WO2007043560A1 - 波長変換モジュール、レーザ光源装置、２次元画像表示装置、バックライト光源、液晶ディスプレイ装置及びレーザ加工装置 - Google Patents

波長変換モジュール、レーザ光源装置、２次元画像表示装置、バックライト光源、液晶ディスプレイ装置及びレーザ加工装置 Download PDF

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Hiroyuki Furuya
Kazuhisa Yamamoto
Kiminori Mizuuchi
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Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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Definitions

  • Wavelength conversion module laser light source device, two-dimensional image display device, backlight light source, liquid crystal display device, and laser processing device
  • the present invention relates to a wavelength conversion module using a nonlinear optical element (wavelength conversion element) used for optical wavelength conversion, a laser light source device using the module, a two-dimensional image display device, a knocklight light source, and a liquid crystal display
  • the present invention relates to an apparatus and a laser processing apparatus.
  • High-power laser light sources are attracting attention as light sources used in laser cache devices or laser displays.
  • high-power laser light sources in the infrared light region solid-state lasers such as YAG lasers, and fiber lasers using fibers doped with rare earths such as Yb and Nd have been developed.
  • Semiconductor lasers using gallium arsenide, gallium nitride, or the like have been developed as high-power laser light sources in the red and blue regions.
  • Nonlinear optical elements include, for example, lithium niobate (LiNbO) and lithium tantalate.
  • LiTaO lithium triborate
  • LiB 2 O LiB 2 O: LBO
  • j8 barium borate j8— BaB 2 O
  • the following nonlinear optical element is used in an apparatus for obtaining an output in the green region.
  • 200-300mW class green laser light can be obtained by using a quasi-phase-matched (QPM) wavelength conversion element consisting of a lithium niobate crystal with a domain-inverted structure. It is preferably used because high conversion efficiency can be obtained by a non-linear optical constant.
  • QPM quasi-phase-matched
  • non-linear optical single crystals such as LBO and KTP are used in apparatuses for obtaining high-power laser light in the green region of several W class.
  • the LBO crystal has a small nonlinear optical constant, it is necessary to form a resonator in order to obtain high conversion efficiency, and to dispose the LBO crystal in the resonator. It has the disadvantage of being complicated and requiring precise alignment.
  • the KTP crystal is larger than that of the nonlinear optical constant force LBO crystal, and therefore has the advantage that high conversion efficiency can be obtained without configuring a resonator, while the fundamental wave and the second generated easily breaks and degrades crystals due to higher harmonics! /
  • Non-patent document 2 reports an example of realizing 3W green light generation.
  • the laser light generated by the fundamental wave light source 101 propagates through the space, is condensed by the condenser lens 102, and enters the wavelength conversion element 103.
  • a part of the incident fundamental wave is wavelength-converted by the wavelength conversion element 103.
  • the generated harmonics and residual fundamental wave are shaped into parallel light by the recollimating lens 104.
  • the measured harmonic and the residual fundamental wave are separated into the harmonic 106 and the residual fundamental wave 107 by the beam splitter 105.
  • the residual fundamental wave of the high-energy energy separated by the beam splitter 105 is processed by the beam damper 108.
  • the KTP crystal and the LBO crystal have the disadvantage that the crystal is easily broken or deteriorated by the second harmonic.
  • the power density of the fundamental wave incident on each wavelength conversion element is reduced, thereby causing deterioration. It is also being studied to suppress it (for example, Patent Document 3).
  • the fundamental wave emitted from the fundamental wave light source 101 is collected by the condenser lens 102a and then enters the first wavelength conversion element 103a.
  • the fundamental wave is wavelength-converted by the first wavelength conversion element 103a and then returned to parallel light by the collimator lens 104a.
  • the harmonic wave 106a is separated by the beam splitter 105a.
  • the residual fundamental wave separated by the beam splitter 105a is condensed by the condenser lens 102b, and then enters the second wavelength conversion element 103b.
  • the residual fundamental wave is wavelength-converted by the second wavelength conversion element 103b and then returned to parallel light by the collimator lens 104b.
  • the beam splitter 105b separates the harmonic wave 106b and the residual fundamental wave 107.
  • the residual fundamental wave 107 is absorbed and diffused by the heat sink 108.
  • a conventional wavelength converter as shown in Fig. 15, for example, when a fundamental wave of 8-9W is input to obtain a harmonic of 3W, the remaining fundamental wave of 5-6W remains. It is emitted as the fundamental wave.
  • Such residual fundamental waves are high-energy energy emitted in a parallel light state.
  • a heat radiation means such as a large beam damper, a heat radiation fin, or a heat sink was required.
  • the wavelength conversion device as described above requires a relatively large device because optical components such as lenses and beam splitters need to be arranged at predetermined locations and light rays can be routed in free space. &) I got it.
  • Such a conventional wavelength conversion device is not used for large-sized devices such as laser processing machines.
  • the power that can be applied In recent years, it has been difficult to introduce into a small consumer device such as a laser display that has been proposed as a new application of laser.
  • the laser light source can be reduced in size by using a fiber laser to narrow the fundamental wave so as to be suitable for wavelength conversion.
  • the wavelength conversion element and various optical components need to be arranged in the same manner as in the conventional configuration, it is difficult to downsize the entire wavelength conversion device even if a fiber laser is used.
  • Patent Document 1 Japanese Patent No. 3261594
  • Patent Document 2 Japanese Patent No. 3424125
  • Patent Document 3 Japanese Patent Laid-Open No. 11 271823
  • Non-Patent Document 1 Applied Physics letters, 59, 21, 2657-5659 (1991)
  • Non-Patent Document 2 Conference on Lasers and Electro -Optics 2005 (CLE O2005), Technical digest, CFL-1 (2005)
  • An object of the present invention is to obtain a large-scale heat dissipation of the residual fundamental wave generated at the time of wavelength conversion when obtaining a high-energy harmonic by converting the wavelength of the fundamental wave using a wavelength conversion element. It is an object of the present invention to provide a downsized wavelength conversion module that can be processed without providing means.
  • a wavelength conversion module includes a first fundamental wave propagation optical fiber for propagating a fundamental wave emitted from a laser light source, and optically coupled to the first fundamental wave propagation optical fiber.
  • a first harmonic propagation optical fiber for propagating the emitted harmonics, and the core diameter of the first harmonic propagation optical fiber is the core of the first fundamental wave propagation optical fiber It is smaller than the diameter.
  • a laser light source device includes the wavelength conversion module, and the wavelength conversion module outputs laser light having an average output of 2 W or more and a wavelength of 200 to 800 nm.
  • a two-dimensional image display device includes the laser light source device. Then, an image is displayed using laser light having an average output of 2 W or more emitted from the laser light source device.
  • a backlight light source includes the laser light source device, and uses a light emitted from the laser light source device to emit a laser beam having an average output of 2 W or more. Illuminate.
  • a liquid crystal display device includes the backlight light source.
  • a laser processing apparatus includes the laser light source apparatus, and processes an object using laser light having an average light source output of 2 W or more emitted from the laser light source apparatus.
  • FIG. 1A is a schematic view of the wavelength conversion module of the first embodiment as viewed from the side
  • FIG. 1B is a schematic view of the wavelength conversion module of the first embodiment as viewed from the top.
  • FIG.2 A graph showing the relationship between the propagation loss of the 1064 fundamental wave and the fiber core diameter of the optical fiber.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the propagation loss of a 1064 fundamental wave and the radius of curvature of the curved part formed in the optical fiber.
  • FIG. 4A is a schematic diagram showing an example of the shape of a coiled curved portion formed in an optical fiber
  • FIG. 4B is an example of the shape of a spiral coiled curved portion formed in an optical fiber
  • 4C is a schematic diagram illustrating an example of the shape of a wavy curved portion formed in the optical fiber
  • FIG. 4D is an example of the shape of the wavy curved portion formed in the optical fiber. It is a schematic diagram which shows.
  • FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a laser light source device according to a second embodiment.
  • FIG. 6A is a schematic diagram showing a side force of a wavelength conversion module including a plurality of wavelength conversion elements on the base of the third embodiment
  • FIG. 6B shows a plurality of bases on the base of the third embodiment
  • FIG. 3 is a schematic view of a wavelength conversion module provided with a wavelength conversion element in which the upper surface force is also viewed.
  • Fig. 7 Fig. 7A is a schematic view of the wavelength conversion module for multi-stage connection (cascade connection) as seen from the side
  • Fig. 7B is a schematic view of the wavelength conversion module for multi-stage connection (cascade connection) as well as the top surface force. is there.
  • FIG. 8 is a schematic diagram of a configuration of a laser light source device using multi-stage wavelength conversion modules.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing an example of a laser display device (two-dimensional image display device) using a laser light source device.
  • FIG. 10A is a schematic diagram showing an example of the arrangement of laser light source devices in the laser display device structure
  • FIG. 10B is a schematic diagram of a cross section taken along the line 10-10 ′ of the schematic diagram of FIG. 10A.
  • FIG. 11 is a diagram showing the color reproduction range of the S-RGB standard and the color reproduction range when a laser beam of 530 nm is selected as green light.
  • FIG. 12A is a schematic configuration diagram showing an example of a backlight device using a laser light source device
  • FIG. 12B is a partially enlarged schematic diagram of the backlight device shown in FIG. 12A.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing an example of a laser processing drawing apparatus using a laser light source device.
  • FIG. 14 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional wavelength converter.
  • FIG. 15 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional wavelength converter.
  • FIG. 1A is a schematic side view of the wavelength conversion module 210 of the first embodiment.
  • FIG. 1B is a schematic top view of the wavelength conversion module 210.
  • FIG. 1B is a schematic top view of the wavelength conversion module 210.
  • 201 is a first fundamental wave propagating optical fiber
  • 202 is a first wavelength converting element
  • 203 is a first harmonic propagating optical fiber
  • 204 is an incident-side group lens
  • 205 Is the exit side assembly lens
  • 206 is the base
  • 207 is the penoleche element
  • 208 is the temperature sensor
  • 209 is the heat sink
  • Reference numeral 310 denotes a laser light source.
  • the first harmonic propagation optical fiber 203 has a curved portion 213 formed by forming the fiber in a coil shape.
  • the first fundamental wave propagating optical fiber 201 and the incident-side group lens 204 are configured so that the incident-side group lens 204 condenses the fundamental wave emitted from the first fundamental wave-propagating optical fiber 201, and the first wavelength Strange It is aligned so as to be incident on the replacement element 202, and is disposed on the base 206.
  • the first harmonic propagating optical fiber 203 and the exit-side assembled lens 205 are coupled to the exit-side assembled lens 205 by combining the harmonics and the residual fundamental wave emitted from the first wavelength conversion element 202.
  • the first harmonic propagation optical fiber 203 is aligned so as to be incident on the base 206.
  • the fundamental wave emitted from the laser light source 310 enters the first fundamental wave propagation optical fiber 201 and propagates through the first fundamental wave propagation optical fiber 201. Then, after exiting from the first fundamental wave propagating optical fiber 201, it is condensed by the incident-side group lens 204 and enters the first wavelength conversion element 202. Since the phase matching wavelength of the first wavelength conversion element 202 changes depending on the temperature of the crystal, it is preferable that the temperature is controlled by the temperature sensor 208 and the Peltier element 207 with an accuracy of about 0. Oe. In the wavelength conversion module 210, the temperature fluctuation is suppressed by providing the heat sink 209.
  • a part of the fundamental wave incident on the first wavelength conversion element 202 is wavelength-converted into a harmonic.
  • the harmonics incident on the first harmonic propagation optical fiber 203 propagate in the first harmonic propagation optical fiber 203 in a single mode. Since the core diameter of the first harmonic propagation optical fiber 203 is smaller than the core diameter of the first fundamental propagation optical fiber 201, the residual fundamental wave passes through the first harmonic propagation optical fiber 203. When it propagates, it loses, and the energy of the loss is released as surface heat.
  • the core diameter of the first harmonic propagation optical fiber 203 is made smaller than the core diameter of the first fundamental propagation optical fiber 201, and the cutoff wavelength of the first harmonic propagation optical fiber 203 is set to the first wavelength.
  • the first fundamental wave propagation optical fiber 201 needs to be linearly polarized light along a specific crystal axis when entering the first wavelength conversion element 202, a general single mode fiber is not used. Nagu PANDA fiber, bow tie fiber, etc. It is desirable to use a card fiber or the like.
  • the first harmonic propagation optical fiber 203 a general single mode fiber or a polarization maintaining fiber is used depending on the application.
  • FIG. 2 shows an example of the results of our experiment, in a single mode optical fiber.
  • the propagation loss of the fundamental wave of 1064nm is less than 0.5dBZm in an optical fiber with a core diameter of 6m, which is optimal for the propagation of the fundamental wave of 1064nm in single mode. It was.
  • the propagation loss is about 2 to 3 dBZm, Q ⁇ (in an optical fiber with a core diameter of 3 m, which is equivalent to 0.5 times In this way, the propagation loss is 30 dBZm, which means that the optical fiber core diameter is 6 m, which is optimal for propagating the fundamental wave of 1064 nm in a single mode.
  • the ratio is 9 times or less, the propagation loss is greatly increased.
  • the core diameter of the first harmonic propagation optical fiber 203 with respect to the core diameter of the first fundamental propagation optical fiber 201 is 0.9 times or less, and It can be seen that the energy of the residual fundamental wave after wavelength conversion can be significantly lost in the first harmonic propagation optical fiber 203 by making it 0.8 times or less.
  • the multiplication factor of the first harmonic propagation optical fiber 203 with respect to the core diameter of the first fundamental propagation optical fiber 201 is 0.5 times or more, and the loss of harmonics is sufficiently low. Point power is also preferable.
  • the inventors of the present invention have studied means for increasing the energy loss effect of the residual fundamental wave by the first harmonic propagation optical fiber 203 in the wavelength conversion module 210, and the first harmonic propagation. It has been found that the energy loss of the residual fundamental wave can be greatly increased by forming a curved portion 213 having a specific curvature radius or less in a predetermined portion of the optical fiber 203.
  • Fig. 3 shows the propagation loss of the fundamental wave of 1064nm and the curvature of the coil part of the optical fiber when the coil part is formed in a single-mode fiber with a core diameter of 5 ⁇ m. The relationship with the radius is shown.
  • the propagation loss of the fundamental wave of 1064 nm is 0.4 dBZkm or less when the radius of curvature force exceeds ⁇ Omm.
  • the radius of curvature is 60 mm or less, the propagation loss increases rapidly, and when the radius of curvature is 10 mm, the propagation loss is 4 dBZkm.
  • the fundamental wave can be removed more effectively by increasing the propagation loss of the fundamental wave by setting the radius of curvature to 60 mm or less.
  • the radius of curvature is 6 Omm or less, the fundamental wave loss is much larger, but the harmonic propagation loss is 0.4 dBZkm or less.
  • the smaller the radius of curvature the greater the propagation loss of the fundamental wave.
  • the radius of curvature is less than 10 mm, the optical fiber will bend and may be damaged when bent.
  • the radius of curvature of the annular portion 213, as shown in FIG. 4A even when the annular portions have substantially the same radius of curvature, the radius of curvature of the annular portion as shown in FIG. A spiral coil that gradually decreases may be used.
  • 4C may be a wavy shape in which the heights of the peaks are substantially the same, or may be a wavy shape in which the heights of the peaks are gradually reduced as shown in FIG. 4D.
  • the wavelength conversion module 210 When the wavelength conversion module 210 is used in a laser cafe device, a laser display, or the like, it is preferable to arrange the curved portion 213 at a position where heat can be efficiently radiated. A specific example of this arrangement will be described in a sixth embodiment described later.
  • Examples of the wavelength conversion element 202 include a stoichiometric composition and coincident melting.
  • (Congruent) composition of lithium niobate, lithium tantalate, magnesium oxide lithium lithium niobate, magnesium oxide doped lithium tantalate, titanium phosphate phosphate examples thereof include elements having the same power as lithium, lithium triborate, potassium niobate, and potassium tantalate.
  • the wavelength conversion element 202 one having a periodically poled structure is preferably used.
  • the molar concentration of magnesium oxide in the magnesium oxide doped lithium niobate element or magnesium oxide doped lithium niobate crystal element having the stoichiometric composition and the conductive composition is 5 to 6.3 mol%, Further, it is preferably 5.3 to 6.3 mol%. In other words, in order to suppress photodamage and crystal deterioration in which the refractive index changes due to light, 5 mol% or more, 5.3 mol% or more, and 6.3 mg% or less is added in the range of 6.3 mol% or less. It is desirable to do.
  • an acid-magnesium-doped lithium niobate element having a periodic polarization inversion structure has a large nonlinear optical constant and a wavelength conversion efficiency. Particularly excellent in point power.
  • examples of the base 206 include a metal base material having a force such as aluminum and brass, and a ceramic base material such as a minus thermal expansion ceramic base material.
  • a negative thermal expansion ceramic substrate is used to reduce the phase mismatch due to crystal heat generation and the required accuracy of temperature control. Is preferably used.
  • the thermal expansion coefficient of the negative thermal expansion ceramic substrate, -! LxlO 7 it is preferably in the range of 0 DEG /,.
  • the wavelength conversion module 210 when the residual fundamental wave energy propagates in the harmonic propagation optical fiber 203, its surface force is also dispersed and released as heat. The Therefore, energy concentration can be avoided as in the case where the conventional wavelength converter emits the residual fundamental wave as parallel light. As a result, heat dissipation means such as a large beam damper is not required, which is required in the conventional wavelength converter.
  • wavelength conversion module 210 for example, by converting the wavelength of a fundamental wave having a wavelength of 700 to 1600 nm, a high-power laser beam having a wavelength of 200 to 800 nm and an average output of 2 W or more Can be obtained.
  • a laser light source device using the wavelength conversion module 210 of the first embodiment will be described in detail with reference to FIG.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a configuration example of a laser light source device using the wavelength conversion module 210.
  • 310 indicates the laser light source used in the present embodiment
  • 301 is a pump (pump) laser diode (LD) light source
  • 303 is a Yb-doped double clad finno
  • 302 and 304 are fibers.
  • a grating 305 indicates a polarizer for making the oscillated light linearly polarized light.
  • the fiber gratings 302 and 304 constitute a resonator.
  • the fiber dulling 304 has a reflection center wavelength of 1064 nm and a reflection bandwidth of 0.10 nm in order to adjust the bandwidth of the laser light to oscillate to match the wavelength tolerance of 0.1 nm of the wavelength conversion element of the polarization inversion structure. What is 09nm is used.
  • the Yb-doped double clad fiber 303 is excited by a pumping LD 301 (wavelength of about 195 nm, maximum output of 30 w) and generates a fundamental wave having a wavelength near 1064 nm.
  • a laser light source 310 generates continuous wave light (CW) with a wavelength of around 1064 nm, a node width of 0.09 nm, and an average output of 7 W.
  • the first harmonic propagation optical fiber 203 is a 4 m core 125 m clad single so as to propagate green light, which is a harmonic, in the lowest order mode (single mode).
  • a mode fiber of 10 m is used, and the first fundamental wave propagation optical fiber 201 is a polarization-maintaining single mode fiber such as 6 ⁇ m core—125 ⁇ m clad PANDA.
  • the fundamental wave (around 1040-11 OOnm) whose wavelength is doubled compared to the propagation loss of green light (around 520-550 nm), which is the second harmonic propagating through the first harmonic propagation optical fiber 203 Propagation loss increases significantly.
  • wavelength conversion element made of crystals.
  • the temperature of the wavelength conversion element when obtaining a w-class output is generally heated to 100 ° C or higher.
  • wavelength conversion element consisting of periodically poled MgO: LiNBO crystals near room temperature of 20-40 ° C
  • the first wavelength conversion element 202 is preferably temperature-controlled with an accuracy of 0. oe because the phase matching wavelength changes depending on the crystal temperature.
  • the fundamental light emitted from the Yb-doped double clad fiber 303 and passed through the fiber grating 304 propagates through the first fundamental wave propagation optical fiber 201 made of a PANDA type polarization maintaining fiber. Then, the fundamental wave light emitted from the first fundamental wave propagation optical fiber 201 is collected by the incident-side lens group 204 and enters the first wavelength conversion element 202.
  • the fundamental light incident on the first wavelength conversion element 202 is partly converted into 532 nm green light (second harmonic), which is the wavelength of 1 Z2 of the fundamental light, and part of the fundamental light is fundamental. It remains as a wave.
  • the generated green light and the residual fundamental wave are emitted from the first wavelength conversion element 202 and then coupled to the first harmonic propagation optical fiber 203 by the emission-side group lens 205. Then, the energy of the residual fundamental wave is converted into heat while propagating through the first harmonic propagation optical fiber 203. At this time, the second harmonic 306 is hardly lost.
  • a second harmonic of 2 to 4W can be obtained.
  • FIGS. 6A and 6B are schematic side views of the wavelength conversion module 510
  • FIG. 6B is a schematic top view of the wavelength conversion module 510.
  • the description of the components indicated by the same reference numerals as those in the first embodiment and the second embodiment is the same as that described above, and the detailed description thereof is omitted.
  • 202a is a first wavelength conversion element
  • 202b is a second wavelength conversion element
  • 201 is a first fundamental wave propagation optical fiber
  • 203a is a first harmonic wave propagation optical fiber
  • 2 03b is the second harmonic propagating light
  • 204 is the first incident side lens group
  • 501 is the recollimating lens
  • 502 ⁇ beam splitter 503 ⁇ mirror
  • 504 ⁇ second human irradiation j Thread and
  • Reference numeral 205a denotes a first exit side group lens
  • 205b denotes a second exit side group lens
  • 206 denotes a base
  • 207 denotes a Peltier element
  • 208 denotes a temperature sensor
  • 209 denotes a heat sink
  • 310 denotes a laser light source.
  • the harmonic propagation optical fibers 203a and 203b have curved portions 213a and 213b, respectively, in which the fibers are formed in a coil shape.
  • the fundamental wave emitted from the laser light source 310 propagates through the first fundamental wave propagation optical fiber 201, is condensed by the first incident-side group lens 204, and has the first wavelength.
  • the light enters the conversion element 202a.
  • a part of the fundamental wave incident on the first wavelength conversion element 202a is wavelength-converted into a harmonic.
  • the beam splitter 502 separates the residual fundamental wave into a fundamental wave and a harmonic wave. Then, the separated harmonics are coupled to the first harmonic propagation optical fiber 203a by the first emission side group lens 205a and propagated therethrough.
  • the separated residual fundamental wave is incident on the second incident-side group lens 504 by the mirror 503, is condensed by the second incident-side group lens 504, and enters the second wavelength conversion element 202b. Shoot. Then, a harmonic and a residual fundamental wave are generated from the second wavelength conversion element 202b. The generated harmonics and residual fundamental waves are coupled to the second harmonic propagation optical fiber 203b by the second exit-side group lens 205b and propagated therethrough.
  • the generated harmonics are output from two optical fibers, the first harmonic propagation optical fiber 203a and the second harmonic propagation optical fiber 203b. These may be output together on a single fiber by using a compiler or bundle fiber.
  • wavelength conversion module having two wavelength conversion elements is shown as an example, but more wavelength conversion elements may be included.
  • the wavelength conversion apparatus when additional wavelength conversion elements are added to extract higher harmonics from the residual fundamental wave emitted from the first wavelength conversion element, the wavelength conversion apparatus is used. Complicated alignment of each optical component to be constructed was necessary. On the other hand, in the wavelength conversion module 510, the components are coupled and fixed at the time of assembling the module. Therefore, alignment deviation hardly occurs. As a result, the reliability of wavelength conversion can be improved. Further, since the residual fundamental wave is processed when propagating through the first harmonic propagation optical fiber 203a and the second harmonic propagation optical fiber 203b, a large heat dissipation means or the like is not required.
  • the configuration of the wavelength conversion module 610 will be described with reference to FIGS. 7A and 7B.
  • FIG. 7A is a schematic side view of the wavelength conversion module 610
  • FIG. 7B is a schematic top view of the wavelength conversion module 610. Note that in the fourth embodiment, the description of the components denoted by the same reference numerals as those in the first to third embodiments is the same as that described above, and thus the detailed description thereof is omitted.
  • 201 is a first fundamental wave propagation optical fiber
  • 603 is a second fundamental wave propagation optical fiber
  • 202 is a first wavelength conversion element
  • 203 is a first harmonic propagation light.
  • Fiber 204 is the first input side group lens
  • 601 is the beam splitter
  • 205 is the first output side group lens
  • 602 is the second output side group lens
  • 206 is the base
  • 207 is the Peltier element
  • 208 is the temperature
  • Numeral 209 denotes a heat sink
  • 310 denotes a laser light source.
  • the feature of the wavelength conversion module 610 is that most of the residual fundamental wave emitted from the first wavelength conversion element 202 is separated by the beam splitter 601 and the residual fundamental wave is separated from the second emission side group. The point is that the lens 602 is coupled to the second fundamental wave propagation optical fiber 603.
  • a plurality of wavelength conversion modules can be cascade-connected in a cascade manner.
  • FIG. 8 shows a laser light source device including a wavelength conversion module 710 formed by connecting a plurality of wavelength conversion modules in a cascaded manner.
  • a wavelength conversion module 610 is used for the first-stage wavelength conversion module 701 and the second-stage wavelength conversion module 702 that constitute the wavelength conversion module 710. Further, the wavelength conversion module 210 of the first embodiment is used for the termination wavelength conversion module 703.
  • 701 is the first-stage wavelength conversion module
  • 702 is the second-stage wavelength conversion module
  • 703 are termination wavelength conversion modules
  • 712, 722, and 732 are first fundamental wave propagation optical fibers
  • 714, 724, and 734 are first harmonic wave propagation optical finos
  • 711 and 721 are first wave propagation optical fibers, respectively.
  • Two fundamental wave propagation optical fins, 713, 723, and 733 are wavelength conversion elements, and 715 and 725 are beam splitters.
  • the fundamental wave emitted from the laser light source 310 propagates through the first fundamental wave propagation optical fiber 712 coupled to the first-stage wavelength conversion module 701. Then, the fundamental wave enters the wavelength conversion element 713, and a part of the fundamental wave is wavelength-converted into a harmonic. Then, the harmonic wave and the residual fundamental wave remaining without wavelength conversion are separated by the beam splitter 715. Most of the separated residual fundamental wave enters the second fundamental wave propagation optical fiber 711. Further, the separated harmonics are emitted from the first harmonic propagation optical fiber 714.
  • the second fundamental wave propagation optical fiber 711 of the first-stage wavelength conversion module 701 is connected to the first fundamental wave propagation optical fiber 722 of the second-stage wavelength conversion module 702,
  • the residual fundamental wave generated by the first-stage wavelength conversion module 701 can be incident on the wavelength conversion element 723 of the second-stage wavelength conversion module 702.
  • the residual fundamental wave is incident on the wavelength conversion element 723, and a part of the fundamental wave is wavelength-converted into a harmonic.
  • the harmonic wave and the residual fundamental wave remaining without wavelength conversion are separated by a beam splitter 725.
  • Most of the separated residual fundamental wave is incident on the second fundamental wave propagation fiber 721 mm.
  • the separated harmonics are emitted from the first harmonic propagation optical fiber 724.
  • the second fundamental wave propagation optical fiber 721 of the second-stage wavelength conversion module 702 is connected to the first fundamental wave propagation optical fiber 732 of the termination wavelength conversion module 703, 2
  • the residual fundamental wave generated in the stage wavelength conversion module 702 can be incident on the wavelength conversion element 733 of the termination wavelength conversion module 703.
  • the second-stage wavelength conversion module 702 and the third-stage wavelength conversion module 7003 are connected. Then, a part of the residual fundamental wave generated by the second-stage wavelength conversion module 702 is wavelength-converted into harmonics by the wavelength conversion element 733 of the termination wavelength conversion module 703.
  • the harmonics and the residual fundamental wave that remains without wavelength conversion are the first It enters the harmonic propagation optical fiber 734 and propagates. Then, in the first harmonic propagation optical fiber 734, the residual fundamental wave is consumed, and the harmonic is emitted from the first harmonic propagation optical fiber 734.
  • the harmonic propagation optical fibers 714, 724, and 734 may be combined into a single fiber and output harmonics by using a complier or bundle fiber.
  • the first fundamental wave propagation optical fiber and the second fundamental wave propagation optical fiber need to be linearly polarized when inputting the fundamental wave to the wavelength conversion element.
  • a wave retaining fiber is preferred.
  • the polarized light whose wavelength is converted by the even-numbered wavelength conversion module and the polarized light whose wavelength is converted by the odd-numbered wavelength conversion module are made perpendicular, or the optical axis of the wavelength converting element is tilted 45 degrees.
  • a general single mode fiber may be used as the fundamental wave propagation fiber.
  • a multi-stage wavelength conversion module 710 formed by combining a plurality of wavelength conversion modules 610 does not require a large space as compared to a conventional wavelength conversion apparatus that uses a plurality of wavelength conversion elements and is multi-staged. Optical adjustment is also easy. That is, in the wavelength conversion module 610, since light is input / output through the optical fiber, the wavelength conversion element alignment can be completed when the wavelength conversion module 610 is assembled. In addition, the alignment at the time of connecting a plurality of wavelength conversion modules requires the alignment at the time of fusing the optical fiber, but the fusion of the optical fiber can be easily performed by the optical fiber fusion splicer. . Therefore, installation and replacement are very easy. In addition, since the alignment of the wavelength conversion element in the wavelength conversion module 610 is adjusted and fixed at the time of manufacture, the alignment does not shift and the reliability of the wavelength conversion means is improved. Furthermore, since the number of parts can be reduced, manufacturing costs can be reduced.
  • the laser light source device including the wavelength conversion module described in the first to fourth embodiments includes a display light source for a laser display (two-dimensional image display device), a liquid crystal display, and the like. It can be used as a light source for backlight of a ray apparatus or a laser light source for processing of a laser processing apparatus. In addition, it can be suitably used for various applications where laser light has been conventionally used, such as optical disk devices and measuring devices. For example, when the laser light source device is used for an optical disk device, a stable and high output with high coherence can be obtained, which is also effective for hologram recording.
  • the laser light source device can also be used as an illumination light source. If a fiber laser is used as the fundamental wave light source, the conversion efficiency is high, so that high-efficiency conversion of electricity to light is possible.
  • a fiber laser is used as the fundamental wave light source, the conversion efficiency is high, so that high-efficiency conversion of electricity to light is possible.
  • an optical fiber by using an optical fiber, light can be transmitted to a remote place with low loss. As a result, it is possible to illuminate the room by generating light centrally by generating light at a specific location and sending light to a remote location.
  • fiber lasers are effective for light distribution because they can be coupled with fibers with low loss.
  • the configuration of a laser display (two-dimensional image display device) to which the laser light source device is applied An example will be described with reference to FIG.
  • laser light sources 901a to 901c of three colors of red (R), green (G), and blue (B) were used.
  • a GaAs semiconductor laser with a wavelength of 638 nm is used for the red laser light source 901a
  • a GaN semiconductor laser with a wavelength of 465nm is used for the blue laser light source 901c.
  • the green laser light source 901b uses a wavelength conversion green light source device including a wavelength conversion element that changes the wavelength of the infrared laser to 1Z2.
  • the first to fourth embodiments are used as this wavelength conversion green light source device.
  • the laser light source device including the wavelength conversion module described in the embodiment can be used.
  • Laser beams emitted from the respective light sources 901a, 901b, and 901c are scanned in a two-dimensional manner by reflection type two-dimensional beam scanning means 902a to 902c, and pass through a mirror 910a, a lens 910b, and a mirror 910c. After that, the diffusion plates 903a to 903c are irradiated. The laser beams of the respective colors scanned two-dimensionally on the diffusion plates 903a to 903c are guided to the two-dimensional spatial light modulators 905a to 905c after passing through the field lenses 904a to 904c.
  • the image data is divided into R, G, and B, and each signal is input to the two-dimensional spatial light modulators 905a to 905c and multiplexed by the dichroic prism 906.
  • a color image is formed.
  • the combined image is projected onto the screen 908 by the projection lens 907.
  • the diffusion plates 903a to 903c are arranged in front of the two-dimensional spatial modulation elements 905a to 905c as speckle noise removing units, and the speckle noise is reduced by swinging the diffusion plates 903a to 903c. be able to. You can use a lenticular lens as the speckle noise removal section!
  • a structure in which 2 to 8 semiconductor laser outputs can be obtained with one fiber output by a force bundle fiber using one semiconductor laser for each color. It may be.
  • the wavelength spectrum width is very broad, a few nm, and the generation of speckle noise can be suppressed by this wide spectrum.
  • the two-dimensional spatial modulation elements 905a to 905c it is possible to use a reflective spatial modulation element (DMD mirror) in which ultra-small mirrors are integrated.
  • DMD mirror Two-dimensional spatial modulation elements using a liquid crystal panel
  • galvano Two-dimensional spatial modulation elements using mirrors and mechanical microswitches MEMS
  • Reflective spatial modulation elements, MEMS, galvanometer mirrors, and the effect of polarization components on the light modulation characteristics are small!
  • the optical fiber that propagates harmonics is a polarization-maintaining fiber such as a PANDA fiber. No need Force When using a two-dimensional spatial modulation element using a liquid crystal panel, it is desirable to use a polarization-maintaining fiber because the modulation characteristics and polarization characteristics are greatly related.
  • the infrared light component which is a fundamental wave
  • the infrared light component is higher than the emitted light. Since it is removed by the wave propagation optical fiber, it is possible to suppress the deterioration of the liquid crystal panel due to the infrared light component.
  • the harmonic propagation optical fiber included in the wavelength conversion module of the laser light source device may be wound around a portion where the heat dissipation of the laser display device is high. I like it.
  • FIG. 10A is a schematic configuration diagram of a laser display device configuration body 1004 including a laser display device 1001 and a speaker 1002, and FIG. 10B is a schematic cross-sectional view of the 10-10 ′ portion thereof.
  • 1001 is a laser display device
  • 1005 is a green laser light source
  • 1002 is a speaker
  • 1003 is a speaker cylinder
  • 1004 is a laser display device component.
  • Reference numeral 203 denotes a harmonic propagation fiber derived from the green laser light source device 1005.
  • the harmonic propagation fiber 203 When the harmonic propagation fiber 203 has a curved portion with a small radius of curvature, the energy of the residual fundamental wave is easily radiated at the curved portion. Therefore, heat dissipation can be enhanced by winding the harmonic propagation fiber 203 around a predetermined cylindrical portion in the laser display device structure 1004.
  • the harmonic propagation optical fiber 203 from which the green laser light source device 1005 is also derived is wound around the speaker cylinder 1003 and then introduced into the laser display device 1001 as shown in FIG. 10A. The situation is shown.
  • the harmonic propagation optical fiber 203 By attaching the harmonic propagation optical fiber 203 to the speaker cylinder 1003, it is possible to efficiently dissipate heat using the sound pressure generated by the speaker.
  • the generated heat is also efficiently dissipated by placing the harmonic propagation optical fiber 203 inside the casing of the laser display device 1004.
  • FIG. 11 shows the color reproduction range and the S-RGB standard color reproduction range when 530 nm laser light is selected as the green light of such a laser display device. It can be seen that the color reproduction range shift when 530 nm laser light is selected as green light is wider than the S-RGB standard color reproduction range that can be reproduced with a conventional image display device.
  • the laser display device of the present embodiment can reproduce a high-definition image by using the laser light source device as the light source.
  • the green laser light source device used in the laser display device of the present embodiment is preferably a fiber laser light source (Yb-doped fiber laser) supplemented with Yb.
  • a fiber laser light source Yb-doped fiber laser
  • green light having a wide wavelength range of 520 to 550 nm can be generated. Therefore, when a Yb-doped fiber laser is used, the color reproduction range can be further expanded.
  • the laser light source device may employ a form (rear projection display) that projects from behind the screen.
  • the laser light source device including the wavelength conversion module described in the first embodiment to the fourth embodiment can also be used as a light source for backlight of a liquid crystal display device. If the laser light source device is used as a light source for backlight, a liquid crystal display device with high efficiency and high brightness can be realized. Further, when such a laser light source device is used as a light source for backlight, it contributes to maintaining a high response speed by diverging the energy of the residual fundamental wave from the optical fiber and keeping the liquid crystal display unit warm.
  • the liquid crystal panel has an infrared light component. It is possible to suppress deterioration due to.
  • FIG. 12A shows a schematic configuration diagram of a liquid crystal display device 1108 using the laser light source device as a backlight light source.
  • the liquid crystal display device 1108 includes a set of multi-stage wavelength conversion modules that perform the same operation on the left and right, but the multi-stage provided on the left side of the liquid crystal display device 1108 to simplify the description. Only the operation of this wavelength conversion module will be described using the enlarged schematic diagram of Fig. 12B.
  • the coupled wavelength conversion module provided on the right also operates in the same way.
  • 1101 is a liquid crystal display unit
  • 1105a and 1110a are first-stage wavelength conversion modules
  • 1105b and 1110b are second-stage wavelength conversion modules.
  • a liquid crystal driving terminal 1107 for controlling a display image by applying a voltage is provided.
  • a light guide plate (not shown) is provided on the back surface of the liquid crystal display unit 1101.
  • the first-stage wavelength conversion modules 1105a and 1110a, the second-stage wavelength conversion module Eunole 1105b and 11 lObi, and the rim 1102 are collected.
  • an infrared absorbing material such as black alumite is preferably used in the vicinity of the rim 1102 where the wavelength conversion module is disposed. This is to prevent deterioration of the liquid crystal material due to the incidence of infrared light on the liquid crystal panel.
  • the first-stage wavelength conversion module 1105a shown in FIG. 12B includes a first wavelength conversion element 1120, a first fundamental wave propagation optical fiber 1106, a second fundamental wave propagation optical fiber 1104, and a first The higher harmonic propagation optical fiber 1115 is optically coupled.
  • the second-stage wavelength conversion module 1105b includes the second wavelength conversion element 1130 and the first fundamental wave propagation.
  • An optical fiber 1124, a second fundamental wave propagating optical fiber 1114, and a second harmonic wave propagating optical fiber 1116 are optically coupled.
  • the second fundamental wave propagation optical fiber 1104 of the first-stage wavelength conversion module 1105a and the first fundamental wave propagation optical fiber 1124 of the second-stage wavelength conversion module 1105b are optically coupled.
  • the fundamental wave emitted from the laser light source L 1 is introduced from the fundamental wave introduction unit 1106 and propagates through the first fundamental wave propagation optical fiber 1106. Then, the light enters the wavelength conversion element 1120 of the first-stage wavelength conversion module 1105a.
  • the incident fundamental wave is partly converted to the second harmonic and emitted from the first harmonic propagation optical fiber 1115, and the residual fundamental wave is emitted from the first wavelength conversion element 1120,
  • the light propagates through the second fundamental wave propagation optical fiber 1104 and the first fundamental wave propagation optical fiber 1124 and enters the wavelength conversion element 1130 of the second-stage wavelength conversion module 1105b.
  • a part of the fundamental wave incident on the second wavelength conversion element 1130 is converted into the second harmonic and is emitted from the second harmonic propagation optical fiber 1116.
  • the residual fundamental wave exits from the second wavelength conversion element 1130, propagates through the third fundamental wave propagation optical fiber 1114, and reaches the termination unit 1103.
  • the first harmonic propagation optical fiber 1115 and the second harmonic propagation optical fiber 1116 are the green light that is also emitted from the second harmonic
  • the second harmonic is an optical system having a combination force of an aspheric lens and a Fresnel lens. It is shaped into a sheet beam by Rl and R2 and input to the light guide plate to irradiate the liquid crystal panel uniformly.
  • the residual fundamental wave emitted from the second wavelength conversion element 1130 propagates through the second fundamental wave propagation optical fiber 1114 coupled with the second wavelength conversion element 1130, and the second fundamental wave It reaches a terminal end 1103 coupled to the end of the wave propagation optical fiber 1114.
  • the second fundamental wave propagating optical fiber 1114 is formed in a wavy shape such that the height of each mountain gradually decreases as it approaches the terminal end 1103.
  • the energy of the residual fundamental wave that cannot be fully dispersed by the second fundamental wave propagation optical fiber 1114 may be processed by the terminal portion 1103 formed by the material cover having excellent heat dissipation. .
  • FIG. 12A two wavelength conversion modules are connected as the light source for the knock light.
  • the number of coupled wavelength conversion modules and the number of pairs can be appropriately selected according to the area of the liquid crystal display device and the like.
  • a laser light source device using the laser light source device (green light: wavelength around 530 nm) is used as the processing laser light source 1301, and laser drawing suitable for copper calorie such as a printed circuit board. It is a processing device.
  • the configuration of the processing laser light source 1301 is the same as that of the laser light source device including the wavelength conversion module described in the first to fourth embodiments, and thus detailed description thereof is omitted.
  • the green light emitted from the processing laser light source 1301 is collimated by the assembled lens 1302. After that, the beam diameter is adjusted through the slit 1303, and the optical axis is turned back by the mirror 1304 or the like, and then guided to the galvanometer mirrors 1306 a and 1306 b through the lens 1305.
  • the galvanometer mirrors 1306a and 1306b move the optical axis of the laser beam in the carriage direction (x direction or y direction), and then perpendicular to the caloric workpiece 1308 attached to the xy stage 1309 by the f ⁇ lens 1307.
  • the beam is incident on the substrate, and the desired processing is performed.
  • the wavelength range of the laser beam used for processing is desirably a wavelength range of up to 600 nm that can be used for fusion of resin as much as 400 nm that can be used for mastering optical disks.
  • Harmonic light emitted from the harmonic propagation optical fiber 203 is collected immediately before the workpiece.
  • the beam shaping optical system such as the combination lens 1302 and the slit 1303 and the galvanometer mirror 13 06a, 1306b, f- ⁇ lens 1307 are not required. Therefore, the device can be greatly reduced in size and cost can be reduced. Power! ] Since the f- ⁇ lens 1307 has temperature characteristics, it is necessary to keep the temperature of the room to be used constant, and to manage the characteristic profile of the lens. This makes it unnecessary to manage such light, which improves reliability and convenience. [0115] Conventionally, a laser light source using an LBO (lithium trivolate HLiB 2 O;) crystal has been used as a laser light source used in such a laser carriage apparatus. But LBO crystal
  • the wavelength conversion module as described in the first to fourth embodiments converts the wavelength of the fundamental wave from which the fiber laser force is also emitted.
  • the wavelength conversion module, laser light source device, two-dimensional image display device, backlight light source, liquid crystal display device, and laser processing device exemplified in each of the above embodiments are merely examples, and other aspects. It goes without saying that it is possible to take
  • one aspect of the present invention is the first fundamental wave propagation optical fiber for propagating the fundamental wave emitted from the laser light source, the first fundamental wave propagation optical fiber, and the optical fiber.
  • the first wavelength converting element force includes a first harmonic propagation optical fiber for propagating the emitted harmonics, and the core diameter of the first harmonic propagation optical fiber is the first basic It is a wavelength conversion module characterized by being smaller than the core diameter of a wave propagation optical fiber.
  • the energy loss of the residual fundamental wave in the harmonic propagation optical fiber is increased, and the energy of the residual fundamental wave is consumed.
  • the energy of the residual fundamental wave is consumed in the harmonic propagation optical fiber, thereby reducing the energy of the residual fundamental wave without using a large heat dissipation means, even when obtaining high-engineering harmonics. Can be made.
  • a core diameter of the first harmonic propagation optical fiber is not more than 0.9 times a core diameter of the first fundamental wave propagation optical fiber. If the core diameter of the first harmonic propagation optical fiber is not more than 0.9 times the core diameter of the first fundamental propagation optical fiber, the propagation loss of the residual fundamental wave will be significantly higher. The residual fundamental wave can be sufficiently lost in the first harmonic propagation optical fiber.
  • the wavelength conversion module includes a harmonic and a residual fundamental wave emitted from the first wavelength conversion element between the first wavelength conversion element and the first harmonic propagation optical fiber. It is preferable to further include a beam splitter for separating. By using such a beam splitter, it is possible to separate the residual fundamental wave and the harmonics generated by wavelength conversion. Furthermore, by converting the wavelength of the separated residual fundamental wave, it is possible to obtain further harmonics and harmonics.
  • the wavelength conversion module preferably further includes a second fundamental wave propagation optical fiber for propagating the residual fundamental wave separated by the beam splitter.
  • the second fundamental wave propagation optical fiber By using the second fundamental wave propagation optical fiber, the residual fundamental wave can be easily propagated to other wavelength conversion modules.
  • the wavelength conversion module further emits a second wavelength conversion element for converting the wavelength of the residual fundamental wave separated by the beam splitter into a harmonic, and the second wavelength conversion element.
  • a second harmonic propagation optical fiber for propagating the harmonic is provided.
  • the first harmonic propagation optical fiber has a predetermined radius of curvature. It is preferred to have a curved part with By using harmonic propagation light having a curved portion in this way, it is possible to further increase the residual fundamental wave loss in the optical fiber.
  • a radius of curvature of the curved portion is 60 mm or less.
  • the radius of curvature is less than 60mm, the loss of the residual fundamental wave in the optical fiber becomes much higher.
  • At least one of the first fundamental wave propagation optical fiber and the first harmonic wave propagation optical fiber is preferably a polarization maintaining fiber.
  • a polarization-maintaining fiber By using a polarization-maintaining fiber, only linearly polarized light along a specific crystal axis of the wavelength conversion element can be obtained.
  • the first wavelength conversion element includes potassium potassium phosphate, lithium niobate having a congruent composition, lithium niobate having a stoichiometric composition, congruent fusion
  • the lithium tantalate having a composition and the lithium tantalate having a stoichiometric composition are preferably at least one selected from the group forces of the specific force.
  • the non-linear optical constant is large, and the point power is excellent in wavelength conversion efficiency.
  • the molar concentration of magnesium oxide is 5.3 to 6.3 mol. ⁇ ⁇
  • the first wavelength conversion element is a nonlinear optical single crystal in which a polarization structure is periodically inverted to obtain high conversion efficiency by quasi phase matching (QPM). Better ,.
  • the wavelength conversion module has a wide wavelength range of harmonics from which it can be obtained that the laser light source is a Yb-doped fiber laser.
  • the wavelength of the harmonic is broadly in the range of 520 to 550 nm, and the point power for obtaining green light in the range is also preferable.
  • the temperature at the time of wavelength conversion of the first wavelength conversion element is 20 to 60 ° C so that power consumption can be reduced.
  • a plurality of the wavelength conversion modules in the previous period are optically coupled in multiple stages.
  • This is a wavelength conversion module characterized by coupling the first fundamental wave propagation optical fiber at the stage.
  • the wavelength conversion module at the predetermined stage and the wavelength conversion module at the next stage are connected as described above, and the residual fundamental wave at the predetermined stage is used as the fundamental wave at the next stage.
  • higher output harmonics can be obtained without wasting residual fundamental waves.
  • one aspect of the present invention includes the wavelength conversion module, and the wavelength conversion module outputs laser light having an average output of 2 W or more and a wavelength of 200 to 800 nm.
  • a laser light source device can be reduced in size because it does not require heat radiation means such as a large beam damper for processing the residual fundamental wave. Therefore, it can be applied to small consumer equipment such as a two-dimensional image display device.
  • one aspect of the present invention is a two-dimensional image display comprising the laser light source device and displaying an image using laser light having an average output of 2 W or more emitted from the laser light source device.
  • Such a two-dimensional image display device has a wide color reproduction range.
  • the two-dimensional image display device has a two-dimensional spatial modulation element formed of a liquid crystal panel
  • the deterioration of the liquid crystal material contained in the liquid crystal panel is suppressed by using the laser light source device. Can do.
  • one aspect of the present invention includes the laser light source device, and illuminates a liquid crystal display unit using light emitted from the laser light source device and having an average output of 2 W or more emitted from the laser light source device.
  • a backlight light source characterized by Wavelength conversion module power of such a backlight light source The liquid crystal display can be kept warm by diverging the energy of the residual fundamental wave generated from the optical fiber, contributing to maintaining a high response speed. To do.
  • one aspect of the present invention is a liquid crystal display device including the backlight light source. In such a liquid crystal display device, deterioration of the liquid crystal material contained in the liquid crystal panel can be suppressed.
  • one aspect of the present invention is a laser cartridge characterized by comprising the laser light source device and processing an object using laser light having an average output of 2 W or more emitted from the laser light source device. Device.
  • Such a laser carriage apparatus is a laser drawing carriage apparatus suitable for copper power such as a printed circuit board.
  • the wavelength conversion module of the present invention removes the residual fundamental wave after wavelength conversion using the optical loss possessed as a characteristic of the optical fiber. Therefore, the energy of the residual fundamental wave can be dispersed and released. As a result, large beam dampers and heat radiation fins are not required.
  • optical fibers are used for input and output, it is easy to connect to the fiber laser device by fusing the fibers together and ensuring high reliability because there is no misalignment. .
  • the apparatus is simplified, the number of wavelength conversion modules can be increased without complicated adjustment, and the number of parts can be reduced, so that the manufacturing cost can be reduced.

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Abstract

　レーザ光源から出射した基本波を伝搬するための第１の基本波伝搬光ファイバと、第１の基本波伝搬光ファイバと光学的に結合され、第１の基本波伝搬光ファイバから出射した基本波を高調波に変換するための第１の波長変換素子と、 第１の波長変換素子と光学的に結合され、第１の波長変換素子から出射する高調波を伝搬するための第１の高調波伝搬光ファイバとを備え、第１の高調波伝搬光ファイバのコア径が第１の基本波伝搬光ファイバのコア径の０．５～０．９倍であることを特徴とする波長変換モジュール。

Description

波長変換モジュール、レーザ光源装置、 2次元画像表示装置、バックライ ト光源、液晶ディスプレイ装置及びレーザ加工装置
技術分野
[0001] 本発明は、光波長変換に用いられる非線形光学素子 (波長変換素子)を用いた波 長変換モジュール、当該モジュールを用いたレーザ光源装置、 2次元画像表示装置 、ノ ックライト光源、液晶ディスプレイ装置及びレーザ加工装置に関する。
背景技術
[0002] レーザカ卩ェ装置、あるいはレーザディスプレイなどに用いられる光源として、高出力 レーザ光源が注目されて 、る。
[0003] 赤外光領域の高出力レーザ光源としては、 YAGレーザ等の固体レーザ、 Yb、 Nd 等の希土類が添加されたファイバを用いたファイバレーザなどが開発されている。ま た、赤色及び青色領域の高出力レーザ光源としてはガリウム'ヒ素、窒化ガリウム等を 用いた半導体レーザが開発されている。一方、緑色領域の高出力レーザ光は、半導 体力も緑色光を直接発生させることは現時点においては依然として困難である。その ために、緑色領域の高出力レーザ光は、前記 YAGレーザ等の固体レーザや前記フ アイバレーザから発せられる赤外光領域のレーザ光を非線形光学素子により波長変 換して発生させることが一般的である。
[0004] 非線形光学素子としては、例えば、ニオブ酸リチウム (LiNbO )、タンタル酸リチウ
3
ム（LiTaO )、リチウムトリボレート（LiB O ： LBO)ゝ j8バリウムボレート（ j8— BaB O
3 3 5 2 4
)、リン酸チタニルカリウム（KTiOPO ： KTP)、セシウムリチウムボレート（CsLiB O
4 6 10
： CLBO)等の非線形光学単結晶からなる素子 (非線形光学素子)が開発されて!、る
[0005] 緑色領域の出力を得る装置には、例えば、以下のような非線形光学素子が用いら れている。
[0006] 200— 300mWクラスの緑色領域のレーザ光を得る装置には、分極反転構造が形 成されたニオブ酸リチウム結晶からなる擬似位相整合 (QPM)波長変換素子が大き な非線形光学定数により高い変換効率が得られることから好ましく用いられている。
[0007] 一方、数 Wクラスの緑色領域の高出力レーザ光を得る装置には、 LBO、 KTPなど の非線形光学単結晶が用いられて 、る。
[0008] し力しながら、 LBO結晶は、非線形光学定数が小さいために、高い変換効率を得 るためには共振器を構成し、その中に LBO結晶を配置する必要があり、装置構成が 複雑になるとともにァライメントを緻密に調整する必要があるという短所を備えている。
[0009] 一方、 KTP結晶は、非線形光学定数力LBO結晶のそれに比べて大きいために、 共振器を構成しなくても高い変換効率が得られるという長所を備える一方、基本波や 発生した第 2高調波による結晶の破壊や劣化が起こりやす!/、と 、う短所を備えて!/、る
[0010] また、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムでは、特許文献 1の様に結晶に添加物 を導入したり、特許文献 2の様に結晶組成を理想的な組成 (ィ匕学量論:ストィキオメト リー糸且成）に近づけることが出来る方法で結晶育成したりすることにより、結晶劣化の 一つである光による屈折率変化 (フォトリフラクティブ)、すなわち光損傷を抑制する例 が報告されている。
[0011] また、このほかにも緑色領域の高出力レーザ光としては、 5molの酸化マグネシウム を添加した LiNbO結晶を 140°Cに加熱することにより、 1. 7Wの緑色光発生を実現
3
した例が非特許文献 1に報告されている。さらに、近年、酸化マグネシウムを添加した LiNbO
3単結晶を用い、この結晶基板に周期分極反転を施した波長変換素子と、発 振波長の波長帯域幅を狭帯域ィ匕できるという特徴を持つファイバレーザとを組み合 わせること〖こより、 3Wの緑色光発生をも実現した例が非特許文献 2に報告されてい る。
[0012] ここで、非線形光学素子を用いた従来の波長変換装置の構成について、図 14を参 照して説明する。
[0013] 図 14に示された波長変換装置においては、基本波光源 101で発生したレーザ光 は、空間中を伝搬し、集光レンズ 102で集光され、波長変換素子 103に入射する。そ して、入射した基本波の一部は波長変換素子 103で波長変換される。発生した高調 波及び残留基本波は再コリメートレンズ 104で平行光に整形される。そして、前記コリ メートされた高調波と残留基本波とはビームスプリッタ 105により高調波 106と残留基 本波 107とに分離される。そして、ビームスプリッタ 105により分離された高工ネルギ の残留基本波は、ビームダンパー 108により処理される。
[0014] KTP結晶や LBO結晶は、上述のように、第 2高調波による結晶の破壊や劣化が起 こりやすいという短所を備えている。そして、このような短所を抑制するために、複数 の波長変換素子を用いて波長変換を行うことにより、一つあたりの波長変換素子に入 射する基本波のパワー密度を低下させて、劣化を抑えることも検討されている（例え ば、特許文献 3)。
[0015] 特許文献 3に記載されている複数の波長変換素子を用いた波長変換装置につい て図 15を参照して説明する。
[0016] 図 15に示すように、基本波光源 101から出射された基本波は、集光レンズ 102aで 集光された後、第 1の波長変換素子 103aに入射する。そして、基本波は、第 1の波 長変換素子 103aで波長変換された後、コリメートレンズ 104aにより平行光に戻され る。そして、ビームスプリッタ 105aで高調波 106aが分離される。一方、ビームスプリツ タ 105aで分離された残留基本波は、集光レンズ 102bで集光された後、第 2の波長 変換素子 103bに入射する。そして、前記残留基本波は、第 2の波長変換素子 103b で波長変換された後、コリメートレンズ 104bで平行光に戻される。そして、ビームスプ リツタ 105bで高調波 106bと残留基本波 107とが分離される。そして、残留基本波 10 7はヒートシンク 108で吸収及び拡散される。
[0017] 図 15に示したような従来の波長変換装置を用いて、例えば、 8〜9Wの基本波を投 入して 3Wの高調波を得る場合、残りの 5〜6Wの基本波は残留基本波として出射さ れる。そして、このような残留基本波は、平行光の状態で出射される高工ネルギの光 である。このような高工ネルギの残留基本波を吸収及び拡散させるためには、大型の ビームダンパー、放熱フィン、又はヒートシンクのような放熱手段が必要であった。ま た、上記のような波長変換装置は、レンズやビームスプリッタ等の光学部品を所定の 場所に配置して、光線を自由空間中で取り回す必要があるために、比較的大型の装 置で &)つた。
[0018] さらに、このような従来の波長変換装置はレーザ加工機などの大型の機器には導 入されうる力 近年、レーザの新しいアプリケーションとして提案されているレーザディ スプレイのような小型の民生機器に導入されることは困難であった。
[0019] また、波長変換装置においては、ファイバレーザを用いて基本波を波長変換に適 するように狭帯域ィ匕することによりレーザ光源の小型化を図れる。しかし、波長変換 素子や各種光学部品は従来の構成と同様に配置する必要があるために、ファイバレ 一ザを用いても波長変換装置全体の小型化は困難であった。
特許文献 1：特許第 3261594号公報
特許文献 2：特許第 3424125号公報
特許文献 3 :特開平 11 271823号公報
非特許文献 1 : Applied Physics letters, 59, 21, 2657- 5659 (1991) 非特許文献 2 : Conference on Lasers and Electro -Optics 2005 (CLE O2005) , Technical digest, CFL- 1 (2005)
発明の開示
[0020] 本発明の目的は、基本波を波長変換素子を用いて波長変換することにより高エネ ルギの高調波を得る場合にぉ 、て、波長変換時に発生する残留基本波を大型の放 熱手段を備えなくとも処理しうる、小型化された波長変換モジュールを提供することで ある。
[0021] 本発明の一局面に従う波長変換モジュールは、レーザ光源力 出射した基本波を 伝搬するための第 1の基本波伝搬光ファイバと、前記第 1の基本波伝搬光ファイバと 光学的に結合され、前記第 1の基本波伝搬光ファイバから出射した基本波を高調波 に変換するための第 1の波長変換素子と、前記第 1の波長変換素子と光学的に結合 され、前記第 1の波長変換素子力 出射される高調波を伝搬するための第 1の高調 波伝搬光ファイバとを備え、前記第 1の高調波伝搬光ファイバのコア径が前記第 1の 基本波伝搬光ファイバのコア径よりも小さいものである。
[0022] また、本発明の一局面に従うレーザ光源装置は、前記波長変換モジュールを備え 、前記波長変換モジュールは、平均出力 2W以上かつ波長 200〜800nmのレーザ 光を出力する。
[0023] また、本発明の一局面に従う 2次元画像表示装置は、前記レーザ光源装置を備え 、前記レーザ光源装置から出射される平均出力 2W以上のレーザ光を用いて画像を 表示させる。
[0024] また、本発明の一局面に従うバックライト光源は、前記レーザ光源装置を備え、前 記レーザ光源装置から出射される平均出力 2W以上のレーザ光力 放出される光を 用いて液晶表示部を照明する。
[0025] また、本発明の一局面に従う液晶ディスプレイ装置は、前記バックライト光源を備え ている。
[0026] また、本発明の一局面に従うレーザ加工装置は、前記レーザ光源装置を備え、前 記レーザ光源装置から出射される光源平均出力 2W以上のレーザ光を用いて対象 物を加工する。
[0027] 本発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明によって、より明白 となる。
図面の簡単な説明
[0028] [図 1]図 1Aは第 1実施形態の波長変換モジュールを側面から見た模式図であり、図 1 Bは第 1実施形態の波長変換モジュールを上面力 見た模式図である。
[図 2]1064應の基本波の伝搬損失と光ファイバのファイバコア径との関係を表すダラ フである。
[図 3] 1064應の基本波の伝搬損失と光ファイバに形成された曲線部の曲率半径と の関係を表すグラフである。
[図 4]図 4Aは光ファイバに形成されたコイル状の曲線部の形状の一例を示す模式図 であり、図 4Bは光ファイバに形成された渦巻型コイル状の曲線部の形状の一例を示 す模式図であり、図 4Cは光ファイバに形成された波状形状の曲線部の形状の一例 を示す模式図であり、図 4Dは光ファイバに形成された波状形状の曲線部の形状の 一例を示す模式図である。
[図 5]第 2実施形態のレーザ光源装置の構成模式図である。
[図 6]図 6Aは第 3実施形態のベース上に複数の波長変換素子を備えた波長変換モ ジュールを側面力 見た模式図であり、図 6Bは第 3実施形態のベース上に複数の波 長変換素子を備えた波長変換モジュールを上面力も見た模式図である。 [図 7]図 7Aは多段接続 (カスケード接続)用波長変換モジュールを側面カゝら見た模式 図であり、図 7Bは多段接続 (カスケード接続)用波長変換モジュールを上面力も見た 模式図である。る。
[図 8]多段の波長変換モジュールを使用したレーザ光源装置の構成模式図である。
[図 9]レーザ光源装置を用いたレーザディスプレイ装置（2次元画像表示装置）の一 例を示す模式図である。
[図 10]図 10Aはレーザディスプレイ装置構成体における、レーザ光源装置の配置の 一例を示す模式図であり、図 10Bは図 10Aの模式図の 10— 10'断面の模式図であ る。
[図 11]S— RGB規格の色再現範囲と、緑色光として 530nmのレーザ光を選択した場 合における色再現範囲とを示す図である。
[図 12]図 12Aはレーザ光源装置を用いたバックライト装置の一例を示す構成模式図 であり、図 12Bは図 12Aに示したバックライト装置の部分拡大模式図である。
[図 13]レーザ光源装置を用いたレーザ加工描画装置の一例を示す模式図である。
[図 14]従来の波長変換装置の構成を示す模式図である。
[図 15]従来の波長変換装置の構成を示す模式図である。
発明を実施するための最良の形態
[0029] (第 1実施形態）
第 1実施形態の波長変換モジュール 210について、図 1 A及び図 1Bを参照して説 明する。図 1Aは、第 1実施形態の波長変換モジュール 210の側面模式図であり、図
1Bは、波長変換モジュール 210の上面模式図である。
[0030] 図 1A及び図 1B中、 201は第 1の基本波伝搬光ファイバ、 202は第 1の波長変換素 子、 203は第 1の高調波伝搬光ファイバ、 204は入射側組レンズ、 205は出射側組レ ンズ、 206はベース、 207はぺノレチェ素子、 208は温度センサ、 209はヒートシンク、
310はレーザ光源を示す。また、第 1の高調波伝搬光ファイバ 203は、ファイバをコィ ル状に成形した曲線部 213を有する。
[0031] 第 1の基本波伝搬光ファイバ 201及び入射側組レンズ 204は、第 1の基本波伝搬 光ファイバ 201から出射された基本波を入射側組レンズ 204が集光し、第 1の波長変 換素子 202に入射させるようにァライメントされ、ベース 206上に配置されている。同 様に、第 1の高調波伝搬光ファイバ 203及び出射側組レンズ 205は、第 1の波長変 換素子 202から出射された高調波及び残留基本波を出射側組レンズ 205が結合し て第 1の高調波伝搬光ファイバ 203に入射するようにァライメントされて、ベース 206 上に配置されている。
[0032] 波長変換モジュール 210の動作を以下に説明する。
[0033] レーザ光源 310から出射された基本波は第 1の基本波伝搬光ファイバ 201に入射 し、第 1の基本波伝搬光ファイバ 201内を伝搬する。そして、第 1の基本波伝搬光ファ ィバ 201から出射した後、入射側組レンズ 204で集光され、第 1の波長変換素子 202 に入射する。第 1の波長変換素子 202は結晶の温度により位相整合波長が変化する ために、温度センサ 208及びペルチェ素子 207により 0. O e程度の精度で温度制 御されることが好ましい。なお、波長変換モジュール 210においては、ヒートシンク 20 9を設けることにより、温度変動が抑制されている。
[0034] 第 1の波長変換素子 202に入射した基本波の一部は、高調波に波長変換される。
高調波及び波長変換されなかった残留基本波は、第 1の波長変換素子 202から出 射した後、出射側組レンズ 205により第 1の高調波伝搬光ファイバ 203に結合され、 入射する。第 1の高調波伝搬光ファイバ 203に入射した高調波は第 1の高調波伝搬 光ファイバ 203内をシングルモードで伝搬する。そして、第 1の高調波伝搬光ファイバ 203のコア径は、第 1の基本波伝搬光ファイバ 201のコア径よりも小さいために、残留 基本波は、第 1の高調波伝搬光ファイバ 203内を伝搬する際に損失し、その損失分 のエネルギが表面力 熱として放出される。すなわち、第 1の高調波伝搬光ファイバ 2 03のコア径を第 1の基本波伝搬光ファイバ 201のコア径よりも小さくして第 1の高調 波伝搬光ファイバ 203の遮断波長を第 1の波長変換素子 202から出射される残留基 本波の波長以下にすることにより、第 1の高調波伝搬光ファイバ 203内での残留基本 波のエネルギ損失を大きくして、残留基本波のパワーを低減させることができる。
[0035] 第 1の基本波伝搬光ファイバ 201としては、第 1の波長変換素子 202に入射する際 に特定の結晶軸に沿った直線偏光である必要があるため、一般的なシングルモード ファイバではなぐ PANDAファイバや、ボウタイファイバ等の偏波保持型シングルモ ードファイバ等が用いられることが望ま 、。
[0036] 第 1の高調波伝搬光ファイバ 203としては、用途に応じて、一般的なシングルモード ファイバや、偏波保持ファイバが用いられる。
[0037] 図 2に、本発明者らの実験結果の一例である、シングルモード光ファイバ内での 10
64nmの基本波の伝搬損失と前記シングルモード光ファイバのコア径との関係を示 す。
[0038] 図 2に示すように、 1064nmの基本波がシングルモードで伝搬するのに最適なコア 径 6 mの光ファイバにおける、 1064nmの基本波の伝搬損失は 0. 5dBZm以下で あることがわかった。また、 の 0. 9倍のコア径に相当するコア径 5. の光フ アイバにおける、前記伝搬損失は 2〜3dBZm程度、 Q μ ( 0. 5倍に相当するコア 径 3 mの光ファイバ内における、前記伝搬損失は 30dBZmであることがわ力つた。 このように、 1064nmの基本波をシングルモードで伝搬するのに最適な光ファイバの コア径 6 mに対して、光ファイバのコア径が 0. 9倍以下の場合には、伝搬損失が大 幅に高くなる。
[0039] 前記結果から、波長変換モジュール 210においては、第 1の基本波伝搬光ファイバ 201のコア径に対する、第 1の高調波伝搬光ファイバ 203のコア径を、 0. 9倍以下、 さらには 0. 8倍以下にすることにより、波長変換後の残留基本波のエネルギを第 1の 高調波伝搬光ファイバ 203において大幅に損失させうることが分かる。また、第 1の基 本波伝搬光ファイバ 201のコア径に対する、第 1の高調波伝搬光ファイバ 203の倍 率としては、 0. 5倍以上であることが、高調波の損失が充分に低い点力も好ましい。
[0040] ところで、本発明者らは、波長変換モジュール 210において、さらに、第 1の高調波 伝搬光ファイバ 203による残留基本波のエネルギ損失効果を大きくする手段を検討 し、第 1の高調波伝搬光ファイバ 203の所定の部分に特定の曲率半径以下の曲線 部分 213を形成することにより、残留基本波のエネルギ損失を格段に大きくできること を見出した。
[0041] 本発明者らの実験結果の一例として、図 3にコア径 5 μ mのシングルモードファイバ にコイル部分を形成したときの、 1064nmの基本波の伝搬損失と光ファイバのコイル 部分の曲率半径との関係を示す。 [0042] 図 3に示すように、曲率半径力 ^Omm超の場合には、 1064nmの基本波の伝搬損 失は 0. 4dBZkm以下である。そして、曲率半径が 60mm以下では、伝搬損失は急 激に高くなり、曲率半径 10mmにおいては、その伝搬損失は 4dBZkmであった。
[0043] 図 3に示した実験結果から、曲率半径を 60mm以下にすることにより基本波の伝搬 損失を大きくし、より効果的に基本波を除去できることがわかる。なお、曲率半径が 6 Omm以下の場合には、基本波の損失は格段に大きくなるが、高調波の伝搬損失は 0. 4dBZkm以下である。なお、曲率半径は、小さければ小さいほど基本波の伝搬 損失は大きくなるが、曲率半径 10mm以下になれば、光ファイバが曲げに《なり、ま た、曲げる際に破損するおそれもある。
[0044] 曲線部分 213の形状としては、図 4Aに示すような、各環状部分が全て略同一の曲 率半径を有するようなコイル形状でも、図 4Bに示すような、環状部分の曲率半径が 徐々に小さくなる渦巻状コイル、であってもよい。また、図 4Cに示すような、各山の高 さが全て略同一である波状形状でも、図 4Dに示すような、各山の高さが徐々に小さく なる波状形状、であってもよい。
[0045] なお、図 4Bに示すような、環状部分の曲率半径が徐々に小さくなる渦巻状コイルの 場合には入射側の曲率半径を出射側の曲率半径よりも大きく形成し、また、図 4Dに 示すような、各山の高さが徐々に小さくなる波状形状である場合には、入射側の山の 高さを出射側の山の高さよりも大きく形成することが好ましい。エネルギは入射側から 出射側に向かうにつれて徐々に減少するため、エネルギが大きい部分では伝播損失 を小さくして放熱量を抑え、エネルギが小さい部分においては伝搬損失を大きくして 放熱量を高めることにより、光ファイバ全体に渡って放熱量を均一にすることができる ためである。
[0046] 波長変換モジュール 210をレーザカ卩ェ装置、あるいはレーザディスプレイ等に用い る場合においては、曲線部分 213が効率よく放熱しうる位置に配置することが好まし い。この配置の具体例については、後述する第 6実施形態において説明する。
[0047] 波長変換素子 202としては、例えば、定比 (ストィキオメトリック)組成及び一致溶融
(コングルェント）組成の、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、酸化マグネシウムド ープニオブ酸リチウム、酸化マグネシウムドープタンタル酸リチウム、リン酸チタ-ルカ リウム、リチウムトリボレート、ニオブ酸カリウム、及びタンタル酸カリウム等力もなる素子 が挙げられる。また、波長変換素子 202としては周期分極反転構造を有しているもの が特に好ましく用いられる。
[0048] なお、前記ストィキオメトリー組成及びコンダルェント組成の、酸化マグネシウムドー プニオブ酸リチウム素子や、酸化マグネシウムドープニオブ酸リチウム結晶素子にお ける酸化マグネシウムのモル濃度としては、 5〜6. 3mol%、さらには、 5. 3〜6. 3m ol%であることが好ましい。すなわち、光により屈折率が変化する光損傷や結晶劣化 を抑制するためには 5mol%以上、さらには 5. 3mol%以上であって、 6. 3mol%以 下の範囲で酸ィ匕マグネシウムを添加することが望ましい。
[0049] なお、基本波を連続発振 (CW)のレーザ光源により発生させる場合には、周期分 極反転構造を有する酸ィ匕マグネシウムドープニオブ酸リチウム素子が、非線形光学 定数が大きぐ波長変換効率に優れている点力 特に好ましい。
[0050] 一方、基本波をパルス発振のレーザ光源により発生させる場合には、分極反転構 造を有する酸化マグネシウムドープニオブ酸リチウム（Periodically Poled Mg :Li NbO ： PPMgLN)素子、分極反転構造リン酸チタ-ルカリウム（Periodically Pole
3
d Mg :LiNbO ： PPKTP)、及び分極反転構造マグネシウムドープタンタル酸リチウ
3
ム（Periodically Poled Mg :LiTaO ： PPMgLT)等が好ましく用いられる。
3
[0051] また、ベース 206としては、アルミ、真鍮等力もなる金属基材のほ力、マイナス熱膨 張セラミック基材等のセラミック基材等が挙げられる。特に、波長変換モジュール 210 を用いて、 2W以上の高調波を発生させる場合には、結晶発熱による位相不整合を 緩和して、温度調節の要求精度を緩和するために、マイナス熱膨張セラミック基材を 用いることが好ましい。マイナス熱膨張セラミック基材の熱膨張率としては、— lxlO7 〜0の範囲であることが好まし!/、。
[0052] また、前記のような位相不整合を抑制するために、熱膨張率の異なる素材力 なる 基材を厚み方向に積層して張り合わせることにより、熱膨張を制御した基材をベース 206として用いてもよい。
[0053] 上記説明した波長変換モジュール 210によれば、残留基本波のエネルギは、高調 波伝搬光ファイバ 203内を伝搬する際に、その表面力も熱として分散されて放出され る。従って、従来の波長変換装置が平行光として残留基本波を放出するときのような 、エネルギの集中を回避することができる。その結果、従来の波長変換装置において 必要とされて 、た、大型のビームダンパー等の放熱手段が不要となる。
[0054] 以上説明したような波長変換モジュール 210を用いて、例えば 700〜1600nmの 波長を有する基本波を波長変換することにより、波長 200〜800nmの波長を有する 平均出力 2W以上の高出力レーザ光が得られうる。
[0055] (第 2実施形態）
第 1実施形態の波長変換モジュール 210を用 、たレーザ光源装置について図 5を 参照して、詳しく説明する。
[0056] 図 5は波長変換モジュール 210を用 、たレーザ光源装置の構成例を示す模式図 である。
[0057] 図 5中、 310は本実施形態で用いたレーザ光源を示し、 301は励起用（ポンプ用） レーザダイオード（LD)光源、 303は Ybドープダブルクラッドファイノく、 302, 304は ファイバグレーティング、 305は発振した光を直線偏光にするためのボラライザを示 す。なお、ファイバグレーティング 302, 304は共振器を構成している。ファイバダレ 一ティング 304としては、発振するレーザ光のバンド幅を調整し、分極反転構造の波 長変換素子の波長許容幅 0. lnmに合わせるために、反射中心波長 1064nmで、 反射帯域幅 0. 09nmであるものを用いている。 Ybドープダブルクラッドファイバ 303 は励起用 LD301 (波長約 195nm、最大出力 30w)により励起され、 1064nm付近 の波長の基本波を生成する。このようなレーザ光源 310は、波長 1064nm付近、ノ ンド幅 0. 09nmで、平均出力 7Wの連続発振光（CW)を発生するものである。
[0058] 本実施形態においては、第 1の高調波伝搬光ファイバ 203としては、高調波である 緑色光を最低次モード（シングルモード）で伝搬するように 4 mコア 125 mクラ ッドのシングルモードファイバ 10mを用い、第 1の基本波伝搬光ファイバ 201としては 、 6 μ mコア— 125 μ mクラッドの PANDA等の偏波保持のシングルモードファイバを 用いる。この場合、第 1の高調波伝搬光ファイバ 203を伝搬する第 2高調波である緑 色光（520〜550nm付近）の伝搬ロスに比べて、波長が倍である基本波（1040〜11 OOnm付近）の伝搬ロスは格段に大きくなる。 [0059] また、第 1の波長変換素子 202として、長さ 10mmの周期分極反転 MgO :LiNBO
3 結晶からなる波長変換素子を用いる。従来、 wクラスの出力を得る場合の波長変換 素子の温度は、 100°C以上に加熱することが一般的であった。一方、周期的分極反 転 MgO :LiNBO結晶からなる波長変換素子を用いた場合、 20〜40°Cの室温付近
3
であっても安定した緑色光出力が得られる。従って、装置の消費電力を低減すること ができる。結晶保持温度を室温以上 (40〜60°C)に設定した場合には、高価なペル チェ素子を使用しなくてもヒータで代替できるためさらに部材コストを低減することが できる。なお、第 1の波長変換素子 202は結晶の温度により位相整合波長が変化す るため 0. o eの精度で温度制御することが好ましい。
[0060] Ybドープダブルクラッドファイバ 303から出射され、ファイバグレーティング 304を通 過した基本波光は PANDA型偏波保持ファイバからなる第 1の基本波伝搬光フアイ ノ 201を伝搬する。そして、第 1の基本波伝搬光ファイバ 201から出射した基本波光 は、入射側組レンズ 204により集光され、第 1の波長変換素子 202に入射する。
[0061] そして、第 1の波長変換素子 202に入射された基本波光は、一部が基本波光の 1 Z2の波長である 532nmの緑色光 (第 2高調波）に変換され、一部は基本波として残 留する。
[0062] そして、発生した緑色光及び残留基本波は第 1の波長変換素子 202から出射した のち、出射側組レンズ 205によって第 1の高調波伝搬用光ファイバ 203に結合される 。そして、第 1の高調波伝搬光ファイバ 203を伝搬しながら残留基本波のエネルギは 熱に変換される。このとき、第 2高調波 306は殆ど損失しない。
[0063] 本実施形態のレーザ光源装置によれば、例えば 6〜9Wの基本波を投入することに より、 2〜4Wの第 2高調波が得られる。
[0064] (第 3実施形態）
第 3実施形態として、複数個の波長変換素子を用いた波長変換モジュール 510を 図 6A及び図 6Bを参照して説明する。図 6Aは、波長変換モジュール 510の側面模 式図であり、図 6Bは、波長変換モジュール 510の上面模式図である。なお、第 3実 施形態において、第 1実施形態及び第 2実施形態と同じ符号で示される構成要素の 説明は、先に説明されたものと同様であるために、その詳しい説明は省略する。 [0065] 図 6A及び図 6Bにおいて、 202aは第 1の波長変換素子、 202bは第 2の波長変換 素子、 201は第 1の基本波伝搬光ファイバ、 203aは第 1の高調波伝搬光ファイバ、 2 03bは第 2の高調波伝搬光ファイノく、 204は第 1の入射側組レンズ、 501は再コリメ一 トレンズ、 502ίまビームスプリッタ、 503ίまミラー、 504ίま第 2の人射佃 j糸且レンズ、 205a は第 1の出射側組レンズ、 205bは第 2の出射側組レンズ、 206はベース、 207はぺ ルチェ素子、 208は温度センサ、 209はヒートシンク、 310はレーザ光源を示す。また 、高調波伝搬光ファイバ 203a,203bは、それぞれファイバがコイル状に形成された 曲線部 213a及び 213bを有する。
[0066] 波長変換モジュール 510においては、レーザ光源 310から出射した基本波は第 1 の基本波伝搬光ファイバ 201を伝搬し、第 1の入射側組レンズ 204により集光されて 、第 1の波長変換素子 202aに入射する。そして、第 1の波長変換素子 202aに入射 した基本波の一部は、高調波に波長変換される。
[0067] 高調波及び波長変換されな力つた残留基本波は、再コリメートレンズ 501により平 行光に戻された後、ビームスプリッタ 502により、基本波と高調波とに分離される。そ して、分離された高調波は第 1の出射側組レンズ 205aによって第 1の高調波伝搬用 光ファイバ 203aに結合され、これを通じて伝搬する。
[0068] 一方、分離された残留基本波はミラー 503により第 2の入射側組レンズ 504に入射 され、第 2の入射側組レンズ 504により集光されて、第 2の波長変換素子 202bに入 射する。そして、第 2の波長変換素子 202bから高調波及び残留基本波が発生する。 発生した高調波及び残留基本波は第 2の出射側組レンズ 205bによって第 2の高調 波伝搬光ファイバ 203bに結合され、これを通じて伝搬する。
[0069] なお、発生した高調波は第 1の高調波伝搬光ファイバ 203a及び第 2の高調波伝搬 光ファイバ 203bの 2本の光ファイバより出力する。これらは、コンパイナやバンドルフ アイバを用いることにより、一本のファイバにまとめて出力してもよい。
[0070] なお、本実施形態では、一例として、 2個の波長変換素子を有する波長変換モジュ ールを示したが、さらに多くの波長変換素子を有してもよい。
[0071] 従来の波長変換装置においては、第 1の波長変換素子から出射した残留基本波か ら、さらに高調波を取り出すために波長変換素子を増設する場合、波長変換装置を 構成する各光学部品の煩雑なァライメントが必要であった。一方、波長変換モジユー ル 510においては、モジュールの組立時に各部品が結合されて固定されるために、 ァライメントのずれが発生しにくぐその結果、波長変換の信頼性を向上させることが できる。また、残留基本波は、第 1の高調波伝搬用光ファイバ 203a及び第 2の高調 波伝搬光ファイバ 203bを伝搬する際に処理されるために、大型の放熱手段等を必 要としない。
[0072] (第 4実施形態）
図 7A及び図 7Bを参照して、波長変換モジュール 610の構成を説明する。
[0073] 図 7Aは、波長変換モジュール 610の側面模式図であり、図 7Bは、波長変換モジュ ール 610の上面模式図である。なお、第 4実施形態において、第 1実施形態〜第 3 実施形態と同じ符号で示される構成要素の説明は、先に説明したものと同様である ために、その詳細な説明を省略する。
[0074] 図 7A及び図 7B中、 201は第 1の基本波伝搬光ファイバ、 603は第 2の基本波伝搬 光ファイバ、 202は第 1の波長変換素子、 203は第 1の高調波伝搬光ファイバ、 204 は第 1の入射側組レンズ、 601はビームスプリッタ、 205は第 1の出射側組レンズ、 60 2は第 2の出射側組レンズ、 206はベース、 207はペルチェ素子、 208は温度センサ 、 209はヒートシンク、 310はレーザ光源を示す。
[0075] ここで、波長変換モジュール 610の特徴となる点は、第 1の波長変換素子 202から 出射する残留基本波のほとんどをビームスプリッタ 601で分離し、残留基本波を第 2 の出射側組レンズ 602により第 2の基本波伝搬光ファイバ 603に結合する点である。 このような構造の波長変換モジュール 610を用いることにより、複数の波長変換モジ ユールをカスケード状に多段接続することができる。
[0076] 図 8に、複数の波長変換モジュールをカスケード状に多段接続してなる波長変換モ ジュール 710を備えたレーザ光源装置を示す。波長変換モジュール 710を構成する 1段目の波長変換モジュール 701及び 2段目の波長変換モジュール 702には、波長 変換モジュール 610が用いられる。また、終端用波長変換モジュール 703には、第 1 実施形態の波長変換モジュール 210が用いられる。
[0077] 図 8中、 701は 1段目の波長変換モジュール、 702は 2段目の波長変換モジュール 、 703は終端用波長変換モジュールであり、 712, 722, 732はそれぞれ第 1の基本 波伝搬光ファイバ、 714, 724, 734はそれぞれ第 1の高調波伝搬光ファイノく、 711, 721はそれぞれ第 2の基本波伝搬光ファイノく、 713, 723, 733はそれぞれ波長変 換素子、 715, 725はそれぞれビームスプリッタである。
[0078] 波長変換モジュール 710においては、レーザ光源 310から出射した基本波は 1段 目の波長変換モジュール 701に結合された第 1の基本波伝搬光ファイバ 712を伝搬 する。そして、基本波は、波長変換素子 713に入射して、一部の基本波が高調波に 波長変換される。そして、高調波と波長変換されずに残った残留基本波とは、ビーム スプリッタ 715により分離される。分離された残留基本波の殆どは、第 2の基本波伝搬 光ファイバ 711に入射する。また、分離された高調波は第 1の高調波伝搬光ファイバ 714から出射する。
[0079] そして、 1段目の波長変換モジュール 701の第 2の基本波伝搬光ファイバ 711は、 2 段目の波長変換モジュール 702の第 1の基本波伝搬光ファイバ 722と接続されてい るために、 1段目の波長変換モジュール 701で生じた残留基本波を 2段目の波長変 換モジュール 702の波長変換素子 723に入射させることができる。そして、残留基本 波は、波長変換素子 723に入射して、一部の基本波が高調波に波長変換される。そ して、高調波と波長変換されずに残った残留基本波とは、ビームスプリッタ 725により 分離される。分離された残留基本波の殆どは、第 2の基本波伝搬光ファイバ 721〖こ 入射する。また、分離された高調波は第 1の高調波伝搬光ファイバ 724から出射する
[0080] さらに、 2段目の波長変換モジュール 702の第 2の基本波伝搬光ファイバ 721は、 終端用波長変換モジュール 703の第 1の基本波伝搬光ファイバ 732と接続されてい るために、 2段目の波長変換モジュール 702で生じた残留基本波を終端用波長変換 モジュール 703の波長変換素子 733に入射させることができる。
[0081] このようにして、 2段目の波長変換モジュール 702と 3段目の波長変換モジュール 7 03とは接続される。そして、 2段目の波長変換モジュール 702で発生した残留基本 波の一部は、終端用波長変換モジュール 703の波長変換素子 733により高調波に 波長変換される。そして、高調波と波長変換されずに残った残留基本波とは、第 1の 高調波伝搬光ファイバ 734に入射し、伝搬する。そして、第 1の高調波伝搬光フアイ バ 734において、残留基本波は消費され、高調波が第 1の高調波伝搬光ファイバ 73 4から出射する。
[0082] 高調波伝搬光ファイバ 714, 724, 734は、コンパイナやバンドルファイバを用いる ことにより、一本のファイバにまとめて、高調波を出力してもよい。
[0083] なお、本実施形態では、 3個の波長変換モジュールを接続した例を示したが、さら に多くの波長変換モジュールを接続してもよ 、。
[0084] 多段波長変換モジュール 710における、第 1の基本波伝搬光ファイバ及び第 2の基 本波伝搬光ファイバは波長変換素子に基本波を入力する際に直線偏光である必要 があるために偏波保持ファイバであることが好ましい。しかしながら、偶数段目の波長 変換モジュールで波長変換される偏波と奇数段目の波長変換モジュールで波長変 換される偏波とを垂直にしたり、波長変換素子の光軸を 45度傾けた状態で配置した り、或いは、角度位相整合の場合、第 2種位相整合の結晶を使用したりする場合には 、基本波伝搬ファイバとして、一般的なシングルモードファイバを用いてもよい。
[0085] 複数の波長変換モジュール 610を結合してなる多段の波長変換モジュール 710は 、従来の波長変換素子を複数個用いて多段化した波長変換装置に比べて、大きな スペースを必要とせず、また、光学調整も容易である。すなわち、波長変換モジユー ル 610においては、光ファイバにより光が入出力されるために、波長変換素子のァラ ィメントも波長変換モジュール 610の組立時に完了することができる。また、複数の波 長変換モジュールの接続時のァライメントとしては、光ファイバを融着する際のァライ メントが必要であるが、光ファイバの融着は光ファイバ融着接続器で容易に行 、うる。 従って、設置や交換も非常に容易である。また、波長変換モジュール 610内の波長 変換素子のァライメントは製造時に調整し、固定ィ匕されているために、ァライメントの ずれが発生せず、波長変換手段の信頼性が向上する。さらに、部品点数も低減でき ることから製造コストを低減できる。
[0086] (第 5実施形態）
第 1実施形態〜第 4実施形態で説明した波長変換モジュールを備えたレーザ光源 装置は、レーザディスプレイ（2次元画像表示装置）の表示用光源や、液晶ディスプ レイ装置のバックライト用光源、又は、レーザ加工装置の加工用レーザ光源として用 いられうる。また、その他、光ディスク装置や計測装置等、従来からレーザ光が用いら れている各種用途に好適に用いることができる。例えば、光ディスク装置に前記レー ザ光源装置を用いた場合、コヒーレンスの高い、安定な高出力を得ることができ、ホロ グラム記録にも有効である。
[0087] さらに、前記レーザ光源装置は、照明光源としても利用できる。ファイバレーザを基 本波光源として用いれば、変換効率が高いため、電気-光の高効率変換が可能とな る。また、光ファイバを用いることで、低損失で離れた場所に光を伝送することができ る。この結果、光発生を特定の場所で行い、離れた場所へ光を送ることで、光のセン トラル発生による室内の照明が可能になる。また、ファイバレーザは、ファイバとの結 合が低損失で行えるため、光の配送に有効である。
[0088] 第 1実施形態〜第 4実施形態で説明した波長変換モジュールを備えたレーザ光源 装置の用途の一例として、前記レーザ光源装置を適用したレーザディスプレイ（2次 元画像表示装置）の構成の一例について図 9を用いて説明する。
[0089] レーザ光源装置には、赤（R)、緑（G)、青（B)の 3色のレーザ光源 901a〜901cを 用いた。赤色レーザ光源 901aには波長 638nmの GaAs系半導体レーザを用い、青 色レーザ光源 901cには波長 465nmの GaN系半導体レーザを用いている。また、緑 色レーザ光源 901bには、赤外レーザの波長を 1Z2にする波長変換素子を具備した 波長変換緑色光源装置を用いており、この波長変換緑色光源装置として、第 1実施 形態〜第 4実施形態で説明した波長変換モジュールを備えたレーザ光源装置を用 いうる。
[0090] 各光源 901a、 901b, 901cより発せられたレーザビームは、反射型 2次元ビーム走 查手段 902a〜902c【こより 2次元的【こ走査され、ミラー 910a、 レンズ 910b及びミラ 一 910cを通過した後、拡散板 903a〜903cを照射する。拡散板 903a〜903c上を 2 次元的に走査される各色のレーザビームは、フィールドレンズ 904a〜904cを通過し た後、 2次元空間光変調素子 905a〜905cへ導かれる。
[0091] ここで、画像データは、 R、 G、 Bそれぞれに分割されており、各信号が 2次元空間 光変調素子 905a〜905cに入力され、ダイクロイツクプリズム 906で合波されることに より、カラー画像が形成される。このように合波された画像は、投射レンズ 907によりス クリーン 908に投影される。このとき、拡散板 903a〜903cがスペックルノイズ除去部 として 2次元空間変調素子 905a〜905cの手前に配置されており、拡散板 903a〜9 03cを揺動することにより、スペックルノイズを低減することができる。スペックルノイズ 除去部としては、レンチキュラーレンズ等を用いてもよ!、。
[0092] また、本実施形態では、色毎に 1つの半導体レーザを使用している力 バンドルファ ィバにより 2〜8個の半導体レーザの出力を 1本のファイバ出力で得られるような構造 をとつてもよい。その場合、波長スペクトル幅は数 nmと非常にブロードになり、この広 いスペクトルによりスペックルノイズの発生を抑制することができる。
[0093] 2次元空間変調素子 905a〜905cとしては、超小型ミラーが集積された反射型空 間変調素子 (DMDミラー）を用いることができる力 液晶パネルを用いた 2次元空間 変調素子や、ガルバノミラー、メカ-カルマイクロスィッチ（MEMS)を用いた 2次元空 間変調素子を用いてもよい。なお、反射型空間変調素子や MEMS、ガルバノミラー 、つた光変調特性に対する偏光成分の影響が少な!、光変調素子の場合、高調波 を伝搬する光ファイバは PANDAファイバなどの偏波保持ファイバである必要はない 力 液晶パネルを用いた 2次元空間変調素子を用いる場合には、変調特性と偏光特 性が大いに関係するため、偏波保持ファイバを使用することが望ましい。
[0094] なお、液晶パネルを用いた 2次元空間変調素子を用いる場合にぉ 、ては、光源とし て前記レーザ光源装置を用いることにより、照射する光から基本波である赤外光成分 が高調波伝搬光ファイバにより除去されるので、液晶パネルが赤外光成分により劣化 することを抑帘 Uすることができる。
[0095] なお、本実施形態のレーザディスプレイ装置にお!、ては、レーザ光源装置の波長 変換モジュールが備える高調波伝搬用光ファイバを、レーザディスプレイ装置の放熱 性が高 、部分に巻き付けることも好まし 、。
[0096] その具体例を図 10A及び図 10Bを参照して説明する。図 10Aは、レーザディスプ レイ装置 1001とスピーカ 1002とを備えるレーザディスプレイ装置構成体 1004の構 成模式図であり、図 10Bはその 10— 10'部分の断面模式図である。
[0097] 図 10A及び図 10B中、 1001はレーザディスプレイ装置、 1005は緑色レーザ光源 装置、 1002はスピーカ、 1003はスピーカ用円筒であり、 1004はレーザディスプレイ 装置構成体である。また、 203は緑色レーザ光源装置 1005から導き出される高調波 伝搬用ファイバである。
[0098] 高調波伝搬用ファイバ 203は曲率半径が小さい曲線部を有する場合には、前記曲 線部で残留基本波のエネルギを放熱しやすい。従って、高調波伝搬用ファイバ 203 をレーザディスプレイ装置構成体 1004内の、所定の円筒部に巻き付けることにより 放熱性を高くすることができる。一例として、図 10Bには、緑色レーザ光源装置 1005 力も導き出される高調波伝搬用光ファイバ 203が、スピーカ用円筒 1003に巻き付け られた後、図 10Aに示すように、レーザディスプレイ装置 1001に導入される様子が 示されている。高調波伝搬用光ファイバ 203をスピーカ用円筒 1003に卷きつけるこ とにより、スピーカの発生する音圧を利用して、効率よく放熱することができる。また、 前記発生した熱はレーザディスプレイ装置 1004の筐体の内側に高調波伝搬用光フ アイバ 203を這わせることによつても、効率よく発散される。
[0099] このようなレーザディスプレイ装置の緑色光として、 530nmのレーザ光を選択した 場合の色再現範囲と S— RGB規格の色再現範囲とを図 11に示す。緑色光として、 5 30nmのレーザ光を選択した場合における色再現範囲の ヽずれもが、従来の画像表 示装置で再現可能な S— RGB規格の色再現範囲よりも広がることがわかる。このよう に、本実施形態のレーザディスプレイ装置は、その光源として前記レーザ光源装置を 用いることにより、高精細な映像を再現することが可能となる。
[0100] 本実施形態のレーザディスプレイ装置に用いられる緑色のレーザ光源装置として は、 Ybを添カ卩したファイバレーザ光源 (Ybドープファイバレーザ）が好ましい。 Ybド ープファイバレーザを光源として本実施形態のレーザ光源装置に用いた場合、 520 〜550nmの範囲のような広!、範囲の波長のグリーン光を発生することができる。従つ て、 Yb添加ファイバレーザを用いた場合には、色再現範囲をさらに拡大できる。
[0101] なお、前記レーザ光源装置は、このような構成の 2次元画像表示装置のほかに、ス クリーンの背後から投影する形態（リアプロジェクシヨンディスプレイ）を採用することも 可能である。
[0102] (第 6実施形態） 第 1実施形態〜第 4実施形態で説明した波長変換モジュールを備えたレーザ光源 装置は液晶ディスプレイ装置のバックライト用光源として使用することもできる。前記レ 一ザ光源装置をバックライト用光源として用いれば、高効率及び高輝度の液晶ディス プレイ装置が実現できる。また、このようなレーザ光源装置をバックライト用光源として 使用した場合、残留基本波のエネルギを光ファイバから発散して液晶表示部を保温 することにより、高い応答速度を維持することに寄与する。さらに、前記レーザ光源装 置をバックライト用光源として用いた場合には、照射する光力も基本波である赤外光 成分が高調波伝搬光ファイバにより除去されるので、液晶パネルが赤外光成分により 劣化することを抑制することができる。
[0103] 図 12Aに前記レーザ光源装置をバックライト用光源として用いた液晶ディスプレイ 装置 1108の構成模式図を示す。なお、液晶ディスプレイ装置 1108は、左右それぞ れに同様の動作をする 1組ずつの多段の波長変換モジュールを備えるが、説明を簡 略化するために液晶ディスプレイ装置 1108の左側に備えられた多段の波長変換モ ジュールの動作のみを図 12Bの拡大模式図を用いて説明する。なお、右方に備えら れた結合波長変換モジュールも同様の動作をする。
[0104] 図 12A及び図 12B中、 1101は液晶表示部、 1105a及び 1110aは 1段目の波長 変換モジュール、 1105b及び 1110bは 2段目の波長変換モジュールである。また、 電圧印加により表示画像を制御するための液晶駆動用端子 1107を備える。さらに、 液晶表示部 1101の裏面には、図略の導光板が備えられている。
[0105] そして、 1段目の波長変換モジュール 1105a及び 1110a、 2段目の波長変換モジ ユーノレ 1105b及び 11 lObiま、リム 1102中【こ収糸内されて!ヽる。なお、リム 1102の波長 変換モジュールが配置される付近には赤外吸収材料、例えば、黒色アルマイト処理 等がされていることが好ましい。液晶パネルに赤外光が入射することによる液晶材料 の劣化を防止するためである。
[0106] 図 12Bに示された 1段目の波長変換モジュール 1105aは、第 1の波長変換素子 11 20と第 1の基本波伝搬光ファイバ 1106,第 2の基本波伝搬光ファイバ 1104及び第 1の高調波伝搬光ファイバ 1115とが光学的に結合されて構成されている。また、 2段 目の波長変換モジュール 1105bは、第 2の波長変換素子 1130と第 1の基本波伝搬 光ファイバ 1124,第 2の基本波伝搬光ファイバ 1114及び第 2の高調波伝搬光フアイ ノ 1116とが光学的に結合され構成されている。また、 1段目の波長変換モジュール 1105aの第 2の基本波伝搬光ファイバ 1104と 2段目の波長変換モジュール 1105b の第 1の基本波伝搬光ファイバ 1124とは光学的に結合されて 、る。
[0107] レーザ光源 L1から発せられた基本波は基本波導入部 1106から導入され、第 1の 基本波伝搬光ファイバ 1106内を伝搬する。そして、 1段目の波長変換モジュール 11 05aの波長変換素子 1120に入射する。そして、入射した基本波は、一部が第 2高調 波に変換されて第 1の高調波伝搬光ファイバ 1115から出射し、残留基本波は、第 1 の波長変換素子 1120から出射して、第 2の基本波伝搬光ファイバ 1104及び第 1の 基本波伝搬光ファイバ 1124を伝搬して、 2段目の波長変換モジュール 1105bの波 長変換素子 1130に入射する。第 2の波長変換素子 1130に入射した基本波は、一 部が第 2高調波に変換されて第 2の高調波伝搬光ファイバ 1116から出射する。一方 、残留基本波は、第 2の波長変換素子 1130から出射して、第 3の基本波伝搬光ファ ィバ 1114を伝搬して終端部 1103に達する。
[0108] そして、第 1の高調波伝搬光ファイバ 1115及び第 2の高調波伝搬光ファイバ 1116 力も出射した緑色光である第 2高調波は、非球面レンズとフレネルレンズ等の組合せ 力 なる光学系 Rl, R2によりシートビームに整形され、導光板に入力されて液晶パ ネルを均一に照射する。
[0109] 一方、第 2の波長変換素子 1130から出射した残留基本波は、第 2の波長変換素 子 1130と結合された第 2の基本波伝搬光ファイバ 1114内を伝搬し、第 2の基本波 伝搬光ファイバ 1114の末端に結合された終端部 1103に到達する。ここで、第 2の基 本波伝搬光ファイバ 1114は、例えば図 4Dに示すように、終端部 1103に近づくにつ れて各山の高さが徐々に小さくなるような波状形状に形成されている場合には、第 2 の基本波伝搬光ファイバ 1114内における放熱が光ファイバ内で、より分散しやすく なる点力も好ましい。
[0110] また、第 2の基本波伝搬光ファイバ 1114で分散しきれな力つた残留基本波のエネ ルギは放熱性に優れた素材カゝら形成される終端部 1103で処理してもよ ヽ。
[0111] 図 12Aにおいては、ノ ックライト用光源として、波長変換モジュールを 2つ接続した 結合波長変換モジュールを左右に 1組ずつ配置した構成例を挙げたが、波長変換 モジュールの結合数や組数は液晶ディスプレイ装置の面積等に応じて、適宜選択さ れうる。
[0112] (第 7実施形態）
次に、第 1実施形態〜第 4実施形態で説明した波長変換モジュールを備えたレー ザ光源装置を適用したレーザ加工装置の一例について、図 13を用いて説明する。 本実施形態では、加工用レーザ光源 1301として、前記レーザ光源装置を用いたレ 一ザ光源装置 (緑色光:波長 530nm付近)を使用しており、プリント基板などの銅カロ ェに適したレーザ描画加工装置である。なお、加工用レーザ光源 1301の構成は第 1実施形態〜第 4実施形態で説明した波長変換モジュールを備えたレーザ光源装置 と同様であるので、詳細な説明を省略する。
[0113] 加工用レーザ光源 1301を出射した緑色光は、組レンズ 1302によりコリメートされる 。その後スリット 1303を通過してビーム径が調整され、ミラー 1304などにより光軸を 折り返した後、レンズ 1305を介してガルバノミラー 1306a、 1306bへ導力れる。ガル バノミラー 1306a、 1306bはレーザ光の光軸をカ卩ェ方向（x方向又は y方向）に動か し、その後、 f Θレンズ 1307により、 X yステージ 1309に取り付けられたカロ工対象 物 1308に垂直にビームが入射され、所望の加工が行われる。加工に用いられるレ 一ザ光の波長範囲は、光ディスクのマスタリング等に使用できる 400nmカも榭脂の 融着に使用できる 600nmまでの波長範囲であることが望ましい。
[0114] また、本実施形態においては、ミラーを用いて加工するためのビームを移動させて いた力 高調波伝搬用光ファイバ 203から出射された高調波光を被加工物の直前で 集光することにより得られる集光ビームを用いて加工を行うことも可能であり、この場 合、組レンズ 1302、スリット 1303といったビーム整形光学系およびガルバノミラー 13 06a、 1306b, f— Θレンズ 1307が不要となるため装置を大幅に小型化でき、低コス ト化が可能である。力！]えて、 f- Θレンズ 1307は温度特性を持っため、使用する部屋 の温度を一定に保ち、さらにレンズの特性プロファイルを管理する必要があつたが、 ファイバで持ってきたビームを被加工物直前で集光することができるためこのような管 理が不要となり、信頼性 ·利便性が向上する。 [0115] なお、従来、このようなレーザカ卩ェ装置に用いるレーザ光源には、 LBO (リチウムトリ ボレー HLiB O；) )結晶を用いたレーザ光源が用いられていた。しかし、 LBO結晶
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には潮解性があるために、長期間使用しな 、場合には結晶を 150°Cに加熱したり、 乾燥雰囲気中で使用したりする必要があった。また、これまでに報告のあった、 MgO 5mol添加： LiNbOは、潮解性がないという特長を持つ力 200〜300mWまでの出
3
力を得た例がほとんどで、 2W以上の緑色光出力を得ようとした場合、結晶が割れる などの問題があった。し力しながら、 Wクラスの緑色高出力を得ることが可能な、 Mg 05. 6mol添加： LiNbO等を使用した場合には、 3W以上の出力が安定して得られ
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る。また、潮解性がないため、装置を使用しない場合には、電源を遮断した状態でも 結晶劣化をなくすことができる。その結果ヒータを駆動する装置の消費電力を低減し 、さらには装置の小型化が可能となる。
[0116] 加工用レーザ光源 1301においては、第 1実施形態〜第 4実施形態で説明したよう な波長変換モジュールがファイバレーザ力も出射された基本波を波長変換している。 高調波光が青緑、青色と波長が短くなるほど、可視光吸収による結晶破壊や出力不 安定の影響を受けやすくなるが、前記レーザ光源装置を使用することで、基本波の 波長を変化させアルゴンイオンレーザ（488nm、 514nm)を発生させることも可能で ある。アルゴンイオンレーザの発振波長が得られることでこれまでガラスチューブを用 いた大型の光源だったものを体積にして 20〜30%に小型化することが可能となると いう利点がある。
[0117] なお、以上の各実施形態に例示した波長変換モジュール、レーザ光源装置、 2次 元画像表示装置、バックライト光源、液晶ディスプレイ装置及びレーザ加工装置はあ くまでも一例であり、他の態様をとることが可能であることは言うまでもない。
[0118] 以上詳述したように、本発明の一局面は、レーザ光源から出射した基本波を伝搬 するための第 1の基本波伝搬光ファイバと、前記第 1の基本波伝搬光ファイバと光学 的に結合され、前記第 1の基本波伝搬光ファイバから出射した基本波を高調波に変 換するための第 1の波長変換素子と、前記第 1の波長変換素子と光学的に結合され 、前記第 1の波長変換素子力 出射される高調波を伝搬するための第 1の高調波伝 搬光ファイバとを備え、前記第 1の高調波伝搬光ファイバのコア径が前記第 1の基本 波伝搬光ファイバのコア径よりも小さいことを特徴とする波長変換モジュールである。 このような構成により、前記高調波伝搬光ファイバ内における残留基本波のエネルギ 損失を大きくして、前記残留基本波のエネルギを消費させる。そして、残留基本波の エネルギを前記高調波伝搬光ファイバ内で消費させることにより、高工ネルギの高調 波を得る場合でも、大型の放熱手段を用いなくても、残留基本波のエネルギを低減さ せることができる。
[0119] 前記波長変換モジュールは、前記第 1の高調波伝搬光ファイバのコア径が前記第 1の基本波伝搬光ファイバのコア径の 0. 9倍以下であることが好ましい。前記第 1の 高調波伝搬光ファイバのコア径が前記第 1の基本波伝搬光ファイバのコア径の 0. 9 倍以下である場合には、残留基本波の伝搬損失が格段に高くなるために、前記第 1 の高調波伝搬光ファイバ内で残留基本波を充分に損失させることができる。
[0120] 前記波長変換モジュールは、前記第 1の波長変換素子と前記第 1の高調波伝搬光 ファイバとの間に、前記第 1の波長変換素子から出射される、高調波と残留基本波と を分離するためのビームスプリッタをさらに備えることが好ましい。このような、ビームス プリッタを用いることにより、残留基本波と波長変換されて生じる高調波を分離するこ とができる。そして、分離された残留基本波を波長変換することにより、さら〖こ、高調 波を得ることができる。
[0121] 前記波長変換モジュールは、前記ビームスプリッタにより分離された残留基本波を 伝搬するための第 2の基本波伝搬光ファイバをさらに備えることが好ましい。前記第 2 の基本波伝搬光ファイバを用いることにより、他の波長変換モジュールに残留基本波 を容易に伝搬することができる。
[0122] 前記波長変換モジュールは、さらに、前記ビームスプリッタで分離された残留基本 波の波長を高調波に変換するための第 2の波長変換素子と、前記第 2の波長変換素 子から出射する高調波を伝搬するための第 2の高調波伝搬光ファイバを備えることが 好ましい。このように、一つの波長変換モジュール中に、複数の波長変換素子と該波 長変換素子に結合された高調波伝搬光ファイバを備えることにより、基本波力 より 多くの高調波を得ることができる。
[0123] 前記波長変換モジュールは、前記第 1の高調波伝搬光ファイバが所定の曲率半径 を有する曲線部を有することが好ま 、。このように曲線部を有する高調波伝搬光を 用いることにより、残留基本波の光ファイバ内での損失をより高めることができる。
[0124] 前記波長変換モジュールは、前記曲線部の曲率半径が 60mm以下であることが好 ましい。曲率半径が 60mm以下の場合には、残留基本波の光ファイバ内での損失が 格段に高くなる。
[0125] 前記波長変換モジュールは、前記第 1の基本波伝搬光ファイバ、及び前記第 1の 高調波伝搬光ファイバのうちの少なくとも一つが偏波保持ファイバであることが好まし い。偏波保持ファイバを用いることにより、波長変換素子の特定の結晶軸に沿った直 線偏光のみを得ることができる。
[0126] 前記波長変換モジュールは、前記第 1の波長変換素子が、リン酸チタ-ルカリウム 、一致溶融 (コングルェント)組成のニオブ酸リチウム、定比 (ストィキオメトリック)組成 のニオブ酸リチウム、一致溶融組成のタンタル酸リチウム、及び定比組成のタンタル 酸リチウム力 なる群力 選ばれる少なくとも 1種であることが非線形光学定数が大き ぐ波長変換効率に優れている点力 好ましい。
[0127] 前記波長変換モジュールは、前記第 1の波長変換素子が、酸化マグネシウムのモ ル濃度が 5. 3〜6. 3molである、一致溶融組成の酸ィ匕マグネシウム添加ニオブ酸リ チウム及び酸ィ匕マグネシウム添加タンタル酸リチウム力 なる群力 選ばれる少なくと も 1種であることが光損傷や結晶劣化を抑制する点力 好ましい
前記波長変換モジュールは、前記第 1の波長変換素子が分極構造を周期的に反 転させた非線形光学単結晶であることが擬似位相整合 (QPM)により、高い変換効 率が得られる点力も好まし 、。
[0128] 前記波長変換モジュールは、前記レーザ光源が Yb添加ファイバレーザであること が得られる高調波の波長範囲が広 、点力 好ま 、。
[0129] 前記波長変換モジュールは、高調波の波長が 520〜550nmの範囲であることが 広 、範囲の緑色光が得られる点力も好ま 、。
[0130] 前記波長変換モジュールは、前記第 1の波長変換素子の波長変換時の温度が 20 〜60°Cであることが消費電力を低下させることができる点力も好ましい。
[0131] また、本発明の一局面は、前期波長変換モジュールの複数個を多段に光学的に結 合してなる波長変換モジュールであって、前記光学的結合が、第 n段目（但し、 nは 1 以上)の整数の波長変換モジュールの第 2の基本波伝搬光ファイバと第 (n+ 1)段目 の第 1の基本波伝搬光ファイバを結合することを特徴とする波長変換モジュールであ る。このような結合波長変換モジュールによれば、所定の段の波長変換モジュールと 次の段の波長変換モジュールを上記のように接続し、所定の段の残留基本波を次の 段の基本波とすることにより、残留基本波を無駄にすることなぐより高出力の高調波 を得ることができる。
[0132] また、本発明の一局面は、前記波長変換モジュールを備え、前記波長変換モジュ ールは、平均出力 2W以上かつ波長 200〜800nmのレーザ光を出力することを特 徴とするレーザ光源装置である。このようなレーザ光源装置は、残留基本波を処理す る大型のビームダンパー等の放熱手段を必要としないため、小型化できる。従って、 2次元画像表示装置等の小型の民生機器に適用することができる。
[0133] また、本発明の一局面は、前記レーザ光源装置を備え、前記レーザ光源装置から 出射される平均出力 2W以上のレーザ光を用いて画像を表示させることを特徴とする 2次元画像表示装置である。このような 2次元画像表示装置は、広い色再現範囲を 有する。
[0134] 前記 2次元画像表示装置が液晶パネルにより形成された 2次元空間変調素子を有 する場合には、前記レーザ光源装置を用いることにより液晶パネルに含有される液晶 材料の劣化を抑制することができる。
[0135] また、本発明の一局面は、前記レーザ光源装置を備え、前記レーザ光源装置から 出射される平均出力 2W以上のレーザ光力 放出される光を用いて液晶表示部を照 明することを特徴とするバックライト光源である。このようなバックライト光源が有する波 長変換モジュール力 発生する残留基本波のエネルギを光ファイバから発散するこ とにより液晶表示部を保温することができるために、高い応答速度を維持することに 寄与する。
[0136] また、本発明の一局面は、前記バックライト光源を備えた液晶ディスプレイ装置であ る。このような液晶ディスプレイ装置においては、液晶パネルに含有される液晶材料 の劣化を抑制することができる。 [0137] また、本発明の一局面は、前記レーザ光源装置を備え、前記レーザ光源装置から 出射される平均出力 2W以上のレーザ光を用いて対象物を加工することを特徴とす るレーザカ卩ェ装置である。このようなレーザカ卩ェ装置はプリント基板などの銅力卩ェに 適したレーザ描画カ卩ェ装置である。
産業上の利用可能性
[0138] 本発明の波長変換モジュールは、光ファイバの特性として持ち合わせる光学損失 を利用して波長変換後の残留基本波を除去する。従って、残留基本波の有するエネ ルギを分散して放出することが出来る。その結果、大型のビームダンパーや放熱フィ ンが不要となる。また、入出力に光ファイバを用いていることから、ファイバ同士を融 着させ接続することでファイバレーザ装置との接続も簡便であり、ァライメントのずれ などが起こりえないため高い信頼性を確保できる。本発明の波長変換モジュールを 用いることで、装置が簡略化され、複雑な調整なしに波長変換モジュールが増設可 能にし、部品点数を低減できることから製造コストを低減することが可能となる。
[0139] そのため、より単純な構成で、高輝度のレーザディスプレイ (画像表示装置)などを 構成することが可能となる。

Claims

請求の範囲
[1] レーザ光源から出射した基本波を伝搬するための第 1の基本波伝搬光ファイバと、 前記第 1の基本波伝搬光ファイバと光学的に結合され、前記第 1の基本波伝搬光フ アイバから出射した基本波を高調波に変換するための第 1の波長変換素子と、 前記第 1の波長変換素子と光学的に結合され、前記第 1の波長変換素子から出射さ れる高調波を伝搬するための第 1の高調波伝搬光ファイバとを備え、
前記第 1の高調波伝搬光ファイバのコア径が前記第 1の基本波伝搬光ファイバのコ ァ径よりも小さ 、ことを特徴とする波長変換モジュール。
[2] 前記第 1の高調波伝搬光ファイバのコア径が前記第 1の基本波伝搬光ファイバのコ ァ径の 0. 9倍以下であることを特徴とする請求項 1に記載の波長変換モジュール。
[3] 前記第 1の波長変換素子と前記第 1の高調波伝搬光ファイバとの間に、前記第 1の 波長変換素子から出射される、高調波と残留基本波とを分離するためのビームスプリ ッタをさらに備える請求項 1または 2に記載の波長変換モジュール。
[4] 前記ビームスプリッタにより分離された残留基本波を伝搬するための第 2の基本波 伝搬光ファイバをさらに備える請求項 3に記載の波長変換モジュール。
[5] 前記ビームスプリッタにより分離された残留基本波の波長を高調波に変換するため の第 2の波長変換素子と、前記第 2の波長変換素子力 出射される高調波を伝搬す るための第 2の高調波伝搬光ファイバとをさらに備える請求項 3に記載の波長変換モ ジュール。
[6] 前記第 1の高調波伝搬光ファイバが所定の曲率半径を有する曲線部を有する請求 項 1〜5の何れか 1項に記載の波長変換モジュール。
[7] 前記曲線部の曲率半径が 60mm以下である請求項 6に記載の波長変換モジユー ル。
[8] 前記第 1の基本波伝搬光ファイバ及び前記第 1の高調波伝搬光ファイバのうちの少 なくとも一つが偏波保持ファイバである請求項 1〜7の何れか 1項に記載の波長変換 モジユーノレ。
[9] 前記第 1の波長変換素子及び前記第 2の波長変換素子の少なくとも 1つが、リン酸 チタニルカリウム、一致溶融 (コングルェント)組成のニオブ酸リチウム、定比 (ストィキ オメトリック)組成のニオブ酸リチウム、一致溶融組成のタンタル酸リチウム、及び定比 組成のタンタル酸リチウム力 なる群力 選ばれる少なくとも 1種である請求項 1〜8の 何れ力 1項に記載の波長変換モジュール。
[10] 前記第 1の波長変換素子が、酸ィ匕マグネシウムのモル濃度が 5. 3〜6. 3molであ る、一致溶融組成の酸ィ匕マグネシウム添加ニオブ酸リチウム及び酸ィ匕マグネシウム 添加タンタル酸リチウム力もなる群力 選ばれる少なくとも 1種である請求項 1〜9の 何れ力 1項に記載の波長変換モジュール。
[11] 前記第 1の波長変換素子が分極構造を周期的に反転させた非線形光学単結晶で ある請求項 1〜10の何れか 1項に記載の波長変換モジュール。
[12] 前記レーザ光源が Yb添加ファイバレーザである請求項 1〜： L 1の何れか 1項に記載 の波長変換モジュール。
[13] 高調波の波長が 520〜550nmの範囲である請求項 1〜12の何れ力 1項に記載の 波長変換モジュール。
[14] 前記第 1の波長変換素子の波長変換時の温度が 20〜60°Cであることを特徴とす る請求項 1〜13の何れか 1項に記載の波長変換モジュール。
[15] 請求項 4に記載の波長変換モジュールの複数個を多段に光学的に結合してなる波 長変換モジュールであって、
前記光学的結合が、第 n段目（但し、 nは 1以上の整数)の波長変換モジュールの 第 2の基本波伝搬光ファイバと第 (n+ 1)段目の第 1の基本波伝搬光ファイバを結合 することを特徴とする波長変換モジュール。
[16] 請求項 1〜15に記載の波長変換モジュールを備え、前記波長変換モジュールは、 平均出力 2W以上かつ波長 200〜800nmのレーザ光を出力することを特徴とするレ 一ザ光源装置。
[17] 請求項 16に記載のレーザ光源装置を備え、
前記レーザ光源装置から出射される平均出力 2W以上のレーザ光を用いて画像を 表示させることを特徴とする 2次元画像表示装置。
[18] 液晶パネルにより形成されている 2次元空間変調素子を備えた請求項 17に記載の
2次元画像表示装置。
[19] 請求項 16に記載のレーザ光源装置を備え、
前記レーザ光源装置から出射される平均出力 2W以上のレーザ光力 放出される 光を用いて液晶表示部を照明することを特徴とするバックライト光源。
[20] 請求項 19に記載のバックライト光源を備えた液晶ディスプレイ装置。
[21] 請求項 16に記載のレーザ光源装置を備え、
前記レーザ光源装置から出射される平均出力 2W以上のレーザ光を用いて対象物 をカ卩ェすることを特徴とするレーザカ卩ェ装置。
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