JPWO2006090721A1 - 波長変換光学装置、レーザ光源、及び画像表示光学装置 - Google Patents

Abstract

互いに垂直なＰ偏光とＳ偏光を含む基本波（Ｌ１１）を出力する基本波光源（３０１）と、該基本波（Ｌ１１）を波長変換して高調波を発生させる分極反転形成部を含む２つの波長変換機構（３０３ａ，３０３ｂ）と、を備え、一段目の波長変換機構（３０３ａ）において、前記基本波（Ｌ１１）のＰ偏光の波長偏光を行ない、二段目の波長変換機構（３０３ｂ）において、前記基本波（Ｌ１１）のＳ偏光の波長変換を行なうようにすることで、第３高調波（紫外光）による第２高調波（緑色光）吸収の影響を低減して、波長変換光出力の安定性及び信頼性を高め、且つ表示画像の高画質化が可能な波長変換光を出力できる波長変換光学装置を提供する。

Description

本発明は、擬似位相整合波長変換素子を用いた波長変換光学装置、及びこれを利用したレーザ光源、画像表示光学装置に関するものである。

加工用途、あるいはレーザディスプレイなどに使われる光源として、高出力レーザ光源が注目されている。そして、その赤外線領域においては、ＹＡＧレーザ等の固体レーザ、Ｙｂ，Ｎｄ等の希土類が添加されたファイバを用いたファイバレーザなどが開発されている。一方、赤色、青色領域においては、ガリウム・ヒ素、窒化ガリウム等を用いた半導体レーザが開発されており、高出力化も検討されている。しかし、緑色領域については、半導体から直接緑色を発生させることが依然として困難であり、前述の固体レーザ、ファイバレーザから発せられる赤外光を非線形光学結晶により波長変換して得るのが一般的である。

特に、前記非線形光学結晶としてニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３：ＬＮ）結晶を用いた場合、その大きな非線形光学定数により高い変換効率を得ることができることが知られており、装置の構成も簡単にできることから、このニオブ酸リチウム（ＬＮ）結晶に分極反転技術を用いて形成された擬似位相整合（ＱＰＭ）波長変換素子が、百ｍＷ程度の出力の波長変換光学装置によく用いられている。

数Ｗクラスの出力を得る波長変換光学装置では、リチウムトリボレート（ＬｉＢ_３Ｏ_５：ＬＢＯ）結晶、リン酸チタニルカリウム（ＫＴｉＯＰＯ_４：ＫＴＰ）結晶などの非線形光学結晶が用いられる。前記ＬＢＯ結晶は、基本波や発生した第２高調波による結晶破壊・劣化が起こりにくいという特徴を持っているが、非線形光学定数が小さいため、高い変換効率を得るには共振器を構成しその中に結晶を配置する必要があり、装置構造が複雑で緻密な調整が必要となる。前記ＫＴＰ結晶は、前記ＬＢＯ結晶と比べて非線形光学定数が大きく、共振器を構成しなくても高い変換効率が得られるが、基本波や発生した第２高調波による結晶破壊・劣化が起こりやすいという欠点を持っている。

ところで、前述したＬＮ結晶を用いた擬似位相整合素子（ＱＰＭ−ＬＮ素子）は、前記ＫＴＰ結晶を用いた場合よりも大きな非線形光学定数を持つため、高効率、高出力の波長変換が可能である。しかしながら、前記ＱＰＭ−ＬＮ素子は、狭い領域に光エネルギーを集光する必要があるため、実質的には前記ＫＴＰ結晶より、基本波や発生した第２高調波による結晶破壊・劣化が起こりやすい。すなわち、前記ＱＰＭ−ＬＮ素子によって数Ｗの高調波を得る場合、そのＬＮ結晶の大きな非線形光学定数が原因となり、基本波となる赤外光と、波長変換された緑色光（第２高調波）との和周波である紫外光（第３高調波）が、位相整合条件からはずれた場合においても発生し、その発生した紫外光（第３高調波）が発生した緑色光（第２高調波）の吸収を引き起こし、緑色光出力の飽和・結晶破壊を引き起こすという問題があった。

この問題を解決するため、従来においては、特許文献１や特許文献２のように、波長変換用の非線形光学結晶を２段構成にし、１段目の波長変化によって変換されなかった基本波を、再び２段目の波長変換に用いるようにすることが提案されている。このようにすれば、１段目と２段目の合計で変換効率を大きくでき、また、基本波成分と第２高調波成分の相互作用を低減して紫外光である第３高調波の発生を抑制することができる。
特開平１１−２７１８２３号公報 特開２００５−１０７３９号公報

以下、図１４を用いて、特許文献１に示される従来の波長変換光学装置の構成について説明する。従来の波長変換光学装置１００は、基本波光源１０１より発せられた基本波光Ｌ１を、まず１段目の波長変換部１０２ａで波長変換して第２高調波を発生させる。前記１段目の波長変換部１０２ａからは、該波長変換部１０２ａで発生した前記第２高調波と、該波長変換部１０２ａで変換されなかった基本波光（残留基本波光）とを含む光Ｌ２が出力される。前記光Ｌ２は、基本波を透過して高調波を反射する分離ミラー１０３ａにより、第２高調波Ｌ２ａと残留基本波Ｌ２ｂとに分離される。そして、前記分離ミラー１０３ａを透過した残留基本波Ｌ２ｂは、ビーム径変換機構１０４によりビーム整形され、２段目の波長変換部１０２ｂで再び波長変換される。前記２段目の波長変換部１０２ｂからは、該波長変換部１０２ｂで変換された第２高調波と、該波長変換部１０２ｂにおいて変換されなかった残留基本波とを含む光Ｌ３が出力される。そして、前記光Ｌ３は、前述と同様、分離ミラー１０３ｂで、第２高調波Ｌ３ａと残留基本波Ｌ３ｂとに分離されるというものである。

しかしながら、前述した特許文献１の構成では、１段目の波長変換部１０２ａの波長変換効率が不安定になれば、２段目の波長変換部１０２ｂに入射される基本波の入力も変化し、その出力も不安定化される。つまり、２段目の波長変換部１０２ｂの出力安定性は、１段目の波長変換部１０２ａの出力安定性に大きく依存してしまうという問題がある。また、１段目の波長変換部１０２ａの出力が著しく低下した場合、２段目の波長変換部１０２ｂへの基本波入力が急激に上昇し、結晶を破壊してしまうという問題もある。そしてこれらの問題は、前記特許文献１の装置における波長変換の調整を困難にし、波長変換動作における出力安定性を低下させる原因となっていた。

また、前記特許文献１には、１段目の波長変換部１０２ａを通過した残留基本波Ｌ２ｂのビーム品質が劣化（横モード歪み）してしまうという問題もある。ビーム品質の劣化（横モード歪み）は、ビーム径変換機構１０４を通過しても除去できないからである。前述したビーム品質の劣化（横モード歪み）は、基本波と第２高調波との位相整合方法に角度位相整合を用いた場合は発生しにくいが、本願のように、波長変換素子として、変換効率は大きいが、波長変換に有効な領域が小さい分極反転構造の素子を用いる場合には、分極反転部での屈折率ひずみなどにより横モードひずみを起こしやすくその変換効率の低下を引き起こすことがわかっている。

また、前記特許文献２の構成には、途中で第２高調波を分離する機構がないため、今回課題となっている第３高調波（紫外光）が誘起する第２高調波（緑色光）の吸収を回避することはできない。

ところで、このようなレーザ光源を画像表示装置に用いて画像表示を行なう場合に、単一波長、単一偏光のレーザ光源を用いると、不要なノイズ（スペックルノイズ）が発生し、表示される画像の画質が劣化するという問題が生じることが知られている。しかし、レーザ光源において高効率な波長変換を行うには、単一波長、単一偏光であることが必須条件である。すなわち、高輝度な画像表示装置用の波長変換光学装置の実現には、前述した両方の条件を満たす光源の開発が必要となっていた。

本発明は、第３高調波による第２高調波吸収の影響を低減し、波長変換光出力の安定性及び信頼性を高めることができ、且つ表示画像の高画質化が可能な波長変換光を出力できる波長変換光学装置、及びそれを用いたレーザ光源、並びに画像表示光学装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の波長変換光学装置は、基本波光を出力する基本波光源と、前記基本波光源からの基本波光を波長変換して高調波を発生させる分極反転部を含む波長変換機構と、を備え、前記波長変換機構は、前記基本波光を、互いに垂直な２方向の偏光成分毎に波長変換するものである。

これにより、前記高調波出力の飽和、及び結晶の破壊を回避すると同時に、波長変換された高調波の出力安定性・信頼性を向上することができる。

さらに、本発明の波長変換光学装置は、前記基本波の発振波長が、前記２方向の偏光成分で異なるものである。
これにより、波長変換された高調波の出力安定性・信頼性をより向上させることができる。

さらに、本発明の波長変換光学装置は、前記波長変換機構から出射される２本の高調波光の偏光方向が同じであるものである。

さらに、本発明の波長変換光学装置は、前記波長変換機構から出射される２本の高調波光の偏光方向が互いに垂直であるものである。

さらに、本発明の波長変換光学装置は、前記基本波光、あるいは該基本波光と前記波長変換機構で波長変換された高調波とを含む光を、その偏光成分毎に分離する偏光分離機構を備えるものである。

これにより、前記基本波光源より出射された基本波光を各偏光成分毎に分割することができる。

さらに、本発明の波長変換光学装置は、該波長変換機構の同一基板内に、前記分極反転部と、該分極反転部の、前記基本波光の入射側に設けられた該基本波光を透過する第１の反射鏡と、該分極反転部で波長変換された高調波の出射側に設けられた該高調波を透過する第２の反射鏡と、前記分極反転部を通過した基本波の偏光を転換する波長板と、を備え、さらに、前記分極反転部の温度制御を行なう２つの温度調節機構、を備えるものである。
これにより、当該装置を更に小型化できる。

さらに、本発明の波長変換光学装置は、前記波長変換機構の前記分極反転部は、ＭｇＯ、ＺｎＯを添加した、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３：ＬＮ）、あるいはタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３：ＬＴ）の、少なくとも一部分を分極反転することにより形成されているものである。

これにより、当該装置において、より高い変換効率を得ることができる。

また、本発明の画像表示光学装置は、請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の波長変換光学装置と、前記波長変換光学装置で変換され出射される２本の高調波それぞれを変調する変調機構と、前記変調機構により変調された光を投影する投影光学系と、を備えるものである。

これにより、スペックルノイズを低減できる画像表示光学装置を提供することができる。更に好ましくは、当該画像表示光学装置に、請求項２または請求項４に記載の波長変換光学装置を用いれば、スペックルノイズをより低減することができる。

また、本発明のレーザ光源は、請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の波長変換光学装置を具備したものである。

これにより、前記高調波出力の飽和、及び結晶の破壊を回避すると同時に、それぞれ独立に波長変換された高調波の出力安定性・信頼性を向上することができるレーザ光源を提供できる。

本発明の波長変換光学装置、及びレーザ光源によれば、基本波を出力する基本波光源と、該基本波光源からの基本波光を波長変換して高調波を発生させる分極反転形成部を含む波長変換機構と、を備え、前記基本波の偏光状態を任意の光パワー比率で２方向に分割し、前記波長変換機構において、基本波光の２方向の偏光成分を独立に波長変換するようにしたので、基本波成分と第２高調波成分との相互作用を低減することができ、第３高調波（紫外光）の発生を抑制することが可能となる。これにより、前記第３高調波が原因となって引き起こされる第２高調波（緑色光）の吸収を抑制でき、波長変換機構における出力の飽和や、結晶破壊を回避できることに加え、当該装置から出力される第２高調波の安定性や信頼性を向上することが可能となる。

また、本発明の波長変換光学装置あるいはレーザ光源において、前記基本波光源から出射された基本波の偏光状態を任意の光パワー比率で２方向に分割した後、該分割した各偏光の基本波光を波長変換機構で波長変換するようにした構成では、前記波長変換機構においてビーム品質が劣化（横モード歪み）することによる変換効率の低下を抑えることが可能となり、当該装置において、高い変換効率を得ることができる。

また、本発明の波長変換光学装置あるいはレーザ光源において、前記基本波光源より、波長が異なる２方向の偏光成分を持つ基本波光を出射するようにすれば、前記波長変換機構において、基本波光の各偏光成分をより確実に独立して波長変換することができるため、当該装置より出力される第２高調波の安定性や信頼性をさらに向上することができる。また、基本波光源として偏波保持ファイバを備えたファイバレーザ光源を用いるようにすれば、波長差の小さい２方向の偏光成分をもつ基本波光を出射できるため、前記波長変換機構において各偏光成分を独立して波長変換する際の制御がしやすいという効果が得られる。

さらに、本発明の画像表示光学装置によれば、緑色光源から出射される、異なる波長の緑色光を複数箇所から出射し、該波長の異なる光ごとに空間変調するようにしたので、ヒトの目の感度が高い緑色の解像度を向上することが可能となり、当該画像表示光学装置の高画質化が可能となる。

また、前記緑色光源から出射される緑色光として、異なる波長且つ異なる偏光の光を出射し、各光ごとに空間変調するようにすれば、画像の投影面で異なるスペックルノイズを重ね合わせることになるので、画像表示装置用光源として使用する場合、不要なノイズパターン（スペックルノイズ）を大幅に低減することが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態１の波長変換光学装置に用いられるファイバレーザ光源の構成を示す模式図である。 図２は、本発明の実施の形態１における波長変換光学装置の構成を示す図である。 図３は、本発明の実施の形態１の波長変換光学装置に用いられるファイバレーザ光源から出射される基本波の波長スペクトルを示す図である。 図４は、波長変換素子が１段構成である波長変換光学装置の出力特性と、本実施の形態１の波長変換光学装置の出力特性とを比較した図である。 図５は、波長変換素子が２段構成である従来の波長変換光学装置の出力特性（図（ａ））と、本実施の形態１の波長変換光学装置の出力特性（図（ｂ））とを示すプロット図である。 図６は、本発明の実施の形態１の、波長変換素子が並列に設けられた波長変換光学装置の構成を示す図である。 図７は、波長変換素子が１段構成である波長変換光学装置の出力特性と、本実施の形態１の波長変換素子が直列に設けられた波長変換光学装置の出力特性と、本実施の形態１の波長変換素子が並列に設けられた波長変換光学装置の出力特性とを比較した図である。 図８は、本発明の実施の形態２ににおける波長変換光学装置の構成を示す図である。 図９は、本発明の実施の形態３における波長変換光学装置の構成を示す図である。 図１０は、本発明の実施の形態３の波長変換光学装置の各構成部が一体に構成された構成を示す図である。 図１１は、本発明の実施の形態４の波長変換光学装置の構成を示す図である。 図１２は、本発明の波長変換光学装置を用いた画像表示装置の一例を示した図である。 図１３は、一光源より波長の異なる２本の光が出射された際のピーク波長差と、スペックルノイズ明暗差との関係を示す図である。 図１４は、従来の、波長変換素子が２段構成である波長変換光学装置の構成を示す図である。

符号の説明

１００，３００，４００，５００，６００，７００，８００ 波長変換光学装置
１０１，３０１ 基本波光源
１０２ａ，１０２ｂ 波長変換部分
１０３ａ，１０３ｂ 分離ミラー
１０４ ビーム径変換機構
２０１，２０１’ ファイバレーザ光源
２０２ 励起用半導体レーザ光源
２０３ ポンプコンバイナ
２０４ａ，２０４ｂ ファイバグレーティング
２０５ Ｙｂ添加ダブルクラッド偏波保持ファイバ
２０７ 偏光単一化機構
３０２ａ，３０２ｂ 集光レンズ
３０３ａ 第１の波長変換素子
３０３ｂ，５０３ 第２の波長変換素子
３０４ａ，３０４ｂ 再コリメートレンズ
３０５ａ，３０５ｂ，６０５ａ，６０５ｂ，７０５ａ，７０５ｂ ペルチェ素子
３０６ 偏光ビームスプリッタ
３０７ 基本波の１／２波長板
３０８ａ，３０８ｂ，３０８ｃ ダイクロイックミラー
３０９ 出射プリズム
６０３，７０６ 波長変換素子
６０８，６０９ 折り返し用プリズム
６０８ａ，６０８ｂ，６０９ａ，６０９ｂ，７０８ａ，７０８ｂ，７０９ａ，７０９ｂ 反射面
７０３ 分極反転部
７０８，７０９ プリズム部
８０７ 基本波・第２高調波の１／２波長板
９００ 画像表示光学装置
９０１ 赤色光源
９０２，９０２，９０２’ 緑色光源
９０３ 青色光源
９０４ 赤色用空間変調素子
９０５ａ，９０５ｂ 緑色用空間変調素子
９０６ 青色用空間変調素子
９０７ ミラー
９０８ 合波プリズム
９０９ 投射レンズ
９１０ スクリーン

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
本実施の形態１では、基本波光源としてＹｂ添加ダブルクラッド偏波保持ファイバを用いたファイバレーザ光源を使用し、波長変換素子として、光による劣化を防止するために酸化マグネシウムを添加したニオブ酸リチウム結晶（Ｍｇ：ＬＮ）に周期的分極反転を形成した擬似位相整合波長変換素子を使用し、該波長変換素子を直列に配置して、前記基本波光源より出力される基本波を波長変換する場合を示している。

まず、本実施の形態１で用いる基本波光源の構成について、図１を用いて、また、本実施の形態１における波長変換光学装置の構成について、図２を用いてそれぞれ説明する。本実施の形態１の波長変換光学装置３００では、前記波長変換素子を直列に配置する。これにより、設置面積を小さくすることが可能となる。

本実施の形態１の波長変換光学装置３００では、基本波光源３０１として、前述したようにファイバレーザ光源を使用する。ファイバレーザ光源から出射される基本波Ｌ１１は、当該波長変換光学装置３００内の波長変換素子に対して、水平な偏光方向（ｐ方向）と垂直な偏光方向（ｓ方向）を持つ。本実施の形態１の波長変換光学装置３００では、このそれぞれの偏光方向（ｐ方向、ｓ方向）において独立して波長変換を行うことを特徴とする。

以下、本実施の形態１で用いられるファイバレーザ光源の構成について詳細に説明する。まず、励起用半導体レーザ光源（波長９１５ｎｍ）２０２から発せられる赤外光は、ポンプコンバイナ２０３により一本のファイバにまとめられる。このときの励起光の合計出力は３０Ｗである。この励起光は、レーザ媒質であるＹｂ添加ダブルクラッド偏波保持ファイバ２０５（以下、単に「Ｙｂ添加偏波保持ファイバ」と称す。）に集光される。前記Ｙｂ添加偏波保持ファイバ２０５の両端には、発振波長（ここでは１０８４ｎｍ）で反射するよう設計されたファイバーグレーティング２０４ａ、２０４ｂが接続されており、該Ｙｂ添加偏波保持ファイバ２０５とファイバグレーティング２０４ａ、２０４ｂとにより、レーザ共振器２０６が構成される。

通常、偏波保持ファイバを用いたレーザ光源は、前述したように互いに垂直なｐ方向とｓ方向の２つの偏光（以下、それぞれＰ偏光、Ｓ偏光と称す。）を持つ。よって、このようなファイバレーザ光源を従来の波長変換光学装置に用いる場合、単一偏光を得るために、図１（ｂ）に示すように、前記レーザ共振器２０６の後段に、ポラライザなどの偏光単一化機構２０７を備え、前記２つの偏光を単一偏光化する必要があった。また、前記ファイバレーザ光源から出射される２つの偏光は、偏波保持ファイバに形成された狭帯域のファイバグレーティング２０４ｂが偏光方向に応じて２つの反射ピークを持つため、図３に示されるように、その２つの偏光の発振波長も１／１０ｎｍ〜数ｎｍほど異なる。そのため、前記偏光単一化機構２０７では、前記２つの偏光の発振波長をそろえる調整も行なわれる。

しかし、本実施の形態１の波長変換光学装置３００においては、波長が異なり、且つ互いに垂直な２方向の偏光（Ｐ偏光，Ｓ偏光）それぞれを、独立して波長変換を行う。従って、前記ファイバレーザ光源２０１で、前記２つの偏光の単一偏光化や、発振波長調整を行う偏光単一化機構２０７を設ける必要がなく、結果、基本波光源３０１の構成を簡略化できる。

なお、ファイバレーザ光源を構成するファイバに、偏波保持ファイバを使用しなかった場合、該ファイバレーザ光源からの光は、ランダム偏光（偏波無依存）となり、その発振波長は単一化されてしまうため、本発明で使用するファイバレーザ光源は、複数波長を発振させるために、偏波保持ファイバで構成される必要がある。

このように、基本波光源３０１として、前述したような偏波保持ファイバを備えたファイバレーザ光源２０１を用いれば、発振波長差の小さい２方向の偏光成分をもつ基本波光を出射でき、後述する波長変換素子において、該基本波光を各偏光成分毎に独立して確実に波長変換することができる。

次に、前述したファイバレーザ光源２０１を基本波光源３０１として用いた、本実施の形態１における波長変換光学装置３００の構成について説明する。

まず、前記基本波光源３０１から出射された光Ｌ１１（１０８４ｎｍ：基本波）を、コリメートレンズ等（図示せず）で８００μｍ程度のビーム径にコリメートし、集光レンズ３０２ａで集光する（ここでは焦点距離３０ｍｍ）。そして、集光した基本波光Ｌ１１を１段目の波長変換素子３０３ａに入射させ波長変換する。この第１の波長変換素子３０３ａでは、前記基本波Ｌ１１の２方向の偏光（Ｐ偏光、Ｓ偏光）のうち、偏光が結晶の誘電主軸ｚ軸方向と平行なもの（Ｐ偏光）について波長変換がなされる。前記第１の波長変換素子３０３ａは、厚さ１ｍｍ、長さ２５ｍｍのＭｇ：ＬＮ（結晶主軸ｚ軸方向が基板の面内に垂直）に、周期Ａ＝７．３８μｍで周期的に分極反転構造が形成されており、該波長変換素子３０３ａの両端は、光学研磨が施され、入射側には基本波（波長：１０８４ｎｍ）の低反射コーティングが、出射側には第２高調波（波長：５４２ｎｍ近辺）の低反射コーティングが施されている。また、前記第１の波長変換素子３０３ａは、銅板上に固定されており、ペルチェ素子３０５ａにより温度コントロール（ここでは約２２℃）されている。この波長変換素子の温度コントロールにより、位相整合波長の微調整を行う。そして、前記第１の波長変換素子３０３ａにおいては、パワー換算で、入射した光Ｌ１１の２０〜３０％が波長変換され、入射光の半分の波長である緑色光（５４２ｎｍ）になる。

よって、前記第１の波長変換素子３０３ａからは、該波長変換素子３０３ａにおいて波長変換された緑色光と、その残りの基本波光（Ｐ偏光の残留基本波光）と、前記第１の波長変換素子３０３ａで波長変換されなかったもう一方の偏光、すなわち結晶の誘電主軸ｚ軸方向と垂直な偏光（Ｓ偏光）の基本波光とを含む光Ｌ１２が出力される。

前記出力光Ｌ１２は、再コリメートレンズ３０４ａで平行光に戻され、その後、偏光ビームスプリッタ３０６により、前記Ｐ偏光の緑色光と残留基本波光の光路を９０度曲げることで、該Ｐ偏光の緑色光と残留基本波光とを含む光Ｌ１３と、前記第１の波長変換素子３０３ａで波長変換されなかったＳ偏光の基本波光Ｌ１４とが分離される。

前記偏光ビームスプリッタ３０６をそのまま通過した前記Ｓ偏光の基本波光Ｌ１４は、基本波のλ／２波長板（以下、単に「λ／２波長板」と称す。）３０７を通過する。前記λ／２波長板３０７は、入射された基本波光Ｌ１４の偏光方向を、後段に設けられた２段目の波長変換素子３０３ｂの誘電主軸ｚ軸方向に合わせるように配置されているので、前記Ｓ偏光の基本波光Ｌ１４は、前記λ／２波長板３０７を通過すると、Ｐ偏光の基本波光Ｌ１５になる。

前記Ｐ偏光の基本波光Ｌ１５は、集光レンズ３０２ｂで集光された後、二段目の波長変換素子３０３ｂに入射される。この第２の波長変換素子３０３ｂでは、前記第１の波長変換素子３０３ａと同様、前記基本波の２方向の偏光（Ｐ偏光、Ｓ偏光）のうち、結晶の誘電主軸ｚ軸方向と平行な偏光（Ｐ偏光）について波長変換がなされる。前記第２の波長変換素子３０３ｂは、厚さ１ｍｍ、長さ２５ｍｍのＭｇ：ＬＮ（結晶の誘電主軸ｚ軸方向が基板の面内に垂直）に、周期Ａ＝７．３８μｍで周期的に分極反転構造が形成されており、その他、コーティングの条件、保持方法、及びペルチェ素子３０５ｂによる温度コントロール方法は、前記第１の波長変換素子３０３ａと同様である。ただし、前述したように、前記ファイバレーザ光源より出射されるＰ偏光とＳ偏光は、若干波長が異なるため（図３では、波長差０．５ｎｍ）、前記ペルチェ素子３０５ｂでは、前記ペルチェ素子３０５ａとは異なる温度（ここでは約２８℃）で該第２の波長変換素子３０３ｂを温度コントロールする。この結果、位相整合波長の微調整が行なえ、Ｓ偏光、Ｐ偏光それぞれの位相整合波長を合わせることができる。この第２の波長変換素子３０３ｂにおいても、パワー換算で、入射した光Ｌ１５の２０〜３０％が波長変換され、入射光の半分の波長である緑色光（５４２ｎｍ近辺）になる。

前記第２の波長変換素子３０３ｂからは、該波長変換素子３０３ｂにおいて波長変換された緑色光と、その残りの基本波光（Ｐ偏光の残留基本波光）とを含む光Ｌ１６が出力される。そしてこの後、前記出力光Ｌ１６は、再コリメートレンズ３０４ｂで平行光に戻され、ダイクロイックミラー３０８ｃにより、緑色光Ｌ１６ａとその残留基本波光Ｌ１６ｂとが分離される。

一方、前記第１の波長変換素子３０３ａにて既に波長変換され、前記偏光ビームスプリッタ３０６でその光路を９０度曲げられた前記光Ｌ１３は、ダイクロイックミラー３０８ａにより、緑色光Ｌ１３ａとその残留基本波光Ｌ１３ｂとが分離される。

そして、前記第１，第２の波長変換素子３０３ａ，３０３ｂそれぞれで波長変換したＰ偏光の緑色光Ｌ１３ａ，Ｌ１６ａは、ダイクロイックミラー３０８ａ，３０８ｂ，３０８ｃ、及びプリズム３０９等を用いて、同一出射方向に出射される。

図４は、本実施の形態１の波長変換光学装置３００における第２高調波出力特性（点線）と、従来の波長変換素子を１つ備える波長変換光学装置における第２高調波出力特性（実線）とをプロットした図である。

図４から明らかなように、従来であれば結晶破壊が発生していた、３Ｗを超える出力（４Ｗ以上）を得るための基本波光をうけた状態においても、紫外光による緑色光の出力飽和や、結晶破壊が生じないことがわかる。これは、本装置３００では、波長変換素子を複数個設け、該各波長変換素子においては入射された基本波光のうちＰ偏光，Ｓ偏光のいずれか一方が波長変換されるものであるため、各波長変換素子に、Ｐ偏光，Ｓ偏光それぞれが紫外光発生の影響を受けない程度の光を入力することが可能となったことによる。これにより、本実施の形態１の構成では、波長変換素子に、従来では結晶破壊が起こるため入射できなかった高い出力の基本波光が入射可能となり、結果、結晶破壊なしで高い変換効率を実現できる。

また、図５は、図１４に示す従来の波長変換光学装置における出力安定性（図（ａ））と、本実施の形態１の波長変換光学装置における出力安定性（図（ｂ））とを示す図である。

図５から明らかなように、本実施の形態１の波長変換光学装置３００は、従来の波長変換光学装置１００よりも出力安定性が増していることがわかる。これは、本装置３００では、従来のように前段の波長変換素子で波長変換されなかった残留基本波光を、後段の波長変換素子で波長変換しないため、後段の波長変換素子における波長変換が、前段の波長変換素子の波長変換効率による影響をうけないことによる。これにより、本装置３００では、従来装置１００の課題であった、１段目の波長変換素子の出力が著しく低下した場合に、２段目の波長変換素子への基本波入力が急激に上昇し結晶を破壊してしまうという課題も解決できる。

なお、本実施の形態１では、２つの波長変換素子３０３ａ，３０３ｂを直列に配置して波長変換する場合を一例に挙げたが、図６に示すように、２つの波長変換素子を並列に配置する構成も可能である。以下、その構成について、図６を用いて説明する。

図６は、波長変換素子を並列に配置した場合の、波長変換光学装置の構成を示す図である。ここでも、基本波光源３０１として、前述したファイバレーザ光源２０１を用いる。よって、基本波Ｌ１１は、波長変換素子に対して、水平な偏光方向の光（Ｐ偏光）と垂直な偏光方向の光（Ｓ偏光）を持ち、また、該各偏光の波長は若干異なっている（図３参照）。

まず、前記基本波光源３０１から出射された光Ｌ１１（１０８４ｎｍ：基本波）を、コリメートレンズ等（図示せず）で８００μｍ程度のビーム径にコリメートした後、偏光ビームスプリッタ３０６で、Ｐ偏光の基本波光Ｌ２２の光路を９０度曲げることで、該Ｐ偏光の基本波光Ｌ２２と、もう一方のＳ偏光の基本波光とに分離する。

ところで、波長変換結晶として、本実施の形態のように分極反転構造のものを用いた場合、１段目の波長変換素子３０３ａを通過する際に基本波のビーム品質（横モード）が劣化し、この結果、２段目の波長変換素子３０３ｂにおける基本波光の変換効率が２０％〜３０％低下する場合があった。

しかし、図６の構成では、波長変換素子に入射させる前に前記基本波Ｌ１１を２方向の偏光に分離する。これにより、前記基本波Ｌ１１が波長変換素子を通過することによるビーム品質（横モード）の劣化を容易に抑えることができ、波長変換素子を複数個備える構成とした場合においても、ビーム品質が劣化（横モード歪み）することによる変換効率の低下を抑えることが可能となる。

前記偏光ビームスプリッタ３０６でその光路を９０度曲げられた前記Ｐ偏光の基本波光Ｌ２２は、ダイクロイックミラー３０８ａにより集光レンズ３０２ａに入射され集光される（ここでの焦点距離３０ｍｍ）。集光した基本波光Ｌ２２を、第１の波長変換素子３０３ａに入射させ、波長変換する。前記第１の波長変換素子３０３ａの寸法、分極反転構造、及び端面処理は、前述した第１の波長変換素子３０３ａと同様である。また、前記第１の波長変換素子３０３ａの保持方法や、ペルチェ素子３０５による温度調整方法及び位相整合波長の微調整方法も、前述と同様の方法をとっている。この第１の波長変換素子３０３ａでは、パワー換算で、入射した光Ｌ２２の２０〜３０％が波長変換され、入射光の半分の波長である緑色光（５４２ｎｍ）になる。

よって、前記第１の波長変換素子３０３ａからは、該波長変換素子３０３ａにおいて波長変換された緑色光と、その残りの基本波光（Ｐ偏光の残留基本波光）とを含む光Ｌ２３が出力される。

一方、前記偏光ビームスプリッタ３０６をそのまま通過した前記Ｓ偏光の基本波光Ｌ２４は、集光レンズ３０２ｂの手前に前記１／２波長板３０７を配置することにより、その偏光方向を９０度回転させ、波長変換素子の誘電主軸ｚ軸と平行な偏光（Ｐ偏光）の基本波光Ｌ２５とされる。その後、前記Ｐ偏光の基本波光Ｌ２５は、集光レンズ３０２ｂで集光された後（ここでの焦点距離３０ｍｍ）、第２の波長変換素子３０３ｂに入射され、波長変換される。この第２の波長変換素子３０３ｂの寸法、分極反転構造、及び端面処理は、前述した第２の波長変換素子３０３ｂと同様である。また、該第２の波長変換素子３０３ｂの保持方法や、ペルチェ素子３０５ｂによる温度調整方法及び位相整合波長の微調整方法も、前述と同様の方法をとっている。この第２の波長変換素子３０３ｂにおいても、パワー換算で、入射した光Ｌ２５の２０〜３０％が波長変換され、入射光の半分の波長である緑色光（５４２ｎｍ）になる。

よって、前記第２の波長変換素子３０３ｂからは、該波長変換素子３０３ｂにおいて波長変換された緑色光と、その残りの基本波光（Ｐ偏光の残留基本波光）とを含む光Ｌ２６が出力される。

前記第１，第２の波長変換素子３０３ａ，３０３ｂから出射された各光Ｌ２３，Ｌ２６は、それぞれ再コリメートレンズ３０４ａ，３０４ｂで平行光に戻された後、それぞれダイクロイックミラー３０８ｂ，３０８ｃにより、緑色光Ｌ２３ａ，Ｌ２６ａと、残留基本波光Ｌ２３ｂ，Ｌ２６ｂとに分離され、さらに該ダイクロイックミラー３０８ｂ，３０８ｃ、及びプリズム３０９等を用いて、同一出射方向に出射される。

図７は、図６に示す波長変換光学装置４００における第２高調波出力特性（一点鎖線）と、従来の波長変換素子を１つ備える波長変換光学装置における第２高調波出力特性（実線）と、前記実施の形態１の波長変換光学装置３００における第２高調波出力特性（点線）とをプロットした図である。

図７から明らかなように、図６に示す波長変換光学装置４００の場合、従来であれば結晶破壊が発生していた、３Ｗを超える出力（４Ｗ以上）を得るための基本波光を前記波長変換素子でうけた状態においても、紫外光による緑色光の出力飽和や、結晶破壊が生じないことがわかる。さらに、波長変換光学装置４００からの第２高調波の出力は、前述した図２に示す波長変換光学装置３００による第２高調波の出力よりも大きい。これは、図６に示す装置４００の構成では、基本波入力Ｌ１１を波長変換素子に入射させる前に２方向の偏光に分離し、各波長変換素子に各偏光を入射するようにしたため、波長変換素子を通過することによりビーム品質が劣化（横モード歪み）することによる、変換効率の低下を抑えることが可能となったことによる。また、図６の構成においても、前記図２の構成同様、第２高調波の出力安定性が増し、従来装置１００よりも出力安定性の面で優れることがわかった。加えて、従来装置１００の課題であった、１段目の波長変換素子の出力が著しく低下した場合に、２段目への基本波入力が急激に上昇し結晶を破壊してしまうという課題も解決できる。

以上のように、本実施の形態１の波長変換光学装置によれば、基本波光源３０１として、互いに直行する２方向の偏光（Ｐ偏光，Ｓ偏光）を持つ基本波Ｌ１１を出力するファイバレーザ光源を用い、各波長変換素子３０３ａ，３０３ｂにて、前記基本波Ｌ１１のＰ偏光，Ｓ偏光を別々に波長変換するようにしたので、各波長変換素子３０３ａ，３０３ｂに対して、従来では結晶破壊が起こるため入射できなかった高い出力の基本波光を入射することが可能となり、結果、結晶破壊なしで高い変換効率を実現できる。また、後段の波長変換素子３０３ｂにおける波長変換が、前段の波長変換素子３０３ａの波長変換による影響をうけないため、優れた出力安定性・信頼性を得ることもできる。

また、本実施の形態１では、基本波光源３０１として、偏波保持ファイバを備えたファイバレーザ光源２０１を用い、波長の異なるＰ偏光、Ｓ偏光をもつ基本波光Ｌ１１を出射するようにしたので、各波長変換素子３０３ａ，３０３ｂにおいて、前記基本波光源Ｌ１１のうち、前記各素子の結晶の誘電主軸ｚ軸方向に応じた偏光成分で、且つ該各素子に備えられたペルチェ素子３０５ａ，３０５ｂによる制御温度に応じた波長を有する偏光成分のみを波長変換するため、該基本波光Ｌ１１を各偏光成分毎に、確実に波長変換することが可能となる。従って、当該装置３００において、前記基本波光Ｌ１１として、発振波長が単一であるランダム偏光を出射させ前記各波長変換素子で偏光成分毎に波長変換する場合に比べて、前記基本波光Ｌ１１として、波長の異なるＰ偏光、Ｓ偏光をもつ基本波光を出射させ各波長変換素子で偏光成分毎に波長変換するほうが、第２高調波の出力安定性・信頼性をさらに向上させることができる。

さらに、波長変換光学装置を、図６に示すように、基本波光Ｌ１１が波長変換素子３０３ａ，３０３ｂに入射される前に、偏光ビームスプリッタ３０６により、Ｐ偏光の基本波Ｌ２２とＳ偏光の基本波光Ｌ２４とに分離して波長変換素子に入射するよう構成すれば、波長変換素子を複数個備える構成とした場合においても、ビーム品質が劣化（横モード歪み）することによる変換効率の低下を抑えることが可能となり、より高い変換効率を得ることができる。

なお、前述の説明では、１段目と２段目の波長変換素子３０３ａ，３０３ｂの素子長が同一であるものとして説明したが、該波長変換素子３０３ａ，３０３ｂの素子長は異なるものであってもよい。詳述すると、基本波光源から出射される基本波光がランダム偏光の場合は、発振波長が単一波長であり、そのパワー配分がＰ偏光、Ｓ偏光で均等となるため、前記Ｐ偏光、Ｓ偏光に対応する波長変換素子それぞれの素子長は同一であることが望ましいが、本実施の形態１の基本波光源３０１である、ファイバレーザ光源２０１から出射される基本波光のように、Ｐ偏光、Ｓ偏光でそれぞれ発振し、偏光成分毎に発振波長が異なる場合は、その偏光成分に応じてパワー配分が異なるため（具体的には、Ｐ偏光のパワー：Ｓ偏光のパワー＝１０：７〜１０：９程度）、事情が異なる。

このように、前記基本波光のＳ偏光のパワーがＰ偏光のパワーに比べて小さい場合は、該Ｓ偏光のパワーが小さい分だけ、Ｓ偏光を変換する波長変換素子の素子長を長くすることで、波長変換後の第２高調波の出力を１：１に近い割合にすることができる。

例えば、本実施の形態１の波長変換光学装置３００の構成の場合、Ｐ偏光に対応する第１の波長変換素子３０３ａの素子長を２０ｍｍとし、Ｓ偏光に対応する第２の波長変換素子３０３ｂの素子長を２５ｍｍとすることで、ほぼ１：１の出力比とすることができた。

（実施の形態２）
前記実施の形態１では、波長変換光学装置にて波長変換された２本の第２高調波が同じ偏光方向である場合について説明したが、本実施形態２では、該第２高調波の偏光方向が互いに直行する場合の構成について説明する。

以下、本実施の形態２における波長変換光学装置５００の構成について、図８を用いて説明する。
本実施の形態２では、前記実施形態１と同様、基本波光源３０１として、図１（ａ）に示すＹｂ添加偏波保持ファイバ２０５を用いたファイバレーザ光源２０１を使用し、波長変換素子として、光による劣化を防止するために酸化マグネシウムを添加したニオブ酸リチウム結晶（Ｍｇ：ＬＮ）に、周期的分極反転を形成した擬似位相整合波長変換素子を使用し、該波長変換素子を直列に配置して波長変換する場合を示す。このように、波長変換素子を直列に配置すれば、設置面積を小さくすることが可能となる。

本実施の形態２における、波長変換光学装置５００の構成は、図２に示す前記実施の形態１の構成とほぼ同じであるが、偏光ビームスプリッタ３０６の後段に、基本波光を９０度回転させるλ／２波長板３０７が設置されず、２段目の波長変換素子５０３が、Ｓ偏光の基本波光を波長変換可能なように、該波長変換素子５０３の結晶の誘電主軸ｚ軸の方向が、１段目の波長変換素子３０３ａの結晶誘電主軸ｚ軸の方向と直交するように、９０度回転させた状態で配置されている点で異なる。以下、詳細に説明する。

まず、前記基本波光源３０１から出射された光Ｌ１１（１０８４ｎｍ：基本波）を、コリメートレンズ等（図示せず）で８００μｍ程度のビーム径にコリメートし、集光レンズ３０２ａで集光する（ここでは焦点距離３０ｍｍ）。そして、集光した基本波Ｌ１１を１段目の波長変換素子３０３ａに入射させ波長変換する。この第１の波長変換素子３０３ａでは、基本波Ｌ１１の２方向の偏光（Ｐ偏光、Ｓ偏光）のうち、偏光が結晶の誘電主軸ｚ軸方向と平行なもの（Ｐ偏光）について波長変換がなされる。前記第１の波長変換素子３０３ａは、厚さ１ｍｍ、長さ２５ｍｍのＭｇ：ＬＮ（結晶主軸ｚ軸方向が基板の面内に垂直）に、周期Ａ＝７．３８μｍで周期的に分極反転構造が形成されており、該波長変換素子３０３ａの両端は、光学研磨が施され、入射側には基本波（波長：１０８４ｎｍ）の低反射コーティングが、出射側には第２高調波（波長：５４２ｎｍ近辺）の低反射コーティングが施されている。また、前記第１の波長変換素子３０３ａは、銅板上に固定されており、ペルチェ素子３０５ａにより温度コントロール（ここでは約２２℃）されている。この波長変換素子の温度コントロールにより、位相整合波長の微調整を行う。そして、前記第１の波長変換素子３０３ａにおいては、前記基本波光Ｌ１１のうち、Ｐ偏光の基本波光（パワー換算で入射した光Ｌ１１の２０〜３０％）が波長変換され、入射光の半分の波長である緑色光（５４２ｎｍ）になる。

よって、前記第１の波長変換素子３０３ａからは、該波長変換素子３０３ａにおいて波長変換された緑色光と、その残りの基本波光（Ｐ偏光の残留基本波光）と、前記第１の波長変換素子３０３ａで波長変換されなかったもう一方の偏光、すなわち結晶の誘電主軸ｚ軸方向と垂直な偏光（Ｓ偏光）の基本波光とを含む光Ｌ３２が出力される。

前記出力光Ｌ３２は、再コリメートレンズ３０４ａで平行光に戻され、その後、偏光ビームスプリッタ３０６により、前記Ｐ偏光の緑色光と残留基本波光の光路を９０度曲げることで、該Ｐ偏光の緑色光と残留基本波光とを含む光Ｌ３３と、前記第１の波長変換素子３０３ａで波長変換されなかったＳ偏光の基本波光Ｌ３４とに分離される。

前記偏光ビームスプリッタ３０６をそのまま通過した前記Ｓ偏光の基本波光Ｌ３４は、集光レンズ３０２ｂで集光され、２段目の波長変換素子５０３に入射される。この第２の波長変換素子５０３は、前述したように、前記第１の波長変換素子３０３ａを９０度回転させた状態、すなわち、入射される光Ｌ３４（Ｓ偏光）の偏光方向と結晶の誘電主軸ｚ軸方向が平行となるように配置されているため、結晶の誘電主軸ｚ軸方向と垂直な偏光（Ｓ偏光）について波長変換がなされる。前記第２の波長変換素子５０３は、厚さ１ｍｍ、長さ２５ｍｍのＭｇ：ＬＮ（結晶の誘電主軸ｚ軸方向が基板の面内に垂直）に、周期Ａ＝７．３８μｍで周期的に分極反転構造が形成されており、その他、コーティングの条件、保持方法、及びペルチェ素子３０５ｂによる温度コントロール方法は、前記第１の波長変換素子３０３ａと同様である。ただし、前述したように、前記ファイバレーザ光源より出射されるＰ偏光とＳ偏光は、若干波長が異なる（図３では、波長差０．５ｎｍ）。よって、前記ペルチェ素子３０５ｂでは、前記ペルチェ素子３０５ａとは異なる温度（ここでは約２８℃）で該第２の波長変換素子３０３ｂを温度コントロールする。この結果、位相整合波長の微調整が行なえ、Ｓ偏光、Ｐ偏光それぞれの位相整合波長を合わせることができる。この第２の波長変換素子５０３では、Ｓ偏光の基本波光（パワー換算で入射した光Ｌ３４の２０〜３０％）が波長変換され、該入射光の半分の波長である緑色光（５４２ｎｍ近辺）になる。

前記第２の波長変換素子５０３からは、該波長変換素子５０３において波長変換された緑色光と、その残りの基本波光（Ｓ偏光の残留基本波光）とを含む光Ｌ３５が出力される。そしてこの後、前記出力光Ｌ３５は、再コリメートレンズ３０４ｂで平行光に戻され、ダイクロイックミラー３０８ｃにより、緑色光Ｌ３５ａとその残留基本波光Ｌ３５ｂとが分離される。

一方、前記偏光ビームスプリッタ３０６でその光路を９０度曲げられた前記Ｐ偏光の緑色光とその残留基本波光とを含む光Ｌ３３は、ダイクロイックミラー３０８ａにより、緑色光Ｌ３３ａとＰ偏光の残留基本波光Ｌ３３ｂとに分離される。
そして、前記第１，第２の波長変換素子３０３ａ，５０３それぞれで波長変換したＰ偏光の緑色光Ｌ３３ａ及びＳ偏光の緑色光Ｌ３５ａは、ダイクロイックミラー３０８ａ，３０８ｂ，３０８ｃ、及びプリズム３０９等を用いて、同一出射方向に出射される。

本実施の形態２の波長変換光学装置５００の出力特性は、前記実施の形態１の図２で示される波長変換光学装置３００の出力特性（図４，５参照）と、ほぼ同じ結果となった。すなわち、本実施の形態２の構成では、従来では結晶破壊が起こるため入射できなかった高い出力の基本波光を、波長変換素子に入射可能となり、この結果、従来結晶破壊が発生していた３Ｗを超える出力（４Ｗ以上）を得るための基本波光を前記波長変換素子でうけた状態においても、紫外光による緑色光の出力飽和や、結晶破壊を回避することができ、結晶破壊なしで高い変換効率を実現できる。また、当該装置５００では、後段の波長変換素子５０３の波長変換が、前段の波長変換素子３０３ａによる波長変換の影響をうけないので、優れた出力安定性・信頼性も得られる。さらに、従来装置１００の課題であった、１段目の波長変換素子の出力が著しく低下した場合に、２段目の波長変換素子への基本波入力が急激に上昇し結晶を破壊してしまうという課題も解決することができる。

以上のように、本実施の形態２の波長変換光学装置５００によれば、基本波光源３０１として、互いに直行する２方向の偏光（Ｐ偏光，Ｓ偏光）を持つ基本波Ｌ１１を出力するファイバレーザ光源を用い、各波長変換素子３０３ａ，５０３にて、前記基本波Ｌ１１のＰ偏光，Ｓ偏光を別々に波長変換するようにしたので、各波長変換素子３０３ａ，５０３に対して、従来では結晶破壊が起こるため入射できなかった高い出力の基本波光を入射することが可能となり、結果、結晶破壊なしで高い変換効率を実現でき、また、後段の波長変換素子５０３における波長変換が、前段の波長変換素子３０３ａの影響をうけないため、優れた出力安定性・信頼性も得ることができる。

また、本実施の形態２では、前記実施の形態１と同様、基本波光源３０１として、偏波保持ファイバを備えたファイバレーザ光源２０１を用い、波長の異なるＰ偏光、Ｓ偏光をもつ基本波光Ｌ１１を出射するようにしたので、各波長変換素子３０３ａ，５０３において、前記基本波光源Ｌ１１のうち、前記各素子の結晶の誘電主軸ｚ軸方向に応じた偏光成分で、且つ該各素子に備えられたペルチェ素子３０５ａ，３０５ｂによる制御温度に応じた波長を有する偏光成分のみを波長変換するため、該基本波光Ｌ１１を各偏光成分毎に確実に波長変換することができる。従って、当該装置において、前記基本波光Ｌ１１として、発振波長が単一であるランダム偏光を出射させ、前記各波長変換素子で偏光成分毎に波長変換する場合に比べて、前記基本波光Ｌ１１として、波長の異なるＰ偏光、Ｓ偏光をもつ基本波光を出射させ、各波長変換素子で偏光成分毎に波長変換するほうが、第２高調波の出力安定性・信頼性をさらに向上させることができる。

なお、本実施の形態２では、波長変換素子を直列に配置する場合を一例に挙げて説明したが、前記実施の形態１の図６に示したように、前記波長変換素子を並列に配置し、該波長変換素子の前段で、偏光ビームスプリッタ等により、基本波Ｌ１１をそれぞれの偏光に分離し、各波長変換素子にＰ，Ｓ偏光のいずれか一方しか入射されないようにしてもよい。このように構成した場合、ビーム品質が劣化することによる変換効率の低下を抑えることが可能となり、より高い変換効率が得られる。

また、本実施の形態２では、１段目と２段目の波長変換素子３０３ａ，５０３の素子長が同一であるものとして説明したが、前記実施の形態１と同様、該波長変換素子３０３ａ，５０３の素子長は異なるものであってもよい。例えば、本実施の形態２の波長変換光学装置５００の構成の場合、Ｐ偏光に対応する第１の波長変換素子３０３ａの素子長を２０ｍｍとし、Ｓ偏光に対応する第２の波長変換素子５０３の素子長を２５ｍｍとすることで、ほぼ１：１の出力比とすることができる。

さらに、本実施の形態２においては、第１，第２の波長変換素子３０３ａ，５０３として、結晶の誘電主軸のｚ軸方向が面内に垂直な基板（ｚ板）を用いた波長変換素子を使用したが、Ｓ偏光の基本波光に対応する波長変換素子（ここでは、第２の波長変換素子５０３）として、誘電主軸のｘ軸方向が面内に垂直な基板（ｘ板）を用いた波長変換素子を使用してもよい。その場合には、第２の波長変換素子を、その結晶の方位を９０°回転させて配置する必要がなくなる。この場合においても、基本波の偏光方向は、波長変換素子のｚ軸方向と平行方向に入射させる必要があることは、ｚ板を用いた場合と同様である。

（実施の形態３）
前記実施の形態１においては、波長変換素子を２つ備える構成について説明したが、本実施の形態３では、プリズムやミラーなどを用いて、基本波光源からの入射光を折り返すことで、一つの波長変換素子で、前記基本波光をそれぞれの偏光方向（ｐ方向、ｓ方向）において独立して波長変換を行う構成について説明する。このようにすれば、当該装置をより小型化することが可能となる。

以下、本実施の形態３における波長変換光学装置６００の構成について、図９を用いて説明する。
本実施の形態３では、前記実施の形態１と同様、基本波光源３０１として、図１（ａ）に示すＹｂ添加偏波保持ファイバ２０５を用いたファイバレーザ光源２０１を使用し、波長変換素子として、光による劣化を防止するために酸化マグネシウムを添加したニオブ酸リチウム結晶（Ｍｇ：ＬＮ）に、周期的分極反転を形成した擬似位相整合波長変換素子を使用する。よって、前記基本波光源３０１から出射される基本波光Ｌ１１は、前記実施の形態１と同様、波長変換素子に対して、水平な偏光方向の光（Ｐ偏光）と垂直な偏光方向の光（Ｓ偏光）を持ち、また、該各偏光の発振波長は若干異なっている（図３参照）。

まず、前記基本波光源３０１から出射された光Ｌ１１（１０８４ｎｍ：基本波）は、折り返し用のプリズム６０８を通過し、集光レンズ３０２ａで波長変換素子６０３内に集光される。そして、前記波長変換素子６０３では、前記基本波Ｌ１１の２方向の偏光（Ｐ偏光、Ｓ偏光）のうち、偏光が結晶の誘電主軸ｚ軸方向と平行なもの（Ｐ偏光）について波長変換がなされる。

ここで、前記プリズム６０８は、各反射面６０８ａ、６０８ｂに、基本波波長を透過し、第２高調波（緑色光）波長を反射する誘電体多層膜コーティングが施されたものであり、また、前記波長変換素子６０３は、厚さ１ｍｍ、長さ２５ｍｍのＭｇ：ＬＮ（ｚ軸方向が基板の面内に垂直）に、周期Ａ＝７．３８μｍで周期的に分極反転構造が形成されており、該波長変換素子６０３の両端は、光学研磨が施され、入射側、出射側ともに、基本波（波長：１０８４ｎｍ）及び第２高調波（波長：５４２ｎｍ近辺）の低反射コーティングが施されているものである。また、前記波長変換素子６０３は、銅板上に固定され、該波長変換素子６０３を挟むように設けられたペルチェ素子６０５ａ，６０５ｂにより温度コントロールされる。この波長変換素子の温度コントロールにより、位相整合波長の微調整が行なわれ、特に、本実施の形態３では、前述したように前記波長変換素子６０３を２つのペルチェ素子６０５ａ，６０５ｂで挟み、一つの波長変換素子６０３における温度コントロール領域を上下に２分割することで、Ｐ偏光、Ｓ偏光それぞれの位相整合波長を合わせることができる。ここでは、前記波長変換素子６０３の上部が前記ペルチェ素子６０５ａにより約２２℃に、また該素子６０３の下部が前記ペルチェ素子６０５ｂにより約２８℃にコントロールされる。

従って、まず反射面６０８ａを透過し、該波長変換素子６０３に入射した前記基本波Ｌ１１のうち、Ｐ偏光の基本波（パワー換算で、該入射した基本波光の２０〜３０％）が波長変換され、入射光の半分の波長である緑色光（５４２ｎｍ）になる。
よってこの時、前記波長変換素子６０３からは、該波長変換素子６０３において波長変換された緑色光と、その残りの基本波光（Ｐ偏光の残留基本波光）と、波長変換素子６０３で波長変換されなかったもう一方の偏光（Ｓ偏光）の基本波光とを含む光Ｌ４２が出力される。

前記出力光Ｌ４２は、再コリメートレンズ３０４ａでコリメート光に戻された後、λ／２波長板３０７を通過する。前記λ／２波長板３０７は、入射されるＳ偏光の基本波光の偏光方向を、前記波長変換素子６０３の誘電主軸ｚ軸方向に合わせることが可能なように配置されているので、前記λ／２波長板３０７は、前記出力光Ｌ４２に含まれる基本波光の偏光方向を回転させる。具体的には、Ｐ偏光の残留基本波光をＳ偏光の残留基本波光に、またＳ偏光の基本波光をＰ偏光の基本波光にする。

前記λ／２波長板３０７を通過した光Ｌ４３は、折り返し用のプリズム６０９に入射される。前記プリズム６０９は、各反射面６０９ａ、６０９ｂに、基本波波長を反射し、第２高調波（緑色光）波長を透過する誘電体多層膜コーティングが施されているものである。

よって、前記プリズム６０９に入射された光Ｌ４３は、反射面６０９ａにおいて、変換後のＰ偏光の緑色光Ｌ４３ａのみ透過されて出力され、Ｓ偏光の残留基本波光と前記波長変換素子６０３で波長変換されなかったＰ偏光の基本波光とを含む光Ｌ４３ｂは、前記プリズム６０９の反射面６０９ａ，６０９ｂにより反射され、前記波長変換素子６０３方向に折り返される。

その後、前記出力光Ｌ４３ｂは、集光レンズ３０２ｂにより、前記波長変換素子６０３に再び集光される。前述したように、前記波長変換素子６０３では、Ｐ偏光の基本波光について波長変換がなされるため、前記光Ｌ４３ｂのうちＰ偏光の基本波光（パワー換算で、入射した光Ｌ４３ｂの２０〜３０％）について波長変換され、入射光の半分の波長である緑色光（５４２ｎｍ）になる。

よってこの時、前記波長変換素子６０３からは、該波長変換素子６０３において波長変換された緑色光と、その残りの基本波光（Ｐ偏光の残留基本波光）と、前記Ｓ偏光の残留基本波光とを含む光Ｌ４４が出力される。

前記出力光Ｌ４４は、プリズム６０８に入射され、該プリズム６０８の反射面６０８ｂにおいて、基本波光のみ、すなわち前記Ｓ偏光の残留基本波光及びＰ偏光の基本波光を含む光Ｌ４４ｂが透過されて出力され、前記Ｐ偏光の緑色光Ｌ４４ａは、前記プリズム６０８の反射面６０８ａ，６０８ｂで反射され、前記波長変換素子６０３方向に折り返される。

前記Ｐ偏光の緑色光Ｌ４４ａは、前記波長変換素子６０３、再コリメートレンズ３０４ａ、λ／２波長板３０７を再度通過した後、前記プリズム６０９に入射され、該反射面６０９ａから透過され出力される。

このように本実施の形態３では、波長変換光学装置６００より、同じ偏光方向の緑色光が出射される。

当該波長変換光学装置６００の出力特性は、前記実施の形態１の図２で示される波長変換光学装置３００の出力特性（図４，５参照）とほぼ同じ結果となる。すなわち、本実施の形態３の構成においては、従来では結晶破壊が起こるため入射できなかった高い出力の基本波光を、波長変換素子に入射することが可能となるため、従来結晶破壊が発生していた３Ｗを超える出力（４Ｗ以上）を得るための基本波光を波長変換素子でうけた状態においても、紫外光による緑色光の出力飽和や、結晶破壊を回避することができ、結晶破壊なしで高い変換効率を実現できる。また、当該装置６００によれは、前記波長変換素子６０３において行なわれる２回目の波長変換が、１回目の波長変換の影響をうけないので、優れた出力安定性・信頼性も得られる。

さらに、本実施の形態３では、前記実施の形態１と同様、基本波光源３０１として、偏波保持ファイバを備えたファイバレーザ光源２０１を用い、基本波光Ｌ１１として、波長の異なるＰ偏光、Ｓ偏光を出射するようにしているので、波長変換素子６０３において、前記基本波光源Ｌ１１のうち、前記素子の結晶の誘電主軸ｚ軸方向に応じた偏光成分で、且つ該素子の上下に備えられたペルチェ素子６０５ａ，６０５ｂによる制御温度に応じた波長を有する偏光成分のみを波長変換するため、一つの波長変換素子６０３において、該基本波光Ｌ１１を、確実に各偏光成分毎に独立して波長変換することが可能となる。従って、当該装置６００において、前記基本波光Ｌ１１として、発振波長が単一であるランダム偏光を出射させ、前記波長変換素子にて偏光成分毎に波長変換する場合に比べて、前記基本波光Ｌ１１として、波長の異なるＰ偏光、Ｓ偏光をもつ基本波光を出射させ、波長変換素子にて偏光成分毎に波長変換するほうが、第２高調波の出力安定性・信頼性をさらに向上させることができる。また、本実施の形態３では、一つの波長変換素子６０３の上下にペルチェ素子６０５ａ，６０５ｂを備え、各ペルチェ素子にて異なる設定温度で温度制御を行う構成であるため、各ペルチェ素子６０５ａ，６０５ｂの設定温度が大きく異なると温度制御しにくいが、本実施の形態３では、基本波光源としてファイバレーザ光源を用いており、発振波長差が小さいＰ，Ｓ偏光を出射することができるので、各ペルチェ素子６０５ａ，６０５ｂによる波長変換素子６０３内の温度制御が行いやすい効果も得られる。

なお、前述した説明では、波長変換素子６０３と、折り返し用プリズム６０８，６０９とを別に配置する例を説明したが、図１０に示すように、該折り返し用プリズムと波長変換素子の結晶とを一体化した構成にすることも可能である。以下、その構成について、図１０を用いて説明する。

図１０は、本実施の形態３の波長変換光学装置において、波長変換素子として、結晶と折り返し用プリズムとを一体にした素子を用いた波長変換光学装置の構成を示す図である。ここでも、基本波光源３０１として、前述したファイバレーザ光源２０１を用いる。

本実施の形態で用いられる前記波長変換素子７０６は、酸化マグネシウムを添加したニオブ酸リチウム結晶（Ｍｇ：ＬＮ）で、基板上に、分極反転部７０３とプリズム部７０８，７０９、及びλ／２波長板３０７が形成されている。そして、前記プリズム部７０８の各反射面７０８ａ，７０８ｂには、基本波波長を透過し、第２高調波（緑色光）波長を反射する誘電体多層膜コーティングが施されており、また、前記プリズム部７０９の各反射面７０９ａ，７０９ｂには、基本波波長を反射し、第２高調波（緑色光）波長を透過する誘電体多層膜コーティングが施されている。

また、前述した図９に示す構成と同様、前記波長変換素子７０６は、銅板上に固定されており、分極反転部７０３を挟むように設けられたペルチェ素子７０５ａ，７０５ｂにより、温度コントロールされる。この波長変換素子の温度コントロールにより、位相整合波長の微調整が行なわれ、前述した実施の形態３と同様、該波長変換素子７０６の分極反転部７０３を２つのペルチェ素子７０５ａ，７０５ｂで挟み、一つの波長変換素子７０３における温度コントロール領域を上下に２分割することで、Ｐ偏光、Ｓ偏光それぞれの位相整合波長を合わせることができる。ここでは、前記波長変換素子６０３の上部が前記ペルチェ素子６０５ａで約２２℃に、また該素子６０３の下部が前記ペルチェ素子６０５ｂで約２８℃にコントロールされる。

さらに、図１０のような構成にした場合、集光レンズ３０２は、波長変換素子７０６の外に置かれる。集光レンズ３０２の焦点距離は、該素子７０６内を通過する光路の長さで決定される。例えば、素子７０６の長さは１０ｍｍであっても、折り返し分も含めた光路が２５ｍｍであったならば、前記集光レンズ３０２の焦点距離は、１０ｍｍ素子の最適値であるｆ＝２０ｍｍではなく、最適値であるｆ＝３０ｍｍのものを用いることが望ましい。

なお、本波長変換光学装置７００に入射された基本波光Ｌ１１が第２高調波Ｌ５３ａ，Ｌ５４ａに波長変換されるまで流れ、及び本装置７００から出射される第２高調波Ｌ５３ａ，Ｌ５４ａの出力特性は、前述した実施の形態３と同様であるため、ここでは説明を省略する。

以上のように、本実施の形態３の波長変換光学装置によれば、基本波光源３０１として、互いに直行する２方向の偏光（Ｐ偏光，Ｓ偏光）を持つ基本波Ｌ１１を出力するファイバレーザ光源を用い、該基本波Ｌ１１を、折り返し用プリズム６０８，６０９を用いて、波長変換素子６０３に折り返し入射させ、前記基本波Ｌ１１のＰ偏光，Ｓ偏光を別々に波長変換するようにしたので、波長変換素子６０３に対して、従来では結晶破壊が起こるため入射できなかった高い出力の基本波光を入射することが可能となり、結果、結晶破壊なしで高い変換効率を実現できると共に、優れた出力安定性・信頼性も得ることができる。また、本実施の形態３によれば、当該装置を非常に小型化できるというさらなる効果が得られる。

さらに、本実施の形態３によれば、基本波光源３０１として偏波保持ファイバを備えたファイバレーザ光源２０１を用い、発振波長の異なるＰ偏光、Ｓ偏光をもつ基本波光Ｌ１１を出射させ、一つの波長変換素子６０３の上下部に設けたペルチェ素子６０５ａ，６０５ｂによる温度制御の下で波長変換させるようにしたので、該波長変換素子６０３において、該基本波光Ｌ１１の各偏光成分を、確実に波長変換することが可能となり、第２高調波の出力安定性・信頼性をより向上することができる。

（実施の形態４）
前記実施の形態３では、一つの波長変換素子で、基本波光源からの基本波光を折り返すことで、該基本波光に対して、それぞれの偏光方向（ｐ方向、ｓ方向）において独立して波長変換した第２高調波が同じ偏光方向である場合について説明したが、本実施形態４では、互いに直行する偏光方向をもつ第２高調波が出力される構成について説明する。

以下、本実施の形態４における波長変換光学装置８００の構成について、図１１を用いて説明する。
本実施の形態４では、前記各実施の形態と同様、基本波光源３０１として、図１（ａ）に示すＹｂ添加偏波保持ファイバ２０５を用いたファイバレーザ光源２０１を使用し、波長変換素子として、光による劣化を防止するために酸化マグネシウムを添加したニオブ酸リチウム結晶（Ｍｇ：ＬＮ）に、周期的分極反転を形成した擬似位相整合波長変換素子を使用する。よって、前記基本波光源３０１から出射される基本波光Ｌ１１は、前記実施の形態１と同様、波長変換素子に対して、水平な偏光方向の光（Ｐ偏光）と垂直な偏光方向の光（Ｓ偏光）を持ち、また、該各偏光の発振波長は若干異なっている（図３参照）。

本実施の形態４における、波長変換光学装置８００の構成は、図９に示す前記実施の形態３の波長変換光学装置６００の構成とほぼ同じであるが、折り返し用プリズム６０９の前段に、基本波を９０度回転させるλ／２波長板３０７の代わりに、基本波光と波長変換後の第２高調波の両方を９０度回転させる、基本波・第２高調波のλ／２波長板８０７（以下、単に「第２のλ／２波長板」と称す）を設けると共に、該第２のλ／２波長板８０７に対して、前記折り返し用プリズム６０８の反射面６０８ａで折り返された光（図１１では光Ｌ６４ａ）が入射されないように、該第２のλ／２波長板８０７が小さく設計されている点で異なる。以下、詳細に説明する。

まず、前記基本波光源３０１から出射された光Ｌ１１（１０８４ｎｍ：基本波）は、折り返し用のプリズム６０８を通過し、集光レンズ３０２ａで波長変換素子６０３内に集光される。そして、前記基本波Ｌ１１の２方向の偏光（Ｐ偏光、Ｓ偏光）のうち、偏光が結晶の誘電主軸ｚ軸方向と平行なもの（Ｐ偏光）について波長変換がなされる。

ここで、前記プリズム６０８は、各反射面６０８ａ、６０８ｂに、基本波波長を透過し、第２高調波（緑色光）波長を反射する誘電体多層膜コーティングが施されたものであり、また、前記波長変換素子６０３は、厚さ１ｍｍ、長さ２５ｍｍのＭｇ：ＬＮ（ｚ軸方向が基板の面内に垂直）に、周期Ａ＝７．３８μｍで周期的に分極反転構造が形成されており、該波長変換素子６０３の両端は、光学研磨が施され、入射側、出射側ともに、基本波（波長：１０８４ｎｍ）及び第２高調波（波長：５４２ｎｍ近辺）の低反射コーティングが施されているものである。また、前記波長変換素子６０３は、銅板上に固定され、該波長変換素子６０３を挟むように設けられたペルチェ素子６０５ａ，６０５ｂにより温度コントロールされる。この波長変換素子の温度コントロールにより、位相整合波長の微調整が行なわれ、前述した実施の形態３と同様、前記波長変換素子６０３を２つのペルチェ素子６０５ａ，６０５ｂで挟み、一つの波長変換素子６０３における温度コントロール領域を上下に２分割することで、Ｐ偏光、Ｓ偏光それぞれの位相整合波長を合わせることができる。ここでは、前記波長変換素子６０３の上部が前記ペルチェ素子６０５ａにより約２２℃に、また該素子６０３の下部が前記ペルチェ素子６０５ｂにより約２８℃にコントロールされる。

従って、まず反射面６０８ａを透過し、該波長変換素子６０３に入射した前記基本波Ｌ１１のうち、Ｐ偏光の基本波（パワー換算で、該入射した基本波光Ｌ１１の２０〜３０％）が波長変換され、入射光の半分の波長である緑色光（５４２ｎｍ）になる。

よってこの時、前記波長変換素子６０３からは、該波長変換素子６０３において波長変換された緑色光と、その残りの基本波光（Ｐ偏光の残留基本波光）と、波長変換素子６０３で波長変換されなかったもう一方の偏光（Ｓ偏光）の基本波光とを含む光Ｌ６２が出力される。

前記出力光Ｌ６２は、再コリメートレンズ３０４ａでコリメート光に戻された後、第２のλ／２波長板８０７を通過する。この第２のλ／２波長板８０７は、入射されるＳ偏光の基本波光、及び波長変換後のＳ偏光の緑色光の偏光方向を回転させて、前記波長変換素子６０３の誘電主軸ｚ軸方向に合わせることが可能なように配置されているので、前記第２のλ／２波長板８０７は、前記出力光Ｌ６２に含まれる基本波光及び第２高調波の偏光方向を回転させる。具体的には、Ｐ偏光の緑色光をＳ偏光の緑色光に、またＰ偏光の残留基本波光をＳ偏光の残留基本波光に、さらにＳ偏光の基本波光をＰ偏光の基本波光にする。

前記第２のλ／２波長板８０７を通過した光Ｌ６３は、折り返し用のプリズム６０９に入射される。前記プリズム６０９は、各反射面６０９ａ、６０９ｂに、基本波波長を反射し、第２高調波（緑色光）波長を透過する誘電体多層膜コーティングが施されているものである。

よって、前記プリズム６０９に入射された光Ｌ６３は、反射面６０９ａにおいて、変換後の緑色光Ｌ６３ａのみ透過されて出力され、Ｓ偏光の残留基本波光と前記波長変換素子６０３で波長変換されなかったＰ偏光の基本波光とを含む光Ｌ６３ｂは、前記プリズム６０９の反射面６０９ａ，６０９ｂにより反射され、前記波長変換素子６０３方向に折り返される。

その後、前記出力光Ｌ６３ｂは、集光レンズ３０２ｂにより、前記波長変換素子６０３に再び集光される。前述したように、前記波長変換素子６０３では、Ｐ偏光の基本波光について波長変換がなされるため、前記光Ｌ６３ｂのうち、Ｐ偏光の基本波光（パワー換算で、入射した光Ｌ４３ｂの２０〜３０％）について波長変換がなされ、入射光の半分の波長である緑色光（５４２ｎｍ）になる。

よってこの時、前記波長変換素子６０３からは、該波長変換素子６０３において波長変換された緑色光と、その残りの基本波光（Ｐ偏光の残留基本波光）と、前記Ｓ偏光の残留基本波光とを含む光Ｌ６４が出力される。

前記出力光Ｌ６４は、プリズム６０８に入射され、該プリズム６０８の反射面６０８ｂにおいて、基本波光、すなわち前記Ｓ偏光の残留基本波光及びＰ偏光の基本波光を含む光Ｌ６３ｂのみが透過されて出力され、前記Ｐ偏光の緑色光Ｌ６３ａは、前記プリズム６０８の反射面６０８ａ，６０８ｂで反射され、前記波長変換素子６０３方向に折り返される。

前記Ｐ偏光の緑色光Ｌ６３ａは、前記波長変換素子６０３及び再コリメートレンズ６０４ａを再度通過した後、前記プリズム６０９に入射され、該反射面６０９ａから透過され出力される。

このように本実施の形態４では、波長変換光学装置８００より、異なる偏光方向の緑色光が出射される。

当該波長変換光学装置８００の出力特性は、前記実施の形態２の図８で示される波長変換光学装置５００の出力特性（図４，５参照）とほぼ同じ結果となる。すなわち、本実施の形態４の構成においては、従来では結晶破壊が起こるため入射できなかった高い出力の基本波光を、波長変換素子に入射することが可能となり、この結果、従来結晶破壊が発生していた３Ｗを超える出力（４Ｗ以上）を前記波長変換素子で得た状態においても、紫外光による緑色光の出力飽和や、結晶破壊を回避することができ、結晶破壊なしで高い変換効率を実現できる。また、すぐれた出力安定性・信頼性も得られる。さらに、本実施の形態４では、前記実施の形態３と同様、基本波光源３０１として、偏波保持ファイバを備えたファイバレーザ光源２０１を用い、発振波長の異なるＰ偏光、Ｓ偏光をもつ基本波光Ｌ１１を出射させ、一つの波長変換素子６０３の上下部に設けたペルチェ素子６０５ａ，６０５ｂによる温度制御の下で、波長変換させるようにしたので、該波長変換素子６０３において、該基本波光Ｌ１１を各偏光成分毎に確実に波長変換することが可能となるため、当該装置８００において、発振波長が単一であるランダム偏光の基本波光を出射させて該波長変換素子６０３にて偏光成分毎に波長変換する場合に比べて、第２高調波の出力安定性・信頼性を向上させることができる。

なお、前述した説明では、波長変換素子６０３と、折り返し用プリズム６０８，６０９とを別に配置する例を説明したが、前記実施の形態３において図１０を用いて説明したように、該折り返し用プリズムと波長変換素子の結晶とを一体化した構成にすることも可能である。このようにすれば、当該波長変換光学装置を更に小型化できる効果が得られる。

なお、前述した各実施の形態においては、赤外光（１０８４ｎｍ）から緑色光（５４２ｎｍ）を発生させる場合を例に挙げて説明をしたが、これに限るものではなく、ファイバレーザ光源から出射させる基本波の波長を変えれば、黄緑光（５６０ｎｍ）〜青色光（４８０ｎｍ）の光を発生させることが可能である。

また、前述した各実施の形態では、基本波光源３０１としてファイバレーザ光源を用いる場合を一例に挙げたが、これに限るものではない。他の光源を使用した場合は、黄緑光（５６０ｎｍ）〜近紫外光（３８０ｎｍ）の光を発生させることが可能である。

また、前記各実施の形態においては、前記波長変換素子として、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を添加したニオブ酸リチウム（Ｍｇ：ＬｉＮｂＯ_３）を使用する場合を例に挙げたが、その他に、ノンドープニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３：ＬＮ）、ノンドープタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３：ＬＴ）、あるいは、ＺｎＯを添加したニオブ酸リチウム（Ｚｎ：ＬｉＮｂＯ_３）、ＭｇＯないしＺｎＯを添加したタンタル酸リチウム（Ｍｇ：ＬｉＴａＯ_３、Ｚｎ：ＬｉＴａＯ_３）、リン酸チタニルカリウム（ＫＴｉＯＰＯ_４：ＫＴＰ）、希土類カルシウムオキシボレート類（ＲｅＣａ_４Ｏ（ＢＯ_３）_３、Ｒｅ：希土類元素）、水晶などを用いることも可能である。ただし、各実施の形態の波長変換光学装置に示すように、ファイバレーザ光源から出射された基本波光Ｌ１１より、黄緑色光（５６０ｎｍ）から青色光（４８０ｎｍ）を発生させる場合、その変換効率や光による結晶の劣化の耐性を鑑みれば、ＭｇＯを添加したニオブ酸リチウム（Ｍｇ：ＬｉＮｂＯ_３）を用いるのがもっとも望ましい。

ところで、前述した各実施の形態の波長変換光学装置では、基本波光源としてファイバレーザ光源を用いているため、各偏光で発振波長が若干異なり、それぞれの波長について波長変換することにより、複数波長の第２高調波を得ることが可能となる。よって、各実施の形態で説明した波長変換光学装置を、レーザディスプレイ（画像表示装置）や半導体プロセスの露光用光源として使用した場合、光のコヒーレンス性（単一波長・同位相の光であること）が必要以上に大きいために発生する不要なノイズパターン（スペックルノイズ）を低減することができる。

以下、図１２（ａ）を用いて、前記実施の形態１で説明した波長変換光学装置を、レーザディスプレイ（画像表示光学装置）として使用する場合の構成の一例を説明する。

（実施の形態５）
図１２（ａ）は、同じ偏光方向の２本の第２高調波を出射する波長変換光学装置を、緑色光用光源として使用したレーザディスプレイの構成を示す図である。

本実施の形態５では、レーザディスプレイ９００の光源として、赤、緑、青の３色のレーザ光源を用いた。

具体的には、赤色光源９０１として、波長６３５ｎｍのＧａＡｓ系半導体レーザを、青色光源９０３として、波長４４５ｎｍのＧａＮ系半導体レーザを用いた。前記各半導体レーザは、３個〜８個の半導体レーザの出力をバンドルファイバにより１本のファイバ出力で得られるような構造をしており、その波長スペクトル幅は、数ｎｍと非常にブロードなものとなっている。この広いスペクトルによりスペックルノイズの発生を抑制している。

一方、緑色光源９０２には、本実施の形態１で説明した波長変換光学装置３００を用いた。
前記緑色光源９０２を出射した波長の異なるＰ偏光の２本の緑色光（第２高調波）は、反射型変調素子９０５ａ、９０５ｂに送られ、空間変調される。そして、ミラー９０７を介して、合波プリズム９０８により、それぞれ変調素子９０４、９０６で変調された赤色光、青色光と混合され、カラー画像を形成する。形成した画像は、投射レンズ９０９によりスクリーン９１０に投影される。

このように、前記緑色光源９０２の波長の異なる２本の緑色光を、異なる位置から出射し、該波長の異なる緑色光ごとに変調素子９０５ａ，９０５ｂにて空間変調することで、ヒトの目の感度が高い緑色の解像度を向上することができ、この結果、画像表示光学装置の高画質化が可能となる。

図１３は、１つのレーザ光源から出射される２本の光のピーク波長差と、スペックルノイズ明暗差との関係を示す図である。なお、図中において、「単色」とは、光源より単一波長、単一偏光の光が出射される場合を意味し、ここでは、その際のスペックルノイズ明暗差を１としている。また、図１３は同じスクリーンで比較した結果をプロットした。

図１３に示すように、従来のレーザ光源から出射される光が単色であった場合、画像表示光学装置にスペックル除去光学系（図示せず）を設けたとしても、スペックルノイズ明暗差を０．０７〜０．０８にするのが限界だったが、本願のように、レーザ光源より波長の異なる２本の光を出射するようにすれば、スペックル除去光学系として、より構成が単純な揺動拡散板を用いたスペックル除去機構を用いた場合であっても、単色の場合に比べて、スペックルノイズ明暗差を小さくすることができる。

また、スペックルノイズには、光の偏光により異なったパターンを持つという特徴がある。従って、図１２（ｂ）に示すように、レーザ光源として異なる偏光を出射する波長変換光学装置（例えば実施の形態２に示したもの）を用いるようにすれば、画像の投影面で異なるスペックルノイズを重ね合わせることになるので、不要なノイズパターン（スペックルノイズ）をさらに低減することが可能となる。

すなわち、図１３に示すように、従来のレーザ光源から出射される光が単色であった場合、画像表示光学装置にスペックル除去光学系（図示せず）を設けたとしても、スペックルノイズ明暗差を０．０７〜０．０８にするのが限界だったが、レーザ光源より波長も偏光も異なる２本の光を出射するようにすれば、単色の場合に比べてスペックルノイズ明暗差をかなり小さいものにでき、さらに、スペックル除去光学系（図示せず）を設けるようにすれば、該スペックルノイズ明暗差を肉眼で分からないレベルである０．０４程度（波長差が０．２７ｎｍである場合）にすることが可能となった。

なお、本実施の形態５では、スクリーンの前面から画像を投影する前面投射型の画像表示光学装置を例に挙げて説明したが、スクリーンの背後から画像を投影する背面投射型の構成をとることも可能である。

さらに、図１２では、空間変調素子として、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を用いることも、もちろん可能である。

なお、以上の各実施の形態に例示した構造はあくまでも一例であり、他の態様をとることが可能であることは言うまでもない。

本発明は、高い信頼性・高い出力安定性を持つ波長変換光学装置、レーザ光源、及び高画質の画像表示光学装置を実現するものとして有用である。

【０００４】
ことが必須条件である。すなわち、高輝度な画像表示装置用の波長変換光学装置の実現には、前述した両方の条件を満たす光源の開発が必要となっていた。
［００１２］
本発明は、第３高調波による第２高調波吸収の影響を低減し、波長変換光出力の安定性及び信頼性を高めることができ、且つ表示画像の高画質化が可能な波長変換光を出力できる波長変換光学装置、及びそれを用いたレーザ光源、並びに画像表示光学装置を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
［００１３］
前記課題を解決するために、本発明の波長変換光学装置は、基本波光を出力する基本波光源と、前記基本波光源からの基本波光を波長変換して高調波を発生させる分極反転部を含む波長変換機構と、を備え、前記基本波光源は、互いに垂直な２方向の偏光成分を有し、それぞれの偏光成分で波長が異なる基本波光を出力するファイバレーザ光源であり、前記波長変換機構は、前記基本波光を、互いに垂直な２方向の偏光成分毎に波長変換するものである。
［００１４］
これにより、前記高調波出力の飽和、及び結晶の破壊を回避すると同時に、波長変換された高調波の出力安定性・信頼性を向上することができる。
［００１５］
さらに、本発明の波長変換光学装置は、前記基本波の発振波長が、前記２方向の偏光成分で異なるものである。
これにより、波長変換された高調波の出力安定性・信頼性をより向上させることができる。
［００１６］
さらに、本発明の波長変換光学装置は、前記波長変換機構から出射される２本の高調波光の偏光方向が同じであるものである。
［００１７］
さらに、本発明の波長変換光学装置は、前記波長変換機構から出射される２本の高調波光の偏光方向が互いに垂直であるものである。
［００１８］
さらに、本発明の波長変換光学装置は、前記基本波光、あるいは該基本波光と前記波長変換機構で波長変換された高調波とを含む光を、その偏光成分毎に分離する偏光分離機構を備えるものである。
［００１９］
これにより、前記基本波光源より出射された基本波光を各偏光成分毎に分割することができる。
［００２０］
さらに、本発明の波長変換光学装置は、該波長変換機構の同一基板内に、前記分極反転部と、該分極反転部の、前記基本波光の入射側に設けられた該基本波光を

【０００５】
透過する第１の反射鏡と、該分極反転部で波長変換された高調波の出射側に設けられた該高調波を透過する第２の反射鏡と、前記分極反転部を通過した基本波の偏光を転換する波長板と、を備え、さらに、前記分極反転部の温度制御を行なう２つの温度調節機構、を備えるものである。
これにより、当該装置を更に小型化できる。
［００２１］
さらに、本発明の波長変換光学装置は、前記波長変換機構の前記分極反転部は、ＭｇＯ、ＺｎＯを添加した、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３：ＬＮ）、あるいはタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３：ＬＴ）の、少なくとも一部分を分極反転することにより形成されているものである。
［００２２］
これにより、当該装置において、より高い変換効率を得ることができる。
［００２３］
また、本発明の画像表示光学装置は、請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の波長変換光学装置と、前記波長変換光学装置で変換され出射される２本の高調波それぞれを変調する変調機構と、前記変調機構により変調された光を投影する投影光学系と、を備えるものである。
［００２４］
これにより、スペックルノイズを低減できる画像表示光学装置を提供することができる。更に好ましくは、当該画像表示光学装置に、請求項２または請求項４に記載の波長変換光学装置を用いれば、スペックルノイズをより低減することができる。
［００２５］
また、本発明のレーザ光源は、請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の波長変換光学装置を具備したものである。
［００２６］
これにより、前記高調波出力の飽和、及び結晶の破壊を回避すると同時に、それぞれ独立に波長変換された高調波の出力安定性・信頼性を向上することができるレーザ光源を提供できる。
また、本発明の波長変換光学装置は、請求項１に記載の波長変換光学装置から出射される光において、それぞれの波長成分を持つビームが同軸で出射されていないものである。
これにより、波長の異なる２本の光を異なる位置から出射して、画像の解像度を向上することができる。
また、本発明の画像表示光学装置は、請求項１０に記載の波長変換光学装置を具備したものである。
これにより、スペックルノイズを低減できる画像表示光学装置を提供することができる。
発明の効果
［００２７］
本発明の波長変換光学装置、及びレーザ光源によれば、基本波光を出力する基本波光源と、前記基本波光源からの基本波光を波長変換して高調波を発生させる分極反転部を含む波長変換機構と、を備え、前記基本波光源は、互いに垂直な２方向の偏光成分を有し、それぞれの偏光成分で波長が異なる基本波光を出力するファイバレーザ光源であり、前記波長変換機構は、前記基本波光を、互いに垂直な２方向の偏光成分毎に波長変換するようにしたので、基本波成分と第２高調波成分との相互作

本発明は、擬似位相整合波長変換素子を用いた波長変換光学装置、及びこれを利用したレーザ光源、画像表示光学装置に関するものである。

加工用途、あるいはレーザディスプレイなどに使われる光源として、高出力レーザ光源が注目されている。そして、その赤外線領域においては、ＹＡＧレーザ等の固体レーザ、Ｙｂ，Ｎｄ等の希土類が添加されたファイバを用いたファイバレーザなどが開発されている。一方、赤色、青色領域においては、ガリウム・ヒ素、窒化ガリウム等を用いた半導体レーザが開発されており、高出力化も検討されている。しかし、緑色領域については、半導体から直接緑色を発生させることが依然として困難であり、前述の固体レーザ、ファイバレーザから発せられる赤外光を非線形光学結晶により波長変換して得るのが一般的である。

特に、前記非線形光学結晶としてニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃：ＬＮ）結晶を用いた場合、その大きな非線形光学定数により高い変換効率を得ることができることが知られており、装置の構成も簡単にできることから、このニオブ酸リチウム（ＬＮ）結晶に分極反転技術を用いて形成された擬似位相整合（ＱＰＭ）波長変換素子が、百ｍＷ程度の出力の波長変換光学装置によく用いられている。

数Ｗクラスの出力を得る波長変換光学装置では、リチウムトリボレート（ＬｉＢ₃Ｏ₅：ＬＢＯ）結晶、リン酸チタニルカリウム（ＫＴｉＯＰＯ₄：ＫＴＰ）結晶などの非線形光学結晶が用いられる。前記ＬＢＯ結晶は、基本波や発生した第２高調波による結晶破壊・劣化が起こりにくいという特徴を持っているが、非線形光学定数が小さいため、高い変換効率を得るには共振器を構成しその中に結晶を配置する必要があり、装置構造が複雑で緻密な調整が必要となる。前記ＫＴＰ結晶は、前記ＬＢＯ結晶と比べて非線形光学定数が大きく、共振器を構成しなくても高い変換効率が得られるが、基本波や発生した第２高調波による結晶破壊・劣化が起こりやすいという欠点を持っている。

ところで、前述したＬＮ結晶を用いた擬似位相整合素子（ＱＰＭ−ＬＮ素子）は、前記ＫＴＰ結晶を用いた場合よりも大きな非線形光学定数を持つため、高効率、高出力の波長変換が可能である。しかしながら、前記ＱＰＭ−ＬＮ素子は、狭い領域に光エネルギーを集光する必要があるため、実質的には前記ＫＴＰ結晶より、基本波や発生した第２高調波による結晶破壊・劣化が起こりやすい。すなわち、前記ＱＰＭ−ＬＮ素子によって数Ｗの高調波を得る場合、そのＬＮ結晶の大きな非線形光学定数が原因となり、基本波となる赤外光と、波長変換された緑色光（第２高調波）との和周波である紫外光（第３高調波）が、位相整合条件からはずれた場合においても発生し、その発生した紫外光（第３高調波）が発生した緑色光（第２高調波）の吸収を引き起こし、緑色光出力の飽和・結晶破壊を引き起こすという問題があった。

この問題を解決するため、従来においては、特許文献１や特許文献２のように、波長変換用の非線形光学結晶を２段構成にし、１段目の波長変化によって変換されなかった基本波を、再び２段目の波長変換に用いるようにすることが提案されている。このようにすれば、１段目と２段目の合計で変換効率を大きくでき、また、基本波成分と第２高調波成分の相互作用を低減して紫外光である第３高調波の発生を抑制することができる。
特開平１１−２７１８２３号公報 特開２００５−１０７３９号公報

以下、図１４を用いて、特許文献１に示される従来の波長変換光学装置の構成について説明する。従来の波長変換光学装置１００は、基本波光源１０１より発せられた基本波光Ｌ１を、まず１段目の波長変換部１０２ａで波長変換して第２高調波を発生させる。前記１段目の波長変換部１０２ａからは、該波長変換部１０２ａで発生した前記第２高調波と、該波長変換部１０２ａで変換されなかった基本波光（残留基本波光）とを含む光Ｌ２が出力される。前記光Ｌ２は、基本波を透過して高調波を反射する分離ミラー１０３ａにより、第２高調波Ｌ２ａと残留基本波Ｌ２ｂとに分離される。そして、前記分離ミラー１０３ａを透過した残留基本波Ｌ２ｂは、ビーム径変換機構１０４によりビーム整形され、２段目の波長変換部１０２ｂで再び波長変換される。前記２段目の波長変換部１０２ｂからは、該波長変換部１０２ｂで変換された第２高調波と、該波長変換部１０２ｂにおいて変換されなかった残留基本波とを含む光Ｌ３が出力される。そして、前記光Ｌ３は、前述と同様、分離ミラー１０３ｂで、第２高調波Ｌ３ａと残留基本波Ｌ３ｂとに分離されるというものである。

しかしながら、前述した特許文献１の構成では、１段目の波長変換部１０２ａの波長変換効率が不安定になれば、２段目の波長変換部１０２ｂに入射される基本波の入力も変化し、その出力も不安定化される。つまり、２段目の波長変換部１０２ｂの出力安定性は、１段目の波長変換部１０２ａの出力安定性に大きく依存してしまうという問題がある。また、１段目の波長変換部１０２ａの出力が著しく低下した場合、２段目の波長変換部１０２ｂへの基本波入力が急激に上昇し、結晶を破壊してしまうという問題もある。そしてこれらの問題は、前記特許文献１の装置における波長変換の調整を困難にし、波長変換動作における出力安定性を低下させる原因となっていた。

また、前記特許文献１には、１段目の波長変換部１０２ａを通過した残留基本波Ｌ２ｂのビーム品質が劣化（横モード歪み）してしまうという問題もある。ビーム品質の劣化（横モード歪み）は、ビーム径変換機構１０４を通過しても除去できないからである。前述したビーム品質の劣化（横モード歪み）は、基本波と第２高調波との位相整合方法に角度位相整合を用いた場合は発生しにくいが、本願のように、波長変換素子として、変換効率は大きいが、波長変換に有効な領域が小さい分極反転構造の素子を用いる場合には、分極反転部での屈折率ひずみなどにより横モードひずみを起こしやすくその変換効率の低下を引き起こすことがわかっている。

また、前記特許文献２の構成には、途中で第２高調波を分離する機構がないため、今回課題となっている第３高調波（紫外光）が誘起する第２高調波（緑色光）の吸収を回避することはできない。

ところで、このようなレーザ光源を画像表示装置に用いて画像表示を行なう場合に、単一波長、単一偏光のレーザ光源を用いると、不要なノイズ（スペックルノイズ）が発生し、表示される画像の画質が劣化するという問題が生じることが知られている。しかし、レーザ光源において高効率な波長変換を行うには、単一波長、単一偏光であることが必須条件である。すなわち、高輝度な画像表示装置用の波長変換光学装置の実現には、前述した両方の条件を満たす光源の開発が必要となっていた。

本発明は、第３高調波による第２高調波吸収の影響を低減し、波長変換光出力の安定性及び信頼性を高めることができ、且つ表示画像の高画質化が可能な波長変換光を出力できる波長変換光学装置、及びそれを用いたレーザ光源、並びに画像表示光学装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の波長変換光学装置は、基本波光を出力する基本波光源と、前記基本波光源からの基本波光を波長変換して高調波を発生させる分極反転部を含む波長変換機構と、を備え、前記基本波光源は、互いに垂直な２方向の偏光成分を有し、それぞれの偏光成分で波長が異なる基本波光を出力するファイバレーザ光源であり、前記波長変換機構は、前記基本波光を、互いに垂直な２方向の偏光成分毎に波長変換するものである。

これにより、前記高調波出力の飽和、及び結晶の破壊を回避すると同時に、波長変換された高調波の出力安定性・信頼性を向上することができる。

さらに、本発明の波長変換光学装置は、前記基本波の発振波長が、前記２方向の偏光成分で異なるものである。
これにより、波長変換された高調波の出力安定性・信頼性をより向上させることができる。

さらに、本発明の波長変換光学装置は、前記波長変換機構から出射される２本の高調波光の偏光方向が同じであるものである。

さらに、本発明の波長変換光学装置は、前記波長変換機構から出射される２本の高調波光の偏光方向が互いに垂直であるものである。

さらに、本発明の波長変換光学装置は、前記基本波光、あるいは該基本波光と前記波長変換機構で波長変換された高調波とを含む光を、その偏光成分毎に分離する偏光分離機構を備えるものである。

これにより、前記基本波光源より出射された基本波光を各偏光成分毎に分割することができる。

さらに、本発明の波長変換光学装置は、該波長変換機構の同一基板内に、前記分極反転部と、該分極反転部の、前記基本波光の入射側に設けられた該基本波光を透過する第１の反射鏡と、該分極反転部で波長変換された高調波の出射側に設けられた該高調波を透過する第２の反射鏡と、前記分極反転部を通過した基本波の偏光を転換する波長板と、を備え、さらに、前記分極反転部の温度制御を行なう２つの温度調節機構、を備えるものである。
これにより、当該装置を更に小型化できる。

さらに、本発明の波長変換光学装置は、前記波長変換機構の前記分極反転部は、ＭｇＯ、ＺｎＯを添加した、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃：ＬＮ）、あるいはタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃：ＬＴ）の、少なくとも一部分を分極反転することにより形成されているものである。

これにより、当該装置において、より高い変換効率を得ることができる。

また、本発明の画像表示光学装置は、請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の波長変換光学装置と、前記波長変換光学装置で変換され出射される２本の高調波それぞれを変調する変調機構と、前記変調機構により変調された光を投影する投影光学系と、を備えるものである。

これにより、スペックルノイズを低減できる画像表示光学装置を提供することができる。 更に好ましくは、当該画像表示光学装置に、請求項２または請求項４に記載の波長変換光学装置を用いれば、スペックルノイズをより低減することができる。

また、本発明のレーザ光源は、請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の波長変換光学装置を具備したものである。

これにより、前記高調波出力の飽和、及び結晶の破壊を回避すると同時に、それぞれ独立に波長変換された高調波の出力安定性・信頼性を向上することができるレーザ光源を提供できる。
また、本発明の波長変換光学装置は、請求項１に記載の波長変換光学装置から出射される光において、それぞれの波長成分を持つビームが同軸で出射されていないものである。
これにより、波長の異なる２本の光を異なる位置から出射して、画像の解像度を向上することができる。
また、本発明の画像表示光学装置は、請求項１０に記載の波長変換光学装置を具備したものである。
これにより、スペックルノイズを低減できる画像表示光学装置を提供することができる。

本発明の波長変換光学装置、及びレーザ光源によれば、基本波光を出力する基本波光源と、前記基本波光源からの基本波光を波長変換して高調波を発生させる分極反転部を含む波長変換機構と、を備え、前記基本波光源は、互いに垂直な２方向の偏光成分を有し、それぞれの偏光成分で波長が異なる基本波光を出力するファイバレーザ光源であり、前記波長変換機構は、前記基本波光を、互いに垂直な２方向の偏光成分毎に波長変換するようにしたので、基本波成分と第２高調波成分との相互作用を低減することができ、第３高調波（紫外光）の発生を抑制することが可能となる。これにより、前記第３高調波が原因となって引き起こされる第２高調波（緑色光）の吸収を抑制でき、波長変換機構における出力の飽和や、結晶破壊を回避できることに加え、当該装置から出力される第２高調波の安定性や信頼性を向上することが可能となる。

また、本発明の波長変換光学装置あるいはレーザ光源において、前記基本波光源から出射された基本波の偏光状態を任意の光パワー比率で２方向に分割した後、該分割した各偏光の基本波光を波長変換機構で波長変換するようにした構成では、前記波長変換機構においてビーム品質が劣化（横モード歪み）することによる変換効率の低下を抑えることが可能となり、当該装置において、高い変換効率を得ることができる。

また、本発明の波長変換光学装置あるいはレーザ光源において、前記基本波光源より、波長が異なる２方向の偏光成分を持つ基本波光を出射するようにすれば、前記波長変換機構において、基本波光の各偏光成分をより確実に独立して波長変換することができるため、当該装置より出力される第２高調波の安定性や信頼性をさらに向上することができる。また、基本波光源として偏波保持ファイバを備えたファイバレーザ光源を用いるようにすれば、波長差の小さい２方向の偏光成分をもつ基本波光を出射できるため、前記波長変換機構において各偏光成分を独立して波長変換する際の制御がしやすいという効果が得られる。

さらに、本発明の画像表示光学装置によれば、緑色光源から出射される、異なる波長の緑色光を複数箇所から出射し、該波長の異なる光ごとに空間変調するようにしたので、ヒトの目の感度が高い緑色の解像度を向上することが可能となり、当該画像表示光学装置の高画質化が可能となる。

また、前記緑色光源から出射される緑色光として、異なる波長且つ異なる偏光方向の光を出射し、各光ごとに空間変調するようにすれば、画像の投影面で異なるスペックルノイズを重ね合わせることになるので、画像表示装置用光源として使用する場合、不要なノイズパターン（スペックルノイズ）を大幅に低減することが可能となる。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
本実施の形態１では、基本波光源としてＹｂ添加ダブルクラッド偏波保持ファイバを用いたファイバレーザ光源を使用し、波長変換素子として、光による劣化を防止するために酸化マグネシウムを添加したニオブ酸リチウム結晶（Ｍｇ：ＬＮ）に周期的分極反転を形成した擬似位相整合波長変換素子を使用し、該波長変換素子を直列に配置して、前記基本波光源より出力される基本波を波長変換する場合を示している。

まず、本実施の形態１で用いる基本波光源の構成について、図１を用いて、また、本実施の形態１における波長変換光学装置の構成について、図２を用いてそれぞれ説明する。本実施の形態１の波長変換光学装置３００では、前記波長変換素子を直列に配置する。これにより、設置面積を小さくすることが可能となる。

本実施の形態１の波長変換光学装置３００では、基本波光源３０１として、前述したようにファイバレーザ光源を使用する。ファイバレーザ光源から出射される基本波Ｌ１１は、当該波長変換光学装置３００内の波長変換素子に対して、水平な偏光方向（ｐ方向）と垂直な偏光方向（ｓ方向）を持つ。本実施の形態１の波長変換光学装置３００では、このそれぞれの偏光方向（ｐ方向、ｓ方向）において独立して波長変換を行うことを特徴とする。

以下、本実施の形態１で用いられるファイバレーザ光源の構成について詳細に説明する。まず、励起用半導体レーザ光源（波長９１５ｎｍ）２０２から発せられる赤外光は、ポンプコンバイナ２０３により一本のファイバにまとめられる。このときの励起光の合計出力は３０Ｗである。この励起光は、レーザ媒質であるＹｂ添加ダブルクラッド偏波保持ファイバ２０５（以下、単に「Ｙｂ添加偏波保持ファイバ」と称す。）に集光される。前記Ｙｂ添加偏波保持ファイバ２０５の両端には、発振波長（ここでは１０８４ｎｍ）で反射するよう設計されたファイバーグレーティング２０４ａ、２０４ｂが接続されており、該Ｙｂ添加偏波保持ファイバ２０５とファイバグレーティング２０４ａ、２０４ｂとにより、レーザ共振器２０６が構成される。

通常、偏波保持ファイバを用いたレーザ光源は、前述したように互いに垂直なｐ方向とｓ方向の２つの偏光（以下、それぞれＰ偏光、Ｓ偏光と称す。）を持つ。よって、このようなファイバレーザ光源を従来の波長変換光学装置に用いる場合、単一偏光を得るために、図１（ｂ）に示すように、前記レーザ共振器２０６の後段に、ポラライザなどの偏光単一化機構２０７を備え、前記２つの偏光を単一偏光化する必要があった。また、前記ファイバレーザ光源から出射される２つの偏光は、偏波保持ファイバに形成された狭帯域のファイバグレーティング２０４ｂが偏光方向に応じて２つの反射ピークを持つため、図３に示されるように、その２つの偏光の発振波長も１／１０ｎｍ〜数ｎｍほど異なる。そのため、前記偏光単一化機構２０７では、前記２つの偏光の発振波長をそろえる調整も行なわれる。

しかし、本実施の形態１の波長変換光学装置３００においては、波長が異なり、且つ互いに垂直な２方向の偏光（Ｐ偏光，Ｓ偏光）それぞれを、独立して波長変換を行う。従って、前記ファイバレーザ光源２０１で、前記２つの偏光の単一偏光化や、発振波長調整を行う偏光単一化機構２０７を設ける必要がなく、結果、基本波光源３０１の構成を簡略化できる。

なお、ファイバレーザ光源を構成するファイバに、偏波保持ファイバを使用しなかった場合、該ファイバレーザ光源からの光は、ランダム偏光（偏波無依存）となり、その発振波長は単一化されてしまうため、本発明で使用するファイバレーザ光源は、複数波長を発振させるために、偏波保持ファイバで構成される必要がある。

このように、基本波光源３０１として、前述したような偏波保持ファイバを備えたファイバレーザ光源２０１を用いれば、発振波長差の小さい２方向の偏光成分をもつ基本波光を出射でき、後述する波長変換素子において、該基本波光を各偏光成分毎に独立して確実に波長変換することができる。

次に、前述したファイバレーザ光源２０１を基本波光源３０１として用いた、本実施の形態１における波長変換光学装置３００の構成について説明する。

まず、前記基本波光源３０１から出射された光Ｌ１１（１０８４ｎｍ：基本波）を、コリメートレンズ等（図示せず）で８００μｍ程度のビーム径にコリメートし、集光レンズ３０２ａで集光する（ここでは焦点距離３０ｍｍ）。そして、集光した基本波光Ｌ１１を１段目の波長変換素子３０３ａに入射させ波長変換する。この第１の波長変換素子３０３ａでは、前記基本波Ｌ１１の２方向の偏光（Ｐ偏光、Ｓ偏光）のうち、偏光が結晶の誘電主軸ｚ軸方向と平行なもの（Ｐ偏光）について波長変換がなされる。前記第１の波長変換素子３０３ａは、厚さ１ｍｍ、長さ２５ｍｍのＭｇ：ＬＮ（結晶主軸ｚ軸方向が基板の面内に垂直）に、周期Λ＝７．３８μｍで周期的に分極反転構造が形成されており、該波長変換素子３０３ａの両端は、光学研磨が施され、入射側には基本波（波長：１０８４ｎｍ）の低反射コーティングが、出射側には第２高調波（波長：５４２ｎｍ近辺）の低反射コーティングが施されている。また、前記第１の波長変換素子３０３ａは、銅板上に固定されており、ペルチェ素子３０５ａにより温度コントロール（ここでは約２２℃）されている。この波長変換素子の温度コントロールにより、位相整合波長の微調整を行う。そして、前記第１の波長変換素子３０３ａにおいては、パワー換算で、入射した光Ｌ１１の２０〜３０％が波長変換され、入射光の半分の波長である緑色光（５４２ｎｍ）になる。

よって、前記第１の波長変換素子３０３ａからは、該波長変換素子３０３ａにおいて波長変換された緑色光と、その残りの基本波光（Ｐ偏光の残留基本波光）と、前記第１の波長変換素子３０３ａで波長変換されなかったもう一方の偏光、すなわち結晶の誘電主軸ｚ軸方向と垂直な偏光（Ｓ偏光）の基本波光とを含む光Ｌ１２が出力される。

前記出力光Ｌ１２は、再コリメートレンズ３０４ａで平行光に戻され、その後、偏光ビームスプリッタ３０６により、前記Ｐ偏光の緑色光と残留基本波光の光路を９０度曲げることで、該Ｐ偏光の緑色光と残留基本波光とを含む光Ｌ１３と、前記第１の波長変換素子３０３ａで波長変換されなかったＳ偏光の基本波光Ｌ１４とが分離される。

前記偏光ビームスプリッタ３０６をそのまま通過した前記Ｓ偏光の基本波光Ｌ１４は、基本波のλ／２波長板（以下、単に「λ／２波長板」と称す。）３０７を通過する。前記λ／２波長板３０７は、入射された基本波光Ｌ１４の偏光方向を、後段に設けられた２段目の波長変換素子３０３ｂの誘電主軸ｚ軸方向に合わせるように配置されているので、前記Ｓ偏光の基本波光Ｌ１４は、前記λ／２波長板３０７を通過すると、Ｐ偏光の基本波光Ｌ１５になる。

前記Ｐ偏光の基本波光Ｌ１５は、集光レンズ３０２ｂで集光された後、二段目の波長変換素子３０３ｂに入射される。この第２の波長変換素子３０３ｂでは、前記第１の波長変換素子３０３ａと同様、前記基本波の２方向の偏光（Ｐ偏光、Ｓ偏光）のうち、結晶の誘電主軸ｚ軸方向と平行な偏光（Ｐ偏光）について波長変換がなされる。前記第２の波長変換素子３０３ｂは、厚さ１ｍｍ、長さ２５ｍｍのＭｇ：ＬＮ（結晶の誘電主軸ｚ軸方向が基板の面内に垂直）に、周期Λ＝７．３８μｍで周期的に分極反転構造が形成されており、その他、コーティングの条件、保持方法、及びペルチェ素子３０５ｂによる温度コントロール方法は、前記第１の波長変換素子３０３ａと同様である。ただし、前述したように、前記ファイバレーザ光源より出射されるＰ偏光とＳ偏光は、若干波長が異なるため（図３では、波長差０．５ｎｍ）、前記ペルチェ素子３０５ｂでは、前記ペルチェ素子３０５ａとは異なる温度（ここでは約２８℃）で該第２の波長変換素子３０３ｂを温度コントロールする。この結果、位相整合波長の微調整が行なえ、Ｓ偏光、Ｐ偏光それぞれの位相整合波長を合わせることができる。この第２の波長変換素子３０３ｂにおいても、パワー換算で、入射した光Ｌ１５の２０〜３０％が波長変換され、入射光の半分の波長である緑色光（５４２ｎｍ近辺）になる。

前記第２の波長変換素子３０３ｂからは、該波長変換素子３０３ｂにおいて波長変換された緑色光と、その残りの基本波光（Ｐ偏光の残留基本波光）とを含む光Ｌ１６が出力される。そしてこの後、前記出力光Ｌ１６は、再コリメートレンズ３０４ｂで平行光に戻され、ダイクロイックミラー３０８ｃにより、緑色光Ｌ１６ａとその残留基本波光Ｌ１６ｂとが分離される。

一方、前記第１の波長変換素子３０３ａにて既に波長変換され、前記偏光ビームスプリッタ３０６でその光路を９０度曲げられた前記光Ｌ１３は、ダイクロイックミラー３０８ａにより、緑色光Ｌ１３ａとその残留基本波光Ｌ１３ｂとが分離される。

そして、前記第１，第２の波長変換素子３０３ａ，３０３ｂそれぞれで波長変換したＰ偏光の緑色光Ｌ１３ａ，Ｌ１６ａは、ダイクロイックミラー３０８ａ，３０８ｂ，３０８ｃ、及びプリズム３０９等を用いて、同一出射方向に出射される。

図４は、本実施の形態１の波長変換光学装置３００における第２高調波出力特性（点線）と、従来の波長変換素子を１つ備える波長変換光学装置における第２高調波出力特性（実線）とをプロットした図である。

図４から明らかなように、従来であれば結晶破壊が発生していた、３Ｗを超える出力（４Ｗ以上）を得るための基本波光をうけた状態においても、紫外光による緑色光の出力飽和や、結晶破壊が生じないことがわかる。これは、本装置３００では、波長変換素子を複数個設け、該各波長変換素子においては入射された基本波光のうちＰ偏光，Ｓ偏光のいずれか一方が波長変換されるものであるため、各波長変換素子に、Ｐ偏光，Ｓ偏光それぞれが紫外光発生の影響を受けない程度の基本波光を入力することが可能となったことによる。これにより、本実施の形態１の構成では、波長変換素子に、従来では結晶破壊が起こるため入射できなかった高い出力の基本波光が入射可能となり、結果、結晶破壊なしで高い変換効率を実現できる。

また、図５は、図１４に示す従来の波長変換光学装置における出力安定性（図（ａ））と、本実施の形態１の波長変換光学装置における出力安定性（図（ｂ））とを示す図である。

図５から明らかなように、本実施の形態１の波長変換光学装置３００は、従来の波長変換光学装置１００よりも出力安定性が増していることがわかる。これは、本装置３００では、従来のように前段の波長変換素子で波長変換されなかった残留基本波光を、後段の波長変換素子で波長変換しないため、後段の波長変換素子における波長変換が、前段の波長変換素子の波長変換効率による影響をうけないことによる。これにより、本装置３００では、従来装置１００の課題であった、１段目の波長変換素子の出力が著しく低下した場合に、２段目の波長変換素子への基本波入力が急激に上昇し結晶を破壊してしまうという課題も解決できる。

なお、本実施の形態１では、２つの波長変換素子３０３ａ，３０３ｂを直列に配置して波長変換する場合を一例に挙げたが、図６に示すように、２つの波長変換素子を並列に配置する構成も可能である。以下、その構成について、図６を用いて説明する。

図６は、波長変換素子を並列に配置した場合の、波長変換光学装置の構成を示す図である。ここでも、基本波光源３０１として、前述したファイバレーザ光源２０１を用いる。よって、基本波Ｌ１１は、波長変換素子に対して、水平な偏光方向の光（Ｐ偏光）と垂直な偏光方向の光（Ｓ偏光）を持ち、また、該各偏光の波長は若干異なっている（図３参照）。

まず、前記基本波光源３０１から出射された光Ｌ１１（１０８４ｎｍ：基本波）を、コリメートレンズ等（図示せず）で８００μｍ程度のビーム径にコリメートした後、偏光ビームスプリッタ３０６で、Ｐ偏光の基本波光Ｌ２２の光路を９０度曲げることで、該Ｐ偏光の基本波光Ｌ２２と、もう一方のＳ偏光の基本波光とに分離する。

ところで、波長変換結晶として、本実施の形態のように分極反転構造のものを用いた場合、１段目の波長変換素子３０３ａを通過する際に基本波のビーム品質（横モード）が劣化し、この結果、２段目の波長変換素子３０３ｂにおける基本波光の変換効率が２０％〜３０％低下する場合があった。

しかし、図６の構成では、波長変換素子に入射させる前に前記基本波Ｌ１１を２方向の偏光に分離する。これにより、前記基本波Ｌ１１が波長変換素子を通過することによるビーム品質（横モード）の劣化を容易に抑えることができ、波長変換素子を複数個備える構成とした場合においても、ビーム品質が劣化（横モード歪み）することによる変換効率の低下を抑えることが可能となる。

前記偏光ビームスプリッタ３０６でその光路を９０度曲げられた前記Ｐ偏光の基本波光Ｌ２２は、ダイクロイックミラー３０８ａにより集光レンズ３０２ａに入射され集光される（ここでの焦点距離３０ｍｍ）。集光した基本波光Ｌ２２を、第１の波長変換素子３０３ａに入射させ、波長変換する。前記第１の波長変換素子３０３ａの寸法、分極反転構造、及び端面処理は、前述した第１の波長変換素子３０３ａと同様である。また、前記第１の波長変換素子３０３ａの保持方法や、ペルチェ素子３０５による温度調整方法及び位相整合波長の微調整方法も、前述と同様の方法をとっている。この第１の波長変換素子３０３ａでは、パワー換算で、入射した光Ｌ２２の２０〜３０％が波長変換され、入射光の半分の波長である緑色光（５４２ｎｍ）になる。

よって、前記第１の波長変換素子３０３ａからは、該波長変換素子３０３ａにおいて波長変換された緑色光と、その残りの基本波光（Ｐ偏光の残留基本波光）とを含む光Ｌ２３が出力される。

一方、前記偏光ビームスプリッタ３０６をそのまま通過した前記Ｓ偏光の基本波光Ｌ２４は、集光レンズ３０２ｂの手前に前記１／２波長板３０７を配置することにより、その偏光方向を９０度回転させ、波長変換素子の誘電主軸ｚ軸と平行な偏光（Ｐ偏光）の基本波光Ｌ２５とされる。その後、前記Ｐ偏光の基本波光Ｌ２５は、集光レンズ３０２ｂで集光された後（ここでの焦点距離３０ｍｍ）、第２の波長変換素子３０３ｂに入射され、波長変換される。この第２の波長変換素子３０３ｂの寸法、分極反転構造、及び端面処理は、前述した第２の波長変換素子３０３ｂと同様である。また、該第２の波長変換素子３０３ｂの保持方法や、ペルチェ素子３０５ｂによる温度調整方法及び位相整合波長の微調整方法も、前述と同様の方法をとっている。この第２の波長変換素子３０３ｂにおいても、パワー換算で、入射した光Ｌ２５の２０〜３０％が波長変換され、入射光の半分の波長である緑色光（５４２ｎｍ）になる。

よって、前記第２の波長変換素子３０３ｂからは、該波長変換素子３０３ｂにおいて波長変換された緑色光と、その残りの基本波光（Ｐ偏光の残留基本波光）とを含む光Ｌ２６が出力される。

前記第１，第２の波長変換素子３０３ａ，３０３ｂから出射された各光Ｌ２３，Ｌ２６は、それぞれ再コリメートレンズ３０４ａ，３０４ｂで平行光に戻された後、それぞれダイクロイックミラー３０８ｂ，３０８ｃにより、緑色光Ｌ２３ａ，Ｌ２６ａと、残留基本波光Ｌ２３ｂ，Ｌ２６ｂとに分離され、さらに該ダイクロイックミラー３０８ｂ，３０８ｃ、及びプリズム３０９等を用いて、同一出射方向に出射される。

図７は、図６に示す波長変換光学装置４００における第２高調波出力特性（一点鎖線）と、従来の波長変換素子を１つ備える波長変換光学装置における第２高調波出力特性（実線）と、前記実施の形態1の波長変換光学装置３００における第２高調波出力特性（点線）とをプロットした図である。

図７から明らかなように、図６に示す波長変換光学装置４００の場合、従来であれば結晶破壊が発生していた、３Ｗを超える出力（４Ｗ以上）を得るための基本波光を前記波長変換素子でうけた状態においても、紫外光による緑色光の出力飽和や、結晶破壊が生じないことがわかる。さらに、波長変換光学装置４００からの第２高調波の出力は、前述した図２に示す波長変換光学装置３００による第２高調波の出力よりも大きい。これは、図６に示す装置４００の構成では、基本波入力Ｌ１１を波長変換素子に入射させる前に２方向の偏光に分離し、各波長変換素子に各偏光を入射するようにしたため、波長変換素子を通過することによりビーム品質が劣化（横モード歪み）することによる、変換効率の低下を抑えることが可能となったことによる。また、図６の構成においても、前記図２の構成同様、第２高調波の出力安定性が増し、従来装置１００よりも出力安定性の面で優れることがわかった。加えて、従来装置１００の課題であった、１段目の波長変換素子の出力が著しく低下した場合に、２段目への基本波入力が急激に上昇し結晶を破壊してしまうという課題も解決できる。

以上のように、本実施の形態１の波長変換光学装置によれば、基本波光源３０１として、互いに直行する２方向の偏光（Ｐ偏光，Ｓ偏光）を持つ基本波Ｌ１１を出力するファイバレーザ光源を用い、各波長変換素子３０３ａ，３０３ｂにて、前記基本波Ｌ１１のＰ偏光，Ｓ偏光を別々に波長変換するようにしたので、各波長変換素子３０３ａ，３０３ｂに対して、従来では結晶破壊が起こるため入射できなかった高い出力の基本波光を入射することが可能となり、結果、結晶破壊なしで高い変換効率を実現できる。また、後段の波長変換素子３０３ｂにおける波長変換が、前段の波長変換素子３０３ａの波長変換による影響をうけないため、優れた出力安定性・信頼性を得ることもできる。

また、本実施の形態１では、基本波光源３０１として、偏波保持ファイバを備えたファイバレーザ光源２０１を用い、波長の異なるＰ偏光、Ｓ偏光をもつ基本波光Ｌ１１を出射するようにしたので、各波長変換素子３０３ａ，３０３ｂにおいて、前記基本波光Ｌ１１のうち、前記各素子の結晶の誘電主軸ｚ軸方向に応じた偏光成分で、且つ該各素子に備えられたペルチェ素子３０５ａ，３０５ｂによる制御温度に応じた波長を有する偏光成分のみを波長変換するため、該基本波光Ｌ１１を各偏光成分毎に、確実に波長変換することが可能となる。従って、当該装置３００において、前記基本波光Ｌ１１として、発振波長が単一であるランダム偏光を出射させ前記各波長変換素子で偏光成分毎に波長変換する場合に比べて、前記基本波光Ｌ１１として、波長の異なるＰ偏光、Ｓ偏光をもつ基本波光を出射させ各波長変換素子で偏光成分毎に波長変換するほうが、第２高調波の出力安定性・信頼性をさらに向上させることができる。

さらに、波長変換光学装置を、図６に示すように、基本波光Ｌ１１が波長変換素子３０３ａ，３０３ｂに入射される前に、偏光ビームスプリッタ３０６により、Ｐ偏光の基本波Ｌ２２とＳ偏光の基本波光Ｌ２４とに分離して波長変換素子に入射するよう構成すれば、波長変換素子を複数個備える構成とした場合においても、ビーム品質が劣化（横モード歪み）することによる変換効率の低下を抑えることが可能となり、より高い変換効率を得ることができる。

なお、前述の説明では、１段目と２段目の波長変換素子３０３ａ，３０３ｂの素子長が同一であるものとして説明したが、該波長変換素子３０３ａ，３０３ｂの素子長は異なるものであってもよい。詳述すると、基本波光源から出射される基本波光がランダム偏光の場合は、発振波長が単一波長であり、そのパワー配分がＰ偏光、Ｓ偏光で均等となるため、前記Ｐ偏光、Ｓ偏光に対応する波長変換素子それぞれの素子長は同一であることが望ましいが、本実施の形態１の基本波光源３０１である、ファイバレーザ光源２０１から出射される基本波光のように、Ｐ偏光、Ｓ偏光でそれぞれ発振し、偏光成分毎に発振波長が異なる場合は、その偏光成分に応じてパワー配分が異なるため（具体的には、Ｐ偏光のパワー：Ｓ偏光のパワー＝１０：７〜１０：９程度）、事情が異なる。

このように、前記基本波光のＳ偏光のパワーがＰ偏光のパワーに比べて小さい場合は、該Ｓ偏光のパワーが小さい分だけ、Ｓ偏光を変換する波長変換素子の素子長を長くすることで、波長変換後の第２高調波の出力を１：１に近い割合にすることができる。

例えば、本実施の形態１の波長変換光学装置３００の構成の場合、Ｐ偏光に対応する第１の波長変換素子３０３ａの素子長を２０ｍｍとし、Ｓ偏光に対応する第２の波長変換素子３０３ｂの素子長を２５ｍｍとすることで、ほぼ１：１の出力比とすることができた。

（実施の形態２）
前記実施の形態１では、波長変換光学装置にて波長変換された２本の第２高調波が同じ偏光方向である場合について説明したが、本実施形態２では、該第２高調波の偏光方向が互いに直行する場合の構成について説明する。

以下、本実施の形態２における波長変換光学装置５００の構成について、図８を用いて説明する。
本実施の形態２では、前記実施形態１と同様、基本波光源３０１として、図１（ａ）に示すＹｂ添加偏波保持ファイバ２０５を用いたファイバレーザ光源２０１を使用し、波長変換素子として、光による劣化を防止するために酸化マグネシウムを添加したニオブ酸リチウム結晶（Ｍｇ：ＬＮ）に、周期的分極反転を形成した擬似位相整合波長変換素子を使用し、該波長変換素子を直列に配置して波長変換する場合を示す。このように、波長変換素子を直列に配置すれば、設置面積を小さくすることが可能となる。

本実施の形態２における、波長変換光学装置５００の構成は、図２に示す前記実施の形態１の構成とほぼ同じであるが、偏光ビームスプリッタ３０６の後段に、基本波光を９０度回転させるλ／２波長板３０７が設置されず、２段目の波長変換素子５０３が、Ｓ偏光の基本波光を波長変換可能なように、該波長変換素子５０３の結晶の誘電主軸ｚ軸の方向が、１段目の波長変換素子３０３ａの結晶誘電主軸ｚ軸の方向と直交するように、９０度回転させた状態で配置されている点で異なる。以下、詳細に説明する。

まず、前記基本波光源３０１から出射された光Ｌ１１（１０８４ｎｍ：基本波）を、コリメートレンズ等（図示せず）で８００μｍ程度のビーム径にコリメートし、集光レンズ３０２ａで集光する（ここでは焦点距離３０ｍｍ）。そして、集光した基本波Ｌ１１を１段目の波長変換素子３０３ａに入射させ波長変換する。この第１の波長変換素子３０３ａでは、基本波Ｌ１１の２方向の偏光（Ｐ偏光、Ｓ偏光）のうち、偏光が結晶の誘電主軸ｚ軸方向と平行なもの（Ｐ偏光）について波長変換がなされる。前記第１の波長変換素子３０３ａは、厚さ１ｍｍ、長さ２５ｍｍのＭｇ：ＬＮ（結晶誘電主軸ｚ軸方向が基板の面内に垂直）に、周期Λ＝７．３８μｍで周期的に分極反転構造が形成されており、該波長変換素子３０３ａの両端は、光学研磨が施され、入射側には基本波（波長：１０８４ｎｍ）の低反射コーティングが、出射側には第２高調波（波長：５４２ｎｍ近辺）の低反射コーティングが施されている。また、前記第１の波長変換素子３０３ａは、銅板上に固定されており、ペルチェ素子３０５ａにより温度コントロール（ここでは約２２℃）されている。この波長変換素子の温度コントロールにより、位相整合波長の微調整を行う。そして、前記第１の波長変換素子３０３ａにおいては、前記基本波光Ｌ１１のうち、Ｐ偏光の基本波光（パワー換算で入射した光Ｌ１１の２０〜３０％）が波長変換され、入射光の半分の波長である緑色光（５４２ｎｍ）になる。

よって、前記第１の波長変換素子３０３ａからは、該波長変換素子３０３ａにおいて波長変換された緑色光と、その残りの基本波光（Ｐ偏光の残留基本波光）と、前記第１の波長変換素子３０３ａで波長変換されなかったもう一方の偏光、すなわち結晶の誘電主軸ｚ軸方向と垂直な偏光（Ｓ偏光）の基本波光とを含む光Ｌ３２が出力される。

前記出力光Ｌ３２は、再コリメートレンズ３０４ａで平行光に戻され、その後、偏光ビームスプリッタ３０６により、前記Ｐ偏光の緑色光と残留基本波光の光路を９０度曲げることで、該Ｐ偏光の緑色光と残留基本波光とを含む光Ｌ３３と、前記第１の波長変換素子３０３ａで波長変換されなかったＳ偏光の基本波光Ｌ３４とに分離される。

前記偏光ビームスプリッタ３０６をそのまま通過した前記Ｓ偏光の基本波光Ｌ３４は、集光レンズ３０２ｂで集光され、２段目の波長変換素子５０３に入射される。この第２の波長変換素子５０３は、前述したように、前記第１の波長変換素子３０３ａを９０度回転させた状態、すなわち、入射される光Ｌ３４（Ｓ偏光）の偏光方向と結晶の誘電主軸ｚ軸方向が平行となるように配置されているため、結晶の誘電主軸ｚ軸方向と垂直な偏光（Ｓ偏光）について波長変換がなされる。前記第２の波長変換素子５０３は、厚さ１ｍｍ、長さ２５ｍｍのＭｇ：ＬＮ（結晶の誘電主軸ｚ軸方向が基板の面内に垂直）に、周期Λ＝７．３８μｍで周期的に分極反転構造が形成されており、その他、コーティングの条件、保持方法、及びペルチェ素子３０５ｂによる温度コントロール方法は、前記第１の波長変換素子３０３ａと同様である。ただし、前述したように、前記ファイバレーザ光源より出射されるＰ偏光とＳ偏光は、若干波長が異なる（図３では、波長差０．５ｎｍ）。よって、前記ペルチェ素子３０５ｂでは、前記ペルチェ素子３０５ａとは異なる温度（ここでは約２８℃）で該第２の波長変換素子３０３ｂを温度コントロールする。この結果、位相整合波長の微調整が行なえ、Ｓ偏光、Ｐ偏光それぞれの位相整合波長を合わせることができる。この第２の波長変換素子５０３では、Ｓ偏光の基本波光（パワー換算で入射した光Ｌ３４の２０〜３０％）が波長変換され、該入射光の半分の波長である緑色光（５４２ｎｍ近辺）になる。

前記第２の波長変換素子５０３からは、該波長変換素子５０３において波長変換された緑色光と、その残りの基本波光（Ｓ偏光の残留基本波光）とを含む光Ｌ３５が出力される。そしてこの後、前記出力光Ｌ３５は、再コリメートレンズ３０４ｂで平行光に戻され、ダイクロイックミラー３０８ｃにより、緑色光Ｌ３５ａとその残留基本波光Ｌ３５ｂとが分離される。

一方、前記偏光ビームスプリッタ３０６でその光路を９０度曲げられた前記Ｐ偏光の緑色光とその残留基本波光とを含む光Ｌ３３は、ダイクロイックミラー３０８ａにより、緑色光Ｌ３３ａとＰ偏光の残留基本波光Ｌ３３ｂとに分離される。
そして、前記第１，第２の波長変換素子３０３ａ，５０３それぞれで波長変換したＰ偏光の緑色光Ｌ３３ａ及びＳ偏光の緑色光Ｌ３５ａは、ダイクロイックミラー３０８ａ，３０８ｂ，３０８ｃ、及びプリズム３０９等を用いて、同一出射方向に出射される。

本実施の形態２の波長変換光学装置５００の出力特性は、前記実施の形態１の図２で示される波長変換光学装置３００の出力特性（図４，５参照）と、ほぼ同じ結果となった。すなわち、本実施の形態２の構成では、従来では結晶破壊が起こるため入射できなかった高い出力の基本波光を、波長変換素子に入射可能となり、この結果、従来結晶破壊が発生していた３Ｗを超える出力（４Ｗ以上）を得るための基本波光を前記波長変換素子でうけた状態においても、紫外光による緑色光の出力飽和や、結晶破壊を回避することができ、結晶破壊なしで高い変換効率を実現できる。また、当該装置５００では、後段の波長変換素子５０３の波長変換が、前段の波長変換素子３０３ａによる波長変換の影響をうけないので、優れた出力安定性・信頼性も得られる。さらに、従来装置１００の課題であった、１段目の波長変換素子の出力が著しく低下した場合に、２段目の波長変換素子への基本波入力が急激に上昇し結晶を破壊してしまうという課題も解決することができる。

以上のように、本実施の形態２の波長変換光学装置５００によれば、基本波光源３０１として、互いに直行する２方向の偏光（Ｐ偏光，Ｓ偏光）を持つ基本波Ｌ１１を出力するファイバレーザ光源を用い、各波長変換素子３０３ａ，５０３にて、前記基本波Ｌ１１のＰ偏光，Ｓ偏光を別々に波長変換するようにしたので、各波長変換素子３０３ａ，５０３に対して、従来では結晶破壊が起こるため入射できなかった高い出力の基本波光を入射することが可能となり、結果、結晶破壊なしで高い変換効率を実現でき、また、後段の波長変換素子５０３における波長変換が、前段の波長変換素子３０３ａの影響をうけないため、優れた出力安定性・信頼性も得ることができる。

また、本実施の形態２では、前記実施の形態１と同様、基本波光源３０１として、偏波保持ファイバを備えたファイバレーザ光源２０１を用い、波長の異なるＰ偏光、Ｓ偏光をもつ基本波光Ｌ１１を出射するようにしたので、各波長変換素子３０３ａ，５０３において、前記基本波光源Ｌ１１のうち、前記各素子の結晶の誘電主軸ｚ軸方向に応じた偏光成分で、且つ該各素子に備えられたペルチェ素子３０５ａ，３０５ｂによる制御温度に応じた波長を有する偏光成分のみを波長変換するため、該基本波光Ｌ１１を各偏光成分毎に確実に波長変換することができる。従って、当該装置において、前記基本波光Ｌ１１として、発振波長が単一であるランダム偏光を出射させ、前記各波長変換素子で偏光成分毎に波長変換する場合に比べて、前記基本波光Ｌ１１として、波長の異なるＰ偏光、Ｓ偏光をもつ基本波光を出射させ、各波長変換素子で偏光成分毎に波長変換するほうが、第２高調波の出力安定性・信頼性をさらに向上させることができる。

なお、本実施の形態２では、波長変換素子を直列に配置する場合を一例に挙げて説明したが、前記実施の形態１の図６に示したように、前記波長変換素子を並列に配置し、該波長変換素子の前段で、偏光ビームスプリッタ等により、基本波Ｌ１１をそれぞれの偏光に分離し、各波長変換素子にＰ，Ｓ偏光のいずれか一方しか入射されないようにしてもよい。このように構成した場合、ビーム品質が劣化することによる変換効率の低下を抑えることが可能となり、より高い変換効率が得られる。

また、本実施の形態２では、１段目と２段目の波長変換素子３０３ａ，５０３の素子長が同一であるものとして説明したが、前記実施の形態１と同様、該波長変換素子３０３ａ，５０３の素子長は異なるものであってもよい。例えば、本実施の形態２の波長変換光学装置５００の構成の場合、Ｐ偏光に対応する第１の波長変換素子３０３ａの素子長を２０ｍｍとし、Ｓ偏光に対応する第２の波長変換素子５０３の素子長を２５ｍｍとすることで、ほぼ１：１の出力比とすることができる。

さらに、本実施の形態２においては、第１，第２の波長変換素子３０３ａ，５０３として、結晶の誘電主軸のｚ軸方向が面内に垂直な基板（ｚ板）を用いた波長変換素子を使用したが、Ｓ偏光の基本波光に対応する波長変換素子（ここでは、第２の波長変換素子５０３）として、誘電主軸のｘ軸方向が面内に垂直な基板（ｘ板）を用いた波長変換素子を使用してもよい。その場合には、第２の波長変換素子を、その結晶の方位を９０°回転させて配置する必要がなくなる。この場合においても、基本波の偏光方向は、波長変換素子のｚ軸方向と平行方向に入射させる必要があることは、ｚ板を用いた場合と同様である。

（実施の形態３）
前記実施の形態１においては、波長変換素子を２つ備える構成について説明したが、本実施の形態３では、プリズムやミラーなどを用いて、基本波光源からの入射光を折り返すことで、一つの波長変換素子で、前記基本波光をそれぞれの偏光方向（ｐ方向、ｓ方向）において独立して波長変換を行う構成について説明する。このようにすれば、当該装置をより小型化することが可能となる。

以下、本実施の形態３における波長変換光学装置６００の構成について、図９を用いて説明する。
本実施の形態３では、前記実施の形態１と同様、基本波光源３０１として、図１（ａ）に示すＹｂ添加偏波保持ファイバ２０５を用いたファイバレーザ光源２０１を使用し、波長変換素子として、光による劣化を防止するために酸化マグネシウムを添加したニオブ酸リチウム結晶（Ｍｇ：ＬＮ）に、周期的分極反転を形成した擬似位相整合波長変換素子を使用する。よって、前記基本波光源３０１から出射される基本波光Ｌ１１は、前記実施の形態１と同様、波長変換素子に対して、水平な偏光方向の光（Ｐ偏光）と垂直な偏光方向の光（Ｓ偏光）を持ち、また、該各偏光の発振波長は若干異なっている（図３参照）。

まず、前記基本波光源３０１から出射された光Ｌ１１（１０８４ｎｍ：基本波）は、折り返し用のプリズム６０８を通過し、集光レンズ３０２ａで波長変換素子６０３内に集光される。そして、前記波長変換素子６０３では、前記基本波Ｌ１１の２方向の偏光（Ｐ偏光、Ｓ偏光）のうち、偏光が結晶の誘電主軸ｚ軸方向と平行なもの（Ｐ偏光）について波長変換がなされる。

ここで、前記プリズム６０８は、各反射面６０８ａ、６０８ｂに、基本波波長を透過し、第２高調波（緑色光）波長を反射する誘電体多層膜コーティングが施されたものであり、また、前記波長変換素子６０３は、厚さ１ｍｍ、長さ２５ｍｍのＭｇ：ＬＮ（ｚ軸方向が基板の面内に垂直）に、周期Λ＝７．３８μｍで周期的に分極反転構造が形成されており、該波長変換素子６０３の両端は、光学研磨が施され、入射側、出射側ともに、基本波（波長：１０８４ｎｍ）及び第２高調波（波長：５４２ｎｍ近辺）の低反射コーティングが施されているものである。また、前記波長変換素子６０３は、銅板上に固定され、該波長変換素子６０３を挟むように設けられたペルチェ素子６０５ａ，６０５ｂにより温度コントロールされる。この波長変換素子の温度コントロールにより、位相整合波長の微調整が行なわれ、特に、本実施の形態３では、前述したように前記波長変換素子６０３を２つのペルチェ素子６０５ａ，６０５ｂで挟み、一つの波長変換素子６０３における温度コントロール領域を上下に２分割することで、Ｐ偏光、Ｓ偏光それぞれの位相整合波長を合わせることができる。ここでは、前記波長変換素子６０３の上部が前記ペルチェ素子６０５ａにより約２２℃に、また該素子６０３の下部が前記ペルチェ素子６０５ｂにより約２８℃にコントロールされる。

従って、まず反射面６０８ａを透過し、該波長変換素子６０３に入射した前記基本波Ｌ１１のうち、Ｐ偏光の基本波（パワー換算で、該入射した基本波光の２０〜３０％）が波長変換され、入射光の半分の波長である緑色光（５４２ｎｍ）になる。
よってこの時、前記波長変換素子６０３からは、該波長変換素子６０３において波長変換された緑色光と、その残りの基本波光（Ｐ偏光の残留基本波光）と、波長変換素子６０３で波長変換されなかったもう一方の偏光（Ｓ偏光）の基本波光とを含む光Ｌ４２が出力される。

前記出力光Ｌ４２は、再コリメートレンズ３０４ａでコリメート光に戻された後、λ／２波長板３０７を通過する。前記λ／２波長板３０７は、入射されるＳ偏光の基本波光の偏光方向を、前記波長変換素子６０３の誘電主軸ｚ軸方向に合わせることが可能なように配置されているので、前記λ／２波長板３０７は、前記出力光Ｌ４２に含まれる基本波光の偏光方向を回転させる。具体的には、Ｐ偏光の残留基本波光をＳ偏光の残留基本波光に、またＳ偏光の基本波光をＰ偏光の基本波光にする。

前記λ／２波長板３０７を通過した光Ｌ４３は、折り返し用のプリズム６０９に入射される。前記プリズム６０９は、各反射面６０９ａ、６０９ｂに、基本波波長を反射し、第２高調波（緑色光）波長を透過する誘電体多層膜コーティングが施されているものである。

よって、前記プリズム６０９に入射された光Ｌ４３は、反射面６０９ａにおいて、変換後のＰ偏光の緑色光Ｌ４３ａのみ透過されて出力され、Ｓ偏光の残留基本波光と前記波長変換素子６０３で波長変換されなかったＰ偏光の基本波光とを含む光Ｌ４３ｂは、前記プリズム６０９の反射面６０９ａ，６０９ｂにより反射され、前記波長変換素子６０３方向に折り返される。

その後、前記出力光Ｌ４３ｂは、集光レンズ３０２ｂにより、前記波長変換素子６０３に再び集光される。前述したように、前記波長変換素子６０３では、Ｐ偏光の基本波光について波長変換がなされるため、前記光Ｌ４３ｂのうちＰ偏光の基本波光（パワー換算で、入射した光Ｌ４３ｂの２０〜３０％）について波長変換され、入射光の半分の波長である緑色光（５４２ｎｍ）になる。

よってこの時、前記波長変換素子６０３からは、該波長変換素子６０３において波長変換された緑色光と、その残りの基本波光（Ｐ偏光の残留基本波光）と、前記Ｓ偏光の残留基本波光とを含む光Ｌ４４が出力される。

前記出力光Ｌ４４は、プリズム６０８に入射され、該プリズム６０８の反射面６０８ｂにおいて、基本波光のみ、すなわち前記Ｓ偏光の残留基本波光及びＰ偏光の基本波光を含む光Ｌ４４ｂが透過されて出力され、前記Ｐ偏光の緑色光Ｌ４４ａは、前記プリズム６０８の反射面６０８ａ，６０８ｂで反射され、前記波長変換素子６０３方向に折り返される。

前記Ｐ偏光の緑色光Ｌ４４ａは、前記波長変換素子６０３、再コリメートレンズ３０４ａ、λ／２波長板３０７を再度通過した後、前記プリズム６０９に入射され、該反射面６０９ａから透過され出力される。

このように本実施の形態３では、波長変換光学装置６００より、同じ偏光方向の緑色光が出射される。

当該波長変換光学装置６００の出力特性は、前記実施の形態１の図２で示される波長変換光学装置３００の出力特性（図４，５参照）とほぼ同じ結果となる。すなわち、本実施の形態３の構成においては、従来では結晶破壊が起こるため入射できなかった高い出力の基本波光を、波長変換素子に入射することが可能となるため、従来結晶破壊が発生していた３Ｗを超える出力（４Ｗ以上）を得るための基本波光を波長変換素子でうけた状態においても、紫外光による緑色光の出力飽和や、結晶破壊を回避することができ、結晶破壊なしで高い変換効率を実現できる。また、当該装置６００によれは、前記波長変換素子６０３において行なわれる２回目の波長変換が、１回目の波長変換の影響をうけないので、優れた出力安定性・信頼性も得られる。

さらに、本実施の形態３では、前記実施の形態１と同様、基本波光源３０１として、偏波保持ファイバを備えたファイバレーザ光源２０１を用い、基本波光Ｌ１１として、波長の異なるＰ偏光、Ｓ偏光を出射するようにしているので、波長変換素子６０３において、前記基本波光源Ｌ１１のうち、前記素子の結晶の誘電主軸ｚ軸方向に応じた偏光成分で、且つ該素子の上下に備えられたペルチェ素子６０５ａ，６０５ｂによる制御温度に応じた波長を有する偏光成分のみを波長変換するため、一つの波長変換素子６０３において、該基本波光Ｌ１１を、確実に各偏光成分毎に独立して波長変換することが可能となる。従って、当該装置６００において、前記基本波光Ｌ１１として、発振波長が単一であるランダム偏光を出射させ、前記波長変換素子にて偏光成分毎に波長変換する場合に比べて、前記基本波光Ｌ１１として、波長の異なるＰ偏光、Ｓ偏光をもつ基本波光を出射させ、波長変換素子にて偏光成分毎に波長変換するほうが、第２高調波の出力安定性・信頼性をさらに向上させることができる。また、本実施の形態３では、一つの波長変換素子６０３の上下にペルチェ素子６０５ａ，６０５ｂを備え、各ペルチェ素子にて異なる設定温度で温度制御を行う構成であるため、各ペルチェ素子６０５ａ，６０５ｂの設定温度が大きく異なると温度制御しにくいが、本実施の形態３では、基本波光源としてファイバレーザ光源を用いており、発振波長差が小さいＰ，Ｓ偏光を出射することができるので、各ペルチェ素子６０５ａ，６０５ｂによる波長変換素子６０３内の温度制御が行いやすい効果も得られる。

なお、前述した説明では、波長変換素子６０３と、折り返し用プリズム６０８，６０９とを別に配置する例を説明したが、図１０に示すように、該折り返し用プリズムと波長変換素子の結晶とを一体化した構成にすることも可能である。以下、その構成について、図１０を用いて説明する。

図１０は、本実施の形態３の波長変換光学装置において、波長変換素子として、結晶と折り返し用プリズムとを一体にした素子を用いた波長変換光学装置の構成を示す図である。ここでも、基本波光源３０１として、前述したファイバレーザ光源２０１を用いる。

本実施の形態で用いられる前記波長変換素子７０６は、酸化マグネシウムを添加したニオブ酸リチウム結晶（Ｍｇ：ＬＮ）で、基板上に、分極反転部７０３とプリズム部７０８，７０９、及びλ／２波長板３０７が形成されている。そして、前記プリズム部７０８の各反射面７０８ａ，７０８ｂには、基本波波長を透過し、第２高調波（緑色光）波長を反射する誘電体多層膜コーティングが施されており、また、前記プリズム部７０９の各反射面７０９ａ，７０９ｂには、基本波波長を反射し、第２高調波（緑色光）波長を透過する誘電体多層膜コーティングが施されている。

また、前述した図９に示す構成と同様、前記波長変換素子７０６は、銅板上に固定されており、分極反転部７０３を挟むように設けられたペルチェ素子７０５ａ，７０５ｂにより、温度コントロールされる。この波長変換素子の温度コントロールにより、位相整合波長の微調整が行なわれ、前述した実施の形態３と同様、該波長変換素子７０６の分極反転部７０３を２つのペルチェ素子７０５ａ，７０５ｂで挟み、一つの波長変換素子７０３における温度コントロール領域を上下に２分割することで、Ｐ偏光、Ｓ偏光それぞれの位相整合波長を合わせることができる。ここでは、前記波長変換素子６０３の上部が前記ペルチェ素子６０５ａで約２２℃に、また該素子６０３の下部が前記ペルチェ素子６０５ｂで約２８℃にコントロールされる。

さらに、図１０のような構成にした場合、集光レンズ３０２は、波長変換素子７０６の外に置かれる。集光レンズ３０２の焦点距離は、該素子７０６内を通過する光路の長さで決定される。例えば、素子７０６の長さは１０ｍｍであっても、折り返し分も含めた光路が２５ｍｍであったならば、前記集光レンズ３０２の焦点距離は、１０ｍｍ素子の最適値であるｆ＝２０ｍｍではなく、最適値であるｆ＝３０ｍｍのものを用いることが望ましい。

なお、本波長変換光学装置７００に入射された基本波光Ｌ１１が第２高調波Ｌ５３ａ，Ｌ５４ａに波長変換されるまで流れ、及び本装置７００から出射される第２高調波Ｌ５３ａ，Ｌ５４ａの出力特性は、前述した実施の形態３と同様であるため、ここでは説明を省略する。

以上のように、本実施の形態３の波長変換光学装置によれば、基本波光源３０１として、互いに直行する２方向の偏光（Ｐ偏光，Ｓ偏光）を持つ基本波Ｌ１１を出力するファイバレーザ光源を用い、該基本波Ｌ１１を、折り返し用プリズム６０８，６０９を用いて、波長変換素子６０３に折り返し入射させ、前記基本波Ｌ１１のＰ偏光，Ｓ偏光を別々に波長変換するようにしたので、波長変換素子６０３に対して、従来では結晶破壊が起こるため入射できなかった高い出力の基本波光を入射することが可能となり、結果、結晶破壊なしで高い変換効率を実現できると共に、優れた出力安定性・信頼性も得ることができる。また、本実施の形態３によれば、当該装置を非常に小型化できるというさらなる効果が得られる。

さらに、本実施の形態３によれば、基本波光源３０１として偏波保持ファイバを備えたファイバレーザ光源２０１を用い、発振波長の異なるＰ偏光、Ｓ偏光をもつ基本波光Ｌ１１を出射させ、一つの波長変換素子６０３の上下部に設けたペルチェ素子６０５ａ，６０５ｂによる温度制御の下で波長変換させるようにしたので、該波長変換素子６０３において、該基本波光Ｌ１１の各偏光成分を、確実に波長変換することが可能となり、第２高調波の出力安定性・信頼性をより向上することができる。

（実施の形態４）
前記実施の形態３では、一つの波長変換素子で、基本波光源からの基本波光を折り返すことで、該基本波光に対して、それぞれの偏光方向（ｐ方向、ｓ方向）において独立して波長変換した第２高調波が同じ偏光方向である場合について説明したが、本実施形態４では、互いに直行する偏光方向をもつ第２高調波が出力される構成について説明する。

以下、本実施の形態４における波長変換光学装置８００の構成について、図１１を用いて説明する。
本実施の形態４では、前記各実施の形態と同様、基本波光源３０１として、図１（ａ）に示すＹｂ添加偏波保持ファイバ２０５を用いたファイバレーザ光源２０１を使用し、波長変換素子として、光による劣化を防止するために酸化マグネシウムを添加したニオブ酸リチウム結晶（Ｍｇ：ＬＮ）に、周期的分極反転を形成した擬似位相整合波長変換素子を使用する。よって、前記基本波光源３０１から出射される基本波光Ｌ１１は、前記実施の形態１と同様、波長変換素子に対して、水平な偏光方向の光（Ｐ偏光）と垂直な偏光方向の光（Ｓ偏光）を持ち、また、該各偏光の発振波長は若干異なっている（図３参照）。

本実施の形態４における、波長変換光学装置８００の構成は、図９に示す前記実施の形態３の波長変換光学装置６００の構成とほぼ同じであるが、折り返し用プリズム６０９の前段に、基本波を９０度回転させるλ／２波長板３０７の代わりに、基本波光と波長変換後の第２高調波の両方を９０度回転させる、基本波・第２高調波のλ／２波長板８０７（以下、単に「第２のλ／２波長板」と称す）を設けると共に、該第２のλ／２波長板８０７に対して、前記折り返し用プリズム６０８の反射面６０８ａで折り返された光（図１１では光Ｌ６４ａ）が入射されないように、該第２のλ／２波長板８０７が小さく設計されている点で異なる。以下、詳細に説明する。

まず、前記基本波光源３０１から出射された光Ｌ１１（１０８４ｎｍ：基本波）は、折り返し用のプリズム６０８を通過し、集光レンズ３０２ａで波長変換素子６０３内に集光される。そして、前記基本波Ｌ１１の２方向の偏光（Ｐ偏光、Ｓ偏光）のうち、偏光が結晶の誘電主軸ｚ軸方向と平行なもの（Ｐ偏光）について波長変換がなされる。

ここで、前記プリズム６０８は、各反射面６０８ａ、６０８ｂに、基本波波長を透過し、第２高調波（緑色光）波長を反射する誘電体多層膜コーティングが施されたものであり、また、前記波長変換素子６０３は、厚さ１ｍｍ、長さ２５ｍｍのＭｇ：ＬＮ（ｚ軸方向が基板の面内に垂直）に、周期Λ＝７．３８μｍで周期的に分極反転構造が形成されており、該波長変換素子６０３の両端は、光学研磨が施され、入射側、出射側ともに、基本波（波長：１０８４ｎｍ）及び第２高調波（波長：５４２ｎｍ近辺）の低反射コーティングが施されているものである。また、前記波長変換素子６０３は、銅板上に固定され、該波長変換素子６０３を挟むように設けられたペルチェ素子６０５ａ，６０５ｂにより温度コントロールされる。この波長変換素子の温度コントロールにより、位相整合波長の微調整が行なわれ、前述した実施の形態３と同様、前記波長変換素子６０３を２つのペルチェ素子６０５ａ，６０５ｂで挟み、一つの波長変換素子６０３における温度コントロール領域を上下に２分割することで、Ｐ偏光、Ｓ偏光それぞれの位相整合波長を合わせることができる。ここでは、前記波長変換素子６０３の上部が前記ペルチェ素子６０５ａにより約２２℃に、また該素子６０３の下部が前記ペルチェ素子６０５ｂにより約２８℃にコントロールされる。

従って、まず反射面６０８ａを透過し、該波長変換素子６０３に入射した前記基本波Ｌ１１のうち、Ｐ偏光の基本波（パワー換算で、該入射した基本波光Ｌ１１の２０〜３０％）が波長変換され、入射光の半分の波長である緑色光（５４２ｎｍ）になる。

よってこの時、前記波長変換素子６０３からは、該波長変換素子６０３において波長変換された緑色光と、その残りの基本波光（Ｐ偏光の残留基本波光）と、波長変換素子６０３で波長変換されなかったもう一方の偏光（Ｓ偏光）の基本波光とを含む光Ｌ６２が出力される。

前記出力光Ｌ６２は、再コリメートレンズ３０４ａでコリメート光に戻された後、第２のλ／２波長板８０７を通過する。この第２のλ／２波長板８０７は、入射されるＳ偏光の基本波光、及び波長変換後のＳ偏光の緑色光の偏光方向を回転させて、前記波長変換素子６０３の誘電主軸ｚ軸方向に合わせることが可能なように配置されているので、前記第２のλ／２波長板８０７は、前記出力光Ｌ６２に含まれる基本波光及び第２高調波の偏光方向を回転させる。具体的には、Ｐ偏光の緑色光をＳ偏光の緑色光に、またＰ偏光の残留基本波光をＳ偏光の残留基本波光に、さらにＳ偏光の基本波光をＰ偏光の基本波光にする。

前記第２のλ／２波長板８０７を通過した光Ｌ６３は、折り返し用のプリズム６０９に入射される。前記プリズム６０９は、各反射面６０９ａ、６０９ｂに、基本波波長を反射し、第２高調波（緑色光）波長を透過する誘電体多層膜コーティングが施されているものである。

よって、前記プリズム６０９に入射された光Ｌ６３は、反射面６０９ａにおいて、変換後の緑色光Ｌ６３ａのみ透過されて出力され、Ｓ偏光の残留基本波光と前記波長変換素子６０３で波長変換されなかったＰ偏光の基本波光とを含む光Ｌ６３ｂは、前記プリズム６０９の反射面６０９ａ，６０９ｂにより反射され、前記波長変換素子６０３方向に折り返される。

その後、前記出力光Ｌ６３ｂは、集光レンズ３０２ｂにより、前記波長変換素子６０３に再び集光される。前述したように、前記波長変換素子６０３では、Ｐ偏光の基本波光について波長変換がなされるため、前記光Ｌ６３ｂのうち、Ｐ偏光の基本波光（パワー換算で、入射した光Ｌ４３ｂの２０〜３０％）について波長変換がなされ、入射光の半分の波長である緑色光（５４２ｎｍ）になる。

よってこの時、前記波長変換素子６０３からは、該波長変換素子６０３において波長変換された緑色光と、その残りの基本波光（Ｐ偏光の残留基本波光）と、前記Ｓ偏光の残留基本波光とを含む光Ｌ６４が出力される。

前記出力光Ｌ６４は、プリズム６０８に入射され、該プリズム６０８の反射面６０８ｂにおいて、基本波光、すなわち前記Ｓ偏光の残留基本波光及びＰ偏光の基本波光を含む光Ｌ６３ｂのみが透過されて出力され、前記Ｐ偏光の緑色光Ｌ６３ａは、前記プリズム６０８の反射面６０８ａ，６０８ｂで反射され、前記波長変換素子６０３方向に折り返される。

前記Ｐ偏光の緑色光Ｌ６３ａは、前記波長変換素子６０３及び再コリメートレンズ６０４ａを再度通過した後、前記プリズム６０９に入射され、該反射面６０９ａから透過され出力される。

このように本実施の形態４では、波長変換光学装置８００より、異なる偏光方向の緑色光が出射される。

当該波長変換光学装置８００の出力特性は、前記実施の形態２の図８で示される波長変換光学装置５００の出力特性（図４，５参照）とほぼ同じ結果となる。すなわち、本実施の形態４の構成においては、従来では結晶破壊が起こるため入射できなかった高い出力の基本波光を、波長変換素子に入射することが可能となり、この結果、従来結晶破壊が発生していた３Ｗを超える出力（４Ｗ以上）を前記波長変換素子で得た状態においても、紫外光による緑色光の出力飽和や、結晶破壊を回避することができ、結晶破壊なしで高い変換効率を実現できる。また、すぐれた出力安定性・信頼性も得られる。さらに、本実施の形態４では、前記実施の形態３と同様、基本波光源３０１として、偏波保持ファイバを備えたファイバレーザ光源２０１を用い、発振波長の異なるＰ偏光、Ｓ偏光をもつ基本波光Ｌ１１を出射させ、一つの波長変換素子６０３の上下部に設けたペルチェ素子６０５ａ，６０５ｂによる温度制御の下で、波長変換させるようにしたので、該波長変換素子６０３において、該基本波光Ｌ１１を各偏光成分毎に確実に波長変換することが可能となるため、当該装置８００において、発振波長が単一であるランダム偏光の基本波光を出射させて該波長変換素子６０３にて偏光成分毎に波長変換する場合に比べて、第２高調波の出力安定性・信頼性を向上させることができる。

なお、前述した説明では、波長変換素子６０３と、折り返し用プリズム６０８，６０９とを別に配置する例を説明したが、前記実施の形態３において図１０を用いて説明したように、該折り返し用プリズムと波長変換素子の結晶とを一体化した構成にすることも可能である。このようにすれば、当該波長変換光学装置を更に小型化できる効果が得られる。

なお、前述した各実施の形態においては、赤外光（１０８４ｎｍ）から緑色光（５４２ｎｍ）を発生させる場合を例に挙げて説明をしたが、これに限るものではなく、ファイバレーザ光源から出射させる基本波の波長を変えれば、黄緑光（５６０ｎｍ）〜青色光（４８０ｎｍ）の光を発生させることが可能である。

また、前述した各実施の形態では、基本波光源３０１としてファイバレーザ光源を用いる場合を一例に挙げたが、これに限るものではない。他の光源を使用した場合は、黄緑光（５６０ｎｍ）〜近紫外光（３８０ｎｍ）の光を発生させることが可能である。

また、前記各実施の形態においては、前記波長変換素子として、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を添加したニオブ酸リチウム（Ｍｇ：ＬｉＮｂＯ₃）を使用する場合を例に挙げたが、その他に、ノンドープニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃：ＬＮ）、ノンドープタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃：ＬＴ）、あるいは、ＺｎＯを添加したニオブ酸リチウム（Ｚｎ：ＬｉＮｂＯ₃）、ＭｇＯないしＺｎＯを添加したタンタル酸リチウム（Ｍｇ：ＬｉＴａＯ₃、Ｚｎ：ＬｉＴａＯ₃）、リン酸チタニルカリウム（ＫＴｉＯＰＯ₄：ＫＴＰ）、希土類カルシウムオキシボレート類（ＲｅＣａ₄Ｏ（ＢＯ₃）₃、Ｒｅ：希土類元素）、水晶などを用いることも可能である。ただし、各実施の形態の波長変換光学装置に示すように、ファイバレーザ光源から出射された基本波光Ｌ１１より、黄緑色光（５６０ｎｍ）から青色光（４８０ｎｍ）を発生させる場合、その変換効率や光による結晶の劣化の耐性を鑑みれば、ＭｇＯを添加したニオブ酸リチウム（Ｍｇ：ＬｉＮｂＯ₃）を用いるのがもっとも望ましい。

ところで、前述した各実施の形態の波長変換光学装置では、基本波光源としてファイバレーザ光源を用いているため、各偏光で発振波長が若干異なり、それぞれの波長について波長変換することにより、複数波長の第２高調波を得ることが可能となる。よって、各実施の形態で説明した波長変換光学装置を、レーザディスプレイ（画像表示装置）や半導体プロセスの露光用光源として使用した場合、光のコヒーレンス性（単一波長・同位相の光であること）が必要以上に大きいために発生する不要なノイズパターン（スペックルノイズ）を低減することができる。

以下、図１２（ａ）を用いて、前記実施の形態１で説明した波長変換光学装置を、レーザディスプレイ（画像表示光学装置）として使用する場合の構成の一例を説明する。

（実施の形態５）
図１２（ａ）は、同じ偏光方向の２本の第２高調波を出射する波長変換光学装置を、緑色光用光源として使用したレーザディスプレイの構成を示す図である。

本実施の形態５では、レーザディスプレイ９００の光源として、赤、緑、青の３色のレーザ光源を用いた。

具体的には、赤色光源９０１として、波長６３５ｎｍのＧａＡｓ系半導体レーザを、青色光源９０３として、波長４４５ｎｍのＧａＮ系半導体レーザを用いた。前記各半導体レーザは、３個〜８個の半導体レーザの出力をバンドルファイバにより１本のファイバ出力で得られるような構造をしており、その波長スペクトル幅は、数ｎｍと非常にブロードなものとなっている。この広いスペクトルによりスペックルノイズの発生を抑制している。

一方、緑色光源９０２には、本実施の形態１で説明した波長変換光学装置３００を用いた。
前記緑色光源９０２を出射した波長の異なるＰ偏光の２本の緑色光（第２高調波）は、反射型変調素子９０５ａ、９０５ｂに送られ、空間変調される。そして、ミラー９０７を介して、合波プリズム９０８により、それぞれ変調素子９０４、９０６で変調された赤色光、青色光と混合され、カラー画像を形成する。形成した画像は、投射レンズ９０９によりスクリーン９１０に投影される。

このように、前記緑色光源９０２の波長の異なる２本の緑色光を、異なる位置から出射し、該波長の異なる緑色光ごとに変調素子９０５ａ，９０５ｂにて空間変調することで、ヒトの目の感度が高い緑色の解像度を向上することができ、この結果、画像表示光学装置の高画質化が可能となる。

図１３は、１つのレーザ光源から出射される２本の光のピーク波長差と、スペックルノイズ明暗差との関係を示す図である。なお、図中において、「単色」とは、光源より単一波長、単一偏光の光が出射される場合を意味し、ここでは、その際のスペックルノイズ明暗差を１としている。また、図１３は同じスクリーンで比較した結果をプロットした。

図１３に示すように、従来のレーザ光源から出射される光が単色であった場合、画像表示光学装置にスペックル除去光学系（図示せず）を設けたとしても、スペックルノイズ明暗差を０．０７〜０．０８にするのが限界だったが、本願のように、レーザ光源より波長の異なる２本の光を出射するようにすれば、スペックル除去光学系として、より構成が単純な揺動拡散板を用いたスペックル除去機構を用いた場合であっても、単色の場合に比べて、スペックルノイズ明暗差を小さくすることができる。

また、スペックルノイズには、光の偏光により異なったパターンを持つという特徴がある。従って、図１２（ｂ）に示すように、レーザ光源として異なる偏光を出射する波長変換光学装置（例えば実施の形態２に示したもの）を用いるようにすれば、画像の投影面で異なるスペックルノイズを重ね合わせることになるので、不要なノイズパターン（スペックルノイズ）をさらに低減することが可能となる。

すなわち、図１３に示すように、従来のレーザ光源から出射される光が単色であった場合、画像表示光学装置にスペックル除去光学系（図示せず）を設けたとしても、スペックルノイズ明暗差を０．０７〜０．０８にするのが限界だったが、レーザ光源より波長も偏光も異なる２本の光を出射するようにすれば、単色の場合に比べてスペックルノイズ明暗差をかなり小さいものにでき、さらに、スペックル除去光学系（図示せず）を設けるようにすれば、該スペックルノイズ明暗差を肉眼で分からないレベルである０．０４程度（波長差が０．２７ｎｍである場合）にすることが可能となった。

なお、本実施の形態５では、スクリーンの前面から画像を投影する前面投射型の画像表示光学装置を例に挙げて説明したが、スクリーンの背後から画像を投影する背面投射型の構成をとることも可能である。

さらに、図１２では、空間変調素子として、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を用いることも、もちろん可能である。

なお、以上の各実施の形態に例示した構造はあくまでも一例であり、他の態様をとることが可能であることは言うまでもない。

本発明は、高い信頼性・高い出力安定性を持つ波長変換光学装置、レーザ光源、及び高画質の画像表示光学装置を実現するものとして有用である。

図１は、本発明の実施の形態１の波長変換光学装置に用いられるファイバレーザ光源の構成を示す模式図である。 図２は、本発明の実施の形態１における波長変換光学装置の構成を示す図である。 図３は、本発明の実施の形態１の波長変換光学装置に用いられるファイバレーザ光源から出射される基本波の波長スペクトルを示す図である。 図４は、波長変換素子が１段構成である波長変換光学装置の出力特性と、本実施の形態１の波長変換光学装置の出力特性とを比較した図である。 図５は、波長変換素子が２段構成である従来の波長変換光学装置の出力特性（図（ａ））と、本実施の形態１の波長変換光学装置の出力特性（図（ｂ））とを示すプロット図である。 図６は、本発明の実施の形態１の、波長変換素子が並列に設けられた波長変換光学装置の構成を示す図である。 図７は、波長変換素子が１段構成である波長変換光学装置の出力特性と、本実施の形態１の波長変換素子が直列に設けられた波長変換光学装置の出力特性と、本実施の形態１の波長変換素子が並列に設けられた波長変換光学装置の出力特性とを比較した図である。 図８は、本発明の実施の形態２ににおける波長変換光学装置の構成を示す図である。 図９は、本発明の実施の形態３における波長変換光学装置の構成を示す図である。 図１０は、本発明の実施の形態３の波長変換光学装置の各構成部が一体に構成された構成を示す図である。 図１１は、本発明の実施の形態４の波長変換光学装置の構成を示す図である。 図１２は、本発明の波長変換光学装置を用いた画像表示装置の一例を示した図である。 図１３は、一光源より波長の異なる２本の光が出射された際のピーク波長差と、スペックルノイズ明暗差との関係を示す図である。 図１４は、従来の、波長変換素子が２段構成である波長変換光学装置の構成を示す図である。

符号の説明

１００，３００，４００，５００，６００，７００，８００ 波長変換光学装置
１０１，３０１ 基本波光源
１０２ａ，１０２ｂ 波長変換部分
１０３ａ，１０３ｂ 分離ミラー
１０４ ビーム径変換機構
２０１，２０１’ ファイバレーザ光源
２０２ 励起用半導体レーザ光源
２０３ ポンプコンバイナ
２０４ａ，２０４ｂ ファイバグレーティング
２０５ Ｙｂ添加ダブルクラッド偏波保持ファイバ
２０７ 偏光単一化機構
３０２ａ，３０２ｂ 集光レンズ
３０３ａ 第１の波長変換素子
３０３ｂ，５０３ 第２の波長変換素子
３０４ａ，３０４ｂ 再コリメートレンズ
３０５ａ，３０５ｂ，６０５ａ，６０５ｂ，７０５ａ，７０５ｂ ペルチェ素子
３０６ 偏光ビームスプリッタ
３０７ 基本波の１／２波長板
３０８ａ，３０８ｂ，３０８ｃ ダイクロイックミラー
３０９ 出射プリズム
６０３，７０６ 波長変換素子
６０８，６０９ 折り返し用プリズム
６０８ａ，６０８ｂ，６０９ａ，６０９ｂ，７０８ａ，７０８ｂ，７０９ａ，７０９ｂ 反射面
７０３ 分極反転部
７０８，７０９ プリズム部
８０７ 基本波・第２高調波の１／２波長板
９００ 画像表示光学装置
９０１ 赤色光源
９０２，９０２，９０２’ 緑色光源
９０３ 青色光源
９０４ 赤色用空間変調素子
９０５ａ，９０５ｂ 緑色用空間変調素子
９０６ 青色用空間変調素子
９０７ ミラー
９０８ 合波プリズム
９０９ 投射レンズ
９１０ スクリーン

Claims (9)

1. 基本波光を出力する基本波光源と、
   前記基本波光源からの基本波光を波長変換して高調波を発生させる分極反転部を含む波長変換機構と、を備え、
   前記波長変換機構は、前記基本波光を、互いに垂直な２方向の偏光成分毎に波長変換する、
   ことを特徴とする波長変換光学装置。
2. 請求項１に記載の波長変換光学装置において、
   前記基本波光の発振波長が、前記２方向の偏光成分で異なる、
   ことを特徴とする波長変換光学装置。
3. 請求項１に記載の波長変換光学装置において、
   前記波長変換機構から出射される２本の高調波光の偏光方向が同じである、
   ことを特徴とする波長変換光学装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の波長変換光学装置において、
   前記波長変換機構から出射される２本の高調波光の偏光方向が互いに垂直である、
   ことを特徴とする波長変換光学装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の波長変換光学装置において、
   前記基本波光、あるいは該基本波光と前記波長変換機構で波長変換された高調波とを含む光を、その偏光成分毎に分離する偏光分離機構を備える、
   ことを特徴とする波長変換光学装置。
6. 請求項１に記載の波長変換光学装置において、
   前記波長変換機構は、
   該波長変換機構の同一基板内に、前記分極反転部と、該分極反転部の、前記基本波光の入射側に設けられた該基本波光を透過する第１の反射鏡と、該分極反転部で波長変換された高調波の出射側に設けられた該高調波を透過する第２の反射鏡と、前記分極反転部を通過した基本波の偏光を転換する波長板と、を備え、さらに、
   前記分極反転部の温度制御を行なう２つの温度調節機構、を備える、
   ことを特徴とする波長変換光学装置。
7. 請求項１または請求項６に記載の波長変換光学装置において、
   前記波長変換機構の前記分極反転部は、ＭｇＯ、ＺｎＯを添加した、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３：ＬＮ）、あるいはタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３：ＬＴ）の、少なくとも一部分を分極反転することにより形成されている、
   ことを特徴とする波長変換光学装置。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の波長変換光学装置と、
   前記波長変換光学装置で変換され出射される２本の高調波それぞれを変調する変調機構と、
   前記変調機構により変調された光を投影する投影光学系と、を備える、
   ことを特徴とする画像表示光学装置。
9. 請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の波長変換光学装置を具備したことを特徴とするレーザ光源。

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