JPWO2009093439A1 - 波長変換レーザ、画像表示装置、及びレーザ加工装置 - Google Patents

波長変換レーザ、画像表示装置、及びレーザ加工装置 Download PDF

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Abstract

波長変換素子を異なる角度で通過する複数の基本波光路を規定するように基本波を反射する１対の基本波反射面と、１対の基本波反射面の間で別々の方向を向く基本波光路のうち、特定の光路における波長変換効率が最も高くなるように波長変換効率を制御する制御装置とを備える。

Description

本発明は、基本波の波長変換を行ってレーザ出力をする波長変換レーザに関するものである。
従来から、波長変換素子の非線形光学現象を用いて、基本波レーザの波長を第２高調波(Second Harmonic Generation : SHG)、和周波、差周波等の変換波の波長に変換して出力する波長変換レーザがある。
波長変換レーザは、例えば、図１１に示すように、基本波レーザ光源１０１と、レーザ光源１０１から出射された基本波レーザ光を集光するレンズ１０２と、集光された基本波レーザ光を第２高調波に変換する波長変換素子１０３と、基本波レーザ光と高調波レーザ光とを分離するダイクロイックミラー１０４からなる。
波長変換素子１０３は、非線形光学結晶からなり、基本波の波長変換を行う。具体的に、波長変換素子１０３は、基本波と変換波との位相が整合するように適切に調整された結晶の方位や分極反転構造等を有している。特に、分極反転構造を有する波長変換素子は、擬似位相整合により低パワーでも高効率の波長変換を行うことができ、設計により様々な波長変換を行うことができる。分極反転構造とは、波長変換素子１０３の自発分極を周期的に反転させた領域が設けられた構造である。
基本波から第２高調波に変換する変換効率ηは、波長変換素子の相互作用長をＬ、基本波のパワーをP、波長変換素子でのビーム断面積をA、位相整合条件からのずれをΔkとすると、以下のように表すことができる。
η ∝ L2 P / A × sinc2(Δk L／2)
前記の式において、位相整合条件からのずれが生じると、変換効率が低下し、第２高調波(変換波)の発生が低下する。このため、位相整合条件からのずれが生じないように、非線形光学結晶の温度を許容範囲内の所定温度とする制御が行われている。
例えば、特許文献１のように、変換波の光強度を検出する検出手段と、非線形結晶の温度調節手段とを用いて、変換波の光強度が目標値に収束するように温度調節手段の駆動を制御することが提案されている。
特許文献１に係る構成によれば、高い変換効率を得ることや波長変換レーザの出力を制御することができる。
しかし、特許文献１は、波長変換効率の制御により波長変換レーザから出射される変換波光の強度分布を制御することは提案されていない。
特開平４−３１８５２８号公報
本発明は、波長変換効率を制御することにより、出射される変換波光の強度分布を制御することができる波長変換レーザ、及びこれを用いた画像表示装置及びレーザ加工装置を提供することを目的としている。
本発明の一局面に係る波長変換レーザは、基本波を出射する基本波光源と、前記基本波光源からの基本波を変換波光に変換するための波長変換素子と、前記波長変換素子を異なる角度で通過する複数の基本波光路を規定するように前記基本波を反射する１対の基本波反射面と、前記１対の基本波反射面の間で別々の方向を向く前記複数の基本波光路のうち、特定の基本波光路における波長変換効率が最も高くなるように波長変換効率を制御する制御装置とを備え、前記１対の基本波反射面のうち少なくとも一方の反射面は、前記変換波光を透過する出力面である。
本発明の他の局面に係る画像表示装置は、前記波長変換レーザと、所定の画像を表示するために前記波長変換レーザから出射された変換波光の変調を行う変調素子とを備えている。
本発明の他の局面に係るレーザ加工装置は、前記波長変換レーザと、前記波長変換レーザから出射された変換波光を集光する集光光学系とを備え、前記各基本波光路のうち変換波光を出射させる光路の数を増減することにより、前記変換波光のスポット形状が変化する。
本発明によれば、波長変換効率を制御することにより、出射される変換波光の強度分布を制御することができる。
図１は、本発明の実施の形態１に係る波長変換レーザの概略構成図である。 図２は、図１の波長変換レーザにおいて変換波光を優先して出射する基本波光路を変更した状態を示す概略構成図である。 図３は、本発明の実施の形態１の変形例に係る波長変換レーザの概略構成図である。 図４は、実施の形態１の変形例に係る波長変換レーザ及びこの波長変換レーザを備えた画像表示装置の概略構成図である。 図５は、本発明の実施の形態２に係る波長変換レーザの概略構成図である。 図６は、図５の波長変換レーザにおいて変換波光を優先して出射する基本波光路を変更した状態を示す概略構成図である。 図７は、本発明の実施の形態３に係る波長変換レーザの概略構成図である。 図８は、図７の波長変換素子及び電極を拡大して示す概略斜視図である。 図９は、図７の波長変換レーザにおいて変換波光を優先して出射する基本波光路を変更した状態を示す概略構成図である。 図１０は、本発明の実施の形態３に係る波長変換レーザを備えたレーザ加工装置の概略構成図である。 図１１は、従来の波長変換レーザの概略構成図である。
以下添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。尚、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
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）
図１及び図２は、本発明の実施の形態１に係る波長変換レーザ１００の概略構成図である。図1と図2とは、変換波光を優先して出射させる基本波光路を異ならせている点で相違している。
波長変換レーザ１００は、基本波を出射するレーザ光源としてのdistributed feedback(以下、ＤＦＢと略す)レーザ１と、ＤＦＢレーザ１から出射した基本波をコリメートするコリメータ２と、コリメートされた基本波を入射させる波長変換素子１０と、波長変換素子１０を挟むように配置された一対のダイクロイックミラー（基本波反射面、出力面）３、４と、基本波を吸収するためのビームディフューザ５と、波長変換効率を制御するための制御装置６とを備えている。
ＤＦＢレーザ１は、ＬＤの活性層領域に設けられたグレーティングを有し、縦シングルモード出力が容易に得られるようになっている。ＤＦＢレーザ１は、発振波長を決定するグレーティングを電界もしくは温度によってチューニングすることにより、発振波長の変調を行うことができるようになっている。具体的に、ＤＦＢレーザ１の発振波長は、１０６４〜１０６６ｎｍの範囲内から選択することができ、ＤＦＢレーザ１は、各波長で縦シングルモードの出力を行うようになっている。
波長変換素子１０は、分極周期反転構造を有するMgO:LiTaO3結晶からなり、直方体の形状をもつ。具体的に、波長変換素子１０は、図１の左右方向に並ぶ分極周期反転構造を有し、反転周期の擬似位相整合により基本波からの変換波光として第２高調波を発生させる。波長変換素子１０は、波長変換素子１０内で均一な分極反転周期を有し、定温保持機構により一定温度に保たれている。また、波長変換素子１０の基本波が入射又は出射する端面（図１の左右の端面）には、基本波及び第２高調波を透過するコートが施されている。
ダイクロイックミラー３、４は、波長変換素子１０を異なる角度で通過する複数の基本波光路を規定するように、波長変換素子１０の両側に設けられている。以下、ダイクロイックミラー３、４について具体的に説明する。
ダイクロイックミラー３は、基本波を反射し、かつ、第２高調波を透過するコートをもつ。また、ダイクロイックミラー３は、ＤＦＢレーザ１を出射する基本波の光軸に対して垂直な姿勢から、波長変換素子１０の長さ方向（図１の左右方向）に傾けて配置してある。したがって、ダイクロイックミラー３で反射する基本波は、波長変換素子１０の長さ方向に傾斜した光軸に沿って前記波長変換素子１０に再度入射することになる。
ダイクロイックミラー4も、基本波を反射し、かつ、第２高調波を透過するコートをもつ。また、ダイクロイックミラー４は、前記ダイクロイックミラー３と図１において左右対称となる角度で傾斜して配置されている。したがって、ダイクロイックミラー４で反射する基本波は、波長変換素子１０の長さ方向に傾斜した光軸に沿って波長変換素子１０に再度入射することになる。
このようにダイクロイックミラー３、４が互いに傾斜して配置されていることにより、これらダイクロイックミラー３、４の間には、徐々に図１の上に向かう基本波光路Ａ１〜Ａ５が規定される。この基本波光路Ａ１〜Ａ５は、ダイクロイックミラー３、４の間でそれぞれ別々の方向を向く。各基本波光路Ａ１〜Ａ５は、Ａ１からＡ５の順に波長変換素子１０の分極反転周期に対する傾斜角が大きくなり、これに伴い、基本波が通過する分極反転の周期も長くなる。ダイクロイックミラー３及び４は、波長変換光の出力面を構成する。
制御装置６は、ＤＦＢレーザ１から発振される基本波の波長を制御するための発振波長制御部７を備えている。発振波長制御部７は、前記基本波光路Ａ１〜Ａ５のうち、特定の光路における波長変換効率が最大となるように基本波の波長を制御する。具体的に、発振波長制御部７は、ＤＦＢレーザ１のグレーティング部に所望の電界を生じさせることにより、発振波長を調整するようになっている。
ＤＦＢレーザ１から出射された基本波は、コリメータ２によりコリメートされ波長変換素子１０に入射する。図１に示す例では、ＤＦＢレーザ１の発振波長が発振波長制御部７により１０６４ｎｍに設定されることにより、分極反転周期に対して垂直に入射する基本波光路Ａ１において位相整合が行われ、この基本波光路Ａ１において最も高い変換効率で変換波光（第２高調波）ａ１が発生する。このとき、基本波光路Ａ２〜Ａ５では、ダイクロイックミラー３、４の反射により波長変換素子１０の分極反転構造に対して傾斜していることに伴い、位相整合条件からのずれが生じ、変換効率が低くなり、変換波光（第２高調波）ａ２〜ａ５は、わずかしか発生しない。このため、変換波光の出力面となるダイクロイックミラー３及び４からは、基本波光路Ａ１で発生した変換波光ａ１が優先して出射される。なお、波長変換されなかった残りの基本波は、ビームディフューザ５に達し、吸収される。
図２に示す例では、ＤＦＢレーザ１の発振波長が発振波長制御部７により１０６６ｎｍに設定されることにより、分極反転周期に対し最も傾斜している基本波光路Ａ５において位相整合が行われ、この基本波光路Ａ５において最も高い変換効率で第２高調波が発生する。このとき、基本波光路Ａ１〜Ａ４では、分極反転周期が位相整合条件を満たすための周期よりも短いため、位相整合条件からのずれが生じて変換効率が低くなり、第２高調波は、わずかしか発生しない。そのため、変換波光の出力面となるダイクロイックミラー３及び４からは、基本波光路Ａ５で発生した変換波光ａ５が優先して出力される。
同様にＤＦＢレーザ１の発振波長を発振波長制御部７により変調することにより、位相整合を行う基本波光路を基本波光路Ａ２、Ａ３、Ａ４の中から選択して、各光路Ａ２〜Ａ４において生じた変換波光ａ２〜ａ４を優先して出射させることができる。
前記波長変換レーザ１００を用いて走査光を出射させることもできる。具体的に、波長変換レーザ１００の制御装置６によって、ＤＦＢレーザ１の発振波長を１０６４〜１０６６ｎｍの範囲内で一定周期で変調することにより、選択する基本波光路をＡ１→Ａ２→Ａ３→Ａ４→Ａ５→Ａ４→Ａ３→Ａ２→Ａ１→Ａ２・・・と順次に変化させることができる。このとき出射される変換波光の出射角度は、選択する基本波光路に応じて異なるため、変換波光は、順次異なる角度で出射され、波長変換光の走査が繰り返し行われる。この走査速度は、発振波長の変調速度で制御することができる。上述した構成は、制御装置６により基本波光路の選択を順次に行うことにより、出射される波長変換光の走査を行う好ましい形態である。このようにすれば、可動ミラー等を用いず波長変換レーザのみでビーム走査を行うことができるため、部品点数の削減や損失の低減が可能となる。また、前記構成のように、基本波の発振波長の変調により変換波光の走査を行わせる場合、各走査位置における変換波光の波長が異なることになるため、ひとつの光源を用いて分光計測などを行うことができる。
本発明の基本波レーザ光源には、ＤＦＢレーザの他、半導体レーザ、ファイバーレーザ、固体レーザなど各種レーザ光源を用いることができる。本実施の形態１では、基本波のビーム整形に用いられるコリメータ２を用いているが、波長変換素子への基本波のビーム整形や拡がり角の制御を行うために各種光学部品を用いることができる。また波長変換素子としては、各種非線形材料を用いることができる。例えば、ＬＢＯやＫＴＰ、分極反転周期構造をもつLiNbO3やLiTaO3を用いることができる。
本実施の形態では、ダイクロイックミラー３、４として２枚の平面ミラーを用い、これら平面ミラーの双方を傾斜して配置しているが、1枚のみを傾斜して配置してもよい。平面ミラーを傾斜させる角度は、基本波の光路にある程度の角度変化をもたせるために、少なくとも１度以上であることが好ましい。
また、本実施の形態では、一対のダイクロイックミラー３、４の双方を変換波光の出力面としているが、各ダイクロイックミラー３、４の少なくとも一方が波長変換光を出力する面となっていればよい。
なお、本実施の形態は、発振波長制御部７により基本波の発振波長の変調を行い、優先する基本波光路Ａ１〜Ａ５を選択する好ましい形態である。このように基本波の発振波長を変調させることで、波長変換光の角度及び強度分布だけでなく、出射する変換波光の波長の変調も行うこともできる。発振波長の変調を行う場合、変調の周波数を１００Ｈｚ以上に設定して、変調を高速で行うことが好ましい。変調を高速に行うことにより、画像表示や照明として波長変換光を用いる場合のみかけのスペクトル幅を太くし、干渉性を低減させることができる。
また、ＤＦＢレーザ１の発振波長を高速に変化させることにより、出射する変換波光の角度変化を高速化することができる。発振波長の高速変調には、本実施の形態の様にＤＦＢレーザ１を用い、グレーティング部の電界変調を用いることが好ましい。このようにすれば、非常に高速な発振波長の制御を行うことができる。
以下、図３を参照して実施の形態１の変形例について説明する。
図３は、実施の形態１の変形例に係る波長変換レーザ１００ａの概略図を示す。前記波長変換レーザ１００と同様の構成については、同じ番号を付して説明を省略する。
波長変換レーザ１００ａは、波長変換レーザ１００の構成に加えて、基本波光路Ａ１、Ａ３、Ａ５から出射される変換波光ａ１、ａ２、ａ３の一部を受光する受光素子８ａ、８ｂ、８ｃと、サンプラー６５とを有する。
受光素子８ａ〜８ｃは、受光した変換波光の光量を検出するとともに、検出値の差分に基づいてどの受光素子８ａ〜８ｃへの入射光量が最も多いかを検出する。
サンプラー６５は、波長変換素子１０から出射される変換波光の一部を反射して、受光素子８ａ〜８ｃに導くための光学部品である。具体的に、サンプラー６５は、低反射コートがされたガラス板である。
波長変換レーザ１００ａでは、制御装置６の発振波長制御部７によりＤＦＢレーザ１の波長を変えることによって、変換波光を優先して出射させる基本波光路Ａ１〜Ａ５を選択することができる。受光素子８ａ〜８ｃのうち入射光量が最も多い受光素子の検出結果に基づいて、基本波光路Ａ１、Ａ３、Ａ５のうち変換波光が優先して出射された基本波光路が検出される。制御装置６は、受光素子８ａ〜８ｃの検出結果に基づいて検出された基本波光路と、発振波長制御部７により選択された基本波光路が一致するようにフィードバック制御を行う。したがって、選択された基本波光路から常に優先して変換波光が出力されることになる。
波長変換レーザ１００ａは、基本波光路Ａ１、Ａ３、Ａ５からの変換波光ａ１、ａ３、ａ５を受光する複数の受光素子８ａ〜８ｃを有し、基本波光路Ａ１、Ａ３、Ａ５のうち選択された基本波光路へのフィードバック制御を行うことができる好ましい形態である。
前記波長変換レーザ１００ａでは、位相整合条件が異なる複数の基本波光路Ａ１〜Ａ５を有し、位相整合条件の違いを利用して、光路の選択を行う。位相整合条件は、周囲環境や経時時間により影響を受け、初期条件から変化する場合がある。波長変換レーザ１００ａでは、複数の基本波光路からの出力を検出する複数の受光素子８ａ〜８ｃの検出結果に基づいてフィードバック制御を行うことにより、位相整合条件の変化にかかわらず、意図した基本波光路からの出力を優先させることができる。また、前記実施形態では、基本波光路Ａ１、Ａ３、Ａ５からの変換波光ａ１、ａ３、ａ５を受光する３つの受光素子８ａ〜８ｃを備えた構成について説明したが、全ての基本波光路Ａ１〜Ａ５に対応する５つの受光素子を備え、全ての基本波光路Ａ１〜Ａ５についてフィードバック制御をすることができるようにしてもよい。
なお、複数の受光素子とは、一つの受光素子を分割して使用する形態も含む趣旨であり、例えば、Ｓｉ−ＰＤなどを用いることができる。
以下、図４を参照して実施の形態１の変形例について説明する。
図４は、実施の形態１の変形例に係る波長変換レーザ１００ｂ及びこの波長変換レーザ１００ｂを備えた画像表示装置１８の概略図を示す。上述した構成と同様の構成については、同じ番号を付してその説明を省略する。
波長変換レーザ１００ｂは、ＤＦＢレーザ１と、レンズ２と、制御装置６と、波長変換素子１４とを備えている。
ＤＦＢレーザ１は、前記発振波長制御部７により発信波長を変化可能な状態で、基本波(１０６４ｎｍ近傍)を出力する。
波長変換素子１４は、図４に示すように台形（図４の左側の辺が上底及び下底に対して直角な台形）の側面形状を有し、この側面形状が図４の紙面と直交する方向に延びる柱状の外形とされている。この波長変換素子１４には、図４の左右方向に並ぶ分極反転構造が形成されている。
より具体的に、波長変換素子１４は、ＤＦＢレーザ１から出射された基本波に対し垂直な端面（図４の左側の端面）１２と、傾斜する端面（図４の右側の端面）１１とを有する。端面１２は、基本波の入射部分にのみ基本波に対する反射防止（Anti Reflection:AR）コートを有し、その他の部分に基本波及び変換波光の反射（High Reflection:HR）コートを有する。端面１１は、基本波に対するHRコートと、変換波光に対するARコートとを有し、波長変換光の出力面である。また、端面１１は、端面１２に対して傾斜している。
また、波長変換素子１４は、分極反転周期構造を有するMgO:LiNbO3からなり、分極反転周期は、入射する基本波の向き（図４の左右方向）に形成されている。波長変換素子１４により、基本波は、緑色の変換波光(５３２ｎｍ近傍)に変換される。端面１１が端面１２に対して傾斜しているため、端面１２で反射する基本波の光路は、分極反転周期に対して傾くことになる。したがって、端面１２での反射回数が多くなることに伴い、基本波光路が分極反転周期と交差する角度が大きくなる。
具体的に、基本波光路Ｂ１〜Ｂ５は、Ｂ１からＢ５の順で分極反転周期との交差角度が大きくなる。これに伴い、基本波光路Ｂ１〜Ｂ５における位相整合条件は、端面１２での反射回数に応じてそれぞれ異なることになる。このため、発振波長制御部７を含む制御装置６によって基本波の波長を変調することにより、各基本波光路Ｂ１〜Ｂ５のうちの何れかの光路から優先して変換波光を出力させることができる。
次に、図４に示す画像表示装置１８について説明する。
画像表示装置１８は、前記波長変換レーザ１００ｂと、波長変換レーザ１００ｂからの変換波光を偏向するレンズ１５と、レンズ１５からの変換波光を入射させる導光板１６と、導光板１６から出射された変換波光により画像を表示するための液晶パネル１７とを備えている。
波長変換レーザ１００ｂを出射した波長変換光は、レンズ１５を経て、導光板１６に導かれる。導光板１６は、側面から入射したビームの均一化を行うとともに、ビームを立ち上げて主面から出射することにより、液晶パネル１７を背面から照明する。液晶パネル１７は、画像信号に従い変換波光を変調することにより画像を表示する。液晶パネル１７は、偏光板、液晶、ＴＦＴなどからなる一般的な透過型液晶パネルである。導光板１６は、サブ導光板１６ａ、１６ｂ、１６ｃを有する。サブ導光板１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、それぞれ入射した変換波光を均一化するとともに、液晶パネル１７側（主面側）へ立ち上げるようになっている。
波長変換レーザ１００ｂにおいて基本波光路Ｂ１から出射される変換波光ｂ１は、レンズ１５により偏向されてサブ導光板１６ａに入射する。同様に、基本波光路Ｂ３及び基本波光路Ｂ５から出射される変換波光ｂ３、ｂ５は、それぞれサブ導光板１６ｂ及びサブ導光板１６ｃに入射する。そのため、波長変換レーザ１００ｂにおいて、基本波光路Ｂ１、Ｂ３、Ｂ５のうちの何れの光路を選択するかに応じて、サブ導光板１６ａ〜１６ｃの何れの部分を光らせるのかを制御することができる。
このように、画像表示装置１８では、サブ導光板１６ａ〜１６ｃのうち光らせるサブ導光板を選択することにより、画面内の輝度分布を制御することができる。例えば、真っ暗な画像を表示する場合、サブ導光板１６ａ〜１６ｃの全てを光らせずに、黒を表現する。また、波長変換レーザ１００ｂにおいて選択することができる基本波光路の数が多い場合、これに併せてサブ導光板の数を増やす事もできる。
画像表示装置１８は、基本波光路Ｂ１、Ｂ３、Ｂ５の中から選択された光路において生じた変換波光を波長変換レーザ１００ｂから優先して出射し、この変換波光の変調を行う変調素子を有する好ましい形態である。このように、波長変換レーザ１００ｂでは、変換波光を出射させる基本波光路を選択することができるので、画像表示装置に表示される画像の輝度分布を制御することができる。
具体的に、画像表示装置１８は、サブ導光板１６ａ〜１６ｃを有しているので、液晶パネル１７の光らせる部位を、サブ導光板１６ａ〜１６ｃの位置に対応して選択することができる。画像表示装置の輝度分布を制御するためには、表示させる画像のうち黒い部分に対応する位置に配置されたサブ導光板を光らせず、明るい部分に対応する位置に配置されたサブ導光板のみを強く光らせることで、画像のコントラストを上げることができる。また、導光板１６の不要な領域を光らせないことにより、消費電力の低減を図ることができる。
なお、カラー画像を表示する場合は、前記波長変換レーザ１００ｂに加えて赤及び青のレーザ光源を併用する。赤及び青の半導体レーザ光源をサブ導光板１６ａ〜１６ｃ毎に設置することで、画像表示装置の輝度分布をサブ導光板毎に設定することができる。
（実施の形態２）
図５及び図６は、本発明の実施の形態２に係る波長変換レーザ２００の概略構成図である。図５と図６とは、変換波光を優先して出射させる基本波光路を異ならせている点で相違している。
波長変換レーザ２００は、基本波を出射するレーザ光源としてのファイバレーザ２１と、ファイバレーザ２１からの基本波を集光する集光レンズ２２と、集光された基本波が入射する波長変換素子２０と、波長変換素子２０を挟むように配置された一対の凹面ミラー２３、２４と、波長変換素子２０の温度を制御するための制御装置２５とを備えている。
ファイバレーザ２１は、シングルモード、かつ、１０Ｗ以上の出力で直線偏光の基本波光を出射する。波長変換素子２０の変換効率は、基本波のパワーに比例するため、前記ファイバレーザ２１を利用することにより高い変換効率を得ることができ、高効率の波長変換レーザ２００を得ることが可能となる。つまり、ファイバレーザ２１は、波長変換レーザ２００を高効率にすることができる好適な基本波レーザ光源である。
波長変換素子２０は、分極周期反転構造を有するMgO:LiNbO3結晶からなり、長さ２５ｍｍ、幅５ｍｍ、厚み１ｍｍの直方体の形状をもつ。具体的に、波長変換素子２０は、図５の左右方向(波長変換素子２０の長さ方向)に並ぶ分極周期反転構造を有し、反転周期の擬似位相整合により変換波光である第２高調波を発生させる。図５及び６に示す縞模様は、周期構造の概略であり、反転周期は、約７μｍであり、波長変換素子２０内で略均一とされている。また、波長変換素子２０の基本波が入射及び出射する端面（図５の左右の端面）には、基本波及び第２高調波（変換波光）を透過するコートが施されている。
波長変換素子２０の温度は、制御装置２５の温度制御部２６により制御されている。具体的には、例えば、波長変換素子２０の底面にペルチェ素子を取り付け、このペルチェ素子に対して温度制御部２６によって電圧を印加することにより波長変換素子２０の温度を制御することができる。このとき、波長変換素子２０の温度を検出するための温度センサ等を設け、この温度センサによる検出温度に基づいて温度制御部２６によりフィードバック制御を行うことが好ましい。また、温度制御は、波長変換素子２０の全体について行ってもよいし、波長変換素子２０の一部について行ってもよい。
凹面ミラー２３は、基本波を反射し、かつ、第２高調波を透過するコートを有し、変換波光である第２高調波を出射するための出力面となっている。凹面ミラー２４は、基本波及び第２高調波を反射するコートを有する。凹面ミラー２３の曲率半径は、２２ｍｍであり、凹面ミラー２４の曲率半径は、２０ｍｍであり、凹面ミラー間の距離は、空気換算長で約２１ｍｍである。基本波は、２つの凹面ミラー２３、２４間で反射することにより、波長変換素子２０を異なる角度で複数回往復する。また、２つの凹面ミラー２３、２４は、波長変換素子２０内の基本波光路で基本波を集光する役割を果たしている。これにより、変換効率が向上する。
ファイバレーザ２１から出射した基本波は、集光レンズ２２により波長変換素子２０内にビームウェストを持つように集光される。集光レンズ２２からの基本波は、凹面ミラー２４により覆われていない波長変換素子２０の端面から波長変換素子２０内に入射する。波長変換素子２０から出射した基本波は、凹面ミラー２３で反射することにより、波長変換素子２０に対して異なる入射角度で再入射する。そして、波長変換素子２０から出射した基本波は、凹面ミラー２４で反射することにより、波長変換素子２０に対して異なる入射角度で再入射する。
このように、基本波は、凹面ミラー２３と２４との間を往復し、波長変換素子を異なる角度で複数回通過する。つまり、各凹面ミラー２３、２４の間には、それぞれ別々の方向を向く複数の基本波光路（図５ではＥ１〜Ｅ７のみを例示するが実際にはより多くの光路が規定されている）が規定されている。本実施形態では、これら基本波光路Ｅ１〜Ｅ７のうち、図５の左から右に向かう基本波光路Ｅ１、３、５、７において生じた変換波光ｅ１、ｅ３、ｅ５、ｅ７が凹面ミラー２３を透過して出射するようになっている。以下、具体的に説明する。
基本波は、各凹面ミラー２３、２４の間の往復の過程において、波長変換素子２０内の複数の箇所で集光する。具体的に、図５に示す構成では、凹面ミラー２４で反射して図５の左から右へ波長変換素子２０を通過するときに（基本波光路Ｅ１、Ｅ３、Ｅ５、Ｅ７を通過するときに）基本波光が集光し、変換効率が高くなっている。波長変換素子２０内を基本波が通過するときに発生した波長変換光は、凹面ミラー２３から出力される。一方、図５の右から左へ波長変換素子２０を通過するとき（基本波光路Ｅ２、Ｅ４、Ｅ６を通過するとき）には、ビームウェストを過ぎた基本波光が発散しないように凹面ミラー２３により集光された状態で、基本波光は、再び凹面ミラー２４側へ戻される。
図５では、波長変換素子２０の分極反転周期構造に対し直交して通過する基本波光路において位相整合するように温度制御部２６により波長変換素子２０の温度を制御し、その温度が保たれている。本実施形態においては、図５の下に位置する基本波光路Ｅ１と、上に位置する基本波光路Ｅ３とが波長変換素子２０の分極反転周期構造に対し概ね直交しているため、これら基本波光路Ｅ１、Ｅ３においては、位相整合条件からのずれが少なく、変換効率が高くなり、発生する波長変換光が多い。特に、本実施形態における基本波光路Ｅ１は、波長変換素子２０の分極反転周期構造に略直交しているため、この基本波光路Ｅ１における波長変換効率が最も大きい。これに対し、波長変換素子２０を傾斜して通過する基本波光路Ｅ２、Ｅ４、Ｅ６では、位相整合条件からのずれが大きいため変換効率が低くなり、発生する波長変換光が少ない。したがって、図５の下に位置する基本波光路Ｅ１及び、上に位置する基本波光路Ｅ３において生じる変換波光が優先して出射される。
図６は、温度制御部２６により波長変換素子２０の温度を図５に示す例よりも1度低い温度に制御し、この温度が保たれた状態を示している。図６に示す状態においては、波長変換素子２０の分極反転周期構造を斜めに横切る基本波光路Ｅ５、Ｅ７において位相整合条件からのずれ量が小さく、変換効率は、高くなる。これに対し、分極反転周期構造に概ね直交する基本波光路Ｅ１、Ｅ３においては、位相整合条件からのずれが大きく、変換効率が低くなる。つまり、図６に示す例では、波長変換素子２０の分極反転構造を傾斜して通過する基本波光路Ｅ５、Ｅ７（図６の中段に位置する光路）において生じる変換波光を優先して出射させている。より具体的に、本実施形態では、基本波光路Ｅ７における波長変換効率が最も高く設定されている。
本実施の形態２は、温度制御部２６により波長変換素子２０の温度を変化させることにより、異なる角度で波長変換素子２０を通過する基本波光路Ｅ１〜Ｅ７のそれぞれにおける位相整合条件からのずれ量を制御し、特定の基本波光路において生じた変換波光を優先して出射させる。実施の形態２では、特定の基本波光路において生じた変換波光を優先して出射させる制御を行うことにより、波長変換レーザ２００から出射される変換波光の強度分布を制御することができる。
実施の形態２は、温度制御部２６により波長変換素子２０を温度制御することにより、特定の基本波光路から変換波光を優先して発生させる好ましい形態である。したがって、実施の形態２によれば、波長変換レーザ２００から出射される波長を一定としたまま、出射される変換波光の角度や強度分布及び出射されるビーム数を制御することができる。また、波長変換素子２０の一部について温度制御を行うことにより、波長変換素子２０内に温度分布をもたせて、角度や強度分布およびビーム数を制御することもできる。
波長変換レーザ２００では、出力面となる凹面ミラー２３から変換波光が複数のビームとなって出射される。具体的に、本実施形態では、凹面ミラー２３と凹面ミラー２４とは、同軸となるように正対して配置されているため、波長変換素子２０に入射した基本波は、凹面ミラー２３と凹面ミラー２４との間で波長変換素子２０の幅方向（図５及び図６の上下方向）に広げられて、凹面ミラー２３に到達する。つまり、基本波は、波長変換素子２０の幅方向に存在する複数の基本波光路（Ｅ１〜Ｅ７）に沿って進行して、幅方向に並ぶ複数本のビームとして凹面ミラー２３に到達する。このとき、凹面ミラー２３、２４間を往復する基本波光路Ｅ１〜Ｅ７は、波長変換素子２０の幅方向に互いに異なる角度とされている。したがって、凹面ミラー２３から出射される変換波光は、各基本波光路（Ｅ１、Ｅ３、Ｅ５、Ｅ７）で発生した変換波光（ｅ１、ｅ３、ｅ５、ｅ７）の合計であるため、波長変換素子の幅方向にマルチ化された横マルチビームとなって出射される。ここで、本実施の形態２のように基本波光路（Ｅ１、Ｅ３、Ｅ５、Ｅ７）の中の複数の基本波光路において生じた変換波光を出射しながら、何れかの基本波光路において生じた変換波光を優先して出射することは、各基本波光路Ｅ１、Ｅ３、Ｅ５、Ｅ７において発生する変換波光間のパワーバランスを制御することを意味する。つまり、波長変換レーザ２００では、波長変換素子２０の温度制御により、出射される横マルチビームの強度分布を制御することができる。
本実施の形態は、横マルチビームで出射される変換波光の強度分布を制御する好ましい形態である。本実施の形態に係る波長変換レーザ２００は、複数の基本波光路を持つため、変換波光を複数のビームとして出力することができる。そして、これら複数のビームを線状の横マルチビームとすることにより、一つの光束として扱うことができる。ここで、横マルチビームの強度分布を制御することができることは、波長変換レーザ２００を各種の応用製品に適用する利点となる。特に、映像や照明の分野では、強度の均一化が必要となるため、有効である。横マルチビームを出射する従来のレーザでは、マルチビームに含まれる各ビームの強度を制御することは煩雑であったが、本実施の形態に係る波長変換レーザ２００では、変換効率を制御することによりマルチビームに含まれる各ビームの強度の制御を容易に行うことができる。また、変換波光を優先して出射するための基本波光路の切り換えを時間的に変化させることにより、横マルチビームの強度分布を時間的に変化させることができるので、干渉ノイズを低減することができる。
図６に示す例では、基本波が初めに波長変換素子に入射する基本波光路Ｅ１よりも、その後に波長変換素子を通過する基本波光路Ｅ２〜Ｅ７において発生する変換波光が多くなるように、温度制御部２６により波長変換素子２０の温度が制御されている。このようにすれば、波長変換素子２０の発熱による破壊を抑制することができる。その理由は、以下の通りである。
基本波及び変換波のパワーが大きい場合、波長変換素子２０の発熱及びこの発熱による波長変換素子２０の破壊が生じるおそれがあり、波長変換素子２０の光耐性が課題となる。そこで、本実施の形態について検討すると、波長変換レーザ２００では、凹面ミラー２３、２４間で基本波を往復させるようにしているので、基本波は、凹面ミラー２３、２４における反射時のロスや、変換波光の発生時の消費により、前記往復の回数を重ねるに従い減衰する。このため、波長変換素子２０に初めに入射する基本波光路Ｅ１において、前記した波長変換素子２０の発熱と破壊のリスクが最も高くなる。一方、図６に示すように、基本波が初めに波長変換素子２０に入射する基本波光路Ｅ１よりも、その後に波長変換素子２０を通過する基本波光路Ｅ２〜Ｅ７において発生する変換波光が多くなるように制御することにより、波長変換素子２０の発熱及びこの発熱による破壊というリスクを回避することができ好ましい。したがって、図６に示すような制御をすることで、信頼性の高い安定した出力を行う波長変換レーザを得ることができる。
（実施の形態3）
図７〜図９は本発明の実施の形態３に係る波長変換レーザ３００の概略構成図である。図７と図９とは、変換波光を優先して出射させる基本波光路を異ならせている点で相違している。
波長変換レーザ３００は、基本波をパルス発振するレーザ光源としてのモードロックレーザ３１と、モードロックレーザ３１からの基本波を集光する集光レンズ３２と、集光された基本波が入射する波長変換素子３０と、波長変換素子３０を挟むように配置されたダイクロイックミラー３３及び凹面ミラー３４と、波長変換素子３０に取り付けられた電極３７と、波長変換素子３０に印加する電圧を制御するための制御装置３５とを備えている。
モードロックレーザ３１は、４０ｐｓｅｃのパルス幅でレーザ発振を行う。
波長変換素子３０は、分極周期反転構造を有するMgO:LiNbO3結晶からなり、２０ｍｍの長さを有する。また、波長変換素子３０は、図７の左右方向(波長変換素子の長さ方向)に並ぶ分極周期反転構造を有し、反転周期の擬似位相整合により変換波光である第２高調波を発生させる。前記分極周期反転構造の反転周期は、波長変換素子３０内で均一とされている。また、波長変換素子３０の基本波が入射及び出射する端面（図７の左右の端面）には、基本波と第２高調波を透過するコートが施されている。そして、波長変換素子３０の温度は、図外の定温保持部により一定に保たれている。
ダイクロイックミラー３３は、基本波を反射し、かつ、第２高調波を透過するコートを有し、変換波光である第２高調波を出射するための出力面となっている。ダイクロイックミラー３３は、モードロックレーザ３１から出射される基本波の光軸に対して垂直な姿勢から、波長変換素子３０の長さ方向（図７の左右方向）に傾けて配置してある。したがって、ダイクロイックミラー３３で反射する基本波は、波長変換素子３０の長さ方向に傾斜した光軸に沿って波長変換素子３０に再度入射することになる。
凹面ミラー３４は、基本波及び第２高調波を反射するコートを有する。凹面ミラー３４は、基本波を集光する役割を果たしている。したがって、この凹面ミラー３４と前記ダイクロイックミラー３３との間には、それぞれ別々の方向を向く複数の基本波光路Ｄ１〜Ｄ５が規定される。そして、これらの基本波光路Ｄ１〜Ｄ５のうちの光路Ｄ３、Ｄ５に沿って伝播する基本波のビーム径を凹面ミラー３４が絞っている。基本波光路Ｄ３及び基本波光路Ｄ５は、光路Ｄ１とは異なる角度で波長変換素子３０を通過する。
電極３７は、波長変換素子３０の表裏の面（図８の上面と底面）にそれぞれ設けられた櫛歯状（梯子型）の電極である。電極３７は、MgO: LiNbO3結晶のz軸方向における＋ｚ軸面と−ｚ軸面にそれぞれ設けられている。より具体的に、電極３７は、基本波光路Ｄ３及び基本波光路Ｄ５が規定された２の領域をそれぞれ挟むように合計４箇所に設けられている。各電極３７における波長変換素子３０の幅方向（図７の上下方向）に延びる複数の部分は、それぞれ波長変換素子３０の分極反転の周期に対応して形成されている。
制御装置３５は、前記各電極３７間に印加される電圧を制御するための電圧制御部３６を備えている。電圧制御部３６は、基本波光路Ｄ３を挟むように配置された一対の電極３７間、又は基本波光路Ｄ５を挟むように配置された一対の電極３７間にそれぞれ電圧を印加することにより、基本波光路Ｄ３又は基本波光路Ｄ５が規定された波長変換素子３０の一部の領域に電界を生じさせる。そして、電圧制御部３６による電圧の印加と印加の停止とを切り換えることにより、基本波光路Ｄ３又は基本波光路Ｄ５が規定された波長変換素子３０の領域に生じた電界のスイッチングを行うことができる。このように、波長変換素子３０に対して電界を生じさせることにより、基本波光路Ｄ３及び基本波光路Ｄ５が規定された領域について波長変換素子３０の屈折率が変化する。
モードロックレーザ３１から出射された基本波のパルス光は、集光レンズ３２により集光され、波長変換素子３０に入射する。図７では、分極反転周期に対し垂直に入射する基本波光路Ｄ１で位相整合を行い、この基本波光路Ｄ１において高い変換効率で第２高調波が発生する。一方、基本波光路Ｄ３及び基本波光路Ｄ５では、基本波は、波長変換素子３０に傾斜して入射して、分極反転周期構造に対し傾きをもって波長変換素子３０を通過する。このため、基本波光路Ｄ３及びＤ５においては、位相整合条件からのずれが生じ、変換効率が低くなり、第２高調波は、ほとんど発生しない。このため、基本波光路Ｄ１で発生した変換波光ｄ１のみがダイクロイックミラー３３から出力される。なお、変換波光ｄ１のパルス幅は約４０ｐｓｅｃである。
図９では、各電極３７に対し電圧制御部３６により電圧を印加することにより、基本波光路Ｄ３と基本波光路Ｄ５が規定された波長変換素子３０の領域に電界を生じさせている。これにより、波長変換素子３０の基本波光路における第２高調波と基本波との屈折率差が小さくなり、光路が分極反転周期構造に対して傾いていても、位相整合条件からのずれ量が小さくなる。したがって、基本波光路の基本波光路Ｄ３及び基本波光路Ｄ５においても変換効率が高くなる。その結果、図９に示す例では、基本波光路Ｄ１だけでなく、基本波光路Ｄ３及び基本波光路Ｄ５においても第２高調波が発生し、ダイクロイックミラー３３から出力される。
ここで、基本波光路Ｄ１、基本波光路Ｄ３及び基本波光路Ｄ５の合計出力のパルス時間幅は、約１００ｐｓｅｃである。そして、基本波光路Ｄ１における出力光に対して基本波光路Ｄ３における出力光は、時間的に遅延しており、基本波光路Ｄ３の出力光に対して基本波光路Ｄ５の出力光は、時間的に遅延しているため、合計出力光のパルス幅は、モードロックレーザ３１からの基本波に対して、２倍以上に拡大される。なお、光路数をさらに増やすことにより、合計出力光のパルス幅を５倍以上に増やすことも可能である。また、基本波光路Ｄ５に対応する領域にのみ電界を生じさせ、基本波光路Ｄ１と基本波光路Ｄ５において変換波光を発生させることにより、４０ｐｓｅｃの変換波光のパルスを４５ｐｓｅｃ間隔で出力するここともできる。
本実施の形態３に係る波長変換レーザ３００は、電圧制御部３６により波長変換素子３０に電界を生じさせることにより位相整合条件からのずれ量を制御し、変換波光が発生する基本波光路の基本波光路Ｄ１、Ｄ３、Ｄ５を選択する好ましい形態である。本実施の形態では、異なる角度で波長変換素子３０を通過する基本波光路Ｄ１、Ｄ３、Ｄ５と、波長変換素子３０に生じる電界により、位相整合条件からのずれ量を制御することができる。電界によるスイッチングにより、基本波光路の選択の切り替えを高速に行うことができる。例えば本実施の形態では、パルス光の繰り返し周期内に基本波光路の選択を切り替えることができる。
波長変換レーザ３００は、基本波をパルス発振するモードロックレーザ３１を用い、制御装置３５により変換波光を出射する基本波光路の数を制御することにより、出射光のパルス幅や間隔を制御する好ましい形態である。図７と図９とでは、変換波光を出射する基本波光路の数を１から３に切り換えることにより、出射光のパルス幅を４０ｐｓｅｃから１００ｐｓｅｃに大きくすることができる。基本波光路の数によりパルス幅を制御することにより、パルス幅を数倍にすることが可能となる。また、基本波光路Ｄ１と基本波光路Ｄ５とを選択した場合（図９の場合）のように、非常に短いパルス間隔のパルス光を作成することができる。本実施の形態を用いることにより、他のレーザでは、実現することが困難なパルス幅およびパルス間隔での出射を行うことができる。
次に、図１０に示すレーザ加工装置３９について説明する。
図１０は、実施の形態３の変形例に係るレーザ加工装置３９の概略図を示す。
レーザ加工装置３９は、前記波長変換レーザ３００と、波長変換レーザ３００からの変換波光を集光するレンズ３８とを備えている。
波長変換レーザ３００は、前記制御装置３６により、基本波光路Ｄ１のみを選択して変換波光ｄ１を出力する場合と、基本波光路Ｄ１〜Ｄ３から変換波光ｄ１、ｄ３、ｄ５を出力する場合とのスイッチングが可能である。
レンズ３８は、波長変換レーザ３００からの変換波光を集光する。
前記レーザ加工装置３９を用いて加工を行なう場合には、加工対象物Ｔの表面をレンズ３８の集光位置付近に配置する。ここで、レーザ加工装置３９は、上述のように、変換波光ｄ１のみを出力する状態と、変換波光ｄ１〜ｄ３を出力する状態とを切り換えることができるので、加工対象物Ｔに対しては１つのスポットにおいてビームを照射する場合と、ライン状に並ぶ３つのスポットにおいてビームを照射する場合とを選択することができる。
本実施の形態に係るレーザ加工装置３９は、波長変換レーザ３００の基本波光路を選択することにより、加工対象物Ｔに対するビームの照射範囲（スポット形状）を変化させることができる。ビームの照射範囲を変化させることにより、加工の種類に併せたビームの照射範囲を設定することができ、加工時間の短縮や加工精度の向上を図ることができる。また、本実施の形態に係るレーザ加工装置３９は、機械的な機構を用いることなく、ビームの照射範囲を変化させることができるため、信頼性が高い。さらに、前記レーザ加工装置３９では、変換波光を優先して出射させる基本波光路Ｄ１〜Ｄ３を、時間的に連続的に変化させることができるため、ビーム出射中のスポット形状変化や、中間的なスポット形状を作成することができる。このため、複雑な加工を迅速に行うことができる。
なお、上述した実施の形態は、上記実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。当然、本発明の各実施の形態を組み合わせて用いることもできる。なお、複数の基本波光源を用いたり、第２高調波の他、差周波、和周波などの変換波を出力する構成としてもよい。また、波長変換素子内の分極反転周期を数種類の周期を有するようにしてもよい。
本発明は、基本波が1対の基本波反射面の間で反射して、波長変換素子を異なる角度で複数回通過し、少なくとも一方の反射面は、波長変換光を透過する出力面となり、波長変換素子を通過する複数の基本波光路で波長変換光が発生し得るとき、特定の基本波光路の変換波光を優先して出射させる制御を行う制御装置を有することを特徴としている。
本構成では、ひとつの波長変換素子内で、角度が異なる基本波光路をもつことにより複数の位相整合条件をもつこととなる。特定の基本波光路の位相整合条件にあわせた基本波波長又は温度などを制御装置により設定することにより、特定の基本波光路における変換効率が高くなる。一方、特定の基本波光路以外の基本波光路においては、位相整合条件から外れるため、変換効率が低くなり、その結果として、特定の基本波光路の変換波光が優先して出射される。特定の基本波光路からの波長変換光を優先して出射することにより、出射される波長変換光の角度、強度分布又はビーム数などを制御することができる。
なお、上述した具体的実施形態には以下の構成を有する発明が主に含まれている。
本発明の一局面に係る波長変換レーザは、基本波を出射する基本波光源と、前記基本波光源からの基本波を変換波光に変換するための波長変換素子と、前記波長変換素子を異なる角度で通過する複数の基本波光路を規定するように前記基本波を反射する１対の基本波反射面と、前記１対の基本波反射面の間で別々の方向を向く前記複数の基本波光路のうち、特定の基本波光路における波長変換効率が最も高くなるように波長変換効率を制御する制御装置とを備え、前記１対の基本波反射面のうち少なくとも一方の反射面は、前記変換波光を透過する出力面である。
本発明によれば、波長変換素子を異なる角度で通過する複数の基本波光路が規定されているので、１対の基本波反射面の間で別々の方向を向く複数の基本波光路に対応して複数の位相整合条件が存在することになる。そして、本発明では、制御装置によって各基本波光路のうちの特定の光路における波長変換効率が最も高くなるように波長変換効率を制御することができるので、当該基本波光路に対応する方向（角度）に変換波光を優先して出射させることができる。
したがって、本発明によれば、出射する変換波光の角度、強度分布、及びパルス時間幅の制御を行うことができる波長変換レーザを提供することができる。
なお、本発明に係る１対の基本波反射面は、基本波光を反射するとともに、１対の基本波反射面の少なくとも一方が基本波光の光路に角度変化をもたらす面となっていればよい。例えば、基本波反射面は、平面ではなく凸面や凹面形状となっていてもよく、波長変換素子の端面を基本波反射面としてもよい。反射面の形状は、球面や非球面、およびシリンドリカル面としてもよい。
具体的に、前記制御装置は、前記波長変換素子の温度を制御する温度制御部を備え、前記温度制御部は、前記波長変換素子を温度制御することにより前記特定の基本波光路を選択する構成とすることができる。
このようにすれば、波長変換素子の温度を制御して波長変換素子の位相整合条件を変化させることにより、各基本波光路における波長変換効率を制御することができる。
また、前記制御装置は、前記基本波光源による前記基本波の発振波長を制御する発振波長制御部を備え、前記発振波長制御部は、前記基本波の発振波長を制御することにより前記特定の基本波光路を選択する構成とすることもできる。
このようにすれば、基本波光源による基本波の発振波長を変化させることにより、複数の基本波光路における波長変換効率を制御することができる。
さらに、前記制御装置は、前記波長変換素子に電界を生じさせるために前記波長変換素子に電圧を印加する電圧制御部を備え、前記電圧制御部は、前記波長変換素子に電界を生じさせることにより前記特定の基本波光路を選択する構成とすることもできる。
このようにすれば、波長変換素子に電圧を印加して波長変換素子の屈折率を変化させることにより、複数の基本波光路における波長変換効率を制御することができる。
前記波長変換レーザにおいて、前記各基本波光路の少なくとも１つから出射された変換波光の光量を検出可能な受光素子をさらに備え、前記制御装置は、前記受光素子により検出された光量に基づいて前記特定の基本波光路における波長変換効率が最も大きくなるように波長変換効率を制御することが好ましい。
この構成によれば、フィードバック制御を行うことにより、特定の基本波光路における波長変換効率を確実に最も高いものにすることが可能となる。
前記波長変換レーザにおいて、前記制御装置は、前記各基本波光路のうち少なくとも２以上の光路において生じた変換波光を同時にマルチビームとして出射させるとともに、前記マルチビームの強度分布を制御することが好ましい。
この構成によれば、少なくとも２以上の光路からマルチビームとして変換波光を出射するようにしているので、前記各光路における波長変換効率を制御することにより、マルチビームの強度分布を制御することができる。
前記波長変換レーザにおいて、前記基本波光源は、前記基本波をパルス発振し、前記制御装置は、前記各基本波光路のうち前記変換波光を出射させる光路の数を増減することにより、前記出力面から出射する変換波光のパルス幅、間隔の少なくとも一方を制御することが好ましい。
このように基本波をパルス発振させた場合、基本波光源から各基本波光路までの光路長に差が存在することに伴い、一の基本波光路において変換波光が発生していない時点においても他の基本波光路において変換波光が発生している状況が生じることとなる。そこで、前記構成では、前記光路長の差を利用して、変換波光を出射させる基本波光路の数を増減することにより、出力面から出射する変換波光のパルス幅や間隔を制御することができる。
前記波長変換レーザにおいて、前記制御部は、前記各基本波光路のうち前記基本波が初めに通過する光路よりもその後に通過する光路における波長変換効率が大きくなるように波長変換効率を制御することが好ましい。
この構成によれば、発熱に伴う波長変換素子の破壊を抑制することができる。その理由は以下の通りである。基本波が初めに通過する基本波光路では基本波のパワーが大きいため、この基本波光路における波長変換効率を大きくするとそこで生じる変換波光のパワーも大きなものとなり、この変換波光の吸収に伴う波長変換素子の発熱量は大きなものとなる。これに対し、前記構成のように、初めての基本波光路を通過した後の基本波のパワーは、波長変換が行われた分だけ小さなものとなるため、その後の基本波光路における波長変換効率を大きくしても、これにより生じる変換波光のパワーは小さく、波長変換素子の発熱量も小さくなる。したがって、波長変換素子の破壊を抑制することができる。
前記波長変換レーザにおいて、前記制御装置は、前記出力面から出射された変換波光が所定の範囲を走査するように、前記変換波光を出射する基本波光路を順次切り換えることが好ましい。
この構成によれば、所定の範囲を走査する走査光として変換波光を出力することができる。
本発明の他の局面に係る画像表示装置は、前記波長変換レーザと、所定の画像を表示するために前記波長変換レーザから出射された変換波光の変調を行う変調素子とを備えている。
本発明によれば、波長変換レーザから特定の方向に出射された変換波光を利用して、表示される画像に応じて変調素子の適所に変換波光を導くことができるため、画像のコントラストの向上及び消費電力の低減を図ることができる。
本発明の他の局面に係るレーザ加工装置は、前記波長変換レーザと、前記波長変換レーザから出射された変換波光を集光する集光光学系とを備え、前記各基本波光路のうち変換波光を出射させる光路の数を増減することにより、前記変換波光のスポット形状が変化する。
本発明によれば、加工の種別に応じて変換波光のスポット形状を変化させることにより、加工時間の短縮や加工精度の向上を図ることができる。
本発明は、基本波光源からの基本波の波長変換を行う波長変換レーザに利用することができる。
本発明は、基本波の波長変換を行ってレーザ出力をする波長変換レーザに関するものである。
従来から、波長変換素子の非線形光学現象を用いて、基本波レーザの波長を第２高調波(Second Harmonic Generation : SHG)、和周波、差周波等の変換波の波長に変換して出力する波長変換レーザがある。
波長変換レーザは、例えば、図１１に示すように、基本波レーザ光源１０１と、レーザ光源１０１から出射された基本波レーザ光を集光するレンズ１０２と、集光された基本波レーザ光を第２高調波に変換する波長変換素子１０３と、基本波レーザ光と高調波レーザ光とを分離するダイクロイックミラー１０４からなる。
波長変換素子１０３は、非線形光学結晶からなり、基本波の波長変換を行う。具体的に、波長変換素子１０３は、基本波と変換波との位相が整合するように適切に調整された結晶の方位や分極反転構造等を有している。特に、分極反転構造を有する波長変換素子は、擬似位相整合により低パワーでも高効率の波長変換を行うことができ、設計により様々な波長変換を行うことができる。分極反転構造とは、波長変換素子１０３の自発分極を周期的に反転させた領域が設けられた構造である。
基本波から第２高調波に変換する変換効率ηは、波長変換素子の相互作用長をＬ、基本波のパワーをP、波長変換素子でのビーム断面積をA、位相整合条件からのずれをΔkとすると、以下のように表すことができる。
η ∝ L2 P / A × sinc2(Δk L／2)
前記の式において、位相整合条件からのずれが生じると、変換効率が低下し、第２高調波(変換波)の発生が低下する。このため、位相整合条件からのずれが生じないように、非線形光学結晶の温度を許容範囲内の所定温度とする制御が行われている。
例えば、特許文献１のように、変換波の光強度を検出する検出手段と、非線形結晶の温度調節手段とを用いて、変換波の光強度が目標値に収束するように温度調節手段の駆動を制御することが提案されている。
特許文献１に係る構成によれば、高い変換効率を得ることや波長変換レーザの出力を制御することができる。
特開平４−３１８５２８号公報
しかし、特許文献１は、波長変換効率の制御により波長変換レーザから出射される変換波光の強度分布を制御することは提案されていない。
本発明は、波長変換効率を制御することにより、出射される変換波光の強度分布を制御することができる波長変換レーザ、及びこれを用いた画像表示装置及びレーザ加工装置を提供することを目的としている。
本発明の一局面に係る波長変換レーザは、基本波を出射する基本波光源と、前記基本波光源からの基本波を変換波光に変換するための波長変換素子と、前記波長変換素子を異なる角度で通過する複数の基本波光路を規定するように前記基本波を反射する１対の基本波反射面と、前記１対の基本波反射面の間で別々の方向を向く前記複数の基本波光路のうち、特定の基本波光路における波長変換効率が最も高くなるように波長変換効率を制御する制御装置とを備え、前記１対の基本波反射面のうち少なくとも一方の反射面は、前記変換波光を透過する出力面である。
本発明の他の局面に係る画像表示装置は、前記波長変換レーザと、所定の画像を表示するために前記波長変換レーザから出射された変換波光の変調を行う変調素子とを備えている。
本発明の他の局面に係るレーザ加工装置は、前記波長変換レーザと、前記波長変換レーザから出射された変換波光を集光する集光光学系とを備え、前記各基本波光路のうち変換波光を出射させる光路の数を増減することにより、前記変換波光のスポット形状が変化する。
本発明によれば、波長変換効率を制御することにより、出射される変換波光の強度分布を制御することができる。
本発明によれば、波長変換効率を制御することにより、出射される変換波光の強度分布を制御することができる。
図１は、本発明の実施の形態１に係る波長変換レーザの概略構成図である。 図２は、図１の波長変換レーザにおいて変換波光を優先して出射する基本波光路を変更した状態を示す概略構成図である。 図３は、本発明の実施の形態１の変形例に係る波長変換レーザの概略構成図である。 図４は、実施の形態１の変形例に係る波長変換レーザ及びこの波長変換レーザを備えた画像表示装置の概略構成図である。 図５は、本発明の実施の形態２に係る波長変換レーザの概略構成図である。 図６は、図５の波長変換レーザにおいて変換波光を優先して出射する基本波光路を変更した状態を示す概略構成図である。 図７は、本発明の実施の形態３に係る波長変換レーザの概略構成図である。 図８は、図７の波長変換素子及び電極を拡大して示す概略斜視図である。 図９は、図７の波長変換レーザにおいて変換波光を優先して出射する基本波光路を変更した状態を示す概略構成図である。 図１０は、本発明の実施の形態３に係る波長変換レーザを備えたレーザ加工装置の概略構成図である。 図１１は、従来の波長変換レーザの概略構成図である。
以下添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。尚、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
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）
図１及び図２は、本発明の実施の形態１に係る波長変換レーザ１００の概略構成図である。図1と図2とは、変換波光を優先して出射させる基本波光路を異ならせている点で相違している。
波長変換レーザ１００は、基本波を出射するレーザ光源としてのdistributed feedback(以下、ＤＦＢと略す)レーザ１と、ＤＦＢレーザ１から出射した基本波をコリメートするコリメータ２と、コリメートされた基本波を入射させる波長変換素子１０と、波長変換素子１０を挟むように配置された一対のダイクロイックミラー（基本波反射面、出力面）３、４と、基本波を吸収するためのビームディフューザ５と、波長変換効率を制御するための制御装置６とを備えている。
ＤＦＢレーザ１は、ＬＤの活性層領域に設けられたグレーティングを有し、縦シングルモード出力が容易に得られるようになっている。ＤＦＢレーザ１は、発振波長を決定するグレーティングを電界もしくは温度によってチューニングすることにより、発振波長の変調を行うことができるようになっている。具体的に、ＤＦＢレーザ１の発振波長は、１０６４〜１０６６ｎｍの範囲内から選択することができ、ＤＦＢレーザ１は、各波長で縦シングルモードの出力を行うようになっている。
波長変換素子１０は、分極周期反転構造を有するMgO:LiTaO3結晶からなり、直方体の形状をもつ。具体的に、波長変換素子１０は、図１の左右方向に並ぶ分極周期反転構造を有し、反転周期の擬似位相整合により基本波からの変換波光として第２高調波を発生させる。波長変換素子１０は、波長変換素子１０内で均一な分極反転周期を有し、定温保持機構により一定温度に保たれている。また、波長変換素子１０の基本波が入射又は出射する端面（図１の左右の端面）には、基本波及び第２高調波を透過するコートが施されている。
ダイクロイックミラー３、４は、波長変換素子１０を異なる角度で通過する複数の基本波光路を規定するように、波長変換素子１０の両側に設けられている。以下、ダイクロイックミラー３、４について具体的に説明する。
ダイクロイックミラー３は、基本波を反射し、かつ、第２高調波を透過するコートをもつ。また、ダイクロイックミラー３は、ＤＦＢレーザ１を出射する基本波の光軸に対して垂直な姿勢から、波長変換素子１０の長さ方向（図１の左右方向）に傾けて配置してある。したがって、ダイクロイックミラー３で反射する基本波は、波長変換素子１０の長さ方向に傾斜した光軸に沿って前記波長変換素子１０に再度入射することになる。
ダイクロイックミラー4も、基本波を反射し、かつ、第２高調波を透過するコートをもつ。また、ダイクロイックミラー４は、前記ダイクロイックミラー３と図１において左右対称となる角度で傾斜して配置されている。したがって、ダイクロイックミラー４で反射する基本波は、波長変換素子１０の長さ方向に傾斜した光軸に沿って波長変換素子１０に再度入射することになる。
このようにダイクロイックミラー３、４が互いに傾斜して配置されていることにより、これらダイクロイックミラー３、４の間には、徐々に図１の上に向かう基本波光路Ａ１〜Ａ５が規定される。この基本波光路Ａ１〜Ａ５は、ダイクロイックミラー３、４の間でそれぞれ別々の方向を向く。各基本波光路Ａ１〜Ａ５は、Ａ１からＡ５の順に波長変換素子１０の分極反転周期に対する傾斜角が大きくなり、これに伴い、基本波が通過する分極反転の周期も長くなる。ダイクロイックミラー３及び４は、波長変換光の出力面を構成する。
制御装置６は、ＤＦＢレーザ１から発振される基本波の波長を制御するための発振波長制御部７を備えている。発振波長制御部７は、前記基本波光路Ａ１〜Ａ５のうち、特定の光路における波長変換効率が最大となるように基本波の波長を制御する。具体的に、発振波長制御部７は、ＤＦＢレーザ１のグレーティング部に所望の電界を生じさせることにより、発振波長を調整するようになっている。
ＤＦＢレーザ１から出射された基本波は、コリメータ２によりコリメートされ波長変換素子１０に入射する。図１に示す例では、ＤＦＢレーザ１の発振波長が発振波長制御部７により１０６４ｎｍに設定されることにより、分極反転周期に対して垂直に入射する基本波光路Ａ１において位相整合が行われ、この基本波光路Ａ１において最も高い変換効率で変換波光（第２高調波）ａ１が発生する。このとき、基本波光路Ａ２〜Ａ５では、ダイクロイックミラー３、４の反射により波長変換素子１０の分極反転構造に対して傾斜していることに伴い、位相整合条件からのずれが生じ、変換効率が低くなり、変換波光（第２高調波）ａ２〜ａ５は、わずかしか発生しない。このため、変換波光の出力面となるダイクロイックミラー３及び４からは、基本波光路Ａ１で発生した変換波光ａ１が優先して出射される。なお、波長変換されなかった残りの基本波は、ビームディフューザ５に達し、吸収される。
図２に示す例では、ＤＦＢレーザ１の発振波長が発振波長制御部７により１０６６ｎｍに設定されることにより、分極反転周期に対し最も傾斜している基本波光路Ａ５において位相整合が行われ、この基本波光路Ａ５において最も高い変換効率で第２高調波が発生する。このとき、基本波光路Ａ１〜Ａ４では、分極反転周期が位相整合条件を満たすための周期よりも短いため、位相整合条件からのずれが生じて変換効率が低くなり、第２高調波は、わずかしか発生しない。そのため、変換波光の出力面となるダイクロイックミラー３及び４からは、基本波光路Ａ５で発生した変換波光ａ５が優先して出力される。
同様にＤＦＢレーザ１の発振波長を発振波長制御部７により変調することにより、位相整合を行う基本波光路を基本波光路Ａ２、Ａ３、Ａ４の中から選択して、各光路Ａ２〜Ａ４において生じた変換波光ａ２〜ａ４を優先して出射させることができる。
前記波長変換レーザ１００を用いて走査光を出射させることもできる。具体的に、波長変換レーザ１００の制御装置６によって、ＤＦＢレーザ１の発振波長を１０６４〜１０６６ｎｍの範囲内で一定周期で変調することにより、選択する基本波光路をＡ１→Ａ２→Ａ３→Ａ４→Ａ５→Ａ４→Ａ３→Ａ２→Ａ１→Ａ２・・・と順次に変化させることができる。このとき出射される変換波光の出射角度は、選択する基本波光路に応じて異なるため、変換波光は、順次異なる角度で出射され、波長変換光の走査が繰り返し行われる。この走査速度は、発振波長の変調速度で制御することができる。上述した構成は、制御装置６により基本波光路の選択を順次に行うことにより、出射される波長変換光の走査を行う好ましい形態である。このようにすれば、可動ミラー等を用いず波長変換レーザのみでビーム走査を行うことができるため、部品点数の削減や損失の低減が可能となる。また、前記構成のように、基本波の発振波長の変調により変換波光の走査を行わせる場合、各走査位置における変換波光の波長が異なることになるため、ひとつの光源を用いて分光計測などを行うことができる。
本発明の基本波レーザ光源には、ＤＦＢレーザの他、半導体レーザ、ファイバーレーザ、固体レーザなど各種レーザ光源を用いることができる。本実施の形態１では、基本波のビーム整形に用いられるコリメータ２を用いているが、波長変換素子への基本波のビーム整形や拡がり角の制御を行うために各種光学部品を用いることができる。また波長変換素子としては、各種非線形材料を用いることができる。例えば、ＬＢＯやＫＴＰ、分極反転周期構造をもつLiNbO3やLiTaO3を用いることができる。
本実施の形態では、ダイクロイックミラー３、４として２枚の平面ミラーを用い、これら平面ミラーの双方を傾斜して配置しているが、1枚のみを傾斜して配置してもよい。平面ミラーを傾斜させる角度は、基本波の光路にある程度の角度変化をもたせるために、少なくとも１度以上であることが好ましい。
また、本実施の形態では、一対のダイクロイックミラー３、４の双方を変換波光の出力面としているが、各ダイクロイックミラー３、４の少なくとも一方が波長変換光を出力する面となっていればよい。
なお、本実施の形態は、発振波長制御部７により基本波の発振波長の変調を行い、優先する基本波光路Ａ１〜Ａ５を選択する好ましい形態である。このように基本波の発振波長を変調させることで、波長変換光の角度及び強度分布だけでなく、出射する変換波光の波長の変調も行うこともできる。発振波長の変調を行う場合、変調の周波数を１００Ｈｚ以上に設定して、変調を高速で行うことが好ましい。変調を高速に行うことにより、画像表示や照明として波長変換光を用いる場合のみかけのスペクトル幅を太くし、干渉性を低減させることができる。
また、ＤＦＢレーザ１の発振波長を高速に変化させることにより、出射する変換波光の角度変化を高速化することができる。発振波長の高速変調には、本実施の形態の様にＤＦＢレーザ１を用い、グレーティング部の電界変調を用いることが好ましい。このようにすれば、非常に高速な発振波長の制御を行うことができる。
以下、図３を参照して実施の形態１の変形例について説明する。
図３は、実施の形態１の変形例に係る波長変換レーザ１００ａの概略図を示す。前記波長変換レーザ１００と同様の構成については、同じ番号を付して説明を省略する。
波長変換レーザ１００ａは、波長変換レーザ１００の構成に加えて、基本波光路Ａ１、Ａ３、Ａ５から出射される変換波光ａ１、ａ２、ａ３の一部を受光する受光素子８ａ、８ｂ、８ｃと、サンプラー６５とを有する。
受光素子８ａ〜８ｃは、受光した変換波光の光量を検出するとともに、検出値の差分に基づいてどの受光素子８ａ〜８ｃへの入射光量が最も多いかを検出する。
サンプラー６５は、波長変換素子１０から出射される変換波光の一部を反射して、受光素子８ａ〜８ｃに導くための光学部品である。具体的に、サンプラー６５は、低反射コートがされたガラス板である。
波長変換レーザ１００ａでは、制御装置６の発振波長制御部７によりＤＦＢレーザ１の波長を変えることによって、変換波光を優先して出射させる基本波光路Ａ１〜Ａ５を選択することができる。受光素子８ａ〜８ｃのうち入射光量が最も多い受光素子の検出結果に基づいて、基本波光路Ａ１、Ａ３、Ａ５のうち変換波光が優先して出射された基本波光路が検出される。制御装置６は、受光素子８ａ〜８ｃの検出結果に基づいて検出された基本波光路と、発振波長制御部７により選択された基本波光路が一致するようにフィードバック制御を行う。したがって、選択された基本波光路から常に優先して変換波光が出力されることになる。
波長変換レーザ１００ａは、基本波光路Ａ１、Ａ３、Ａ５からの変換波光ａ１、ａ３、ａ５を受光する複数の受光素子８ａ〜８ｃを有し、基本波光路Ａ１、Ａ３、Ａ５のうち選択された基本波光路へのフィードバック制御を行うことができる好ましい形態である。
前記波長変換レーザ１００ａでは、位相整合条件が異なる複数の基本波光路Ａ１〜Ａ５を有し、位相整合条件の違いを利用して、光路の選択を行う。位相整合条件は、周囲環境や経時時間により影響を受け、初期条件から変化する場合がある。波長変換レーザ１００ａでは、複数の基本波光路からの出力を検出する複数の受光素子８ａ〜８ｃの検出結果に基づいてフィードバック制御を行うことにより、位相整合条件の変化にかかわらず、意図した基本波光路からの出力を優先させることができる。また、前記実施形態では、基本波光路Ａ１、Ａ３、Ａ５からの変換波光ａ１、ａ３、ａ５を受光する３つの受光素子８ａ〜８ｃを備えた構成について説明したが、全ての基本波光路Ａ１〜Ａ５に対応する５つの受光素子を備え、全ての基本波光路Ａ１〜Ａ５についてフィードバック制御をすることができるようにしてもよい。
なお、複数の受光素子とは、一つの受光素子を分割して使用する形態も含む趣旨であり、例えば、Ｓｉ−ＰＤなどを用いることができる。
以下、図４を参照して実施の形態１の変形例について説明する。
図４は、実施の形態１の変形例に係る波長変換レーザ１００ｂ及びこの波長変換レーザ１００ｂを備えた画像表示装置１８の概略図を示す。上述した構成と同様の構成については、同じ番号を付してその説明を省略する。
波長変換レーザ１００ｂは、ＤＦＢレーザ１と、レンズ２と、制御装置６と、波長変換素子１４とを備えている。
ＤＦＢレーザ１は、前記発振波長制御部７により発信波長を変化可能な状態で、基本波(１０６４ｎｍ近傍)を出力する。
波長変換素子１４は、図４に示すように台形（図４の左側の辺が上底及び下底に対して直角な台形）の側面形状を有し、この側面形状が図４の紙面と直交する方向に延びる柱状の外形とされている。この波長変換素子１４には、図４の左右方向に並ぶ分極反転構造が形成されている。
より具体的に、波長変換素子１４は、ＤＦＢレーザ１から出射された基本波に対し垂直な端面（図４の左側の端面）１２と、傾斜する端面（図４の右側の端面）１１とを有する。端面１２は、基本波の入射部分にのみ基本波に対する反射防止（Anti Reflection:AR）コートを有し、その他の部分に基本波及び変換波光の反射（High Reflection:HR）コートを有する。端面１１は、基本波に対するHRコートと、変換波光に対するARコートとを有し、波長変換光の出力面である。また、端面１１は、端面１２に対して傾斜している。
また、波長変換素子１４は、分極反転周期構造を有するMgO:LiNbO3からなり、分極反転周期は、入射する基本波の向き（図４の左右方向）に形成されている。波長変換素子１４により、基本波は、緑色の変換波光(５３２ｎｍ近傍)に変換される。端面１１が端面１２に対して傾斜しているため、端面１２で反射する基本波の光路は、分極反転周期に対して傾くことになる。したがって、端面１２での反射回数が多くなることに伴い、基本波光路が分極反転周期と交差する角度が大きくなる。
具体的に、基本波光路Ｂ１〜Ｂ５は、Ｂ１からＢ５の順で分極反転周期との交差角度が大きくなる。これに伴い、基本波光路Ｂ１〜Ｂ５における位相整合条件は、端面１２での反射回数に応じてそれぞれ異なることになる。このため、発振波長制御部７を含む制御装置６によって基本波の波長を変調することにより、各基本波光路Ｂ１〜Ｂ５のうちの何れかの光路から優先して変換波光を出力させることができる。
次に、図４に示す画像表示装置１８について説明する。
画像表示装置１８は、前記波長変換レーザ１００ｂと、波長変換レーザ１００ｂからの変換波光を偏向するレンズ１５と、レンズ１５からの変換波光を入射させる導光板１６と、導光板１６から出射された変換波光により画像を表示するための液晶パネル１７とを備えている。
波長変換レーザ１００ｂを出射した波長変換光は、レンズ１５を経て、導光板１６に導かれる。導光板１６は、側面から入射したビームの均一化を行うとともに、ビームを立ち上げて主面から出射することにより、液晶パネル１７を背面から照明する。液晶パネル１７は、画像信号に従い変換波光を変調することにより画像を表示する。液晶パネル１７は、偏光板、液晶、ＴＦＴなどからなる一般的な透過型液晶パネルである。導光板１６は、サブ導光板１６ａ、１６ｂ、１６ｃを有する。サブ導光板１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、それぞれ入射した変換波光を均一化するとともに、液晶パネル１７側（主面側）へ立ち上げるようになっている。
波長変換レーザ１００ｂにおいて基本波光路Ｂ１から出射される変換波光ｂ１は、レンズ１５により偏向されてサブ導光板１６ａに入射する。同様に、基本波光路Ｂ３及び基本波光路Ｂ５から出射される変換波光ｂ３、ｂ５は、それぞれサブ導光板１６ｂ及びサブ導光板１６ｃに入射する。そのため、波長変換レーザ１００ｂにおいて、基本波光路Ｂ１、Ｂ３、Ｂ５のうちの何れの光路を選択するかに応じて、サブ導光板１６ａ〜１６ｃの何れの部分を光らせるのかを制御することができる。
このように、画像表示装置１８では、サブ導光板１６ａ〜１６ｃのうち光らせるサブ導光板を選択することにより、画面内の輝度分布を制御することができる。例えば、真っ暗な画像を表示する場合、サブ導光板１６ａ〜１６ｃの全てを光らせずに、黒を表現する。また、波長変換レーザ１００ｂにおいて選択することができる基本波光路の数が多い場合、これに併せてサブ導光板の数を増やす事もできる。
画像表示装置１８は、基本波光路Ｂ１、Ｂ３、Ｂ５の中から選択された光路において生じた変換波光を波長変換レーザ１００ｂから優先して出射し、この変換波光の変調を行う変調素子を有する好ましい形態である。このように、波長変換レーザ１００ｂでは、変換波光を出射させる基本波光路を選択することができるので、画像表示装置に表示される画像の輝度分布を制御することができる。
具体的に、画像表示装置１８は、サブ導光板１６ａ〜１６ｃを有しているので、液晶パネル１７の光らせる部位を、サブ導光板１６ａ〜１６ｃの位置に対応して選択することができる。画像表示装置の輝度分布を制御するためには、表示させる画像のうち黒い部分に対応する位置に配置されたサブ導光板を光らせず、明るい部分に対応する位置に配置されたサブ導光板のみを強く光らせることで、画像のコントラストを上げることができる。また、導光板１６の不要な領域を光らせないことにより、消費電力の低減を図ることができる。
なお、カラー画像を表示する場合は、前記波長変換レーザ１００ｂに加えて赤及び青のレーザ光源を併用する。赤及び青の半導体レーザ光源をサブ導光板１６ａ〜１６ｃ毎に設置することで、画像表示装置の輝度分布をサブ導光板毎に設定することができる。
（実施の形態２）
図５及び図６は、本発明の実施の形態２に係る波長変換レーザ２００の概略構成図である。図５と図６とは、変換波光を優先して出射させる基本波光路を異ならせている点で相違している。
波長変換レーザ２００は、基本波を出射するレーザ光源としてのファイバレーザ２１と、ファイバレーザ２１からの基本波を集光する集光レンズ２２と、集光された基本波が入射する波長変換素子２０と、波長変換素子２０を挟むように配置された一対の凹面ミラー２３、２４と、波長変換素子２０の温度を制御するための制御装置２５とを備えている。
ファイバレーザ２１は、シングルモード、かつ、１０Ｗ以上の出力で直線偏光の基本波光を出射する。波長変換素子２０の変換効率は、基本波のパワーに比例するため、前記ファイバレーザ２１を利用することにより高い変換効率を得ることができ、高効率の波長変換レーザ２００を得ることが可能となる。つまり、ファイバレーザ２１は、波長変換レーザ２００を高効率にすることができる好適な基本波レーザ光源である。
波長変換素子２０は、分極周期反転構造を有するMgO:LiNbO3結晶からなり、長さ２５ｍｍ、幅５ｍｍ、厚み１ｍｍの直方体の形状をもつ。具体的に、波長変換素子２０は、図５の左右方向(波長変換素子２０の長さ方向)に並ぶ分極周期反転構造を有し、反転周期の擬似位相整合により変換波光である第２高調波を発生させる。図５及び６に示す縞模様は、周期構造の概略であり、反転周期は、約７μｍであり、波長変換素子２０内で略均一とされている。また、波長変換素子２０の基本波が入射及び出射する端面（図５の左右の端面）には、基本波及び第２高調波（変換波光）を透過するコートが施されている。
波長変換素子２０の温度は、制御装置２５の温度制御部２６により制御されている。具体的には、例えば、波長変換素子２０の底面にペルチェ素子を取り付け、このペルチェ素子に対して温度制御部２６によって電圧を印加することにより波長変換素子２０の温度を制御することができる。このとき、波長変換素子２０の温度を検出するための温度センサ等を設け、この温度センサによる検出温度に基づいて温度制御部２６によりフィードバック制御を行うことが好ましい。また、温度制御は、波長変換素子２０の全体について行ってもよいし、波長変換素子２０の一部について行ってもよい。
凹面ミラー２３は、基本波を反射し、かつ、第２高調波を透過するコートを有し、変換波光である第２高調波を出射するための出力面となっている。凹面ミラー２４は、基本波及び第２高調波を反射するコートを有する。凹面ミラー２３の曲率半径は、２２ｍｍであり、凹面ミラー２４の曲率半径は、２０ｍｍであり、凹面ミラー間の距離は、空気換算長で約２１ｍｍである。基本波は、２つの凹面ミラー２３、２４間で反射することにより、波長変換素子２０を異なる角度で複数回往復する。また、２つの凹面ミラー２３、２４は、波長変換素子２０内の基本波光路で基本波を集光する役割を果たしている。これにより、変換効率が向上する。
ファイバレーザ２１から出射した基本波は、集光レンズ２２により波長変換素子２０内にビームウェストを持つように集光される。集光レンズ２２からの基本波は、凹面ミラー２４により覆われていない波長変換素子２０の端面から波長変換素子２０内に入射する。波長変換素子２０から出射した基本波は、凹面ミラー２３で反射することにより、波長変換素子２０に対して異なる入射角度で再入射する。そして、波長変換素子２０から出射した基本波は、凹面ミラー２４で反射することにより、波長変換素子２０に対して異なる入射角度で再入射する。
このように、基本波は、凹面ミラー２３と２４との間を往復し、波長変換素子を異なる角度で複数回通過する。つまり、各凹面ミラー２３、２４の間には、それぞれ別々の方向を向く複数の基本波光路（図５ではＥ１〜Ｅ７のみを例示するが実際にはより多くの光路が規定されている）が規定されている。本実施形態では、これら基本波光路Ｅ１〜Ｅ７のうち、図５の左から右に向かう基本波光路Ｅ１、３、５、７において生じた変換波光ｅ１、ｅ３、ｅ５、ｅ７が凹面ミラー２３を透過して出射するようになっている。以下、具体的に説明する。
基本波は、各凹面ミラー２３、２４の間の往復の過程において、波長変換素子２０内の複数の箇所で集光する。具体的に、図５に示す構成では、凹面ミラー２４で反射して図５の左から右へ波長変換素子２０を通過するときに（基本波光路Ｅ１、Ｅ３、Ｅ５、Ｅ７を通過するときに）基本波光が集光し、変換効率が高くなっている。波長変換素子２０内を基本波が通過するときに発生した波長変換光は、凹面ミラー２３から出力される。一方、図５の右から左へ波長変換素子２０を通過するとき（基本波光路Ｅ２、Ｅ４、Ｅ６を通過するとき）には、ビームウェストを過ぎた基本波光が発散しないように凹面ミラー２３により集光された状態で、基本波光は、再び凹面ミラー２４側へ戻される。
図５では、波長変換素子２０の分極反転周期構造に対し直交して通過する基本波光路において位相整合するように温度制御部２６により波長変換素子２０の温度を制御し、その温度が保たれている。本実施形態においては、図５の下に位置する基本波光路Ｅ１と、上に位置する基本波光路Ｅ３とが波長変換素子２０の分極反転周期構造に対し概ね直交しているため、これら基本波光路Ｅ１、Ｅ３においては、位相整合条件からのずれが少なく、変換効率が高くなり、発生する波長変換光が多い。特に、本実施形態における基本波光路Ｅ１は、波長変換素子２０の分極反転周期構造に略直交しているため、この基本波光路Ｅ１における波長変換効率が最も大きい。これに対し、波長変換素子２０を傾斜して通過する基本波光路Ｅ２、Ｅ４、Ｅ６では、位相整合条件からのずれが大きいため変換効率が低くなり、発生する波長変換光が少ない。したがって、図５の下に位置する基本波光路Ｅ１及び、上に位置する基本波光路Ｅ３において生じる変換波光が優先して出射される。
図６は、温度制御部２６により波長変換素子２０の温度を図５に示す例よりも1度低い温度に制御し、この温度が保たれた状態を示している。図６に示す状態においては、波長変換素子２０の分極反転周期構造を斜めに横切る基本波光路Ｅ５、Ｅ７において位相整合条件からのずれ量が小さく、変換効率は、高くなる。これに対し、分極反転周期構造に概ね直交する基本波光路Ｅ１、Ｅ３においては、位相整合条件からのずれが大きく、変換効率が低くなる。つまり、図６に示す例では、波長変換素子２０の分極反転構造を傾斜して通過する基本波光路Ｅ５、Ｅ７（図６の中段に位置する光路）において生じる変換波光を優先して出射させている。より具体的に、本実施形態では、基本波光路Ｅ７における波長変換効率が最も高く設定されている。
本実施の形態２は、温度制御部２６により波長変換素子２０の温度を変化させることにより、異なる角度で波長変換素子２０を通過する基本波光路Ｅ１〜Ｅ７のそれぞれにおける位相整合条件からのずれ量を制御し、特定の基本波光路において生じた変換波光を優先して出射させる。実施の形態２では、特定の基本波光路において生じた変換波光を優先して出射させる制御を行うことにより、波長変換レーザ２００から出射される変換波光の強度分布を制御することができる。
実施の形態２は、温度制御部２６により波長変換素子２０を温度制御することにより、特定の基本波光路から変換波光を優先して発生させる好ましい形態である。したがって、実施の形態２によれば、波長変換レーザ２００から出射される波長を一定としたまま、出射される変換波光の角度や強度分布及び出射されるビーム数を制御することができる。また、波長変換素子２０の一部について温度制御を行うことにより、波長変換素子２０内に温度分布をもたせて、角度や強度分布およびビーム数を制御することもできる。
波長変換レーザ２００では、出力面となる凹面ミラー２３から変換波光が複数のビームとなって出射される。具体的に、本実施形態では、凹面ミラー２３と凹面ミラー２４とは、同軸となるように正対して配置されているため、波長変換素子２０に入射した基本波は、凹面ミラー２３と凹面ミラー２４との間で波長変換素子２０の幅方向（図５及び図６の上下方向）に広げられて、凹面ミラー２３に到達する。つまり、基本波は、波長変換素子２０の幅方向に存在する複数の基本波光路（Ｅ１〜Ｅ７）に沿って進行して、幅方向に並ぶ複数本のビームとして凹面ミラー２３に到達する。このとき、凹面ミラー２３、２４間を往復する基本波光路Ｅ１〜Ｅ７は、波長変換素子２０の幅方向に互いに異なる角度とされている。したがって、凹面ミラー２３から出射される変換波光は、各基本波光路（Ｅ１、Ｅ３、Ｅ５、Ｅ７）で発生した変換波光（ｅ１、ｅ３、ｅ５、ｅ７）の合計であるため、波長変換素子の幅方向にマルチ化された横マルチビームとなって出射される。ここで、本実施の形態２のように基本波光路（Ｅ１、Ｅ３、Ｅ５、Ｅ７）の中の複数の基本波光路において生じた変換波光を出射しながら、何れかの基本波光路において生じた変換波光を優先して出射することは、各基本波光路Ｅ１、Ｅ３、Ｅ５、Ｅ７において発生する変換波光間のパワーバランスを制御することを意味する。つまり、波長変換レーザ２００では、波長変換素子２０の温度制御により、出射される横マルチビームの強度分布を制御することができる。
本実施の形態は、横マルチビームで出射される変換波光の強度分布を制御する好ましい形態である。本実施の形態に係る波長変換レーザ２００は、複数の基本波光路を持つため、変換波光を複数のビームとして出力することができる。そして、これら複数のビームを線状の横マルチビームとすることにより、一つの光束として扱うことができる。ここで、横マルチビームの強度分布を制御することができることは、波長変換レーザ２００を各種の応用製品に適用する利点となる。特に、映像や照明の分野では、強度の均一化が必要となるため、有効である。横マルチビームを出射する従来のレーザでは、マルチビームに含まれる各ビームの強度を制御することは煩雑であったが、本実施の形態に係る波長変換レーザ２００では、変換効率を制御することによりマルチビームに含まれる各ビームの強度の制御を容易に行うことができる。また、変換波光を優先して出射するための基本波光路の切り換えを時間的に変化させることにより、横マルチビームの強度分布を時間的に変化させることができるので、干渉ノイズを低減することができる。
図６に示す例では、基本波が初めに波長変換素子に入射する基本波光路Ｅ１よりも、その後に波長変換素子を通過する基本波光路Ｅ２〜Ｅ７において発生する変換波光が多くなるように、温度制御部２６により波長変換素子２０の温度が制御されている。このようにすれば、波長変換素子２０の発熱による破壊を抑制することができる。その理由は、以下の通りである。
基本波及び変換波のパワーが大きい場合、波長変換素子２０の発熱及びこの発熱による波長変換素子２０の破壊が生じるおそれがあり、波長変換素子２０の光耐性が課題となる。そこで、本実施の形態について検討すると、波長変換レーザ２００では、凹面ミラー２３、２４間で基本波を往復させるようにしているので、基本波は、凹面ミラー２３、２４における反射時のロスや、変換波光の発生時の消費により、前記往復の回数を重ねるに従い減衰する。このため、波長変換素子２０に初めに入射する基本波光路Ｅ１において、前記した波長変換素子２０の発熱と破壊のリスクが最も高くなる。一方、図６に示すように、基本波が初めに波長変換素子２０に入射する基本波光路Ｅ１よりも、その後に波長変換素子２０を通過する基本波光路Ｅ２〜Ｅ７において発生する変換波光が多くなるように制御することにより、波長変換素子２０の発熱及びこの発熱による破壊というリスクを回避することができ好ましい。したがって、図６に示すような制御をすることで、信頼性の高い安定した出力を行う波長変換レーザを得ることができる。
（実施の形態３）
図７〜図９は本発明の実施の形態３に係る波長変換レーザ３００の概略構成図である。図７と図９とは、変換波光を優先して出射させる基本波光路を異ならせている点で相違している。
波長変換レーザ３００は、基本波をパルス発振するレーザ光源としてのモードロックレーザ３１と、モードロックレーザ３１からの基本波を集光する集光レンズ３２と、集光された基本波が入射する波長変換素子３０と、波長変換素子３０を挟むように配置されたダイクロイックミラー３３及び凹面ミラー３４と、波長変換素子３０に取り付けられた電極３７と、波長変換素子３０に印加する電圧を制御するための制御装置３５とを備えている。
モードロックレーザ３１は、４０ｐｓｅｃのパルス幅でレーザ発振を行う。
波長変換素子３０は、分極周期反転構造を有するMgO:LiNbO3結晶からなり、２０ｍｍの長さを有する。また、波長変換素子３０は、図７の左右方向(波長変換素子の長さ方向)に並ぶ分極周期反転構造を有し、反転周期の擬似位相整合により変換波光である第２高調波を発生させる。前記分極周期反転構造の反転周期は、波長変換素子３０内で均一とされている。また、波長変換素子３０の基本波が入射及び出射する端面（図７の左右の端面）には、基本波と第２高調波を透過するコートが施されている。そして、波長変換素子３０の温度は、図外の定温保持部により一定に保たれている。
ダイクロイックミラー３３は、基本波を反射し、かつ、第２高調波を透過するコートを有し、変換波光である第２高調波を出射するための出力面となっている。ダイクロイックミラー３３は、モードロックレーザ３１から出射される基本波の光軸に対して垂直な姿勢から、波長変換素子３０の長さ方向（図７の左右方向）に傾けて配置してある。したがって、ダイクロイックミラー３３で反射する基本波は、波長変換素子３０の長さ方向に傾斜した光軸に沿って波長変換素子３０に再度入射することになる。
凹面ミラー３４は、基本波及び第２高調波を反射するコートを有する。凹面ミラー３４は、基本波を集光する役割を果たしている。したがって、この凹面ミラー３４と前記ダイクロイックミラー３３との間には、それぞれ別々の方向を向く複数の基本波光路Ｄ１〜Ｄ５が規定される。そして、これらの基本波光路Ｄ１〜Ｄ５のうちの光路Ｄ３、Ｄ５に沿って伝播する基本波のビーム径を凹面ミラー３４が絞っている。基本波光路Ｄ３及び基本波光路Ｄ５は、光路Ｄ１とは異なる角度で波長変換素子３０を通過する。
電極３７は、波長変換素子３０の表裏の面（図８の上面と底面）にそれぞれ設けられた櫛歯状（梯子型）の電極である。電極３７は、MgO: LiNbO3結晶のz軸方向における＋ｚ軸面と−ｚ軸面にそれぞれ設けられている。より具体的に、電極３７は、基本波光路Ｄ３及び基本波光路Ｄ５が規定された２の領域をそれぞれ挟むように合計４箇所に設けられている。各電極３７における波長変換素子３０の幅方向（図７の上下方向）に延びる複数の部分は、それぞれ波長変換素子３０の分極反転の周期に対応して形成されている。
制御装置３５は、前記各電極３７間に印加される電圧を制御するための電圧制御部３６を備えている。電圧制御部３６は、基本波光路Ｄ３を挟むように配置された一対の電極３７間、又は基本波光路Ｄ５を挟むように配置された一対の電極３７間にそれぞれ電圧を印加することにより、基本波光路Ｄ３又は基本波光路Ｄ５が規定された波長変換素子３０の一部の領域に電界を生じさせる。そして、電圧制御部３６による電圧の印加と印加の停止とを切り換えることにより、基本波光路Ｄ３又は基本波光路Ｄ５が規定された波長変換素子３０の領域に生じた電界のスイッチングを行うことができる。このように、波長変換素子３０に対して電界を生じさせることにより、基本波光路Ｄ３及び基本波光路Ｄ５が規定された領域について波長変換素子３０の屈折率が変化する。
モードロックレーザ３１から出射された基本波のパルス光は、集光レンズ３２により集光され、波長変換素子３０に入射する。図７では、分極反転周期に対し垂直に入射する基本波光路Ｄ１で位相整合を行い、この基本波光路Ｄ１において高い変換効率で第２高調波が発生する。一方、基本波光路Ｄ３及び基本波光路Ｄ５では、基本波は、波長変換素子３０に傾斜して入射して、分極反転周期構造に対し傾きをもって波長変換素子３０を通過する。このため、基本波光路Ｄ３及びＤ５においては、位相整合条件からのずれが生じ、変換効率が低くなり、第２高調波は、ほとんど発生しない。このため、基本波光路Ｄ１で発生した変換波光ｄ１のみがダイクロイックミラー３３から出力される。なお、変換波光ｄ１のパルス幅は約４０ｐｓｅｃである。
図９では、各電極３７に対し電圧制御部３６により電圧を印加することにより、基本波光路Ｄ３と基本波光路Ｄ５が規定された波長変換素子３０の領域に電界を生じさせている。これにより、波長変換素子３０の基本波光路における第２高調波と基本波との屈折率差が小さくなり、光路が分極反転周期構造に対して傾いていても、位相整合条件からのずれ量が小さくなる。したがって、基本波光路の基本波光路Ｄ３及び基本波光路Ｄ５においても変換効率が高くなる。その結果、図９に示す例では、基本波光路Ｄ１だけでなく、基本波光路Ｄ３及び基本波光路Ｄ５においても第２高調波が発生し、ダイクロイックミラー３３から出力される。
ここで、基本波光路Ｄ１、基本波光路Ｄ３及び基本波光路Ｄ５の合計出力のパルス時間幅は、約１００ｐｓｅｃである。そして、基本波光路Ｄ１における出力光に対して基本波光路Ｄ３における出力光は、時間的に遅延しており、基本波光路Ｄ３の出力光に対して基本波光路Ｄ５の出力光は、時間的に遅延しているため、合計出力光のパルス幅は、モードロックレーザ３１からの基本波に対して、２倍以上に拡大される。なお、光路数をさらに増やすことにより、合計出力光のパルス幅を５倍以上に増やすことも可能である。また、基本波光路Ｄ５に対応する領域にのみ電界を生じさせ、基本波光路Ｄ１と基本波光路Ｄ５において変換波光を発生させることにより、４０ｐｓｅｃの変換波光のパルスを４５ｐｓｅｃ間隔で出力するここともできる。
本実施の形態３に係る波長変換レーザ３００は、電圧制御部３６により波長変換素子３０に電界を生じさせることにより位相整合条件からのずれ量を制御し、変換波光が発生する基本波光路の基本波光路Ｄ１、Ｄ３、Ｄ５を選択する好ましい形態である。本実施の形態では、異なる角度で波長変換素子３０を通過する基本波光路Ｄ１、Ｄ３、Ｄ５と、波長変換素子３０に生じる電界により、位相整合条件からのずれ量を制御することができる。電界によるスイッチングにより、基本波光路の選択の切り替えを高速に行うことができる。例えば本実施の形態では、パルス光の繰り返し周期内に基本波光路の選択を切り替えることができる。
波長変換レーザ３００は、基本波をパルス発振するモードロックレーザ３１を用い、制御装置３５により変換波光を出射する基本波光路の数を制御することにより、出射光のパルス幅や間隔を制御する好ましい形態である。図７と図９とでは、変換波光を出射する基本波光路の数を１から３に切り換えることにより、出射光のパルス幅を４０ｐｓｅｃから１００ｐｓｅｃに大きくすることができる。基本波光路の数によりパルス幅を制御することにより、パルス幅を数倍にすることが可能となる。また、基本波光路Ｄ１と基本波光路Ｄ５とを選択した場合（図９の場合）のように、非常に短いパルス間隔のパルス光を作成することができる。本実施の形態を用いることにより、他のレーザでは、実現することが困難なパルス幅およびパルス間隔での出射を行うことができる。
次に、図１０に示すレーザ加工装置３９について説明する。
図１０は、実施の形態３の変形例に係るレーザ加工装置３９の概略図を示す。
レーザ加工装置３９は、前記波長変換レーザ３００と、波長変換レーザ３００からの変換波光を集光するレンズ３８とを備えている。
波長変換レーザ３００は、前記制御装置３５により、基本波光路Ｄ１のみを選択して変換波光ｄ１を出力する場合と、基本波光路Ｄ１〜Ｄ３から変換波光ｄ１、ｄ３、ｄ５を出力する場合とのスイッチングが可能である。
レンズ３８は、波長変換レーザ３００からの変換波光を集光する。
前記レーザ加工装置３９を用いて加工を行なう場合には、加工対象物Ｔの表面をレンズ３８の集光位置付近に配置する。ここで、レーザ加工装置３９は、上述のように、変換波光ｄ１のみを出力する状態と、変換波光ｄ１〜ｄ３を出力する状態とを切り換えることができるので、加工対象物Ｔに対しては１つのスポットにおいてビームを照射する場合と、ライン状に並ぶ３つのスポットにおいてビームを照射する場合とを選択することができる。
本実施の形態に係るレーザ加工装置３９は、波長変換レーザ３００の基本波光路を選択することにより、加工対象物Ｔに対するビームの照射範囲（スポット形状）を変化させることができる。ビームの照射範囲を変化させることにより、加工の種類に併せたビームの照射範囲を設定することができ、加工時間の短縮や加工精度の向上を図ることができる。また、本実施の形態に係るレーザ加工装置３９は、機械的な機構を用いることなく、ビームの照射範囲を変化させることができるため、信頼性が高い。さらに、前記レーザ加工装置３９では、変換波光を優先して出射させる基本波光路Ｄ１〜Ｄ３を、時間的に連続的に変化させることができるため、ビーム出射中のスポット形状変化や、中間的なスポット形状を作成することができる。このため、複雑な加工を迅速に行うことができる。
なお、上述した実施の形態は、上記実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。当然、本発明の各実施の形態を組み合わせて用いることもできる。なお、複数の基本波光源を用いたり、第２高調波の他、差周波、和周波などの変換波を出力する構成としてもよい。また、波長変換素子内の分極反転周期を数種類の周期を有するようにしてもよい。
本発明は、基本波が1対の基本波反射面の間で反射して、波長変換素子を異なる角度で複数回通過し、少なくとも一方の反射面は、波長変換光を透過する出力面となり、波長変換素子を通過する複数の基本波光路で波長変換光が発生し得るとき、特定の基本波光路の変換波光を優先して出射させる制御を行う制御装置を有することを特徴としている。
本構成では、ひとつの波長変換素子内で、角度が異なる基本波光路をもつことにより複数の位相整合条件をもつこととなる。特定の基本波光路の位相整合条件にあわせた基本波波長又は温度などを制御装置により設定することにより、特定の基本波光路における変換効率が高くなる。一方、特定の基本波光路以外の基本波光路においては、位相整合条件から外れるため、変換効率が低くなり、その結果として、特定の基本波光路の変換波光が優先して出射される。特定の基本波光路からの波長変換光を優先して出射することにより、出射される波長変換光の角度、強度分布又はビーム数などを制御することができる。
なお、上述した具体的実施形態には以下の構成を有する発明が主に含まれている。
本発明の一局面に係る波長変換レーザは、基本波を出射する基本波光源と、前記基本波光源からの基本波を変換波光に変換するための波長変換素子と、前記波長変換素子を異なる角度で通過する複数の基本波光路を規定するように前記基本波を反射する１対の基本波反射面と、前記１対の基本波反射面の間で別々の方向を向く前記複数の基本波光路のうち、特定の基本波光路における波長変換効率が最も高くなるように波長変換効率を制御する制御装置とを備え、前記１対の基本波反射面のうち少なくとも一方の反射面は、前記変換波光を透過する出力面である。
本発明によれば、波長変換素子を異なる角度で通過する複数の基本波光路が規定されているので、１対の基本波反射面の間で別々の方向を向く複数の基本波光路に対応して複数の位相整合条件が存在することになる。そして、本発明では、制御装置によって各基本波光路のうちの特定の光路における波長変換効率が最も高くなるように波長変換効率を制御することができるので、当該基本波光路に対応する方向（角度）に変換波光を優先して出射させることができる。
したがって、本発明によれば、出射する変換波光の角度、強度分布、及びパルス時間幅の制御を行うことができる波長変換レーザを提供することができる。
なお、本発明に係る１対の基本波反射面は、基本波光を反射するとともに、１対の基本波反射面の少なくとも一方が基本波光の光路に角度変化をもたらす面となっていればよい。例えば、基本波反射面は、平面ではなく凸面や凹面形状となっていてもよく、波長変換素子の端面を基本波反射面としてもよい。反射面の形状は、球面や非球面、およびシリンドリカル面としてもよい。
具体的に、前記制御装置は、前記波長変換素子の温度を制御する温度制御部を備え、前記温度制御部は、前記波長変換素子を温度制御することにより前記特定の基本波光路を選択する構成とすることができる。
このようにすれば、波長変換素子の温度を制御して波長変換素子の位相整合条件を変化させることにより、各基本波光路における波長変換効率を制御することができる。
また、前記制御装置は、前記基本波光源による前記基本波の発振波長を制御する発振波長制御部を備え、前記発振波長制御部は、前記基本波の発振波長を制御することにより前記特定の基本波光路を選択する構成とすることもできる。
このようにすれば、基本波光源による基本波の発振波長を変化させることにより、複数の基本波光路における波長変換効率を制御することができる。
さらに、前記制御装置は、前記波長変換素子に電界を生じさせるために前記波長変換素子に電圧を印加する電圧制御部を備え、前記電圧制御部は、前記波長変換素子に電界を生じさせることにより前記特定の基本波光路を選択する構成とすることもできる。
このようにすれば、波長変換素子に電圧を印加して波長変換素子の屈折率を変化させることにより、複数の基本波光路における波長変換効率を制御することができる。
前記波長変換レーザにおいて、前記各基本波光路の少なくとも１つから出射された変換波光の光量を検出可能な受光素子をさらに備え、前記制御装置は、前記受光素子により検出された光量に基づいて前記特定の基本波光路における波長変換効率が最も大きくなるように波長変換効率を制御することが好ましい。
この構成によれば、フィードバック制御を行うことにより、特定の基本波光路における波長変換効率を確実に最も高いものにすることが可能となる。
前記波長変換レーザにおいて、前記制御装置は、前記各基本波光路のうち少なくとも２以上の光路において生じた変換波光を同時にマルチビームとして出射させるとともに、前記マルチビームの強度分布を制御することが好ましい。
この構成によれば、少なくとも２以上の光路からマルチビームとして変換波光を出射するようにしているので、前記各光路における波長変換効率を制御することにより、マルチビームの強度分布を制御することができる。
前記波長変換レーザにおいて、前記基本波光源は、前記基本波をパルス発振し、前記制御装置は、前記各基本波光路のうち前記変換波光を出射させる光路の数を増減することにより、前記出力面から出射する変換波光のパルス幅、間隔の少なくとも一方を制御することが好ましい。
このように基本波をパルス発振させた場合、基本波光源から各基本波光路までの光路長に差が存在することに伴い、一の基本波光路において変換波光が発生していない時点においても他の基本波光路において変換波光が発生している状況が生じることとなる。そこで、前記構成では、前記光路長の差を利用して、変換波光を出射させる基本波光路の数を増減することにより、出力面から出射する変換波光のパルス幅や間隔を制御することができる。
前記波長変換レーザにおいて、前記制御部は、前記各基本波光路のうち前記基本波が初めに通過する光路よりもその後に通過する光路における波長変換効率が大きくなるように波長変換効率を制御することが好ましい。
この構成によれば、発熱に伴う波長変換素子の破壊を抑制することができる。その理由は以下の通りである。基本波が初めに通過する基本波光路では基本波のパワーが大きいため、この基本波光路における波長変換効率を大きくするとそこで生じる変換波光のパワーも大きなものとなり、この変換波光の吸収に伴う波長変換素子の発熱量は大きなものとなる。これに対し、前記構成のように、初めての基本波光路を通過した後の基本波のパワーは、波長変換が行われた分だけ小さなものとなるため、その後の基本波光路における波長変換効率を大きくしても、これにより生じる変換波光のパワーは小さく、波長変換素子の発熱量も小さくなる。したがって、波長変換素子の破壊を抑制することができる。
前記波長変換レーザにおいて、前記制御装置は、前記出力面から出射された変換波光が所定の範囲を走査するように、前記変換波光を出射する基本波光路を順次切り換えることが好ましい。
この構成によれば、所定の範囲を走査する走査光として変換波光を出力することができる。
本発明の他の局面に係る画像表示装置は、前記波長変換レーザと、所定の画像を表示するために前記波長変換レーザから出射された変換波光の変調を行う変調素子とを備えている。
本発明によれば、波長変換レーザから特定の方向に出射された変換波光を利用して、表示される画像に応じて変調素子の適所に変換波光を導くことができるため、画像のコントラストの向上及び消費電力の低減を図ることができる。
本発明の他の局面に係るレーザ加工装置は、前記波長変換レーザと、前記波長変換レーザから出射された変換波光を集光する集光光学系とを備え、前記各基本波光路のうち変換波光を出射させる光路の数を増減することにより、前記変換波光のスポット形状が変化する。
本発明によれば、加工の種別に応じて変換波光のスポット形状を変化させることにより、加工時間の短縮や加工精度の向上を図ることができる。
本発明は、基本波光源からの基本波の波長変換を行う波長変換レーザに利用することができる。

Claims (11)

  1. 基本波を出射する基本波光源と、
    前記基本波光源からの基本波を変換波光に変換するための波長変換素子と、
    前記波長変換素子を異なる角度で通過する複数の基本波光路を規定するように前記基本波を反射する１対の基本波反射面と、
    前記１対の基本波反射面の間で別々の方向を向く前記複数の基本波光路のうち、特定の基本波光路における波長変換効率が最も高くなるように波長変換効率を制御する制御装置とを備え、
    前記１対の基本波反射面のうち少なくとも一方の反射面は、前記変換波光を透過する出力面であることを特徴とする波長変換レーザ。
  2. 前記制御装置は、前記波長変換素子の温度を制御する温度制御部を備え、
    前記温度制御部は、前記波長変換素子を温度制御することにより前記特定の基本波光路を選択することを特徴とする請求項１に記載の波長変換レーザ。
  3. 前記制御装置は、前記基本波光源による前記基本波の発振波長を制御する発振波長制御部を備え、
    前記発振波長制御部は、前記基本波の発振波長を制御することにより前記特定の基本波光路を選択することを特徴とする請求項１に記載の波長変換レーザ。
  4. 前記制御装置は、前記波長変換素子に電界を生じさせるために前記波長変換素子に電圧を印加する電圧制御部を備え、
    前記電圧制御部は、前記波長変換素子に電界を生じさせることにより前記特定の基本波光路を選択することを特徴とする請求項１に記載の波長変換レーザ。
  5. 前記各基本波光路の少なくとも１つから出射された変換波光の光量を検出可能な受光素子をさらに備え、
    前記制御装置は、前記受光素子により検出された光量に基づいて前記特定の基本波光路における波長変換効率が最も大きくなるように波長変換効率を制御することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の波長変換レーザ。
  6. 前記制御装置は、前記各基本波光路のうち少なくとも２以上の光路において生じた変換波光を同時にマルチビームとして出射させるとともに、前記マルチビームの強度分布を制御することを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の波長変換レーザ。
  7. 前記基本波光源は、前記基本波をパルス発振し、
    前記制御装置は、前記各基本波光路のうち前記変換波光を出射させる光路の数を増減することにより、前記出力面から出射する変換波光のパルス幅、間隔の少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の波長変換レーザ。
  8. 前記制御部は、前記各基本波光路のうち前記基本波が初めに通過する光路よりもその後に通過する光路における波長変換効率が大きくなるように波長変換効率を制御することを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の波長変換レーザ。
  9. 前記制御装置は、前記出力面から出射された変換波光が所定の範囲を走査するように、前記変換波光を出射する基本波光路を順次切り換えることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の波長変換レーザ。
  10. 請求項１〜９の何れか１項に記載の波長変換レーザと、
    所定の画像を表示するために前記波長変換レーザから出射された変換波光の変調を行う変調素子とを備えていることを特徴とする画像表示装置。
  11. 請求項１〜９の何れか１項に記載の波長変換レーザと、
    前記波長変換レーザから出射された変換波光を集光する集光光学系とを備え、
    前記各基本波光路のうち変換波光を出射させる光路の数を増減することにより、前記変換波光のスポット形状が変化することを特徴とするレーザ加工装置。
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