WO2005033791A1

WO2005033791A1 - 波長変換レーザ装置および画像表示装置

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Publication number: WO2005033791A1
Application number: PCT/JP2003/012601
Authority: WO
Inventors: Yasuharu Koyata; Yoshihito Hirano; Masao Imaki; Kouhei Teramoto; Shigenori Shibue
Original assignee: Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha
Priority date: 2003-10-01
Filing date: 2003-10-01
Publication date: 2005-04-14
Also published as: US20060256829A1; EP1669799B1; EP1669799A4; JP4747841B2; JPWO2005033791A1; US20090232169A1; US7778291B2; EP1669799A1; US7403549B2

Abstract

ワット級の高出力でかつ高効率な波長変換レーザ装置を実現する。レーザ光の所要の水平横モードに対する光共振器損失が他の水平横モードに対する光共振器損失よりも低くなるような形状の反射面をもつ一対の対向する反射器から構成される光共振器を備える半導体レーザと、前記レーザ光が高調波に波長変換される波長変換器とを備える。

Description

明細書

波長変換レーザ装置および爾織示装置漏分野

この発明は、レーザ装置に係るものであり、特にレーザ光を短波長化する波変換に関するものである。

近年、例えば光情幸理分野等の光源として、緑色、青色といった可視光レ一ザの石體開発が進められている。可概レ一ザの一種として、波厳換腿を删して近赤外レーザ光を短波長化する波: ¾換レーザ装置が知られてレ、る。

Η¾に波長変換レーザ装置では、非線形鮮材料からなる波長変灘が半導体レ一ザあるいは固体レーザの光共振器の内部あるい〖部に耀され '光共振器により発生したレーザ光 m) が非線形) ^材料を伝搬することにより、波に対して半分の波長（2倍の周波数）に波長変換された第 2高調波が tn力される。

このような波長変換レーザ装置としては、例えば日本特訟開昭 6 3 - 1 2 1 8 2 9号公報に開示されているものがある。特に実施例 3および第 3図に開示された波長変換レーザ装置においては、半導体レーザと波 «翻が給されそれらの片端面に反射器が^ f本形成されて光共振器が構成されている。半導体レーザの如く小型で低出九連^ ¾振の励!^を使用する場合にも、波長変雄を光共振器内に挿入して光強度を高めることによって、高周波への高レゝ変換効率が得られるものである。

しかしながら、このような «の波長変換レーザ装置では、半導体レ一ザおよ皮長変 §により構成されており、発光面積の小さな狭ストライプ型半導体レーザではワット級の高出力なレーザ光波）が得られないため、波長変換レーザ装置の高出力化には限界がある。一方、発光面積が大きくワット級に高出力化されたブロードエリア型半導体レーザでは、活性層に対して水平方向の横モード（水平横モード）についてモード制御されておらず、ビーム品質の低いマルチ横モードで発振する。このようなブロードエリァ型半導体レーザを用いる場合には、ビーム品質の低いレーザ光

(¾*波）は、波長変 §との結合効率あるいは角度位相整合が十分でなぐ高効率な波長変換レーザ装置が得られないという問題がある。

以上のように、徹の波長変換レ一ザ装置では、ワット級の高出力でかつ高効率なものが得られないという点で問題があった。

この発明は、魏の波： «換レ一ザ装置の^ る上記のような問題を解決することを目的とするものである。発明の開示

この発明に係る波長変換レ一ザ装置は、レーザ光の所要の水平横モ一ドに対する光共振器損失が他の水平横モ一ドに対する光共振器損失よりも低くなるような形状の反射面をもつ一対の対向する反射器から構成される光共振器を備える半導体レーザと、前記レーザ光が高調波に波長変換される波長変 §とを備えるものである。

このように、この波長変換レーザ装置では、発光面積が大きくワット級に高出力化されたブロードエリァ型半導体レーザにおいて、光共振器によって水平横モ一ドについてモ一ド制御することにより、ビ一ム品質の高横モードで発振するうにした。これにより、ワット級の高出力でかつビーム品質の高いレーザ光波）は、波長変 «との結合効率あるいは角度位相整合が十分となり、高効率な波長変換が得られるのである。図面の簡単な説明

図 1 ( a) はこの発明の実施の形態 1による波^変換レーザ装置の構成を示す垂直方向断面図、

図 1 (b) はこの発明の実施の形態 1による波換レーザ装置の構成を示す水平方向断面図、図 2 (a) はこの発明の実施の形態 1による波換レーザ装置の構成を示す垂直方向断面図、

図 2 (b) はこの発明の実施の形態 1による波長変換レーザ装置の構成を示す水平方向断面図、

図 3 (a) はこの発明の実施の形態 2による波長変換レ一ザ装置の構成を示す垂直方向断面図、

図 3 (b) はこの発明の実施の形態 2による波長変換レーザ装置の構成を示す水平方向断面図、

図 4 (a) はこの発明の実施の形態 3による波長変換レーザ装置の構成を示す垂直方向断面図、

図 4 (b) はこの発明の実施の形態 3による波長変換レーザ装置の構成を示す水平方向断面図、

図 5 (a) はこの発明の実施の形態 3による波長変換レーザ装置の構成を示す垂直方向断面図、

図 5 (b) はこの発明の実施の形態 3による波長変換レーザ装置の構成を示す水平方向断面図、 '

図 6 (a) はこの発明の実施の形態 4による波長変換レーザ装置の構成を示す垂直方向断面図、

図 6 (b) はこの発明の実施の形態 4による波: ¾換レーザ装置の構成を示す水平方向断面図、

図 7 ( a) はこの発明の実施の形態 5による波長変換レ一ザ装置の構成を示す垂直方向断面図、

図 7 (b) はこの発明の実施の形態 5による波:^変換レーザ装置の構成を示す水平方向断面図、

図 8 (a) はこの発明の実施の形態 5による波: ¾換レーザ装置の構成を示す垂直方向断面図、図 8 (b) はこの発明の実施の形態 5による波 »換レーザ装置の構成を示す水平方向断面図、

図 9 ( a) はこの発明の実施の形態 6による波長変換レーザ装置の構成を示す垂直方向断面図、

図 9 (b) はこの発明の実施の形態 6による波長変換レーザ装置の構成を示す水平方向断面図、

図 1 0 ( a) はこの発明の実施の形態 6による波長変換レーザ装置の構成を示す垂直方向断面図、

図 1 0 (b) はこの発明の実施の形態 6による波長変換レーザ装置の構成を示す水平方向断面図、

図 1 1 (a) はこの発明の実施の形態 6による波長変換レーザ装置の構成を示す垂直方向断面図、

図 1 1 (b) はこの発明の実施の形態 6による波長変換レーザ装置の構成を示す水平方向断面図、

図 1 2 (a) はこの発明の実施の形態 6による波^変換レーザ装置の構成を示す垂直方向断面図、

図 1 2 (b) はこの発明の実施の形態 6による波長変換レーザ装置の構成を示す水平方向断面図、

図 1 3 (a) はこの発明の実施の形態 7による波^変換レーザ装置の構成を示す垂直方向断面図、

図 1 3 (b) はこの発明の実施の形態 7による波長変換レーザ装置の構成を示す水平方向断面図、

図 1 4 ( a) はこの発明の実施の形態 7による波長変換レーザ装置の構成を示す垂直方向断面図、

図 1 4 (b) はこの発明の実施の形態 7による波変換レーザ装置の構成を示す水平方向断面図、図 1 5 (a) はこの発明の実施の形態 8による波長変換レーザ装置の構成を示す垂直方向断面図、

図 1 5 (b) はこの発明の実施の形態 8による波長変換レーザ装置の構成を示す水平方向断面図、

である。 ' 発明を実施するための最良の形態

実施の形態 1.

この発明の実施の形態 1に係る波 «換レーザ装置は、半導体レーザおよび光共振器内に配置された波長変擺を備えるものである。光共振器によりレーザ発振したレ一ザ光（¾φ波）は、波雄で高調波に波長変換されて出力される。レーザ光（基皮）および調波の垂直横モードは光導蘭構造により制御されレ一ザ光

の水平横モードは光共振器により制御される。

図 1および図 2は、この発明の実施の形態 1による波： ¾換レーザ装置を示成図である。なお、半導体レーザの活性層に対して（a) 垂直方向および (b) 7平方向について、皮換レ一ザ装置の断面構造を図示している。

図 1において、半導体レーザ 1において、例えば InGaAs系化合物半導術昆晶からなる活性層 1 aが形成されている。活性層 1 aは、層厚が 1 ^m gi であり、レーザ光（¾Φ波）の垂直横モードを制御するスラブ光導猶を構成する。活性層 l aの境界面には pn齢が形成されている。活性層幅は 200 で、いわゆるプロ—ドエリァ型であり、出力 5 W以上の高出力特性を有する。また、光共振器の縦軸方向における半導体レーザ 1の長さは 4 mmであり、半導体レーザ 1は波長 946 nmを中心に 3 nm禾 Si の利得帯域をもつ。波長変麵 2は、例えば周期分極反転構造を有する MgO： LiNbO3結晶からなり、活性層 1 aの水平方向に対して z軸方向の結晶軸が一致して , いる。波;^変 »2は、半本レーザ 1の活性層 1 aと同の厚さで幅の広いスラフ光導 «2 aを有しており、レーザ光（¾φ¾) および調波の垂直横モードが制御される。また、光共振器の縦軸方向における波長変涯の長さは 10 mmで、図において縞状に図示している周期分 ¾K転鍵は、縦軸方向に 4.6

の分観転周期を持つ。なお、半導体レーザ 1の活 'ί'ίϋ ΐ aと波錢鶴 2のスラブ光導猶 2 aは、端面で齢されている。 3は第 1の反射器、 4は第 2の反射器であり、これらが半導体レーザの光共振器を構成しており、光共振器内に波 «雄2を配置している。第 1の反射器 3は半導体レーザ 1の片端面に^ #：形成され波長 946麵に対してほば全反射するコ一ティング膜である。第 2の反射器 4は波:^変換器 2に一体形成され、波長 946 nmに対してはほば全反射するとともに波長 473 nmに対しては高い画率を有する分布反射ブラッググレーティング反射器（以下、グレーティングと略称する）である。また、第 2の反射器 4は半導体レーザ 1の水平横モードを制御するため、水平方向に 180 mmの曲率半径を有している。さらに、第 1の反射器 3および第 2の反射器 4は、発振波長の選択のため、波長 946 nmを中心に 0.02 nm @ の波長幅で反射スぺクトルを有している。 5は光共振器内を往復する基本波ビームの水平方向断面を模式的に表わしたものである。

次に動作について説明する。

図示を省略している電極から半導体レーザ 1に順方向電流を i fと、活性層 1 aに電子と正孔が ¾Λされ電子と正孔カ稱結合して発光する。第 1の反射器 3と第 2の反射器 4が対向して配置され光共振器が構成される。ここで、 ¾λ電流を増加して反^布を形成すると誘導放出が生じ、第 1の反射器 3および第 2の反射器 4における反射スぺクトルに対応して、波長 946 nmのレーザ光が増幅される。半導体レーザ 1における吸収損失、第 1の反射器 3および第 2の反射器 4における ¾i損失、ならびに波における波長変換や散乱による損失等からなる光共振器損失を、レーザ光の増幅利得が上回るとレーザ発振に至る。

' このとき、半導体レーザ 1では、レ一ザ光（¾*i皮）の垂直横モードが活性層 1 a により制御されている。波 «廳2では、レーザ光およぴ調波の垂直横モードがスラブ光導猶 2 aにより制御されている。一方、レーザ光（¾Φ波）および調波の水平横モードは、活性層 1 aやスラブ光導蘭 2 aでは制御されない。レーザ光 (S*r^) の水平横モードは、第 1の反射器 3および 180 mmの曲率半径を有している第 2の反射器 4により制御されている。ここで、光共振器の空間モードは活性層幅および第 2の反射器 4の曲率半径で規定され、光 «器損失の低い水平横モ —ドをもつレーザ光 ( - がレ一ザ発振し、第 2の反射器 4におけるレーザ光（基本波）の波面は反射面にほぼ t亍となる。

ここで、ブロードエリア型半導体レーザ 1は高出力特性を有しており、水平方向にビーム径を広げてレーザ光 ^ ) のパワー密度を低減し、波： ¾ 2における光損傷およ Ό¾¾上昇を防ぐことができるため、高調波を高出力化することカ坷能である。半^:レーザ 1と波長変 «2はともに光導ネ驗を有しており、垂直方向に半レ一ザ 1と波長変観 2で成り立つ光導波路の導波モードを整合させ、水平方向に一対の反射器による光共振器で成り立つ空間モードとして半導体レーザ 1と波長変換器 2の間を伝搬するレーザ光皮）の給損失を低減し、波長変換器 2における波長変換を高効率化することが T能である。 '

特に波: S¾ § 2がスラブ光導 ¾g§2 aを有していることにより、波長変 «2内において水平方向にビーム径を広げてレーザ光および高調波のパワー密度を低減しているため、光吸収による発熱が減るとともに漏面積も広くなり上昇を防ぐことができる。このため、温度上昇による位相整合波長のずれが減り、このことからも、波厳 « 2における波長変換を高効率化すること力河能である。

また、波は周期分極反転構造を有しており、伝搬する高調波は擬似位相整合し、波長変 Ml 2における波長変換を高効率化すること力河能である。

ところで、非線形)¹ ^才料の屈折率は波長分散があるため、波と第 2高調波の位相藤が異なり、各点で発生した第 2高調波は各高調波間で位相がずれて伝搬する。位相差が πとなる距離であるコヒ一レント長 lcを超えて伝搬すると合成した高調波の弓艘は減少し、コヒーレント長の周期で増減を繰り返すことになる。そこで、周期分極反転構造においては、非線形鮮材料の非線形数の符号、すなわち強誘電体の自発分極の向きをコヒーレント長の周期で反転させている。ここで、翻皮の波長を λ 1、第 2高調波の波長を； 2、非線形光学材料の基本波に対する屈折率を nl、第 2高調波に対する屈折率を η2とすると、波の波数ベクトル kl= (2πη1/λ ί)および第 2高調波の波数べクトル k2= (2ττη2/λ2) ,位相不整^ *Ak=2kl— k2として、コヒーレント長 lcは次の数式 1で表される。 lc = π/Ak = λ ΐ/4/ (nl 一 n2) ( 1 ) このようなコヒ一レント長の周期で第 2高調波の位相が反転し、合成した高調波の位相を補 itl"る擬似位相整合となり、その弓艘は加算的に増大して効率良く第 2高調波を発生させることがきる。 .

周期分極反転艦では、非線形材料の基板表面に周期パターン電極を形成し、電界印可法により強誘電体の保 it€界を超える高を加えて分極を反転させており、半導体プロセス技術を応用することによりミクロンオーダーであるコヒーレント長の間隔で製作している。

非線形^^材料に非線形)^数の大きい IiNb03結晶を用いた場合、擬似位相整合では非線形 ¾ ^数の默成分である d33による高効率な波長変換が難される。ところが、 Ii b03結晶は光損傷が生じやすいため、波のパワー密度は制限されて高出力化には限界がある。 MgOをドープした MgO： Li b03結晶を用いた場合、光損傷に対する耐性が増大し、高出力化が^ Γ能となる。

また、光共振器内を往復するレーザ光波）平方向に偏光が規定されるため、レーザ光波）の偏光方向に対して MgO _: LiNb03結晶の非線形光 ^¾が最大である _Z軸方向の結晶軸を一致させ、波: 5¾腿 2における波長変換を高効率化すること力河能である。

レ一ザ光 (mm の縦モード間隔は光共振器の長さに依存し、 0.013 nmと十分に小さくなつている。レーザ光（翻皮）の発振波長としては、第 1の反射器 3および第 2の反射器 4の反射スぺクトルの波長幅内で波長 946 nm付近の縦モードが選択される。縦モード選択のために第 2の反射器 4はグレーティングから構成しており、波変 «2の位相整合波長とレーザ光の発振波長を一致させて高調波の位相不整を低減し、 ^m 2における波長変換を高効率化することが能である。ここで、縦モード間隔が十分に小さいので、レーザ光（¾Φ波）の発振波長を位相整合波長の十^ くに制御することがきるのである。

第 1の反射器 3および第 2の反射器 4は、半導体レーザ 1およ皮長変 « 2の光導碰に "^本形成されているため、第 1の反射器 3および第 2の反射器 3により光導に反射されて光共振器内を往復するレーザ光 i の回折損失を低減し、高出力で発振したレ一ザ光（¾Φ波）により高調波を高出力化することカ坷能である。ここで、レーザ光（翻皮）は第 1の反射器 3および第 2の反射器 4の全反射により光共振器の外部には出力されず光共振器の内部に閉じ込められ、第 2の反射器 4の高い透過率のために波長変換された高調波のみが外部に出力される。高出力なレーザ光（¾*波）が閉じ込められた光癒器の内部に波長変 «2を配置しているため、高効率で波長変換された高調波が高出力で出射されるのである。

このように、波:^変換器 2において長 946 nmのレーザ光（¾*|皮）が効率に波厳換され？皮長 473 nmの高調波が 3 Wの高出力で出射される。

また、図 2に示すように、第 1の反射器 3および第 2の反射器 4において、コ―テイング膜とグレーティングを入れ替えても良い。図 2において、第 1の反射器 3は半導体レーザ 1に一体形成され、波長 946 nmに対してほば全反射するダレ一ティング、第 2の反射器は波長変腿 2の端面に ~#形成され、波長 946 nmに対してほぼ全反射するとともに波長 473 nmに対して高い透過率を有するコーティング膜である。また、第 2の反射器 4であるコーティング膜は波長変換器 2の曲面形状の端面に形成されレーザ光波）の水平横モードを制御するため、水平方向に 180 mmの曲率半径を有している。さらに、第 1の反射器 3のコーティング膜および第 2の反射器 4のグレーティングはレーザ光 (¾φ^) の縦モード選択のため、波長 946 nmを中心に 0.02 nm禾 USの波長幅で反射スぺクトルを有している。このような図 2に示した構成においても、図 1の:！^と同様の効果が得られる。

以上のように、この発明の雄の形態 1による波長変換レーザ装置では、発光面積が大きくヮット級に高出力化されたブロードエリア型半レーザにおいて、光共振器によって水平横モードについてモ一ド制御することにより、ビーム品質の高い横モードで発振するようにした。これにより、ワット級の高出力でかつビーム品質の高いレーザ光（¾Φ¾) は、波長変 §との給効率が十分となり、高効率な波^変換が得られるので、ヮット級の高出力でかつ高効率な波長変換レーザ装置の実現できる効果がある。実施の形態 2.

この発明の実施の形態 2に係る波換レーザ装置は、実施の形態 1による波長変換レ一ザ装置とほぼ同様の構成および動作をもつが、光共振器について実施の形態が異なるものである。

図 3は、この発明の実施の形態 2による波長変換レーザ装置を示 Hi成図である。なお、半^ ί本レーザの活性層に対して（a)垂直方向および（b)水平方向について、波厳換レ一ザ装置の断面鍵を図示している。また、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

図 3において、第 1の反射器 3は半導体レーザ 1に一体形成され、波長 946 nmに対してほば全反射のグレーティング、第 2の反射器 4は波長変 § 2の片端面に" f本形成され波長 946 nmに対してほば全反射するとともに波長 473 nmに対して高い ¾1率を有するコーティング膜である。また、第 1の反射器 3のグレーティングは水平方向の横モードを制御するため、水平方向に 170 mmの曲率半径を有している。実施の形態 1と同様に、レーザ光（翻皮）の垂直横モードは半導体レーザ 1およ tJ¾長変婦 2の光導腾構造により制御されている。一方、水平横モードは 170 mm の曲率半径を有している第 1の反射器 3および第 2の反射器 4により制御されている。ここで、光共歸の空間モードは活性層幅および第 1の反射器 3の曲率半径で規定され、光共振器損失の低い水平横モードをもつレ一ザ光（¾*波）がレーザ発振し、第

1の反射器 3におけるレーザ光 ( の波面は反射面にほぼ平行となる。

さらに、図示は省略するが、第 1の反射器 3を 170 mmの曲率半径を有するコーテイング膜とし、第 2の反射器 4をダレ一ティングとして構成しても良い。

以上のような実施の形態 2による波厳換レーザ装置の動作は、実施の形態 1によるものと同様であり、力つそれと同様の効果が得られる。実施の形態 3.

この発明の実施の形態 3に係る波: ¾換レーザ装置は、実施の形態 1およ^!施の形態 2の波長変換レーザ装置とほぼ同様の構成および ¾3作をもつが、波厳雄において角度ィ &f目整合の調整手段を備えるものである。

図 4および図 5は、この発明の実施の形態 3による波長変換レーザ装置を示す構成図である。なお、半導体レーザの活性層に対して（a) 垂直方向および（b) τΚ平方向について、波長変換レーザ装置の断面構造を図示している。また、図中、同一は同一または相当部分を示す。

図 4において、図 1と異なる雄の形態として、半 #ί本レーザ 1は、活性層幅 100 H mのプロ一ドエリア型で高出力特性を有する。また、第 2の反射器 4のグレーティング平横モードを制御するため、 7K平方向に 16 mmの曲率半径を有している。さらに、波長変 » 2の周期分極反転構造は約 4.6 mの分極反転周期を持つが、角度位相整合の調整のため、平方向でレ一ザ光波）の波面にほぼ TOとなる曲面形状に形成されている。

ところで、角度位相整合の問題は、高調波を目整合させて波: ¾雄に¾*?皮を伝搬させる場合、伝搬角度の許容量が制限されることであり、小さなビーム拡がりでビーム品質の良い波のレーザ光が必要となる。例えば実施の形態 1における図 1 に示したような平面形状の周期分極反転髓では、 ≠ ビームが水平方向において曲面状に拡がってビームの中心部と周辺部で伝搬角度が δ異なると分極反転周期 Λ が Λ/cos Sに変化し、ビームの周辺部で波長変漏率が低下してしまう。

ここで、図 4に示す実施の形態 3による波長変婦 2では、レーザ光（鉢波）のビーム〖¾Κ平方向に拡がり、默 0.1 deg傾斜する。しかし、周期分贩転職が水平方向でレーザ光の波面にほぼとなる曲面形状に形成されているので、波のビーム拡がりに対して分極反転周期はほぼ一致して高調波が十分に擬似位相整合し、波長変における波: 1¾換を高効率化することが能である。

また、図 5に示すように、図 3と異なる実施の形態として、半導体レーザ 1は、活性層幅 120 dmのブロードエリア型で高出力特性を^る。第 2の反射器 4のダレ一ティング « _K平方向の横モードを制御するため、水平方向に 14 mmの曲率半径を有している。さらに、波厳鐘 2の周期分極反転構造は約 46 _mの分転周期を持つが、角度位相整合の調整のため、水平方向でレーザ光 (¾Φ波）の波面にほぼ TOとなる曲面形状に形成されている。波長変涯 2では、レーザ光（翻皮）のピーム «7Κ平方向に拡がり、默 0.06 deg傾斜する。しかし、このような図 5の構成においても、図 4の場合と同様の動作および効果が得られる。

以上のように、この発明の難の形態 3による波長変換レーザ装置では、角度位相整合の調整のため、レーザ光 ^rn の波面にほぼ pfi¹な曲面形状に周期分極反転構造が形成されているので、角度位相整合が十分となり、高効率な波 «換の得られる効果力 sある。離の形態 4.

この発明の実施の形態 4に係る波長変換レーザ装置は、実施の形態 3の波長変換レ一ザ装置とほぼ同様の構成および動作をもつが、光共振器の反射器を形成した光導波路素子を備えるものである。

図 6は、この発明の霞の形態 4による波 Λ換レーザ装置を示 Hi成図である。なお、半導体レーザの活性層に対して（a)垂直方向および（b)水平方向について、波長変換レ一ザ装置の断面^ iを図示している。また、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

図 6において、 6は光導霞素子であり、波長変腿 2のスラブ光導蘭 2 aとほぼ同じの厚さのスラブ光導蘭 6 aを備えている。また、波長変 « 6の長さは 5 mm で、さらに、第 2の反射器 4は光導猶軒に""■{本形成されたグレーティングであり、水平方向に 130 mmの曲率半径を有している。

以上のような実施の形態 4による波厳換レ一ザ装置の動作は、実施の形態 3によるもと同様であり、カゝっそれと同様の効果が得られる。それに加えて、第 2の反射器 4を独立した光導? «軒に形成し、異なる設計の第 2の反射器 4を選択あるいは交換できるようにしたので、波長変換レーザ装置における設計の自由度の高くなる効果がある。

さらに、図示は省略するが、第 1の反射器 3を、半導体レーザ 1の活性層 1 aとほぼ同じの厚さのスラブ光導を備える光導波路素子に^:形成されたダレ一ティングとして構成しても良ぐ上記のものと同様の効果が得られる。 ' 実施の形態 5.

この発明の実施の形態 5に係る波長変換レーザ装置は、霞の形態 3の波厳換レ一ザ装置とほぼ同様の構成および ¾作をもつが、半導体レーザと波長変攝の間に高調波を反射させる反射器を備えるものである。

図 7および図 8は、この発明の実施の形態 5による波: »換レ一ザ装置を示す構成図である。なお、半割本レーザの活性層に対して（a) 垂直方向および（b) 7K平方向について、波長変換レ一ザ装置の断面職を図示している。また、図中、同一は同一または相当部分を示す。

図 7において、 7は第 3の反射器であり、半レーザ 1と波避擺 2の間に形成され、波長 473 nmに対してほぼ全反射するコーティング膜である。また、図 8において、第 3の反射器 7は半本レーザ 1と波長変観 2の間に纖した光導路素子 6に形成され、波長 473 nmに対してほぼ全反射するダレ一ティングである。

光 «器内に波長変 » 2を配置した構成では、レーザ光（翻皮）が光共振器内を往復するため、波„ 2から半導体レーザ 1の方向に伝搬するレ一ザ光

も波長変騰 2により高調波に波長変換される。そこで、波長変観から半導体レーザの方向に伝搬する高調波を第 3の反射器 7で折り返し、第 2の反射器から出射させることにより、高調波をさらに高出力化すること力河能である。さらに、半導体レーザ 1への高調波の入射を第 3の反射器 7で遮断して、高調波が半 ¾f本レーザ 1の活性層 1 aに吸収されることに起因する上昇や光損傷を防ぐこと力河能である。実施の形態 6.

この発明の実施の形態 6に係る波 «換レーザ装置は、実施の形態 5の波変換レ一ザ装置とほぼ同様の構成および ¾!作をもつが、半導体レーザと波厳麵の間に垂直横モード変換手段を備えるものである。

図 9、図 1 0、図 1 1および図 1 2は、この発明の実施の形態 6による波厳換レ —ザ装置を示す構成図である。なお、半導体レーザの活性層に対して（a) 垂直方向および（b) 水平方向について、波長変換レーザ装置の断面構造を図示している。また、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

図 9において、半導体レーザ 1と波長変雄 2のスラブ光導鍵の厚さが異なっており、 8は横モード変換手段であり、光導素子に形成されているスラブ光導蘭の厚さが徐々に変化している。図 1 0においては、横モ一ド変換手段 8として、垂直方向にのみ曲面を有している円柱レンズを備えている。図 1 1においては、横モード変換手段 8として、垂直方向に徐々に減少する屈折率分布を有しているグレーテツドィンデックス型のレンズを備えている。図 1 2においては、横モ一ド変換手段 8として、半本レーザ 1の活性層 1 aの厚さが徐々に変化している。

半 #f本レーザ 1と波 2のスラブ光導各の厚さおよび屈折率分布が異なると、半導体レーザ 1におけるレーザ光の垂直横モ一ドと波長変 « 2におけるレ一ザ光の垂直横モードとのモード不整合が生じる。そこで、横モード変換手段 8により、半導体レーザ 1と波長変換器 2のスラブ光導波路に入射するレーザ光（¾Φ¾) のビ一ム径、拡がり角およ ϋ¾面をそれぞれ調整して半離レーザ 1と波搬擺 2の間を伝搬するレーザ光皮）の結合損失を低減し、波長変涯における波: ¾換を高効率化することが Γ能である。実施の形態 7.

この発明の実施の形態 7に係る波長変換レーザ装置は、実施の形態 5の波長変換レ一ザ装置とほぼ同様の構成および ¾!作をもつが、半導体レーザと波長変雄の ffi制御手段を備えるものである。

図 1 3、図 1 4は、この発明の実施の形態 7による波長変換レーザ装置を示す構成図である。なお、半本レーザの活性層に対して（a) 垂直方向および（b) 7j平方向について、波長変換レーザ装置の断面職を図示している。また、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

図 1 3において、 9は制御手段であり、波長変 » 2に接して言躍され、波長変灘 2の i¾ を変化させるとともに一定に保つペルチェ軒（熱電素子）である。

制御手段 9が波長変擴 2の^ J を変化させると、屈折率の変化および删長により位相整合波長が波長シフトする。一方、波長変換器 2に一体形成された第 2の反射器 4のも変化し、グレーティングにおける屈折率の変化および麵長により反射スペクトルが波長シフトする。そして、この反射スペクトルに依存するレーザ光 ' (»波）の発振波長が波長シフトする。ここで、位相整合波長と発振波長における ®t変化に対する波長シフト割合が異なるので、波 «雄 2の? 制御により、位相整合波長と発振波長がほぼ一致するように調整すること力河能である。このような調整により、高調波の位相不整合量を低減し、波長変 » 2における波長変換を高効率化することカ坷能である。なお、レーザ光 (¾«)の縦モードは離散的であるが、この実施の形態における縦モ一ド間隔は十分に小さいので、発振波長が位相整合波長とほぼ一致するように調することが、できるのである。

さらに、図 1 4において、髓制御手段 9は、半本レーザ 1、波 »観 2、光導素子 6に接して言躍され、これらの? を変化させるとともに一定に保つペルチェ素子（熱電素子）である。

図 1 4に示した構成によれば、周囲が動するにも、制御手段 9により半導体レーザ 1、波長変騰 2および光導碰素子 6の ¾を一定に保つことで、これらの屈折率の変化および麵讓を抑え、波長変換レーザ装置としての高出力'高効率特性を安定化することが T能である。

ところで、位相整合波長と発振波長における変化に対する波長シフト割合をほぼ等しく設 £1 "れば、制御しなくても波長変翻率がほぼ一定に保たれる。このために、図 1 4に示した構成において、光導蘭素子 6の材料を適切に選択し、各素子における? S変化による屈折率の変化および熱膨張の影響が相殺されるようにすること力何能である。これにより、周囲が動する:^にも、制御しなくても波長変 βの 2位相整合波長とレーザ光（¾φ:波）の発振波長を一致させて高調波の位相不整合量を低減し、波長変 «2における波長変換を高効率化すること力河能である。実施の形態 8.

この発明の実施の形態 8に係る波長変換レーザ装置は、半導体レーザおよび光共振器外に配置された波変観を備えるものである。光共振器によりレーザ発振したレ一ザ光（翻皮）は、波錢麵で高調波に波長変換されて出力される。レーザ光（基本およぴ調波の垂直横モードは光導鹏構造により制御され、レーザ光 m の水平横モードは光 «器により制御される。

図 1 5は、この発明の実施の形態 8による波長変換レーザ装置を示 1冓成図である。なお、半本レ一ザの活 'ί'媚に対して（a〉垂直方向および (b)水平方向について、波: «換レーザ装置の断面構造を図示している。また、図中、同一 f ^は同一または相当部分を示す。

図 1 5において、第 1の反射器 3は半導体レーザ 1の片端面に "^本形成され波長 946 nmに対してほば全反射するコーティング膜、第 2の反射器 4は半導体レーザ 1 に^ f本形成され波長 946nmに対して部分皮射するグレーティングである。また、第 2の反射器 4のダレ一ティング平方向の横モードを制御するため、水平方向に曲率半径を有している。波長変雄 2は、半導体レーザ 1の片端面に接して、光共振器外に配置している。

次に動作について説明する。

実施の形態 1と同様に、半 ί本レーザ 1における吸収、第 1の反射器 3および第 2 の反射器 4における透過損失等からなる光共振器損失を、レーザ光の増幅利得が上回るとレーザ発振に至る。このとき、半導体レーザ 1では、レーザ光波）の垂直横モ一ドが活性層 1 a により制御されている。波長変 § 2では、レーザ光（¾Φ波）および調波の垂直横モードがスラブ光導波路 2 aにより制御されている。一方、レーザ光（S*波）および調波の水平横モ一ドは、活性層 1 aやスラブ光導蘭 2 aでは制御されない。レーザ光（¾Φ¾) の水平横モードは、第 1の反射器 3および曲率半径を有している第 2の反射器 4により制御されている。ここで、光共振器の空間モードは第 2の反射器 4の曲率半径で規定され、光共振器損失の低い水平横モードをもつレーザ光波）がレーザ発振し、第 2の反射器 4におけるレーザ光（翻皮）の波面は反射面にほぼ亍となる。

ここで、ブロードエリア型半 {本レーザ 1は高出力特性を有しており、水平方向にビーム径を広げてレーザ光波）のパワー密度を低減し、波長変纏 2における光損傷および温度上昇を防ぐことができるため、高調波を高出力化すること力河能である。また、半導体レーザ 1と波厳 «2はともに光導蘭構造を有しており、垂直方向に半導体レーザ 1と波;^麵 2で成り立つ光導震の導波モードを整合させ、水平方向に一対の反射器による光共振器で成り立つ空間モードとして半導体レ一ザ 1 と波長変 2の間を伝搬するレーザ光（¾«) の結合損失を低減し、 ^

2における波長変換を高効率化することが T肯 gである。

光共振器内を往復するレーザ光 fef平方向に偏光が規定される。このため、レーザ光の偏光方向に対して波長変換器 2の非線形 ¾ ^数が最大である z軸方向の結晶軸を一致させ、波婦 2における波;^変換を高効率化することカ坷能である。また、波厳露 2は周期分極反転構造を有しており、伝搬する高調波は擬似位相整合し、波長変 » 2における波厳換を高効率化することが可能である。さらに、周期分極反転構造は光伝 »向に沿って水平方向でレーザ光 ( ^ の波面にほぼ ¥ ?に形成されており、角度位相整合が十分となり、波長変 l 2〖こおける波長変換を高効率化することが f能である。

レーザ光（S*t皮）の縦モード間隔は光共振器の長さに依存し、 0.13 nmである。レ一ザ光（»波）の発振波長としては、第 1の反射器 3および第 2の反射器 4の^ 射スぺクトルの波長幅内で波長 946 nm付近の縦モードが選択される。縦モ一ド選のために第 2の反射器 4はグレーティングから構成しており、波長変揚 2の位相鳖合波長とレーザ光 (S*波）の発振波長を一致させて高調波の位相不整合量を低減し、波: ¾換器 2における波： «換を高効率化すること力河能である。実施の形態 9.

この発明の実施の形態 9に係る画 ¾ 装置は、実施の形態 1〜実施の形態 8の波長変換レーザ装置を、画像を生成するための光源として用いるものである。

この発明の画鐘示装置では、高輝度の光源からのレ一ザ光を光変調手段で変調し、投射してスクリーン上に画像を生成する。ここで、例えば 3原色のうち青色の光源として波長 473 nmで 3 Wを出力する波: »換レーザ装置を、緑色の光源として波長 532 nmで 2 Wを出力する波:^変換レーザ装置を用いる。なお、 3原色のうち赤色の光源として半 ¾ ^レーザ装置を用いる。

また、 «調手段として液晶またはディジタル反射軒 DMD (Digital Micromirror Device) を用いる。光変調手段に液晶を用いた液晶：^:のディスプレイ装置では、液晶材料をガラス基板などで挟んで素子とし、外部から電界を加えて液晶の肝配列の変化とともに引き起こされる素子の)^的性質の変化を利用して画像を生 β¾Τる。また、光変調手段に DMDを用いたマイクロミラ一^の画 it¾示装置では、 MEMS

(Micro Electro Mechanical Systems) により製造したマイクロミラ一を 2次元状に並べ、各ミラ一を振ることにより ONZOFF駆動して画像を生成する。

画像を生成するための光源として波 «換レ一ザ装置を用いると、 ί¾¾のランプ装置に比べてレーザ光の単色性および輝度といった利点があり、光変調手段による画像の生成において光エネルギーの利用効率を向上させることカ坷能である。また、波換レーザ装置には従来のランプ装置に比べて高効率および長寿命といった利点があり、画像表示装置における省エネルギー化および長寿命化力河能である。

Claims

請求の範囲

1. レーザ光の所要の水平横モードに対する光共振器損失が他の水平横モ—ド〖こ対する光共振器損失よりも低くなるような形状の反射面をもつ一対の対向する反射器から構成される光共振器を備える半導体レーザと、

前記レーザ光が高調波に波: ^変換される波:^変^^と

を備えることを特徴とする波^変換レーザ装置。

2。前記一対の対向する反射器における反射面の形状が、鎌己レーザ光の波面とほぼ ffi¹であることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の皮長変換レーザ装置。

3. 前記一対の対向する反射器の 1つが、嫌 3半導体レーザに形成された分布ブラッググレーティング反射器であることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の波錢換レ一ザ装置。

4 , 前記一対の対向する反射器の 1つが、前記波: ¾雄における爾 3光共振の外側に凸の曲面形状をもつ片端面に一体形成されているコーティング膜であることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の波長変換レーザ装置。

5 , 編己一対の対向する反射器の 1つが、鎌己波 « §に一体形成されている分布ブラッググレーティング反射器であることを特徴とする請求の範囲第 1項に記载の波錢換レ—ザ装置。

6. 前記レーザ光の垂直横モ一ドを制御するための光導波路構造を備えるブロードエリァ型半導体レーザを備えることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の波換レーザ装置。

7. 前記レ一ザ光の垂直横モードおよび鎌己高調波の垂直横モードを制御するための光導波路構造を備える波«擴を備えることを特徴とする請求の範囲第 1項に言 S 載の波換レーザ装置。

8 · 周期分転構造を備える擬似位相整合型の波長変 βを備えることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の波厳換レ一ザ装置。

9. 嫌己周期分極反転の形状が、觸 3レーザ光の波面とほぼ TOであることを難とする請求の範囲第 8項に記載の波 «換レーザ装置。

1 0. 前記レーザ光の偏光方向に Z軸の結晶軸がほぼ一致している MgO： IiNbO₃ 結晶からなる波: S¾«を備えることをとする請求の範囲第 1項に記載の波 ¾ 換レーザ装置。

1 1. tQ 光共振器内に配置されている波長変 »を備えることを樹敫とする請求の範囲第 1項に記載の波 »換レーザ装置。

1 2. 嫌3光共振器、嫌3半導体レーザ、および前記波長変^ §が^本化されてい ,ることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の波長変換レーザ装置。

1 3. 前記半導体レーザと前記波長変換器の間に前記高調波を反射する反射器を備えることを舰とする請求の範囲第 1項に記載の波長変換レーザ装置。

1 . 前記半導体レーザにおけるレーザ光の垂直横モードと前記波長変換器におけるレーザ光の垂直横モードとのモード不整合を低減させる横モード変換手段を備えることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の波長変換レーザ装置。

1 5. IS半導体レーザの? および ΙίίΙ己波 ¾ §のを制御する制御手段を備えることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の波: ¾換レーザ装置。

1 6. 前記半導体レーザの前記レーザ光の発振波長における温^ ¾化に対する波長シフト割合と、嫌 B波の前記レーザ光の位相整合波長における? ^化に対する波長シフト割合とがほぼ一致していることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の波長変換レーザ装置。

1 7. レ一ザ光の所要の水平横モードに対する光共振器損失が他の水平横モ—ドに対する光共振器損失よりも低くなるような形状の反射面をもつ一対の対向する反射器から構成される光共振器を備える半導体レーザと、

編己レーザ光が 1¾調波に波: »換される波: 5¾»と

を備える波碰換レーザ装置を、

画像を生成するための光源として用いることを特徴とする画 it ^装置。

1 8. 前記画像を生成するための光源が、 3原色のうち緑色の光源であることを特徵とする請求の範囲第 1 7項に記載の画練示装置。

1 9. 鎌己画像を生成するための光源が、 3原色のうち青色の光源であることを特徵とする請求の範囲第 1 7項に記載の爾鐘示装置。

2 0. 画像を生成するための光変調手段として液晶を用いることを特徴とする請求の範囲第 1 7項に記載の画餘示装置。

2 1. 画像を生成するための光変調手段としてディジ夕ル反射素子を用いることを稱敷とする請求の範囲第 1 7項に記載の画 «示装置。