JPWO2007066747A1 - ファイバーレーザ - Google Patents

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水内　公典
公典 水内
山本　和久
和久 山本
古屋　博之
博之 古屋
白川　晃
晃 白川
植田　憲一
憲一 植田
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    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
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Abstract

ファイバーレーザは、希土類元素をドープされた固体レーザファイバーと、前記固体レーザファイバーの光軸方向に沿った両端のうち、一方の端部に設けられた第１のグレーティングファイバーと、前記固体レーザファイバーの他方の端部に設けられた第１の反射要素とを備え、前記第１及び第２の反射要素は、前記固体レーザファイバーについて共振器構造を構成し、前記第１のグレーティングファイバーは、第１の波長を有する第１の偏光と、前記第１の波長と異なる第２の波長を有し前記第１の偏光と偏光方向が互いに直交する第２の偏光との２つの偏光のみをブラッグ反射し、前記第１の反射要素で反射する少なくとも一つの光の反射波長と、前記第１のグレーティングファイバーでブラッグ反射する２つの偏光のうちいずれか一方の波長とが互いに一致している。

Description

本発明は、単一偏光のレーザ光を出力するファイバーレーザに関する。
高出力のレーザ光源として、固体レーザ媒質のコアを有するファイバーレーザが開発されている。このファイバーレーザは、光学的に活性なＮｄ、Ｙｂ、Ｅｒと言った希土類イオンがドープされたコア部を有する固体レーザファイバーと、固体レーザファイバーの光軸方向に沿った両端に所定間隔で離間して設置された光学的反射要素とからなる。上記固体レーザファイバーに所定の波長のポンプ光（励起光）を入射すると、希土類イオンが励起され、利得媒質となり、上記反射要素によって共振器を構成することでレーザ発振が可能となる。反射要素としては、ポンプ光を透過し、利得媒質で励起される励起光を反射する特性が必要であり、ファイバー内に周期的な屈折率変化を形成し、ブラッグ反射により特定波長を反射するグレーティングファイバーを反射要素として使用する。
さらに、ファイバーレーザを単一偏光の光源として利用する方法が提案されている。特許文献１に示すように、レーザ媒質を偏波保存ファイバーとし、レーザ媒質に偏光依存性を設け、かつ一方の偏光に対する損失を大きくすることで、単一偏光のみが伝播する構成である（例えば、特許文献１参照。）。
特表平１１−５０１１５８号公報（米国特許第５５１１０８３号）
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。しかし、偏光を制御し、単一偏光の光を出射するのに複雑な構成が必要となるという問題があった。
従来のファイバーレーザにおける偏光制御では、異なる２つの偏光成分のうち一方の偏光の損失を増大させ、共振器内でロスの少ないモードでのみのレーザ発振を行う構成である。従来の方法としては、背景技術で紹介したファイバー内に一方の偏光に対して損失を増大させる周期構造を形成する方法や、一方の変更のみを透過する偏光子を挿入する方法等がある。しかしながら、いずれの方法も構成が複雑になる、部品点数が増える、調整が複雑になる等の問題があり、簡素化、低コスト化に問題があった。
本発明の目的は、偏光を制御し、単一偏光化させたファイバーレーザを提供することである。さらに、ファイバーレーザを用いた光源を提供することである。また、単一偏光化されたファイバーレーザと波長変換素子により可視光を発生するファイバーレーザ光源を実現することである。
前記の課題を解決するために、本発明に係るファイバーレーザは、希土類元素をドープされた固体レーザファイバーと、
前記固体レーザファイバーの光軸方向に沿った両端のうち、一方の端部に設けられた第１のグレーティングファイバーと、
前記固体レーザファイバーの他方の端部に設けられた第１の反射要素と
を備え
前記第１及び第２の反射要素は、前記固体レーザファイバーについて共振器構造を構成し、
前記第１のグレーティングファイバーは、第１の波長を有する第１の偏光と、前記第１の波長と異なる第２の波長を有し前記第１の偏光と偏光方向が互いに直交する第２の偏光との２つの偏光のみをブラッグ反射し、
前記第１の反射要素で反射する光の少なくとも一つの反射波長と、前記第１のグレーティングファイバーでブラッグ反射する２つの偏光のうちいずれか一方の波長とが互いに一致していることを特徴とする。
また、前記第１の反射要素は、誘電体多層膜であってもよい。さらに、前記第１の反射要素は、前記第１の反射要素は、前記固体レーザファイバーの他方の端部から光を外部に取り出して反射させた光を前記他方の端部から前記固体レーザファイバーの内部へ戻す反射光学系であってもよい。またさらに、前記第１の反射要素は、前記第１のグレーティングファイバーでブラッグ反射する２つの偏光のうち、いずれか一方の偏光と同じ波長の光をブラッグ反射する第２のグレーティングファイバーであってもよい。
また、前記第１の反射要素は、第３の波長を有する第３の偏光と、前記第３の波長と異なる第４の波長を有し前記第３の偏光と偏光方向が互いに直交する第４の偏光のみをブラッグ反射する第２のグレーティングファイバーであってもよい。この場合、前記第１のグレーティングファイバーと、前記第２のグレーティングファイバーとは、ブラッグ反射するそれぞれ２つの偏光のうち、一つの偏光の偏光方向及びブラッグ反射波長が互いに一致していてもよい。
さらに、前記第１及び第２のグレーティングファイバーは、それぞれ互いに直交する２つの偏光を有し、
前記第１のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第１の偏光の波長λ１と第２の偏光の波長λ２はλ１＞λ２の関係を満足し、前記第２のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第３の偏光の波長λ３と第４の偏光の波長λ４はλ３＞λ４の関係を満足し、前記波長がλ１＝λ４またはλ２＝λ３の何れかの関係を満足していてもよい。
またさらに、前記第１のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第１の偏光の第１の波長と、前記第２のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第４の偏光の第４の波長とが互いに一致していてもよい。あるいは、前記第１のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第２の偏光の第２の波長と、前記第２のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第３の偏光の第３の波長とが互いに一致していてもよい。
またさらに、前記固体レーザファイバーは、複屈折率を有し、前記第１のグレーティングファイバーの偏光方向と前記固体レーザファイバーの偏光方向とが互いに一致していてもよい。
また、前記固体レーザファイバーは、複屈折率を有するものであってもよい。この場合、前記固体レーザファイバーの２つの偏光のうち、いずれか一つの偏光と、前記第１のグレーティングファイバーの第１の偏光と、前記第２のグレーティングファイバーの第４の偏光とが、偏光方向及び波長が互いに一致していてもよい。
さらに、前記第１のグレーティングファイバーの光軸方向の両端のうち、前記固体レーザファイバーに接する端部と反対側の端部に設けられた第３のグレーティングファイバーと、前記第１の反射要素の光軸方向の両端のうち、前記固体レーザファイバーに接する端部と反対側の端部に設けられた第２の反射要素とをさらに備えてもよい。この場合、前記第１のグレーティングファイバーと前記第１の反射要素とは、前記固体レーザファイバーについて共振器構造を構成する。また、前記第３のグレーティングファイバーと前記第２の反射要素とは、前記固体レーザファイバーについて共振器構造を構成する。さらに、前記第３のグレーティングファイバーは、第５の波長を有する第５の偏光と、前記第５の波長と異なる第６の波長を有し前記第５の偏光と偏光方向が互いに直交する第６の偏光との２つの偏光のみをブラッグ反射する。またさらに、前記第２の反射要素で反射する光の少なくとも一つの反射波長と、前記第３のグレーティングファイバーでブラッグ反射する２つの偏光のうちいずれか一つの偏光の波長とが互いに一致していてもよい。
また、前記第２の反射要素は、誘電体多層膜であってもよい。
またさらに、前記第２の反射要素は、第７の波長を有する第７の偏光と、前記第７の波長と異なる第８の波長を有し前記第７の偏光と偏光方向が互いに直交する第８の偏光とのみをブラッグ反射する第４のグレーティングファイバーであってもよい。また、前記第３のグレーティングファイバーと、前記第４のグレーティングファイバーとは、ブラッグ反射するそれぞれ２つの偏光のうち、一つの偏光の偏光方向及びブラッグ反射波長が互いに一致していてもよい。
また、前記第３及び第４のグレーティングファイバーは、それぞれ互いに直交する２つの偏光を有するものであってもよい。この場合、前記第３のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第５の偏光の波長λ５と第６の偏光の波長λ６はλ５＞λ６の関係を満足し、前記第４のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第７の偏光の波長λ７と第８の偏光の波長λ８はλ７＞λ８の関係を満足し、前記波長がλ５＝λ８またはλ６＝λ７の何れかの関係を満足していてもよい。
さらに、前記第３のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第５の偏光の第５の波長と、前記第４のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第８の偏光の第８の波長とが互いに一致していてもよい。あるいは、前記第３のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第６の偏光の第６の波長と、前記第４のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第７の偏光の第７の波長とが互いに一致していてもよい。
さらに、前記固体レーザファイバーは、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｈｏからなる群から少なくとも一つ含んでいてもよい。
またさらに、前記第１の反射要素で反射する光の反射波長は、１０６０ｎｍ近傍であってもよい。また、前記第２の反射要素で反射する光の反射波長は、１５５０ｎｍ近傍であってもよい。
さらに、前記ファイバーレーザからの出力を高調波に変換する波長変換素子をさらに備えてもよい。またさらに、前記ファイバーレーザからの出力を複数の異なる波長の高調波に変換する複数の波長変換素子を備えてもよい。
また、前記波長変換素子は、周期状の分極反転構造を有するＭｇドープＬｉＮｂＯ３、ＭｇドープＬｉＴａＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４、化学量論組成のＭｇドープＬｉＮｂＯ３、化学量論組成のＭｇドープＬｉＴａＯ３の群から選ばれる少なくとも一つを含むものであってもよい。
さらに、前記固体レーザファイバーの前記両端のいずれか一方の端部から励起光を入力するポンプ光源をさらに備えてもよい。
本発明のファイバーレーザは、グレーティングファイバーの特性を利用して、一方の偏光のみを共振状態にすることでレーザ発振の偏光を制御する方法を提案する。さらに、青色、緑色、同時発生、高出力化、および、ディスプレイ装置への応用等について提案する。
本発明によれば、ファイバーレーザを用いた簡単な構成で偏光制御を可能とし、単一偏光化を可能とする。さらに波長変換素子を用いることにより、単一偏光化された光を高効率で波長変換することで、可視光の発生を可能とする。
（ａ）は、本発明の実施の形態１に係るファイバーレーザの構成を示す概略図であり、（ｂ）は、ファイバーレーザの両端の反射要素による反射スペクトル特性を示す概略図である。 （ａ）は、図１のファイバーレーザの第１の反射要素として、長波長側を透過させ、短波長側を反射するシャープカットフィルターの反射スペクトル特性を示す概略図であり、（ｂ）は、狭帯域の反射特性を有するフィルターの反射スペクトル特性を示す概略図であり、（ｃ）は、狭帯域の透過特性を有するバンドパスフィルターの反射スペクトル特性を示す概略図である。 本発明の実施の形態２に係るファイバーレーザの構成を示す概略図である。 （ａ）は、本発明の実施形態３に係るファイバーレーザの構成を示す概略図であり、（ｂ）は、ファイバーレーザの両端の反射要素による反射スペクトル特性を示す概略図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態４に係るファイバーレーザの構成を示す概略図であり、（ｂ）は、ファイバーレーザの両端の反射要素による反射スペクトル特性を示す概略図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態５に係るファイバーレーザの構成を示す概略図であり、（ｂ）は、ファイバーレーザの両端の反射要素による反射スペクトル特性を示す概略図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態６に係るファイバーレーザの構成を示す概略図であり、（ｂ）は、ファイバーレーザの両端の反射要素による反射スペクトル特性を示す概略図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態７に係るファイバーレーザの構成を示す概略図であり、（ｂ）は、ファイバーレーザの両端の反射要素による反射スペクトル特性を示す概略図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態８に係る他のファイバーレーザの構成を示す概略図であり、（ｂ）は、ファイバーレーザの両端の反射要素による反射スペクトル特性を示す概略図である。 本発明の実施の形態９に係るファイバーレーザの構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態１０に係るファイバーレーザの構成を示す概略図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態１１に係るファイバーレーザの構成を示す概略図であり、（ｂ）は、別例のファイバーレーザの構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態１２に係るレーザディスプレイ装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態１３に係るレーザディスプレイ装置の構成を示す概略図である。
符号の説明
１ ポンプ光源
２、２ａ 固体レーザファイバー
３ 第１のグレーティングファイバー
４、４ａ 第２のグレーティングファイバー
５ レーザ光
６ 第１の偏光
７ 第２の偏光
８ 基板
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ ファイバーレーザ
２０ ファイバーレーザ
３１ ファーストモード
３２ スローモード
３３ スローモード
３４ ファーストモード
４１、４１ａ 第４のグレーティングファイバー
４２ 第３のグレーティングファイバー
６１ 波長変換素子
６２ 高調波
７１、７２ 波長変換素子
７３、７４ 高調波
１００、１００ａ レーザディスプレイ装置
６００ 固体レーザファイバー
６０１ 基本波
６０２ ポンプ光源
６０４ ＳＦＧ素子
６０５ ＳＦＧ光
６０６ ＳＨＧ光
６０７ ＳＨＧ素子
６０８ ＳＨＧ光
６０９ ＳＨＧ素子
６１２ 基本波
６１３ ＳＦＧ光
６１４ ＳＦＧ素子
８０１ ファーバーレーザ
８０２ コリメート光学系
８０３ インテグレータ光学系
８０４ 拡散板
８０５ 液晶パネル
８０６ スクリーン
８０７ 投影レンズ
９０１ ファーバーレーザ
９０２、９０３ ミラー
９０４ レーザ光
９０５ スクリーン
以下に、本発明の実施の形態に係るファイバーレーザについて添付図面を用いて説明する。なお、図面において実質的に同一の部材には同一の符号を付している。
（実施の形態１）
図１の（ａ）は、本発明の実施の形態１に係るファイバーレーザ１０の構成を示す概略図である。図１の（ｂ）は、ファイバーレーザ１０の光軸方向に沿った両端の反射要素３、４で反射する光の波長とその反射スペクトルとの関係を示す概略図である。このファイバーレーザ１０は、希土類がドープされた固体レーザファイバー２と、固体レーザファイバー２の光軸方向の両端に設けられた第１及び第２のグレーティングファイバー３、４とを含む。第１及び第２のグレーティングファイバー３、４は、固体レーザファイバー２について共振器構造を構成する。第１のグレーティングファイバー３では、波長λ１ｆの第１の偏光６と、波長λ１ｓの第２の偏光７とをブラッグ反射する。なお、第１の偏光６と第２の偏光７とは、図１に示すようにその偏光方向が互いに直交している。また、第２のグレーティングファイバー４では、波長λ２の光をブラッグ反射する。ここでは、λ２とλ１ｆとが一致するように設定している。このファイバーレーザ１０では、両端の反射要素である第１及び第２のグレーティングファイバー３、４での反射波長が一致する波長λ２の単一偏光５を出力することができる。
次に、本発明のファイバーレーザ１０の動作原理について説明する。ポンプ光源１から出射された所定の波長λｐのポンプ光は、第２のグレーティングファイバー４を透過して固体レーザファイバー２に入射する。固体レーザファイバー２内でポンプ光λｐが吸収され、希土類イオンを励起することで、固体レーザファイバー２は励起状態となる。さらに、励起状態となった固体レーザファイバー２は、第１及び第２のグレーティングファイバー３、４により共振器構造を構成することでレーザ発振が可能となる。このとき、図１の（ｂ）に示すように、第２のグレーティングファイバー４の反射波長λ２を第１のグレーティングファイバー３の反射波長λ１ｓ、λ１ｆのいずれか一方とのみ一致するように設定する。本実施の形態１ではλ２とλ１ｆとが一致（λ２＝λ１ｆ）するように設定する。固体レーザファイバー２で、発生した励起光は、第２のグレーティングファイバー４で反射されたλ２の波長の光と、第１のグレーティングファイバー３でブラッグ反射される２つの偏光のうち、第１の偏光６の反射波長λ１ｆとが一致するため、この一対の反射要素３、４による反射によって共振条件が満足されレーザ発振する。レーザ発振状態となるのは第１のグレーティングファイバー３における第１の偏光なので、第１のグレーティングファイバー３から外部に出射されるレーザ光５は波長λ２の単一偏光の光となる。そこで、このファイバーレーザ１０では、両端の反射要素である第１及び第２のグレーティングファイバー３、４での反射波長が一致する波長λ２の単一偏光５を出力することができる。
さらに、このファイバーレーザ１０の各構成部材について説明する。
まず、固体レーザファイバー２は、希土類をドープされている。さらに、例えば、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｈｏからなる群から少なくとも一つをドープされていてもよい。また、固体レーザファイバー２としては、ダブルクラッドファイバーが好ましい。ダブルクラッドファイバーを用いることによって高出力の励起が可能となり、高出力のレーザ発振が可能となる。また、固体レーザファイバー２の長さは、固体レーザファイバー２におけるポンプ光源１からのポンプ光の吸収係数によって決まり、およそポンプ光の８０％以上、好ましくは略１００％を吸収する長さに設定する。例えば、Ｙｂドープの固体レーザファイバーを用い、９１５ｎｍの波長のポンプ光を用いる場合には、約１０ｍ程度の長さとなる。
なお、固体レーザファイバー２としては複屈折率を有する偏波保存ファイバーを用いてもよい。複屈折率ファイバーを用いることで、出力の安定化が図れる。例えば、外乱が生じた場合、ファイバー内の偏光が変化し、レーザ光５の出力が変動する場合がある。このような外乱による出力変動を防止して出力の安定化を図るには、固体レーザファイバー２に偏波保存ファイバーを用いることが好ましい。なお、固体レーザファイバー２として偏波保存ファイバーを用いる場合、その偏光軸は、第１のグレーティングファイバー３の偏光軸と一致させる必要がある。
また、第１のグレーティングファイバー３は、複屈折率をもつ偏波保存ファイバーを用いる。この偏波保存ファイバーは、ファイバーの複屈折率により偏光軸によってそれぞれ屈折率が異なり、互いに直交する２つの偏光軸についてファーストモードとスローモードの偏光を有する。図では、第１の偏光６をファーストモード、第２の偏光７をスローモードとする。それぞれの偏光によって屈折率が異なるため伝播定数が異なり、グレーティングによるブラッグ反射の波長に差が生じる。第１の偏光のファーストモードのブラッグ反射波長をλ１ｆとし、第２の偏光のスローモードのブラッグ反射波長をλ１ｓとすると、λ１ｓ＞λ１ｆの関係となる。通常の偏波保存ファイバーの場合、λ１ｓとλ１ｆの差は０．４ｎｍ程度であるが、複屈折率の差を調整することでブラッグ波長の差を制御することができる。第１のグレーティングファイバー３の反射率は１０％程度である。
また、第２のグレーティングファイバー４は、通常の単一モードファイバーを用いる。この単一モードファイバーは、複屈折率は有しないのでブラッグ反射波長はλ２である。第２のグレーティングファイバー４の反射率は９９％以上である。なお、第２のグレーティングファイバー４もまた、ダブルクラッドファイバーが好ましい。ダブルクラッドファイバーを用いることでワイドストライプのポンプ光源１からのポンプ光を効率よく固体レーザファイバー２に導入できる。
なお、ここでは第１の反射要素として第２のグレーティングファイバー４を用いたが、グレーティングファイバーの代わりに、誘電体多層膜を利用してもよい。この誘電体多層膜は、例えば、固体レーザファイバー２の端面に多層膜ミラーを接着またはファイバー端面に直接多層膜を体積することで実現できる。誘電体多層膜を利用した反射要素として、図２に示すようにいくつかの構成が利用できる。第１の構成は、図２（ａ）に示すように特定波長を中心に長波長側を透過、短波長側を反射するシャープカットフィルターである。λ１ｓ＞λ１ｆのブラッグ反射波長の大小関係により、λ１ｓを透過、λ１ｆを反射する構成にすれば、λ１ｆの波長でのみ共振条件を満足し、単一偏光でのレーザ発振が可能となる。第２の構成は、図２（ｂ）に示すように、ブラッグ反射のような狭帯域の反射特性を有する誘電体多層膜である。この場合は特定の波長のみを反射するので、λ１ｓまたはλ１ｆのいずれか一方と反射波長を一致させることで、単一偏光でのレーザ発振が可能となる。第３の構成は、図２（ｃ）に示すように、狭帯域の透過特性を有するバンドパスフィルターである。この場合、狭帯域の透過波長をλ１ｓまたはλ１ｆのいずれかの波長と一致させることで、一致しない方の波長でのみレーザ発振が起こるので、単一偏光のレーザ発振が可能となる。
さらに、第１の反射要素として、外部の反射光学系として実現してもよい。この場合に、誘電体多層膜をバルクの光学系として用いてもよい。外部の反射光学系は、固体レーザファイバー２の端面から外部に光を取りだし、レンズによりコリメートした後、例えば、誘電体多層膜フィルターで反射させ、特定波長の反射光を固体レーザファイバー２の内部に帰還させる光学系として実現することができる。
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２に係るファイバーレーザ１０ａの構成を示す概略図である。このファイバーレーザ１０ａの光学系の構成は図１の（ａ）のファイバーレーザ１０と同一である。このファイバーレーザ１０ａでは、第１のグレーティングファイバー３と第２のグレーティングファイバー４とを同一の基板８上に配置していることを特徴とする。第１及び第２のグレーティングファイバー３、４を同一の基板８上に配置することによって、それぞれのグレーティングファイバー３、４を同一の温度条件にすることができる。グレーティングファイバーは温度条件によってそのブラッグ反射波長が変化するため、上記のように２つのグレーティングファイバー３、４を同一の基板８上に配置することで両端での反射波長がずれることを防ぐことができる。また、基板８は、例えば、アルミニウム、銅、銀等の熱伝導性が良好なものが好ましい。
（実施の形態３）
図４の（ａ）は、本発明の実施の形態３に係るファイバーレーザ１０ｂの構成を示す概略図である。図４の（ｂ）は、このファイバーレーザ１０ｂの両端の反射要素による反射スペクトル特性を示す概略図である。このファイバーレーザ１０ｂでは、第２のグレーティングファイバー４ａとして偏波保存ファイバーを用いている。偏波保存ファイバーは、異なる偏光で異なるブラッグ反射波長λ２ｆとλ２ｓを有する。図４（ｂ）に示すように、第１のグレーティングファイバー３のファーストモードのブラッグ波長λ１ｆと第２のグレーティングファイバー４ａのスローモードのブラッグ反射波長λ２ｓとが一致するように設定する。これによって、ブラッグ反射波長が等しい条件で共振条件が成立し、レーザ発振が起こる。その後、第１のグレーティングファイバー３から外部に第１の偏光６の波長λ１ｆの単一偏光のレーザ光５を出力することができる。このファイバーレーザ１０ｂでは、両端の反射要素として偏波保存ファイバーからなるグレーティングファイバー３，４ａを用い、それぞれの偏光間のブラッグ反射波長の差を利用して、異なるモードでのブラッグ反射波長を一致させることで、レーザ光の単一偏光化が可能となる。
（実施の形態４）
図５の（ａ）は、本発明の実施の形態４に係るファイバーレーザ１０ｃの構成を示す概略図である。図５の（ｂ）は、このファイバーレーザ１０ｃの両端の反射要素による反射スペクトル特性を示す概略図である。このファイバーレーザ１０ｃでは、固体レーザファイバー２ａとして複屈折率を有する偏波保存ファイバーを用いている。複屈折率ファイバーを用いることで、外乱による出力変動を抑えて出力の安定化が図れる。例えば、外乱が生じるとファイバー内の偏光が変化し、レーザ光５の出力が変動する場合がある。外乱による出力変動を防止して出力安定化を図るには、固体レーザファイバー２ａに偏波保存ファイバーを用いることが好ましい。
なお、固体レーザファイバー２ａとして偏波保存ファイバーを用いる場合、図５（ａ）に示すように、その偏光軸は、第１のグレーティングファイバー３の偏光軸と一致させる必要がある。さらに、第１のグレーティングファイバー３のファーストモードと第２のグレーティングファイバー４ａのスローモードが固体レーザファイバー２ａの同一の偏光軸と一致するように、それぞれのグレーティングファイバー３，４ａを固体レーザファイバー２ａに融着する必要がある。
また、第２のグレーティングファイバー４ａとしては、ダブルクラッドファイバーが好ましい。ダブルクラッドファイバーを用いることでポンプ光源１との高い結合効率が実現でき、かつ、固体レーザファイバー２ａに高出力のポンプ光を注入できる。
なお、偏光制御が可能な偏波保存ファイバーは、ファイバーレーザ１０ｃの出射部に設けることが好ましい。出射部に偏波ホゾンファイバーを設けることで、出力される光が単一偏光化させることができる。
（実施の形態５）
図６の（ａ）は、本発明の実施の形態５に係るファイバーレーザ１０ｄの構成を示す概略図である。図６の（ｂ）は、このファイバーレーザ１０ｄの両端の反射要素による反射スペクトル特性を示す概略図である。このファイバーレーザ１０ｄによれば、複数の波長についてそれぞれ単一偏光のレーザ光を発生させることができる。このような、多波長の単一偏光を同時に発生可能なファイバーレーザ１０ｄの構成について、図６（ａ）を用いて説明する。このファイバーレーザ１０ｄは、図１（ａ）の実施の形態１に係るファイバーレーザ１０の構成に加えて、さらに光軸方向の両端に第３のグレーティングファイバー４２と第４のグレーティングファイバー４１とを備える点で相違する。第３のグレーティングファイバー４２は、第１のグレーティングファイバー３の光軸方向の両端のうち、固体レーザファイバー２と反対側の端部に設けられている。また、第４のグレーティングファイバー４１は、第２のグレーティングファイバー４の光軸方向の両端のうち、固体レーザファイバー２と反対側の端部に設けられている。この第３のグレーティングファイバー４２と第４のグレーティングファイバー４１とによって共振器構造を構成している。第３のグレーティングファイバー４２では、波長λ３ｆの第１の偏光６と、波長λ３ｓの第２の偏光７とをブラッグ反射する。第４のグレーティングファイバー４１では、波長λ４の光をブラッグ反射する。ここでは、λ４とλ３ｆとが一致するように設定している。このファイバーレーザ１０ｄでは、両端の反射要素である第１及び第２のグレーティングファイバー３、４での反射波長が一致する波長λ２の第１の偏光６と、第３及び第４のグレーティングファイバー４２、４１での反射波長が一致する波長λ４の第１の偏光６との２つの波長についての単一偏光を出力することができる。
次に、このファイバーレーザ１０ｄの動作原理について説明する。
まず、第３のグレーティングファイバー４２と第４のグレーティングファイバー４１は、第１及び第２のグレーティングファイバー３、４とは異なるブラッグ反射波長を有している。第３のグレーティングファイバー４２でブラッグ反射する２つの異なる偏光のブラッグ反射波長λ３ｆとλ３ｓとは互いに異なる波長である。一方、第４のグレーティングファイバー４１でブラッグ反射する波長λ４と、第３のグレーティングファイバー４２でブラッグ反射する第１の偏光６の波長λ３ｆとのみが一致している。このため、このファイバーレーザ１０ｄでは、λ２、λ４の異なる波長の単一偏光を有するレーザ光を同時に出力させることができる。例えば、固体レーザファイバー２としてＹｂドープファイバーレーザーを用いた場合、１０３０〜１１００ｎｍまでの広い波長範囲で励起光を発生可能なため、同時に複数の波長でのレーザ発振を発生させることができる。また、固体レーザファイバー２として、複数の希土類をドープした場合、例えばＥｒとＹｂを同時にドープした場合には、Ｙｂによる波長１０６０ｎｍ近傍（１０３０−１１００ｎｍ）の光とＥｒによる波長１５５０ｎｍ近傍（１４８０−１６００ｎｍ）の光を同時に発生することが可能となる。
なお、ここでは第２の反射要素として第４のグレーティングファイバー４１を用いたが、その他、誘電体多層膜を用いたフィルターも利用できる。
（実施の形態６）
図７の（ａ）は、本発明の実施の形態６に係るファイバーレーザ１０ｅの構成を示す概略図である。図７の（ｂ）は、このファイバーレーザ１０ｅの両端の反射要素による反射スペクトル特性を示す概略図である。このファイバーレーザ１０ｅでは、第２のグレーティングファイバー４ａに偏波保存ファイバーを用いると共に、第３のグレーティングファイバー４１ａとして偏波保存ファイバーを用いている。第３のグレーティングファイバー４１ａの偏波によるブラッグ反射波長の差を利用して単一偏光化が容易に行える。図７（ｂ）に示したように、第３のグレーティングファイバー４１ａのファーストモードのブラッグ反射波長λ３ｆと第４のグレーティングファイバー４２のスローモードのブラッグ反射波長λ４ｓとを一致させることで、一方の偏光でのみ共振条件が満足され単一偏光での発生が可能となる。
さらに、２波長を同時にレーザ発振させる場合、２つの発振のゲインの奪い合いによるモード競合が起こり、出力が不安定になる場合がある。これを抑制するには、発振する２つの波長が異なる偏光で発振するように設計することで、モード間の結合を低減し、出力の安定化が図れる。この状態を実現するには、レーザ発振が起こるモードの偏光が互いに直交するように、固体レーザファイバー２の偏光と第１及び第４のグレーティングファイバー３、４２の偏光とを一致させる構成が望ましい。すなわち、固体レーザファイバー２には偏波保存ファイバーを用いることが好ましい。さらに、固体レーザファイバー２の偏光軸と、第１及び第４のグレーティングファイバー３、４２の偏光軸と、第２及び第３のグレーティングファイバー４ａ、４１ａの偏光軸とをそれぞれ一致させることが好ましい。以上の構成によって、一方の偏光とλ１ｆ、λ２ｓの偏光方向とが一致し、他方の偏光とλ４ｓとλ３ｆの偏光方向とが一致するように設計することで、安定条件が満足できる。
（実施の形態７）
図８の（ａ）は、本発明の実施の形態７に係るファイバーレーザ２０の構成を示す概略図である。図８の（ｂ）は、このファイバーレーザ２０の固体レーザファイバー２の両端の反射要素による反射スペクトル特性を示す概略図である。このファイバーレーザ２０では、実施の形態１に係るファイバーレーザ１０と比較すると、入力されたレーザ光５から短波長光６２を発生させる波長変換素子６１をさらに備える点で相違する。このファーバーレーザ２０では、簡単な構成で単一偏光発生が可能なため、波長変換素子６１による高効率な波長変換が可能となる。ファイバーレーザ１０の出射部に、波長変換素子６１を設置し、この波長変換素子６１によりファイバーレーザ１０から出たレーザ光５を高調波６２に変換している。
この波長変換素子６１として、ＰＰＭｇＬＮ（周期状の分極反転構造を有するＭｇドープのＬｉＮｂＯ３）を用いている。ＰＰＭｇＬＮは、高い非線形定数を有する高非線形材料であり、高効率変換が可能である。しかし、高効率変換のためには入力する基本波に高いビーム品質が要求される。すなわち、ＰＰＭｇＬＮを用いた変換素子６１を利用するためには、ビーム品質Ｍ２として１．２以下、波長スペクトルとして０．２ｎｍ以下、単一偏光等の特性が要求される。これらの特性を満足しながら、高出力特性を実現するために、本発明のファイバーレーザ２０の構成は非常に有効である。２つのグレーティングファイバーのブラッグ反射波長の許容幅を狭くすることで、レーザ光のスペクトル幅を０．１ｎｍ以下に制御できる。また本発明のファイバーレーザの構造で単一偏光の偏光比は１５ｄＢ以上となる。このため、波長変換素子６１での変換効率は理論値に近い値が得られ、３０％以上の変換効率が容易に得られる。
（実施の形態８）
図９の（ａ）は、本発明の実施の形態８に係るファイバーレーザ２０ａの構成を示す概略図である。図９の（ｂ）は、このファイバーレーザ２０の固体レーザファイバー２の両端の反射要素による反射スペクトル特性を示す概略図である。このファイバーレーザ２０ａでは、図７（ａ）に示すファイバーレーザ１０ｅの構成と、さらに、波長変換素子７１、７２を組み合わせている。このように、両端に設ける反射要素として第１及び第２のグレーティングファイバー３及び４ａと、第３及び第４のグレーティングファイバー４２、４ａ及び４１ａとの２対の反射要素を用いることにより、多波長の単一偏光の発生が可能となる。ファイバーレーザ１０ｅから出射された２波長のレーザ光５は、波長変換素子７１と波長変換素子７２によりそれぞれ波長変換され高調波７３、７４となる。このファイバーレーザ２０ａでは、同時に異なる高調波を発生することができる。
上述のようにファイバーレーザ２０ａから複数の単一偏光の光が発生することができれば、応用分野が広がる。例えば、２つの波長λ１とλ２の光が出力された場合、波長変換素子により高調波に変換すると、λ１／２、λ２／２、λ１λ２／（λ１＋λ２）の３つの光に分かれる。もとの基本波と合わせると５つの波長の光を出力することが可能となり、多波長光源として用とが広がる。さらに、表示光源として利用する場合に、波長の数が増えることでスペックルノイズの低減が可能となるため、スペックルノイズの少ない高画質な表示が可能となるといった利点も有する。
（実施の形態９）
図１０は、本発明の実施の形態９に係るファイバーレーザ２０ｂの構成を示す概略図である。このファイバーレーザ２０ｂでは、ファイバーレーザ１０ｄに、さらに、複数の波長変換素子と組み合わせることで、赤、青、緑のＲＧＢ光を同時発生することができる。このファイバーレーザ２０ｂは、固体レーザファイバーとしてＥｒとＹｂが同時にドープされた固体レーザファイバー２を用いる。ポンプ光源１として９１５〜９８０ｎｍ近傍の光を用いると、本発明の図６（ａ）または図７（ａ）の構成で２波長でのレーザ発振が可能となる。ここでは、波長１０８４ｎｍと１５５４ｎｍの光を同時に発生させた場合について説明する。ＳＨＧ１を通った波長１０８４ｎｍの光の一部は波長５４２ｎｍの高調波に変換され緑色光を発生する。さらに、変換されなかった波長１０８４ｎｍの光と波長１５５４ｎｍの光の一部はＳＦＧ１により和周波（sum-frequency mixing）に変換され波長６３９ｎｍの赤色を発生する。さらに、ＳＨＧ２により波長１５５４ｎｍの光は波長７７７ｎｍの高調波に変換され、波長７７７ｎｍの光と波長１０８４ｎｍの光はＳＦＧ２により和周波に変換され４５３ｎｍの青色光を発生する。この構成をとることで、ＲＧＢの３色を同時発生することが可能となる。
（実施の形態１０）
図１１は、本発明の実施の形態１０に係るファイバーレーザ２０ｃの構成を示す概略図である。このファイバーレーザ２０ｃは、実施の形態９に係るファイバーレーザと比較すると、ＳＨＧ素子、ＳＦＧ素子等の波長変換素子を並べ替えている点で相違するが、実施の形態９と同様にＲＧＢの同時発生が可能となる。本実施の形態１０の構成をとることで、さらに簡単な構成で単一偏光の複数の光を発生することが可能となるので、ＲＧＢ光、多波長光の発生が容易に行える。
（実施の形態１１）
図１２（ａ）は、本発明の実施の形態１１に係るファイバーレーザ２０ｄの構成を示す概略図である。このファイバーレーザ２０ｄは、ＳＨＧ素子、ＳＦＧ素子を一体化した構成である。図１２の（ａ）の場合は、基本波は、単一偏光の波長１０８４ｎｍの基本波６０１と波長１５５４ｎｍの基本波６１２である。波長１５５４ｎｍの基本波６１２は、ＳＨＧ素子６０９によって波長７７７ｎｍの高調波に変換される。波長７７７ｎｍの光と波長１０８４ｎｍの基本波６０１は、ＳＦＧ素子６０４によって波長４５３ｎｍの青色光６０５に変換される。さらに波長１０８４ｎｍの基本波は、ＳＨＧ素子６０７によって波長５４２ｎｍの緑色光６０５に変換される。このファイバーレーザ２０ｄでは、波長変換素子を複数のグレーティング構造によって構成することで、青色と緑色の光を同時に発生することが実現できた。図１２（ｂ）は、別例のファイバーレーザ２０ｅの構成を示す概略図である。このファイバーレーザ２０ｅでは、図１２の（ａ）の構成に加えて、さらにＳＦＧ素子６１４を備え、基本波６０１、６１２の和周波（sum-frequency mixing）により６４２ｎｍの赤色光６１３を発生しており、同時にＲＧＢ光発生が可能となる。
波長変換素子は、分極反転周期を設計することで、ＳＨＧ、ＳＦＧ素子が実現できる、これらを一体化した構成をとることで、光源全体が小型化になる。さらに途中の光学系での損失も低減できるため、高効率化にも有効である。
また、ＳＨＧまたはＳＦＧ波長変換素子としては、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ましい。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または化学量論組成のＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３等を用いることができる。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がある。この特徴を利用した単一の光学結晶により青色光発生が可能となる。
なお、固体レーザファイバーとしては上記以外にも、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｈｏイオンのいずれかの元素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。その他のイオンを用いた場合にも、異なる波長の光源が実現できる。
（実施の形態１２）
図１３は、本発明の実施の形態１２に係るレーザディスプレイ装置１００の構成を示す概略図である。ここでは、本発明のコヒーレント光源であるファイバーレーザを用いた光学装置としてのレーザディスプレイ装置１００について説明する。本発明の上記ファイバーレーザによって実現できるＲＧＢレーザを用いることによって、色再現性の高いレーザディスプレイ装置が実現できる。なお、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色光源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であるファイバーレーザによれば、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装置が実現できる。このファイバーレーザを用いた光源として、緑、青、または緑と青を同時発生する光源が利用できる。
このレーザディスプレイ装置１００は、図１３に示すように、ファイバーレーザ８０１を光源とし、レーザ光を２次元スイッチである液晶パネル８０５により画像変換して、スクリーン８０６上に映像を投影する。さらに詳細に説明すれば、ファイバーレーザ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８０４は揺動機構により位置変動しており、スクリーン８０６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であるファイバーレーザ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る。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、簡素化が可能となる。
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ミラー等も利用できる。
（実施の形態１３）
図１４は、本発明の実施の形態１３に係るレーザディスプレイ装置１００ａの構成を示す概略図である。このレーザディスプレイ装置１００ａでは、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必要である。本発明のコヒーレント光源であるファイバーレーザによれば、高出力化が可能であり、出力安定化に優れる。また、温度制御素子を用いないか、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た。
また、この実施の形態ではファイバーレーザを用いた光学装置として、レーザディスプレイについて説明したが、その他、本発明に係るファイバーレーザを光ディスク装置や、計測装置に用いても有効である。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。本発明のファイバーレーザを用いた光源は高出力かつ、高いコヒーレンスを有するため、光ディスク装置等への応用にも有効である。
そのほか、本発明のファイバーレーザを用いた可視光源を用いれば、液晶のバックライトへの応用も可能となる。液晶のバックライト用の光源としてファイバーレーザを用いれば、高い変換効率により高効率、高輝度の液晶が実現できる。さらにレーザ光により広い色範囲が表現できるため、色再現性に優れたディスプレイが実現できる。また、本発明のファイバーレーザを用いたＲＧＢ光源を用いれば、単一の光源からＲＧＢが同時発生できるため、構成の簡素化が実現できるといった利点もある。
また、本発明のファイバーレーザは、照明光源としても利用できる。ファイバーレーザは変換効率が高いため、電気−光の高効率変換が可能となる。また、ファイバーを用いることで、低損失で離れた場所に光を伝送することができる。光発生を特定の場所で行い、離れた場所に光を送ることで、光のセントラル発生により室内の照明が可能になる。ファイバーレーザは、ファイバーとの結合が低損失で行えるため、光の配送には有効である。
本発明のファイバーレーザは、簡単な構成で、単一偏光のレーザ光発生が可能となる。また、複数の波長の単一偏光の発生が可能となる。さらに、波長変換素子と組み合わせることで、可視光やＲＢＧ光の発生が可能となる。
またさらに、本発明のファイバーレーザを用いれば、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る。
本発明は、単一偏光のレーザ光を出力するファイバーレーザに関する。
高出力のレーザ光源として、固体レーザ媒質のコアを有するファイバーレーザが開発されている。このファイバーレーザは、光学的に活性なＮｄ、Ｙｂ、Ｅｒと言った希土類イオンがドープされたコア部を有する固体レーザファイバーと、固体レーザファイバーの光軸方向に沿った両端に所定間隔で離間して設置された光学的反射要素とからなる。上記固体レーザファイバーに所定の波長のポンプ光（励起光）を入射すると、希土類イオンが励起され、利得媒質となり、上記反射要素によって共振器を構成することでレーザ発振が可能となる。反射要素としては、ポンプ光を透過し、利得媒質で励起される励起光を反射する特性が必要であり、ファイバー内に周期的な屈折率変化を形成し、ブラッグ反射により特定波長を反射するグレーティングファイバーを反射要素として使用する。
さらに、ファイバーレーザを単一偏光の光源として利用する方法が提案されている。特許文献１に示すように、レーザ媒質を偏波保存ファイバーとし、レーザ媒質に偏光依存性を設け、かつ一方の偏光に対する損失を大きくすることで、単一偏光のみが伝播する構成である（例えば、特許文献１参照。）。
特表平１１−５０１１５８号公報（米国特許第５５１１０８３号）
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。しかし、偏光を制御し、単一偏光の光を出射するのに複雑な構成が必要となるという問題があった。
従来のファイバーレーザにおける偏光制御では、異なる２つの偏光成分のうち一方の偏光の損失を増大させ、共振器内でロスの少ないモードでのみのレーザ発振を行う構成である。従来の方法としては、背景技術で紹介したファイバー内に一方の偏光に対して損失を増大させる周期構造を形成する方法や、一方の変更のみを透過する偏光子を挿入する方法等がある。しかしながら、いずれの方法も構成が複雑になる、部品点数が増える、調整が複雑になる等の問題があり、簡素化、低コスト化に問題があった。
本発明の目的は、偏光を制御し、単一偏光化させたファイバーレーザを提供することである。さらに、ファイバーレーザを用いた光源を提供することである。また、単一偏光化されたファイバーレーザと波長変換素子により可視光を発生するファイバーレーザ光源を実現することである。
前記の課題を解決するために、本発明に係るファイバーレーザは、希土類元素をドープされた固体レーザファイバーと、
前記固体レーザファイバーの光軸方向に沿った両端のうち、一方の端部に設けられた第１のグレーティングファイバーと、
前記固体レーザファイバーの他方の端部に設けられた第１の反射要素と
を備え
前記第１及び第２の反射要素は、前記固体レーザファイバーについて共振器構造を構成し、
前記第１のグレーティングファイバーは、第１の波長を有する第１の偏光と、前記第１の波長と異なる第２の波長を有し前記第１の偏光と偏光方向が互いに直交する第２の偏光との２つの偏光のみをブラッグ反射し、
前記第１の反射要素で反射する光の少なくとも一つの反射波長と、前記第１のグレーティングファイバーでブラッグ反射する２つの偏光のうちいずれか一方の波長とが互いに一致していることを特徴とする。
また、前記第１の反射要素は、誘電体多層膜であってもよい。さらに、前記第１の反射要素は、前記第１の反射要素は、前記固体レーザファイバーの他方の端部から光を外部に取り出して反射させた光を前記他方の端部から前記固体レーザファイバーの内部へ戻す反射光学系であってもよい。またさらに、前記第１の反射要素は、前記第１のグレーティングファイバーでブラッグ反射する２つの偏光のうち、いずれか一方の偏光と同じ波長の光をブラッグ反射する第２のグレーティングファイバーであってもよい。
また、前記第１の反射要素は、第３の波長を有する第３の偏光と、前記第３の波長と異なる第４の波長を有し前記第３の偏光と偏光方向が互いに直交する第４の偏光のみをブラッグ反射する第２のグレーティングファイバーであってもよい。この場合、前記第１のグレーティングファイバーと、前記第２のグレーティングファイバーとは、ブラッグ反射するそれぞれ２つの偏光のうち、一つの偏光の偏光方向及びブラッグ反射波長が互いに一致していてもよい。
さらに、前記第１及び第２のグレーティングファイバーは、それぞれ互いに直交する２つの偏光を有し、
前記第１のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第１の偏光の波長λ１と第２の偏光の波長λ２はλ１＞λ２の関係を満足し、前記第２のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第３の偏光の波長λ３と第４の偏光の波長λ４はλ３＞λ４の関係を満足し、前記波長がλ１＝λ４またはλ２＝λ３の何れかの関係を満足していてもよい。
またさらに、前記第１のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第１の偏光の第１の波長と、前記第２のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第４の偏光の第４の波長とが互いに一致していてもよい。あるいは、前記第１のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第２の偏光の第２の波長と、前記第２のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第３の偏光の第３の波長とが互いに一致していてもよい。
またさらに、前記固体レーザファイバーは、複屈折率を有し、前記第１のグレーティングファイバーの偏光方向と前記固体レーザファイバーの偏光方向とが互いに一致していてもよい。
また、前記固体レーザファイバーは、複屈折率を有するものであってもよい。この場合、前記固体レーザファイバーの２つの偏光のうち、いずれか一つの偏光と、前記第１のグレーティングファイバーの第１の偏光と、前記第２のグレーティングファイバーの第４の偏光とが、偏光方向及び波長が互いに一致していてもよい。
さらに、前記第１のグレーティングファイバーの光軸方向の両端のうち、前記固体レーザファイバーに接する端部と反対側の端部に設けられた第３のグレーティングファイバーと、前記第１の反射要素の光軸方向の両端のうち、前記固体レーザファイバーに接する端部と反対側の端部に設けられた第２の反射要素とをさらに備えてもよい。この場合、前記第１のグレーティングファイバーと前記第１の反射要素とは、前記固体レーザファイバーについて共振器構造を構成する。また、前記第３のグレーティングファイバーと前記第２の反射要素とは、前記固体レーザファイバーについて共振器構造を構成する。さらに、前記第３のグレーティングファイバーは、第５の波長を有する第５の偏光と、前記第５の波長と異なる第６の波長を有し前記第５の偏光と偏光方向が互いに直交する第６の偏光との２つの偏光のみをブラッグ反射する。またさらに、前記第２の反射要素で反射する光の少なくとも一つの反射波長と、前記第３のグレーティングファイバーでブラッグ反射する２つの偏光のうちいずれか一つの偏光の波長とが互いに一致していてもよい。
また、前記第２の反射要素は、誘電体多層膜であってもよい。
またさらに、前記第２の反射要素は、第７の波長を有する第７の偏光と、前記第７の波長と異なる第８の波長を有し前記第７の偏光と偏光方向が互いに直交する第８の偏光とのみをブラッグ反射する第４のグレーティングファイバーであってもよい。また、前記第３のグレーティングファイバーと、前記第４のグレーティングファイバーとは、ブラッグ反射するそれぞれ２つの偏光のうち、一つの偏光の偏光方向及びブラッグ反射波長が互いに一致していてもよい。
また、前記第３及び第４のグレーティングファイバーは、それぞれ互いに直交する２つの偏光を有するものであってもよい。この場合、前記第３のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第５の偏光の波長λ５と第６の偏光の波長λ６はλ５＞λ６の関係を満足し、前記第４のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第７の偏光の波長λ７と第８の偏光の波長λ８はλ７＞λ８の関係を満足し、前記波長がλ５＝λ８またはλ６＝λ７の何れかの関係を満足していてもよい。
さらに、前記第３のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第５の偏光の第５の波長と、前記第４のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第８の偏光の第８の波長とが互いに一致していてもよい。あるいは、前記第３のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第６の偏光の第６の波長と、前記第４のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第７の偏光の第７の波長とが互いに一致していてもよい。
さらに、前記固体レーザファイバーは、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｈｏからなる群から少なくとも一つ含んでいてもよい。
またさらに、前記第１の反射要素で反射する光の反射波長は、１０６０ｎｍ近傍であってもよい。また、前記第２の反射要素で反射する光の反射波長は、１５５０ｎｍ近傍であってもよい。
さらに、前記ファイバーレーザからの出力を高調波に変換する波長変換素子をさらに備えてもよい。またさらに、前記ファイバーレーザからの出力を複数の異なる波長の高調波に変換する複数の波長変換素子を備えてもよい。
また、前記波長変換素子は、周期状の分極反転構造を有するＭｇドープＬｉＮｂＯ３、ＭｇドープＬｉＴａＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４、化学量論組成のＭｇドープＬｉＮｂＯ３、化学量論組成のＭｇドープＬｉＴａＯ３の群から選ばれる少なくとも一つを含むものであってもよい。
さらに、前記固体レーザファイバーの前記両端のいずれか一方の端部から励起光を入力するポンプ光源をさらに備えてもよい。
本発明のファイバーレーザは、グレーティングファイバーの特性を利用して、一方の偏光のみを共振状態にすることでレーザ発振の偏光を制御する方法を提案する。さらに、青色、緑色、同時発生、高出力化、および、ディスプレイ装置への応用等について提案する。
本発明によれば、ファイバーレーザを用いた簡単な構成で偏光制御を可能とし、単一偏光化を可能とする。さらに波長変換素子を用いることにより、単一偏光化された光を高効率で波長変換することで、可視光の発生を可能とする。
以下に、本発明の実施の形態に係るファイバーレーザについて添付図面を用いて説明する。なお、図面において実質的に同一の部材には同一の符号を付している。
（実施の形態１）
図１の（ａ）は、本発明の実施の形態１に係るファイバーレーザ１０の構成を示す概略図である。図１の（ｂ）は、ファイバーレーザ１０の光軸方向に沿った両端の反射要素３、４で反射する光の波長とその反射スペクトルとの関係を示す概略図である。このファイバーレーザ１０は、希土類がドープされた固体レーザファイバー２と、固体レーザファイバー２の光軸方向の両端に設けられた第１及び第２のグレーティングファイバー３、４とを含む。第１及び第２のグレーティングファイバー３、４は、固体レーザファイバー２について共振器構造を構成する。第１のグレーティングファイバー３では、波長λ１ｆの第１の偏光６と、波長λ１ｓの第２の偏光７とをブラッグ反射する。なお、第１の偏光６と第２の偏光７とは、図１に示すようにその偏光方向が互いに直交している。また、第２のグレーティングファイバー４では、波長λ２の光をブラッグ反射する。ここでは、λ２とλ１ｆとが一致するように設定している。このファイバーレーザ１０では、両端の反射要素である第１及び第２のグレーティングファイバー３、４での反射波長が一致する波長λ２の単一偏光５を出力することができる。
次に、本発明のファイバーレーザ１０の動作原理について説明する。ポンプ光源１から出射された所定の波長λｐのポンプ光は、第２のグレーティングファイバー４を透過して固体レーザファイバー２に入射する。固体レーザファイバー２内でポンプ光λｐが吸収され、希土類イオンを励起することで、固体レーザファイバー２は励起状態となる。さらに、励起状態となった固体レーザファイバー２は、第１及び第２のグレーティングファイバー３、４により共振器構造を構成することでレーザ発振が可能となる。このとき、図１の（ｂ）に示すように、第２のグレーティングファイバー４の反射波長λ２を第１のグレーティングファイバー３の反射波長λ１ｓ、λ１ｆのいずれか一方とのみ一致するように設定する。本実施の形態１ではλ２とλ１ｆとが一致（λ２＝λ１ｆ）するように設定する。固体レーザファイバー２で、発生した励起光は、第２のグレーティングファイバー４で反射されたλ２の波長の光と、第１のグレーティングファイバー３でブラッグ反射される２つの偏光のうち、第１の偏光６の反射波長λ１ｆとが一致するため、この一対の反射要素３、４による反射によって共振条件が満足されレーザ発振する。レーザ発振状態となるのは第１のグレーティングファイバー３における第１の偏光なので、第１のグレーティングファイバー３から外部に出射されるレーザ光５は波長λ２の単一偏光の光となる。そこで、このファイバーレーザ１０では、両端の反射要素である第１及び第２のグレーティングファイバー３、４での反射波長が一致する波長λ２の単一偏光５を出力することができる。
さらに、このファイバーレーザ１０の各構成部材について説明する。
まず、固体レーザファイバー２は、希土類をドープされている。さらに、例えば、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｈｏからなる群から少なくとも一つをドープされていてもよい。また、固体レーザファイバー２としては、ダブルクラッドファイバーが好ましい。ダブルクラッドファイバーを用いることによって高出力の励起が可能となり、高出力のレーザ発振が可能となる。また、固体レーザファイバー２の長さは、固体レーザファイバー２におけるポンプ光源１からのポンプ光の吸収係数によって決まり、およそポンプ光の８０％以上、好ましくは略１００％を吸収する長さに設定する。例えば、Ｙｂドープの固体レーザファイバーを用い、９１５ｎｍの波長のポンプ光を用いる場合には、約１０ｍ程度の長さとなる。
なお、固体レーザファイバー２としては複屈折率を有する偏波保存ファイバーを用いてもよい。複屈折率ファイバーを用いることで、出力の安定化が図れる。例えば、外乱が生じた場合、ファイバー内の偏光が変化し、レーザ光５の出力が変動する場合がある。このような外乱による出力変動を防止して出力の安定化を図るには、固体レーザファイバー２に偏波保存ファイバーを用いることが好ましい。なお、固体レーザファイバー２として偏波保存ファイバーを用いる場合、その偏光軸は、第１のグレーティングファイバー３の偏光軸と一致させる必要がある。
また、第１のグレーティングファイバー３は、複屈折率をもつ偏波保存ファイバーを用いる。この偏波保存ファイバーは、ファイバーの複屈折率により偏光軸によってそれぞれ屈折率が異なり、互いに直交する２つの偏光軸についてファーストモードとスローモードの偏光を有する。図では、第１の偏光６をファーストモード、第２の偏光７をスローモードとする。それぞれの偏光によって屈折率が異なるため伝播定数が異なり、グレーティングによるブラッグ反射の波長に差が生じる。第１の偏光のファーストモードのブラッグ反射波長をλ１ｆとし、第２の偏光のスローモードのブラッグ反射波長をλ１ｓとすると、λ１ｓ＞λ１ｆの関係となる。通常の偏波保存ファイバーの場合、λ１ｓとλ１ｆの差は０．４ｎｍ程度であるが、複屈折率の差を調整することでブラッグ波長の差を制御することができる。第１のグレーティングファイバー３の反射率は１０％程度である。
また、第２のグレーティングファイバー４は、通常の単一モードファイバーを用いる。この単一モードファイバーは、複屈折率は有しないのでブラッグ反射波長はλ２である。第２のグレーティングファイバー４の反射率は９９％以上である。なお、第２のグレーティングファイバー４もまた、ダブルクラッドファイバーが好ましい。ダブルクラッドファイバーを用いることでワイドストライプのポンプ光源１からのポンプ光を効率よく固体レーザファイバー２に導入できる。
なお、ここでは第１の反射要素として第２のグレーティングファイバー４を用いたが、グレーティングファイバーの代わりに、誘電体多層膜を利用してもよい。この誘電体多層膜は、例えば、固体レーザファイバー２の端面に多層膜ミラーを接着またはファイバー端面に直接多層膜を体積することで実現できる。誘電体多層膜を利用した反射要素として、図２に示すようにいくつかの構成が利用できる。第１の構成は、図２（ａ）に示すように特定波長を中心に長波長側を透過、短波長側を反射するシャープカットフィルターである。λ１ｓ＞λ１ｆのブラッグ反射波長の大小関係により、λ１ｓを透過、λ１ｆを反射する構成にすれば、λ１ｆの波長でのみ共振条件を満足し、単一偏光でのレーザ発振が可能となる。第２の構成は、図２（ｂ）に示すように、ブラッグ反射のような狭帯域の反射特性を有する誘電体多層膜である。この場合は特定の波長のみを反射するので、λ１ｓまたはλ１ｆのいずれか一方と反射波長を一致させることで、単一偏光でのレーザ発振が可能となる。第３の構成は、図２（ｃ）に示すように、狭帯域の透過特性を有するバンドパスフィルターである。この場合、狭帯域の透過波長をλ１ｓまたはλ１ｆのいずれかの波長と一致させることで、一致しない方の波長でのみレーザ発振が起こるので、単一偏光のレーザ発振が可能となる。
さらに、第１の反射要素として、外部の反射光学系として実現してもよい。この場合に、誘電体多層膜をバルクの光学系として用いてもよい。外部の反射光学系は、固体レーザファイバー２の端面から外部に光を取りだし、レンズによりコリメートした後、例えば、誘電体多層膜フィルターで反射させ、特定波長の反射光を固体レーザファイバー２の内部に帰還させる光学系として実現することができる。
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２に係るファイバーレーザ１０ａの構成を示す概略図である。このファイバーレーザ１０ａの光学系の構成は図１の（ａ）のファイバーレーザ１０と同一である。このファイバーレーザ１０ａでは、第１のグレーティングファイバー３と第２のグレーティングファイバー４とを同一の基板８上に配置していることを特徴とする。第１及び第２のグレーティングファイバー３、４を同一の基板８上に配置することによって、それぞれのグレーティングファイバー３、４を同一の温度条件にすることができる。グレーティングファイバーは温度条件によってそのブラッグ反射波長が変化するため、上記のように２つのグレーティングファイバー３、４を同一の基板８上に配置することで両端での反射波長がずれることを防ぐことができる。また、基板８は、例えば、アルミニウム、銅、銀等の熱伝導性が良好なものが好ましい。
（実施の形態３）
図４の（ａ）は、本発明の実施の形態３に係るファイバーレーザ１０ｂの構成を示す概略図である。図４の（ｂ）は、このファイバーレーザ１０ｂの両端の反射要素による反射スペクトル特性を示す概略図である。このファイバーレーザ１０ｂでは、第２のグレーティングファイバー４ａとして偏波保存ファイバーを用いている。偏波保存ファイバーは、異なる偏光で異なるブラッグ反射波長λ２ｆとλ２ｓを有する。図４（ｂ）に示すように、第１のグレーティングファイバー３のファーストモードのブラッグ波長λ１ｆと第２のグレーティングファイバー４ａのスローモードのブラッグ反射波長λ２ｓとが一致するように設定する。これによって、ブラッグ反射波長が等しい条件で共振条件が成立し、レーザ発振が起こる。その後、第１のグレーティングファイバー３から外部に第１の偏光６の波長λ１ｆの単一偏光のレーザ光５を出力することができる。このファイバーレーザ１０ｂでは、両端の反射要素として偏波保存ファイバーからなるグレーティングファイバー３，４ａを用い、それぞれの偏光間のブラッグ反射波長の差を利用して、異なるモードでのブラッグ反射波長を一致させることで、レーザ光の単一偏光化が可能となる。
（実施の形態４）
図５の（ａ）は、本発明の実施の形態４に係るファイバーレーザ１０ｃの構成を示す概略図である。図５の（ｂ）は、このファイバーレーザ１０ｃの両端の反射要素による反射スペクトル特性を示す概略図である。このファイバーレーザ１０ｃでは、固体レーザファイバー２ａとして複屈折率を有する偏波保存ファイバーを用いている。複屈折率ファイバーを用いることで、外乱による出力変動を抑えて出力の安定化が図れる。例えば、外乱が生じるとファイバー内の偏光が変化し、レーザ光５の出力が変動する場合がある。外乱による出力変動を防止して出力安定化を図るには、固体レーザファイバー２ａに偏波保存ファイバーを用いることが好ましい。
なお、固体レーザファイバー２ａとして偏波保存ファイバーを用いる場合、図５（ａ）に示すように、その偏光軸は、第１のグレーティングファイバー３の偏光軸と一致させる必要がある。さらに、第１のグレーティングファイバー３のファーストモードと第２のグレーティングファイバー４ａのスローモードが固体レーザファイバー２ａの同一の偏光軸と一致するように、それぞれのグレーティングファイバー３，４ａを固体レーザファイバー２ａに融着する必要がある。
また、第２のグレーティングファイバー４ａとしては、ダブルクラッドファイバーが好ましい。ダブルクラッドファイバーを用いることでポンプ光源１との高い結合効率が実現でき、かつ、固体レーザファイバー２ａに高出力のポンプ光を注入できる。
なお、偏光制御が可能な偏波保存ファイバーは、ファイバーレーザ１０ｃの出射部に設けることが好ましい。出射部に偏波ホゾンファイバーを設けることで、出力される光が単一偏光化させることができる。
（実施の形態５）
図６の（ａ）は、本発明の実施の形態５に係るファイバーレーザ１０ｄの構成を示す概略図である。図６の（ｂ）は、このファイバーレーザ１０ｄの両端の反射要素による反射スペクトル特性を示す概略図である。このファイバーレーザ１０ｄによれば、複数の波長についてそれぞれ単一偏光のレーザ光を発生させることができる。このような、多波長の単一偏光を同時に発生可能なファイバーレーザ１０ｄの構成について、図６（ａ）を用いて説明する。このファイバーレーザ１０ｄは、図１（ａ）の実施の形態１に係るファイバーレーザ１０の構成に加えて、さらに光軸方向の両端に第３のグレーティングファイバー４２と第４のグレーティングファイバー４１とを備える点で相違する。第３のグレーティングファイバー４２は、第１のグレーティングファイバー３の光軸方向の両端のうち、固体レーザファイバー２と反対側の端部に設けられている。また、第４のグレーティングファイバー４１は、第２のグレーティングファイバー４の光軸方向の両端のうち、固体レーザファイバー２と反対側の端部に設けられている。この第３のグレーティングファイバー４２と第４のグレーティングファイバー４１とによって共振器構造を構成している。第３のグレーティングファイバー４２では、波長λ３ｆの第１の偏光６と、波長λ３ｓの第２の偏光７とをブラッグ反射する。第４のグレーティングファイバー４１では、波長λ４の光をブラッグ反射する。ここでは、λ４とλ３ｆとが一致するように設定している。このファイバーレーザ１０ｄでは、両端の反射要素である第１及び第２のグレーティングファイバー３、４での反射波長が一致する波長λ２の第１の偏光６と、第３及び第４のグレーティングファイバー４２、４１での反射波長が一致する波長λ４の第１の偏光６との２つの波長についての単一偏光を出力することができる。
次に、このファイバーレーザ１０ｄの動作原理について説明する。
まず、第３のグレーティングファイバー４２と第４のグレーティングファイバー４１は、第１及び第２のグレーティングファイバー３、４とは異なるブラッグ反射波長を有している。第３のグレーティングファイバー４２でブラッグ反射する２つの異なる偏光のブラッグ反射波長λ３ｆとλ３ｓとは互いに異なる波長である。一方、第４のグレーティングファイバー４１でブラッグ反射する波長λ４と、第３のグレーティングファイバー４２でブラッグ反射する第１の偏光６の波長λ３ｆとのみが一致している。このため、このファイバーレーザ１０ｄでは、λ２、λ４の異なる波長の単一偏光を有するレーザ光を同時に出力させることができる。例えば、固体レーザファイバー２としてＹｂドープファイバーレーザーを用いた場合、１０３０〜１１００ｎｍまでの広い波長範囲で励起光を発生可能なため、同時に複数の波長でのレーザ発振を発生させることができる。また、固体レーザファイバー２として、複数の希土類をドープした場合、例えばＥｒとＹｂを同時にドープした場合には、Ｙｂによる波長１０６０ｎｍ近傍（１０３０−１１００ｎｍ）の光とＥｒによる波長１５５０ｎｍ近傍（１４８０−１６００ｎｍ）の光を同時に発生することが可能となる。
なお、ここでは第２の反射要素として第４のグレーティングファイバー４１を用いたが、その他、誘電体多層膜を用いたフィルターも利用できる。
（実施の形態６）
図７の（ａ）は、本発明の実施の形態６に係るファイバーレーザ１０ｅの構成を示す概略図である。図７の（ｂ）は、このファイバーレーザ１０ｅの両端の反射要素による反射スペクトル特性を示す概略図である。このファイバーレーザ１０ｅでは、第２のグレーティングファイバー４ａに偏波保存ファイバーを用いると共に、第３のグレーティングファイバー４１ａとして偏波保存ファイバーを用いている。第３のグレーティングファイバー４１ａの偏波によるブラッグ反射波長の差を利用して単一偏光化が容易に行える。図７（ｂ）に示したように、第３のグレーティングファイバー４１ａのファーストモードのブラッグ反射波長λ３ｆと第４のグレーティングファイバー４２のスローモードのブラッグ反射波長λ４ｓとを一致させることで、一方の偏光でのみ共振条件が満足され単一偏光での発生が可能となる。
さらに、２波長を同時にレーザ発振させる場合、２つの発振のゲインの奪い合いによるモード競合が起こり、出力が不安定になる場合がある。これを抑制するには、発振する２つの波長が異なる偏光で発振するように設計することで、モード間の結合を低減し、出力の安定化が図れる。この状態を実現するには、レーザ発振が起こるモードの偏光が互いに直交するように、固体レーザファイバー２の偏光と第１及び第４のグレーティングファイバー３、４２の偏光とを一致させる構成が望ましい。すなわち、固体レーザファイバー２には偏波保存ファイバーを用いることが好ましい。さらに、固体レーザファイバー２の偏光軸と、第１及び第４のグレーティングファイバー３、４２の偏光軸と、第２及び第３のグレーティングファイバー４ａ、４１ａの偏光軸とをそれぞれ一致させることが好ましい。以上の構成によって、一方の偏光とλ１ｆ、λ２ｓの偏光方向とが一致し、他方の偏光とλ４ｓとλ３ｆの偏光方向とが一致するように設計することで、安定条件が満足できる。
（実施の形態７）
図８の（ａ）は、本発明の実施の形態７に係るファイバーレーザ２０の構成を示す概略図である。図８の（ｂ）は、このファイバーレーザ２０の固体レーザファイバー２の両端の反射要素による反射スペクトル特性を示す概略図である。このファイバーレーザ２０では、実施の形態１に係るファイバーレーザ１０と比較すると、入力されたレーザ光５から短波長光６２を発生させる波長変換素子６１をさらに備える点で相違する。このファーバーレーザ２０では、簡単な構成で単一偏光発生が可能なため、波長変換素子６１による高効率な波長変換が可能となる。ファイバーレーザ１０の出射部に、波長変換素子６１を設置し、この波長変換素子６１によりファイバーレーザ１０から出たレーザ光５を高調波６２に変換している。
この波長変換素子６１として、ＰＰＭｇＬＮ（周期状の分極反転構造を有するＭｇドープのＬｉＮｂＯ３）を用いている。ＰＰＭｇＬＮは、高い非線形定数を有する高非線形材料であり、高効率変換が可能である。しかし、高効率変換のためには入力する基本波に高いビーム品質が要求される。すなわち、ＰＰＭｇＬＮを用いた変換素子６１を利用するためには、ビーム品質Ｍ２として１．２以下、波長スペクトルとして０．２ｎｍ以下、単一偏光等の特性が要求される。これらの特性を満足しながら、高出力特性を実現するために、本発明のファイバーレーザ２０の構成は非常に有効である。２つのグレーティングファイバーのブラッグ反射波長の許容幅を狭くすることで、レーザ光のスペクトル幅を０．１ｎｍ以下に制御できる。また本発明のファイバーレーザの構造で単一偏光の偏光比は１５ｄＢ以上となる。このため、波長変換素子６１での変換効率は理論値に近い値が得られ、３０％以上の変換効率が容易に得られる。
（実施の形態８）
図９の（ａ）は、本発明の実施の形態８に係るファイバーレーザ２０ａの構成を示す概略図である。図９の（ｂ）は、このファイバーレーザ２０の固体レーザファイバー２の両端の反射要素による反射スペクトル特性を示す概略図である。このファイバーレーザ２０ａでは、図７（ａ）に示すファイバーレーザ１０ｅの構成と、さらに、波長変換素子７１、７２を組み合わせている。このように、両端に設ける反射要素として第１及び第２のグレーティングファイバー３及び４ａと、第３及び第４のグレーティングファイバー４２、４ａ及び４１ａとの２対の反射要素を用いることにより、多波長の単一偏光の発生が可能となる。ファイバーレーザ１０ｅから出射された２波長のレーザ光５は、波長変換素子７１と波長変換素子７２によりそれぞれ波長変換され高調波７３、７４となる。このファイバーレーザ２０ａでは、同時に異なる高調波を発生することができる。
上述のようにファイバーレーザ２０ａから複数の単一偏光の光が発生することができれば、応用分野が広がる。例えば、２つの波長λ１とλ２の光が出力された場合、波長変換素子により高調波に変換すると、λ１／２、λ２／２、λ１λ２／（λ１＋λ２）の３つの光に分かれる。もとの基本波と合わせると５つの波長の光を出力することが可能となり、多波長光源として用とが広がる。さらに、表示光源として利用する場合に、波長の数が増えることでスペックルノイズの低減が可能となるため、スペックルノイズの少ない高画質な表示が可能となるといった利点も有する。
（実施の形態９）
図１０は、本発明の実施の形態９に係るファイバーレーザ２０ｂの構成を示す概略図である。このファイバーレーザ２０ｂでは、ファイバーレーザ１０ｄに、さらに、複数の波長変換素子と組み合わせることで、赤、青、緑のＲＧＢ光を同時発生することができる。このファイバーレーザ２０ｂは、固体レーザファイバーとしてＥｒとＹｂが同時にドープされた固体レーザファイバー２を用いる。ポンプ光源１として９１５〜９８０ｎｍ近傍の光を用いると、本発明の図６（ａ）または図７（ａ）の構成で２波長でのレーザ発振が可能となる。ここでは、波長１０８４ｎｍと１５５４ｎｍの光を同時に発生させた場合について説明する。ＳＨＧ１を通った波長１０８４ｎｍの光の一部は波長５４２ｎｍの高調波に変換され緑色光を発生する。さらに、変換されなかった波長１０８４ｎｍの光と波長１５５４ｎｍの光の一部はＳＦＧ１により和周波（sum-frequency mixing）に変換され波長６３９ｎｍの赤色を発生する。さらに、ＳＨＧ２により波長１５５４ｎｍの光は波長７７７ｎｍの高調波に変換され、波長７７７ｎｍの光と波長１０８４ｎｍの光はＳＦＧ２により和周波に変換され４５３ｎｍの青色光を発生する。この構成をとることで、ＲＧＢの３色を同時発生することが可能となる。
（実施の形態１０）
図１１は、本発明の実施の形態１０に係るファイバーレーザ２０ｃの構成を示す概略図である。このファイバーレーザ２０ｃは、実施の形態９に係るファイバーレーザと比較すると、ＳＨＧ素子、ＳＦＧ素子等の波長変換素子を並べ替えている点で相違するが、実施の形態９と同様にＲＧＢの同時発生が可能となる。本実施の形態１０の構成をとることで、さらに簡単な構成で単一偏光の複数の光を発生することが可能となるので、ＲＧＢ光、多波長光の発生が容易に行える。
（実施の形態１１）
図１２（ａ）は、本発明の実施の形態１１に係るファイバーレーザ２０ｄの構成を示す概略図である。このファイバーレーザ２０ｄは、ＳＨＧ素子、ＳＦＧ素子を一体化した構成である。図１２の（ａ）の場合は、基本波は、単一偏光の波長１０８４ｎｍの基本波６０１と波長１５５４ｎｍの基本波６１２である。波長１５５４ｎｍの基本波６１２は、ＳＨＧ素子６０９によって波長７７７ｎｍの高調波に変換される。波長７７７ｎｍの光と波長１０８４ｎｍの基本波６０１は、ＳＦＧ素子６０４によって波長４５３ｎｍの青色光６０５に変換される。さらに波長１０８４ｎｍの基本波は、ＳＨＧ素子６０７によって波長５４２ｎｍの緑色光６０５に変換される。このファイバーレーザ２０ｄでは、波長変換素子を複数のグレーティング構造によって構成することで、青色と緑色の光を同時に発生することが実現できた。図１２（ｂ）は、別例のファイバーレーザ２０ｅの構成を示す概略図である。このファイバーレーザ２０ｅでは、図１２の（ａ）の構成に加えて、さらにＳＦＧ素子６１４を備え、基本波６０１、６１２の和周波（sum-frequency mixing）により６４２ｎｍの赤色光６１３を発生しており、同時にＲＧＢ光発生が可能となる。
波長変換素子は、分極反転周期を設計することで、ＳＨＧ、ＳＦＧ素子が実現できる、これらを一体化した構成をとることで、光源全体が小型化になる。さらに途中の光学系での損失も低減できるため、高効率化にも有効である。
また、ＳＨＧまたはＳＦＧ波長変換素子としては、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ましい。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または化学量論組成のＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３等を用いることができる。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がある。この特徴を利用した単一の光学結晶により青色光発生が可能となる。
なお、固体レーザファイバーとしては上記以外にも、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｈｏイオンのいずれかの元素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。その他のイオンを用いた場合にも、異なる波長の光源が実現できる。
（実施の形態１２）
図１３は、本発明の実施の形態１２に係るレーザディスプレイ装置１００の構成を示す概略図である。ここでは、本発明のコヒーレント光源であるファイバーレーザを用いた光学装置としてのレーザディスプレイ装置１００について説明する。本発明の上記ファイバーレーザによって実現できるＲＧＢレーザを用いることによって、色再現性の高いレーザディスプレイ装置が実現できる。なお、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色光源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であるファイバーレーザによれば、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装置が実現できる。このファイバーレーザを用いた光源として、緑、青、または緑と青を同時発生する光源が利用できる。
このレーザディスプレイ装置１００は、図１３に示すように、ファイバーレーザ８０１を光源とし、レーザ光を２次元スイッチである液晶パネル８０５により画像変換して、スクリーン８０６上に映像を投影する。さらに詳細に説明すれば、ファイバーレーザ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８０４は揺動機構により位置変動しており、スクリーン８０６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であるファイバーレーザ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る。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、簡素化が可能となる。
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ミラー等も利用できる。
（実施の形態１３）
図１４は、本発明の実施の形態１３に係るレーザディスプレイ装置１００ａの構成を示す概略図である。このレーザディスプレイ装置１００ａでは、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必要である。本発明のコヒーレント光源であるファイバーレーザによれば、高出力化が可能であり、出力安定化に優れる。また、温度制御素子を用いないか、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た。
また、この実施の形態ではファイバーレーザを用いた光学装置として、レーザディスプレイについて説明したが、その他、本発明に係るファイバーレーザを光ディスク装置や、計測装置に用いても有効である。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。本発明のファイバーレーザを用いた光源は高出力かつ、高いコヒーレンスを有するため、光ディスク装置等への応用にも有効である。
そのほか、本発明のファイバーレーザを用いた可視光源を用いれば、液晶のバックライトへの応用も可能となる。液晶のバックライト用の光源としてファイバーレーザを用いれば、高い変換効率により高効率、高輝度の液晶が実現できる。さらにレーザ光により広い色範囲が表現できるため、色再現性に優れたディスプレイが実現できる。また、本発明のファイバーレーザを用いたＲＧＢ光源を用いれば、単一の光源からＲＧＢが同時発生できるため、構成の簡素化が実現できるといった利点もある。
また、本発明のファイバーレーザは、照明光源としても利用できる。ファイバーレーザは変換効率が高いため、電気−光の高効率変換が可能となる。また、ファイバーを用いることで、低損失で離れた場所に光を伝送することができる。光発生を特定の場所で行い、離れた場所に光を送ることで、光のセントラル発生により室内の照明が可能になる。ファイバーレーザは、ファイバーとの結合が低損失で行えるため、光の配送には有効である。
本発明のファイバーレーザは、簡単な構成で、単一偏光のレーザ光発生が可能となる。また、複数の波長の単一偏光の発生が可能となる。さらに、波長変換素子と組み合わせることで、可視光やＲＢＧ光の発生が可能となる。
またさらに、本発明のファイバーレーザを用いれば、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る。
（ａ）は、本発明の実施の形態１に係るファイバーレーザの構成を示す概略図であり、（ｂ）は、ファイバーレーザの両端の反射要素による反射スペクトル特性を示す概略図である。 （ａ）は、図１のファイバーレーザの第１の反射要素として、長波長側を透過させ、短波長側を反射するシャープカットフィルターの反射スペクトル特性を示す概略図であり、（ｂ）は、狭帯域の反射特性を有するフィルターの反射スペクトル特性を示す概略図であり、（ｃ）は、狭帯域の透過特性を有するバンドパスフィルターの反射スペクトル特性を示す概略図である。 本発明の実施の形態２に係るファイバーレーザの構成を示す概略図である。 （ａ）は、本発明の実施形態３に係るファイバーレーザの構成を示す概略図であり、（ｂ）は、ファイバーレーザの両端の反射要素による反射スペクトル特性を示す概略図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態４に係るファイバーレーザの構成を示す概略図であり、（ｂ）は、ファイバーレーザの両端の反射要素による反射スペクトル特性を示す概略図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態５に係るファイバーレーザの構成を示す概略図であり、（ｂ）は、ファイバーレーザの両端の反射要素による反射スペクトル特性を示す概略図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態６に係るファイバーレーザの構成を示す概略図であり、（ｂ）は、ファイバーレーザの両端の反射要素による反射スペクトル特性を示す概略図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態７に係るファイバーレーザの構成を示す概略図であり、（ｂ）は、ファイバーレーザの両端の反射要素による反射スペクトル特性を示す概略図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態８に係る他のファイバーレーザの構成を示す概略図であり、（ｂ）は、ファイバーレーザの両端の反射要素による反射スペクトル特性を示す概略図である。 本発明の実施の形態９に係るファイバーレーザの構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態１０に係るファイバーレーザの構成を示す概略図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態１１に係るファイバーレーザの構成を示す概略図であり、（ｂ）は、別例のファイバーレーザの構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態１２に係るレーザディスプレイ装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態１３に係るレーザディスプレイ装置の構成を示す概略図である。
符号の説明
１ ポンプ光源
２、２ａ 固体レーザファイバー
３ 第１のグレーティングファイバー
４、４ａ 第２のグレーティングファイバー
５ レーザ光
６ 第１の偏光
７ 第２の偏光
８ 基板
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ ファイバーレーザ
２０ ファイバーレーザ
３１ ファーストモード
３２ スローモード
３３ スローモード
３４ ファーストモード
４１、４１ａ 第４のグレーティングファイバー
４２ 第３のグレーティングファイバー
６１ 波長変換素子
６２ 高調波
７１、７２ 波長変換素子
７３、７４ 高調波
１００、１００ａ レーザディスプレイ装置
６００ 固体レーザファイバー
６０１ 基本波
６０２ ポンプ光源
６０４ ＳＦＧ素子
６０５ ＳＦＧ光
６０６ ＳＨＧ光
６０７ ＳＨＧ素子
６０８ ＳＨＧ光
６０９ ＳＨＧ素子
６１２ 基本波
６１３ ＳＦＧ光
６１４ ＳＦＧ素子
８０１ ファーバーレーザ
８０２ コリメート光学系
８０３ インテグレータ光学系
８０４ 拡散板
８０５ 液晶パネル
８０６ スクリーン
８０７ 投影レンズ
９０１ ファーバーレーザ
９０２、９０３ ミラー
９０４ レーザ光
９０５ スクリーン

Claims (23)

  1. 希土類元素をドープされた固体レーザファイバーと、
    前記固体レーザファイバーの光軸方向に沿った両端のうち、一方の端部に設けられた第１のグレーティングファイバーと、
    前記固体レーザファイバーの他方の端部に設けられた第１の反射要素と
    を備え
    前記第１及び第２の反射要素は、前記固体レーザファイバーについて共振器構造を構成し、
    前記第１のグレーティングファイバーは、第１の波長を有する第１の偏光と、前記第１の波長と異なる第２の波長を有し前記第１の偏光と偏光方向が互いに直交する第２の偏光との２つの偏光のみをブラッグ反射し、
    前記第１の反射要素で反射する光の少なくとも一つの反射波長と、前記第１のグレーティングファイバーでブラッグ反射する２つの偏光のうちいずれか一方の波長とが互いに一致していることを特徴とするファイバーレーザ。
  2. 前記第１の反射要素は、誘電体多層膜である請求項１に記載のファイバーレーザ。
  3. 前記第１の反射要素は、前記固体レーザファイバーの他方の端部から光を外部に取り出して反射させた光を前記他方の端部から前記固体レーザファイバーの内部へ戻す反射光学系であることを特徴とする請求項１に記載のファイバーレーザ。
  4. 前記第１の反射要素は、前記第１のグレーティングファイバーでブラッグ反射する２つの偏光のうち、いずれか一方の偏光と同じ波長の光をブラッグ反射する第２のグレーティングファイバーであることを特徴とする請求項１に記載のファイバーレーザ。
  5. 前記第１の反射要素は、第３の波長を有する第３の偏光と、前記第３の波長と異なる第４の波長を有し前記第３の偏光と偏光方向が互いに直交する第４の偏光のみをブラッグ反射する第２のグレーティングファイバーであって、
    前記第１のグレーティングファイバーと、前記第２のグレーティングファイバーとは、ブラッグ反射するそれぞれ２つの偏光のうち、一つの偏光の偏光方向及びブラッグ反射波長が互いに一致している請求項１に記載のファイバーレーザ。
  6. 前記第１及び第２のグレーティングファイバーは、それぞれ互いに直交する２つの偏光を有し、
    前記第１のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第１の偏光の波長λ１と第２の偏光の波長λ２はλ１＞λ２の関係を満足し、前記第２のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第３の偏光の波長λ３と第４の偏光の波長λ４はλ３＞λ４の関係を満足し、前記波長がλ１＝λ４またはλ２＝λ３の何れかの関係を満足していることを特徴とする請求項５に記載のファイバーレーザ。
  7. 前記第１のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第１の偏光の第１の波長と、前記第２のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第４の偏光の第４の波長とが互いに一致していることを特徴とする請求項５に記載のファイバーレーザ。
  8. 前記第１のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第２の偏光の第２の波長と、前記第２のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第３の偏光の第３の波長とが互いに一致していることを特徴とする請求項５に記載のファイバーレーザ。
  9. 前記固体レーザファイバーは、複屈折率を有し、前記第１のグレーティングファイバーの偏光方向と前記固体レーザファイバーの偏光方向とが互いに一致していることを特徴とする請求項１に記載のファイバーレーザ。
  10. 前記固体レーザファイバーは、複屈折率を有し、
    前記固体レーザファイバーの２つの偏光のうち、いずれか一つの偏光と、前記第１のグレーティングファイバーの第１の偏光と、前記第２のグレーティングファイバーの第４の偏光とが一致していることを特徴とする請求項５に記載のファイバーレーザ。
  11. 前記第１のグレーティングファイバーの光軸方向の両端のうち、前記固体レーザファイバーに接する端部と反対側の端部に設けられた第３のグレーティングファイバーと、
    前記第１の反射要素の光軸方向の両端のうち、前記固体レーザファイバーに接する端部と反対側の端部に設けられた第２の反射要素と
    をさらに備え、
    前記第１のグレーティングファイバーと前記第１の反射要素とは、前記固体レーザファイバーについて共振器構造を構成し、
    前記第３のグレーティングファイバーと前記第２の反射要素とは、前記固体レーザファイバーについて共振器構造を構成し、
    前記第３のグレーティングファイバーは、第５の波長を有する第５の偏光と、前記第５の波長と異なる第６の波長を有し前記第５の偏光と偏光方向が互いに直交する第６の偏光との２つの偏光のみをブラッグ反射し、
    前記第２の反射要素で反射する光の少なくとも一つの反射波長と、前記第３のグレーティングファイバーでブラッグ反射する２つの偏光のうちいずれか一つの偏光の波長とが互いに一致していることを特徴とする請求項１に記載のファイバーレーザ。
  12. 前記第２の反射要素は、誘電体多層膜である請求項１１に記載のファイバーレーザ。
  13. 前記第２の反射要素は、第７の波長を有する第７の偏光と、前記第７の波長と異なる第８の波長を有し前記第７の偏光と偏光方向が互いに直交する第８の偏光とのみをブラッグ反射する第４のグレーティングファイバーであって、
    前記第３のグレーティングファイバーと、前記第４のグレーティングファイバーとは、ブラッグ反射するそれぞれ２つの偏光のうち、一つの偏光の偏光方向及びブラッグ反射波長が互いに一致していることを特徴とする請求項１１に記載のファイバーレーザ。
  14. 前記第３及び第４のグレーティングファイバーは、それぞれ互いに直交する２つの偏光を有し、
    前記第３のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第５の偏光の波長λ５と第６の偏光の波長λ６はλ５＞λ６の関係を満足し、前記第４のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第７の偏光の波長λ７と第８の偏光の波長λ８はλ７＞λ８の関係を満足し、前記波長がλ５＝λ８またはλ６＝λ７の何れかの関係を満足していることを特徴とする請求項１３に記載のファイバーレーザ。
  15. 前記第３のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第５の偏光の第５の波長と、前記第４のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第８の偏光の第８の波長とが互いに一致していることを特徴とする請求項１３に記載のファイバーレーザ。
  16. 前記第３のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第６の偏光の第６の波長と、前記第４のグレーティングファイバーでブラッグ反射する第７の偏光の第７の波長とが互いに一致していることを特徴とする請求項１３に記載のファイバーレーザ。
  17. 前記固体レーザファイバーは、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｈｏからなる群から少なくとも一つ含むことを特徴とする請求項１に記載のファイバーレーザ。
  18. 前記第１の反射要素で反射する光の反射波長は、１０６０ｎｍ近傍である請求項１に記載のファイバーレーザ。
  19. 前記第２の反射要素で反射する光の反射波長は、１５５０ｎｍ近傍である請求項１１に記載のファイバーレーザ。
  20. 前記ファイバーレーザからの出力を高調波に変換する波長変換素子をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のファイバーレーザ。
  21. 前記ファイバーレーザからの出力を複数の異なる波長の高調波に変換する複数の波長変換素子を備えたことを特徴とする請求項１に記載のファイバーレーザ。
  22. 前記波長変換素子は、周期状の分極反転構造を有するＭｇドープＬｉＮｂＯ３、ＭｇドープＬｉＴａＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４、化学量論組成のＭｇドープＬｉＮｂＯ３、化学量論組成のＭｇドープＬｉＴａＯ３の群から選ばれる少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項２０または２１に記載のファイバーレーザ。
  23. 前記固体レーザファイバーの前記両端のいずれか一方の端部から励起光を入力するポンプ光源をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のファーバーレーザ。
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