WO2005098529A1

WO2005098529A1 - コヒーレント光源および光学装置

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Publication number: WO2005098529A1
Application number: PCT/JP2005/004525
Authority: WO
Inventors: Kiminori Mizuuchi
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2004-04-09
Filing date: 2005-03-15
Publication date: 2005-10-20
Also published as: US20070053388A1; US7426223B2; JPWO2005098529A1

Description

コヒーレント光源および光学装置

技術分野

[0001] 本発明は波長変換素子を用いたコヒーレント光源、および光学装置に関する。

背景技術

[0002] 半導体レーザを用いた波長変換素子は小型高出力化が可能であり、高調波への波長変換を利用することで短波長化が可能となる。一方、波長変換素子が高い効率で波長変換するための波長許容度は一般的に非常に狭いため、出力を安定させるには半導体レーザの発振波長の安定ィ匕が必要となる。

この問題を解決する方法として、半導体レーザに光フィードバックをかける方法が提案されている。半導体レーザの導波モードは、外部からの光フィードバックで制御可能である。例えば、狭帯域の波長選択フィルターやファイバーグレーティングで半導体レーザの出射光を波長選択した後、半導体レーザの共振器内にフィードバックすることで、半導体レーザの発振波長を固定できることが示されている（例えば、特許文献 1参照)。また、外部グレーティングにより外部力光を返すことで、半導体レーザの発振波長を制御する方法が提案されている（例えば、特許文献 2参照)。

図 8は、従来のコヒーレント光源の例を示したものである。バンドパスフィルター 504 を用いて、半導体レーザ 501に光フィードバックをかけ、バンドパスフィルター 504の透過波長に半導体レーザの発振波長を固定している。ダイクロイツクミラー 505は高調波を全反射、かつ基本波を透過する特性を有し、バンドパスフィルター 504は基本波の選択された波長のみを透過する構成となっている。半導体レーザ 501から出た基本波は集光光学系 502で集光され、波長変換素子 503に入射する。波長変換素子 503により基本波の一部は高調波に変換され、コリメートレンズを通った高調波はダイクロイツクミラー 505により波長分離され、高調波として外部に取り出される。一方、波長変換素子から出射した基本波は、コリメートレンズ 510を通った後、ダイクロイツクミラー 505を通過し、バンドパスフィルター 504により特定波長に選択される。その後、基本波は、ミラー 513により反射され、同じ経路を逆行して半導体レーザ 501の活性層内にフィードバックする。半導体レーザ 501の活性層内では、フィードバック波長のパワーが増大するため、共振器内におけるフィードバック波長の光のロスが見かけ上低減するため、発振波長がフィードバック波長に固定される。バンドパスフィルタ一 504の角度を調整することで、透過波長を制御することができるため、半導体レーザの発振波長を波長変換素子 503の位相整合波長に調整して、高効率の波長変換が可能となる。

特許文献 1：特開平 10- 186427号公報

特許文献 2：特開平 06— 102552号公報

発明の開示

し力しながら、上記従来の方法では、光学部品点数が多ぐまた光学系が複雑なため、光学系の小型化、安定ィ匕が難しいという問題があった。さらに、基本波入射光の光軸に対して、高調波の発生光軸が角度を持っため、光軸調整が難しいという課題かあつた。

また、フィードバックをかける方法としては、波長変換素子の入射端面の反射を利用して、半導体レーザを波長変換素子に結合する部分にバンドパスフィルターを挿入するものがあり、小型化を実現している。しかしながら、この方法では、波長変換される基本波が 20%以上低下し、さらに高調波の出力が 40%以上低下するため、高出力ィヒに課題があった。

そこで、本発明のコヒーレント光源は、光源と、光源力ゝら出射された基本波の一部を高調波に変換する波長変換素子と、高調波に変換されない基本波の一部に対して狭帯域透過特性を有し、かつ高調波に対して透過特性を有する波長選択フィルターとを備えている。波長変換素子から出射された高調波に変換されない基本波の一部は、波長選択フィルターによって光源にフィードバックされ、高調波は、波長選択フィルターを透過して外部へ出射されることを特徴とする。これにより、高出力かつ安定で、量産性にすぐれた短波長光源が実現できる。

本発明のコヒーレント光源における波長選択フィルタ一は、バンドパスフィルターとダイクロイツクミラーを有する。バンドパスフィルタ一は、高調波に変換されない基本波の一部に対して狭帯域透過特性を有し、かつ高調波に対して透過特性を有する。ダィクロイツクミラーは、バンドパスフィルターを透過した高調波に変換されな、基本波の一部を反射し、高調波が、バンドパスフィルターを透過した後、ダイクロイツクミラーを透過して外部へ出射されることを特徴とする。これにより、光学系の簡素化が可能となり、小型化、安定ィ匕を向上させる。

本発明のコヒーレント光源における波長選択フィルタ一は、共焦点光学系であり、ダィクロイツクミラーは共焦点光学系の焦点面に設置されていることを特徴とする。これにより、基本波は安定して半導体レーザにフィードバックする。

本発明のコヒーレント光源における光源は、シングルモードの半導体レーザであることを特徴とする。これにより、集光特性や変換効率が向上する。

また、半導体レーザのキヤビティの長さ力 1mm以上であることが好ましい。これにより、半導体レーザの波長を位相整合波長に合わせることが容易になる。

さらに、半導体レーザが、高周波重畳されていることが好ましい。これにより、出力が安定化する。

本発明のコヒーレント光源における光源は、ファイバーレーザであってもよい。

本発明のコヒーレント光源における波長選択フィルタ一は、高調波の透過率が、 80 %以上であることが好ましい。これにより、出力の低下を抑えることができる。

また、波長選択フィルタ一は、選択波長幅が、 0. 2nm以下であることが好ましい。これにより、変換効率の低下を抑えることができる。

本発明のコヒーレント光源における波長変換素子が、周期状の分極反転構造を備えていることを特徴とする。これにより、高効率変換が可能となる。

波長変換素子は、少なくとも一方の端面が、波長変換素子の光軸に対して 3° 以上傾いていることが好ましい。これにより、ノイズや出力の不安定性を抑えることができる。

本発明のコヒーレント光源は、光源と波長変換素子との間に集光光学系をさらに備え、集光光学系は色収差を有し、高調波と高調波に変換されない基本波の一部とを異なる集光点に集光することを特徴とする。これにより、高性能なコヒーレント光源を得ることができる。

また、波長変換素子は、光導波路を備えていることを特徴とする。これにより、高効率変換が可能となる。

さらに、波長変換素子は、光源と直接接合されていることを特徴とする。これにより、光源の小型化が可能となる。

本発明のコヒーレント光源における波長選択フィルタ一は、光導波路の内部または端面に設置されることを特徴とする。これにより、小型化が可能となる。

本発明のコヒーレント光源において、波長変換素子は、光導波路を備えている。波長選択フィルタ一は、光導波路の内部または端面に設置されたバンドパスフィルターと、光導波路の端面に設置されたダイクロイツクミラーを有している。また、バンドパスフィルタ一は、高調波に変換されなヽ基本波の一部に対して狭帯域透過特性を有し、かつ高調波に対して透過特性を有している。ダイクロイツクミラーは、ノンドバスフィルターを透過した高調波に変換されない基本波の一部を反射し、高調波が、バンドパスフィルターを透過した後、ダイクロイツクミラーを透過して外部へ出射されることを特徴とする。これにより、小型化が可能となる。

ダイクロイツクミラーの厚みは、 1mm以上であることが好ましい。これにより、集塵特性を抑えることができる。

本発明の光学装置は、コヒーレント光源と画像変換光学系とを有し、コヒーレント光源からの光を、光学系により 2次元画像に変換することを特徴とする。

画像変換光学系は、 2次元のビーム走査光学系からなることが好まヽ。

画像変換光学系は、 2次元スィッチ力もなることが好ま、。

ここで、画像変換光学系とは、 2次元または 1次元の光スィッチから構成されるものである。 2次元の光スィッチは、透過型または反射型の液晶スィッチ、または、半導体のマイクロマシーンを利用した可動式のマイクロミラー（DMD)がある。これらは、プロジェクタ一の画像変換素子として、ランプ光を画像変換するのに利用されて、る。以上のように、波長選択フィルターに高調波透過特性を持たせることで、光学系の簡素化が可能となり、小型化、安定化を向上させる。また、光学系自体を大幅に小型化する直接接合方式への展開をも可能になる。ひいては、高出力かつ安定で、量産性にすぐれた短波長光源が実現できる。

図面の簡単な説明 [0004] [図 1]本発明の実施形態 1に係るコヒーレント光源の構成を示す図 [図 2]バンドパスフィルターの透過特性図

[図 3]本発明の実施形態 2に係るコヒーレント光源の構成を示す図 [図 4]本発明の実施形態 2に係るコヒーレント光源の他の構成を示す図 [図 5]本発明の実施形態 2に係るコヒーレント光源の他の構成を示す図 [図 6]本発明の実施形態 3に係る光学装置の構成を示す図

[図 7]本発明の実施形態 3に係る光学装置の他の構成を示す図

[図 8]従来のコヒーレント光源の構成を示す図

符号の説明

[0005] 101、 201、 301、 501 半導体レーザ

102、 202、 502 集光光学系

103、 203、 308、 503 波長変換素子

104、 204、 304、 504 ノンドパスフィノレ

105、 205、 306、 505 ダイクロイツクミラ

106、 206 基本波

107、 207、 305、 307、 512 高調波

110、 210、 310、 510 コリメートレンズ

111、 211、 311、 511 集光レンズ

208、 303 分極反転

209、 302 光導波路

513、 902、 903 ミラ-

801、 901 光源

802 2次元スィッチ

803 プリズム

804 レンズ

805 RGBレーザ

807 回折素子

904 レー •ザ光 905 スクリーン

発明を実施するための最良の形態

本発明は、半導体レーザと波長変換素子力もなるコヒーレント光源において、光フィードバックにより半導体レーザの波長を固定する方法である。波長選択フィルターの特性を制御し、高調波の透過特性を持たせることで、従来の問題点を解決し、小型ィ匕、高出力化が可能なコヒーレント光源を実現する。

以下、本発明のコヒーレント光源について説明する。

[第 1実施形態]

図 1に、本発明のコヒーレント光源の構成例を示す。ここでは、波長選択フィルター力バンドパスフィルターとダイクロイツクミラー力も構成される例を示す。波長選択フィルターは共焦点光学系であり、ダイクロイツクミラーは共焦点光学系の焦点面に設置されている。コヒーレント光源は、半導体レーザ 101と集光光学系 102、波長変換素子 103、コリメートレンズ 110、バンドパスフィルター 104、集光レンズ 111、ダイク口イツクミラー 105からなる。

バンドパスフィルター 104は、誘電体多層膜からなり、半導体レーザ 101の基本波に対しては特定波長のみ透過する。透過特性は、誘電体多層膜の膜設計により容易に実現可能である。詳細は、後述する。ダイクロイツクミラー 105は、基本波を反射、高調波を 95%以上透過するように設計されて!、る。

次に、本発明のコヒーレント光源とその原理について説明する。半導体レーザ 101 力も出射した基本波は、集光光学系 102により集光される。波長変換素子 103に集光された基本波の一部は、波長変換素子 103により高調波に変換される。一例として、半導体レーザ 101として波長 980nm、出力 500mWの光源を用いた。ここでは、波長変換素子 103は、周期状の分極反転構造を用いた Mgドープの LiNbOである

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。この波長変換素子 103では、分極反転周期 5. 4 _{μ ΐ}η,変換効率は 5%程度で、基本波を波長 490nmの第 2高調波に変換できる。波長変換された高調波は、コリメートレンズ 110で平行光にされた後、バントパスフィルター 104を透過して、集光レンズ 1 11、バンドパスフィルター 104を通って、外部に出力される。一方、基本波は、集光レンズ 111によりダイクロイツクミラー 105のミラー面に集光される。ダイクロイツクミラー 1 05で反射された基本波は、同じ経路を逆行して半導体レーザ 101の活性層にフィードバックされる。光学系が共焦点光学系になっているため、基本波は安定して半導体レーザ 101にフィードバックする。波長変換素子 103の入射面、反射面には基本波に対する反射防止膜が形成されており、途中の光が半導体レーザ 101にフィードバックして、ノイズや出力不安定性の原因にならないように設計されている。また波長変換素子 103の入出射面は素子の光軸 (分極反転に対し垂直な軸）に対して斜めに形成されている。これも、端面での反射光が半導体レーザ 101にフィードバックしないようにするためである。バンドパスフィルター 105を用いると反射ミラー面で焦点を結ぶ共焦点光学系となるため、光学系の許容度が大きく安定な系を実現できる。

本発明の光学系には下記の利点がある。

第 1は、部品点数が少なくなる点である。透過型のバンドパスフィルターを用いることで、ダイクロイツクミラーを基本波反射ミラーおよび波長分離ミラーとして利用できるため、部品点数が削減できる。これによつて、コリメート系からバンドパスミラーを削減でき、光学系の体積を大幅に低減できる。その結果、コヒーレント光源の簡素化、小型化が可能となり、光学系の安定度を大幅に向上できるという利点も有する。

第 2は、直線光学系となっている点である。入射する基本波と出射する高調波が直線光学系となっているため、光学系の設計が容易になる。さらに、部品の組立が容易になり、組立精度も緩和されるため、作製工程の簡素化、組立速度の向上により量産化に有利となる。

第 3は、発散光学系となっている点である。従来の光学系と異なり、出射する高調波が発散光となっている。従来はコリメート光となっているため、利用する光学系にビーム径を合わせるレンズ系を追加する必要があった。これに対して、発散光学系のため、適当なレンズ 1枚で、ビーム径の調整が容易に設計できるという利点を有する。利用する光学系の設計が容易になる。

なお、ダイクロイツクミラー 105のミラー面は、集光側に形成するのが好ましい。これは、光のパワー密度が高い場合、光トラッピング効果により周辺の埃が収集され、特性が劣化してしまう現象が観測されたことによる。光トラッピングは光の出射側に発生し、パワー密度に依存する。これを防止するには、出射面でのパワー密度をできるだけ低減するのが好ましい。このため、ミラー面を内側に設置し、出射面でのパワー密度を低減している。また、ダイクロイツクミラー 105の基板の厚みを厚くするのも有効である。基板厚みを lmm以上にすれば、出射端面での高調波のパワー密度が低減されているため集塵特性が低くなる。ダイクロイツクミラー 105の基板としては、ブロックやプリズム等も適用可能である。

なお、ミラー面を内側にすると、収差の低減にも有効である。ミラー面を出射側に設置すると、集光光がダイクロイツクミラー 105の基板を透過するため、収差が増大する。ダイクロイツクミラー 105により反射された基本波は、半導体レーザ 101の活性層にフィードバックする。活性層は mオーダーの形状であり、収差の発生はフィードバック光の光量低減につながり、出力の不安定性を増大させる。これを防止するためにも、ミラー面は集光側に設置するのが好ましい。

なお、利用する半導体レーザ 101はシングルモードのものが好ましい。これは、光導波路で利用する場合、光導波路との結合効率を高めるために必要である。また、バルタで利用する場合においても、半導体レーザ 101がマルチモードであると集光特性が悪くなり、変換効率が低下するためである。

なお、ここでは、バルタ型の波長変換素子 103を想定しているので、集光光学系としてプリズムペアを用いたビーム整形を用いている。バルタ型では、楕円ビームの半導体レーザ 101からの出力を円形ビームに整形することで、高効率ィ匕が図ることができる。

図 2にバンドパスフィルター 104の透過特性を示す。バンドパスフィルター 104は、波長変換素子 103の位相整合波長 λ近傍に半値幅の狭いシャープな透過特性をもつ。バンドパスフィルター 104の透過波長の半値幅 Δ λ 1は、 0. 6nm以下が好ましい。これは、波長変換素子 103の波長許容幅に依存するが、一般的に波長変換素子が変換可能な波長の許容幅は 0. lnm程度である。このため、バンドパスフィルタ一の波長が lnm以上になると、波長変換素子の許容度を大幅に超え、変換効率が低減する原因となる。これを防止するために、バンドパスフィルター 104の基本波透過波長の幅は 0. 6nm以下が好ましい。さらに、 0. 2nm以下が好ましい。 0. 2nm以下にすることで安定な出力特性が得られる。一方、高調波（ここでは λ Ζ2の波長）に対する特性としては、高い透過率が要求される。透過率が低い分、出力が低下するため、最低でも 80%以上の透過率が要求される。もう一つ重要な点は、図 1に示すように高調波に対しては、ブロードな透過特性力 S要求されることである。図 1の構成に示すように、バンドパスフィルター 104は角度を変えることで基本波の透過波長を調整し、波長変換素子 103の位相整合波に基本波波長を一致させる。このような角度調整範囲の全域において、高調波の透過特性は 80%以上に保つよう設計する必要がある。高調波の波長近傍での透過波長の半値幅 Δぇ2は 10nm以上が望ましい。また、バンドパスフィルター 104の基本波の透過率は 30%— 80%以下が好ましい。透過率が高いとダイクロイツクミラー 105での集光パワー密度が高くなり、ミラー面の信頼性が劣化する。一方、透過率が低くなりすぎると半導体レーザのフィードバックが少なくなり、安定した光フィードバックが実現できなくなる。基本波はバンドパスフィルターを 2回通るため、 30%以下の透過率になるとフィードバック光が 10%以下になり、安定して波長を固定することが難しい。

半導体レーザ 101の端面反射率は 1%以下が望ましい。外部からの光フィードバックが活性層内に十分フィードバックするためである。

なお、半導体レーザ 101の活性層の長さは lmm以上が望ましい。つまり、半導体レーザのキヤビティの長さ力 lmm以上であることが好ましい。半導体レーザ 101の発振波長は、半導体レーザの共振器と外部フィードバックの共振器力もなる複合キヤビティにより決まるため、縦モード間隔は活性層の長さに反比例する。ノンドバスフィルター 104の透過波長の許容幅が 0. 2nm以下と狭いため、半導体レーザ 101の縦モード間隔が狭すぎると、バンドパスフィルター 104の角度を変えて、波長を制御するときに、半導体レーザ 101の出力変動が大きくなる。また、波長変換素子 103の位相整合波長許容度が 0. lnm程度と狭いため、半導体レーザ 101の縦モード間隔が広いと、正確に半導体レーザ 101の波長を位相整合波長に合わせることが難しいという問題が生じる。これを防止するには、半導体レーザ 101の活性層の長さを lmm 以上にして、縦モード間隔を狭める必要がある。

なお、半導体レーザ 101には高周波を重畳するのが望ましい。これには 2つの利点がある。一つ目は、半導体レーザの駆動電流に高周波を重畳すると半導体レーザのコヒーレンスが低下し、発振波長が高速で変動するため、平均的には出力が安定する点である。特に、波長変換素子 103は許容度が狭いため、半導体レーザ 101の発振波長がバンドパスフィルター 104の透過波長域 0. 2nmにおいて揺らいでも、出力変動が発生する。高周波を重畳することで、波長変動が平均化され出力安定になる。二つ目は、波長変換素子 103の変換効率が向上する点である。高周波重畳すると、半導体レーザ 101の出力は高出力のパルス列となる。波長変換素子 103は非線形光学効果を利用しているため、変換効率は光のピークパワーに依存する。従って、平均パワーは同じ場合でも、ピークパワーの高いパルス列にすることで変換効率を大幅に向上できる。

なお、基本波の光源として半導体レーザについて述べた力光源はこれに限定されるものではない。例えば、固体レーザやファイバーレーザ等の利用も可能である。 Ybドープのファイバーレーザは、広、吸収波長域をもつ高効率のレーザ励起が可能であるが、ファイバーの場合発振波長が非常に広いため、波長変換素子での変換効率が低下する。これを防止するには、光フィードバックによる波長の狭帯域ィ匕が重要となる。その方式に対しても、本発明は有効である。

[第 2実施形態]

ここでは、光導波路を用いた波長変換素子に、本発明の構成を適用した例について述べる。図 3において、波長変換素子 203は、周期的な分極反転 208と光導波路 209を備える。半導体レーザ 201から出た基本波は、光導波路 209に集光される。光導波路 209を伝搬する基本波は、周期的な分極反転 208により波長変換され、高調波になる。光導波路 209を用いることで、変換効率は 50%程度と高効率になり、波長 980nmの半導体レーザ 201 (出力 500mW)力ら、 200mWの高調波（波長 490η m)を実現している。本構成により、光学系が簡素化、安定化し、小型かつ安定なコヒ一レント光源を実現できた。

さらに、導波路型では、図 4に示すような直接接合型の構成が実現できる。半導体レーザ 301と波長変換素子 308を直接接合することで、光源の小型化が可能となる。ここで、半導体レーザ 301は光導波路 302と直接接合している。ビーム径をあわせることで、結合効率は 90%程度となり、高効率結合が可能となる。また、サブマウント上に半導体レーザ 301と波長変換素子 308を接着することで、素子間の距離が非常に近くなり、安定した結合を実現できた。さらに、波長変換素子 308から出射される高調波は、コリメートレンズ 310、バンドパスフィルター 304、集光レンズ 311を通って、ダィクロイツクミラー 305に集光される。ダイクロイツクミラー 305は高調波を透過するため、高調波はそのまま外部に出力される。

一方、基本波は、バンドパスフィルター 304で波長選択された後、ダイクロイツクミラ一 305で反射され、同じ経路を逆方向に進んで、半導体レーザ 301にフィードバックする。波長変換素子 308の入射側端面は光導波路 302に垂直とし、半導体レーザ 3 01との結合効率向上を図っている。一方、出射側は、斜めに研磨されており、研磨角度は 3° 以上が好ましい。これにより、端面での反射光を 0. 1%以下に低減し、半導体レーザ 301への端面力もの戻り光によるノイズ発生、出力不安定ィ匕をなくすことができる。

また、コリメートレンズ 310、集光レンズ 311は、基本波と高調波に対して色収差を発生する構造にしている。そのため、ダイクロイツクミラー 306での両光の焦点が焦点深度程度ずれている。さらに、基本波の焦点にダイクロイツクミラー 306を設置し、基本波が半導体レーザ 301の活性層にフィードバックするように調整する。これは、基本波、高調波がダイクロイツクミラー 306で同一点に集光されると、共焦点光学系のため、高調波が半導体レーザ 301にフィードバックしてしまい、半導体レーザ 301のノィズ発生の原因となるからである。この実施例では、レンズの色収差を利用してノイズ発生を防止することが可能となる。同時にダイクロイツクミラー 306表面での光のパヮ一密度を下げて、ダイクロイツクミラー 306の表面ダメージによる信頼性の劣化を防止できる。なお、色収差による基本波と高調波の焦点位置の関係については、基本波の集光点に対して、高調波の集光点が手前に来ることが好ましい。これは、ダイクロイックミラー 306の手前で高調波が焦点を結ぶことで、ダイクロイツクミラーの出射面での高調波のパワー密度が低下するため、光トラッピング効果による端面付着を低減でさるカゝらである。

さらに、小型集積ィ匕する構成について図 5を用いて説明する。図 5 (a)においては、バンドパスフィルター 304を、導波路途中に形成した溝内にはめ込んでいる。導波路の出射端面には、ダイクロイツクミラー 306を設置し、基本波を反射し、高調波を透過する。ダイクロイツクミラー 306で反射された基本波は、導波路を通って半導体レーザ 301にフィードバックし、発振波長をフィルターの透過波長に固定する。さらに、図 5 ( b)では導波路端面に、バンドパスフィルター 304とダイクロイツクミラー 306を堆積している。導波路素子に波長選択フィルターを集積化することで、光源の超小型化が可能になる。なお、バンドパスフィルター 304を集積ィ匕した場合は、フィルターの角度調整による半導体レーザの発振波長の調整は難しい。この場合は、波長変換素子 3 08の温度を変えることで位相整合波長を制御し、フィルターの透過波長に位相整合波長を合わせることが可能となる。

波長変換素子の非線形光学材料としては、 Mgドープの LiNbO、 LiTaO、または

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KTiOPO等がある。またストィキオメトリック構造の LiNbO、 LiTaO、または Mgドー

4 3 3

プのストィキオメトリック構造の LiNbO、 LiTaOが高効率変換に有望である。分極反

3 3

転構造を変えることで任意の波長変換が可能であり、高効率変換が行える。光導波路構造にすることで、さらに高い変換効率が実現できる。

光源の半導体レーザとしては、 980nmの半導体レーザ以外にも、波長 1060nmの半導体レーザを用いれば、 530nmの緑色光の発生力また 900nm近傍の半導体レーザを用いれば、青色光の発生が可能となる。さら〖こ、 780nm、 680nmの近赤外、赤色の半導体レーザを用いれば、紫外光発生が可能となる。これら半導体レーザは、高出力化が進んでおり、信頼性も確保されていることより波長変換素子と組み合わせて各種レーザ光源が実現できる。

また、本発明の構成において、半導体レーザの発振波長と波長変換素子の位相整合波長を一致させるために波長制御を行う必要がある。バンドパスフィルターの場合、反射面がダイクロイツクミラーであるため、バンドパスフィルターを回転させても、反射波長は半導体レーザの活性層に帰還する。このため、バンドパスフィルターの角度で透過波長を可変することができる。バンドパスフィルターの角度を調整することで透過波長が変化するので、角度調整により半導体レーザの発振波長を位相整合波長にあわせるように制御することができる。

なお、本実施形態では、波長変換素子が光導波路を備えている場合について説明したが、バルタ型の波長変換素子であっても、本構成を適用可能である。

[第 3実施形態]

ここでは、本発明のコヒーレント光源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する。

レーザディスプレイでは、 RGBレーザを用いれば色再現性の高!、ディスプレイが実現できる。レーザ光源として、赤色は、高出力の半導体レーザが開発されている。しかし、青色は高出力化が実現しておらず、緑色は半導体レーザの形成そのものが難しい。そこで、波長変換を利用した青および緑色光源が必要となる。本発明のコヒーレント光源において、ワイドストライプの半導体レーザが利用できるため、波長変換素子と組み合わせて高出力の青、緑色光が実現できる。青色出力としては、 880nmの半導体レーザを波長変換して 440nmの青色光を、緑色出力としては、 1060nmの半導体レーザを波長変換して 530nmの緑色光を実現できる。

これらの光源を一体化し、 803のプリズムを介して 802の 2次元スィッチに投射、スイッチングされた光をレンズ 804でスクリーンに投射することで 2次元画像が投射できる（図 6)。 2次元スィッチ 802としては、マイクロマシーンを利用した MEMSや、液晶スィッチ等が利用できる。出力は、スクリーンサイズによるものの、数 10mW力も数 10 OmW程度が必要である。以上のように、本発明のコヒーレント光源により小型の短波長光源が実現でき、レーザディスプレイの小型化、高効率ィ匕が可能となる。

レーザディスプレイ装置として、図 7に示す方式も有効である。レーザ光は、ミラー 9 02、 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、レーザ光源に高速なスィッチ機能が必要であり、半導体レーザの出力を変調することで、高速出力変調が可能となる。本発明のコヒーレント光源は、高出力化が可能であり、レーザディスプレイ用途に有望である。また光フィードバックによりワイドストライプレーザでありながら、縦モード、横モードともにシングルモードに固定されているため、レ一ザの出力変調を高速で行える。これによつて、走査型のレーザディスプレイが実現できる。

以上、導波型光デバイスに SHG素子を用いた例を挙げて本発明の実施例を説明した。 SHG素子を用いた光源では、半導体レーザとして高出力の半導体レーザを用いることが多いため、高出力レーザとしてワイドストライプの半導体レーザを利用できれば、小型高出力の光源が実現できる。そのため、本発明の構造を用いることで、高出力化、安定化が実現できる。

なお、導波型光デバイスは、特に SHG素子に限らない。例えば、高速変調素子や位相シフタ、周波数シフタ、偏光制御素子など、導波型光デバイスとして様々な機能、構成のものが考えられる。こうした導波型光デバイスとコヒーレント光源を用いた光学系全てに、本発明の導波型光デバイスを応用可能である。

また、光学装置として、レーザディスプレイについて説明した力その他、光ディスク装置や計測装置に対しても本発明は有効である。特に、光ディスク装置は、書き込み速度の高速ィ匕によりレーザ出力の向上が求められているため、本発明が有効である。本発明の光源は高出力かつ高いコヒーレンスを有するため、小型化が可能であり、光ディスク等への応用にも有効である。

産業上の利用可能性

以上述べたように、本発明のコヒーレント光源は、半導体レーザを波長変換する際に有効な構成である。半導体レーザの波長変換には、光源の出力安定ィ匕のために、光フィードバックによる半導体レーザの波長制御が必要である。光フィードバックを実現するためには、狭帯域のバンドパスフィルターを用い、バンドパスフィルターの透過波長を選択的にすることにより半導体レーザの発振波長を制御する。この時、バンドパスフィルターに高調波の透過特性を与えると、光学部品点数を削減すると共に、光学系の小型化、安定化を実現できる。これによつて、高出力かつ安定で、量産性にすぐれた短波長光源が実現できる。

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

Claims

請求の範囲

[1] 光源と、

前記光源力出射された基本波の一部を高調波に変換する波長変換素子と、前記高調波に変換されない前記基本波の一部に対して狭帯域透過特性を有し、かつ前記高調波に対して透過特性を有する波長選択フィルターとを備え、

前記波長変換素子から出射された前記高調波に変換されない前記基本波の一部は、前記波長選択フィルターによって前記光源にフィードバックされ、

前記高調波は、前記波長選択フィルターを透過して外部へ出射されることを特徴とする、コヒーレント光源。

[2] 前記波長選択フィルタ一は、バンドパスフィルターとダイクロイツクミラーを有し、前記バンドパスフィルターが、前記高調波に変換されない前記基本波の一部に対して狭帯域透過特性を有し、かつ前記高調波に対して透過特性を有し、

前記ダイクロイツクミラー力前記バンドパスフィルターを透過した前記高調波に変換されな!/ヽ前記基本波の一部を反射し、

前記高調波が、前記バンドパスフィルターを透過した後、前記ダイクロイツクミラーを透過して外部へ出射されることを特徴とする、請求項 1記載のコヒーレント光源。

[3] 前記波長選択フィルターが、共焦点光学系であり、

前記ダイクロイツクミラー力前記共焦点光学系の焦点面に設置されていることを特徴とする、請求項 2記載のコヒーレント光源。

[4] 前記光源が、シングルモードの半導体レーザであることを特徴とする、請求項 1から

3の!、ずれか記載のコヒーレント光源。

[5] 前記半導体レーザのキヤビティの長さが、 1mm以上であることを特徴とする、請求項 4記載のコヒーレント光源。

[6] 前記半導体レーザが、高周波重畳されて、ることを特徴とする、請求項 4または 5記載のコヒーレント光源。

[7] 前記光源が、ファイバーレーザであることを特徴とする、請求項 1から 3のいずれか記載のコヒーレント光源。

[8] 前記波長選択フィルターの前記高調波の透過率が、 80%以上であることを特徴とする、請求項 1から 7のいずれか記載のコヒーレント光源。

[9] 前記波長選択フィルターの選択波長幅が、 0. 2nm以下であることを特徴とする、請求項 1から 8の、ずれか記載のコヒーレント光源。

[10] 前記波長変換素子が、周期状の分極反転構造を備えてヽることを特徴とする、請求項 1から 9の、ずれか記載のコヒーレント光源。

[11] 前記波長変換素子の少なくとも一方の端面が、前記波長変換素子の光軸に対して

3° 以上傾いていることを特徴とする、請求項 1から 10のいずれか記載のコヒーレント光源。

[12] 前記光源と前記波長変換素子との間に集光光学系をさらに備え、

前記集光光学系は、色収差を有し、前記高調波と前記高調波に変換されない基本波の一部とを異なる集光点に集光することを特徴とする、請求項 1から 11いずれか記載のコヒーレント光源。

[13] 前記波長変換素子が、光導波路を備えていることを特徴とする、請求項 1から 12の

V、ずれか記載のコヒーレント光源。

[14] 前記波長変換素子が、前記光源と直接接合されて！ヽることを特徴とする、請求項 1

3記載のコヒーレント光源。

[15] 前記波長選択フィルターが、前記光導波路の内部または端面に設置されることを特徴とする、請求項 13または 14記載のコヒーレント光源。

[16] 前記波長変換素子が、光導波路を備えており、

前記波長選択フィルタ一は、前記光導波路の内部または端面に設置されたバンドパスフィルターと、前記光導波路の端面に設置されたダイクロイツクミラーを有し、前記バンドパスフィルターが、前記高調波に変換されない前記基本波の一部に対して狭帯域透過特性を有し、かつ前記高調波に対して透過特性を有し、

[17] 前記ダイクロイツクミラーの厚み力 1mm以上であることを特徴とする、請求項 16記載のコヒーレント光源。

[18] 請求項 1から 17記載のいずれかのコヒーレント光源と画像変換光学系とを有し、前記コヒーレント光源からの光を、光学系により 2次元画像に変換することを特徴とする、光学装置。

[19] 前記画像変換光学系が、 2次元のビーム走査光学系からなることを特徴とする、請求項 18記載の光学装置。

[20] 前記画像変換光学系が、 2次元スィッチからなることを特徴とする、請求項 18記載の光学装置。