WO2012124266A1 - 波長変換レーザ光源及び画像表示装置 - Google Patents

波長変換レーザ光源及び画像表示装置 Download PDF

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WO2012124266A1
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laser
light
laser light
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古屋　博之
杉田　知也
信之 堀川
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パナソニック株式会社
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    • H01S3/2383—Parallel arrangements

Definitions

  • the present invention relates to a wavelength conversion laser device that converts fundamental light emitted from a solid-state laser medium into second harmonic light having a frequency higher than the frequency of the fundamental light, and an image display device using the wavelength conversion laser device.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration example of a conventional wavelength conversion laser light source using Nd: YVO 4 which is a single crystal material.
  • a wavelength conversion laser light source 100 shown in FIG. 13 is an end face excitation type (end pump type laser) laser light source that inputs excitation light from the end face of the laser medium.
  • an end face excitation type (end pump type laser) laser light source that inputs excitation light from the end face of the laser medium.
  • a YVO 4 crystal that is a single crystal material is used.
  • the excitation light PL is generated from the excitation light source 101, converted into parallel light by the collimator lens 103, and then condensed by the condenser lens 104 onto the solid laser medium 105 in the resonator 109.
  • a high reflection optical film 105 a that reflects light in the 1060 nm band is formed on the end face on which the excitation light PL is incident, and the end face of the concave mirror 106 is also in the 1060 nm band.
  • a highly reflective optical film 106a that reflects this light is formed.
  • a resonator 109 is constituted by the high reflection optical film 105a and the high reflection optical film 106a.
  • a non-reflective optical film (not shown) is formed on the end face 105 b of the solid-state laser medium 105 facing the wavelength conversion element 107 and the both end faces 111 of the wavelength conversion element 107. That is, a non-reflective optical film is formed on the surface of the solid-state laser medium 105 facing the wavelength conversion element 107 and the surface of the wavelength conversion element 107 facing the solid-state laser medium 105.
  • the resonator 109 operates as an optical resonator when light resonates between the highly reflective optical film 105 a formed on the solid laser medium 105 and the highly reflective optical film 106 a formed on the end surface of the concave mirror 106.
  • the oscillated 1060 nm band light passes through the wavelength conversion element 107, whereby the 1060 nm band light is wavelength-converted and converted into half-wavelength output light OL of 530 nm. Then, the converted output light OL of 530 nm is output from the end face of the wavelength conversion element 107 to the outside via the concave mirror 106.
  • the solid laser medium 105 is held by a laser medium holder (not shown).
  • the YVO 4 crystal used as the solid-state laser medium 105 shown in FIG. 13 is an optically anisotropic material, the incident and outgoing surfaces of the solid-state laser medium 105 are separated from each other by the a-axis and the c-axis of the crystal axis. By matching with the planes included in both, the light in the 1060 nm band to be oscillated can be made into linearly polarized light.
  • the wavelength conversion laser light source it is possible to perform wavelength conversion by the nonlinear optical effect only for light having a specific polarization direction. It is important that the light emitted from the medium is linearly polarized light.
  • polarized light can be obtained directly only by selecting the axial direction of the single crystal.
  • wavelength conversion laser light source called an internal resonator type wavelength conversion laser light source
  • an optical component called a quarter wavelength plate
  • examples include wavelength conversion laser light sources disclosed in Patent Documents 1 to 3 described below.
  • FIG. 14 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional first wavelength conversion laser light source using a wavelength plate
  • FIG. 15 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional second wavelength conversion laser light source using a wavelength plate
  • FIG. 16 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional third wavelength conversion laser light source using a wave plate.
  • the excitation light generated from the excitation light source 101 is collimated by the objective lens 102 and then incident on the solid-state laser medium 105 via the reflection mirror 110.
  • a resonator 204 is composed of the reflection mirrors 110 and 111.
  • two wavelength conversion elements 107 and 108 and a wavelength plate 203 are provided inside the wavelength conversion laser light source, and the polarization direction of the harmonic laser beam generated by wavelength conversion by one wavelength conversion element 107 is determined by the wavelength plate. It is rotated by 203 and matched with the polarization direction of the harmonic laser beam generated by wavelength conversion by the other wavelength conversion element 108. Thereby, it is possible to obtain a laser beam with little fluctuation in the polarization direction with respect to a temperature change of the apparatus and a stable output.
  • the excitation light generated from the excitation light source 101 is collimated by the collimator lens 103 and then condensed on the solid laser medium 105 by the condenser lens 104.
  • the high-reflection optical film 105 a and the reflection mirror 111 constitute a resonator 206, and output light OL that is the second harmonic is output to the outside via the reflection mirror 111 and the wavelength filter 210.
  • the resonance mode in the resonator 206 of the wavelength conversion laser light source is composed of two intrinsic polarization modes in which the fundamental laser beam is orthogonal to each other.
  • the two intrinsic polarization modes are caused to resonate in a random polarization state having no phase relationship with each other, and a ⁇ / 4 wavelength plate 203 is inserted into the resonator 206, so that the two intrinsic polarizations orthogonal to each other can be obtained.
  • energy transfer through generation of the second harmonic is prevented.
  • a practically sufficiently stable second harmonic laser beam can be generated with an easy and simple configuration.
  • Patent Document 3 proposes that the optical elements constituting the resonator are independently arranged on a predetermined substrate to prevent the positional deviation of each optical element due to heat.
  • a resonator 207 is constituted by a high reflection film 205a and a high reflection optical film 107a, and a configuration of the resonator 207 using an optical component 205 in which a wave plate and a lens are combined is disclosed. ing.
  • FIG. 17 is a plot diagram in which the input intensity of excitation light is plotted on the horizontal axis and the output intensity of green light, which is the output light of the wavelength converted laser light source, is plotted on the vertical axis, as output characteristics of a conventional wavelength converted laser light source.
  • FIG. 18 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional wavelength conversion laser light source in which the output characteristics shown in FIG. 17 are measured.
  • the excitation light PL output from the excitation light source 101 passes through the collimator lens 103 and the condenser lens 104 and is incident on the solid-state laser medium 105.
  • a highly reflective optical film 105a that reflects a 1064 nm band for constituting a laser resonator is formed.
  • the highly reflective optical film 105a and the highly reflective optical film 106a of the concave mirror 106 are formed.
  • a laser resonator is configured from the above.
  • the 1064 nm light (fundamental wave light) generated in the laser resonator passes through the wavelength conversion element 107, it is converted to 532 nm which is a half wavelength, and is emitted from the concave mirror 106 to the outside as output light OL.
  • the wave plate 203 is inserted between the solid-state laser medium 105 and the wavelength conversion element 107.
  • FIG. 17 As a result of measuring the output characteristics of the conventional wavelength conversion laser light source configured as described above, a plot diagram shown in FIG. 17 was obtained. As shown in FIG. 17, when the excitation light input becomes 1.5 W or more (around 200 mW in the green light output), the output starts to become unstable, and the excitation light input becomes 3 W or more (in the green light output). In addition to the instability of the output, it became clear that the green light output deviates by about 15% from the calculated output predicted value (calculated value).
  • An object of the present invention is to provide a wavelength conversion laser light source and an image display device capable of stably outputting the second harmonic after wavelength conversion at a high output even when a wave plate is inserted in the laser resonator. It is to be.
  • a wavelength-converted laser light source is a solid-state laser medium that receives excitation light and generates fundamental light, and converts the fundamental light into second harmonic light having a frequency higher than the frequency of the fundamental light.
  • a laser resonator is constituted by the first reflecting surface and the second reflecting surface, and the solid-state laser medium is disposed on the first reflecting surface side of the laser resonator.
  • the wavelength plate is disposed on the second reflecting surface side of the laser resonator, the wavelength conversion element is disposed between the solid-state laser medium and the wavelength plate, and the wavelength plate has the wavelength Converted by the conversion element The second harmonic wave through the second reflecting surface for outputting to the outside of the resonator.
  • An image display device includes the above-described wavelength conversion laser light source, a laser light source that generates laser light, a modulation element that modulates the laser light to form an image, the laser light source, and the And a controller for controlling the modulation element.
  • the second harmonic wave after wavelength conversion can be stably output with high output.
  • FIG. 1 It is a typical perspective view which shows the structure of an example of the wavelength plate with a cooling unit used for the wavelength conversion laser light source shown in FIG. It is the figure which compared the prior art example and Embodiment 2 and plotted the green light output with respect to excitation light input.
  • FIG. 2 It is a schematic diagram which shows the structure of the wavelength conversion laser light source which is the 1st modification by Embodiment 2 of this invention.
  • FIG. 2 shows the structure of the wavelength conversion laser light source which is the 2nd modification by Embodiment 2 of this invention.
  • the schematic shows the structure of the laser projector apparatus using the wavelength conversion laser light source by Embodiment 1 or 2 of this invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a wavelength conversion laser light source according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the wavelength conversion laser light source shown in FIG. 1 includes an excitation light source 1, a collimating lens 3, a condenser lens 4, a solid laser medium 5, a concave mirror 6, a wavelength conversion element 7, a ⁇ / 4 wavelength plate 8, and an optical film 9.
  • the wavelength conversion laser light source shown in FIG. 1 is an end face excitation type (end pump type laser) laser light source that inputs excitation light from the end face of the laser medium.
  • the excitation light PL is generated from the excitation light source 1, converted into parallel light by the collimator lens 3, and then condensed by the condenser lens 4 on the solid laser medium 5 disposed in the laser resonator 2.
  • the laser resonator 2 includes a solid-state laser medium 5 and a wavelength conversion element 7, and for the solid-state laser medium 5, for example, an isotropic single crystal material or a ceramic laser medium is used.
  • the solid-state laser medium 5 that has received the condensed excitation light generates fundamental wave light and outputs the fundamental wave light to the wavelength conversion element 7.
  • the wavelength conversion element 7 converts the fundamental light into a second harmonic having a higher frequency than the fundamental light.
  • the difference between the present embodiment and the conventional wavelength conversion laser light source shown in FIG. 13 is that the concave mirror on the side close to the excitation light source 1 on which the excitation light PL is incident among the mirrors constituting the laser resonator 2. 6 is disposed, and a ⁇ / 4 wavelength plate 8 on which an optical film 9 that functions as an output mirror is formed is disposed on the output side of the output light OL.
  • the end surface of the concave mirror 6 on the solid-state laser medium 5 side reflects light in the 1060 nm band (fundamental wave light) oscillated from the solid-state laser medium 5 and light in the 530 nm band that is a harmonic (second harmonic) thereof.
  • a highly reflective optical film 6a serving as a first reflecting surface is formed.
  • the concave mirror 6 reflects light in the 1060 nm band by the highly reflective optical film 6 a and focuses it in the solid-state laser medium 5.
  • an optical film 9 that reflects light in the 1060 nm band oscillated from the solid-state laser medium 5 and transmits light in the 530 nm band, which is a harmonic thereof, is used as an output mirror on the output side end face of the ⁇ / 4 wavelength plate 8. Is formed.
  • the ⁇ / 4 wavelength plate 8 has a flat plate shape, and the optical film 9 formed on the ⁇ / 4 wavelength plate 8 also has a flat plate shape.
  • the optical film 9 has a second reflecting surface. Functions as a flat mirror.
  • the gap between the end face of the concave mirror 6 (high reflection optical film 6a) and the end face of the ⁇ / 4 wave plate 8 (optical film 9) is an optical laser resonator 2, and the light in the 1060 nm band is a laser. It oscillates.
  • the laser-oscillated 1060 nm band light passes through the wavelength conversion element 7, a part of the 1060 nm band light is converted into harmonic light of 530 nm band.
  • the wavelength-converted light in the 530 nm band is output to the outside of the laser resonator 2 from the optical film 9 formed on the end face of the ⁇ / 4 wavelength plate 8 which finally becomes an output mirror.
  • the solid laser medium 5 is disposed on the high reflection optical film 6a side of the laser resonator 2
  • the ⁇ / 4 wavelength plate 8 is disposed on the optical film 9 side of the laser resonator 2
  • the solid laser medium 5 and ⁇ A wavelength conversion element 7 is arranged between the / 4 wavelength plate 8.
  • MgO-added lithium niobate having a periodically poled structure is selected as an example of the material constituting the wavelength conversion element 7.
  • the wavelength conversion element 7 among the nonlinear optical materials, in addition to the MgO-added lithium niobate having a periodically poled structure, the MgO-added lithium tantalate, the MgO-added lithium niobate having a stoichiometric composition, the stoichiometric composition Similar effects can be obtained by using MgO-added lithium tantalate and potassium titanyl phosphate (commonly known as KTP, KTiOPO 4 ).
  • the horizontal axis represents the input power of the pumping light emitted from the pumping light source 101 shown in FIG. 18 and incident on the solid-state laser medium 105, and the vertical axis represents the wavelength conversion shown in FIG.
  • the output power of the green light output from the laser light source is shown.
  • the wavy line indicates an assumed output value (calculated value) that is assumed to be output by design, and the black circles are actually output actual values. For example, when the excitation light input is 4 W, it can be seen that, although green light of 800 mW or more is supposed to be output, only about 700 mW is output. In addition to this point, even when the excitation light input is near 1.5 W, output instability in which the output value fluctuates is observed, and a phenomenon in which the actually measured value deviates from the assumed output value is observed.
  • the wavelength plate 203 when the excitation light input is 4 W and the green light output is less than or equal to the assumed output value, if the wavelength plate 203 is rotated to manipulate the wavelength rotation amount, the green light output tends to recover at the moment of rotation. However, a phenomenon of decreasing to the original 700 mW in several tens of seconds was observed. Therefore, it was considered that the wavelength plate 203 has a cause of output instability and reduction.
  • FIG. 2 shows the result of measuring the temperature rise of the wave plate 203 inserted in the resonator with a radiation thermometer. As a result of measuring the place about 1 mm away from the position through which the laser beam passes, it is clear from FIG. 2 that the temperature of the wave plate 203 rises as the excitation light input is increased.
  • a high reflection optical film 107 a that reflects harmonic light (532 nm) is provided on the end face of the wavelength conversion element 107, so that the harmonic light is not incident on the wave plate 203. A similar temperature rise was confirmed.
  • the amount of heat generated by the wave plate 203 due to light absorption with respect to the excitation light (808 nm) and the fundamental wave light (1064 nm) was measured.
  • the amount of heat generated was not the total amount of heat generated by the wave plate 203, but was measured with a radiation thermometer in a ring shape at a position about 300 ⁇ m away from the position where the beam (excitation light or fundamental light) passes.
  • the result is shown in FIG.
  • FIG. 3 it was found that the temperature rise of the wave plate 203 was larger in the excitation light (808 nm) than in the fundamental wave light (1064 nm). That is, it has been found that the absorption of the excitation light (808 nm) is more dominant than the fundamental wave light (1064 nm) with respect to the temperature rise occurring in the wave plate 203.
  • the reason why the light output from the wavelength conversion laser light source becomes unstable or that an output smaller than expected is obtained is the temperature characteristic of the wavelength plate 203, that is, the ⁇ / 4 wavelength plate. It was.
  • the present embodiment has been devised as a configuration that can obtain good characteristics without using a zero-order wavelength plate or a high-purity quartz material. The same applies to the following second embodiment and the like.
  • ⁇ / is located at the position farthest from the solid-state laser medium 5 on which the excitation light is incident in the laser resonator 2 on the side where the harmonics are output, that is, in the laser resonator 2. Since the four-wave plate 8 is arranged, the excitation light (808 nm) that has the greatest influence on the output reduction due to absorption hardly reaches the ⁇ / 4 wave plate 8. For this reason, the temperature rise of the ⁇ / 4 wavelength plate 8 due to light absorption can be reduced, and further, the polarization rotation due to the temperature rise of the ⁇ / 4 wavelength plate 8 can be reduced. As a result, it is possible to further reduce the phenomenon that the output of the laser light output from the wavelength conversion laser light source becomes unstable and the phenomenon that the output decreases from the assumed output value.
  • the ⁇ / 4 wavelength plate 8 is disposed on the output side, and the fundamental wave light (1064 nm) is reflected on the output side end face of the ⁇ / 4 wavelength plate 8 and the harmonics thereof are the first harmonics. Since the optical film 9 that transmits the second harmonic light (532 nm) is formed, the optical film 9 formed on the ⁇ / 4 wavelength plate 8 functions as an output mirror. Thus, by arranging the ⁇ / 4 wavelength plate 8 on the output side, the ⁇ / 4 wavelength plate 8 is exposed to the outside air through the very thin optical film 9, and the ⁇ / 4 wavelength plate 8 is exposed. Can be efficiently cooled by outside air. For this reason, an effect of suppressing the polarization rotation due to the temperature rise of the ⁇ / 4 wavelength plate 8 is produced, and the problem that the output is unstable or the output is insufficient from the assumed output value can be reduced.
  • the fundamental wave light is collected by the highly reflective optical film 6a of the concave mirror 6 and the convergent light is incident on the wavelength conversion element 7, so that the fundamental wave light in the wavelength conversion element 7 is converted into the harmonic light.
  • the conversion efficiency can be improved and the optical film 9 on the output side is a flat mirror, so that the optical film 9 can be easily formed integrally with the ⁇ / 4 wavelength plate 8 and the ⁇ / 4 wavelength plate 8 and the optical film 9 can be easily adjusted, and the manufacturing cost of the apparatus can be reduced.
  • FIG. 4 shows the temperature rise of the wave plate in a state where it acts as a laser resonator, with the present embodiment (black circle in the figure) and the wavelength conversion laser light source (white circle in the figure) shown in FIG. It is the figure plotted by comparison.
  • the temperature rise amount of the wave plate 203 is 40 ° C. in the conventional example, whereas in this embodiment, the temperature rise of the ⁇ / 4 wave plate 8 is increased. The amount is kept at 3-4 ° C.
  • the effect obtained by reducing the amount of light absorbed by the ⁇ / 4 wavelength plate 8 and the effect obtained by cooling the ⁇ / 4 wavelength plate 8 by outside air are sufficiently obtained. I found out.
  • FIG. 5 compares the relationship between the excitation light input and the green light output between the present embodiment (black circle in the figure) and the conventional wavelength conversion laser light source (small square in the figure) shown in FIG. FIG.
  • the green light output is 700 mW with respect to the assumed output value of 850 mW (calculated value indicated by the broken line in the figure), and the assumed output value of 85 Only less than% could be output.
  • the pumping light input is 4 W
  • the green light output is 800 mW with respect to the assumed output value of 850 mW
  • the output is about 95% of the expected output value.
  • the instability of the output observed from the vicinity where the excitation light input exceeds 1.5 W was a fluctuation amount of 20% or more in the conventional example, but in this embodiment, it is greatly improved to 1% or less. We were able to.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration of a wavelength conversion laser light source according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the wavelength conversion laser light source shown in FIG. 6 includes an excitation light source 1, a collimating lens 3, a condenser lens 4, a solid laser medium 5, a concave mirror 6, a wavelength conversion element 7, a ⁇ / 4 wavelength plate 8, an optical film 9, and a cooling unit. 10a and 10b.
  • the excitation light PL is generated from the excitation light source 1, converted into parallel light by the collimator lens 3, and then condensed by the condenser lens 4 onto the solid laser medium 5 disposed in the laser resonator 2 a.
  • the laser resonator 2a includes a solid-state laser medium 5 and a wavelength conversion element 7.
  • the material of the solid-state laser medium 5 is an optical ceramic material having a garnet structure such as Nd: YAG single crystal or Nd: YAG. Used.
  • a material capable of forming a domain-inverted structure is used as the material of the wavelength conversion element 7.
  • a material capable of forming a domain-inverted structure is used as the material of the wavelength conversion element 7.
  • nonlinear optical materials in addition to MgO-added lithium niobate, MgO-added lithium tantalate, having a stoichiometric composition.
  • Various materials such as MgO-added lithium niobate, MgO-added lithium tantalate having a stoichiometric composition, and potassium titanyl phosphate (commonly known as KTP, KTiOPO 4 ) can be used.
  • the solid-state laser medium 5 that has received the condensed excitation light generates fundamental wave light and outputs the fundamental wave light to the wavelength conversion element 7.
  • the wavelength conversion element 7 converts the fundamental light into a second harmonic having a higher frequency than the fundamental light.
  • Nd YAG ceramic is used for the solid-state laser medium 5
  • MgO LiNbO 3 crystal (MgO-added lithium niobate) having a periodically poled structure is used for the wavelength conversion element 7. Yes.
  • the concave mirror 6 is arranged on the side close to the pumping light source 1 on which the pumping light PL is incident among the mirrors constituting the laser resonator 2a, and as an output mirror on the output side of the output light OL.
  • a ⁇ / 4 wavelength plate 8 on which a functioning optical film 9 is formed is disposed.
  • the ⁇ / 4 wavelength plate 8 has a flat plate shape
  • the optical film 9 formed on the ⁇ / 4 wavelength plate 8 also has a flat plate shape
  • the concave mirror 6 On the end surface of the concave mirror 6 on the solid-state laser medium 5 side, light in the 1060 nm band (fundamental wave light) oscillated from the solid-state laser medium 5 and light in the 530 nm band (harmonic light) that is a harmonic (second harmonic) thereof. Is formed.
  • the concave mirror 6 reflects light in the 1060 nm band by the highly reflective optical film 6 a and focuses it in the solid-state laser medium 5. Further, an optical film 9 that reflects light in the 1060 nm band oscillated from the solid-state laser medium 5 and transmits light in the 530 nm band, which is a harmonic thereof, is used as an output mirror on the output side end face of the ⁇ / 4 wavelength plate 8. Is formed.
  • the gap between the end face of the concave mirror 6 (high reflection optical film 6a) and the end face of the ⁇ / 4 wave plate 8 (optical film 9) is an optical laser resonator 2a. It
  • the wavelength-converted light in the 530 nm band is output to the outside of the laser resonator 2a from the optical film 9 formed on the end face of the ⁇ / 4 wavelength plate 8, which finally becomes an output mirror.
  • the present embodiment is different from the first embodiment in that an optical film 9 serving as an output mirror is provided by providing a cooling unit 10a on the end face of the wavelength conversion element 7 side of the ⁇ / 4 wavelength plate 8 provided on the output side.
  • the cooling part 10b is provided on the top.
  • FIG. 7 is a schematic perspective view showing a configuration of an example of a wave plate with a cooling unit used in the wavelength conversion laser light source shown in FIG.
  • the wavelength plate with a cooling unit shown in FIG. 7 includes a ⁇ / 4 wavelength plate 8, an optical film 9, and cooling units 10a and 10b having circular openings 11 through which a laser beam (harmonic light) passes, and has a ⁇ / 4 wavelength.
  • Cooling portions 10a and 10b are provided on the front and back surfaces of the plate 8 and the optical film 9, and the ⁇ / 4 wavelength plate 8 and the optical film 9 are sandwiched between the cooling portions 10a and 10b.
  • the arrangement method of the cooling part is not particularly limited to the above example, and the cooling part is provided only on the surface of the ⁇ / 4 wavelength plate 8 or only the back surface of the ⁇ / 4 wavelength plate 8 (the surface of the optical film 9). In these cases, the cooling performance is inferior to that in the case where they are provided on the front and back surfaces, but the effect of cooling the ⁇ / 4 wavelength plate 8 can be obtained.
  • a material having a thermal conductivity higher than that of the quartz material constituting the ⁇ / 4 wavelength plate 8 is provided in a portion other than the circular opening 11 through which the laser beam passes.
  • a wave plate cooling section formed in a thin film shape and made of this thin film heat conductive material is formed as the cooling sections 10a and 10b.
  • a metal film made of the following materials may be formed on the surfaces of the ⁇ / 4 wave plate 8 and the optical film 9 to obtain a greater cooling effect.
  • the thermal conductivity and the electrical resistivity of the metal are in an inversely proportional relationship, and the cooling performance varies depending on the resistance value. It was. Specifically, indium having an electrical resistivity of 8.75 ⁇ 10 ⁇ 6 ⁇ ⁇ cm (coated with a molten material), aluminum having an electrical resistivity of 2.74 ⁇ 10 ⁇ 6 ⁇ ⁇ cm (sputtered film), Gold (sputtered film) with electrical resistivity of 2.20 ⁇ 10 ⁇ 6 ⁇ ⁇ cm, copper with electrical resistivity of 1.70 ⁇ 10 ⁇ 6 ⁇ ⁇ cm (made in contact with the surface), manufactured by Fujikura Kasei Co., Ltd.
  • Dorethite D-550 with an electrical resistivity of 8.0 ⁇ 10 ⁇ 5 ⁇ ⁇ cm, Tantalum (sputtered film) with an electrical resistivity of 13.1 ⁇ 10 ⁇ 6 ⁇ ⁇ cm, 10.6 ⁇ 10 ⁇ 6 ⁇ -Cooling parts 10a and 10b were created using cm palladium (sputtered film), and the output reduction of green light from the wavelength conversion laser light source was measured.
  • indium (In), aluminum (Al), gold (Au), and copper (Cu) whose electrical resistivity is 1.0 ⁇ 10 ⁇ 5 ⁇ ⁇ cm or less
  • the output of green light is 5
  • the output of green light is 5% or more with Doutite D-550, tantalum (Ta), and palladium (Pd) whose electrical resistivity exceeds 1.0 ⁇ 10 ⁇ 5 ⁇ ⁇ cm. Declined. From this result, the effect of suppressing the decrease in the output of green light was confirmed for indium (In), aluminum (Al), gold (Au), and copper (Cu), and the electrical resistivity was 1.0 ⁇ 10 ⁇ 5. It was found that by forming a metal film from a material of ⁇ ⁇ cm or less, output reduction can be suppressed as compared with the case where there is no metal film.
  • a transparent conductive material may be used for the cooling units 10a and 10b.
  • a diamond thin film or diamond-like carbon (DLC) is used as the ⁇ / 4 wavelength plate 8 and / or Alternatively, it may be formed on the surface of the optical film 9. Since the diamond thin film and the diamond-like carbon can transmit light, it is not necessary to provide the cooling portions 10a and 10b with circular openings through which the laser beam (harmonic light) passes, and cooling the portion through which the laser beam passes. Since efficiency can be improved, this is the most desirable mode.
  • FIG. 8 shows the relationship between the green light output and the excitation light input when the excitation light having a wavelength of 808 nm is input up to 4 W, and the wavelength conversion laser light source shown in FIG. It is the figure plotted by comparison with (small square in a figure).
  • the green light output was lower than the assumed output value (calculated value indicated by the broken line in the figure), but in this embodiment, an output according to the assumed output value is obtained. You can see well.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing a configuration of a wavelength conversion laser light source that is a first modification of the second embodiment of the present invention
  • FIG. 10 is a second modification of the second embodiment of the present invention. It is a schematic diagram which shows the structure of a certain wavelength conversion laser light source.
  • a laser beam (harmonic light) passes through the wave plate cooling mechanisms 12 and 13 described below. A circular opening is provided.
  • a metallic wave plate cooling mechanism 12 is provided on the optical film 9 side of the ⁇ / 4 wavelength plate 8 as a forced cooling mechanism of the ⁇ / 4 wavelength plate 8 in the laser resonator 2b. It has been.
  • the wave plate cooling mechanism 12 has a heat radiating fin 12a having a plurality of grooves formed on the upper surface of an inverted L-shaped main body.
  • the wavelength conversion laser light source shown in FIG. 9 can sufficiently cool the ⁇ / 4 wavelength plate 8 as compared with the wavelength conversion laser light source shown in FIG.
  • the cooling capacity of the wavelength conversion laser light source shown in FIG. As a result, in the wavelength conversion laser light source shown in FIG. 9, even when it is desired to obtain a green light output of 1 W or more, it was possible to improve the problem of insufficient output due to output instability and assumed output values.
  • a metallic wave plate cooling mechanism 13 is used as the optical film 9 of the ⁇ / 4 wavelength plate 8 as a forced cooling mechanism of the ⁇ / 4 wavelength plate 8 in the laser resonator 2b.
  • a Peltier element 14 is provided on the upper surface of the inverted L-shaped main body, and a metal heat dissipating part 15 is provided on the upper surface of the Peltier element 14.
  • the Peltier element 14 is driven by a drive circuit (not shown) and forcibly cools the ⁇ / 4 wavelength plate 8.
  • the ⁇ / 4 wavelength plate 8 can be forcibly cooled, it is possible to sufficiently improve the problem of output instability and insufficient output from the assumed output value.
  • a green light output of 10 W or more was obtained using a YAG single crystal laser.
  • the structure for cooling the wave plate described in the present embodiment may be formed in the ⁇ / 4 wave plate 8 of the first embodiment.
  • the stress or the amount of deflection changes depending on the temperature, and the output of the harmonic light fluctuates with respect to the temperature. Therefore, it is preferable to form a plurality of grooves on the surface (end surface facing the optical film 9 of the wave plate cooling mechanisms 12 and 13) that holds the ⁇ / 4 wavelength plate 8 of the forced cooling mechanism. In this case, unnecessary stress and bending of the ⁇ / 4 wave plate 8 can be released, and the surface area of the wave plate cooling mechanisms 12 and 13 that release heat can be increased to increase the cooling efficiency. The instability of output with respect to temperature change can be improved.
  • the cooling efficiency may be increased by increasing the radiation rate of the surface of the forced cooling mechanism.
  • the solid-state laser medium is not limited to a specific material, but is preferably composed of an isotropic material having an isotropic refractive index, such as ceramic. Since the problem of instability and reduction in the output of the converted laser light source occurs remarkably, the effect of each embodiment becomes more remarkable.
  • a solid-state laser medium is a YAG (yttrium, aluminum, garnet) single crystal, or a garnet single crystal material such as YAG ceramic or a ceramic material.
  • solid laser media made of ceramic materials there are those manufactured to have a depolarizing effect even with the same chemical composition.
  • linearly polarized light passes through the solid-state laser medium and becomes random polarized light. Therefore, when a solid laser medium is formed from a ceramic material in which microcrystals having various crystal orientations are integrated, an effect of converting linearly polarized light into random polarized light can be generated.
  • the above embodiments are particularly effective for a solid-state laser medium made from a ceramic material having such a depolarizing effect.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing a configuration of a laser projector apparatus using the wavelength conversion laser light source according to the first or second embodiment of the present invention.
  • a laser projector apparatus 1200 shown in FIG. 11 is a laser projector using a ferroelectric LCOS (Liquid crystal on silicon) as a two-dimensional modulation element, and the wavelength according to the first or second embodiment is used as a green laser light source 1201g.
  • a conversion laser light source is used.
  • the laser beams emitted from the blue laser light source 1201b, the red laser light source 1201r, and the green laser light source 1201g are collimated into parallel light by collimating lenses 1202r, 1202g, and 1202b.
  • the mirrors 1203r, 1203g, and 1203b are dielectric multilayer mirrors having reflection characteristics in the red region (wavelength 600 nm or more), the blue region (wavelength 400 to 460 nm), and the green region (wavelength 520 to 560 nm), respectively.
  • the collimating lenses 1202r, 1202g, 1202b and the mirrors 1203r, 1203g, 1203b are adjusted so that the beam paths of the blue laser light source 1201b, the red laser light source 1201r, and the green laser light source 1201g are coaxial.
  • the scan mirror 1204 scans the beam in the direction of the drawing sheet, and the cylindrical lens 1205 shapes the beam into a linear bright line.
  • a diffusion plate 1207 is disposed between the relay lens 1206 and the field lens 1208, and the beam shaped into a bright line by the cylindrical lens 1205 is further formed into a band shape.
  • the polarization beam splitter 1209 functions as a prism, and the LCOS panel 1210 is a ferroelectric liquid crystal display device (LCOS).
  • the prism since the LCOS panel 1210 is turned ON / OFF by rotating the polarization direction of the light, the prism needs to be a polarization beam splitter.
  • the beam whose optical path is swung by the scan mirror 1204 is incident on the polarization beam splitter 1209 as S-polarized light. Since the reflective film in the polarization beam splitter 1209 is designed to reflect S-polarized light, the S-polarized light illuminates the LCOS panel 1210.
  • the light reflected by the LCOS panel 1210 is projected onto the screen 1212 by the projection lens 1211.
  • the controller 1213 includes an LCOS driving circuit 1214, an LD / galvano driving circuit 1215, and an LD current source 1216.
  • the video signal VS is input to the LCOS driving circuit 1214, and the LCOS driving circuit 1214 generates a driving signal DS.
  • the LD / galvano drive circuit 1215 generates a light emission trigger LT which is a drive waveform of the scan mirror and a light emission timing of the laser, using a V-SYNC signal Vsync which is one of signals from the LCOS drive circuit 1214 as a trigger.
  • the light emission trigger LT is input to an LD current source 1216 that is a laser current source, and current is supplied to the blue laser light source 1201b, the red laser light source 1201r, and the green laser light source 1201g in accordance with the light emission trigger LT. By this series of operations, an image is displayed on the screen 1212.
  • the wavelength conversion laser light source of Embodiment 1 or 2 is used as the green laser light source 1201g, it becomes possible to ensure long-term stability of the light source output in a wide temperature range, and a wide range of temperatures. A stable brightness can be maintained in a range.
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing a configuration of a head-up display device using the wavelength conversion laser light source according to Embodiment 1 or 2 of the present invention.
  • a head-up display device 1301 shown in FIG. 12 includes red, green, and blue laser light sources 1307R, 1307G, and 1307B, a two-dimensional modulation element 1308, a projection lens 1309, an intermediate screen 1310, a folding mirror 1312, and a controller that controls them.
  • the unit 1313 is configured.
  • the two-dimensional modulation element 1308 is composed of a small liquid crystal panel or a digital mirror device (DMD).
  • the green laser light source 1307G the wavelength conversion laser light source according to the first and second embodiments is used.
  • Laser beams emitted from the laser light sources 1307R, 1307G, and 1307B are combined and shaped by an optical system (not shown) to illuminate the two-dimensional modulation element 1308.
  • the light from the two-dimensional modulation element 1308 is projected onto the screen 1310 by the projection lens 1309 and drawn.
  • Image data to be displayed by the head-up display device 1301 is input from an external device (not shown) as an electrical signal from the input port IP, and the controller unit 1313 converts the image data into a drive signal for the two-dimensional modulation element 1308.
  • the controller unit 1313 generates lighting timing signals for the laser light sources 1307R, 1307G, and 1307B, and supplies the necessary current to the laser light sources 1307R, 1307G, and 1307B, thereby lighting the laser light sources 1307R, 1307G, and 1307B.
  • the light beam LB emitted from the head-up display device 1301 is reflected by the reflection mirror 1304 installed on the windshield 1305 and reaches the driver DR.
  • the image appears to be displayed in the virtual image 1306 portion of the image formed by the light beam LB.
  • an image is displayed on the windshield 1305.
  • the wavelength conversion laser light source of Embodiment 1 or 2 is used as the green laser light source 1307G, it becomes possible to ensure long-term stability of the light source output in a wide temperature range. Stable brightness can be maintained over a wide temperature range.
  • the wavelength conversion laser light source converts the fundamental light into a second harmonic light having a frequency higher than the frequency of the fundamental light, and a solid-state laser medium that receives the excitation light and generates the fundamental light.
  • a laser resonator is constituted by the first reflecting surface and the second reflecting surface, and the solid-state laser medium is disposed on the first reflecting surface side of the laser resonator.
  • the wavelength plate is disposed on the second reflecting surface side of the laser resonator, the wavelength conversion element is disposed between the solid-state laser medium and the wavelength plate, and the wavelength plate has the wavelength Second converted by the conversion element The harmonics via the second reflecting surface for outputting to the outside of the laser resonator.
  • a solid-state laser medium is disposed on the first reflecting surface side of the laser resonator, a wave plate is disposed on the second reflecting surface side of the laser resonator, and the solid-state laser medium, the wave plate, Since the second harmonic wave converted by the wavelength conversion element is output to the outside of the laser resonator through the second reflecting surface, the excitation light in the laser resonator is The wave plate can be disposed at the position farthest from the incident solid-state laser medium, and the temperature rise of the wave plate due to the excitation light can be suppressed.
  • the light output after wavelength conversion which is a problem when generating light of 200 mW or more, becomes unstable, and an appropriate output cannot be obtained.
  • the phenomenon can be suppressed with a simple configuration, and as a result, a small laser light source device that emits high-power laser light can be provided.
  • the first reflecting surface formed on the concave mirror reflects the fundamental light and focuses it on the wavelength conversion element, and the second reflecting surface formed on the wavelength plate is a plane mirror. It is preferable.
  • the fundamental wave light is collected by the first reflecting surface and the convergent light is incident on the wavelength conversion element, the conversion efficiency from the fundamental wave light to the harmonic light in the wavelength conversion element can be improved.
  • the second reflecting surface is a plane mirror, the second reflecting surface can be easily formed integrally with the wave plate, and the position adjustment of the wave plate and the second reflecting surface is facilitated, and the manufacturing cost of the device is increased. Can be reduced.
  • the second reflecting surface formed on the wave plate is exposed to the outside air.
  • the wave plate is exposed to the outside air through the second reflecting surface, and the wave plate can be efficiently cooled by the outside air, so that the action of suppressing the polarization rotation due to the temperature rise of the wave plate occurs. It is possible to reduce the problem of output instability and insufficient output from the assumed output value.
  • the wave plate can be efficiently cooled by the cooling unit, in the wavelength conversion laser light source in which the wave plate is inserted into the laser resonator, the problem of insufficient output due to instability of the output and the assumed output value is greatly increased. Can be improved.
  • the cooling part is preferably made of a metal film having a resistivity of 1.0 ⁇ 10 ⁇ 5 ⁇ ⁇ cm or less.
  • the thermal conductivity of the metal film is increased, and the wave plate can be cooled more efficiently. Therefore, the reduction of the green light output of the wavelength conversion laser light source in which the wave plate is inserted into the laser resonator is reduced by 5% The following can be reduced.
  • the cooling unit is preferably composed of a diamond thin film or diamond-like carbon.
  • the diamond thin film or diamond-like carbon is a transparent conductive material and can transmit light, there is no need to provide an opening for the second harmonic light or the like to pass therethrough.
  • the cooling efficiency of the portion through which the light passes can be improved, and the wave plate can be further efficiently cooled.
  • the solid laser medium is preferably made of an isotropic material having an isotropic refractive index.
  • the solid laser medium is preferably made of a ceramic material having a depolarizing effect.
  • the wavelength conversion element is preferably composed of any one of MgO-added lithium niobate, MgO-added lithium tantalate, and potassium titanyl phosphate, and has a stoichiometric composition of MgO-added lithium niobate or constant It is preferably composed of MgO-added lithium tantalate having a specific composition.
  • the output of the wavelength conversion laser light source can be improved.
  • An image display device includes any one of the wavelength conversion laser light sources described above, a laser light source that generates laser light, a modulation element that modulates the laser light to form an image, and the laser A light source and a controller for controlling the modulation element.
  • a wavelength conversion laser light source that can stably output the second harmonic after wavelength conversion with high output is used. It is possible to ensure the long-term stability of the light source output over a wide temperature range, and it is possible to maintain a stable luminance over a wide temperature range.
  • the present invention it is possible to provide a small wavelength conversion laser light source that prevents a decrease in output of green light and an output instability due to heat generation of the wave plate and emits a high output of an output value of 1000 mW or more.
  • the present invention can be suitably used for a wavelength conversion laser device that converts fundamental light emitted from a laser medium into second harmonic light having a frequency higher than the frequency of the fundamental light.

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Abstract

　波長変換レーザ光源は、基本波光を発生する固体レーザ媒質（５）と、基本波光を第２高調波光へ変換する波長変換素子（７）と、基本波光及び第２高調波光を反射する第１の反射面が形成された凹面ミラー（６）と、基本波光を反射し、第２高調波光を透過する第２の反射面が形成された波長板（８）とを備え、第１の反射面と第２の反射面とからレーザ共振器（２）が構成され、レーザ共振器の第１の反射面側に固体レーザ媒質が配置され、レーザ共振器の第２の反射面側に波長板が配置され、固体レーザ媒質と波長板との間に波長変換素子が配置され、波長板は、波長変換素子により変換された第２高調波を第２の反射面を介してレーザ共振器の外部へ出力する。

Description

波長変換レーザ光源及び画像表示装置
　本発明は、固体レーザ媒質が発する基本波光を基本波光の周波数よりも高い周波数を有する第２高調波光へ変換する波長変換レーザ装置及び該波長変換レーザ装置を用いた画像表示装置に関する。
　従来、非線形光学効果を用いた波長変換により、Ｎｄ：ＹＡＧレーザやＮｄ：ＹＶＯ４等のレーザ媒質から発せられる光（基本波）を可視光である緑色光（高調波）に変換したり、緑色光をさらに紫外光へ変換したりする技術が研究されてきた。これにより、可視レーザ光や紫外レーザ光を得る波長変換レーザ光源が数多く開発及び実用化されてきた。これらの可視レーザ光や紫外レーザ光は、物質のレーザ加工やレーザディスプレイ等の光源などの用途に用いられている。
　図１３は、単結晶材料であるＮｄ：ＹＶＯ４を用いた従来の波長変換レーザ光源の構成例を示す図である。
　図１３に示す波長変換レーザ光源１００は、励起光をレーザ媒質端面から入力する、端面励起型（エンドポンプ型レーザ）のレーザ光源である。固体レーザ媒質１０５には、単結晶材料であるＹＶＯ４結晶が用いられる。励起光ＰＬは、励起光源１０１から発生され、コリメートレンズ１０３によって、平行光にされた後、集光レンズ１０４によって、共振器１０９内の固体レーザ媒質１０５に集光される。
　固体レーザ媒質１０５の端面のうち、励起光ＰＬが入射する側の端面には、１０６０ｎｍ帯の光を反射する高反射光学膜１０５ａが形成されており、また、凹面鏡１０６の端面にも、１０６０ｎｍ帯の光を反射する高反射光学膜１０６ａが形成されている。高反射光学膜１０５ａ及び高反射光学膜１０６ａから共振器１０９が構成される。
　ここで、固体レーザ媒質１０５の波長変換素子１０７の対向面である端面１０５ｂと、波長変換素子１０７の両端面１１１には、無反射光学膜（図示省略）が形成されている。すなわち、固体レーザ媒質１０５の波長変換素子１０７と対向する面、及び波長変換素子１０７の固体レーザ媒質１０５と対向する面に、無反射光学膜が形成されている。固体レーザ媒質１０５に形成された高反射光学膜１０５ａと凹面鏡１０６の端面に形成された高反射光学膜１０６ａとの間で、光が共振することにより、共振器１０９は、光共振器として動作し、１０６０ｎｍ帯のレーザ光が発振する。
　このとき、発振した１０６０ｎｍ帯の光が波長変換素子１０７を通過することにより、１０６０ｎｍ帯の光が波長変換され、半分の波長である５３０ｎｍの出力光ＯＬへ変換される。そして、変換された５３０ｎｍの出力光ＯＬは、波長変換素子１０７の端面から凹面鏡１０６を介して外部へ出力される。なお、固体レーザ媒質１０５は、レーザ媒質保持具（図示省略）で保持されている。
　通常、波長変換素子を用いて光を波長変換するためには、基本波光である１０６０ｎｍ帯の光が直線偏光である必要がある。図１３に示す固体レーザ媒質１０５として使用されるＹＶＯ４結晶は、光学的に異方性を持つ材料であるため、固体レーザ媒質１０５の入出射面を、結晶軸のａ軸とｃ軸とが共に含まれる平面に合わせることにより、発振させる１０６０ｎｍ帯の光を直線偏光とすることができる。
　上記のように、波長変換レーザ光源では、ある特定の偏光方向を持つ光についてのみ非線形光学効果による波長変換を行うことが可能となっているため、レーザ光源の出力向上のためには、固体レーザ媒質から発せられる光が直線偏光となっていることが重要である。上記のＮｄ：ＹＶＯ４のように、結晶構造に異方性を持つ材料では、単結晶の軸方位を選択するだけで直接的に偏光の光を得ることができる。
　しかしながら、Ｎｄ：ＹＡＧのように、等方性の単結晶材料やセラミックレーザ媒質は、固体レーザ媒質の軸方位を選択しても、固体レーザ媒質からの出射光を直線偏光にすることが不可能である。
　このように、ＹＡＧ結晶やセラミック材料を用いた固体レーザ媒質では、光学的な異方性が無いため、図１３に示す構成をそのまま用いたのでは、直線偏光を得ることができない。このため、異方性のない固体レーザ媒質を用いた場合でも、波長変換を可能にするために、共振器内に波長板を挿入する様々な構成が提案されている。
　例えば、内部共振器型波長変換レーザ光源という波長変換レーザ光源の構成においては、１／４波長板という光学部品を使い、固体レーザ媒質から発せられる偏光方向の全てを使用することを提案している例があり、例えば、以下に説明する特許文献１～３に開示される波長変換レーザ光源がある。
　図１４は、波長板を用いた従来の第１の波長変換レーザ光源の構成を示す模式図であり、図１５は、波長板を用いた従来の第２の波長変換レーザ光源の構成を示す模式図であり、図１６は、波長板を用いた従来の第３の波長変換レーザ光源の構成を示す模式図である。
　まず、特許文献１では、図１４に示すように、励起光源１０１から発生された励起光は、対物レンズ１０２によって平行光にされた後、反射ミラー１１０を介して固体レーザ媒質１０５へ入射され、反射ミラー１１０、１１１から共振器２０４が構成される。また、波長変換レーザ光源の内部に、二つの波長変換素子１０７、１０８と波長板２０３とを設け、一方の波長変換素子１０７によって波長変換されて発生する高調波レーザビームの偏光方向を、波長板２０３によって回転させ、他方の波長変換素子１０８によって波長変換されて発生する高調波レーザビームの偏光方向に一致させている。これにより、装置の温度変化に対する偏光方向の変動が少なく、且つ出力が安定したレーザビームを得ることができる。
　次に、特許文献２では、図１５に示すように、励起光源１０１から発生された励起光は、コリメートレンズ１０３によって平行光にされた後、集光レンズ１０４によって固体レーザ媒質１０５に集光され、高反射光学膜１０５ａ及び反射ミラー１１１から共振器２０６が構成され、第二高調波である出力光ＯＬが反射ミラー１１１及び波長フィルタ２１０を介して外部へ出力される。
　ここで、波長変換レーザ光源の共振器２０６内の共振モードは、基本波レーザ光が互いに直交する二つの固有偏光モードから構成されている。そして、この二つの固有偏光モードを互いに位相関係に相関のないランダム偏光状態で共振動作させるとともに、共振器２０６内にλ／４波長板２０３を挿入することにより、当該直交する二つの固有偏光間に、第二高調波の発生を通じたエネルギーの授受を生じさせないようにしている。これにより、実用上十分に安定した第二高調波レーザ光を容易かつ簡易な構成によって発生させることができる。
　次に、特許文献３では、共振器を構成する光学素子を所定の基板上に独立に配置することにより、各光学素子の熱による位置ずれを防止することが提案されており、その中の一つとして、図１６に示すように、高反射膜２０５ａ及び高反射光学膜１０７ａから共振器２０７が構成され、波長板とレンズとを組み合わせた光学部品２０５を用いた共振器２０７の構成が開示されている。
　以上述べたような方法が既に提案されており、上記の従来の波長変換レーザ光源では、基本波から高調波への変換効率を高くすることができるとともに、出力を安定させることができるとされている。
　しかしながら、上記の従来例のように、波長変換レーザ光源からの出力を安定化させるために、共振器内に波長板を挿入し、波長変換レーザ光源からの光出力を大きくしようとして入力する励起光を大きくした際、設計上得られるはずの光出力が得られなかったり、光出力が不安定になったりするといった不具合が発生することが分かった。すなわち、上記の従来例の内容をそのまま実施するだけでは、出力安定化の効果が不十分であることが明らかとなった。
　図１７は、従来の波長変換レーザ光源の出力特性として、励起光の入力強度を横軸に、波長変換レーザ光源の出力光である緑色光の出力強度を縦軸にとったプロット図であり、図１８は、図１７に示す出力特性を測定した従来の波長変換レーザ光源の構成を示す模式図である。
　図１８に示すように、励起光源１０１から出力された励起光ＰＬは、コリメートレンズ１０３及び集光レンズ１０４を通過して固体レーザ媒質１０５へ入射される。固体レーザ媒質１０５の一方の端面には、レーザ共振器を構成するための１０６４ｎｍ帯を反射する高反射光学膜１０５ａが形成されており、高反射光学膜１０５ａと、凹面鏡１０６の高反射光学膜１０６ａとからレーザ共振器が構成されている。レーザ共振器内で発生した１０６４ｎｍ光（基本波光）は、波長変換素子１０７を通過する際に、半分の波長である５３２ｎｍに変換され、凹面鏡１０６から出力光ＯＬとして外部に放出される。波長板２０３は、固体レーザ媒質１０５と波長変換素子１０７との間に挿入されている。
　上記のように構成された従来の波長変換レーザ光源の出力特性を計測した結果、図１７に示すプロット図が得られた。図１７に示すように、励起光入力が１．５Ｗ以上となったところ（緑色光出力で２００ｍＷとなるあたり）で、出力が不安定になり始め、励起光入力が３Ｗ以上（緑色光出力で５００ｍＷ以上となるあたり）になると、出力の不安定さに加えて、緑色光出力が、計算による出力予測値（計算値）から１５％程度乖離することが明らかとなった。
特開平５－１６７１６６号公報 特開平１－２２０８７９号公報 特開平８－５６０４２号公報
　本発明の目的は、レーザ共振器内に波長板を挿入した場合でも、波長変換後の第２高調波を高出力で且つ安定的に出力することができる波長変換レーザ光源及び画像表示装置を提供することである。
　本発明の一局面に従う波長変換レーザ光源は、励起光を入射され、基本波光を発生する固体レーザ媒質と、前記基本波光を前記基本波光の周波数よりも高い周波数を有する第２高調波光へ変換する波長変換素子と、前記基本波光及び前記第２高調波光を反射する第１の反射面が形成された凹面ミラーと、前記基本波光を反射し、前記第２高調波光を透過する第２の反射面が形成された波長板とを備え、前記第１の反射面と前記第２の反射面とからレーザ共振器が構成され、前記レーザ共振器の前記第１の反射面側に前記固体レーザ媒質が配置され、前記レーザ共振器の前記第２の反射面側に前記波長板が配置され、前記固体レーザ媒質と前記波長板との間に前記波長変換素子が配置され、前記波長板は、前記波長変換素子により変換された第２高調波を前記第２の反射面を介して前記共振器の外部へ出力する。
　本発明の他の局面に従う画像表示装置は、上記の波長変換レーザ光源を含み、レーザ光を発生するレーザ光源と、前記レーザ光を変調して画像を形成する変調素子と、前記レーザ光源及び前記変調素子を制御するコントローラとを備える。
　本発明によれば、レーザ共振器内に波長板を挿入した場合でも、波長変換後の第２高調波を高出力で且つ安定的に出力することができる。
本発明の実施の形態１による波長変換レーザ光源の構成を示す模式図である。 励起光入力に対する波長板の温度上昇量をプロットした図である。 波長板に８０８ｎｍ帯の光及び１０６４ｎｍ帯の光を入力した場合における波長板の温度上昇量をプロットした図である。 従来例と実施の形態１とを比較して励起光入力に対する波長板の温度上昇量をプロットした図である。 従来例と実施の形態１とを比較して励起光入力に対する緑色光出力をプロットした図である。 本発明の実施の形態２による波長変換レーザ光源の構成を示す模式図である。 図６に示す波長変換レーザ光源に使用される冷却部付き波長板の一例の構成を示す模式的斜視図である。 従来例と実施の形態２とを比較して励起光入力に対する緑色光出力をプロットした図である。 本発明の実施の形態２による第１の変形例である波長変換レーザ光源の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態２による第２の変形例である波長変換レーザ光源の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態１又は２による波長変換レーザ光源を用いたレーザプロジェクター装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態１又は２による波長変換レーザ光源を用いたヘッドアップディスプレイ装置の構成を示す概略図である。 従来の波長変換レーザ光源の構成例を示す図である。 波長板を用いた従来の第１の波長変換レーザ光源の構成を示す模式図である。 波長板を用いた従来の第２の波長変換レーザ光源の構成を示す模式図である。 波長板を用いた従来の第３の波長変換レーザ光源の構成を示す模式図である。 従来の波長変換レーザ光源の励起光入力に対する緑色光出力をプロットした図である。 図１７に示す出力特性を測定した従来の波長変換レーザ光源の構成を示す模式図である。
　以下、本発明の各実施の形態にかかる波長変換レーザ光源について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において同一部材には同一符号を付し、説明を省略する場合がある。
　（実施の形態１）
　図１は、本発明の実施の形態１による波長変換レーザ光源の構成を示す模式図である。図１に示す波長変換レーザ光源は、励起光源１、コリメートレンズ３、集光レンズ４、固体レーザ媒質５、凹面ミラー６、波長変換素子７、λ／４波長板８及び光学膜９を備える。
　図１に示す波長変換レーザ光源は、励起光をレーザ媒質端面から入力する、端面励起型（エンドポンプ型レーザ）のレーザ光源である。励起光ＰＬは、励起光源１から発生され、コリメートレンズ３によって、平行光にされた後、集光レンズ４によって、レーザ共振器２内に配置された固体レーザ媒質５に集光される。
　レーザ共振器２は、固体レーザ媒質５と、波長変換素子７とを有し、固体レーザ媒質５には、例えば、等方性の単結晶材料やセラミックレーザ媒質等が用いられる。集光された励起光を受けた固体レーザ媒質５は、基本波光を発生し、基本波光を波長変換素子７へ出力する。波長変換素子７は、基本波光を、基本波光よりも周波数の高い第２高調波に変換する。
　ここで、本実施の形態と図１３に示す従来の波長変換レーザ光源とで異なる点は、レーザ共振器２を構成するミラーのうち、励起光ＰＬが入射する励起光源１に近い側に凹面ミラー６が配置され、出力光ＯＬの出力側に出力ミラーとして機能する光学膜９が形成されたλ／４波長板８が配置されている点である。
　凹面ミラー６の固体レーザ媒質５側の端面には、固体レーザ媒質５から発振する１０６０ｎｍ帯の光（基本波光）と、その高調波（第２高調波）である５３０ｎｍ帯の光とを反射する第１の反射面となる高反射光学膜６ａが形成されている。凹面ミラー６は、高反射光学膜６ａによって１０６０ｎｍ帯の光を反射して固体レーザ媒質５内に集光させる。また、λ／４波長板８の出力側の端面には、固体レーザ媒質５から発振する１０６０ｎｍ帯の光を反射し、その高調波である５３０ｎｍ帯の光を透過する光学膜９が出力ミラーとして形成されている。λ／４波長板８は、平板形状を有しており、λ／４波長板８上に形成された光学膜９も平板形状を有しており、光学膜９は、第２の反射面となる平面ミラーとして機能する。
　凹面ミラー６の端面（高反射光学膜６ａ）とλ／４波長板８の端面（光学膜９）との間が光学的なレーザ共振器２となるように構成され、１０６０ｎｍ帯の光がレーザ発振するようになっている。レーザ発振した１０６０ｎｍ帯の光が、波長変換素子７を通過する度に、１０６０ｎｍ帯の光の一部が、高調波である５３０ｎｍ帯の光へ変換される。そして、波長変換された５３０ｎｍ帯の光は、最終的に出力ミラーとなる、λ／４波長板８の端面に形成された光学膜９からレーザ共振器２の外部へ出力される。このように、レーザ共振器２の高反射光学膜６ａ側に固体レーザ媒質５が配置され、レーザ共振器２の光学膜９側にλ／４波長板８が配置され、固体レーザ媒質５とλ／４波長板８との間に波長変換素子７が配置されている。
　本実施の形態では、波長変換素子７を構成する材料の一例として、周期的分極反転構造を有するＭｇＯ添加ニオブ酸リチウムを選択した。また、波長変換素子７として、非線形光学材料の中でも、周期分極反転構造が形成されたＭｇＯ添加ニオブ酸リチウムの他に、ＭｇＯ添加タンタル酸リチウム、定比組成のＭｇＯ添加ニオブ酸リチウム、定比組成のＭｇＯ添加タンタル酸リチウム、リン酸チタニルカリウム（通称ＫＴＰ、ＫＴｉＯＰＯ４）を用いても、同様の効果が得られる。
　ここで、上記した従来の波長変換レーザ光源の出力の不安定さ及び低下の原因ついて説明する。本願発明者らは、従来の波長変換レーザ光源の出力の不安定さ及び低下の原因について鋭意検討を行った結果、以下に説明する原因を究明した。
　上記の図１８に示す従来の波長変換レーザ光源のように、固体レーザ媒質１０５が異方性を持たない材料から構成され、波長板２０３が挿入された波長変換レーザ光源では、励起光入力を大きくするに従い、（１）設計上の想定出力値（計算値）と、実際の出力値とが乖離する、（２）出力が不安定になる、という二つの課題があった。このため、従来例で述べられていた対策だけでは、出力の安定化に不十分であることが明らかとなり、その様子をプロットしたグラフが図１７であった。
　図１７について再度説明すると、その横軸は、図１８に示す励起光源１０１から発せられ、固体レーザ媒質１０５へ入射される励起光の入力パワーを示し、その縦軸は、図１８に示す波長変換レーザ光源から出力される緑色光の出力パワーを示している。また、波線は、設計上出力されると想定される想定出力値（計算値）を示しており、黒丸の点は、実際に出力された実測値である。例えば、励起光入力が４Ｗのとき、計算上は８００ｍＷ以上の緑色光が出力されるはずのところが、７００ｍＷ程度しか出力されていないことが分かる。この点以外にも、励起光入力が１．５Ｗ付近の場合も、出力値が揺らぐ出力の不安定さが観測されており、実測値が想定出力値から乖離する現象が見られている。
　ここで、励起光入力が４Ｗで且つ緑色光出力が想定出力値以下であるとき、波長板２０３を回転させて波長の回転量を操作すると、回転させた瞬間は、緑色光出力が回復傾向になるものの、数十秒で元の７００ｍＷまで低下すると言う現象が観測された。そのため、波長板２０３に、出力の不安定さ及び低下の原因があると考えた。
　次に、共振器内部に挿入した波長板２０３の温度上昇量を放射温度計で測定した結果を図２に示す。図２から、レーザビームが通過する位置を中心として１ｍｍ程離れた場所を計測した結果、励起光入力を大きくするに従い、波長板２０３の温度が上昇することが明らかとなった。
　そこで、波長板２０３の温度上昇の原因について検討を行った。光学素子である波長板２０３を加熱しうるほど、大きなパワー（１Ｗ以上）を持つエネルギーとして、共振器内部には、固体レーザ媒質１０５を励起するための励起光（８０８ｎｍ）と、固体レーザ媒質１０５から発生される基本波光（１０６４ｎｍ）とが存在している。
　また、図１８に示す従来の波長変換レーザ光源の構成において、波長変換素子１０７の端面に高調波光（５３２ｎｍ）を反射する高反射光学膜１０７ａを設け、高調波光が波長板２０３に入射しない状態でも、同様の温度上昇が確認された。
　そこで、励起光（８０８ｎｍ）と基本波光（１０６４ｎｍ）とに対して、波長板２０３が光吸収により発熱する発熱量を計測した。発熱量は、波長板２０３の全体の発熱量ではなく、ビーム（励起光又は基本波光）が通過する位置を中心として３００μｍ程度離れた位置を、リング状に放射温度計で測定した。その結果を図３に示す。図３に示すように、基本波光（１０６４ｎｍ）よりも励起光（８０８ｎｍ）の方が波長板２０３の温度上昇量が大きいことがわかった。すなわち、波長板２０３において起こる温度上昇に対して、基本波光（１０６４ｎｍ）よりも励起光（８０８ｎｍ）の吸収が、支配的であることが判明した。
　つまり、波長変換レーザ光源から出力した光が不安定になったり、想定よりも小さな出力しか得られなかったりする原因は、波長板２０３すなわちλ／４波長板の温度特性であることが明らかとなった。
　λ／４波長板の温度特性を改善するには、「ゼロオーダー」と呼ばれる波長板を使用する方法もあるが、非常に板厚が薄く、加工や組み立て時のハンドリングが困難な上、許容される温度変化範囲も５～１０℃程度と狭いため、単にゼロオーダー波長板を用いたのでは、解決策とならない。また、λ／４波長板を構成する石英材料の光吸収を低減するため、高純度石英材料を用いることも、対策として考えられるが、そのような石英材料では、結晶成長速度が遅いため、材料が高くなり、コスト上の課題となる。
　上記の出力の不安定さ及び低下の原因の究明に基づき、本実施の形態は、ゼロオーダー波長板や高純度石英材料を使用しなくても、良好な特性が得られる構成として案出されたものであり、以下の実施の形態２等も同様である。
　すなわち、本実施の形態では、レーザ共振器２のうち高調波が出力される側、すなわち、レーザ共振器２内の、励起光が入射される固体レーザ媒質５から最も離間された位置にλ／４波長板８を配置しているので、吸収による出力低下への影響が最も大きかった励起光（８０８ｎｍ）が、λ／４波長板８までほとんど到達しない。このため、光吸収によるλ／４波長板８の温度上昇を低減することができ、さらには、λ／４波長板８の温度上昇による偏光回転を低減することができる。その結果、波長変換レーザ光源から出力されるレーザ光の出力が不安定になる現象や、想定出力値から出力が低下する現象を、より低減することができる。
　また、本実施の形態では、λ／４波長板８が出力側に配置され、λ／４波長板８の出力側の端面には、基本波光（１０６４ｎｍ）を反射し、その高調波である第２高調波光（５３２ｎｍ）を透過する光学膜９を形成されているので、λ／４波長板８上に形成された光学膜９が出力ミラーとして機能する。このように、λ／４波長板８が出力側に配置されることにより、λ／４波長板８が非常に薄い光学膜９を介して外気に曝されることとなり、λ／４波長板８を外気によって効率よく冷却することができる。そのため、λ／４波長板８の温度上昇による偏光回転を抑える作用を生じ、出力不安定や想定出力値から出力が不足する課題を低減することができる。
　さらに、本実施の形態では、凹面ミラー６の高反射光学膜６ａによって基本波光が集光され、収束光が波長変換素子７に入射されるので、波長変換素子７における基本波光から高調波光への変換効率を向上することができるとともに、出力側の光学膜９が平面ミラーであるので、光学膜９をλ／４波長板８と一体に容易に作成することができるとともに、λ／４波長板８及び光学膜９の位置調整が容易となり、装置の製造コストを低減することができる。
　図４は、レーザ共振器として作用した状態における波長板の温度上昇量を、本実施の形態（図中の黒丸）と従来例である図１８に示す波長変換レーザ光源（図中の白丸）とで比較してプロットした図である。図４に示すように、励起光入力が４Ｗのとき、従来例では、波長板２０３の温度上昇量が４０℃であったのに対し、本実施形態では、λ／４波長板８の温度上昇量が３～４℃に抑えられている。このように、本実施の形態では、λ／４波長板８に吸収される光の光量を低減したことによる効果、及びλ／４波長板８を外気によって冷却させたことによる効果が十分に得られていることがわかった。
　続いて、本実施の形態の波長変換レーザ光源から緑色光を実際に出力させた結果について述べる。
　図５は、励起光入力に対する緑色光出力の関係を、本実施の形態（図中の黒丸）と従来例である図１８に示す波長変換レーザ光源（図中の小四角）とで比較してプロットした図である。図５に示すように、従来例では、励起光入力が４Ｗのとき、８５０ｍＷの想定出力値（図中の破線で示す計算値）に対して、緑色光出力が７００ｍＷとなり、想定出力値の８５％以下しか出力できていなかった。一方、本実施の形態では、励起光入力が４Ｗのとき、８５０ｍＷの想定出力値に対して、緑色光出力が８００ｍＷとなり、想定出力値に対して約９５％の出力が得られるところまで、出力性能が改善した。また、励起光入力が１．５Ｗを超えた付近から観測される出力の不安定性は、従来例では、２０％以上の揺らぎ量だったが、本実施の形態では、１％以下と大幅に改善することができた。
　以上のように、本実施形態では、ゼロオーダー波長板のような高価な波長板を使用しなくても、ゼロオーダー波長板を使用した場合を上回る緑色光出力の安定化を図ることが可能となり、出力不安定や想定出力値から出力が不足する課題を大幅に改善することができた。
　（実施の形態２）
　次に、本発明の実施の形態２について説明する。図６は、本発明の実施の形態２による波長変換レーザ光源の構成を示す模式図である。図６に示す波長変換レーザ光源は、励起光源１、コリメートレンズ３、集光レンズ４、固体レーザ媒質５、凹面ミラー６、波長変換素子７、λ／４波長板８、光学膜９及び冷却部１０ａ、１０ｂを備える。
　励起光ＰＬは、励起光源１から発生され、コリメートレンズ３によって、平行光にされた後、集光レンズ４によって、レーザ共振器２ａ内に配置された固体レーザ媒質５に集光される。レーザ共振器２ａは、固体レーザ媒質５と、波長変換素子７とを有し、固体レーザ媒質５の材料としては、Ｎｄ：ＹＡＧ単結晶や、Ｎｄ：ＹＡＧ等のガーネット構造を有する光学セラミック材料が用いられる。
　また、波長変換素子７の材料としては、分極反転構造を形成することができる材料が用いられ、非線形光学材料の中でも、ＭｇＯ添加ニオブ酸リチウムの他に、ＭｇＯ添加タンタル酸リチウム、定比組成のＭｇＯ添加ニオブ酸リチウム、定比組成のＭｇＯ添加タンタル酸リチウム、リン酸チタニルカリウム（通称ＫＴＰ、ＫＴｉＯＰＯ４）など、様々な材料が採用可能である。
　集光された励起光を受けた固体レーザ媒質５は、基本波光を発生し、基本波光を波長変換素子７へ出力する。波長変換素子７は、基本波光を基本波光よりも周波数の高い第２高調波に変換する。なお、本実施の形態では、一例として、固体レーザ媒質５にＮｄ：ＹＡＧセラミックを用い、波長変換素子７に周期的分極反転構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶（ＭｇＯ添加ニオブ酸リチウム）を用いている。
　ここで、本実施の形態でも、レーザ共振器２ａを構成するミラーのうち、励起光ＰＬが入射する励起光源１に近い側に凹面ミラー６が配置され、出力光ＯＬの出力側に出力ミラーとして機能する光学膜９が形成されたλ／４波長板８が配置されている。また、λ／４波長板８は、平板形状を有しており、λ／４波長板８に形成された光学膜９も平板形状を有しており、λ／４波長板８及び光学膜９が冷却部１０ａ、１０ｂに挟まれ、光学膜９は、平面ミラーとして機能する。
　凹面ミラー６の固体レーザ媒質５側の端面には、固体レーザ媒質５から発振する１０６０ｎｍ帯の光（基本波光）と、その高調波（第２高調波）である５３０ｎｍ帯の光（高調波光）とを反射する高反射光学膜６ａが形成されている。凹面ミラー６は、高反射光学膜６ａによって１０６０ｎｍ帯の光を反射して固体レーザ媒質５内に集光させる。また、λ／４波長板８の出力側の端面には、固体レーザ媒質５から発振する１０６０ｎｍ帯の光を反射し、その高調波である５３０ｎｍ帯の光を透過する光学膜９が出力ミラーとして形成されている。凹面ミラー６の端面（高反射光学膜６ａ）とλ／４波長板８の端面（光学膜９）との間が光学的なレーザ共振器２ａとなるように構成され、１０６０ｎｍ帯の光がレーザ発振するようになっている。
　レーザ発振した１０６０ｎｍ帯の光が、波長変換素子７を通過する度に、１０６０ｎｍ帯の一部が、高調波である５３０ｎｍ帯の光へ変換される。そして、波長変換された５３０ｎｍ帯の光は、最終的に出力ミラーとなる、λ／４波長板８の端面に形成された光学膜９からレーザ共振器２ａの外部へ出力される。
　ここで、本実施の形態が実施の形態１と異なる点は、出力側に設けたλ／４波長板８の波長変換素子７側の端面に冷却部１０ａを設け、出力ミラーとなる光学膜９の上に冷却部１０ｂを設けている点である。
　図７は、図６に示す波長変換レーザ光源に使用される冷却部付き波長板の一例の構成を示す模式的斜視図である。図７に示す冷却部付き波長板は、λ／４波長板８、光学膜９、レーザビーム（高調波光）が通過する円形の開口部１１を有する冷却部１０ａ、１０ｂを備え、λ／４波長板８及び光学膜９の表裏面に冷却部１０ａ、１０ｂが設けられており、冷却部１０ａ、１０ｂでλ／４波長板８及び光学膜９をサンドイッチした形となっている。
　なお、冷却部の配置方法は、上記の例に特に限定されず、λ／４波長板８の表面のみに冷却部を設けたり、λ／４波長板８の裏面（光学膜９の表面）のみに冷却部を設けたりしてもよく、これらの場合は、表裏面に設けた場合より冷却性能が劣るが、λ／４波長板８の冷却による効果は得ることができる。
　λ／４波長板８及び光学膜９の表面には、レーザビームが通過する円形の開口部１１以外の部分に、λ／４波長板８を構成する石英材料を上回る熱伝導率を有する材料が薄膜状に形成され、この薄膜状の熱伝導材料からなる波長板冷却部が冷却部１０ａ、１０ｂとして形成されている。例えば、冷却部１０ａ、１０ｂとして、以下の材料からなる金属膜をλ／４波長板８及び光学膜９の表面に形成し、より大きな冷却効果を得る構成としてもよい。
　ここで、冷却部１０ａ、１０ｂとして使用される金属材料について鋭意検討した結果、金属の熱伝導率と電気抵抗率とは反比例の関係にあり、その抵抗値により冷却性能に差異があることがわかった。具体的には、電気抵抗率８．７５×１０－６Ω・ｃｍのインジウム（溶融した物を塗布したもの）、電気抵抗率２．７４×１０－６Ω・ｃｍのアルミニウム（スパッタ膜）、電気抵抗率２．２０×１０－６Ω・ｃｍの金（スパッタ膜）、電気抵抗率１．７０×１０－６Ω・ｃｍの銅（表面に接触させたもの）、藤倉化成株式会社製の電気抵抗率８．０×１０－５Ω・ｃｍのドータイト　Ｄ－５５０、電気抵抗率１３．１×１０－６Ω・ｃｍのタンタル（スパッタ膜）、電気抵抗率１０．６×１０－６Ω・ｃｍのパラジウム（スパッタ膜）を用いて、冷却部１０ａ、１０ｂを作成し、波長変換レーザ光源の緑色光の出力低下を測定した。
　上記の測定の結果、電気抵抗率が１．０×１０－５Ω・ｃｍ以下であるインジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）では、緑色光の出力が５％以上低下することがなかったが、電気抵抗率が１．０×１０－５Ω・ｃｍを超えるドータイト　Ｄ－５５０、タンタル（Ｔａ）、パラジウム（Ｐｄ）では、緑色光の出力が５％以上低下した。この結果から、インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）に対して、緑色光の出力低下の抑制効果が確認され、電気抵抗率が１．０×１０－５Ω・ｃｍ以下の材料から金属膜を形成することにより、金属膜が無い場合と比較して出力低下を抑制できていることがわかった。
　また、上記の金属膜に代えて、透明な導電材料を冷却部１０ａ、１０ｂに用いてもよく、例えば、ダイヤモンド薄膜やダイヤモンドライクカーボン（Ｄｉａｍｏｎｄ　ｌｉｋｅ　Ｃａｒｂｏｎ：ＤＬＣ）をλ／４波長板８及び／又は光学膜９の表面に形成してもよい。ダイヤモンド薄膜やダイヤモンドライクカーボンは、光を透過させることができるので、レーザビーム（高調波光）が通過する円形の開口部を冷却部１０ａ、１０ｂに設ける必要がなくなり、レーザビームが通過する部分の冷却効率を向上することができるため、最も望ましい態様である。
　上記の検討結果から、本実施形態では、冷却部１０ａ、１０ｂとして、λ／４波長板８及び光学膜９にアルミニウムのスパッタ膜（３０００オングストローム厚）を形成し、以下の測定を行った。
　図８は、波長８０８ｎｍの励起光を４Ｗまで入力したときの励起光入力に対する緑色光出力の関係を、本実施の形態（図中の黒丸）と従来例である図１８に示す波長変換レーザ光源（図中の小四角）とで比較してプロットした図である。図８に示すように、従来例では、想定出力値（図中の破線で示す計算値）に対して、緑色光出力が下回っていたが、本実施形態では、想定出力値通りの出力が得られていることがよくわかる。
　以上の結果から、本願実施の形態では、λ／４波長板８及び光学膜９の表面に冷却部１０ａ、１０ｂを形成することにより、上記の実施の形態１効果に加え、レーザ共振器内に波長板を挿入する波長変換レーザ光源において、出力の不安定さや想定出力値から出力が不足する課題を大幅に改善することができた。
　また、本実施形態の別の態様として、λ／４波長板８の強制冷却機構を設けてもよい。図９は、本発明の実施の形態２の第１の変形例である波長変換レーザ光源の構成を示す模式図であり、図１０は、本発明の実施の形態２の第２の変形例である波長変換レーザ光源の構成を示す模式図である。なお、図示を省略しているが、図６に示す波長変換レーザ光源の冷却部１０ａ、１０ｂと同様に、以下に説明する波長板冷却機構１２、１３には、レーザビーム（高調波光）が通過する円形の開口部が設けられている。
　図９に示す波長変換レーザ光源では、レーザ共振器２ｂ内のλ／４波長板８の強制冷却機構として、金属製の波長板冷却機構１２がλ／４波長板８の光学膜９側に設けられている。波長板冷却機構１２は、逆Ｌ字形状の本体部の上面に、複数の溝部が形成された放熱フィン１２ａが形成されている。このように、放熱フィン１２ａを設けることにより、熱が伝わる部分の体積及び表面積を大きくすることができるので、λ／４波長板８の冷却効率を高めることが可能になる。
　上記のような構成とすることにより、図９に示す波長変換レーザ光源は、図６に示す波長変換レーザ光源と比較して、λ／４波長板８を十分に冷却することができるので、図６に示す波長変換レーザ光源の冷却能力を上回ることができる。この結果、図９に示す波長変換レーザ光源では、１Ｗ以上の緑色光出力を得たい場合でも、出力の不安定さや想定出力値から出力が不足する課題を改善することができた。
　次に、図１０に示す波長変換レーザ光源では、レーザ共振器２ｂ内のλ／４波長板８の強制冷却機構として、金属製の波長板冷却機構１３がλ／４波長板８の光学膜９側に設けられている。波長板冷却機構１３は、逆Ｌ字形状の本体部の上面に、ペルチェ素子１４が設けられ、ペルチェ素子１４の上面に金属製の放熱部１５が設けられている。ペルチェ素子１４は、駆動回路（図示省略）により駆動され、λ／４波長板８を強制冷却する。図１０に示す波長変換レーザ光源では、λ／４波長板８を強制的に冷却することができるので、出力の不安定さや想定出力値から出力が不足する課題を十分に改善することができ、ＹＡＧ単結晶レーザを用いて１０Ｗ以上の緑色光出力を得ることができた。
　なお、本実施の形態で説明した波長板を冷却する構成を、実施の形態１のλ／４波長板８に形成してもよいことは言うまでもない。
　また、λ／４波長板８及び光学膜９を強制冷却機構に固定する際、λ／４波長板８に応力が掛かる状態となったり、λ／４波長板８に反りや撓みが発生したりしないよう配慮が必要である。
　例えば、λ／４波長板８に応力や撓みがある場合、応力や撓み量が温度によって変化し、高調波光の出力が温度に対して揺らぐという課題が発生する。そこで、強制冷却機構のλ／４波長板８を保持する面（波長板冷却機構１２、１３の光学膜９に面する端面）に複数の溝を形成することが好ましい。この場合、λ／４波長板８の不要な応力や撓みを逃がすことができるとともに、波長板冷却機構１２、１３の熱を放出する部分の表面積を大きくして冷却効率を高めることができるので、温度変化に対する出力の不安定さを改善することができる。
　また、放熱フィン１２ａのように複数のフィンを配置して表面積を大きくする代わりに、強制冷却機構の表面の輻射率を大きくすることにより、冷却効率を高めてもよい。
　また、各実施の形態において、固体レーザ媒質は、特定の材料に限定されないが、セラミック等の屈折率が等方性を有する等方性材料から構成されることが好ましく、この場合、上記した波長変換レーザ光源の出力の不安定さ及び低下という課題が顕著に発生するため、各実施の形態による効果がより顕著となる。
　また、固体レーザ媒質としては、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）単結晶、あるいはＹＡＧセラミック等のガーネット系の単結晶材料あるいはセラミック材料を使用しても、上記と同様の効果が得られる。
　また、セラミック材料からなる固体レーザ媒質の中には、同じ化学組成であっても、偏光解消効果を有するように作製された物が存在する。この偏光解消効果を有する固体レーザ媒質では、直線偏光の光が固体レーザ媒質内を通過することによりランダム偏光となる。したがって、様々な結晶方位を有する微結晶が集積されたセラミック材料から固体レーザ媒質を作成した場合、直線偏光の光をランダム偏光の光に変換する効果を発生させることができる。このような偏光解消効果を有するセラミック材料から作成した固体レーザ媒質に対して、上記各実施の形態は、特に有効である。
　（実施の形態３）
　次に、本発明の実施の形態３について説明する。本実施形態は、実施の形態１又は２による波長変換レーザ光源を応用した第１の画像表示装置である。図１１は、本発明の実施の形態１又は２による波長変換レーザ光源を用いたレーザプロジェクター装置の構成を示す概略図である。
　図１１に示すレーザプロジェクター装置１２００は、２次元変調素子として、強誘電体ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｏｎ　ｓｉｌｉｃｏｎ）を用いたレーザプロジェクターであり、緑色レーザ光源１２０１ｇとして、上記の実施の形態１又は２による波長変換レーザ光源が用いられる。
　図１１に示すように、青色レーザ光源１２０１ｂ、赤色レーザ光源１２０１ｒ、及び緑色レーザ光源１２０１ｇから発せられたレーザ光は、コリメートレンズ１２０２ｒ、１２０２ｇ、１２０２ｂにより平行光にコリメートされる。ミラー１２０３ｒ、１２０３ｇ、１２０３ｂは、それぞれ赤領域（波長６００ｎｍ以上）、青領域（波長４００～４６０ｎｍ）、緑領域（波長５２０－５６０ｎｍ）に反射特性を持つ誘電体多層ミラーである。ミラー１２０３ｇの直後では、青色レーザ光源１２０１ｂ、赤色レーザ光源１２０１ｒ、及び緑色レーザ光源１２０１ｇのビームパスが同軸となるように、コリメートレンズ１２０２ｒ、１２０２ｇ、１２０２ｂ及びミラー１２０３ｒ、１２０３ｇ、１２０３ｂを調整している。
　スキャンミラー１２０４は、ビームを図の紙面内方向にスキャンし、シリンドリカルレンズ１２０５は、ビームを線状の輝線に整形する。リレーレンズ１２０６とフィールドレンズ１２０８との間に拡散板１２０７が配置されており、シリンドリカルレンズ１２０５によって輝線に整形されたビームが、さらに帯状に形成される。偏光ビームスプリッタ１２０９は、プリズムとして機能し、ＬＣＯＳパネル１２１０は、強誘電体液晶表示デバイス（ＬＣＯＳ）である。
　ここで、ＬＣＯＳパネル１２１０のＯＮ・ＯＦＦは、光の偏光方向を回転させることによって行われているため、プリズムは偏光ビームスプリッタである必要がある。スキャンミラー１２０４で光路を振られたビームは、Ｓ偏光で偏光ビームスプリッタ１２０９に入射される。偏光ビームスプリッタ１２０９内の反射膜は、Ｓ偏光を反射するように設計されているため、Ｓ偏光の光は、ＬＣＯＳパネル１２１０を照明する。ＬＣＯＳパネル１２１０で反射された光は、投射レンズ１２１１によってスクリーン１２１２に投影される。
　コントローラ１２１３は、ＬＣＯＳ駆動回路１２１４、ＬＤ・ガルバノ駆動回路１２１５、ＬＤ電流源１２１６より構成されている。ビデオ信号ＶＳは、ＬＣＯＳ駆動回路１２１４に入力され、ＬＣＯＳ駆動回路１２１４は、駆動信号ＤＳを生成する。ＬＤ・ガルバノ駆動回路１２１５は、ＬＣＯＳ駆動回路１２１４からの信号の一つであるＶ－ＳＹＮＣ信号Ｖｓｙｎｃをトリガとして、スキャンミラーの駆動波形とレーザの発光タイミングである発光トリガＬＴを生成する。発光トリガＬＴは、レーザの電流源であるＬＤ電流源１２１６に入力され、発光トリガＬＴに合わせて、青色レーザ光源１２０１ｂ、赤色レーザ光源１２０１ｒ、及び緑色レーザ光源１２０１ｇへ電流が供給される。この一連の動作によりスクリーン１２１２上に画像を表示する仕組みとなっている。
　上記のレーザプロジェクター装置１２００では、緑色レーザ光源１２０１ｇとして実施の形態１又は２の波長変換レーザ光源を用いているので、幅広い温度範囲で光源出力の長期安定性を確保することが可能となり、幅広い温度範囲で安定した輝度を保つことができる。
　（実施の形態４）
　次に、本発明の実施の形態４について説明する。本実施形態は、実施の形態１又は２による波長変換レーザ光源を応用した第２の画像表示装置である。図１２は、本発明の実施の形態１又は２による波長変換レーザ光源を用いたヘッドアップディスプレイ装置の構成を示す概略図である。
　図１２に示すヘッドアップディスプレイ装置１３０１は、赤色、緑色、及び青色のレーザ光源１３０７Ｒ、１３０７Ｇ、１３０７Ｂ、２次元変調素子１３０８、投影レンズ１３０９、中間スクリーン１３１０、折り返しミラー１３１２、及びこれらを制御するコントローラ部１３１３から構成されている。２次元変調素子１３０８は、小型液晶パネル又はデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）等から構成される。緑色のレーザ光源１３０７Ｇとして、上記の実施の形態１、２による波長変換レーザ光源が用いられる。
　レーザ光源１３０７Ｒ，１３０７Ｇ、１３０７Ｂから発せられたレーザ光は、光学系（図示省略）により合波及び整形され、２次元変調素子１３０８を照明する。２次元変調素子１３０８からの光は、投影レンズ１３０９によりスクリーン１３１０に投影されて描画される。
　ヘッドアップディスプレイ装置１３０１によって表示させたい画像データは、外部機器（図示省略）から入力ポートＩＰから電気信号として入力され、コントローラ部１３１３は、画像データを２次元変調素子１３０８の駆動信号に変換する。また、コントローラ部１３１３は、レーザ光源１３０７Ｒ、１３０７Ｇ、１３０７Ｂの点灯タイミング信号を生成し、レーザ光源１３０７Ｒ、１３０７Ｇ、１３０７Ｂに必要な電流を供給することにより、レーザ光源１３０７Ｒ、１３０７Ｇ、１３０７Ｂを点灯させる。
　ヘッドアップディスプレイ装置１３０１から発せられた光線ＬＢは、フロントガラス１３０５上に設置された反射ミラー１３０４で反射され、運転者ＤＲに到達する。運転者ＤＲには、光線ＬＢで形成された映像の虚像１３０６の部分に映像が表示されているように見えるという仕組みである。この一連の動作により、フロントガラス１３０５上に画像を表示する仕組みとなっている。
　上記のヘッドアップディスプレイ装置１３０１では、緑色のレーザ光源１３０７Ｇとして実施の形態１又は２の波長変換レーザ光源を用いているので、幅広い温度範囲で光源出力の長期安定性を確保することが可能となり、幅広い温度範囲で安定した輝度を保つことができる。
　上記の実施の形態から本発明について要約すると、以下のようになる。即ち、本発明に係る波長変換レーザ光源は、励起光を入射され、基本波光を発生する固体レーザ媒質と、前記基本波光を前記基本波光の周波数よりも高い周波数を有する第２高調波光へ変換する波長変換素子と、前記基本波光及び前記第２高調波光を反射する第１の反射面が形成された凹面ミラーと、前記基本波光を反射し、前記第２高調波光を透過する第２の反射面が形成された波長板とを備え、前記第１の反射面と前記第２の反射面とからレーザ共振器が構成され、前記レーザ共振器の前記第１の反射面側に前記固体レーザ媒質が配置され、前記レーザ共振器の前記第２の反射面側に前記波長板が配置され、前記固体レーザ媒質と前記波長板との間に前記波長変換素子が配置され、前記波長板は、前記波長変換素子により変換された第２高調波を前記第２の反射面を介して前記レーザ共振器の外部へ出力する。
　本波長変換レーザ光源においては、レーザ共振器の第１の反射面側に固体レーザ媒質が配置され、レーザ共振器の第２の反射面側に波長板が配置され、固体レーザ媒質と波長板との間に波長変換素子が配置され、波長変換素子により変換された第２高調波が第２の反射面を介してレーザ共振器の外部へ出力されるので、レーザ共振器内の、励起光が入射される固体レーザ媒質から最も離間された位置に波長板を配置することができ、励起光による波長板の温度上昇を抑制することができる。したがって、レーザ共振器内に波長板を有する波長変換レーザ光源において、２００ｍＷ以上の光を発生させる際に課題となる波長変換後の光出力が不安定になり、また適切な出力が得られないという現象を、簡便な構成によって抑制することが可能となり、その結果、高い出力のレーザ光を発する小型のレーザ光源装置を提供することができる。
　前記凹面ミラーに形成された前記第１の反射面は、前記基本波光を反射して前記波長変換素子に集光させ、前記波長板に形成された前記第２の反射面は、平面ミラーであることが好ましい。
　この場合、第１の反射面によって基本波光が集光され、収束光が波長変換素子に入射されるので、波長変換素子における基本波光から高調波光への変換効率を向上することができるとともに、第２の反射面が平面ミラーであるので、第２の反射面を波長板と一体に容易に作成することができるとともに、波長板及び第２の反射面の位置調整が容易となり、装置の製造コストを低減することができる。
　前記波長板に形成された前記第２の反射面は、外気に曝されていることが好ましい。
　この場合、波長板が第２の反射面を介して外気に曝されることとなり、波長板を外気によって効率よく冷却することができるので、波長板の温度上昇による偏光回転を抑える作用を生じ、出力不安定や想定出力値から出力が不足する課題を低減することができる。
　前記波長板を冷却する冷却部をさらに備えることが好ましい。
　この場合、冷却部により波長板を効率よく冷却することができるので、レーザ共振器内に波長板を挿入する波長変換レーザ光源において、出力の不安定さや想定出力値から出力が不足する課題を大幅に改善することができる。
　前記冷却部は、抵抗率が１．０×１０－５Ω・ｃｍ以下である金属膜からなることが好ましい。
　この場合、金属膜の熱伝導率が高くなり、波長板をより効率よく冷却することができるので、レーザ共振器内に波長板を挿入する波長変換レーザ光源の緑色光の出力の低下を５％以下に低減することができる。
　前記冷却部は、ダイヤモンド薄膜又はダイヤモンドライクカーボンから構成されることが好ましい。
　この場合、ダイヤモンド薄膜又はダイヤモンドライクカーボンは、透明な導電材料であり、光を透過させることができるので、第２高調波光等が通過するための開口部を設ける必要がなくなり、第２高調波光等が通過する部分の冷却効率を向上することができ、さらに効率よく波長板を冷却することができる。
　前記固体レーザ媒質は、屈折率が等方性を有する等方性材料から構成されることが好ましい。
　この場合、屈折率が等方性を有する等方性材料からなる固体レーザ媒質に起因する出力不安定や想定出力値から出力が不足する課題を確実に低減することができる。
　前記固体レーザ媒質は、偏光解消効果を有するセラミック材料から構成されることが好ましい。
　この場合、偏光解消効果を有するセラミック材料からなる固体レーザ媒質に起因する出力不安定や想定出力値から出力が不足する課題を確実に低減することができる。
　前記波長変換素子は、ＭｇＯ添加ニオブ酸リチウム、ＭｇＯ添加タンタル酸リチウム、及びリン酸チタニルカリウムのうちいずれか一種から構成されることが好ましく、また、定比組成のＭｇＯ添加ニオブ酸リチウム、又は定比組成のＭｇＯ添加タンタル酸リチウムから構成されることが好ましい。
　この場合、波長変換素子における基本波光から高調波光への変換効率を向上することができるので、波長変換レーザ光源の出力を向上することができる。
　本発明に係る画像表示装置は、上記のいずれかに記載された波長変換レーザ光源を含み、レーザ光を発生するレーザ光源と、前記レーザ光を変調して画像を形成する変調素子と、前記レーザ光源及び前記変調素子を制御するコントローラとを備える。
　本画像表示装置においては、レーザ共振器内に波長板を挿入した場合でも、波長変換後の第２高調波を高出力で且つ安定的に出力することができる波長変換レーザ光源を用いているので、幅広い温度範囲で光源出力の長期安定性を確保することが可能となり、幅広い温度範囲で安定した輝度を保つことができる。
　本発明によれば、波長板が発熱することによる緑色光の出力低下及び出力不安定を防止し、出力値１０００ｍＷ以上の高い出力を発する小型の波長変換レーザ光源を提供することができるので、固体レーザ媒質が発する基本波光を基本波光の周波数よりも高い周波数を有する第２高調波光へ変換する波長変換レーザ装置等に好適に用いることができる。

Claims (10)

  1. 　励起光を入射され、基本波光を発生する固体レーザ媒質と、
    　前記基本波光を前記基本波光の周波数よりも高い周波数を有する第２高調波光へ変換する波長変換素子と、
    　前記基本波光及び前記第２高調波光を反射する第１の反射面が形成された凹面ミラーと、
    　前記基本波光を反射し、前記第２高調波光を透過する第２の反射面が形成された波長板とを備え、
    　前記第１の反射面と前記第２の反射面とからレーザ共振器が構成され、
    　前記レーザ共振器の前記第１の反射面側に前記固体レーザ媒質が配置され、前記レーザ共振器の前記第２の反射面側に前記波長板が配置され、前記固体レーザ媒質と前記波長板との間に前記波長変換素子が配置され、
    　前記波長板は、前記波長変換素子により変換された第２高調波を前記第２の反射面を介して前記レーザ共振器の外部へ出力することを特徴とする波長変換レーザ光源。
  2. 　前記凹面ミラーに形成された前記第１の反射面は、前記基本波光を反射して前記波長変換素子に集光させ、
    　前記波長板に形成された前記第２の反射面は、平面ミラーであることを特徴とする請求項１に記載の波長変換レーザ光源。
  3. 　前記波長板に形成された前記第２の反射面は、外気に曝されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の波長変換レーザ光源。
  4. 　前記波長板を冷却する冷却部をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の波長変換レーザ光源。
  5. 　前記冷却部は、抵抗率が１．０×１０－５Ω・ｃｍ以下である金属膜からなることを特徴とする請求項４に記載の波長変換レーザ光源。
  6. 　前記冷却部は、ダイヤモンド薄膜又はダイヤモンドライクカーボンから構成されることを特徴とする請求項４に記載の波長変換レーザ光源。
  7. 　前記固体レーザ媒質は、屈折率が等方性を有する等方性材料から構成されることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の波長変換レーザ光源。
  8. 　前記固体レーザ媒質は、偏光解消効果を有するセラミック材料から構成されることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の波長変換レーザ光源。
  9. 　前記波長変換素子は、ＭｇＯ添加ニオブ酸リチウム、ＭｇＯ添加タンタル酸リチウム、及びリン酸チタニルカリウムのうちいずれか一種から構成されることを特徴とする請求項１～８に記載の波長変換レーザ光源。
  10. 　請求項１～９のいずれかに記載された波長変換レーザ光源を含み、レーザ光を発生するレーザ光源と、
    　前記レーザ光を変調して画像を形成する変調素子と、
    　前記レーザ光源及び前記変調素子を制御するコントローラとを備えることを特徴とする画像表示装置。
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