WO2006006701A1 - コヒーレント光源およびこれを用いた光学装置 - Google Patents

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Kiminori Mizuuchi
Kazuhisa Yamamoto
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Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/37—Non-linear optics for second-harmonic generation
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04N9/00—Details of colour television systems
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    • H04N9/31—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
    • G02F1/3532—Arrangements of plural nonlinear devices for generating multi-colour light beams, e.g. arrangements of SHG, SFG, OPO devices for generating RGB light beams

Definitions

  • a solid fiber laser has been developed as a high-power laser light source.
  • a laser light source using a laser amplifier with a doped fiber is easy for high power and high beam quality, and its application is expanding as a high power laser light source. Since the fiber laser can amplify an excitation pump light source in multiple stages by a double clad structure, high power can be achieved. Furthermore, by confining the laser light in the core portion, single mode oscillation becomes possible, and high output laser light can be realized while maintaining high beam quality.
  • the oscillation of the fiber laser is in the infrared region, and as an application to the visible region, shortening of the wavelength of the oscillation light by wavelength conversion has been reported.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Publication No. 2004-503098
  • the present invention provides a coherent light source capable of simultaneously generating three colors of red light, blue light and green light.
  • the first wavelength conversion element preferably receives the light of the first wavelength and emits the second harmonic of the light of the first wavelength.
  • the wavelength conversion element unit preferably further includes a third wavelength conversion element that receives the light of the second wavelength and emits the second harmonic of the second wavelength.
  • the wavelength conversion element unit further receives the light of the first wavelength and the light of the second wavelength, and the light having a sum frequency of the light of the first wavelength and the light of the second wavelength.
  • the light source unit is preferably connectable to a driving device that supplies energy for driving the light source unit in the form of a pulse U,
  • the light source unit includes two doped fibers and two master light sources, and the two master light sources can be connected to a driving device and have a pulse shape having the same period and phase. It is preferable to operate by receiving a supply of energy.
  • the first wavelength conversion element and the second wavelength conversion element preferably have a single nonlinear optical crystal structure.
  • the doped fiber is preferably an ErZYb doped fiber.
  • a coherent light source of blue light region using a fiber laser is realized.
  • the present coherent light source is also capable of high efficiency.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a coherent light source according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 A diagram showing a configuration example of a coherent light source according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 4 A diagram showing a configuration example of a coherent light source according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 5 A diagram showing a configuration example of a coherent light source according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 6 A diagram showing a configuration example of a coherent light source according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7B is a diagram showing an example of the configuration of a coherent light source according to a second embodiment of the present invention.
  • ⁇ 8] A diagram showing a configuration example of a coherent light source according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 12A A diagram showing a configuration example of a coherent light source according to a third embodiment of the present invention 12 B] A diagram showing a configuration example of a coherent light source according to a third embodiment of the present invention 13) Coherence according to the third embodiment Diagram showing configuration example of light source
  • ⁇ 16 A diagram showing a configuration example of an optical device according to a fourth embodiment of the present invention
  • FIG. 17 A diagram showing a configuration example of an optical device according to a fourth embodiment of the present invention
  • ⁇ 18 A diagram showing a configuration example of a coherent light source suitable for an optical device according to a fourth embodiment of the present invention
  • the generation efficiency of light near 900 nm is as high as that of a solid-state laser. difficult.
  • a blue light source using a fiber laser that emits light with wavelengths near 1080 nm and 1540 nm, for which high power is in progress.
  • a display device is a display device using the light source according to the present invention.
  • the SHG element is a device that emits light of wavelength ⁇ c
  • the SHG device has the same relationship as in the description of the SFG device described above, where a and b are equal.
  • the principle of the coherent light source according to the present invention will be described in detail below.
  • the doped fiber 105 included in the first fiber amplifier has a Yb-doped fiber.
  • the doped fiber 105 can generate light having a wavelength of about 1030 to: L lOOnm.
  • the second fiber amplifier, doped fiber 106 comprises Er or ErZYb doped fiber.
  • This doped fiber 106 can generate light having a wavelength near 1540 nm.
  • the SHG element 107 can convert light having a wavelength near 1540 nm into SHG light, and can generate SHG light near 770 nm.
  • Semiconductor lasers such as DFB and DBR lasers can modulate the output at high speed. Therefore, it has the advantage of being able to modulate the light wavelength-converted by the fiber amplifier and the wavelength conversion element at high speed. If the laser light of the master light sources 101 and 103 incident on the doped fibers 105 and 106 is pulse-driven, Q switch operation becomes possible, and pulse light having a high peak value can be generated.
  • the SHG and SFG wavelength conversion elements 107 and 108 use nonlinear optical effects. Therefore, if the power intensity increases, the conversion efficiency will dramatically increase. Therefore, using a peak power with a high peak value is advantageous in that the conversion efficiency can be improved by several orders of magnitude compared to ordinary CW light.
  • Using a semiconductor laser as a light source is advantageous in terms of improving conversion efficiency by output modulation and Q switch operation.
  • the heat generated by the current injection into the laser can be offset to prevent the chopping of the laser. If this configuration is applied to the fiber light sources 102 and 104 included in the fiber amplifier, the chopping of the laser light emitted from the doped fibers 105 and 106 can be suppressed, and the SHG element as a wavelength conversion element 1 07 And wavelength conversion by the SFG element 108 can be realized with high efficiency.
  • the master light sources 101 and 103 are pulse driven to perform Q switch operation. At the time of production, it is necessary to accurately match the pulse waveform.
  • the method of pulsing the fiber amplifier will be described with reference to FIG.
  • the conversion efficiency can be improved.
  • Er or ErZYb lasers 103, 104 and 106 have the longest wavelength of 1540 nm, so their conversion efficiency is the lowest in the light source. In order to improve this, it is effective to pulse drive the light source emitting this fundamental wave to improve the conversion efficiency. That is, it is most effective to improve the conversion efficiency by pulse driving the light source with the longest wavelength. If the master light source 103 incident on the doped fiber 106, which is an Er or Er ZYb fiber amplifier, is pulsed, the conversion efficiency is improved.
  • the two light sources include fiber amplifiers 102, 104, 105, and 106.
  • a solid state laser light source it is also possible to use a solid state laser light source.
  • a solid laser light source or a semiconductor laser as one or both of the laser light sources. For example, using a semiconductor laser that emits light at a wavelength of 980 nm and a 1550 nm Fino single laser light source, convert the light emitted from the fiber laser light source into SHG light (convert the wavelength of the light back to half), By generating the sum frequency of the SHG light and the 980 nm fundamental wave, it is possible to generate 430 nm blue light.
  • the coherent light source according to the present embodiment has a configuration capable of simultaneously generating coherent light having peaks in a plurality of wavelength ranges (for example, two wavelength ranges of blue and green).
  • FIG. 6 is a block diagram of the coherent light source of this embodiment.
  • the light of wavelength 1540 nm emitted from the doped fiber 302 which is an ErZYb-doped fiber is converted by the SHG element 107 into SHG light of wavelength 770 mm.
  • the light with a wavelength of 1080 nm emitted from the doped fiber 301 which is a Yb-doped fiber and the SHG light with a wavelength of 770 nm are converted by the SFG element 108 into SFG light 110 which is blue light with a wavelength of 450 nm.
  • the light source according to the present invention When the light source according to the present invention is used as an RGB light source for a color display, it is desirable to switch the output of R GB for output.
  • a color image can be constructed by switching the R, G, and B images at different times. In this case, by switching the RGB output as the light source, it is possible to convert into a single image using a single image conversion element which is an image conversion unit.
  • FIG. 12B is a block diagram of a light source having a wavelength conversion element in which an SFG element 406 is further added to a part of the wavelength conversion elements constituting the light source shown in FIG. 12A.
  • a light source capable of simultaneous emission of RGB is configured.
  • FIG. 14 is a block diagram of a light source using two pump light sources with different wavelengths.
  • the wavelength of the pump light source 1002 may be in the range of 920-970 nm in addition to 1480 nm.
  • fiber gratings are preferably provided with grating structures of different periods so that Bragg reflection occurs at desired two different wavelengths.
  • the fiber laser be configured to use polarized point storage fiber and excite light of different wavelengths in different polarization directions. If two wavelengths are excited in one fiber, the gains of the fibers may compete with each other. If excitation is performed so that the polarization directions are different, the gain competition is suppressed, and stable two-wavelength oscillation of the output is achieved. It will be possible.
  • the configuration of the present invention is effective for this sequential lighting.
  • the master light source 103 having a wavelength of around 1540 nm is stopped. Then, only light near 1080 nm is emitted from the fiber, and only green S HG light 405 having a wavelength of 540 nm is emitted.
  • the master light sources 101 and 103 are made to emit light simultaneously.
  • a laser display which is an optical device using a coherent light source according to an embodiment of the present invention will be described. If an RGB laser is used, high color reproducibility! And a display can be realized.
  • a laser light source although a red semiconductor laser having a high output has been developed, high output has not been realized for blue, and formation of a semiconductor laser for green has been difficult. Therefore, green and blue light sources using wavelength conversion are required.
  • the coherent light source according to the present invention can easily achieve high output by using a fiber laser, so that a large screen laser display can be realized.
  • a light source using a fiber laser green, blue or red, green and blue simultaneous light sources can be used.
  • FIG. 15 is a two-dimensional liquid crystal panel having these light sources 801, that is, an image conversion unit to control two-dimensional light intensity distribution, that is, to perform image conversion, and to display an image on a screen. It is a block diagram of the laser display to project.
  • the light emitted from the coherent light source 801 passes through the collimating optical system 802 and the integrator optical system 803, passes through the diffusion plate 804, is image converted by the liquid crystal panel 805, and is projected onto the screen 806 by the projection lens 807. Ru.
  • the position of the diffuser plate is changed by the swing mechanism, and speckle noise generated on the screen is reduced. Since the coherent light source of the present invention can obtain stable output even against external temperature change, high output and stable video can be realized. In addition, the high beam quality facilitates the design of the optical system and allows downsizing and simplification.
  • the beam quality is high, it is possible to miniaturize and simplify the scanning optical system. Also, as a beam scanning optical system, a compact scanning device using MEMS can be used. The high beam quality is excellent in the focusing and collimating characteristics, and small mirrors such as MEMS can be used. This Thus, a scanning laser display can be realized.
  • the method shown in FIG. 17 is also effective.
  • the three color lights of R, G and B emitted from the coherent light source according to the present invention (not shown) are incident upon the lenses 913r, 913g and 913b, respectively, and are expanded to pass through the light quantity equalizing optical system (integrator) 907. Then, it is converted into an image by a liquid crystal panel 909 which is a two-dimensional switch, and projects an image onto a screen 905 through a combining prism 911 and a lens 915.
  • this coherent light source is used, a high-power, compact RGB light source can be realized, and application to various optical devices such as an optical disk device such as a laser display becomes possible, and the practical effect thereof is large.

Abstract

　本発明は、ドープファイバーを備え、前記ドープファイバーにより、第１波長の光と第２波長の光を出射する光源部と、前記第１波長の光を受け、前記第１波長の光よりも波長の短い光を出射する第１波長変換素子を含む波長変換素子部とを有するコヒーレント光源である。

Description

明 細 書
コヒーレント光源およびこれを用いた光学装置
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、これを用いた光学装置 に関する。
背景技術
[0002] 高出力のレーザ光源として、固体ファイバーレーザが開発されている。ドープフアイ バーによるレーザ増幅器を利用したレーザ光源は、高出力、高ビーム品質ィ匕が容易 であり、大出力レーザ光源として応用が広がっている。ファイバーレーザは、 2重クラ ッド構造により励起ポンプ光源を多段階に増幅できるため、高出力化が可能である。 さらには、コア部にレーザ光を閉じ込めることで単一モード発振が可能となり、高いビ ーム品質を保って高出力のレーザ光を実現できる。ファイバーレーザの発振は赤外 領域であり、可視領域への応用としては、波長変換による発振光の短波長化が報告 されている。現在、ファイバーレーザ、またはファイバー増幅器を利用したレーザ発振 は、 Yb、 Nd、 Er、 Yb/Erをファイバーのコア部に添加する構造が実現されている。 発振波長としては、 Ybドープファイバーが 1030〜： L lOOnm近傍、 Ndドープファイバ 一が 1060nm近傍、 Er、 ErZYbファイバーが 1550nm近傍で発振可能である。可 視光を出力する光源として、 Ybまたは Ndファイバ一力もの出力を第 2高調波に変換 し波長 530nm近傍の緑色光を発生させる構成、 Er、 ErZYbドープファイバーから の出力を第 2高調波に変換し 770nm近傍の近赤外光を発生させる構成を有する光 源が実現されている。
[0003] 一方、ファイバーレーザを利用した青色光の発生についても検討が進められている 。特許文献 1は、 Ndドープファイバーの発する 910nm光の基本波を第 2高調波に波 長変換し 455nm近傍の青色光の発生を行う構成を開示する。
[0004] 上記のように、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 発振が可能であるが、現在のところファイバーでの青色光の直接発振は困難である。 そのため、特許文献 1のように、高調波発生による出射光の短波長化が検討されて いる。ファイバーレーザによって 900nm近傍の波長の光を発生させれば、第 2高調 波の発生により青色光を出力可能である。
特許文献 1：特表 2004— 503098号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0005] し力しながら、 900nm近傍の波長の光はレーザ媒質での吸収が大きぐ相互作用 長の長いファイバーを用いたレーザ光源は、固体レーザと同様、 900nm近傍の光の 発生効率は悪ぐ光源の高効率化、および、高出力化は難しい。よって、高効率で W クラスの光源を実現することは困難である。
[0006] 本発明は、ファイバーレーザにおける発生効率力 900nm近傍の光よりも高い光 を利用し、高効率で青色光領域の光を出射するコヒーレント光源を提供する。
[0007] さらに、本発明は、青色光および緑色光の同時発生が可能なコヒーレント光源を提 供する。
[0008] さらに、本発明は、赤色光、青色光、および、緑色光の 3色同時発生が可能なコヒ 一レント光源を提供する。
課題を解決するための手段
[0009] 本発明は、その一態様においては、ドープファイバーを備え、ドープファイバ一によ り、第 1波長の光と第 2波長の光を出射する光源部と、第 1波長の光を受け、第 1波長 の光よりも波長の短い光を出射する第 1波長変換素子を含む波長変換素子部とを有 するコヒーレント光源である。
[0010] 本発明の一態様においては、第 1波長変換素子は、第 1波長の光を受け、第 1波長 の光の第 2高調波を出射することが好ま 、。
[0011] 本発明の一態様においては、さらに、波長変換素子部は、第 1波長の光の第 2高調 波と第 2波長の光を受け、第 2高調波と第 2波長の光との和周波を有する光を出射す る第 2波長変換素子を含むことが好ま 、。
[0012] 本発明の一態様においては、光源部は、 Er、または、 Erと Ybを含む第 1のドープフ アイバーと、 Ybを含む第 2のドープファイバーを含むことが好まし 、。
[0013] 本発明の一態様においては、第 1波長は、 1540nm近傍の波長であり、第 2波長は 、 1080nm近傍の波長であり、波長変換素子部は、第 1波長の光および第 2波長の 光を受け、 450nm近傍の波長を有する光を出射することが好ま U、。
[0014] 本発明の一態様においては、波長変換素子部は、さらに、第 2波長の光を受け、第 2波長の第 2高調波を出射する第 3波長変換素子を含むことが好ましい。
[0015] 本発明の一態様においては、波長変換素子部は、さらに、第 1波長の光と第 2波長 の光を受け、第 1波長の光と第 2波長の光の和周波を有する光を出射する第 4波長 変換素子を含むことが好まし 、。
[0016] 本発明の一態様においては、第 1波長変換素子は、第 1波長の光の少なくとも一部 を受け、第 2波長変換素子は、第 1波長変換素子力 出射する光の少なくとも一部と 第 2波長の光の少なくとも一部を受け、第 3波長変換素子は、第 2波長の光の少なく とも一部を受けることが好ま 、。
[0017] 本発明の一態様においては、第 1波長変換素子は、第 1波長の光の少なくとも一部 を受け、第 2波長変換素子は、第 1波長変換素子力 出射する光の少なくとも一部と 第 2波長の光の少なくとも一部を受け、第 3波長変換素子は、第 2波長の光の少なく とも一部を受け、さらに、第 4波長変換素子は、第 1波長の光の少なくとも一部と、第 2 波長の光の少なくとも一部とを受けることが好ましい。
[0018] 本発明の一態様においては、第 1波長変換素子および第 2波長変換素子の少なく とも一方は、周期状分極反転構造を備える Mgドープ LiNb03、 Mgドープ LiTa03、 KTiOP04、ストィキオメトリック組成の Mgドープ LiNb03、および、ストィキオメトリッ ク組成の Mgドープ LiTa03の少なくともひとつを含むことが好ましい。
[0019] 本発明の一態様においては、光源部は、さらに、ドープファイバーに入射される光 を発生するマスター光源を有することが好ま Uヽ。
[0020] 本発明の一態様にお!ヽては、光源部は、ノ ルス状の光源部駆動用エネルギを供 給する駆動装置と接続可能であることが好ま U、。
[0021] 本発明の一態様においては、光源部は、 2つのドープファイバーと 2つのマスター 光源を備え、 2つのマスター光源は、駆動装置と接続可能であり、同一の周期および 位相を有するパルス状のエネルギの供給を受けて動作することが好ましい。
[0022] 本発明の一態様においては、ドープファイバ一は、 Yb、 Er、 Er/Yb, Nd、 Pr、 Cr 、 Ti、 V、および、 Hoの少なくともいずれ力 1つの元素を含むことが好ましい。
[0023] 本発明の一態様においては、第 1波長変換素子と、第 2波長変換素子とは、単一の 非線形光学結晶構造を有することが好まし 、。
[0024] 本発明の一態様においては、光源部は、単一のドープファイバーを備えることが好 ましい。
[0025] 本発明の一態様においては、ドープファイバ一は、 ErZYbドープファイバーである ことが好ましい。
[0026] 本発明の一態様においては、 2つのマスター光源のうち少なくともひとつは、半導 体レーザ光源であることが好まし 、。
[0027] 本発明の一態様においては、さらに、波長変換素子部の出射する光を受ける光フ アイバーを有することが好ま U、。
[0028] 本発明は、その一態様においては、ドープファイバーを備え、ドープファイバ一によ り、第 1波長の光と第 2波長の光を出射する光源部と、第 1波長の光を受け、第 1波長 の光よりも波長の短い光を出射する第 1波長変換素子を含む波長変換素子部とを有 するコヒーレント光源と、コヒーレント光源の出射する光を受け、コヒーレント光源の出 射する光の 2次元的強度分布を制御する画像変換部を有する光学装置である。 発明の効果
[0029] 本発明により、ファイバーレーザを利用した青色光領域のコヒーレント光源が実現さ れる。本コヒーレント光源は、効率が高ぐ高出カイ匕も可能である。
図面の簡単な説明
[0030] [図 1]本発明の第 1実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図
[図 2]ブラッググレーティングを備えたドープファイバーの構成を示す図
[図 3]本発明の第 1実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図
[図 4]本発明の第 1実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図
[図 5]本発明の第 1実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図
[図 6]本発明の第 2実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図
[図 7A]本発明の第 2実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図
[図 7B]本発明の第 2実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図 圆 8]本発明の第 2実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図
圆 9]本発明の第 2実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図
圆 10A]光源部の駆動信号の例を示す図
圆 10B]駆動電源と光源部との接続例を示す図
圆 11]本発明の第 3実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図
圆 12A]本発明の第 3実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図 圆 12B]本発明の第 3実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図 圆 13]本発明の第 3実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図
圆 14]本発明の第 3実施形態によるコヒーレント光源の構成例を示す図
圆 15]本発明の第 4実施形態による光学装置の構成例を示す図
圆 16]本発明の第 4実施形態による光学装置の構成例を示す図
圆 17]本発明の第 4実施形態による光学装置の構成例を示す図
圆 18]本発明の第 4実施形態による光学装置に好適なコヒーレント光源の構成例を 示す図
符号の説明
101、 103 · · · マスター光源
102、 104, . 1002 · · · ポンプ光源
105、 106' > 204、 301、 302 · · · ドー-
107、 303, > 401、 403 · · · SHG素子
501、 505, > 511、 517 · · · SHG素子
108、 402, . 406、 503 · · · SFG素子
507、 513, . 515 · · · SFG素子
109a • · · パルス駆動電源
109b • · · 駆動電源
151 • · · ブラッググレーティング
801 • · · コヒーレント光源
802 • · · コリメート光学系
803、 907 · · · インテグレータ光学系 804 ··· 拡散板
805、 909 · · · 液晶ノネル
806 ··· スクリーン
807 ··· 投影レンズ
901 ··· コヒーレント光源
902、 903 ··· ミラー
905 ··· スクリーン
911 ··· 合波プリズム
913r、 913g、 913b、 915 ··· レンズ
2002 ··· 波長板
3007 ··· 非線形ファイバー
発明を実施するための最良の形態
[0032] ファイバーレーザにおいて 900nm近傍のレーザ光を発生させ、波長変換により青 色光の光を発生させる光源では、固体レーザと同様、 900nm近傍の光の発生効率 は悪ぐ高効率、高出力化が難しい。我々は、高出力化が進んでいる波長 1080nm および 1540nm近傍の波長を有する光を出射するファイバーレーザを用い、青色光 源を提供する。
[0033] 本発明にかかる実施形態による光源は、光ファイバ一を備え、青色光領域のコヒー レント光を発生する光源 (コヒーレント光源)である。本光源は、高出力なファイバーレ 一ザを備え、さらに、ファイバーレーザ力 出社された光の波長を変換する波長変換 素子により青色光領域の波長を有する光の高効率出射を可能とする構成を有する。
[0034] また、本発明にかかる実施形態による光源は、青色光源の高出力化、緑色光およ び青色光の同時発生、ならびに、赤色光、緑色光、および、青色光の同時発生も可 能な構成を有する。
[0035] さらに、本発明にかかる実施形態によるディスプレイ装置は、本発明による光源を 用いたディスプレイ装置である。
[0036] (第 1の実施形態）
図 1は本発明にかかる第 1の実施形態のコヒーレント光源の構成図である。これより 、図 1を参照し、本実施形態におけるコヒーレント光源の構成および動作について概 説する。ファイバー増幅器であるドープファイバー 105は、マスター光源 101から出 射され、ポンプ光源 102およびドープファイバー 105で増幅された波長 λ 1の光を出 射する。もう 1つのファイバー増幅器であるドープファイバー 106は、マスター光源 10 3から出射され、ポンプ光源 104およびドープファイバー 106で増幅された波長え 2 の光を出射する。第 1の実施形態においては、マスター光源 101、および、 103、ポ ンプ光源 102、および、 104、ならびに、ドープファイバー 105および 106が光源部を 構成する。他の実施形態においても、同様、マスター光源、ポンプ光源、および、ド ープファイバ一等により光源部が構成される。ドープファイバー 106から出射される波 長 λ 2の光は、第 2高調波発生素子（SHG( second harmonic generation )素子） 107 により、波長 λ 2/2 (= λ 3)の SHG光 (第 2次高調波）に変換される。ファイバー増 幅器 105から出射される波長 λ 1の光と、 SHG素子 107から出射される波長 λ 3の S HG光は和周波発生素子（SFG( sum frequency generation )素子） 108に入射し和 周波を有する光に変換される。素子 108により変換され発生する和周波を有する光 である SFG光 110の波長え 4は、 λ 4= ( λ 1 · λ 3) / ( λ 1 + λ 3) = ( λ 1 · λ 2) / ( 2 Χ λ 1 + λ 2)である。よって SFG素子 108は、波長え 4を有する SFG光 110が出 射する。この波長え 4が青色光領域に含まれるように、ドープファイバー 105および 1 06の出射する光の波長 λ 1およびえ 2選択し、 SHG素子 107および SFG素子 108 を設計することにより、ファイバー増幅器であるドープファイバー 105および 106と、 波長変換素子である SHG素子 107および SFG素子 108により青色光の発生が可能 となる。第 1の実施形態においては、 SHG素子 107および SFG素子 108は、波長変 換素子部を構成する。他の実施形態においても、 SFG素子および SHG素子等によ り波長変換素子部が構成される。なお、 SFG素子は、波長え aの光と波長え bの光を 入射することにより、 λ c" (— 1) = λ a" (— 1) + λ b" (— 1)の関係を満たす波長 λ c の光を出射する素子である。 SHG素子は、上記 SFG素子の説明におけるえ aとえ b が等し 、場合であって、波長え aの光を入射することで λ c = λ aZ2の光を出射する 波長変換素子である。以下、本発明のコヒーレント光源の原理について詳細に説明 する。 [0037] 第 1のファイバー増幅器に含まれるドープファイバー 105は、 Ybドープファイバーを 有する。このドープファイバー 105は、 1030〜： L lOOnm程度の波長を有する光を発 生することができる。一方、第 2のファイバー増幅器であるドープファーバー 106は、 Erまたは ErZYbドープファイバーを有する。このドープファイバー 106は、 1540nm 近傍の波長を有する光を発生することができる。 SHG素子 107は、 1540nm近傍の 波長を有する光を SHG光に変換することができ、 770nm近傍の SHG光を発生する ことができる素子である。
[0038] SFG素子 108により、上記 2つの光（波長 λ 1と波長え 3の光）の和周波を有する光 を発生させることにより、青色光領域に含まれる 440ηπ！〜 460nm近傍の波長を有す る青色光を発生させることができる。
[0039] ファイバーレーザ光源の構成は、ポンプ光源と、ファイバーの両端面にミラーを形成 しファイバー共振器であるドープファイバィー 105および 106とで構成する方法と、マ スター光源 101および 103と、ポンプ光源 102および 104を用い、マスター光源 101 および 103から出射した光を、ファイバー増幅器であるポンプ光源 102およびポンプ 光源 104ならびにドープファイバー 105および 106によって増幅する構成が可能で ある。
[0040] 前者の共振器構成にする場合、図 2に示すように、ドープファイバー 105 (および 1 06)に周期的なグレーティング構造によるブラッググレーティング 151を用いることも 可能である。ブラッググレーティング 151は、波長変換素子の位相整合波長の変動を 考慮して数 nm程度の広 ヽ波長で反射するように設計することが望ま ヽ。グレーティ ング等による狭帯域ィ匕を用いた場合、高出力時にはラマン散乱等によりレーザの発 振波長の狭帯域化が困難となる場合がある。一般に、波長変換素子の位相整合波 長許容度は狭いため、ファイバーをレーザ共振器として構成した場合、波長変換素 子に入射する光は広い波長帯域を有し、そのために変換効率が大幅に低下する。こ の点を鑑みれば、ファイバー増幅器は、マスター光源 101および 103より出射するマ スターレーザを、ポンプ光源 102および 104ならびにドープファイバー 105および 10 6により増幅する構成が好適である。また、マスター光源 101および 103は、 DBRレ 一ザ、 DFBレーザ等の半導体レーザが好適である。これらの半導体レーザは、発振 波長がレーザ内に構成されたグレーティングにより固定されているため、波長変換素 子の位相整合波長に正確にチューニングさせることができる。また、レーザ光は、ファ ィバー増幅器により増幅すれば、ファイバーの非線形効果による波長スペクトルの増 大 (ブロード化）が抑圧できるため、高効率の波長変換が可能となる。
[0041] DFB、 DBRレーザ等の半導体レーザは高速で出力を変調することができる。この ため、ファイバー増幅器および波長変換素子により波長変換した光を高速に変調可 能という利点を備える。ドープファイバー 105および 106に入射するマスター光源 10 1および 103のレーザ光をパルス駆動すれば Qスィッチ動作が可能となり、尖塔値の 高いパルス光が発生可能である。 SHGおよび SFG波長変換素子 107および 108に おいては、非線形光学効果を利用している。そのため、パワー強度が増大すれば、 変換効率は飛躍的に増大する。このため尖塔値の高いピークパワーを用いることは、 通常の CW光に比べて、変換効率を何桁も向上できるという点で有利である。半導体 レーザを光源として用いることは、出力変調および Qスィッチ動作による変換効率向 上の点で有利である。
[0042] 半導体レーザを利用する場合には、幾つかの注意すべき点もある。
[0043] 一つは、半導体レーザを変調する場合には、出力変調と同時に波長が変動するチ ヤービングを抑圧することが望ましい。チヤ一ビングが発生すれば、 SFG素子 107お よび SHG素子 108の有する位相整合波長許容度内からレーザ光の発振波長が外 れ、変換効率が低下し、出力される変調波形が歪むといった問題が生じることがある 。これを防止するには、レーザ光源に 3電極構造の DBRレーザを使用することが望ま しい。 DBRレーザに駆動電極、 DBR電極、位相電極の 3電極を構成し、出力変調と して駆動電極部分へ入力される変調波形と、位相電極部分へ入力される変調波形を 同時に加えることによって、半導体レーザ内への電流注入により発生する熱を相殺し 、レーザのチヤ一ビングを防止できる。この構成をファイバー増幅器に含まれるボン プ光源 102および 104に適用すれば、ドープファイバー 105および 106から出射さ れるレーザ光のチヤ一ビングを抑圧することができ、波長変換素子である SHG素子 1 07および SFG素子 108による波長の変換を高効率で実現することができる。
[0044] もう一つの問題として、マスター光源 101および 103をパルス駆動して Qスィッチ動 作させる際、パルス波形整合を正確にとる必要がある。図 3を参照し、ファイバー増幅 器をパルス駆動する方法について説明する。マスター光源 103を駆動する電源 109 aをパルス駆動電源とし、マスター光源 103の出力をパルス状に発生させることで変 換効率の向上を図れる力 その場合には、 Erまたは Er/Ybレーザ 103、 104、およ び、 106をパルス駆動することが望ましい。その理由としては、波長変換素子の変換 効率は基本波の波長の 3乗に逆比例する点が挙げられる。基本波を発する光源とし ては Erまたは ErZYbレーザ 103、 104、および、 106の波長が 1540nmと一番長い ため、その変換効率は、光源中で最も低い。これを改善するには、この基本波を発す る光源をパルス駆動し変換効率の向上を図ることが有効である。即ち、最も波長の長 い光源をパルス駆動することが、変換効率の向上に最も効果的である。 Erまたは Er ZYbファイバー増幅器であるドープファイバー 106に入射するマスター光源 103を パルス駆動すると、変換効率が向上する。
[0045] さらには、 SFG素子 108の高効率化の点からは、 SFG素子 108に入射する 2つの 光が共にパルス駆動すれば、より高い変換効率が実現できる。しかし、 SFG素子 10 8に入射する 2つの光の光源であるドープファイバー 105および 106から出射するパ ルス光が時間的に同期していなければ、 SFG素子 108内で 2つのパルス光のピーク が重なることはなぐ高効率ィ匕は望めない。図 4を参照すれば、 2つのマスター光源 1 01および 103を共にパルス駆動する構成が示される。マスター光源 101および 103 は、同一のノ ルス駆動電源 109aまたは同期したパルス駆動電源により駆動されるた め、ドープファイバー 105および 106から出射されるパルス光は、時間的に同期され る。図 4に示す構成により、単一のパルス駆動電源 109によって 2つのマスター光源 1 01および 103のパルス発振は同期され、ドープファイバー 105および 106から同時 的にパルス光が発生するように制御することができる。
[0046] SHG素子 107および SFG素子 108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適である。分極反転構造を有する波長変換素子 としては、 KTiOP4、 LiNb03、 LiTa03、または、 Mgをドープした LiNb03、 LiTa 03もしくはストィキォ LiNb03、 LiTa03等が好ましい。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。 [0047] また、これらの結晶は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 いう利点を有する。この特徴を利用することにより、単一の光学結晶による青色光の 発生も可能である。図 5は、 SHG素子 401と SFG素子 402とをモノリシックに構成し た波長変換素子を備えた本実施形態による光源の構造を示す図である。分極反転 の周期を設計することで SHG素子 401と SFG素子 402を同一結晶状に形成するこ とができる。素子 401および 402を構成する結晶としては、 Mgドープの LiNb03を用 いることができる。例えば、光源であるドープファイバー 106からは波長 1540nmの 基本波 202が出射され、ドープファイバー 105からは波長 1080nmの基本波 201が 出射される。ここでは、これら基本波 201および 202の波長はマスター光源 101およ び 103の発振波長により決定されるものであって、発振可能な波長は、これら例示し た波長のみに限定されるものではない。この例の場合、波長変換素子の 1つである S HG素子 401は周期 27. 2 mの分極反転構造を有し、 SFG素子 402は周期 4. 1 μ mの分極反転構造を有する。これら異なる 2つの周期を有する分極反転構造を 1 つの Mgドープの LiNb03結晶に形成する。 SHG素子 401は 1540nmの光（基本波 202)を 770nmの SHG光【こ変換し、次!ヽで SFG素子 402【こよって、 770nm( SH G光と 1080nmの光（基本波 201)との和周波を有する光である波長 450nmの青色 光が発生される。また、 SHG素子 401と SFG素子 402とを一つの結晶上に形成する ことは、光源の簡素化、小型化に寄与する。
[0048] なお、本発明の構成ではマスター光源 101および 103として半導体レーザを用い た力 ファイバーレーザや、固体レーザ光源をマスター光源として利用できる。
[0049] なお、本実施形態の構成においては、 2つの光源に、ファイバー増幅器 102、 104 、 105、および、 106を含む。だが、固体レーザ光源を利用することも可能である。一 方または両方のレーザ光源として固体レーザ光源や半導体レーザを用いることも可 能である。例えば、波長 980nmの光を発する半導体レーザと、 1550nmのファイノく 一レーザ光源を用い、ファイバーレーザ光源から出た光を SHG光に変換し (光の波 長を元の半分に変換し）、 775nmの SHG光と 980nmの基本波の和周波を発生させ ることで 430nmの青色光を発生させることができる。半導体レーザ光源は小型化が 可能であり、本発明に力かるコヒーレント光源の小型化、低コストィ匕に有効である。 [0050] なお、本実施形態の構成としてレーザ増幅器としてファイバーレーザを用いたが、 その他、半導体増幅器をファイバーレーザの代りに利用することも可能である。半導 体増幅器は電流励起が可能なため、光源の小型化に有効である。
[0051] ドープファイバー 106としては Erまたは ErZY ドープファイバーを用い、ファイバ 一増幅器であるドープファイバー 105として Ybドープファイバーを用いれば、 380〜 41 Onm近傍の青色光の発生も可能である。
[0052] なお、ファイバー増幅器としては上記レーザ以外に、 Nd、 Pr、 Cr、 Ti、 V、 Ho元素 のイオンのいずれか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 10 60nm近傍の発光が容易になる。 Nd以外の上記イオンに関しても、それぞれ異なる 波長の光源が実現できる。
[0053] (第 2の実施形態）
本実施形態によるコヒーレント光源は、複数の波長域 (例えば、青色と緑色の 2つの 波長域)でピークを有するコヒーレント光を同時に発生可能な構成を有する。図 6は 本実施形態のコヒーレント光源の構成図である。 ErZYbドープファイバーであるドー プファイバー 302から出射した波長 1540nmの光は SHG素子 107により波長 770η mの SHG光に変換される。 Ybドープファイバーであるドープファイバー 301から出射 した波長 1080nmの光と、波長 770nmの SHG光は、 SFG素子 108により波長 450 nmの青色光である SFG光 110に変換される。さらに SFG素子 108により変換されず に出射した波長 1080nmの光は分離され、第 2の SHG素子 303〖こより波長 540nm の緑色光である SHG光 304に変換される。本実施形態のコヒーレント光源は、緑色 光（例えば、波長 540nmの光）と青色光（例えば、波長 450nmの光）の同時発生が 可能である。本実施形態のコヒーレント光源は、 SFG素子 108により変換されなかつ た波長 1080nmの基本波を利用して SHG光 304を発生する。そのため、光源全体 として、利用効率は向上され低消費電力化が可能となる。また、一つの光源により青 色、緑色の同時発生が可能となるため、光源の小型化、簡素化が可能である。
[0054] さらに、図 7Aに示すように SHG素子 401、 SFG素子 402、 SHG素子 403を一つ に集積 (モノリシック化)することで光源の小型化を実現できる。波長変換素子 401、 4 02、および、 403は、 Mgドープの LiNb03結晶上に、波長 1540應の基本波 202 の SHG素子 401である部分に、周期 27. 2 mの分極反転構造を、 SFG素子 402 である部分に周期 4. 1 μ mの分極反転構造を、波長 1080nmの SHG素子 403であ る部分に周期 7. 3 mの分極反転構造をそれぞれ形成すればよい。基本波 202は SHG素子 401により SHG光 203に変換され、 SHG光 203と基本波 201は SFG素 子 402により SFG光 404に変換される。さらに基本波 201は SHG素子 403により SH G光 405に変換される。 SHG素子 401および 403ならびに SFG素子 402をモノリシ ック化することで、光源の構成が単純化され、小型化、低コスト化が可能となる。周期 状の分極反転構造は周期を設計するだけで SFG、 SHG等に自由に制御できるため モノリシック化に非常に有効である。
さらに、第 2の和周波素子である SFG素子 406を備えることで、赤、青、緑の 3波長 同時発生が可能となる。図 7Bにその構成を示す。波長変換素子は、 SHG素子 401 および 403、ならびに、 SFG素子 402、および 406を含む。また、波長変換部である 波長変換素子 401、 402、 403、および、 406を一つの基板に集積することで光源の 小型化も可能となる。波長変換素子は、 Mgドープの LiNb03結晶上に、波長 1540 nmの基本波 202の SHG素子 401である部分として、周期 27. 2 mの分極反転構 造を、 SFG素子 402である部分として周期 4. 1 μ mの分極反転構造を、 SFG素子 4 06である部分として周期 11. 7 mの分極反転構造を、波長 1080nmの SHG素子 403である部分として周期 7. 3 /z mの分極反転構造をそれぞれ形成すればよい。波 長 1540nmの基本波 202ίま SHG素子 401【こより波長 770nmの SHG光 203【こ変換 され、波長 770nmの SHG光 203と波長 1080nmの基本波 201は SFG素子 402に より波長 450nmの SFG光（青） 404に変換される。さらに波長 1080nmの基本波 20 1は SHG素子 403〖こより SHG光（緑) 405〖こ変換される。さら〖こ、波長 1080nmの基 本波 201と波長 1540nmの基本波 202は、 SFG素子 406により波長 635nmの SFG 光 (赤) 407に変換される。以上の結果、赤 (R)、緑 (G)、および、青 (B)の同時発生 が可能となる。本光源の発する 3色の光の波長はいずれも視感度が高ぐディスプレ ィ用途への応用に非常に適している。さらに、 2つの基本波光源で 3色同時発生が可 能となるため基本波の利用効率を高めることが可能となる。波長変換の順番としては 、 1540nmの SHG光への変換が第一であることが好ましい。先述した通り、波長が 最も長 、ため変換効率が最も低 、からである。そしてその後に和周波の青色光発生
、さらに和周波の赤色発生を行うことが望ましい。そして、最後に、 1080nmの SHG 光である緑色光を発生させる順番が好ましい。変換効率の低い順に変換を行い。余 つた光でさらに変換することで、利用効率の向上が図れ、光源全体の高出力化が可 能となる。また、緑色光の発生は、波長 1540nmの光の出力を停止、少なくとも低下 させれば、 2つの和周波発生が停止、少なくとも抑圧され、 1080nmの光を緑色光の みの発生に利用できる。よって、赤、青の発生とは別に、緑単独での高出力発生も可 能である。 RGB光源をレーザディスプレイに利用する場合、視感度の関係より緑色 光のパワーは赤、青のパワーより高い出力が要求される。本発明の構成は、緑色光 を他の光より効率的に利用できるため、好ましい。基本波光源の波長範囲としては波 長 1550± 50nm近傍の波長と、 1080± 50nm近傍の波長を用いれば、 RGB光の 同時発生が可能である。 Erドープファイバーを用 、れば波長 1550士 50nm近傍の 光力 また Ybドープファイバーを用いれば 1080± 50nm近傍の光が出力可能であ る。この波長範囲の光源を用いれば、赤色領域では 610 660nm、青色領域では 4 30 470nm、緑領域では 515 565nmの光が発生できる。
さらに、光源 103 104、および、 302の発する光の波長 ίま、 1500力ら 1570nm力 S 好ましい。その理由は、波長が 1570nm以上になれば、 1060nm近傍の波長を有す る他方の光源 101 102、および、 301との和周波で発生する赤色光の波長が 640η m以上になるため、ディスプレイ等で利用する場合は視感度が低下する。？見感度が 低下すると必要となるパワーが増大するため、消費電力が大きくなる。そのため赤色 の波長は 640nm以下が好ましい。この条件を満足するためには、光源 103 104 および、 302の発する光の波長は 1570nm以下であることが望ましい。一方、光源 1 03 104、および、 302の発する光の波長が 1500nm以下になると、赤色の波長が 6 20nm以下になる。赤色の波長が 620nm以下になると、赤色の表示範囲が狭くなり 、色再現性が劣化する。そのため、赤色の波長 620 以上を出すために、光源 103 104、および、 302の発する光の波長は 1500nm以上であることが好ましい。さらに 好ましくは 1540 1560nm力よい。その理由は、 ErZYbドープファイバー 302にお V、てポンプ光に対する変換効率が最も高 、からである。 [0057] 一方、光源 101、 102、および、 301の発する光の波長は 1060nmから 1090nmが 好ましい。この波長域は、 Ybドープファイバーレーザ 301での変換効率が高い領域 であるため、低消費電力化が可能である。さらに好ましくは 1065〜1080nmがよい。 この波長域を用いれば、高 、色再現性が可能となるからである。
[0058] 図 8および図 9に、 RGB同時出射可能な光源の構成例を示す。図 8に示す光源に お ヽては、第 1の光源咅 101、 102、 301力らの 1554nmの光と第 2の光源咅 103、 104、および、 302力らの 1084nmの光を用いて、 RGB同時発生を行う。
[0059] 1084nmのレーザ光の一部は SHG素子 501により 542nmの緑色光に変換され、 542nmの光は外部に取り出される。 1554nmのレーザ光の一部は 1084nmのレー ザ光と合波され SFG素子 503により和周波 639nmの赤色光を発生し、赤色光は外 咅〖こ取り出される。さら〖こ、 1554nmの光は SHG素子 505〖こより 777nmの光〖こ変換 され、 777nmの光と 1084nmの光は SFG素子 507によりの和周波に変換され 457η mの青色光を発生する。このような構成により、 2つの光源部から RGB同時発生が可 能となる。
[0060] 次に、図 9に示す光源の構成について説明する。第 2の光源部 103、 104、および 、 302から出た 1554nmのレーザ光の一部は SHG素子素子 511により 777nmの光 に変換される。 777nmの光と 1084nmの光の一部は SFG素子 513により和周波 45 3nmの光に変換され、 453nmの光は外部に取り出される。さらに 1084nmと 1554η mのレーザ光の一部は SFG素子 515により 639nmの和周波に変換される。さらに 1 084nmの光は SHG素子 517により 542nmの緑色光に変換される。
[0061] RGBの変換効率の観点からは、図 9に示す構成が好ましい。先述の通り、波長変 換の効率は波長が長いほど低下する。このため、 1554nmを 777nmに変換する効 率が最も低くなるため、最初に変換を行うことで高効率ィ匕が図れる。
[0062] これまで示したように、図 7B、図 8、および、図 9の構成においては、 RGBの同時出 力が可能である。これより、 RGB光源の出力切り替え方式について説明する。
[0063] RGB光の発生が可能な光源を、レーザディスプレイ等に使用する場合、 RGBの出 力をそれぞれ切り替えて使用することで、低消費電力化が可能となる。ここでは、出 力を切り替える方法について説明する。緑色光に関しては、 1540nm近傍の基本波 発生を止めることで（第 2の光源部 103、 104、および、 302の出力の停止で）、和周 波が発生しなくなるため、波長 1080nmの基本波の SHG光である 540nmの緑色光 を効率よく取り出すことができる。つまり、緑色光の発生は、 1540nmの基本波の on Zoffで切り替え可能である。
[0064] 一方、青色と赤色の切り替えであるが、波長 1540nmと 1080nmの基本波は同時 に発生させた状態で、波長 1540nmの基本波を SHG光に変換する波長変換素子（ 例えば、 SHG素子 505)により切り替え可能となる。 SHG素子の入れ替え、電界印 カロ、または、温度制御等により位相整合条件をずらすことで、 770nmの SHG光発生 強度を制御することができ、青色と赤色の切り替えが可能となる。 770nmの光が on ( 発生強度が大きい）時は 450nm近傍の青色光発生が強くなり、 off (発生強度が小さ い）時は、波長 640nm近傍の赤色光発生が強くなる。上記方法により RGBの強度切 り替えが可能となり、出力のバランスを取る場合の調整も可能となる。また RGBのうち 赤緑、青緑、赤青等の 2色光のみ発生する場合にも同様の手法で切り替えが可能と なる。
[0065] さらに、分極反転構造をもちいれば、 RGB発生に必要な、 2つの第 2高調波発生素 子と 2つの和周波発生素子を 1つの基板にモノリシックに形成することも可能である。 光源の簡素化、小型化が可能となる。
[0066] 本発明による光源を、カラーディスプレイに用いる RGB光源として利用する場合、 R GBを出力切り替えして出力することが望まれる。 R, G, Bのそれぞれの画像を時間 毎に切り替えることで、カラー画像を構成することができる。この場合、光源としては R GB出力を切り替えることで、画像変換部である、単一の画像変換素子を用いてカラ 一画像に変換できる。
[0067] 本発明の構成では 1554nmの光の発生をスイッチングすると、 1554nmの光が on の場合は RGB同時出力、 offの場合は 542nmの緑色のみ出力することになる。この ように、光源の出力を切り替えて使用することで、効率よく画像出力が可能となる。
[0068] さらにカラー画像を構成する場合、緑色の輝度が最も必要とされる。図 10Aは、第 1 の光源部 101、 102、 301の onZoffパターン例 601および第 2の光源部 103、 104 、および、 302の onZoffパターン例 603を示す。図 10Bは、 2つの駆動電源 109b がそれぞれ、マスター光源 101またはポンプ光源 102をパターン 601で駆動し、マス ター光源 103またはポンプ光源 104をパターン 603で駆動する様子を示す図である 。このようにして 2つの光源部を駆動すれば、パターン 601および 603が同時に onに なっている間、 2つの光源部は共に on状態となり、 RGBの同時発光が可能となる。一 方、パターン 601が offかつパターン 603が onになっている間は、緑色の単独発光が 可能となる。従って、本発明の構成で RGBの同時発生と緑色の単独発生を切り替え ることで、緑の積算光量が増加し、より輝度の高い像が実現できる。
[0069] さらに 1554nmの光源を onZoffして出力を切り替える場合、図 8の構成に比べて 、図 9の構成では、より効率よく緑色光を取り出すことが可能となる。 1554nmの光出 力を offにした場合、 1084nmの光は途中の素子で変換されなくなり、 SHG素子 51 7に直接到達する。このため 1084nmの光の変換ロスが低下し、 SHG素子 517にお いて高効率で緑色光発生が可能となる。一方、 1554nmが onの場合、緑色光を発 生する前に B, Rを出力できるため、高効率で波長変換が行え、光源の利用効率が 高くなる。以上の理由で基本波を切り替えて出力する場合は、緑色光をより効率的に 取り出すことが可能となる。
[0070] 同様の利点が図 7Bでも利用できる。緑色発生用の SHG素子 403を最終段に配置 することで、 1064nmと 1554nmの出力を切り替えて RGB同時発生と緑色光で切り 替える場合に緑色発生の効率を高くできる。
[0071] (第 3の実施形態）
ここでは、ファイバー増幅器 (ポンプ光源およびドープファイバー）をモノリシック化し た構成を有する光源について説明する。本実施形態においては、ファイバー増幅器 として Erと Ybを同時にドープしたドープファイバー 204を用いる。ドープファイバー 2 04は、波長 975nmまたは 915nmのポンプ光源 102でポンプすることによりファイバ 一増幅器として機能する。このファイバー増幅器は 1540nm近傍および 1080nm近 傍の波長域で増幅作用を示す。このファイバー増幅器にマスター光源 101、 103より 光を入力すると、マスター光源の波長がドープファイバー 204により増幅される。例え ば、マスター光源 101を波長 1080nm近傍の光源とし、マスター光源 103を 1540η m近傍の光源とすると一のドープファイバー 204により異なる波長の光を発振すること 力 Sできる。図 11の構成では、マスター光源 103、 101を同時に発光させることで、ドー プファイバー 204から、 1540nm、 1080nmの波長を有する光を同時に出射すること が可能である。これを SHG素子 107と SFG素子 108により波長変換することで、第 1 の実施形態にて説明した波長変換素子構成で青色の SFG光 110を発生することが 可能となる。ファイバーレーザを一体ィ匕することでファイバーからのレーザ光を合波す る光学系が不要となり、光学系の簡素化、小型化、低コストィ匕が可能となる。
[0072] さらに、緑色光発生にも利用できる。図 12Aは本発明の他の構成のコヒーレント光 源である。上記構成に SHG素子 403を加え、波長 1080nmの基本波 201を波長 54 Onmの緑色光 405に変換している。本構成の光源は、青色光、緑色光の同時発生 が可能である。さらに、 2つの光は同軸で発生するため、レーザ光を利用する光学系 が非常に簡素になるという効果を奏する。
[0073] 図 12Bは、図 12Aに示す光源を構成する波長変換素子の一部に、 SFG素子 406 をさらに加えた波長変換素子を有する光源の構成図である。このような構成にするこ とにより、上述のように、 RGBの同時発光が可能な光源が構成される。
[0074] 図 13は、波長板 2002を有する光源の構成図である。本構成の光源は、 ErZYbド ープファイバー 204において、 1064nmと 1550nmの光を同時に発生し、波長変換 素子咅である素子 401、 402、 403、および、 406【こより RGBの 3色【こ変換する光源 である。ファイバーレーザ 204で 2波長を同時に発生するため、ポンプレーザによるゲ インを 2つの波長の発振が取り合うことになり、発振が不安定になる場合がある。これ を防止する方法としては、 2つのマスター光源 101および 103の光の偏光方向を直 交させ、互いの干渉を防止することが好ましい。本構成においては、ファイバー 204 は偏波保存ファイバーであることが好ましい。なぜならば、直交する 2つの偏光が互 いに干渉しないことが好ましいからである。マスター光源 101、および、 103からの光 を、互いに直交する偏光として入力することで、 1550nmと 1064nmの光は、互い直 交する偏光として発振し、出力の安定ィ匕が図れる。しかし、波長変換素子に入力する 際には、 2つの光を同一偏光にする必要があるので、波長板 2002を、光源部と波長 変換部との間に挿入し、 2つの波長の偏光を同一偏光に変換して波長変換素子に 入射する。 [0075] 図 14は、 2つの、波長の異なるポンプ光源を用いる光源の構成図である。ポンプ光 源 102は、波長 915nm、ポンプ光源 1002は波長 1480nmの光源である。ポンプ光 源 102は 1550、および、 1064nmの両方の発光ゲインを励起する力 1480nmの 光は 1550nmのみの励起作用を有する。このため、ポンプ光源 102および 1002の それぞれのパワーを制御することで 1064nmと 1550nmの光の発生を制御し安定化 が図れる。
[0076] なお、ポンプ光源 1002の波長としては 1480nm以外に 920— 970nmの領域も利 用できる。
[0077] なお、ファイバー 204としては偏波保存ファイバーを用い、 1550、および、 1064η mの 2波長の偏光を分離することでより安定な 2波長発生が可能となる。
[0078] なお、本発明の構成は、ポンプレーザにより励起されたファイバーに 2つの波長の 異なるマスターレーザを用いた構成である力 その他、さらに異なる波長の光を発す るマスターレーザを含む構成も有効である。例えば、波長 1080nmの光を発する光 源に加えて波長 1040nmの光を発する光源をカ卩え、波長 1040nmの光を受けて、そ の第 2高調波を発生する波長変換素子を追加することにより、上記に加えて波長 52 Onmの SHG光を発生させることができる。マスター光源の発する光の波長の種類を 増加させれば、本光源の出射可能な光の波長の種類を増加させることができ、マスタ 一光源が発する光の波長を切り換えることで発生する光の波長を切り換えることも可 能となる。本光源により発生する光の波長を多様に切換可能とすれば、本光源をディ スプレイ装置の光源として用いた場合、ディスプレイ装置の表現可能な色範囲を拡 大することができる。
[0079] なお、本実施形態は、マスターレーザの光をファイバ一により増幅する構成を有す る。し力しながら、本発明は、そのような構成に限定されず、ファイバーグレーティング を用いた共振器によるレーザ発振を行う構成も含む。この共振器は、ファイバーレー ザの互いに離れた 2力所にファイバーグレーティングを備える構成を有し、これらファ ィバーグレーティングの間で光を共振させることが可能である。そのため、ポンプレー ザのみで 2つの波長のレーザ発振が可能である。このようなグレーティングを用いて レーザの共振を行う場合は、マスター光源は不要である。よって、本光源の構成の簡 素化、および、低コストィ匕に有効である。これらファイバーグレーティングは、所望の 2 つの異なる波長でブラッグ反射が生じるように異なる周期のグレーティング構造を備 えることが好ましい。共振構造を有するファイバーレーザの場合、ファイバーレーザは 、偏端保存ファイバーを用い、異なる偏光方向に異なる波長の光を励起する構成が 望ましい。ひとつのファイバー内で 2つの波長が励起されるとファイバーのゲインを互 いに奪い合うことがある力 偏向方向が異なるように励起すれば、ゲインの奪い合い が抑止され、出力の安定した 2波長発振が可能になる。
[0080] さらに、後述するが、本発明のコヒーレント光源をレーザディスプレイ装置に利用す る場合でも有利である。その理由の一つには、光源の光軸が一致している点が挙げ られる。光軸が一致していることで、 RGB光源を用いてディスプレイを構成する光学 系が簡素化される。もう一つの点は、レーザディスプレイを構成する場合、 RGB (赤、 青、緑)の 3原色光源を利用するが、光源としては、同時に発生する場合と、それぞ れを単独で光らせて、繰り返し交互に光らせる場合とで、レーザに利用効率を向上さ せることが可能となる。また、 DMDまたは反射型液晶パネルを用いて画像変換する 場合に、 RGB光を切り替えることで、パネルの単板ィ匕が可能となり小型化、低コスト 化が可能となる。本発明の構成はこの順次点灯に有効である。外部変調器で光源の 出力を変調する場合では、 RGBの 3原色光は連続発振しているため、この順次点灯 方式を用いた場合の 3倍の消費電力が必要となる。本発明で青、緑の順次点灯を行 う場合、まず、緑色光を出すときは波長 1540nm近傍マスター光源 103を停止する。 するとファイバーからは 1080nm近傍の光のみが出射されて波長 540nmの緑色の S HG光 405のみが出射される。また青色光を出す場合、マスター光源 101、 103を同 時に発光させる。この場合では、青色光のみを出射することは難しいが SFG素子 40 2の変換効率を向上することで緑色光の発生を大幅に低減できる。マスター光源 101 、 103の切り替えで青色、緑色光の発生を切り替えることができるため、青、緑の順次 点灯が可能となり、消費電力を大幅に低減できる。
[0081] (第 4の実施形態）
ここでは、本発明にかかる実施形態であるコヒーレント光源を用いた光学装置であ るレーザディスプレイにつ 、て説明する。 [0082] 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。しかしながら 、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 ト光源はファイバーレーザを用いて高出力化が容易であるため、大画面のレーザディ スプレイが実現できる。ファイバーレーザを用いた光源として、緑、青、または赤、緑、 青の同時発生光源を利用することができる。
[0083] 図 15は、これらの光源 801を備え、 2次元スィッチである液晶パネルすなわち画像 変換部により 2次元的な光の強度分布を制御し、つまり、画像変換を行い、スクリーン 上に映像を投影するレーザディスプレイの構成図である。コヒーレント光源 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 8 04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。拡散板は揺動機構により位置変動しており、スクリーン上で 発生するスペックルノイズを低減して 、る。本発明のコヒーレント光源は外部の温度 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た。 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、簡素化が可能で ある。
[0084] なお、 2次元スィッチとしては、液晶パネル以外にも、反射型液晶スィッチ、 DMDミ ラー等の利用も可能である。
[0085] また、本発明に力かるレーザディスプレイ装置として、図 16に示す方式も有効であ る。コヒーレント光源 901から出射したレーザ光はミラー 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ィッチ機 能があればなおよい。本発明のいずれかの実施形態によるコヒーレント光源 901は、 高出力化が可能であり、出力安定化に優れる。温度制御素子はなくとも、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。
[0086] またビーム品質が高!、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 、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る。
[0087] また、本発明に力かるレーザディスプレイ装置として、図 17に示す方式も有効であ る。図示しない本発明によるコヒーレント光源より出射された R、 G、 Bの 3色の光は、 それぞれレンズ 913r、 913g、および、 913bに入射して拡大され、光量均一化光学 系（インテグレータ） 907を通った後、 2次元スィッチである液晶パネル 909により画像 に変換され、合波プリズム 911およびレンズ 915を通ってスクリーン 905上に映像を 投影する。
[0088] なお、本発明によるコヒーレント光源を、ディスプレイ装置に用いる場合、レーザ光 のコヒーレンス（可干渉性）の高さによりスペックルノイズが生じることがある。スペック ルノイズは、スクリーン等で反射されたレーザ光が互いに干渉することで発生し、画質 を低下させる。そのため、光源の発する光のコヒーレンスを低下させることが望ましい
[0089] 図 18は、本発明によるコヒーレント光源に非線形ファイバー 3007を加えた構成を 示す。波長変換素子から出射された RGB光を非線形ファイバー 3007に結合、導波 させる。非線形ファイバー 3007を導波した光は非線形効果によりラマン散乱が発生 し、発振スペクトルが拡大する。波長変換素子部 401、 402、 403、 406等に入射す る前のレーザ光は変換効率を高めるため、 0. 1〜0. 2nm程度の狭帯域特性を有す ることが好ましいが、波長変換素子部 401、 402、 403、 406等を出射した光は、非 線形ファイバー 3007により 10nm程度にスペクトル拡大を行い、コヒーレンスを大幅 に低下させることが望まし 、。このように非線形ファイバー 3007を光源の構成の一部 に追加することでスペックルノイズのない高画質のディスプレイが実現可能となる。
[0090] また、光学装置としては、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、光ディスク等への応用にも有効である。
[0091] 本発明の構成では、光源部を構成するファイバーレーザとしてポンプレーザとマス ター光源を利用した構成を用いた。しかし、ファイバーレーザは、マスター光源を用 いず、グレーティングファイバー（図 2参照）とポンプ光源で構成することもできる。 産業上の利用可能性
[0092] 以上述べたように、本発明のコヒーレント光源は、波長変換を利用して青色光発生 を可能にする構成である。特に高出力化が容易なファイバー増幅器を利用したレー ザ光源において高出力の青色光発生が可能となるためその実用効果は大きい。
[0093] さらに、 2つの波長のレーザ光から、青と緑の発生、または赤青緑の同時発生およ び、出力の切り替えが可能となる。単一光源で高輝度の RGB光がえられるため、そ の実用効果は大きい。
[0094] 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 なり、その実用効果は大きい。

Claims

請求の範囲
[1] ドープファイバーを備え、前記ドープファイバーにより、第 1波長の光と第 2波長の光 を出射する光源部と、
前記第 1波長の光を受け、前記第 1波長の光よりも波長の短い光を出射する第 1波 長変換素子を含む波長変換素子部とを有することを特徴とするコヒーレント光源。
[2] 前記第 1波長変換素子は、前記第 1波長の光を受け、前記第 1波長の光の第 2高 調波を出射することを特徴とする請求項 1に記載のコヒーレント光源。
[3] さらに、前記波長変換素子部は、前記第 1波長の光の第 2高調波と前記第 2波長の 光を受け、前記第 2高調波と前記第 2波長の光との和周波を有する光を出射する第 2 波長変換素子を含むことを特徴とする請求項 2に記載のコヒーレント光源。
[4] 前記光源部は、 Er、または、 Erと Ybを含む第 1のドープファイバーと、 Ybを含む第
2のドープファイバーを含むことを特徴とする請求項 1に記載のコヒーレント光源。
[5] 前記第 1波長は、 1540nm近傍の波長であり、
前記第 2波長は、 1080nm近傍の波長であり、
前記波長変換素子部は、前記第 1波長の光および前記第 2波長の光を受け、 450 nm近傍の波長を有する光を出射する、ことを特徴とする請求項 3に記載のコヒーレン 卜光源
[6] 前記波長変換素子部は、さらに、前記第 2波長の光を受け、前記第 2波長の第 2高 調波を出射する第 3波長変換素子を含むことを特徴とする請求項 3に記載のコヒーレ ント光源。
[7] 前記波長変換素子部は、さらに、前記第 1波長の光と前記第 2波長の光を受け、前 記第 1波長の光と前記第 2波長の光の和周波を有する光を出射する第 4波長変換素 子を含むことを特徴とする請求項 6に記載のコヒーレント光源。
[8] 前記第 1波長変換素子は、前記第 1波長の光の少なくとも一部を受け、
前記第 2波長変換素子は、前記第 1波長変換素子から出射する光の少なくとも一 部と前記第 2波長の光の少なくとも一部を受け、
前記第 3波長変換素子は、前記第 2波長の光の少なくとも一部を受けることを特徴 とする、請求項 6に記載のコヒーレント光源。
[9] 前記第 1波長変換素子は、前記第 1波長の光の少なくとも一部を受け、 前記第 2波長変換素子は、前記第 1波長変換素子から出射する光の少なくとも一 部と前記第 2波長の光の少なくとも一部を受け、
前記第 3波長変換素子は、前記第 2波長の光の少なくとも一部を受け、さらに、 前記第 4波長変換素子は、前記第 1波長の光の少なくとも一部と、前記第 2波長の 光の少なくとも一部とを受けることを特徴とする、請求項 7に記載のコヒーレント光源。
[10] 前記第 1波長変換素子および前記第 2波長変換素子の少なくとも一方は、周期状 分極反転構造を備える Mgドープ LiNb03、 Mgドープ LiTa03、 KTiOP04、ストイ キォメトリック組成の Mgドープ LiNb03、および、ストィキオメトリック組成の Mgドープ LiTa03の少なくともひとつを含むことを特徴とする請求項 3に記載のコヒーレント光 源。
[11] 前記光源部は、さらに、前記ドープファイバーに入射される光を発生するマスター 光源を有することを特徴とする請求項 1に記載のコヒーレント光源。
[12] 前記光源部は、パルス状の光源部駆動用エネルギを供給する駆動装置と接続可 能であることを特徴とする請求項 11に記載のコヒーレント光源。
[13] 前記光源部は、 2つのドープファイバーと 2つのマスター光源を備え、
前記 2つのマスター光源は、前記駆動装置と接続可能であり、同一の周期および 位相を有するパルス状のエネルギの供給を受けて動作することを特徴とする請求項 1
2に記載のコヒーレント光源。
[14] 前記ドープファイバ一は、 Yb、 Er、 Er/Yb, Nd、 Pr、 Cr、 Ti、 V、および、 Hoの少 なくともいずれ力 1つの元素を含むことを特徴とする請求項 1に記載のコヒーレント光 源。
[15] 前記第 1波長変換素子と、前記第 2波長変換素子とは、単一の非線形光学結晶構 造を有することを特徴とする請求項 3に記載のコヒーレント光源。
[16] 前記光源部は、単一のドープファイバーを備えることを特徴とする請求項 1に記載 のコヒーレント光源。
[17] 前記ドープファイバ一は、 ErZYbドープファイバーであることを特徴とする請求項 1 6に記載のコヒーレント光源。
[18] 前記 2つのマスター光源のうち少なくともひとつは、半導体レーザ光源であることを 特徴とする請求項 13に記載のコヒーレント光源。
[19] さらに、前記波長変換素子部の出射する光を受ける光ファイバ一を有することを特 徴とする請求項 1に記載のコヒーレント光源。
[20] ドープファイバーを備え、前記ドープファイバーにより、第 1波長の光と第 2波長の光 を出射する光源部と、前記第 1波長の光を受け、前記第 1波長の光よりも波長の短い 光を出射する第 1波長変換素子を含む波長変換素子部とを有するコヒーレント光源と 前記コヒーレント光源の出射する光を受け、前記コヒーレント光源の出射する光の 2 次元的強度分布を制御する画像変換部を有することを特徴とする光学装置。
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