１ ・・・ コヒーレント光源
９０２、９０３ ・・・ ミラー
９０５ ・・・ スクリーン
９１１ ・・・ 合波プリズム
９１３ｒ、９１３ｇ、９１３ｂ、９１５ ・・・ レンズ
２００２ ・・・ 波長板
３００７ ・・・ 非線形ファイバー

ファイバーレーザにおいて９００ｎｍ近傍のレーザ光を発生させ、波長変換により青色光の光を発生させる光源では、固体レーザと同様、９００ｎｍ近傍の光の発生効率は悪く、高効率、高出力化が難しい。我々は、高出力化が進んでいる波長１０８０ｎｍおよび１５４０ｎｍ近傍の波長を有する光を出射するファイバーレーザを用い、青色光源を提供する。

本発明にかかる実施形態による光源は、光ファイバーを備え、青色光領域のコヒーレント光を発生する光源（コヒーレント光源）である。本光源は、高出力なファイバーレーザを備え、さらに、ファイバーレーザから出社された光の波長を変換する波長変換素子により青色光領域の波長を有する光の高効率出射を可能とする構成を有する。

また、本発明にかかる実施形態による光源は、青色光源の高出力化、緑色光および青色光の同時発生、ならびに、赤色光、緑色光、および、青色光の同時発生も可能な構成を有する。

さらに、本発明にかかる実施形態によるディスプレイ装置は、本発明による光源を用いたディスプレイ装置である。

（第１の実施形態）
図１は本発明にかかる第１の実施形態のコヒーレント光源の構成図である。これより、図１を参照し、本実施形態におけるコヒーレント光源の構成および動作について概説する。ファイバー増幅器であるドープファイバー１０５は、マスター光源１０１から出射され、ポンプ光源１０２およびドープファイバー１０５で増幅された波長λ１の光を出射する。もう１つのファイバー増幅器であるドープファイバー１０６は、マスター光源１０３から出射され、ポンプ光源１０４およびドープファイバー１０６で増幅された波長λ２の光を出射する。第１の実施形態においては、マスター光源１０１、および、１０３、ポンプ光源１０２、および、１０４、ならびに、ドープファイバー１０５および１０６が光源部を構成する。他の実施形態においても、同様、マスター光源、ポンプ光源、および、ドープファイバー等により光源部が構成される。ドープファイバー１０６から出射される波長λ２の光は、第２高調波発生素子（ＳＨＧ（ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）素子）１０７により、波長λ２／２（＝λ３）のＳＨＧ光（第２次高調波）に変換される。ファイバー増幅器１０５から出射される波長λ１の光と、ＳＨＧ素子１０７から出射される波長λ３のＳＨＧ光は和周波発生素子（ＳＦＧ（ｓｕｍ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）素子）１０８に入射し和周波を有する光に変換される。素子１０８により変換され発生する和周波を有する光であるＳＦＧ光１１０の波長λ４は、λ４＝（λ１・λ３）／（λ１＋λ３）＝（λ１・λ２）／（２×λ１＋λ２）である。よってＳＦＧ素子１０８は、波長λ４を有するＳＦＧ光１１０が出射する。この波長λ４が青色光領域に含まれるように、ドープファイバー１０５および１０６の出射する光の波長λ１およびλ２選択し、ＳＨＧ素子１０７およびＳＦＧ素子１０８を設計することにより、ファイバー増幅器であるドープファイバー１０５および１０６と、波長変換素子であるＳＨＧ素子１０７およびＳＦＧ素子１０８により青色光の発生が可能となる。第１の実施形態においては、ＳＨＧ素子１０７およびＳＦＧ素子１０８は、波長変換素子部を構成する。他の実施形態においても、ＳＦＧ素子およびＳＨＧ素子等により波長変換素子部が構成される。なお、ＳＦＧ素子は、波長λａの光と波長λｂの光を入射することにより、λｃ＾（−１）＝λａ＾（−１）＋λｂ＾（−１）の関係を満たす波長λｃの光を出射する素子である。ＳＨＧ素子は、上記ＳＦＧ素子の説明におけるλａとλｂが等しい場合であって、波長λａの光を入射することでλｃ＝λａ／２の光を出射する波長変換素子である。以下、本発明のコヒーレント光源の原理について詳細に説明する。

第１のファイバー増幅器に含まれるドープファイバー１０５は、Ｙｂドープファイバーを有する。このドープファイバー１０５は、１０３０〜１１００ｎｍ程度の波長を有する光を発生することができる。一方、第２のファイバー増幅器であるドープファーバー１０６は、ＥｒまたはＥｒ／Ｙｂドープファイバーを有する。このドープファイバー１０６は、１５４０ｎｍ近傍の波長を有する光を発生することができる。ＳＨＧ素子１０７は、１５４０ｎｍ近傍の波長を有する光をＳＨＧ光に変換することができ、７７０ｎｍ近傍のＳＨＧ光を発生することができる素子である。

ＳＦＧ素子１０８により、上記２つの光（波長λ１と波長λ３の光）の和周波を有する光を発生させることにより、青色光領域に含まれる４４０ｎｍ〜４６０ｎｍ近傍の波長を有する青色光を発生させることができる。

ファイバーレーザ光源の構成は、ポンプ光源と、ファイバーの両端面にミラーを形成しファイバー共振器であるドープファイバイー１０５および１０６とで構成する方法と、マスター光源１０１および１０３と、ポンプ光源１０２および１０４を用い、マスター光源１０１および１０３から出射した光を、ファイバー増幅器であるポンプ光源１０２およびポンプ光源１０４ならびにドープファイバー１０５および１０６によって増幅する構成が可能である。

前者の共振器構成にする場合、図２に示すように、ドープファイバー１０５（および１０６）に周期的なグレーティング構造によるブラッググレーティング１５１を用いることも可能である。ブラッググレーティング１５１は、波長変換素子の位相整合波長の変動を考慮して数ｎｍ程度の広い波長で反射するように設計することが望ましい。グレーティング等による狭帯域化を用いた場合、高出力時にはラマン散乱等によりレーザの発振波長の狭帯域化が困難となる場合がある。一般に、波長変換素子の位相整合波長許容度は狭いため、ファイバーをレーザ共振器として構成した場合、波長変換素子に入射する光は広い波長帯域を有し、そのために変換効率が大幅に低下する。この点を鑑みれば、ファイバー増幅器は、マスター光源１０１および１０３より出射するマスターレーザを、ポンプ光源１０２および１０４ならびにドープファイバー１０５および１０６により増幅する構成が好適である。また、マスター光源１０１および１０３は、ＤＢＲレーザ、ＤＦＢレーザ等の半導体レーザが好適である。これらの半導体レーザは、発振波長がレーザ内に構成されたグレーティングにより固定されているため、波長変換素子の位相整合波長に正確にチューニングさせることができる。また、レーザ光は、ファイバー増幅器により増幅すれば、ファイバーの非線形効果による波長スペクトルの増大（ブロード化）が抑圧できるため、高効率の波長変換が可能となる。

ＤＦＢ、ＤＢＲレーザ等の半導体レーザは高速で出力を変調することができる。このため、ファイバー増幅器および波長変換素子により波長変換した光を高速に変調可能という利点を備える。ドープファイバー１０５および１０６に入射するマスター光源１０１および１０３のレーザ光をパルス駆動すればＱスイッチ動作が可能となり、尖塔値の高いパルス光が発生可能である。ＳＨＧおよびＳＦＧ波長変換素子１０７および１０８においては、非線形光学効果を利用している。そのため、パワー強度が増大すれば、変換効率は飛躍的に増大する。このため尖塔値の高いピークパワーを用いることは、通常のＣＷ光に比べて、変換効率を何桁も向上できるという点で有利である。半導体レーザを光源として用いることは、出力変調およびＱスイッチ動作による変換効率向上の点で有利である。

半導体レーザを利用する場合には、幾つかの注意すべき点もある。

一つは、半導体レーザを変調する場合には、出力変調と同時に波長が変動するチャーピングを抑圧することが望ましい。チャーピングが発生すれば、ＳＦＧ素子１０７およびＳＨＧ素子１０８の有する位相整合波長許容度内からレーザ光の発振波長が外れ、変換効率が低下し、出力される変調波形が歪むといった問題が生じることがある。これを防止するには、レーザ光源に３電極構造のＤＢＲレーザを使用することが望ましい。ＤＢＲレーザに駆動電極、ＤＢＲ電極、位相電極の３電極を構成し、出力変調として駆動電極部分へ入力される変調波形と、位相電極部分へ入力される変調波形を同時に加えることによって、半導体レーザ内への電流注入により発生する熱を相殺し、レーザのチャーピングを防止できる。この構成をファイバー増幅器に含まれるポンプ光源１０２および１０４に適用すれば、ドープファイバー１０５および１０６から出射されるレーザ光のチャーピングを抑圧することができ、波長変換素子であるＳＨＧ素子１０７およびＳＦＧ素子１０８による波長の変換を高効率で実現することができる。

もう一つの問題として、マスター光源１０１および１０３をパルス駆動してＱスイッチ動作させる際、パルス波形整合を正確にとる必要がある。図３を参照し、ファイバー増幅器をパルス駆動する方法について説明する。マスター光源１０３を駆動する電源１０９ａをパルス駆動電源とし、マスター光源１０３の出力をパルス状に発生させることで変換効率の向上を図れるが、その場合には、ＥｒまたはＥｒ／Ｙｂレーザ１０３、１０４、および、１０６をパルス駆動することが望ましい。その理由としては、波長変換素子の変換効率は基本波の波長の３乗に逆比例する点が挙げられる。基本波を発する光源としてはＥｒまたはＥｒ／Ｙｂレーザ１０３、１０４、および、１０６の波長が１５４０ｎｍと一番長いため、その変換効率は、光源中で最も低い。これを改善するには、この基本波を発する光源をパルス駆動し変換効率の向上を図ることが有効である。即ち、最も波長の長い光源をパルス駆動することが、変換効率の向上に最も効果的である。ＥｒまたはＥｒ／Ｙｂファイバー増幅器であるドープファイバー１０６に入射するマスター光源１０３をパルス駆動すると、変換効率が向上する。

さらには、ＳＦＧ素子１０８の高効率化の点からは、ＳＦＧ素子１０８に入射する２つの光が共にパルス駆動すれば、より高い変換効率が実現できる。しかし、ＳＦＧ素子１０８に入射する２つの光の光源であるドープファイバー１０５および１０６から出射するパルス光が時間的に同期していなければ、ＳＦＧ素子１０８内で２つのパルス光のピークが重なることはなく、高効率化は望めない。図４を参照すれば、２つのマスター光源１０１および１０３を共にパルス駆動する構成が示される。マスター光源１０１および１０３は、同一のパルス駆動電源１０９ａまたは同期したパルス駆動電源により駆動されるため、ドープファイバー１０５および１０６から出射されるパルス光は、時間的に同期される。図４に示す構成により、単一のパルス駆動電源１０９によって２つのマスター光源１０１および１０３のパルス発振は同期され、ドープファイバー１０５および１０６から同時的にパルス光が発生するように制御することができる。

ＳＨＧ素子１０７およびＳＦＧ素子１０８は、周期状の分極反転構造を有する非線形光学結晶からなる波長変換素子が好適である。分極反転構造を有する波長変換素子としては、ＫＴｉＯＰ４、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、または、ＭｇをドープしたＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３もしくはストイキオＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３等が好ましい。これらの結晶は高い非線形定数を有するため高効率の波長変換が可能である。

また、これらの結晶は周期構造を変えることで位相整合波長を自由に設計できるという利点を有する。この特徴を利用することにより、単一の光学結晶による青色光の発生も可能である。図５は、ＳＨＧ素子４０１とＳＦＧ素子４０２とをモノリシックに構成した波長変換素子を備えた本実施形態による光源の構造を示す図である。分極反転の周期を設計することでＳＨＧ素子４０１とＳＦＧ素子４０２を同一結晶状に形成することができる。素子４０１および４０２を構成する結晶としては、ＭｇドープのＬｉＮｂＯ３を用いることができる。例えば、光源であるドープファイバー１０６からは波長１５４０ｎｍの基本波２０２が出射され、ドープファイバー１０５からは波長１０８０ｎｍの基本波２０１が出射される。ここでは、これら基本波２０１および２０２の波長はマスター光源１０１および１０３の発振波長により決定されるものであって、発振可能な波長は、これら例示した波長のみに限定されるものではない。この例の場合、波長変換素子の１つであるＳＨＧ素子４０１は周期２７．２μｍの分極反転構造を有し、ＳＦＧ素子４０２は周期４．１μｍの分極反転構造を有する。これら異なる２つの周期を有する分極反転構造を１つのＭｇドープのＬｉＮｂＯ３結晶に形成する。ＳＨＧ素子４０１は１５４０ｎｍの光（基本波２０２）を７７０ｎｍのＳＨＧ光に変換し、次いでＳＦＧ素子４０２によって、７７０ｎｍのＳＨＧ光と１０８０ｎｍの光（基本波２０１）との和周波を有する光である波長４５０ｎｍの青色光が発生される。また、ＳＨＧ素子４０１とＳＦＧ素子４０２とを一つの結晶上に形成することは、光源の簡素化、小型化に寄与する。

なお、本発明の構成ではマスター光源１０１および１０３として半導体レーザを用いたが、ファイバーレーザや、固体レーザ光源をマスター光源として利用できる。

なお、本実施形態の構成においては、２つの光源に、ファイバー増幅器１０２、１０４、１０５、および、１０６を含む。だが、固体レーザ光源を利用することも可能である。一方または両方のレーザ光源として固体レーザ光源や半導体レーザを用いることも可能である。例えば、波長９８０ｎｍの光を発する半導体レーザと、１５５０ｎｍのファイバーレーザ光源を用い、ファイバーレーザ光源から出た光をＳＨＧ光に変換し（光の波長を元の半分に変換し）、７７５ｎｍのＳＨＧ光と９８０ｎｍの基本波の和周波を発生させることで４３０ｎｍの青色光を発生させることができる。半導体レーザ光源は小型化が可能であり、本発明にかかるコヒーレント光源の小型化、低コスト化に有効である。

なお、本実施形態の構成としてレーザ増幅器としてファイバーレーザを用いたが、その他、半導体増幅器をファイバーレーザの代りに利用することも可能である。半導体増幅器は電流励起が可能なため、光源の小型化に有効である。

ドープファイバー１０６としてはＥｒまたはＥｒ／Ｙｂドープファイバーを用い、ファイバー増幅器であるドープファイバー１０５としてＹｂドープファイバーを用いれば、３８０〜４１０ｎｍ近傍の青色光の発生も可能である。

なお、ファイバー増幅器としては上記レーザ以外に、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｈｏ元素のイオンのいずれかを含む構成でも実現できる。Ｎｄドープファイバーを用いれば１０６０ｎｍ近傍の発光が容易になる。Ｎｄ以外の上記イオンに関しても、それぞれ異なる波長の光源が実現できる。

（第２の実施形態）
本実施形態によるコヒーレント光源は、複数の波長域（例えば、青色と緑色の２つの波長域）でピークを有するコヒーレント光を同時に発生可能な構成を有する。図６は本実施形態のコヒーレント光源の構成図である。Ｅｒ／Ｙｂドープファイバーであるドープファイバー３０２から出射した波長１５４０ｎｍの光はＳＨＧ素子１０７により波長７７０ｎｍのＳＨＧ光に変換される。Ｙｂドープファイバーであるドープファイバー３０１から出射した波長１０８０ｎｍの光と、波長７７０ｎｍのＳＨＧ光は、ＳＦＧ素子１０８により波長４５０ｎｍの青色光であるＳＦＧ光１１０に変換される。さらにＳＦＧ素子１０８により変換されずに出射した波長１０８０ｎｍの光は分離され、第２のＳＨＧ素子３０３により波長５４０ｎｍの緑色光であるＳＨＧ光３０４に変換される。本実施形態のコヒーレント光源は、緑色光（例えば、波長５４０ｎｍの光）と青色光（例えば、波長４５０ｎｍの光）の同時発生が可能である。本実施形態のコヒーレント光源は、ＳＦＧ素子１０８により変換されなかった波長１０８０ｎｍの基本波を利用してＳＨＧ光３０４を発生する。そのため、光源全体として、利用効率は向上され低消費電力化が可能となる。また、一つの光源により青色、緑色の同時発生が可能となるため、光源の小型化、簡素化が可能である。

さらに、図７Ａに示すようにＳＨＧ素子４０１、ＳＦＧ素子４０２、ＳＨＧ素子４０３を一つに集積（モノリシック化）することで光源の小型化を実現できる。波長変換素子４０１、４０２、および、４０３は、ＭｇドープのＬｉＮｂＯ３結晶上に、波長１５４０ｎｍの基本波２０２のＳＨＧ素子４０１である部分に、周期２７．２μｍの分極反転構造を、ＳＦＧ素子４０２である部分に周期４．１μｍの分極反転構造を、波長１０８０ｎｍのＳＨＧ素子４０３である部分に周期７．３μｍの分極反転構造をそれぞれ形成すればよい。基本波２０２はＳＨＧ素子４０１によりＳＨＧ光２０３に変換され、ＳＨＧ光２０３と基本波２０１はＳＦＧ素子４０２によりＳＦＧ光４０４に変換される。さらに基本波２０１はＳＨＧ素子４０３によりＳＨＧ光４０５に変換される。ＳＨＧ素子４０１および４０３ならびにＳＦＧ素子４０２をモノリシック化することで、光源の構成が単純化され、小型化、低コスト化が可能となる。周期状の分極反転構造は周期を設計するだけでＳＦＧ、ＳＨＧ等に自由に制御できるためモノリシック化に非常に有効である。

さらに、第２の和周波素子であるＳＦＧ素子４０６を備えることで、赤、青、緑の３波長同時発生が可能となる。図７Ｂにその構成を示す。波長変換素子は、ＳＨＧ素子４０１および４０３、ならびに、ＳＦＧ素子４０２、および４０６を含む。また、波長変換部である波長変換素子４０１、４０２、４０３、および、４０６を一つの基板に集積することで光源の小型化も可能となる。波長変換素子は、ＭｇドープのＬｉＮｂＯ３結晶上に、波長１５４０ｎｍの基本波２０２のＳＨＧ素子４０１である部分として、周期２７．２μｍの分極反転構造を、ＳＦＧ素子４０２である部分として周期４．１μｍの分極反転構造を、ＳＦＧ素子４０６である部分として周期１１．７μｍの分極反転構造を、波長１０８０ｎｍのＳＨＧ素子４０３である部分として周期７．３μｍの分極反転構造をそれぞれ形成すればよい。波長１５４０ｎｍの基本波２０２はＳＨＧ素子４０１により波長７７０ｎｍのＳＨＧ光２０３に変換され、波長７７０ｎｍのＳＨＧ光２０３と波長１０８０ｎｍの基本波２０１はＳＦＧ素子４０２により波長４５０ｎｍのＳＦＧ光（青）４０４に変換される。さらに波長１０８０ｎｍの基本波２０１はＳＨＧ素子４０３によりＳＨＧ光（緑）４０５に変換される。さらに、波長１０８０ｎｍの基本波２０１と波長１５４０ｎｍの基本波２０２は、ＳＦＧ素子４０６により波長６３５ｎｍのＳＦＧ光（赤）４０７に変換される。以上の結果、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、および、青（Ｂ）の同時発生が可能となる。本光源の発する３色の光の波長はいずれも視感度が高く、ディスプレイ用途への応用に非常に適している。さらに、２つの基本波光源で３色同時発生が可能となるため基本波の利用効率を高めることが可能となる。波長変換の順番としては、１５４０ｎｍのＳＨＧ光への変換が第一であることが好ましい。先述した通り、波長が最も長いため変換効率が最も低いからである。そしてその後に和周波の青色光発生、さらに和周波の赤色発生を行うことが望ましい。そして、最後に、１０８０ｎｍのＳＨＧ光である緑色光を発生させる順番が好ましい。変換効率の低い順に変換を行い。余った光でさらに変換することで、利用効率の向上が図れ、光源全体の高出力化が可能となる。また、緑色光の発生は、波長１５４０ｎｍの光の出力を停止、少なくとも低下させれば、２つの和周波発生が停止、少なくとも抑圧され、１０８０ｎｍの光を緑色光のみの発生に利用できる。よって、赤、青の発生とは別に、緑単独での高出力発生も可能である。ＲＧＢ光源をレーザディスプレイに利用する場合、視感度の関係より緑色光のパワーは赤、青のパワーより高い出力が要求される。本発明の構成は、緑色光を他の光より効率的に利用できるため、好ましい。基本波光源の波長範囲としては波長１５５０±５０ｎｍ近傍の波長と、１０８０±５０ｎｍ近傍の波長を用いれば、ＲＧＢ光の同時発生が可能である。Ｅｒドープファイバーを用いれば波長１５５０±５０ｎｍ近傍の光が、またＹｂドープファイバーを用いれば１０８０±５０ｎｍ近傍の光が出力可能である。この波長範囲の光源を用いれば、赤色領域では６１０〜６６０ｎｍ、青色領域では４３０〜４７０ｎｍ、緑領域では５１５〜５６５ｎｍの光が発生できる。

さらに、光源１０３、１０４、および、３０２の発する光の波長は、１５００から１５７０ｎｍが好ましい。その理由は、波長が１５７０ｎｍ以上になれば、１０６０ｎｍ近傍の波長を有する他方の光源１０１、１０２、および、３０１との和周波で発生する赤色光の波長が６４０ｎｍ以上になるため、ディスプレイ等で利用する場合は視感度が低下する。視感度が低下すると必要となるパワーが増大するため、消費電力が大きくなる。そのため赤色の波長は６４０ｎｍ以下が好ましい。この条件を満足するためには、光源１０３、１０４、および、３０２の発する光の波長は１５７０ｎｍ以下であることが望ましい。一方、光源１０３、１０４、および、３０２の発する光の波長が１５００ｎｍ以下になると、赤色の波長が６２０ｎｍ以下になる。赤色の波長が６２０ｎｍ以下になると、赤色の表示範囲が狭くなり、色再現性が劣化する。そのため、赤色の波長６２０ｎｍ以上を出すために、光源１０３、１０４、および、３０２の発する光の波長は１５００ｎｍ以上であることが好ましい。さらに好ましくは１５４０〜１５６０ｎｍがよい。その理由は、Ｅｒ／Ｙｂドープファイバー３０２においてポンプ光に対する変換効率が最も高いからである。

一方、光源１０１、１０２、および、３０１の発する光の波長は１０６０ｎｍから１０９０ｎｍが好ましい。この波長域は、Ｙｂドープファイバーレーザ３０１での変換効率が高い領域であるため、低消費電力化が可能である。さらに好ましくは１０６５〜１０８０ｎｍがよい。この波長域を用いれば、高い色再現性が可能となるからである。

図８および図９に、ＲＧＢ同時出射可能な光源の構成例を示す。図８に示す光源においては、第１の光源部１０１、１０２、３０１からの１５５４ｎｍの光と第２の光源部１０３、１０４、および、３０２からの１０８４ｎｍの光を用いて、ＲＧＢ同時発生を行う。

１０８４ｎｍのレーザ光の一部はＳＨＧ素子５０１により５４２ｎｍの緑色光に変換され、５４２ｎｍの光は外部に取り出される。１５５４ｎｍのレーザ光の一部は１０８４ｎｍのレーザ光と合波されＳＦＧ素子５０３により和周波６３９ｎｍの赤色光を発生し、赤色光は外部に取り出される。さらに、１５５４ｎｍの光はＳＨＧ素子５０５により７７７ｎｍの光に変換され、７７７ｎｍの光と１０８４ｎｍの光はＳＦＧ素子５０７によりの和周波に変換され４５７ｎｍの青色光を発生する。このような構成により、２つの光源部からＲＧＢ同時発生が可能となる。

次に、図９に示す光源の構成について説明する。第２の光源部１０３、１０４、および、３０２から出た１５５４ｎｍのレーザ光の一部はＳＨＧ素子素子５１１により７７７ｎｍの光に変換される。７７７ｎｍの光と１０８４ｎｍの光の一部はＳＦＧ素子５１３により和周波４５３ｎｍの光に変換され、４５３ｎｍの光は外部に取り出される。さらに１０８４ｎｍと１５５４ｎｍのレーザ光の一部はＳＦＧ素子５１５により６３９ｎｍの和周波に変換される。さらに１０８４ｎｍの光はＳＨＧ素子５１７により５４２ｎｍの緑色光に変換される。

ＲＧＢの変換効率の観点からは、図９に示す構成が好ましい。先述の通り、波長変換の効率は波長が長いほど低下する。このため、１５５４ｎｍを７７７ｎｍに変換する効率が最も低くなるため、最初に変換を行うことで高効率化が図れる。

これまで示したように、図７Ｂ、図８、および、図９の構成においては、ＲＧＢの同時出力が可能である。これより、ＲＧＢ光源の出力切り替え方式について説明する。

ＲＧＢ光の発生が可能な光源を、レーザディスプレイ等に使用する場合、ＲＧＢの出力をそれぞれ切り替えて使用することで、低消費電力化が可能となる。ここでは、出力を切り替える方法について説明する。緑色光に関しては、１５４０ｎｍ近傍の基本波発生を止めることで（第２の光源部１０３、１０４、および、３０２の出力の停止で）、和周波が発生しなくなるため、波長１０８０ｎｍの基本波のＳＨＧ光である５４０ｎｍの緑色光を効率よく取り出すことができる。つまり、緑色光の発生は、１５４０ｎｍの基本波のｏｎ／ｏｆｆで切り替え可能である。

一方、青色と赤色の切り替えであるが、波長１５４０ｎｍと１０８０ｎｍの基本波は同時に発生させた状態で、波長１５４０ｎｍの基本波をＳＨＧ光に変換する波長変換素子（例えば、ＳＨＧ素子５０５）により切り替え可能となる。ＳＨＧ素子の入れ替え、電界印加、または、温度制御等により位相整合条件をずらすことで、７７０ｎｍのＳＨＧ光発生強度を制御することができ、青色と赤色の切り替えが可能となる。７７０ｎｍの光がｏｎ（発生強度が大きい）時は４５０ｎｍ近傍の青色光発生が強くなり、ｏｆｆ（発生強度が小さい）時は、波長６４０ｎｍ近傍の赤色光発生が強くなる。上記方法によりＲＧＢの強度切り替えが可能となり、出力のバランスを取る場合の調整も可能となる。またＲＧＢのうち赤緑、青緑、赤青等の２色光のみ発生する場合にも同様の手法で切り替えが可能となる。

さらに、分極反転構造をもちいれば、ＲＧＢ発生に必要な、２つの第２高調波発生素子と２つの和周波発生素子を１つの基板にモノリシックに形成することも可能である。光源の簡素化、小型化が可能となる。

本発明による光源を、カラーディスプレイに用いるＲＧＢ光源として利用する場合、ＲＧＢを出力切り替えして出力することが望まれる。Ｒ，Ｇ，Ｂのそれぞれの画像を時間毎に切り替えることで、カラー画像を構成することができる。この場合、光源としてはＲＧＢ出力を切り替えることで、画像変換部である、単一の画像変換素子を用いてカラー画像に変換できる。

本発明の構成では１５５４ｎｍの光の発生をスイッチングすると、１５５４ｎｍの光がｏｎの場合はＲＧＢ同時出力、ｏｆｆの場合は５４２ｎｍの緑色のみ出力することになる。このように、光源の出力を切り替えて使用することで、効率よく画像出力が可能となる。

さらにカラー画像を構成する場合、緑色の輝度が最も必要とされる。図１０Ａは、第１の光源部１０１、１０２、３０１のｏｎ／ｏｆｆパターン例６０１および第２の光源部１０３、１０４、および、３０２のｏｎ／ｏｆｆパターン例６０３を示す。図１０Ｂは、２つの駆動電源１０９ｂがそれぞれ、マスター光源１０１またはポンプ光源１０２をパターン６０１で駆動し、マスター光源１０３またはポンプ光源１０４をパターン６０３で駆動する様子を示す図である。このようにして２つの光源部を駆動すれば、パターン６０１および６０３が同時にｏｎになっている間、２つの光源部は共にｏｎ状態となり、ＲＧＢの同時発光が可能となる。一方、パターン６０１がｏｆｆかつパターン６０３がｏｎになっている間は、緑色の単独発光が可能となる。従って、本発明の構成でＲＧＢの同時発生と緑色の単独発生を切り替えることで、緑の積算光量が増加し、より輝度の高い像が実現できる。

さらに１５５４ｎｍの光源をｏｎ／ｏｆｆして出力を切り替える場合、図８の構成に比べて、図９の構成では、より効率よく緑色光を取り出すことが可能となる。１５５４ｎｍの光出力をｏｆｆにした場合、１０８４ｎｍの光は途中の素子で変換されなくなり、ＳＨＧ素子５１７に直接到達する。このため１０８４ｎｍの光の変換ロスが低下し、ＳＨＧ素子５１７において高効率で緑色光発生が可能となる。一方、１５５４ｎｍがｏｎの場合、緑色光を発生する前にＢ，Ｒを出力できるため、高効率で波長変換が行え、光源の利用効率が高くなる。以上の理由で基本波を切り替えて出力する場合は、緑色光をより効率的に取り出すことが可能となる。

同様の利点が図７Ｂでも利用できる。緑色発生用のＳＨＧ素子４０３を最終段に配置することで、１０６４ｎｍと１５５４ｎｍの出力を切り替えてＲＧＢ同時発生と緑色光で切り替える場合に緑色発生の効率を高くできる。

（第３の実施形態）
ここでは、ファイバー増幅器（ポンプ光源およびドープファイバー）をモノリシック化した構成を有する光源について説明する。本実施形態においては、ファイバー増幅器としてＥｒとＹｂを同時にドープしたドープファイバー２０４を用いる。ドープファイバー２０４は、波長９７５ｎｍまたは９１５ｎｍのポンプ光源１０２でポンプすることによりファイバー増幅器として機能する。このファイバー増幅器は１５４０ｎｍ近傍および１０８０ｎｍ近傍の波長域で増幅作用を示す。このファイバー増幅器にマスター光源１０１、１０３より光を入力すると、マスター光源の波長がドープファイバー２０４により増幅される。例えば、マスター光源１０１を波長１０８０ｎｍ近傍の光源とし、マスター光源１０３を１５４０ｎｍ近傍の光源とするとーのドープファイバー２０４により異なる波長の光を発振することができる。図１１の構成では、マスター光源１０３、１０１を同時に発光させることで、ドープファイバー２０４から、１５４０ｎｍ、１０８０ｎｍの波長を有する光を同時に出射することが可能である。これをＳＨＧ素子１０７とＳＦＧ素子１０８により波長変換することで、第１の実施形態にて説明した波長変換素子構成で青色のＳＦＧ光１１０を発生することが可能となる。ファイバーレーザを一体化することでファイバーからのレーザ光を合波する光学系が不要となり、光学系の簡素化、小型化、低コスト化が可能となる。

さらに、緑色光発生にも利用できる。図１２Ａは本発明の他の構成のコヒーレント光源である。上記構成にＳＨＧ素子４０３を加え、波長１０８０ｎｍの基本波２０１を波長５４０ｎｍの緑色光４０５に変換している。本構成の光源は、青色光、緑色光の同時発生が可能である。さらに、２つの光は同軸で発生するため、レーザ光を利用する光学系が非常に簡素になるという効果を奏する。

図１２Ｂは、図１２Ａに示す光源を構成する波長変換素子の一部に、ＳＦＧ素子４０６をさらに加えた波長変換素子を有する光源の構成図である。このような構成にすることにより、上述のように、ＲＧＢの同時発光が可能な光源が構成される。

図１３は、波長板２００２を有する光源の構成図である。本構成の光源は、Ｅｒ／Ｙｂドープファイバー２０４において、１０６４ｎｍと１５５０ｎｍの光を同時に発生し、波長変換素子部である素子４０１、４０２、４０３、および、４０６によりＲＧＢの３色に変換する光源である。ファイバーレーザ２０４で２波長を同時に発生するため、ポンプレーザによるゲインを２つの波長の発振が取り合うことになり、発振が不安定になる場合がある。これを防止する方法としては、２つのマスター光源１０１および１０３の光の偏光方向を直交させ、互いの干渉を防止することが好ましい。本構成においては、ファイバー２０４は偏波保存ファイバーであることが好ましい。なぜならば、直交する２つの偏光が互いに干渉しないことが好ましいからである。マスター光源１０１、および、１０３からの光を、互いに直交する偏光として入力することで、１５５０ｎｍと１０６４ｎｍの光は、互い直交する偏光として発振し、出力の安定化が図れる。しかし、波長変換素子に入力する際には、２つの光を同一偏光にする必要があるので、波長板２００２を、光源部と波長変換部との間に挿入し、２つの波長の偏光を同一偏光に変換して波長変換素子に入射する。

図１４は、２つの、波長の異なるポンプ光源を用いる光源の構成図である。ポンプ光源１０２は、波長９１５ｎｍ、ポンプ光源１００２は波長１４８０ｎｍの光源である。ポンプ光源１０２は１５５０、および、１０６４ｎｍの両方の発光ゲインを励起するが、１４８０ｎｍの光は１５５０ｎｍのみの励起作用を有する。このため、ポンプ光源１０２および１００２のそれぞれのパワーを制御することで１０６４ｎｍと１５５０ｎｍの光の発生を制御し安定化が図れる。

なお、ポンプ光源１００２の波長としては１４８０ｎｍ以外に９２０−９７０ｎｍの領域も利用できる。

なお、ファイバー２０４としては偏波保存ファイバーを用い、１５５０、および、１０６４ｎｍの２波長の偏光を分離することでより安定な２波長発生が可能となる。

なお、本発明の構成は、ポンプレーザにより励起されたファイバーに２つの波長の異なるマスターレーザを用いた構成であるが、その他、さらに異なる波長の光を発するマスターレーザを含む構成も有効である。例えば、波長１０８０ｎｍの光を発する光源に加えて波長１０４０ｎｍの光を発する光源を加え、波長１０４０ｎｍの光を受けて、その第２高調波を発生する波長変換素子を追加することにより、上記に加えて波長５２０ｎｍのＳＨＧ光を発生させることができる。マスター光源の発する光の波長の種類を増加させれば、本光源の出射可能な光の波長の種類を増加させることができ、マスター光源が発する光の波長を切り換えることで発生する光の波長を切り換えることも可能となる。本光源により発生する光の波長を多様に切換可能とすれば、本光源をディスプレイ装置の光源として用いた場合、ディスプレイ装置の表現可能な色範囲を拡大することができる。

なお、本実施形態は、マスターレーザの光をファイバーにより増幅する構成を有する。しかしながら、本発明は、そのような構成に限定されず、ファイバーグレーティングを用いた共振器によるレーザ発振を行う構成も含む。この共振器は、ファイバーレーザの互いに離れた２カ所にファイバーグレーティングを備える構成を有し、これらファイバーグレーティングの間で光を共振させることが可能である。そのため、ポンプレーザのみで２つの波長のレーザ発振が可能である。このようなグレーティングを用いてレーザの共振を行う場合は、マスター光源は不要である。よって、本光源の構成の簡素化、および、低コスト化に有効である。これらファイバーグレーティングは、所望の２つの異なる波長でブラッグ反射が生じるように異なる周期のグレーティング構造を備えることが好ましい。共振構造を有するファイバーレーザの場合、ファイバーレーザは、偏端保存ファイバーを用い、異なる偏光方向に異なる波長の光を励起する構成が望ましい。ひとつのファイバー内で２つの波長が励起されるとファイバーのゲインを互いに奪い合うことがあるが、偏向方向が異なるように励起すれば、ゲインの奪い合いが抑止され、出力の安定した２波長発振が可能になる。

さらに、後述するが、本発明のコヒーレント光源をレーザディスプレイ装置に利用する場合でも有利である。その理由の一つには、光源の光軸が一致している点が挙げられる。光軸が一致していることで、ＲＧＢ光源を用いてディスプレイを構成する光学系が簡素化される。もう一つの点は、レーザディスプレイを構成する場合、ＲＧＢ（赤、青、緑）の３原色光源を利用するが、光源としては、同時に発生する場合と、それぞれを単独で光らせて、繰り返し交互に光らせる場合とで、レーザに利用効率を向上させることが可能となる。また、ＤＭＤまたは反射型液晶パネルを用いて画像変換する場合に、ＲＧＢ光を切り替えることで、パネルの単板化が可能となり小型化、低コスト化が可能となる。本発明の構成はこの順次点灯に有効である。外部変調器で光源の出力を変調する場合では、ＲＧＢの３原色光は連続発振しているため、この順次点灯方式を用いた場合の３倍の消費電力が必要となる。本発明で青、緑の順次点灯を行う場合、まず、緑色光を出すときは波長１５４０ｎｍ近傍マスター光源１０３を停止する。するとファイバーからは１０８０ｎｍ近傍の光のみが出射されて波長５４０ｎｍの緑色のＳＨＧ光４０５のみが出射される。また青色光を出す場合、マスター光源１０１、１０３を同時に発光させる。この場合では、青色光のみを出射することは難しいがＳＦＧ素子４０２の変換効率を向上することで緑色光の発生を大幅に低減できる。マスター光源１０１、１０３の切り替えで青色、緑色光の発生を切り替えることができるため、青、緑の順次点灯が可能となり、消費電力を大幅に低減できる。

（第４の実施形態）
ここでは、本発明にかかる実施形態であるコヒーレント光源を用いた光学装置であるレーザディスプレイについて説明する。

ＲＧＢレーザを用いれば、色再現性の高いディスプレイが実現できる。しかしながら、レーザ光源としては、赤色半導体レーザは高出力のものが開発されているが、青色に関しては高出力化が実現しておらず、緑色に関しては半導体レーザの形成が難しい。そこで波長変換を利用した緑および青色光源が必要となる。本発明のコヒーレント光源はファイバーレーザを用いて高出力化が容易であるため、大画面のレーザディスプレイが実現できる。ファイバーレーザを用いた光源として、緑、青、または赤、緑、青の同時発生光源を利用することができる。

図１５は、これらの光源８０１を備え、２次元スイッチである液晶パネルすなわち画像変換部により２次元的な光の強度分布を制御し、つまり、画像変換を行い、スクリーン上に映像を投影するレーザディスプレイの構成図である。コヒーレント光源８０１から出射された光はコリメート光学系８０２、インテグレータ光学系８０３を通って、拡散板８０４を通過した後、液晶パネル８０５により画像変換され、投影レンズ８０７によりスクリーン８０６に投影される。拡散板は揺動機構により位置変動しており、スクリーン上で発生するスペックルノイズを低減している。本発明のコヒーレント光源は外部の温度変化に対しても安定した出力が得られるため、高出力で安定な映像が実現できた。また、高いビーム品質のため、光学系の設計を容易にし、小型化、簡素化が可能である。

なお、２次元スイッチとしては、液晶パネル以外にも、反射型液晶スイッチ、ＤＭＤミラー等の利用も可能である。

また、本発明にかかるレーザディスプレイ装置として、図１６に示す方式も有効である。コヒーレント光源９０１から出射したレーザ光はミラー９０２、９０３で走査することによりスクリーン上に２次元的な画像を描く。この場合にはレーザ光源に高速なスイッチ機能があればなおよい。本発明のいずれかの実施形態によるコヒーレント光源９０１は、高出力化が可能であり、出力安定化に優れる。温度制御素子はなくとも、または、簡易な温度制御によっても、安定した出力が得られる。

またビーム品質が高いため、走査光学系の小型化、簡素化が可能である。またビーム走査光学系としてはＭＥＭＳを利用した小型走査装置も利用できる。高いビーム品質は集光特性、コリメート特性に優れ、ＭＥＭＳ等の小型ミラーも利用可能となる。これによって、走査型のレーザディスプレイが実現できる。

また、本発明にかかるレーザディスプレイ装置として、図１７に示す方式も有効である。図示しない本発明によるコヒーレント光源より出射されたＲ、Ｇ、Ｂの３色の光は、それぞれレンズ９１３ｒ、９１３ｇ、および、９１３ｂに入射して拡大され、光量均一化光学系（インテグレータ）９０７を通った後、２次元スイッチである液晶パネル９０９により画像に変換され、合波プリズム９１１およびレンズ９１５を通ってスクリーン９０５上に映像を投影する。

なお、本発明によるコヒーレント光源を、ディスプレイ装置に用いる場合、レーザ光のコヒーレンス（可干渉性）の高さによりスペックルノイズが生じることがある。スペックルノイズは、スクリーン等で反射されたレーザ光が互いに干渉することで発生し、画質を低下させる。そのため、光源の発する光のコヒーレンスを低下させることが望ましい。

図１８は、本発明によるコヒーレント光源に非線形ファイバー３００７を加えた構成を示す。波長変換素子から出射されたＲＧＢ光を非線形ファイバー３００７に結合、導波させる。非線形ファイバー３００７を導波した光は非線形効果によりラマン散乱が発生し、発振スペクトルが拡大する。波長変換素子部４０１、４０２、４０３、４０６等に入射する前のレーザ光は変換効率を高めるため、０．１〜０．２ｎｍ程度の狭帯域特性を有することが好ましいが、波長変換素子部４０１、４０２、４０３、４０６等を出射した光は、非線形ファイバー３００７により１０ｎｍ程度にスペクトル拡大を行い、コヒーレンスを大幅に低下させることが望ましい。このように非線形ファイバー３００７を光源の構成の一部に追加することでスペックルノイズのない高画質のディスプレイが実現可能となる。

また、光学装置としては、レーザディスプレイについて説明したが、その他、光ディスク装置や、計測装置にも有効である。光ディスク装置では、書き込み速度の高速化によりレーザ出力の向上が求められている。さらに、レーザ光には回折限界の集光特性が求められるため、シングルモード化は必須である。本発明の光源は高出力かつ、高いコヒーレンスを有するため、光ディスク等への応用にも有効である。

本発明の構成では、光源部を構成するファイバーレーザとしてポンプレーザとマスター光源を利用した構成を用いた。しかし、ファイバーレーザは、マスター光源を用いず、グレーティングファイバー（図２参照）とポンプ光源で構成することもできる。

以上述べたように、本発明のコヒーレント光源は、波長変換を利用して青色光発生を可能にする構成である。特に高出力化が容易なファイバー増幅器を利用したレーザ光源において高出力の青色光発生が可能となるためその実用効果は大きい。

さらに、２つの波長のレーザ光から、青と緑の発生、または赤青緑の同時発生および、出力の切り替えが可能となる。単一光源で高輝度のＲＧＢ光がえられるため、その実用効果は大きい。

さらに、このコヒーレント光源を用いれば、高出力の小型ＲＧＢ光源が実現できるためレーザディスプレイをはじめ、光ディスク装置等各種の光学装置への応用が可能となり、その実用効果は大きい。

本発明は波長変換素子を用いたコヒーレント光源、および、これを用いた光学装置に関する。

高出力のレーザ光源として、固体ファイバーレーザが開発されている。ドープファイバーによるレーザ増幅器を利用したレーザ光源は、高出力、高ビーム品質化が容易であり、大出力レーザ光源として応用が広がっている。ファイバーレーザは、２重クラッド構造により励起ポンプ光源を多段階に増幅できるため、高出力化が可能である。さらには、コア部にレーザ光を閉じ込めることで単一モード発振が可能となり、高いビーム品質を保って高出力のレーザ光を実現できる。ファイバーレーザの発振は赤外領域であり、可視領域への応用としては、波長変換による発振光の短波長化が報告されている。現在、ファイバーレーザ、またはファイバー増幅器を利用したレーザ発振は、Ｙｂ、Ｎｄ、Ｅｒ、Ｙｂ／Ｅｒをファイバーのコア部に添加する構造が実現されている。発振波長としては、Ｙｂドープファイバーが１０３０〜１１００ｎｍ近傍、Ｎｄドープファイバーが１０６０ｎｍ近傍、Ｅｒ、Ｅｒ／Ｙｂファイバーが１５５０ｎｍ近傍で発振可能である。可視光を出力する光源として、ＹｂまたはＮｄファイバーからの出力を第２高調波に変換し波長５３０ｎｍ近傍の緑色光を発生させる構成、Ｅｒ、Ｅｒ／Ｙｂドープファイバーからの出力を第２高調波に変換し７７０ｎｍ近傍の近赤外光を発生させる構成を有する光源が実現されている。

一方、ファイバーレーザを利用した青色光の発生についても検討が進められている。特許文献１は、Ｎｄドープファイバーの発する９１０ｎｍ光の基本波を第２高調波に波長変換し４５５ｎｍ近傍の青色光の発生を行う構成を開示する。

上記のように、ファイバー増幅器を用いたレーザ発振は、高効率、高出力のレーザ発振が可能であるが、現在のところファイバーでの青色光の直接発振は困難である。そのため、特許文献１のように、高調波発生による出射光の短波長化が検討されている。ファイバーレーザによって９００ｎｍ近傍の波長の光を発生させれば、第２高調波の発生により青色光を出力可能である。
特表２００４−５０３０９８号公報

しかしながら、９００ｎｍ近傍の波長の光はレーザ媒質での吸収が大きく、相互作用長の長いファイバーを用いたレーザ光源は、固体レーザと同様、９００ｎｍ近傍の光の発生効率は悪く、光源の高効率化、および、高出力化は難しい。よって、高効率でＷクラスの光源を実現することは困難である。

本発明は、ファイバーレーザにおける発生効率が、９００ｎｍ近傍の光よりも高い光を利用し、高効率で青色光領域の光を出射するコヒーレント光源を提供する。

さらに、本発明は、青色光および緑色光の同時発生が可能なコヒーレント光源を提供する。

さらに、本発明は、赤色光、青色光、および、緑色光の３色同時発生が可能なコヒーレント光源を提供する。

本発明は、その一態様においては、ドープファイバーを備え、ドープファイバーにより、第１波長の光と第２波長の光を出射する光源部と、第１波長の光を受け、第１波長の光よりも波長の短い光を出射する第１波長変換素子を含む波長変換素子部とを有するコヒーレント光源である。

本発明の一態様においては、第１波長変換素子は、第１波長の光を受け、第１波長の光の第２高調波を出射することが好ましい。

本発明の一態様においては、さらに、波長変換素子部は、第１波長の光の第２高調波と第２波長の光を受け、第２高調波と第２波長の光との和周波を有する光を出射する第２波長変換素子を含むことが好ましい。

本発明の一態様においては、光源部は、Ｅｒ、または、ＥｒとＹｂを含む第１のドープファイバーと、Ｙｂを含む第２のドープファイバーを含むことが好ましい。

本発明の一態様においては、第１波長は、１５４０ｎｍ近傍の波長であり、第２波長は、１０８０ｎｍ近傍の波長であり、波長変換素子部は、第１波長の光および第２波長の光を受け、４５０ｎｍ近傍の波長を有する光を出射することが好ましい。

本発明の一態様においては、波長変換素子部は、さらに、第２波長の光を受け、第２波長の第２高調波を出射する第３波長変換素子を含むことが好ましい。

本発明の一態様においては、波長変換素子部は、さらに、第１波長の光と第２波長の光を受け、第１波長の光と第２波長の光の和周波を有する光を出射する第４波長変換素子を含むことが好ましい。

本発明の一態様においては、第１波長変換素子は、第１波長の光の少なくとも一部を受け、第２波長変換素子は、第１波長変換素子から出射する光の少なくとも一部と第２波長の光の少なくとも一部を受け、第３波長変換素子は、第２波長の光の少なくとも一部を受けることが好ましい。

本発明の一態様においては、第１波長変換素子は、第１波長の光の少なくとも一部を受け、第２波長変換素子は、第１波長変換素子から出射する光の少なくとも一部と第２波長の光の少なくとも一部を受け、第３波長変換素子は、第２波長の光の少なくとも一部を受け、さらに、第４波長変換素子は、第１波長の光の少なくとも一部と、第２波長の光の少なくとも一部とを受けることが好ましい。

本発明の一態様においては、第１波長変換素子および第２波長変換素子の少なくとも一方は、周期状分極反転構造を備えるＭｇドープＬｉＮｂＯ３、ＭｇドープＬｉＴａＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４、ストイキオメトリック組成のＭｇドープＬｉＮｂＯ３、および、ストイキオメトリック組成のＭｇドープＬｉＴａＯ３の少なくともひとつを含むことが好ましい。

本発明の一態様においては、光源部は、さらに、ドープファイバーに入射される光を発生するマスター光源を有することが好ましい。

本発明の一態様においては、光源部は、パルス状の光源部駆動用エネルギを供給する駆動装置と接続可能であることが好ましい。

本発明の一態様においては、光源部は、２つのドープファイバーと２つのマスター光源を備え、２つのマスター光源は、駆動装置と接続可能であり、同一の周期および位相を有するパルス状のエネルギの供給を受けて動作することが好ましい。

本発明の一態様においては、ドープファイバーは、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｅｒ／Ｙｂ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、および、Ｈｏの少なくともいずれか１つの元素を含むことが好ましい。

本発明の一態様においては、第１波長変換素子と、第２波長変換素子とは、単一の非線形光学結晶構造を有することが好ましい。

本発明の一態様においては、光源部は、単一のドープファイバーを備えることが好ましい。

本発明の一態様においては、ドープファイバーは、Ｅｒ／Ｙｂドープファイバーであることが好ましい。

本発明の一態様においては、２つのマスター光源のうち少なくともひとつは、半導体レーザ光源であることが好ましい。

本発明の一態様においては、さらに、波長変換素子部の出射する光を受ける光ファイバーを有することが好ましい。

本発明は、その一態様においては、ドープファイバーを備え、ドープファイバーにより、第１波長の光と第２波長の光を出射する光源部と、第１波長の光を受け、第１波長の光よりも波長の短い光を出射する第１波長変換素子を含む波長変換素子部とを有するコヒーレント光源と、コヒーレント光源の出射する光を受け、コヒーレント光源の出射する光の２次元的強度分布を制御する画像変換部を有する光学装置である。

本発明により、ファイバーレーザを利用した青色光領域のコヒーレント光源が実現される。本コヒーレント光源は、効率が高く、高出力化も可能である。

ファイバーレーザにおいて９００ｎｍ近傍のレーザ光を発生させ、波長変換により青色光の光を発生させる光源では、固体レーザと同様、９００ｎｍ近傍の光の発生効率は悪く、高効率、高出力化が難しい。我々は、高出力化が進んでいる波長１０８０ｎｍおよび１５４０ｎｍ近傍の波長を有する光を出射するファイバーレーザを用い、青色光源を提供する。

本発明にかかる実施形態による光源は、光ファイバーを備え、青色光領域のコヒーレント光を発生する光源（コヒーレント光源）である。本光源は、高出力なファイバーレーザを備え、さらに、ファイバーレーザから出社された光の波長を変換する波長変換素子により青色光領域の波長を有する光の高効率出射を可能とする構成を有する。

また、本発明にかかる実施形態による光源は、青色光源の高出力化、緑色光および青色光の同時発生、ならびに、赤色光、緑色光、および、青色光の同時発生も可能な構成を有する。

さらに、本発明にかかる実施形態によるディスプレイ装置は、本発明による光源を用いたディスプレイ装置である。

（第１の実施形態）
図１は本発明にかかる第１の実施形態のコヒーレント光源の構成図である。これより、図１を参照し、本実施形態におけるコヒーレント光源の構成および動作について概説する。ファイバー増幅器であるドープファイバー１０５は、マスター光源１０１から出射され、ポンプ光源１０２およびドープファイバー１０５で増幅された波長λ１の光を出射する。もう１つのファイバー増幅器であるドープファイバー１０６は、マスター光源１０３から出射され、ポンプ光源１０４およびドープファイバー１０６で増幅された波長λ２の光を出射する。第１の実施形態においては、マスター光源１０１、および、１０３、ポンプ光源１０２、および、１０４、ならびに、ドープファイバー１０５および１０６が光源部を構成する。他の実施形態においても、同様、マスター光源、ポンプ光源、および、ドープファイバー等により光源部が構成される。ドープファイバー１０６から出射される波長λ２の光は、第２高調波発生素子（ＳＨＧ( second harmonic generation )素子）１０７により、波長λ２／２（＝λ３）のＳＨＧ光（第２次高調波）に変換される。ファイバー増幅器１０５から出射される波長λ１の光と、ＳＨＧ素子１０７から出射される波長λ３のＳＨＧ光は和周波発生素子（ＳＦＧ( sum frequency generation )素子）１０８に入射し和周波を有する光に変換される。素子１０８により変換され発生する和周波を有する光であるＳＦＧ光１１０の波長λ４は、λ４＝（λ１・λ３）／（λ１＋λ３）＝（λ１・λ２）／（２×λ１＋λ２）である。よってＳＦＧ素子１０８は、波長λ４を有するＳＦＧ光１１０が出射する。この波長λ４が青色光領域に含まれるように、ドープファイバー１０５および１０６の出射する光の波長λ１およびλ２選択し、ＳＨＧ素子１０７およびＳＦＧ素子１０８を設計することにより、ファイバー増幅器であるドープファイバー１０５および１０６と、波長変換素子であるＳＨＧ素子１０７およびＳＦＧ素子１０８により青色光の発生が可能となる。第１の実施形態においては、ＳＨＧ素子１０７およびＳＦＧ素子１０８は、波長変換素子部を構成する。他の実施形態においても、ＳＦＧ素子およびＳＨＧ素子等により波長変換素子部が構成される。なお、ＳＦＧ素子は、波長λａの光と波長λｂの光を入射することにより、λｃ＾（−１）＝λａ＾（−１）＋λｂ＾（−１）の関係を満たす波長λｃの光を出射する素子である。ＳＨＧ素子は、上記ＳＦＧ素子の説明におけるλａとλｂが等しい場合であって、波長λａの光を入射することでλｃ＝λａ／２の光を出射する波長変換素子である。以下、本発明のコヒーレント光源の原理について詳細に説明する。

第１のファイバー増幅器に含まれるドープファイバー１０５は、Ｙｂドープファイバーを有する。このドープファイバー１０５は、１０３０〜１１００ｎｍ程度の波長を有する光を発生することができる。一方、第２のファイバー増幅器であるドープファーバー１０６は、ＥｒまたはＥｒ／Ｙｂドープファイバーを有する。このドープファイバー１０６は、１５４０ｎｍ近傍の波長を有する光を発生することができる。ＳＨＧ素子１０７は、１５４０ｎｍ近傍の波長を有する光をＳＨＧ光に変換することができ、７７０ｎｍ近傍のＳＨＧ光を発生することができる素子である。

ＳＦＧ素子１０８により、上記２つの光（波長λ１と波長λ３の光）の和周波を有する光を発生させることにより、青色光領域に含まれる４４０ｎｍ〜４６０ｎｍ近傍の波長を有する青色光を発生させることができる。

ファイバーレーザ光源の構成は、ポンプ光源と、ファイバーの両端面にミラーを形成しファイバー共振器であるドープファイバイー１０５および１０６とで構成する方法と、マスター光源１０１および１０３と、ポンプ光源１０２および１０４を用い、マスター光源１０１および１０３から出射した光を、ファイバー増幅器であるポンプ光源１０２およびポンプ光源１０４ならびにドープファイバー１０５および１０６によって増幅する構成が可能である。

前者の共振器構成にする場合、図２に示すように、ドープファイバー１０５（および１０６）に周期的なグレーティング構造によるブラッググレーティング１５１を用いることも可能である。ブラッググレーティング１５１は、波長変換素子の位相整合波長の変動を考慮して数ｎｍ程度の広い波長で反射するように設計することが望ましい。グレーティング等による狭帯域化を用いた場合、高出力時にはラマン散乱等によりレーザの発振波長の狭帯域化が困難となる場合がある。一般に、波長変換素子の位相整合波長許容度は狭いため、ファイバーをレーザ共振器として構成した場合、波長変換素子に入射する光は広い波長帯域を有し、そのために変換効率が大幅に低下する。この点を鑑みれば、ファイバー増幅器は、マスター光源１０１および１０３より出射するマスターレーザを、ポンプ光源１０２および１０４ならびにドープファイバー１０５および１０６により増幅する構成が好適である。また、マスター光源１０１および１０３は、ＤＢＲレーザ、ＤＦＢレーザ等の半導体レーザが好適である。これらの半導体レーザは、発振波長がレーザ内に構成されたグレーティングにより固定されているため、波長変換素子の位相整合波長に正確にチューニングさせることができる。また、レーザ光は、ファイバー増幅器により増幅すれば、ファイバーの非線形効果による波長スペクトルの増大（ブロード化）が抑圧できるため、高効率の波長変換が可能となる。

ＤＦＢ、ＤＢＲレーザ等の半導体レーザは高速で出力を変調することができる。このため、ファイバー増幅器および波長変換素子により波長変換した光を高速に変調可能という利点を備える。ドープファイバー１０５および１０６に入射するマスター光源１０１および１０３のレーザ光をパルス駆動すればＱスイッチ動作が可能となり、尖塔値の高いパルス光が発生可能である。ＳＨＧおよびＳＦＧ波長変換素子１０７および１０８においては、非線形光学効果を利用している。そのため、パワー強度が増大すれば、変換効率は飛躍的に増大する。このため尖塔値の高いピークパワーを用いることは、通常のＣＷ光に比べて、変換効率を何桁も向上できるという点で有利である。半導体レーザを光源として用いることは、出力変調およびＱスイッチ動作による変換効率向上の点で有利である。

半導体レーザを利用する場合には、幾つかの注意すべき点もある。

一つは、半導体レーザを変調する場合には、出力変調と同時に波長が変動するチャーピングを抑圧することが望ましい。チャーピングが発生すれば、ＳＦＧ素子１０７およびＳＨＧ素子１０８の有する位相整合波長許容度内からレーザ光の発振波長が外れ、変換効率が低下し、出力される変調波形が歪むといった問題が生じることがある。これを防止するには、レーザ光源に３電極構造のＤＢＲレーザを使用することが望ましい。ＤＢＲレーザに駆動電極、ＤＢＲ電極、位相電極の３電極を構成し、出力変調として駆動電極部分へ入力される変調波形と、位相電極部分へ入力される変調波形を同時に加えることによって、半導体レーザ内への電流注入により発生する熱を相殺し、レーザのチャーピングを防止できる。この構成をファイバー増幅器に含まれるポンプ光源１０２および１０４に適用すれば、ドープファイバー１０５および１０６から出射されるレーザ光のチャーピングを抑圧することができ、波長変換素子であるＳＨＧ素子１０７およびＳＦＧ素子１０８による波長の変換を高効率で実現することができる。

もう一つの問題として、マスター光源１０１および１０３をパルス駆動してＱスイッチ動作させる際、パルス波形整合を正確にとる必要がある。図３を参照し、ファイバー増幅器をパルス駆動する方法について説明する。マスター光源１０３を駆動する電源１０９ａをパルス駆動電源とし、マスター光源１０３の出力をパルス状に発生させることで変換効率の向上を図れるが、その場合には、ＥｒまたはＥｒ／Ｙｂレーザ１０３、１０４、および、１０６をパルス駆動することが望ましい。その理由としては、波長変換素子の変換効率は基本波の波長の３乗に逆比例する点が挙げられる。基本波を発する光源としてはＥｒまたはＥｒ／Ｙｂレーザ１０３、１０４、および、１０６の波長が１５４０ｎｍと一番長いため、その変換効率は、光源中で最も低い。これを改善するには、この基本波を発する光源をパルス駆動し変換効率の向上を図ることが有効である。即ち、最も波長の長い光源をパルス駆動することが、変換効率の向上に最も効果的である。ＥｒまたはＥｒ／Ｙｂファイバー増幅器であるドープファイバー１０６に入射するマスター光源１０３をパルス駆動すると、変換効率が向上する。

さらには、ＳＦＧ素子１０８の高効率化の点からは、ＳＦＧ素子１０８に入射する２つの光が共にパルス駆動すれば、より高い変換効率が実現できる。しかし、ＳＦＧ素子１０８に入射する２つの光の光源であるドープファイバー１０５および１０６から出射するパルス光が時間的に同期していなければ、ＳＦＧ素子１０８内で２つのパルス光のピークが重なることはなく、高効率化は望めない。図４を参照すれば、２つのマスター光源１０１および１０３を共にパルス駆動する構成が示される。マスター光源１０１および１０３は、同一のパルス駆動電源１０９ａまたは同期したパルス駆動電源により駆動されるため、ドープファイバー１０５および１０６から出射されるパルス光は、時間的に同期される。図４に示す構成により、単一のパルス駆動電源１０９によって２つのマスター光源１０１および１０３のパルス発振は同期され、ドープファイバー１０５および１０６から同時的にパルス光が発生するように制御することができる。

ＳＨＧ素子１０７およびＳＦＧ素子１０８は、周期状の分極反転構造を有する非線形光学結晶からなる波長変換素子が好適である。分極反転構造を有する波長変換素子としては、ＫＴｉＯＰ４、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、または、ＭｇをドープしたＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３もしくはストイキオＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３等が好ましい。これらの結晶は高い非線形定数を有するため高効率の波長変換が可能である。

また、これらの結晶は周期構造を変えることで位相整合波長を自由に設計できるという利点を有する。この特徴を利用することにより、単一の光学結晶による青色光の発生も可能である。図５は、ＳＨＧ素子４０１とＳＦＧ素子４０２とをモノリシックに構成した波長変換素子を備えた本実施形態による光源の構造を示す図である。分極反転の周期を設計することでＳＨＧ素子４０１とＳＦＧ素子４０２を同一結晶状に形成することができる。素子４０１および４０２を構成する結晶としては、ＭｇドープのＬｉＮｂＯ３を用いることができる。例えば、光源であるドープファイバー１０６からは波長１５４０ｎｍの基本波２０２が出射され、ドープファイバー１０５からは波長１０８０ｎｍの基本波２０１が出射される。ここでは、これら基本波２０１および２０２の波長はマスター光源１０１および１０３の発振波長により決定されるものであって、発振可能な波長は、これら例示した波長のみに限定されるものではない。この例の場合、波長変換素子の１つであるＳＨＧ素子４０１は周期２７．２μｍの分極反転構造を有し、ＳＦＧ素子４０２は周期４．１μｍの分極反転構造を有する。これら異なる２つの周期を有する分極反転構造を１つのＭｇドープのＬｉＮｂＯ３結晶に形成する。ＳＨＧ素子４０１は１５４０ｎｍの光（基本波２０２）を７７０ｎｍのＳＨＧ光に変換し、次いでＳＦＧ素子４０２によって、７７０ｎｍのＳＨＧ光と１０８０ｎｍの光（基本波２０１）との和周波を有する光である波長４５０ｎｍの青色光が発生される。また、ＳＨＧ素子４０１とＳＦＧ素子４０２とを一つの結晶上に形成することは、光源の簡素化、小型化に寄与する。

なお、本発明の構成ではマスター光源１０１および１０３として半導体レーザを用いたが、ファイバーレーザや、固体レーザ光源をマスター光源として利用できる。

なお、本実施形態の構成においては、２つの光源に、ファイバー増幅器１０２、１０４、１０５、および、１０６を含む。だが、固体レーザ光源を利用することも可能である。一方または両方のレーザ光源として固体レーザ光源や半導体レーザを用いることも可能である。例えば、波長９８０ｎｍの光を発する半導体レーザと、１５５０ｎｍのファイバーレーザ光源を用い、ファイバーレーザ光源から出た光をＳＨＧ光に変換し（光の波長を元の半分に変換し）、７７５ｎｍのＳＨＧ光と９８０ｎｍの基本波の和周波を発生させることで４３０ｎｍの青色光を発生させることができる。半導体レーザ光源は小型化が可能であり、本発明にかかるコヒーレント光源の小型化、低コスト化に有効である。

なお、本実施形態の構成としてレーザ増幅器としてファイバーレーザを用いたが、その他、半導体増幅器をファイバーレーザの代りに利用することも可能である。半導体増幅器は電流励起が可能なため、光源の小型化に有効である。

ドープファイバー１０６としてはＥｒまたはＥｒ／Ｙｂドープファイバーを用い、ファイバー増幅器であるドープファイバー１０５としてＹｂドープファイバーを用いれば、３８０〜４１０ｎｍ近傍の青色光の発生も可能である。

なお、ファイバー増幅器としては上記レーザ以外に、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｈｏ元素のイオンのいずれかを含む構成でも実現できる。Ｎｄドープファイバーを用いれば１０６０ｎｍ近傍の発光が容易になる。Ｎｄ以外の上記イオンに関しても、それぞれ異なる波長の光源が実現できる。

（第２の実施形態）
本実施形態によるコヒーレント光源は、複数の波長域（例えば、青色と緑色の２つの波長域）でピークを有するコヒーレント光を同時に発生可能な構成を有する。図６は本実施形態のコヒーレント光源の構成図である。Ｅｒ／Ｙｂドープファイバーであるドープファイバー３０２から出射した波長１５４０ｎｍの光はＳＨＧ素子１０７により波長７７０ｎｍのＳＨＧ光に変換される。Ｙｂドープファイバーであるドープファイバー３０１から出射した波長１０８０ｎｍの光と、波長７７０ｎｍのＳＨＧ光は、ＳＦＧ素子１０８により波長４５０ｎｍの青色光であるＳＦＧ光１１０に変換される。さらにＳＦＧ素子１０８により変換されずに出射した波長１０８０ｎｍの光は分離され、第２のＳＨＧ素子３０３により波長５４０ｎｍの緑色光であるＳＨＧ光３０４に変換される。本実施形態のコヒーレント光源は、緑色光（例えば、波長５４０ｎｍの光）と青色光（例えば、波長４５０ｎｍの光）の同時発生が可能である。本実施形態のコヒーレント光源は、ＳＦＧ素子１０８により変換されなかった波長１０８０ｎｍの基本波を利用してＳＨＧ光３０４を発生する。そのため、光源全体として、利用効率は向上され低消費電力化が可能となる。また、一つの光源により青色、緑色の同時発生が可能となるため、光源の小型化、簡素化が可能である。

さらに、図７Ａに示すようにＳＨＧ素子４０１、ＳＦＧ素子４０２、ＳＨＧ素子４０３を一つに集積（モノリシック化）することで光源の小型化を実現できる。波長変換素子４０１、４０２、および、４０３は、ＭｇドープのＬｉＮｂＯ３結晶上に、波長１５４０ｎｍの基本波２０２のＳＨＧ素子４０１である部分に、周期２７．２μｍの分極反転構造を、ＳＦＧ素子４０２である部分に周期４．１μｍの分極反転構造を、波長１０８０ｎｍのＳＨＧ素子４０３である部分に周期７．３μｍの分極反転構造をそれぞれ形成すればよい。基本波２０２はＳＨＧ素子４０１によりＳＨＧ光２０３に変換され、ＳＨＧ光２０３と基本波２０１はＳＦＧ素子４０２によりＳＦＧ光４０４に変換される。さらに基本波２０１はＳＨＧ素子４０３によりＳＨＧ光４０５に変換される。ＳＨＧ素子４０１および４０３ならびにＳＦＧ素子４０２をモノリシック化することで、光源の構成が単純化され、小型化、低コスト化が可能となる。周期状の分極反転構造は周期を設計するだけでＳＦＧ、ＳＨＧ等に自由に制御できるためモノリシック化に非常に有効である。

さらに、第２の和周波素子であるＳＦＧ素子４０６を備えることで、赤、青、緑の３波長同時発生が可能となる。図７Ｂにその構成を示す。波長変換素子は、ＳＨＧ素子４０１および４０３、ならびに、ＳＦＧ素子４０２、および４０６を含む。また、波長変換部である波長変換素子４０１、４０２、４０３、および、４０６を一つの基板に集積することで光源の小型化も可能となる。波長変換素子は、ＭｇドープのＬｉＮｂＯ３結晶上に、波長１５４０ｎｍの基本波２０２のＳＨＧ素子４０１である部分として、周期２７．２μｍの分極反転構造を、ＳＦＧ素子４０２である部分として周期４．１μｍの分極反転構造を、ＳＦＧ素子４０６である部分として周期１１．７μｍの分極反転構造を、波長１０８０ｎｍのＳＨＧ素子４０３である部分として周期７．３μｍの分極反転構造をそれぞれ形成すればよい。波長１５４０ｎｍの基本波２０２はＳＨＧ素子４０１により波長７７０ｎｍのＳＨＧ光２０３に変換され、波長７７０ｎｍのＳＨＧ光２０３と波長１０８０ｎｍの基本波２０１はＳＦＧ素子４０２により波長４５０ｎｍのＳＦＧ光（青）４０４に変換される。さらに波長１０８０ｎｍの基本波２０１はＳＨＧ素子４０３によりＳＨＧ光（緑）４０５に変換される。さらに、波長１０８０ｎｍの基本波２０１と波長１５４０ｎｍの基本波２０２は、ＳＦＧ素子４０６により波長６３５ｎｍのＳＦＧ光（赤）４０７に変換される。以上の結果、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、および、青（Ｂ）の同時発生が可能となる。本光源の発する３色の光の波長はいずれも視感度が高く、ディスプレイ用途への応用に非常に適している。さらに、２つの基本波光源で３色同時発生が可能となるため基本波の利用効率を高めることが可能となる。波長変換の順番としては、１５４０ｎｍのＳＨＧ光への変換が第一であることが好ましい。先述した通り、波長が最も長いため変換効率が最も低いからである。そしてその後に和周波の青色光発生、さらに和周波の赤色発生を行うことが望ましい。そして、最後に、１０８０ｎｍのＳＨＧ光である緑色光を発生させる順番が好ましい。変換効率の低い順に変換を行い。余った光でさらに変換することで、利用効率の向上が図れ、光源全体の高出力化が可能となる。また、緑色光の発生は、波長１５４０ｎｍの光の出力を停止、少なくとも低下させれば、２つの和周波発生が停止、少なくとも抑圧され、１０８０ｎｍの光を緑色光のみの発生に利用できる。よって、赤、青の発生とは別に、緑単独での高出力発生も可能である。ＲＧＢ光源をレーザディスプレイに利用する場合、視感度の関係より緑色光のパワーは赤、青のパワーより高い出力が要求される。本発明の構成は、緑色光を他の光より効率的に利用できるため、好ましい。基本波光源の波長範囲としては波長１５５０±５０ｎｍ近傍の波長と、１０８０±５０ｎｍ近傍の波長を用いれば、ＲＧＢ光の同時発生が可能である。Ｅｒドープファイバーを用いれば波長１５５０±５０ｎｍ近傍の光が、またＹｂドープファイバーを用いれば１０８０±５０ｎｍ近傍の光が出力可能である。この波長範囲の光源を用いれば、赤色領域では６１０〜６６０ｎｍ、青色領域では４３０〜４７０ｎｍ、緑領域では５１５〜５６５ｎｍの光が発生できる。

さらに、光源１０３、１０４、および、３０２の発する光の波長は、１５００から１５７０ｎｍが好ましい。その理由は、波長が１５７０ｎｍ以上になれば、１０６０ｎｍ近傍の波長を有する他方の光源１０１、１０２、および、３０１との和周波で発生する赤色光の波長が６４０ｎｍ以上になるため、ディスプレイ等で利用する場合は視感度が低下する。視感度が低下すると必要となるパワーが増大するため、消費電力が大きくなる。そのため赤色の波長は６４０ｎｍ以下が好ましい。この条件を満足するためには、光源１０３、１０４、および、３０２の発する光の波長は１５７０ｎｍ以下であることが望ましい。一方、光源１０３、１０４、および、３０２の発する光の波長が１５００ｎｍ以下になると、赤色の波長が６２０ｎｍ以下になる。赤色の波長が６２０ｎｍ以下になると、赤色の表示範囲が狭くなり、色再現性が劣化する。そのため、赤色の波長620nm以上を出すために、光源１０３、１０４、および、３０２の発する光の波長は１５００ｎｍ以上であることが好ましい。さらに好ましくは１５４０〜１５６０ｎｍがよい。その理由は、Ｅｒ／Ｙｂドープファイバー３０２においてポンプ光に対する変換効率が最も高いからである。

一方、光源１０１、１０２、および、３０１の発する光の波長は１０６０ｎｍから１０９０ｎｍが好ましい。この波長域は、Ｙｂドープファイバーレーザ３０１での変換効率が高い領域であるため、低消費電力化が可能である。さらに好ましくは１０６５〜１０８０ｎｍがよい。この波長域を用いれば、高い色再現性が可能となるからである。

図８および図９に、ＲＧＢ同時出射可能な光源の構成例を示す。図８に示す光源においては、第１の光源部１０１、１０２、３０１からの１５５４ｎｍの光と第２の光源部１０３、１０４、および、３０２からの１０８４ｎｍの光を用いて、ＲＧＢ同時発生を行う。

１０８４ｎｍのレーザ光の一部はＳＨＧ素子５０１により５４２ｎｍの緑色光に変換され、５４２ｎｍの光は外部に取り出される。１５５４ｎｍのレーザ光の一部は１０８４ｎｍのレーザ光と合波されＳＦＧ素子５０３により和周波６３９ｎｍの赤色光を発生し、赤色光は外部に取り出される。さらに、１５５４ｎｍの光はＳＨＧ素子５０５により７７７ｎｍの光に変換され、７７７ｎｍの光と１０８４ｎｍの光はＳＦＧ素子５０７によりの和周波に変換され４５７ｎｍの青色光を発生する。このような構成により、２つの光源部からＲＧＢ同時発生が可能となる。

次に、図９に示す光源の構成について説明する。第２の光源部１０３、１０４、および、３０２から出た１５５４ｎｍのレーザ光の一部はＳＨＧ素子素子５１１により７７７ｎｍの光に変換される。７７７ｎｍの光と１０８４ｎｍの光の一部はＳＦＧ素子５１３により和周波４５３ｎｍの光に変換され、４５３ｎｍの光は外部に取り出される。さらに１０８４ｎｍと１５５４ｎｍのレーザ光の一部はＳＦＧ素子５１５により６３９ｎｍの和周波に変換される。さらに１０８４ｎｍの光はＳＨＧ素子５１７により５４２ｎｍの緑色光に変換される。

ＲＧＢの変換効率の観点からは、図９に示す構成が好ましい。先述の通り、波長変換の効率は波長が長いほど低下する。このため、１５５４ｎｍを７７７ｎｍに変換する効率が最も低くなるため、最初に変換を行うことで高効率化が図れる。

これまで示したように、図７Ｂ、図８、および、図９の構成においては、ＲＧＢの同時出力が可能である。これより、ＲＧＢ光源の出力切り替え方式について説明する。

ＲＧＢ光の発生が可能な光源を、レーザディスプレイ等に使用する場合、ＲＧＢの出力をそれぞれ切り替えて使用することで、低消費電力化が可能となる。ここでは、出力を切り替える方法について説明する。緑色光に関しては、１５４０ｎｍ近傍の基本波発生を止めることで（第２の光源部１０３、１０４、および、３０２の出力の停止で）、和周波が発生しなくなるため、波長１０８０ｎｍの基本波のＳＨＧ光である５４０ｎｍの緑色光を効率よく取り出すことができる。つまり、緑色光の発生は、１５４０ｎｍの基本波のｏｎ／ｏｆｆで切り替え可能である。

一方、青色と赤色の切り替えであるが、波長１５４０ｎｍと１０８０ｎｍの基本波は同時に発生させた状態で、波長１５４０ｎｍの基本波をＳＨＧ光に変換する波長変換素子（例えば、ＳＨＧ素子５０５）により切り替え可能となる。ＳＨＧ素子の入れ替え、電界印加、または、温度制御等により位相整合条件をずらすことで、７７０ｎｍのＳＨＧ光発生強度を制御することができ、青色と赤色の切り替えが可能となる。７７０ｎｍの光がｏｎ（発生強度が大きい）時は４５０ｎｍ近傍の青色光発生が強くなり、ｏｆｆ（発生強度が小さい）時は、波長６４０ｎｍ近傍の赤色光発生が強くなる。上記方法によりＲＧＢの強度切り替えが可能となり、出力のバランスを取る場合の調整も可能となる。またＲＧＢのうち赤緑、青緑、赤青等の２色光のみ発生する場合にも同様の手法で切り替えが可能となる。

さらに、分極反転構造をもちいれば、ＲＧＢ発生に必要な、２つの第２高調波発生素子と２つの和周波発生素子を１つの基板にモノリシックに形成することも可能である。光源の簡素化、小型化が可能となる。

本発明による光源を、カラーディスプレイに用いるＲＧＢ光源として利用する場合、ＲＧＢを出力切り替えして出力することが望まれる。Ｒ，Ｇ，Ｂのそれぞれの画像を時間毎に切り替えることで、カラー画像を構成することができる。この場合、光源としてはＲＧＢ出力を切り替えることで、画像変換部である、単一の画像変換素子を用いてカラー画像に変換できる。

本発明の構成では１５５４ｎｍの光の発生をスイッチングすると、１５５４ｎｍの光がｏｎの場合はＲＧＢ同時出力、ｏｆｆの場合は５４２ｎｍの緑色のみ出力することになる。このように、光源の出力を切り替えて使用することで、効率よく画像出力が可能となる。

さらにカラー画像を構成する場合、緑色の輝度が最も必要とされる。図１０Ａは、第１の光源部１０１、１０２、３０１のｏｎ／ｏｆｆパターン例６０１および第２の光源部１０３、１０４、および、３０２のｏｎ／ｏｆｆパターン例６０３を示す。図１０Ｂは、２つの駆動電源１０９ｂがそれぞれ、マスター光源１０１またはポンプ光源１０２をパターン６０１で駆動し、マスター光源１０３またはポンプ光源１０４をパターン６０３で駆動する様子を示す図である。このようにして２つの光源部を駆動すれば、パターン６０１および６０３が同時にｏｎになっている間、２つの光源部は共にｏｎ状態となり、ＲＧＢの同時発光が可能となる。一方、パターン６０１がｏｆｆかつパターン６０３がｏｎになっている間は、緑色の単独発光が可能となる。従って、本発明の構成でＲＧＢの同時発生と緑色の単独発生を切り替えることで、緑の積算光量が増加し、より輝度の高い像が実現できる。

さらに１５５４ｎｍの光源をｏｎ／ｏｆｆして出力を切り替える場合、図８の構成に比べて、図９の構成では、より効率よく緑色光を取り出すことが可能となる。１５５４ｎｍの光出力をｏｆｆにした場合、１０８４ｎｍの光は途中の素子で変換されなくなり、ＳＨＧ素子５１７に直接到達する。このため１０８４ｎｍの光の変換ロスが低下し、ＳＨＧ素子５１７において高効率で緑色光発生が可能となる。一方、１５５４ｎｍがｏｎの場合、緑色光を発生する前にＢ，Ｒを出力できるため、高効率で波長変換が行え、光源の利用効率が高くなる。以上の理由で基本波を切り替えて出力する場合は、緑色光をより効率的に取り出すことが可能となる。

同様の利点が図７Ｂでも利用できる。緑色発生用のＳＨＧ素子４０３を最終段に配置することで、１０６４ｎｍと１５５４ｎｍの出力を切り替えてＲＧＢ同時発生と緑色光で切り替える場合に緑色発生の効率を高くできる。

（第３の実施形態）
ここでは、ファイバー増幅器（ポンプ光源およびドープファイバー）をモノリシック化した構成を有する光源について説明する。本実施形態においては、ファイバー増幅器としてＥｒとＹｂを同時にドープしたドープファイバー２０４を用いる。ドープファイバー２０４は、波長９７５ｎｍまたは９１５ｎｍのポンプ光源１０２でポンプすることによりファイバー増幅器として機能する。このファイバー増幅器は１５４０ｎｍ近傍および１０８０ｎｍ近傍の波長域で増幅作用を示す。このファイバー増幅器にマスター光源１０１、１０３より光を入力すると、マスター光源の波長がドープファイバー２０４により増幅される。例えば、マスター光源１０１を波長１０８０ｎｍ近傍の光源とし、マスター光源１０３を１５４０ｎｍ近傍の光源とすると一のドープファイバー２０４により異なる波長の光を発振することができる。図１１の構成では、マスター光源１０３、１０１を同時に発光させることで、ドープファイバー２０４から、１５４０ｎｍ、１０８０ｎｍの波長を有する光を同時に出射することが可能である。これをＳＨＧ素子１０７とＳＦＧ素子１０８により波長変換することで、第１の実施形態にて説明した波長変換素子構成で青色のＳＦＧ光１１０を発生することが可能となる。ファイバーレーザを一体化することでファイバーからのレーザ光を合波する光学系が不要となり、光学系の簡素化、小型化、低コスト化が可能となる。

さらに、緑色光発生にも利用できる。図１２Ａは本発明の他の構成のコヒーレント光源である。上記構成にＳＨＧ素子４０３を加え、波長１０８０ｎｍの基本波２０１を波長５４０ｎｍの緑色光４０５に変換している。本構成の光源は、青色光、緑色光の同時発生が可能である。さらに、２つの光は同軸で発生するため、レーザ光を利用する光学系が非常に簡素になるという効果を奏する。

図１２Ｂは、図１２Ａに示す光源を構成する波長変換素子の一部に、ＳＦＧ素子４０６をさらに加えた波長変換素子を有する光源の構成図である。このような構成にすることにより、上述のように、ＲＧＢの同時発光が可能な光源が構成される。

図１３は、波長板２００２を有する光源の構成図である。本構成の光源は、Ｅｒ／Ｙｂドープファイバー２０４において、１０６４ｎｍと１５５０ｎｍの光を同時に発生し、波長変換素子部である素子４０１、４０２、４０３、および、４０６によりＲＧＢの３色に変換する光源である。ファイバーレーザ２０４で２波長を同時に発生するため、ポンプレーザによるゲインを２つの波長の発振が取り合うことになり、発振が不安定になる場合がある。これを防止する方法としては、２つのマスター光源１０１および１０３の光の偏光方向を直交させ、互いの干渉を防止することが好ましい。本構成においては、ファイバー２０４は偏波保存ファイバーであることが好ましい。なぜならば、直交する２つの偏光が互いに干渉しないことが好ましいからである。マスター光源１０１、および、１０３からの光を、互いに直交する偏光として入力することで、１５５０ｎｍと１０６４ｎｍの光は、互い直交する偏光として発振し、出力の安定化が図れる。しかし、波長変換素子に入力する際には、２つの光を同一偏光にする必要があるので、波長板２００２を、光源部と波長変換部との間に挿入し、２つの波長の偏光を同一偏光に変換して波長変換素子に入射する。

図１４は、２つの、波長の異なるポンプ光源を用いる光源の構成図である。ポンプ光源１０２は、波長９１５ｎｍ、ポンプ光源１００２は波長１４８０ｎｍの光源である。ポンプ光源１０２は１５５０、および、１０６４ｎｍの両方の発光ゲインを励起するが、１４８０ｎｍの光は１５５０ｎｍのみの励起作用を有する。このため、ポンプ光源１０２および１００２のそれぞれのパワーを制御することで１０６４ｎｍと１５５０ｎｍの光の発生を制御し安定化が図れる。

なお、ポンプ光源１００２の波長としては１４８０ｎｍ以外に９２０−９７０ｎｍの領域も利用できる。

なお、ファイバー２０４としては偏波保存ファイバーを用い、１５５０、および、１０６４ｎｍの２波長の偏光を分離することでより安定な２波長発生が可能となる。

なお、本発明の構成は、ポンプレーザにより励起されたファイバーに２つの波長の異なるマスターレーザを用いた構成であるが、その他、さらに異なる波長の光を発するマスターレーザを含む構成も有効である。例えば、波長１０８０ｎｍの光を発する光源に加えて波長１０４０ｎｍの光を発する光源を加え、波長１０４０ｎｍの光を受けて、その第２高調波を発生する波長変換素子を追加することにより、上記に加えて波長５２０ｎｍのＳＨＧ光を発生させることができる。マスター光源の発する光の波長の種類を増加させれば、本光源の出射可能な光の波長の種類を増加させることができ、マスター光源が発する光の波長を切り換えることで発生する光の波長を切り換えることも可能となる。本光源により発生する光の波長を多様に切換可能とすれば、本光源をディスプレイ装置の光源として用いた場合、ディスプレイ装置の表現可能な色範囲を拡大することができる。

なお、本実施形態は、マスターレーザの光をファイバーにより増幅する構成を有する。しかしながら、本発明は、そのような構成に限定されず、ファイバーグレーティングを用いた共振器によるレーザ発振を行う構成も含む。この共振器は、ファイバーレーザの互いに離れた２カ所にファイバーグレーティングを備える構成を有し、これらファイバーグレーティングの間で光を共振させることが可能である。そのため、ポンプレーザのみで２つの波長のレーザ発振が可能である。このようなグレーティングを用いてレーザの共振を行う場合は、マスター光源は不要である。よって、本光源の構成の簡素化、および、低コスト化に有効である。これらファイバーグレーティングは、所望の２つの異なる波長でブラッグ反射が生じるように異なる周期のグレーティング構造を備えることが好ましい。共振構造を有するファイバーレーザの場合、ファイバーレーザは、偏端保存ファイバーを用い、異なる偏光方向に異なる波長の光を励起する構成が望ましい。ひとつのファイバー内で２つの波長が励起されるとファイバーのゲインを互いに奪い合うことがあるが、偏向方向が異なるように励起すれば、ゲインの奪い合いが抑止され、出力の安定した２波長発振が可能になる。

さらに、後述するが、本発明のコヒーレント光源をレーザディスプレイ装置に利用する場合でも有利である。その理由の一つには、光源の光軸が一致している点が挙げられる。光軸が一致していることで、ＲＧＢ光源を用いてディスプレイを構成する光学系が簡素化される。もう一つの点は、レーザディスプレイを構成する場合、ＲＧＢ（赤、青、緑）の３原色光源を利用するが、光源としては、同時に発生する場合と、それぞれを単独で光らせて、繰り返し交互に光らせる場合とで、レーザに利用効率を向上させることが可能となる。また、ＤＭＤまたは反射型液晶パネルを用いて画像変換する場合に、ＲＧＢ光を切り替えることで、パネルの単板化が可能となり小型化、低コスト化が可能となる。本発明の構成はこの順次点灯に有効である。外部変調器で光源の出力を変調する場合では、ＲＧＢの３原色光は連続発振しているため、この順次点灯方式を用いた場合の３倍の消費電力が必要となる。本発明で青、緑の順次点灯を行う場合、まず、緑色光を出すときは波長１５４０ｎｍ近傍マスター光源１０３を停止する。するとファイバーからは１０８０ｎｍ近傍の光のみが出射されて波長５４０ｎｍの緑色のＳＨＧ光４０５のみが出射される。また青色光を出す場合、マスター光源１０１、１０３を同時に発光させる。この場合では、青色光のみを出射することは難しいがＳＦＧ素子４０２の変換効率を向上することで緑色光の発生を大幅に低減できる。マスター光源１０１、１０３の切り替えで青色、緑色光の発生を切り替えることができるため、青、緑の順次点灯が可能となり、消費電力を大幅に低減できる。

（第４の実施形態）
ここでは、本発明にかかる実施形態であるコヒーレント光源を用いた光学装置であるレーザディスプレイについて説明する。

ＲＧＢレーザを用いれば、色再現性の高いディスプレイが実現できる。しかしながら、レーザ光源としては、赤色半導体レーザは高出力のものが開発されているが、青色に関しては高出力化が実現しておらず、緑色に関しては半導体レーザの形成が難しい。そこで波長変換を利用した緑および青色光源が必要となる。本発明のコヒーレント光源はファイバーレーザを用いて高出力化が容易であるため、大画面のレーザディスプレイが実現できる。ファイバーレーザを用いた光源として、緑、青、または赤、緑、青の同時発生光源を利用することができる。

図１５は、これらの光源８０１を備え、２次元スイッチである液晶パネルすなわち画像変換部により２次元的な光の強度分布を制御し、つまり、画像変換を行い、スクリーン上に映像を投影するレーザディスプレイの構成図である。コヒーレント光源８０１から出射された光はコリメート光学系８０２、インテグレータ光学系８０３を通って、拡散板８０４を通過した後、液晶パネル８０５により画像変換され、投影レンズ８０７によりスクリーン８０６に投影される。拡散板は揺動機構により位置変動しており、スクリーン上で発生するスペックルノイズを低減している。本発明のコヒーレント光源は外部の温度変化に対しても安定した出力が得られるため、高出力で安定な映像が実現できた。また、高いビーム品質のため、光学系の設計を容易にし、小型化、簡素化が可能である。

なお、２次元スイッチとしては、液晶パネル以外にも、反射型液晶スイッチ、ＤＭＤミラー等の利用も可能である。

また、本発明にかかるレーザディスプレイ装置として、図１６に示す方式も有効である。コヒーレント光源９０１から出射したレーザ光はミラー９０２、９０３で走査することによりスクリーン上に２次元的な画像を描く。この場合にはレーザ光源に高速なスイッチ機能があればなおよい。本発明のいずれかの実施形態によるコヒーレント光源９０１は、高出力化が可能であり、出力安定化に優れる。温度制御素子はなくとも、または、簡易な温度制御によっても、安定した出力が得られる。

またビーム品質が高いため、走査光学系の小型化、簡素化が可能である。またビーム走査光学系としてはＭＥＭＳを利用した小型走査装置も利用できる。高いビーム品質は集光特性、コリメート特性に優れ、ＭＥＭＳ等の小型ミラーも利用可能となる。これによって、走査型のレーザディスプレイが実現できる。

また、本発明にかかるレーザディスプレイ装置として、図１７に示す方式も有効である。図示しない本発明によるコヒーレント光源より出射されたＲ、Ｇ、Ｂの３色の光は、それぞれレンズ９１３ｒ、９１３ｇ、および、９１３ｂに入射して拡大され、光量均一化光学系（インテグレータ）９０７を通った後、２次元スイッチである液晶パネル９０９により画像に変換され、合波プリズム９１１およびレンズ９１５を通ってスクリーン９０５上に映像を投影する。

なお、本発明によるコヒーレント光源を、ディスプレイ装置に用いる場合、レーザ光のコヒーレンス（可干渉性）の高さによりスペックルノイズが生じることがある。スペックルノイズは、スクリーン等で反射されたレーザ光が互いに干渉することで発生し、画質を低下させる。そのため、光源の発する光のコヒーレンスを低下させることが望ましい。

図１８は、本発明によるコヒーレント光源に非線形ファイバー３００７を加えた構成を示す。波長変換素子から出射されたＲＧＢ光を非線形ファイバー３００７に結合、導波させる。非線形ファイバー３００７を導波した光は非線形効果によりラマン散乱が発生し、発振スペクトルが拡大する。波長変換素子部４０１、４０２、４０３、４０６等に入射する前のレーザ光は変換効率を高めるため、０．１〜０．２ｎｍ程度の狭帯域特性を有することが好ましいが、波長変換素子部４０１、４０２、４０３、４０６等を出射した光は、非線形ファイバー３００７により１０ｎｍ程度にスペクトル拡大を行い、コヒーレンスを大幅に低下させることが望ましい。このように非線形ファイバー３００７を光源の構成の一部に追加することでスペックルノイズのない高画質のディスプレイが実現可能となる。

また、光学装置としては、レーザディスプレイについて説明したが、その他、光ディスク装置や、計測装置にも有効である。光ディスク装置では、書き込み速度の高速化によりレーザ出力の向上が求められている。さらに、レーザ光には回折限界の集光特性が求められるため、シングルモード化は必須である。本発明の光源は高出力かつ、高いコヒーレンスを有するため、光ディスク等への応用にも有効である。

本発明の構成では、光源部を構成するファイバーレーザとしてポンプレーザとマスター光源を利用した構成を用いた。しかし、ファイバーレーザは、マスター光源を用いず、グレーティングファイバー（図２参照）とポンプ光源で構成することもできる。

以上述べたように、本発明のコヒーレント光源は、波長変換を利用して青色光発生を可能にする構成である。特に高出力化が容易なファイバー増幅器を利用したレーザ光源において高出力の青色光発生が可能となるためその実用効果は大きい。

さらに、２つの波長のレーザ光から、青と緑の発生、または赤青緑の同時発生および、出力の切り替えが可能となる。単一光源で高輝度のＲＧＢ光がえられるため、その実用効果は大きい。

さらに、このコヒーレント光源を用いれば、高出力の小型ＲＧＢ光源が実現できるためレーザディスプレイをはじめ、光ディスク装置等各種の光学装置への応用が可能となり、その実用効果は大きい。

本発明の第１実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図 ブラッググレーティングを備えたドープファイバーの構成を示す図 本発明の第１実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図 本発明の第１実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図 本発明の第１実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図 本発明の第２実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図 本発明の第２実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図 本発明の第２実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図 本発明の第２実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図 本発明の第２実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図 光源部の駆動信号の例を示す図 駆動電源と光源部との接続例を示す図 本発明の第３実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図 本発明の第３実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図 本発明の第３実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図 本発明の第３実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図 本発明の第３実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図 本発明の第４実施形態による光学装置の構成例を示す図 本発明の第４実施形態による光学装置の構成例を示す図 本発明の第４実施形態による光学装置の構成例を示す図 本発明の第４実施形態による光学装置に好適なコヒーレント光源の構成例を示す図

符号の説明

１０１、１０３ ・・・ マスター光源
１０２、１０４、１００２ ・・・ ポンプ光源
１０５、１０６、２０４、３０１、３０２ ・・・ ドープファイバー
１０７、３０３、４０１、４０３ ・・・ ＳＨＧ素子
５０１、５０５、５１１、５１７ ・・・ ＳＨＧ素子
１０８、４０２、４０６、５０３ ・・・ ＳＦＧ素子
５０７、５１３、５１５ ・・・ ＳＦＧ素子
１０９ａ ・・・ パルス駆動電源
１０９ｂ ・・・ 駆動電源
１５１ ・・・ ブラッググレーティング
８０１ ・・・ コヒーレント光源
８０２ ・・・ コリメート光学系
８０３、９０７ ・・・ インテグレータ光学系
８０４ ・・・ 拡散板
８０５、９０９ ・・・ 液晶パネル
８０６ ・・・ スクリーン
８０７ ・・・ 投影レンズ
９０１ ・・・ コヒーレント光源
９０２、９０３ ・・・ ミラー
９０５ ・・・ スクリーン
９１１ ・・・ 合波プリズム
９１３ｒ、９１３ｇ、９１３ｂ、９１５ ・・・ レンズ
２００２ ・・・ 波長板
３００７ ・・・ 非線形ファイバー

本発明にかかる実施形態による光源は、光ファイバーを備え、青色光領域のコヒーレント光を発生する光源（コヒーレント光源）である。本光源は、高出力なファイバーレーザを備え、さらに、ファイバーレーザから出射された光の波長を変換する波長変換素子により青色光領域の波長を有する光の高効率出射を可能とする構成を有する。

Claims (20)

1. ドープファイバーを備え、前記ドープファイバーにより、第１波長の光と第２波長の光を出射する光源部と、
   前記第１波長の光を受け、前記第１波長の光よりも波長の短い光を出射する第１波長変換素子を含む波長変換素子部とを有することを特徴とするコヒーレント光源。
2. 前記第１波長変換素子は、前記第１波長の光を受け、前記第１波長の光の第２高調波を出射することを特徴とする請求項１に記載のコヒーレント光源。
3. さらに、前記波長変換素子部は、前記第１波長の光の第２高調波と前記第２波長の光を受け、前記第２高調波と前記第２波長の光との和周波を有する光を出射する第２波長変換素子を含むことを特徴とする請求項２に記載のコヒーレント光源。
4. 前記光源部は、Ｅｒ、または、ＥｒとＹｂを含む第１のドープファイバーと、Ｙｂを含む第２のドープファイバーを含むことを特徴とする請求項１に記載のコヒーレント光源。
5. 前記第１波長は、１５４０ｎｍ近傍の波長であり、
   前記第２波長は、１０８０ｎｍ近傍の波長であり、
   前記波長変換素子部は、前記第１波長の光および前記第２波長の光を受け、４５０ｎｍ近傍の波長を有する光を出射する、ことを特徴とする請求項３に記載のコヒーレント光源。
6. 前記波長変換素子部は、さらに、前記第２波長の光を受け、前記第２波長の第２高調波を出射する第３波長変換素子を含むことを特徴とする請求項３に記載のコヒーレント光源。
7. 前記波長変換素子部は、さらに、前記第１波長の光と前記第２波長の光を受け、前記第１波長の光と前記第２波長の光の和周波を有する光を出射する第４波長変換素子を含むことを特徴とする請求項６に記載のコヒーレント光源。
8. 前記第１波長変換素子は、前記第１波長の光の少なくとも一部を受け、
   前記第２波長変換素子は、前記第１波長変換素子から出射する光の少なくとも一部と前記第２波長の光の少なくとも一部を受け、
   前記第３波長変換素子は、前記第２波長の光の少なくとも一部を受けることを特徴とする、請求項６に記載のコヒーレント光源。
9. 前記第１波長変換素子は、前記第１波長の光の少なくとも一部を受け、
   前記第２波長変換素子は、前記第１波長変換素子から出射する光の少なくとも一部と前記第２波長の光の少なくとも一部を受け、
   前記第３波長変換素子は、前記第２波長の光の少なくとも一部を受け、さらに、
   前記第４波長変換素子は、前記第１波長の光の少なくとも一部と、前記第２波長の光の少なくとも一部とを受けることを特徴とする、請求項７に記載のコヒーレント光源。
10. 前記第１波長変換素子および前記第２波長変換素子の少なくとも一方は、周期状分極反転構造を備えるＭｇドープＬｉＮｂＯ３、ＭｇドープＬｉＴａＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４、ストイキオメトリック組成のＭｇドープＬｉＮｂＯ３、および、ストイキオメトリック組成のＭｇドープＬｉＴａＯ３の少なくともひとつを含むことを特徴とする請求項３に記載のコヒーレント光源。
11. 前記光源部は、さらに、前記ドープファイバーに入射される光を発生するマスター光源を有することを特徴とする請求項１に記載のコヒーレント光源。
12. 前記光源部は、パルス状の光源部駆動用エネルギを供給する駆動装置と接続可能であることを特徴とする請求項１１に記載のコヒーレント光源。
13. 前記光源部は、２つのドープファイバーと２つのマスター光源を備え、
    前記２つのマスター光源は、前記駆動装置と接続可能であり、同一の周期および位相を有するパルス状のエネルギの供給を受けて動作することを特徴とする請求項１２に記載のコヒーレント光源。
14. 前記ドープファイバーは、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｅｒ／Ｙｂ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、および、Ｈｏの少なくともいずれか１つの元素を含むことを特徴とする請求項１に記載のコヒーレント光源。
15. 前記第１波長変換素子と、前記第２波長変換素子とは、単一の非線形光学結晶構造を有することを特徴とする請求項３に記載のコヒーレント光源。
16. 前記光源部は、単一のドープファイバーを備えることを特徴とする請求項１に記載のコヒーレント光源。
17. 前記ドープファイバーは、Ｅｒ／Ｙｂドープファイバーであることを特徴とする請求項１６に記載のコヒーレント光源。
18. 前記２つのマスター光源のうち少なくともひとつは、半導体レーザ光源であることを特徴とする請求項１３に記載のコヒーレント光源。
19. さらに、前記波長変換素子部の出射する光を受ける光ファイバーを有することを特徴とする請求項１に記載のコヒーレント光源。
20. ドープファイバーを備え、前記ドープファイバーにより、第１波長の光と第２波長の光を出射する光源部と、前記第１波長の光を受け、前記第１波長の光よりも波長の短い光を出射する第１波長変換素子を含む波長変換素子部とを有するコヒーレント光源と、
    前記コヒーレント光源の出射する光を受け、前記コヒーレント光源の出射する光の２次元的強度分布を制御する画像変換部を有することを特徴とする光学装置。

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