JP2004125943A - 波長変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】波長変換素子に光損傷を与えずに高効に率波長変換を行う。
【解決手段】外部から波長変換素子１１内に入射した所定の波長の基本光Ａ０を、対向する部分反射膜１２及び反射膜１３で繰り返し反射するとともに部分反射膜１２及び反射膜１３の対向する方向に対して直行する方向に導きながら、基本光Ａ０〜（ｎ−１）の光路中に設けられた複数の波長変換部１４ａ１〜１４ａｎにより基本光Ａ０〜（ｎ−１）を波長変換して変換光Ｂ１〜ｎとし、この変換光Ｂ１〜ｎを部分反射膜１２から外部へ出力する。
【選択図】 図１
【解決手段】外部から波長変換素子１１内に入射した所定の波長の基本光Ａ０を、対向する部分反射膜１２及び反射膜１３で繰り返し反射するとともに部分反射膜１２及び反射膜１３の対向する方向に対して直行する方向に導きながら、基本光Ａ０〜（ｎ−１）の光路中に設けられた複数の波長変換部１４ａ１〜１４ａｎにより基本光Ａ０〜（ｎ−１）を波長変換して変換光Ｂ１〜ｎとし、この変換光Ｂ１〜ｎを部分反射膜１２から外部へ出力する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光の波長を変換する波長変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ光の波長を変換する波長変換装置には、波長変換素子を用いて第二次高調波発生（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ＳＨＧ）等の非線形光学現象により高効率に波長変換を行うものがある。
【０００３】
このような波長変換を行う波長変換装置は、例えば、図１６に示すように、周波数ωのレーザ光である基本光を出射するレーザ光源１０１と、レーザ光源１０１から出射された基本光を集光する集光レンズ１０２と、集光レンズ１０２により集光された基本光を波長変換して周波数２ωの変換光を生成する非線形光学結晶１０３とを備えている。
【０００４】
非線形光学結晶１０３は、集光レンズ１０２により集光される基本光のビームウエスト位置に配設されており、入射した基本光との相互作用により周波数２ωの変換光を生成する波長変換素子である。この非線形光学結晶１０３は、基本光と変換光との位相が整合するように、結晶の方位や分域反転構造等を適切に調整することにより、基本光を効率よく波長変換することができる。ここで、分域反転構造とは、非線形光学結晶１０３の自発分極を周期的に反転させた領域、すなわち分域反転領域が設けられた構造である。
【０００５】
ここで、波長変換装置において、特に赤外波長域から可視波長域への波長変換を行う場合、非線形光学結晶１０３には、その波長における光透過性及び非線形光学特性の観点から、例えば強誘電体又は焦電体単結晶を用いることが多い。
【０００６】
以上のように構成された波長変換装置は、光源１０１から周波数ωの基本光を出射し、光源１０１から出射した基本光を集光レンズ１０２により集光して非線形光学結晶１０３に入射し、入射した基本光と非線形光学結晶１０３との相互作用により周波数２ωの変換光を生成する。
【０００７】
このような波長変換装置において、非線形光学結晶１０３に入射する基本光に対する非線形光学結晶１０３により生成された変換光の出力比率、すなわち変換効率ηは、基本光及び変換光の減衰を無視できるものとし、共焦点収束（コンフォーカルフォーカシング）とした場合、以下の式１のように表すことができる。
【０００８】
η∝ＬＰ（ω） ・・・（式１）
但し、上述の式１においては、非線形光学結晶１０３と基本光との相互作用により波長変換が行われる距離、すなわち相互作用長をＬとし、基本光の尖頭値、すなわちピークパワーをＰ（ω）としている。
【０００９】
上述の式１より、変換効率ηは、相互作用長Ｌ及びピークパワーＰ（ω）に比例することがわかる。従って、上述した波長変換装置では、効率変換ηを高めたい場合に、非線形光学結晶１０３の相互作用長Ｌを長くするか、非線形光学結晶１０３に入射する基本光のピークパワーＰ（ω）を大きくすればよいことがわかる。なお、基本光のピークパワーを大きくするためには、ピークパワーの大きな基本光を出力する光源を用いることが考えられる。ピークパワーの大きな光源としては、特にパルスレーザを用いることが多い。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、基本光のピークパワーを大きくする場合、上述した非線形光学結晶のような波長変換素子は、一般に光透過性の高い材料であっても、光学特性に不可逆な損傷、いわゆる光損傷（Ｏｐｔｉｃａｌ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）を引き起こすことがある。具体的に、波長変換素子は、基本光及び変換光の波長や、この結晶を構成する材料の反射特性，吸収特性，内部構造，表面性等の条件により、所定の閾値を超えるピークパワーの基本光が入射されることで光損傷を引き起こす。
【００１１】
波長変換装置では、波長変換素子にこのような光損傷が発生することにより、波長変換素子の光学特性が変化してしまい、所望の変換効率を得ることができなくなる。
【００１２】
このため、上述したような波長変換装置では、使用する波長変換素子の閾値を超えない範囲のピークパワーの基本光を用いるか、基本光のピークパワーよりも大きい閾値を持つ波長変換素子を用いることになるため、波長変換素子の材料の選択肢を狭め、変換効率を制限してしまう。
【００１３】
また、波長変換素子の相互作用長を長くする場合、波長変換素子は、波長変換の際に最適な相互作用長が存在するため、ある程度以上に相互作用長を長くしても変換効率が上がらない。特に、図１７に示すように、基本光と変換光とのエネルギーの進む方向の差であるウォークオフ角が大きい波長変換素子では、最適な相互作用長が短くなってしまう。また、相互作用長が短くなってしまう分を、例えば、単一の基本光の光路中に複数の波長変換素子を直列に並べて各素子で集光条件を最適化した場合は、波長変換素子の材料が多く必要となり、小型で安い波長変換装置が実現できない。
【００１４】
さらに、波長変換装置では、波長変換素子に光損傷が起きない程度のピークパワーの基本光を照射した場合であっても、特にニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）結晶等の場合にみられる、結晶内部に電荷分布の偏りが生じて屈折率が変化する光誘起複屈折率（Ｐｈｏｔｏ−ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ）効果による位相の不整合が原因で変換効率が低下したり、ＫＴｉＯＰＯ４結晶等の場合にみられる着色（Ｇｒａｙ ｔｒａｃｋ）による吸収が原因で変換効率が低下することがある。
【００１５】
なお、上述で問題としている光損傷とは、基本光によるものだけではなく、特に高調波発生において、基本光よりも光エネルギーの大きな短波長の変換光によりさらに引き起こされる光損傷をも含んでいる。
【００１６】
本発明は、上述したような状況を鑑みて創案されたものであり、非線形波長変換を行う際に、波長変換素子の光損傷及び変換効率の低下を改善し、比較的弱い光強度の基本光であっても、高変換効率で波長変換を行うことができる波長変換装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る波長変換装置は、上述した目的を達成するために、レーザ光の波長を変換する波長変換装置であって、入射したレーザ光を互いに同一の直線上にはない複数の光路に導光する導光手段と、互いに同一の直線上にはない複数の光路に配設され、入射したレーザ光の波長を変換する波長変換手段と、波長変換手段により波長が変換されたレーザ光を取り出すレーザ光取り出し手段とを備えることを特徴とする。
【００１８】
以上のように構成された波長変換装置は、入射されたレーザ光を導光手段により互いに同一の直線上にはない複数の光路に導光し、この複数の光路に配設された波長変換手段によりレーザ光の波長を変換することで、装置全体での波長変換効率を高める。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明が適用された波長変換装置について、図面を参照して説明する。
【００２０】
本発明が適用された波長変換装置は、外部から入力された第１の波長の光（以下では、基本光と記述する。）を波長変換素子によって第１の波長と異なる第２の波長の光（以下では、変換光と記述する。）に波長変換し、複数の変換光として出力するものである。
【００２１】
＜第１の実施の形態＞
以下では、第１の実施の形態として、図１に示す波長変換装置１について説明する。
【００２２】
波長変換装置１は、基本光の波長を変換して変換光を生成する波長変換素子１１と、基本光を反射するとともに変換光を透過する部分反射膜１２と、基本光を反射する反射膜１３とを備える。
【００２３】
波長変換素子１１は、直方体の形状を呈した光学部材である。波長変換素子１１には、非線形光学現象を利用して基本光の波長を変換し、変換光を生成するｎ個の波長変換部１４ａ１〜１４ａｎが内部に設けられている。波長変換素子１１は、直方体の長手方向に平行な１つの側面１１ａ上に、部分反射膜１２が設けられ、側面１１ａと平行な反対側の側面１１ｂ上に、反射膜１３が設けられている。
【００２４】
部分反射膜１２は、第２の波長の光を透過し、第１の波長の光を反射する波長選択性を有する光分離膜である。すなわち、部分反射膜１２は、基本光を反射し、変換光を透過する光分離膜であり、部分反射膜１２及び反射膜１３の間の変換光を装置外部に取り出すことができる。反射膜１３は、波長選択性のない光反射膜である。
【００２５】
波長変換素子１１は、波長変換を行う波長変換部１４ａ１〜１４ａｎ以外の部分が、波長変換に寄与しない光透過性の高い光学材料で埋められている。波長変換素子１１の波長変換部１４ａ１〜１４ａｎ以外の部分を埋める光学材料としては、第１の波長の光及び第２の波長の光に対して高い透過率を有するものが好ましい。すなわち、波長変換素子１１の波長変換部１４ａ１〜１４ａｎ以外の部分を埋める光学材料としては、基本光及び変換光に対して高い透過率を有するものが好ましい。なお、波長変換素子１１の形状は、直方体に限定されるものではなく、側面１１ａ，１１ｂ上にそれぞれ部分反射膜１２，反射膜１３を互いに平行に設けることができる形状であればよい。
【００２６】
なお、波長変換素子１１の側面１１ｂ上には、全面に渡って反射膜１３が設けられているわけではない。波長変換素子１１は、側面１１ｂの長手方向の一端側に反射膜１３が設けられていない部分があり、側面１１ｂが外部に露呈している。この側面１１ｂが外部に露呈した部分を開口部１１ｃとする。図示しない光源から出射された基本光は、この開口部１１ｃから波長変換素子１１の内部に入射する。ここで、波長変換素子１１の開口部１１ｃに入射する基本光の入射角をθ１とし、屈折角をθ２とする。基本光は、波長変換素子１１の長手方向に、側面１１ｂに対してθ１だけ傾いて開口部１１ｃに入射する。
【００２７】
部分反射膜１２及び反射膜１３は、波長変換素子１１を挟んで互いに平行であり、それぞれ基本光を反射するので、開口部１１ｃから波長変換素子１１の内部に入射角θ１で入射され屈折角θ２で屈折した基本光を、同一平面内で繰り返し反射する。ここで、部分反射膜１２及び反射膜１３は、部分反射膜１２に入射する基本光が入射面に対して垂直に入射しない限り、スネルの法則にしたがって入射方向と異なる方向へ基本光を反射する。すなわち、部分反射膜１２及び反射膜１３は、それぞれθ２の角度で基本光を繰り返し反射しながら、この基本光を波長変換素子１１の長手方向、すなわち部分反射膜１２及び反射膜１３が対向する方向に対して直交する方向に導く。つまり、部分反射膜１２及び反射膜１３は、基本光を導く光路を形成している。
【００２８】
具体的に、部分反射膜１２及び反射膜１３は、開口部１１ｃから波長変換素子１１の内部に入射した基本光を繰り返し反射することで、この基本光を互いに同一の直線上にはない複数の光路に導光する。つまり、部分反射膜１２及び反射膜１３は、先の光路から入射された基本光を同一の直線上にはない次の光路に順次導光する。ここで、先の光路及び次の光路とは、部分反射膜１２又は反射膜１３に入射した基本光が反射されて光路が変化する場合において、反射前後の基本光の光路をそれぞれ示している。
【００２９】
波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、それぞれ直方体の形状を呈しており、長手方向の一端が反射膜１３側に向けられ、他端が部分反射膜１２側に向けられている。波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、部分反射膜１２及び反射膜１３に対して、長手方向が角度θ２だけ傾いており、互いに平行で等間隔となるように形成されている。なお、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、波長変換素子１１の長手方向にのみ傾いている。また、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎの形状は、直方体に限定されるものではなく、長手方向に延在された形状であればよい。
【００３０】
波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、詳細を後述するが、基本光が長手方向の一端から長手方向に沿って入射されることで波長変換を行い、他端から変換光を出力する。なお、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、長手方向の一端から基本光が長手方向に沿って入射されることで、他端から未変換の基本光も出力する。
【００３１】
具体的に、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、長手方向の一端から入射される基本光の周波数をωとすると、二次高調波発生により周波数が２ωの変換光を他端から出力する。すなわち、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、基本光の波長が半分である変換光を出力する。
【００３２】
また、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、それぞれ長手方向の長さが異なり、部分反射膜１２及び反射膜１３が対向する方向に対して直交する方向で、波長変換素子１１の一端から他端に向かって順次長手方向の長さが長くなるように形成されている。波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、長手方向の長さが波長変換の際の相互作用長に対応し、この相互作用長に比例して変換効率が高くなる。なお、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、それぞれ入射された基本光及び出力する変換光の光強度により光損傷が起こらないような相互作用長とされている。
【００３３】
具体的に、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、それぞれ擬似位相整合（Ｑｕａｓｉ−Ｐｈａｓｅ Ｍａｔｃｈｉｎｇ：ＱＰＭ）により基本光から変換光を生成するための条件に適応するように、長手方向に反転周期が均一な分域反転構造とされている。すなわち、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、それぞれ長手方向に対して自発分極を均一な周期で反転させた分域反転領域が形成されている。
【００３４】
なお、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、例えば、長手方向に反転周期が均一で相互作用長が異なる分域反転パターンを、リソグラフィ技術等を用いて製作し、電界を印加することで分域反転構造が作成されている。
【００３５】
波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、基本光及び変換光に対して光透過性を有する材料により形成されており、以下に示すような非線形光学結晶が用いられる。
【００３６】
波長変換部１４ａ１〜１４ａｎとしては、例えば、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４）やＬＮ（ＬｉＮｂＯ３）又はこれらを長手方向に周期的に分域反転させたもののうちで非線形波長変換における変換効率の高い光学結晶を用いることができる。波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、ＫＴＰやＬＮ等を用いることにより光損傷や光誘起複屈折率効果を低減するとともに、高出力の波長変換を可能とする。
【００３７】
また、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎとしては、例えば、ＲＴＰ（ＲｂＴｉＯＰＯ４），ＲＴＡ（ＲｂＴｉＯＡｓＯ４），ＫＴＡ（ＫＴｉＯＡｓＯ４），ＬＴ（ＬｉＴａＯ３），ＭｇＯ：ＬＮ（ＬＮを添加したＭｇＯ），ＭｇＯ：ＬＴ（ＬＴを添加したＭｇＯ），ＫＮ（ＫＮｂＯ３），ＢＴＯ（ＢａＴｉＯ３），ＢＮＮ（Ｂａ２ＮａＮｂ５Ｏ１５），ＳＢＮ（ＳｒＢａＮｂＯ７），ＫＤＰ（ＫＨ２ＰＯ４），ｄＫＤＰ（ＫＤ２ＰＯ４），ＢＢＯ（ＢａＢ２Ｏ４），ＬＢＯ（ＬｉＢ３Ｏ５），ＬｉＢ４Ｏ７，ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０），ＣＢＯ（ＣｓＢ３Ｏ５），ＳｉＯ２，ＢａＭｇＦ４，ＫＢ５Ｏ８・４Ｈ２Ｏの単結晶又はこれらの共晶を用いることができる。
【００３８】
ここで、上述したように波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、部分反射膜１２及び反射膜１３により繰り返し反射される基本光の光路中の反射角θ２と同様の傾きを有している。すなわち、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、基本光の光路に沿って設けられていることがわかる。具体的に、波長変換部１４ａ１は、開口部１１ｃから波長変換素子１１内に入射した基本光が部分反射膜１２に向かう光路中に設けられており、波長変換部１４ａ２〜１４ａｎは、基本光が反射膜１３で反射され部分反射膜１２に向かう光路毎に設けられている。
【００３９】
波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、部分反射膜１２及び反射膜１３により繰り返し反射される基本光の光路中で、開口部１１ｃから波長変換素子１１内に入射された基本光をそれぞれ相互作用長に応じた変換効率で変換光に変換するので、基本光の光強度を順次低減させる。つまり、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、それぞれ入射される基本光の光強度が異なり、ｎが大きくなれば入射する基本光の光強度が小さくなる。そこで、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、それぞれ入射される基本光の光強度の低減を補うように順次相互作用長を長くして、出力される変換光の光強度の低下を抑止している。
【００４０】
なお、上述した波長変換素子１１は、素子全体を単一の光学結晶で構成し、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎのみに分域反転構造を形成する等して光学特性を変化させて、この波長変換部１４ａ１〜１４ａｎが波長変換を行うようにしてもよい。
【００４１】
次に、波長変換装置１が、基本光から変換光へ波長変換を行う際の各部の作用について説明する。なお、以下では、ｉを１〜ｎまでの整数として、開口部１１ｃから入射された基本光の光路順に数えてｉ番目の波長変換部を波長変換部１４ａｉ、外部の光源から出射された基本光をＡ０、波長変換部１４ａｉから出力された基本光をＡｉ、波長変換部１４ａｉから出力された変換光をＢｉとして、基本光及び変換光の光路に沿って説明する。
【００４２】
まず、図示しない光源から出射された基本光Ａ０は、周波数ωのレーザ光であり、開口部１１ｃの入射面に対して入射角θ１で入射し、入射面で屈折角θ２だけ屈折する。
【００４３】
次に、開口部１１ｃから波長変換素子１１内に入射した基本光Ａ０は、波長変換部１４ａ１に入射し、波長変換部１４ａ１の相互作用長に応じた変換効率で周波数２ωの変換光Ｂ１に波長変換される。波長変換部１４ａ１からは、変換光Ｂ１とともに未変換の基本光Ａ１が出力される。そして、波長変換部１４ａ１から出力された変換光Ｂ１は、部分反射膜１２に入射し、この部分反射膜１２を透過して外部に出力される。
【００４４】
次に、波長変換部１４ａ１から出力された基本光Ａ１は、部分反射膜１２に対して入射角θ２で入射して反射角θ２で全反射されて、波長変換素子１１内を進み、反射膜１３に対して入射角θ２で入射して反射角θ２で全反射されて波長変換部１４ａ２に入射する。
【００４５】
次に、波長変換部１４ａ２に入射した基本光Ａ１は、波長変換部１４ａ２により相互作用長に応じた変換効率で周波数２ωの変換光Ｂ２に波長変換される。波長変換部１４ａ２からは、変換光Ｂ２とともに未変換の基本光Ａ２が出力される。そして、波長変換部１４ａ２から出力された変換光Ｂ２は、部分反射膜１２に入射し、この部分反射膜１２を透過して外部に出力される。
【００４６】
このように、波長変換装置１は、波長変換素子１１内へ入射した基本光Ａ０を、基本光Ａｎとなるまで、部分反射膜１２及び反射膜１３により繰り返し反射させるとともに部分反射膜１２及び反射膜１３の互いに対向する方向に対して水平方向に導きながら波長変換部１４ａ１〜１４ａｎにより波長変換することで変換光Ｂ１〜Ｂｎを出力する。
【００４７】
ここで、この波長変換装置１においては、出力される変換光Ｂ１〜Ｂｎの光強度がそれぞれ異なっていると、これら変換光Ｂ１〜Ｂｎを集光して用いる場合に、例えば集光した変換光の均一性が低下して光強度分布に偏りが生じてしまう。
【００４８】
そこで、この波長変換装置１においては、出力される変換光Ｂ１〜Ｂｎの光強度を均一化するように、波長変換素子１１内の波長変換部１４ａ１〜１４ａｎの相互作用長を調整している。
【００４９】
入射した基本光Ａ０の光強度をＩ０、波長変換部１４ａｉでの変換効率をηｉ、基本光Ａ０〜Ａ（ｎ−１）が波長変換素子１１内部において平行光となるように集光されているとする場合に、変換光Ｂｉの光強度をＩｉとすると、この光強度Ｉｉは、以下の式２及び式３に示すような漸化式で表すことができる。
【００５０】
Ｉ１＝η１×Ｉ０ ・・・（式２）
Ｉｉ＝（１−η（ｉ−１））×ηｉ×Ｉ０ ・・・（式３）
但し、式３におけるｉは、１〜ｎまでの整数である。
【００５１】
変換効率ηｉは、出力される変換光Ｂ１〜Ｂｎの光強度Ｉ１〜Ｉｎが全て等しいとして、上述の式３を解くことにより、以下の式４に示すように計算することができる。
【００５２】
ηｉ＝η１／（１−（ｉ−１）×η１） ・・・（式４）
式４より、変換効率ηｉは、ｉがｎに近づくにつれて高くなる。
【００５３】
例えば、波長変換装置１では、ｎ＝２０である場合、すなわち全部で２０個の波長変換部１４ａ１〜１４ａ２０を用いて２０個の変換光Ｂ１〜Ｂ２０を出射する場合に、波長変換部１４ａ１〜１４ａ２０の相互作用長を以下の表１に示すような値となるように分域反転領域を形成すればよい。
【００５４】
【表１】
【００５５】
表１に示すように、波長変換部１４ａ１は、入射した基本光Ａ０を変換効率が略４％で変換光Ｂ１に波長変換する。また、表１に示すように、波長変換部１４ａ１の相互作用長と波長変換部１４ａｉの相互作用長との比は、ｉが大きくなるに従って増大し、これにより波長変換部１４ａｉの変換効率ηｉが順次増大している。すなわち、波長変換部１４ａ１〜１４ａ２０を通過するたびに減少する基本光Ａ０〜Ａ１９の光強度に対応して、波長変換部１４ａ１〜１４ａ２０ではそれぞれの相互作用長を長くして変換効率を上げて、変換光Ｂ１〜Ｂ２０の光強度を一定に保っている。
【００５６】
このように、波長変換装置１は、上述の表１に示すような設計とされた２０個の波長変換部１４ａ１〜１４ａ２０が設けられた波長変換素子１１を用いれば、装置全体での変換効率を８０％以上にすることができる。
【００５７】
以上のように、第１の実施の形態における波長変換装置１は、部分反射膜１２及び反射膜１３により繰り返し基本光を反射することで基本光の光路を分割し、部分反射膜１２に向かう基本光Ａ０〜Ａ（ｎ−１）の光路毎に相互作用長の異なるｎ個の波長変換部１４ａ１〜１４ａｎを分散させて配することで、装置全体で高変換効率の波長変換を行うことができる。なお、波長変換部を基本光Ａ０〜Ａ（ｎ−１）が反射部１３に向かう光路中にも配するようにしてもよく、この場合に波長変換装置１は、反射膜１３を部分反射膜１２と同様に変換光を透過するような波長選択性を有する光学膜とすることとなる。
【００５８】
また、波長変換装置１は、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎが基本光Ａ０〜Ａ（ｎ−１）の光強度に対して光損傷が起こらない程度の相互作用長とされていることで、基本光Ａ０〜Ａ（ｎ−１）による波長変換部１４ａ１〜１４ａｎの光損傷を抑制することができる。これにより、波長変換装置１は、波長変換素子１１の寿命と信頼性を大幅に向上させることができる。
【００５９】
さらに、波長変換装置１は、部分反射膜１２及び反射膜１３が互いに平行であり、また波長変換素子１１の波長変換部１４ａ１〜１４ａｎが互いに平行に等間隔に設けられているので、部分反射膜１２での変換光Ｂ１〜Ｂｎの入射位置が等間隔となり、且つ部分反射膜１２への変換光Ｂ１〜Ｂｎの入射角度が均一な角度となるため、変換光Ｂ１〜Ｂｎを等間隔に並べて所定の方向へ揃えて出力することができる。
【００６０】
さらにまた、波長変換装置１は、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎの相互作用長を調整して均一な光強度の変換光Ｂ１〜Ｂｎを出力することができるため、これら変換光Ｂ１〜Ｂｎをまとめて１つの光束として光強度分布が均一な光源とすることができる。
【００６１】
さらにまた、波長変換装置１は、均一な光強度の変換光Ｂ１〜Ｂｎを平行に等間隔に並べて出力することができるので、線状光源として用いることができる。なお、波長変換装置が出力する変換光Ｂ１〜Ｂｎの具体的な利用方法については、第１０の実施の形態で詳細に述べる。
【００６２】
＜第２の実施の形態＞
以下では、第２の実施の形態として、図２に示す波長変換装置２について説明する。なお、上述した第１の実施の形態における波長変換装置１と同一の機能を有するものについては、同じ符号を付して説明を省略する。
【００６３】
波長変換装置２は、上述した波長変換装置１の部分反射膜１２及び反射膜１３を波長変換素子１１の側面１１ａ，１１ｂに対して平行となるように、それぞれ所定の距離だけ波長変換素子１１から離れるように配設し、波長変換素子１１と部分反射膜１２及び反射膜１３とを別体の構成としたものである。
【００６４】
この場合、波長変換装置２は、波長変換素子１１と部分反射膜１２及び反射膜１３との間が空隙となるために、波長変換素子１１の側面１１ａ，１１ｂ上に第１の波長の光及び第２の波長の光の反射を防止する反射防止膜１５，１６がそれぞれ設けられている。
【００６５】
反射防止膜１５，１６は、第１の波長の光及び第２の波長の光の反射を防止する、すなわち基本光及び変換光の反射を防止する。
【００６６】
波長変換装置２は、反射防止膜１５，１６を設けることにより、波長変換素子１１の側面１１ａ，１１ｂで基本光及び変換光が反射することにより発生する迷光を低減することができる。
【００６７】
以上のように、第２の実施の形態における波長変換装置２は、上述した波長変換装置１と同等の効果を得ることができるとともに、波長変換素子１１の側面１１ａ，１１ｂ上に部分反射膜１２及び反射膜１３を設けにくい場合に装置構成の実現を容易とすることができる。
【００６８】
＜第３の実施の形態＞
以下では、第３の実施の形態として、図３に示す波長変換装置３について説明する。なお、上述した第１〜２の実施の形態における波長変換装置１〜２と同一の機能を有するものについては、同じ符号を付して説明を省略する。
【００６９】
波長変換装置３は、上述したように相互作用長をそれぞれ調整することで所望の変換効率を達成する波長変換部１４ａ１〜１４ａｎに換えて、分域反転の反転周期や反転比率をそれぞれ調整することで所望の変換効率を達成するｎ個の波長変換部１７ａ１〜１７ａｎを、波長変換素子１１内に設けるようにしたものである。
【００７０】
波長変換部１７ａ１〜１７ａｎは、それぞれ直方体の形状を呈しており、直方体の長手方向の長さが均一とされている以外、上述した波長変換部１４ａ１〜１４ａｎと同様に配設されている。
【００７１】
そこで、以下において、波長変換装置３については、波長変換部１７ａ１〜１７ａｎと波長変換部１４ａ１〜１４ａｎとの相違点についてのみ説明する。
【００７２】
まず、基本光の減衰を簡単のため無視し、基本光が平行光であるとすれば、第二次高調波発生による変換光の光強度は、以下の式５に示す値に比例する。
【００７３】
｛ｓｉｎ（Δｋｌ／２）／（Δｋｌ／２）｝２ ・・・（式５）
但し、式５において、Δｋは基本光と第二次高調波発生による変換光の波数不整合量、ｌは相互作用長である。波数不整合量Δｋは、上述した分域反転の周期をΛとして、この反転周期Λを用いると、以下の式６に示すように一次擬似位相整合の条件式として表すことができる。
【００７４】
Δｋ＝ｋ（２ω）−２×ｋ（ω）−２π／Λ ・・・（式６）
但し、ｋ（ω）及びｋ（２ω）は、それぞれ基本光及び変換光の波数である。Δｋ＝０とすることで式５に示す値が最大値１を取り、この状態では、式６に示すように疑似位相整合が達成される。
【００７５】
波長変換部１７ａ１〜１７ａｎは、それぞれの反転周期が上述の式６に示すように疑似位相整合が達成できる反転周期Λとされている。波長変換部１７ａ１〜１７ａｎは、それぞれの反転周期を調整することで、出力する複数の変換光Ｂ１〜Ｂｎの光強度を均一化することができる。
【００７６】
具体的には、部分反射膜１２及び反射膜１３の間で繰り返し反射される基本光Ａ０〜Ａ（ｎ −１ ）の光路中に、例えば、それぞれ反転周期の少しずつ異なる分域反転領域、すなわち波長変換部１７ａ１〜１７ａｎを形成することにより、均一な光強度の変換光Ｂ１〜Ｂｎを出力することができる。波長変換部１７ａ１〜１７ａｎは、変換光Ｂ１〜Ｂｎの光強度を均一にするために、分域反転領域の反転周期を以下のように調整している。
【００７７】
波長変換部１７ａ１〜１７ａｎは、ｉを１〜ｎまでの整数、波長変換部１７ａｉの反転周期をΛｉ、簡単のため各分域反転領域内での分域の比率を１：１、それぞれの相互作用長を等しい長さであるとする。
【００７８】
疑似位相整合を達成する最適な反転周期がΛ０（但し、Δｋ０＝ｋ（２ω）−２×ｋ（ω）−２π／Λ０＝０）であるときの最大変換効率をη０、波数不整合量をΔｋ０とすると、反転周期がΛｉである波長変換部１７ａｉの変換効率ηｉは、波数不整合量をΔｋｉとして、上述した式５より、以下の式７に示すように計算することができる。
【００７９】
ηｉ＝η０×｛ｓｉｎ（Δｋｉｌ／２）／（Δｋｉｌ／２）｝２ ・・・（式７）
但し、上述した式６よりΔｋｉは、以下の式８に示すように計算することができる。
【００８０】
Δｋｉ＝ｋ（２ω）−２×ｋ（ω）−２π／Λｉ＝２π×（１／Λ０−１／Λｉ） ・・・（式８）
従って、均一な光強度の変換光Ｂ１〜Ｂｎを得るためには、それぞれの波長変換部１７ａ１〜１７ａｎにおける変換効率ηｉが上述した式４を満たすように、反転周期Λｉを持つ分域反転領域を波長変換部１７ａ１〜１７ａｎに形成すればよい。
【００８１】
例えば、全部で１０個の変換光Ｂ１〜Ｂ１０を取り出す場合、１つの変換光の光強度Ｉｉが、入射した基本光の光強度Ｉ０に対して略５％の光強度比になるよう変換するには、以下の表２に示すような反転周期Λｉで分域反転領域を形成すればよい。
【００８２】
【表２】
【００８３】
表２より、各波長変換部１７ａ１〜１７ａ１０において、ｉが大きくなるにつれてΛｉが減少し、変換効率ηｉが増大していることがわかる。
【００８４】
ここで、この波長変換部１７ａ１〜１７ａ１０は、波長変換部１７ａ１０、すなわち最終領域で完全に疑似位相整合が取れるとしている。但し、表２における値は、近似的に計算した結果であり、計算の精度を上げれば変換光Ｂ１〜Ｂ１０の光強度が均一になることは言うまでもない。
【００８５】
以上のように、第３の実施の形態における波長変換装置３は、部分反射膜１２及び反射膜１３により繰り返し基本光を反射することで基本光の光路を分割し、部分反射膜１２に向かう基本光Ａ０〜Ａ（ｎ−１）の光路毎に反転周期の異なるｎ個の波長変換部１７ａ１〜１７ａｎを分散させて配することで、装置全体で高変換効率の波長変換を行うことができる。なお、波長変換部を基本光Ａ０〜Ａ（ｎ−１）が反射部１３に向かう光路中にも配するようにしてもよく、この場合に波長変換装置１は、反射膜１３を部分反射膜１２と同様に変換光を透過するような波長選択性を有する光学膜とすることとなる。
【００８６】
また、波長変換装置３は、波長変換部１７ａ１〜１７ａｎが基本光Ａ０〜Ａ（ｎ−１）の光強度に対して光損傷が起こらない程度の相互作用長とされていることで、基本光Ａ０〜Ａ（ｎ−１）による波長変換部１７ａ１〜１７ａｎの光損傷を抑制することができる。これにより、波長変換装置２は、波長変換素子１１の寿命と信頼性を大幅に向上させることができる。
【００８７】
さらに、波長変換装置３は、部分反射膜１２及び反射膜１３が互いに平行であり、また波長変換素子１１の波長変換部１７ａ１〜１７ａｎが互いに平行に等間隔に設けられているので、部分反射膜１２での変換光Ｂ１〜Ｂｎの入射位置が等間隔となり、且つ部分反射膜１２への変換光Ｂ１〜Ｂｎの入射角度が均一な角度となるため、変換光Ｂ１〜Ｂｎを等間隔に並べて所定の方向へ揃えて出力することができる。
【００８８】
さらにまた、波長変換装置３は、波長変換部１７ａ１〜１７ａｎの反転周期や反転比率を調整して均一な光強度の変換光Ｂ１〜Ｂｎを出力することができるため、これら変換光Ｂ１〜Ｂｎをまとめて１つの光束として光強度分布が均一な光源とすることができる。
【００８９】
さらにまた、波長変換装置３は、均一な光強度の変換光Ｂ１〜Ｂｎを平行に等間隔に並べて出力することができるので、線状光源として用いることができる。なお、波長変換装置が出力する変換光Ｂ１〜Ｂｎの具体的な利用方法については、第１０の実施の形態で詳細に述べる。
【００９０】
＜第４の実施の形態＞
以下では、第４の実施の形態として、図４に示す波長変換装置４について説明する。なお、上述した第１〜３の実施の形態における波長変換装置１〜３と同一の機能を有するものについては、同じ符号を付して説明を省略する。
【００９１】
波長変換装置４は、上述した波長変換装置１における波長変換部１４ａ１〜１４ａｎや波長変換装置３における波長変換部１７ａ１〜１７ａｎのように波長変換素子１１の特定の領域に分域反転構造を設けずに、波長変換素子１１の全体に分域反転構造を有する波長変換部１８を設けるとしたものである。
【００９２】
そこで、以下において、波長変換装置４については、波長変換部１８についてのみ説明する。なお、波長変換装置４は、詳細を第１０の実施の形態において説明する基本光分割手段により複数に分割された基本光が平行に入射されるため、部分反射膜１２及び反射膜１３を備えずに、波長変換素子１１の側面１１ａ，１１ｂ上に反射防止膜１５，１６と略同等の図示しない反射防止膜がそれぞれ設けられているものとする。
【００９３】
波長変換素子１１は、側面１１ｂに対して垂直にｎ個の基本光が平行に入射され、入射された基本光のそれぞれ平行な光路Ｃ１〜Ｃｎに対して徐々に反転周期を線形変化させたような構造、いわゆるチャープ構造が設けられた波長変換部１８が素子全体に渡って形成されている。
【００９４】
具体的には、ｉを１〜ｎまでの整数で、波長変換部１８内での各光路において反転周期が長いほうから順に割り付けられた数であるとすると、ｉ番目の光路Ｃｉにおける反転周期Λｉは、以下の式９に示すように計算することができる。
【００９５】
Λｉ＝Λ０×（１＋（ｎ−ｉ）×δΛ） ・・・（式９）
但し、ｎは疑似位相整合を達成する周期を持つ光路の順番、すなわち波長変換素子１１から取り出す全変換光の数であり、δΛは反転周期の変化量である。ここで、反転周期Λｉの計算例を以下の表３に示す。
【００９６】
【表３】
【００９７】
なお、表３における反転周期Λｉは、この波長変換部１８の各光路Ｃ１〜Ｃｎ上での相互作用長を一定として、計算した結果である。
【００９８】
例えば、全部で１０個の変換光Ｂ１〜Ｂ１０を取り出す場合、すなわちｎ＝１０である場合、１つの変換光の光強度Ｉｉが、入射した基本光の光強度Ｉ０に対して略５％の光強度比になるよう変換するには、波長変換部１８の各光路Ｃ１〜Ｃ１０における反転周期を、表３に示される反転周期Λｉとする分域反転領域を形成すればよい。
【００９９】
なお、波長変換装置４では、上述したような波長変換部１８を有する波長変換素子１１を用いることにより、最終領域（ｎ＝１０）で完全に疑似位相整合が取れるとしている。
【０１００】
以上のように、第４の実施の形態における波長変換装置４は、複数の基本光の光路Ｃ１〜Ｃｎに対応する部分において分域反転の反転周期が異なる波長変換部１８を用いることで、装置全体で高変換効率の波長変換を行うことができる。
【０１０１】
また、波長変換装置４は、複数の基本光の入射方向が等間隔に平行であれば、変換光Ｂ１〜Ｂｎを等間隔に平行に並べて出力することができる。
【０１０２】
但し、波長変換装置４は、変換光Ｂ１〜Ｂｎの光強度が全く均一ではないが、波長変換部１８が簡単な構造であり、均一な反転周期の分域反転領域を形成する場合に比べて変換光Ｂ１〜Ｂｎの光強度差を減少させることができる。
【０１０３】
＜第５の実施の形態＞
以下では、第５の実施の形態として、図５に示す波長変換装置５について説明する。なお、上述した第１の実施の形態における波長変換装置１と同一の機能を有するものについては、同じ符号を付して説明を省略する。
【０１０４】
波長変換装置５は、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎに換えて、基本光の進行方向に対して直交する方向に延在され任意の反転周期の分域反転領域が形成された、例えば６個の波長変換部１９ａ１〜１９ａ６を、波長変換素子１１内に設けるようにしたものである。そこで、以下において、波長変換装置５については、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎと異なる波長変換部１９ａ１〜１９ａ６についてのみ説明する。
【０１０５】
波長変換部１９ａ１〜１９ａ６は、互いに平行な一対の部分反射膜１２及び反射膜１３により繰り返し反射される基本光の光路中で、基本光Ａ０〜Ａ４が部分反射膜１２に入射する向きに対してそれぞれ略直交する方向に延在されている。また、波長変換部１９ａ１〜１９ａ６は、基本光Ａ０〜Ａ４が部分反射膜１２に入射する向きに順に重ねられている。すなわち、波長変換部１９ａ１〜１９ａ６は、基本光Ａ０〜Ａ４の通過するそれぞれの光路中に複数ずつまたがるように設けられている。このような波長変換素子１１では、基本光Ａ０〜Ａ４がそれぞれ波長変換部１９ａ１〜１９ａ６のうち２つ以上により波長変換される。
【０１０６】
波長変換部１９ａ１〜１９ａ６は、波長変換素子１１内における基本光Ａ０〜Ａ４が部分反射膜１２に向かう方向に対して直行する方向に、それぞれ擬似位相整合により基本光から変換光を生成するための条件に適応する所定の周期の分域反転構造とされている。すなわち、波長変換部１９ａ１〜１９ａ６は、それぞれ基本光の進行方向に対して自発分極を所定の周期で反転させた構造とされている。
【０１０７】
これら波長変換部１９ａ１〜１９ａ６は、それぞれ所定の反転周期及び反転比率とされているが、基本光Ａ０〜Ａ４が部分反射膜１２に入射する向きに反転周期が少しずつ異なる。また、これら複数の波長変換部１９ａ１〜１９ａ６は、それぞれ基本光Ａ０〜Ａ４の光強度によって光損傷が起こらないような相互作用長とされている。そして、それぞれの波長変換部１９ａ１〜１９ａ６は、入射された基本光Ａ０〜Ａ４を所定の変換効率で波長変換して変換光Ｂ１〜Ｂ５を出力するようになっている。
【０１０８】
具体的に、波長変換部１９ａ１〜１９ａ６は、入射される基本光の周波数をωとすると、二次高調波発生により周波数が２ωの変換光を出力する。すなわち、波長変換部１９ａ１〜１９ａ６は、基本光の波長が半分である変換光を出力する。
【０１０９】
次に、波長変換装置５が、基本光から変換光へ波長変換を行う際の各部の作用について説明する。なお、以下では、ｉを１〜５までの整数として、開口部１１ｃから入射された基本光の進行方向に数えてｉ番目の波長変換部を波長変換部１９ａｉ、外部の光源から出射された基本光をＡ０、反射膜１２ｂでｉ回反射された基本光をＡｉ、ｉ番目に出力される変換光をＢｉとして、基本光及び変換光の光路に沿って説明する。
【０１１０】
まず、図示しない光源から出射された基本光Ａ０は、周波数ωのレーザ光であり、非線形変換素子１１における開口部１１ｃから入射角θ１で入射し、屈折角θ２だけ屈折する。
【０１１１】
次に、非線形変換素子１１内に入射した基本光Ａ０は、波長変換部１９ａ１〜１９ａ３に順次入射し、所定の変換効率で周波数２ωの変換光Ｂ１に波長変換される。波長変換部１９ａ１〜１９ａ３は、変換光Ｂ１を出力するとともに未変換の基本光Ａ１を出力する。そして、波長変換部１９ａ３から出力された変換光Ｂ１は、部分反射膜１２に入射し、この部分反射膜１２を透過して外部に出力される。
【０１１２】
一方、波長変換部１９ａ１〜１９ａ３から出力された未変換の基本光Ａ１は、部分反射膜１２により全反射されて、波長変換素子１１内を進み、そして、反射膜１３でさらに全反射されて波長変換部１９ａ２〜１９ａ４に順次入射し、所定の変換効率で周波数２ωの変換光Ｂ２に波長変換される。波長変換部１９ａ２〜１９ａ４、変換光Ｂ２を出力するとともに未変換の基本光Ａ２を出力する。そして、波長変換部１９ａ４から出力された変換光Ｂ２は、部分反射膜１２に入射し、この部分反射膜１２を透過して外部に出力される。
【０１１３】
このように、波長変換装置５は、波長変換素子１１内へ入射した基本光Ａ０を、基本光Ａ４となるまで、部分反射膜１２及び反射膜１３により繰り返し反射させるとともに部分反射膜１２及び反射膜１３の互いに対向する方向に対して水平方向に導きながら波長変換部１９ａ１〜１９ａ６により波長変換することで変換光Ｂ１〜Ｂ５を出力する。
【０１１４】
ここで、波長変換部１９ａ１〜１９ａ６は、変換効率が所望の値となるように、例えば、基本光Ａ０の部分反射膜１２に向かう光路において、波長変換部１９ａ１〜１９ａ３の反転周期がそれぞれ異なるように分域反転領域が設定されており、基本光Ａ１の部分反射膜１２に向かう光路において、波長変換部１９ａ２〜１９ａ４の反転周期がそれぞれ異なるように分域反転領域が設定されている。波長変換部１９ａ４の変換効率は、波長変換部１９ａ２〜１９ａ３のそれぞれの変換効率の和を所望の変換効率から差し引いた値となる。
【０１１５】
このような変換効率の計算を波長変換素子１１全体に渡って行い、基本光Ａ０〜Ａ４の光路における各波長変換部１９ａ１〜１９ａ６の反転周期と反転比率の最適化を行えば、変換光Ｂ１〜Ｂ５の光強度比を所望の値とすることができる。
【０１１６】
なお、このような波長変換部１９ａ１〜１９ａ６が設けられた波長変換素子１１を用いる場合には、基本光Ａ０〜Ａ４の光路中に反転周期及び相互作用長等の異なった任意の数の分域反転領域を設定できるため、比較的簡単な構造でありながら、基本光Ａ０〜Ａ４の光強度に応じて自由度の高い設計をすることができる。
【０１１７】
以上のように、第５の実施の形態における波長変換装置５は、部分反射膜１２及び反射膜１３により繰り返し基本光を反射することで基本光の光路を分割し、部分反射膜１２に向かう基本光Ａ０〜Ａ４の光路毎に反転周期の異なるｎ個の波長変換部１９ａ１〜１９ａ６を基本光Ａ０〜Ａ４の進行方向に対して垂直に延在させて配することで、装置全体で高変換効率の波長変換を行うことができる。
【０１１８】
また、波長変換装置５は、波長変換部１９ａ１〜１９ａ６が基本光Ａ０〜Ａ４の光強度に対して光損傷が起こらない程度の相互作用長とされていることで、基本光Ａ０〜Ａ４による波長変換部１９ａ１〜１９ａ６の光損傷を抑制することができる。これにより、波長変換装置５は、波長変換素子１１の寿命と信頼性を大幅に向上させることができる。
【０１１９】
さらに、波長変換装置５は、部分反射膜１２及び反射膜１３が互いに平行であるので、部分反射膜１２での変換光Ｂ１〜Ｂ５の入射位置が等間隔となり、且つ部分反射膜１２への変換光Ｂ１〜Ｂ５の入射角度が均一な角度となるため、変換光Ｂ１〜Ｂ５を等間隔に並べて所定の方向へ揃えて出力することができる。
【０１２０】
さらにまた、波長変換装置５は、波長変換部１９ａ１〜１９ａ６の反転周期を調整して均一な光強度の変換光Ｂ１〜Ｂ５を出力することができるため、これら変換光Ｂ１〜Ｂ５をまとめて１つの光束として光強度分布が均一な光源とすることができる。
【０１２１】
さらにまた、波長変換装置５は、均一な光強度の変換光Ｂ１〜Ｂ５を平行に等間隔に並べて出力することができるので、線状光源として用いることができる。なお、波長変換装置５が出力する変換光Ｂ１〜Ｂ５の具体的な利用方法については、第１０の実施の形態で詳細に述べる。
【０１２２】
なお、波長変換装置５では、一つの変換光を出力するのに３つの波長変換部により波長変換を行うようにしているが、４つ以上の波長変換部により波長変換を行うようにしてもよいことは言うまでもない。また、波長変換装置５は、５個の光束として変換光Ｂ１〜Ｂ５を出力するようにしたが、波長変換部を調整することで上述した波長変換装置１〜４と同様に任意の数の光束として変換光を出力することができることは言うまでもない。
【０１２３】
＜第６の実施の形態＞
以下では、第６の実施の形態として、図６に示す波長変換装置６について説明する。なお、上述した第１〜５の実施の形態における波長変換装置１〜５と同一の機能を有するものについては、同じ符号を付して説明を省略する。
【０１２４】
上述した第１の実施の形態における波長変換装置１において、基本光の光路を分離する導光路として、互いに平行な部分反射膜１２及び反射膜１３を用いたが、波長変換装置６は、他の反射手段を用いて基本光の光路分離を行うものである。具体的に、波長変換装置６は、一対のコーナーキューブ型反射鏡、いわゆるキャッツアイを用いて基本光を繰り返し反射しながら一対のキャッツアイが対向する方向と直行する方向に基本光を導く。
【０１２５】
波長変換装置６は、図６に示すように、基本光の波長を変換して変換光を生成する波長変換素子２１と、基本光及び変換光の反射を防止する反射防止膜１５，１６と、基本光を繰り返し反射するとともに変換光を透過する一対のキャッツアイ２２，２３とを備えている。
【０１２６】
波長変換素子２１は、直方体の形状を呈した光学部材である。波長変換素子２１には、非線形光学現象を利用して基本光の波長を変換し、変換光を生成するｎ個の波長変換部２４ａ１〜２４ａｎが内部に設けられている。波長変換素子２１は、直方体の長手方向に平行な１つの側面２１ａ上に反射防止膜１５が設けられ、この側面２１ａから所定の距離にキャッツアイ２２が設けられている。また、波長変換素子２１は、側面２１ａと平行な反対側の側面２１ｂ上に反射防止膜１６が設けられ、この側面２１ｂから所定の距離にキャッツアイ２３が設けられている。
【０１２７】
キャッツアイ２２，２３は、第２の波長の光を透過し、第１の波長の光を反射する波長選択性を有する光学部材である。すなわち、キャッツアイ２２，２３は、基本光を反射し、変換光を透過する光分部材であり、キャッツアイ２２，２３の間の変換光を装置外部に取り出すことができる。具体的に、キャッツアイ２２，２３は、コーナーキューブ型反射鏡であり、入射した基本光を、コーナーキューブ面で反射させて入射光路と平行に所定の方向にシフトした光路となるように反射する。
【０１２８】
波長変換素子２１は、波長変換を行う波長変換部２４ａ１〜２４ａｎ以外の部分が、波長変換に寄与しない光透過性の高い光学材料で埋められている。波長変換素子２１の波長変換部２４ａ１〜２４ａｎ以外の部分を埋める光学材料としては、第１の波長の光及び第２の波長の光に対して高い透過率を有するものが好ましい。すなわち、波長変換素子２１の波長変換部２４ａ１〜２４ａｎ以外の部分を埋める光学材料としては、基本光及び変換光に対して高い透過率を有するものが好ましい。なお、波長変換素子２１の形状は、直方体に限定されるものではないことは言うまでもない。
【０１２９】
なお、波長変換素子２１の側面２１ｂから所定の距離に配設されたキャッツアイ２３は、側面２１ｂに対して長手方向にシフトした位置に配設されており、側面２１ｂの長手方向の一端側が外部に露呈している。この側面２１ｂが外部に露呈した部分を開口部２１ｃとする。図示しない光源から出射された基本光は、この開口部２１ｃから波長変換素子２１の内部に垂直に入射する。
【０１３０】
キャッツアイ２２，２３は、波長変換素子２１を挟んで互いに平行であり、それぞれ基本光を反射するので、開口部２１ｃから波長変換素子２１の内部に垂直に入射した基本光を、同一平面内で繰り返し反射する。ここで、キャッツアイ２２，２３は、入射した基本光を入射光路とは異なるが、入射方向と平行な方向へ正確に反射することができるように周期的な反射面からなるコーナーキューブ面が組み合わされている。この一対のキャッツアイ２２，２３は、波長変換素子２１の長手方向に、それぞれ対向するコーナーキューブ面の周期的な反射面を半周期分だけずらすことで、一対のキャッツアイ２２，２３の間で繰り返し反射しながら、この基本光を波長変換素子２１の長手方向、すなわちキャッツアイ２２，２３が対向する方向に対して直交する方向に導く。つまり、キャッツアイ２２，２３は、基本光を導く光路を形成している。
【０１３１】
具体的に、キャッツアイ２２，２３は、開口部２１ｃから波長変換素子２１の内部に入射した基本光を繰り返し反射することで、この基本光を互いに同一の直線上にはない複数の光路に導光する。つまり、キャッツアイ２２，２３は、先の光路から入射された基本光を同一の直線上にはない次の光路に順次導光する。ここで、先の光路及び次の光路とは、キャッツアイ２２又はキャッツアイ２３に入射した基本光が反射されて光路が変化する場合において、反射前後の基本光の光路をそれぞれ示している。
【０１３２】
波長変換部２４ａ１〜２４ａｎは、それぞれ直方体の形状を呈しており、長手方向の一端がキャッツアイ２３側に向けられ、他端がキャッツアイ２２側に向けられている。波長変換部２４ａ１〜２４ａｎは、キャッツアイ２２，２３が対向する方向に沿って、互いに平行で等間隔となるように形成されている。なお、波長変換部２４ａ１〜２４ａｎの形状は、直方体に限定されるものではなく、長手方向に延在された形状であればよい。
【０１３３】
波長変換部２４ａ１〜２４ａｎは、詳細を後述するが、基本光が長手方向の一端から長手方向に沿って入射されることで波長変換を行い、他端から変換光を出力する。なお、波長変換部２４ａ１〜２４ａｎは、長手方向の一端から基本光が長手方向に沿って入射されることで、他端から未変換の基本光も出力する。
【０１３４】
具体的に、波長変換部２４ａ１〜２４ａｎは、長手方向の一端から入射される基本光の周波数をωとすると、二次高調波発生により周波数が２ωの変換光を他端から出力する。すなわち、波長変換部２４ａ１〜２４ａｎは、基本光の波長が半分である変換光を出力する。
【０１３５】
また、波長変換部２４ａ１〜２４ａｎは、それぞれ長手方向の長さが均一とされており、それぞれ入射された基本光及び出力する変換光の光強度により光損傷が起こらないような相互作用長とされている。
【０１３６】
波長変換部２４ａ１〜２４ａｎは、それぞれ擬似位相整合により基本光から変換光を生成するための条件に適応するように、長手方向に反転周期や反転比率がそれぞれ異なるような分域反転構造とされている。すなわち、波長変換部２４ａ１〜２４ａｎは、それぞれ長手方向に対して自発分極を異なる周期で反転させた分域反転領域が形成されている。
【０１３７】
なお、波長変換部２４ａ１〜２４ａｎは、例えば、長手方向に反転周期が異なるように、相互作用長が均一となる反転パターンを、リソグラフィ技術等を用いて製作し、電界を印加することで分域反転構造が作成されている。
【０１３８】
波長変換部２４ａ１〜２４ａｎは、基本光及び変換光に対して光透過性を有する材料により形成されており、上述した波長変換部１４ａ１〜１４ａｎと同様の非線形光学結晶が用いられる。
【０１３９】
なお、上述した波長変換素子２１は、素子全体を単一の光学結晶で構成し、波長変換部２４ａ１〜２４ａｎのみに分域反転構造を形成する等して光学特性を変化させて、この波長変換部２４ａ１〜２４ａｎが波長変換を行うようにしてもよい。
【０１４０】
次に、波長変換装置６が、基本光から変換光へ波長変換を行う際の各部の作用について説明する。なお、以下では、ｉを１〜ｎまでの整数として、開口部２１ｃから入射された基本光の光路順に数えてｉ番目の波長変換部を波長変換部２４ａｉ、外部の光源から出射された基本光をＡ０、波長変換部２４ａｉから出力された基本光をＡｉ、波長変換部２４ａｉから出力された変換光をＢｉとして、基本光及び変換光の光路に沿って説明する。
【０１４１】
まず、図示しない光源から出射された基本光Ａ０は、周波数ωのレーザ光であり、反射防止膜１６を透過して波長変換素子２１の入射面に対して垂直に入射する。
【０１４２】
次に、波長変換素子２１内に入射した基本光Ａ０は、波長変換部２４ａ１に入射し、所定の変換効率で周波数２ωの変換光Ｂ１に波長変換される。波長変換部２４ａ１からは、変換光Ｂ１とともに未変換の基本光Ａ１が出力される。そして、波長変換部２４ａ１から出力された変換光Ｂ１は、反射防止膜１５を透過してキャッツアイ２２に入射し、このキャッツアイ２２を透過して外部に出力される。
【０１４３】
一方、波長変換部２４ａ１から出力された基本光Ａ１は、反射防止膜１５を透過してキャッツアイ２２のコーナーキューブ面に所定の入射角で入射し、コーナーキューブ面により全反射され、入射方向から平行にシフトした方向に反射され、反射防止膜１５を透過して再び波長変換素子２１内に入射する。
【０１４４】
次に、波長変換素子２１内に入射した基本光Ａ１は、波長変換部２４ａ２に入射し、所定の変換効率で周波数２ωの変換光Ｂ２に波長変換される。波長変換部２４ａ２からは、変換光Ｂ２とともに未変換の基本光Ａ２が出力される。そして、波長変換部２４ａ２から出力された変換光Ｂ２は、反射防止膜１６を透過してキャッツアイ２３に入射し、このキャッツアイ２３を透過して外部に出力される。
【０１４５】
一方、波長変換部２４ａ２から出力された基本光Ａ２は、反射防止膜１６を透過してキャッツアイ２３のコーナーキューブ面に所定の入射角で入射し、コーナーキューブ面により全反射され、入射方向から平行にシフトした方向に反射され、反射防止膜１６を透過して再び波長変換素子２１内に入射する。
【０１４６】
このように、波長変換装置６は、波長変換素子２１内へ入射した基本光Ａ０を、基本光Ａｎとなるまで、キャッツアイ２２，２３により繰り返し反射させながらｎ個の波長変換部２４ａ１〜２４ａｎにより波長変換することで変換光Ｂ１〜Ｂｎを出力する。
【０１４７】
以上のように、第６の実施の形態における波長変換装置６は、キャッツアイ２２，２３により繰り返し基本光を反射することで基本光の光路を分割し、キャッツアイ２２，２３に向かう基本光Ａ０〜Ａ（ｎ−１）の光路毎に相互作用長の異なるｎ個の波長変換部２４ａ１〜２４ａｎを分散させて配することで、装置全体で高変換効率の波長変換を行うことができる。
【０１４８】
また、波長変換装置６は、波長変換部２４ａ１〜２４ａｎが基本光Ａ０〜Ａ（ｎ−１）の光強度に対して光損傷が起こらない程度の相互作用長とされていることで、基本光Ａ０〜Ａ（ｎ−１）による波長変換部２４ａ１〜２４ａｎの光損傷を抑制することができる。これにより、波長変換装置６は、波長変換素子２１の寿命と信頼性を大幅に向上させることができる。
【０１４９】
さらに、波長変換装置６は、キャッツアイ２２，２３が互いに平行であり、また波長変換素子１１の波長変換部１４ａ１〜１４ａｎが互いに平行に等間隔に設けられているので、部分反射膜１２での変換光Ｂ１〜Ｂｎの入射位置が等間隔となり、且つキャッツアイ２２，２３への変換光Ｂ１〜Ｂｎの入射角度が均一な角度となるため、変換光Ｂ１〜Ｂｎを等間隔に並べて所定の方向へ揃えて出力することができる。
【０１５０】
さらにまた、波長変換装置６は、波長変換部２４ａ１〜２４ａｎの反転周期を調整して均一な光強度の変換光Ｂ１〜Ｂｎを出力することができるため、これら変換光Ｂ１〜Ｂｎをまとめて１つの光束として光強度分布が均一な光源とすることができる。
【０１５１】
さらにまた、波長変換装置６は、均一な光強度の変換光Ｂ１〜Ｂｎを平行に等間隔に並べて出力することができるので、線状光源として用いることができる。なお、波長変換装置が出力する変換光Ｂ１〜Ｂｎの具体的な利用方法については、第１０の実施の形態で詳細に述べる。
【０１５２】
＜第７の実施の形態＞
以下では、第７の実施の形態として、図７に示す波長変換装置７について説明する。なお、上述した第１〜６の実施の形態における波長変換装置１〜６と同一の機能を有するものについては、同じ符号を付して説明を省略する。
【０１５３】
ここで、波長変換装置６は、波長変換部２４ａ１〜２４ａｎにおける位相整合方式として、分域反転を用いた擬似位相整合により波長変換を行っていたが、位相整合方式として擬似位相整合に限定されないことは言うまでもない。
【０１５４】
波長変換装置７は、波長変換装置６における疑似位相整合により波長変換を行う波長変換素子２１に換えて、擬似位相整合以外の位相整合方式で波長変換を行う波長変換素子２５を備えるようにしたものである。
【０１５５】
ただし、波長変換素子２１を平行平板型の非線形光学結晶に置き換えただけでは、基本光Ａ０〜Ａ（ｎ−１）の各光路において同一の変換効率を持つため、出力される変換光Ｂ１〜Ｂｎの均一な光強度比を実現することはできない。変換光Ｂ１〜Ｂｎの均一な光強度比を実現するには、角度位相整合や温度位相整合等の方式を用いる場合、基本光Ａ０〜Ａ（ｎ−１）の各光路において波長変換部の相互作用長を変化させて並べることで実現可能である。
【０１５６】
そこで、波長変換装置７では、図７に示すように、それぞれ相互作用長の異なる波長変換部２８ａ１〜２８ａｎを相互作用長順に並べた波長変換素子２５を用いる。
【０１５７】
波長変換素子２５は、それぞれ幅が均一で長さが異なる直方体の形状とされたｎ個の波長変換部２８ａ１〜２８ａｎを複数有し、これら波長変換部２８ａ１〜２８ａｎが長さ順に接合されて２つの階段状平面２５ａ，２５ｂを形成している。また、波長変換素子２５は、この階段状平面２５ａ，２５ｂ上にそれぞれ反射防止膜２６、２７が設けられている。なお、反射防止膜２６，２７は、反射防止膜１５，１６と略同等の構成とされ、基本光及び変換光の反射を防止するようになっている。
【０１５８】
波長変換部２８ａ１〜２８ａｎは、波長変換を行う結晶材料であり、それぞれ位相整合により基本光から変換光を生成するための条件に適応するように調整されている。なお、波長変換部２８ａ１〜２８ａｎは、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎと同じ非線形光学結晶を用いることができる。
【０１５９】
また、波長変換部２８ａ１〜２８ａｎは、互いに平行な一対のキャッツアイ２２，２３により繰り返し反射される基本光の光路中で、基本光がキャッツアイ２２，２３の間を１往復する毎の往路及び復路に１つずつ設けられている。これら複数の波長変換部２８ａ１〜２８ａｎは、それぞれ入射する基本光の光強度によって光損傷が起こらないような相互作用長となるように結晶長が調整されている。そして、それぞれの波長変換部２８ａ１〜２８ａｎは、入射された基本光を相互作用長に応じた所定の変換効率で波長変換して、変換光Ｂ１〜Ｂｎを出力する。
【０１６０】
具体的に、波長変換部２８ａ１〜２８ａｎは、長手方向の一端から入射される基本光の周波数をωとすると、二次高調波発生により周波数が２ωの変換光を他端から出力する。すなわち、波長変換部２８ａ１〜２８ａｎは、基本光の波長が半分である変換光を出力する。
【０１６１】
ここで、上述した波長変換部２８ａ１〜２８ａｎは、たとえ任意の結晶長であっても、結晶方位を変化させたり、温度を調節したり、電場又は磁場を印加し電気光学学効果又は磁気光学効果を発生させたり、外部応力を印加して光弾性効果を発生させる等により、位相整合条件を制御し、変換効率を適宜調整することで、必要とされる変換光の光強度比を実現することが可能である。また、波長変換部２８ａ１〜２８ａｎは、それぞれ異なる非線形光学結晶を用いることで、変換効率を調整することもできる。
【０１６２】
以上のように、第７の実施の形態における波長変換装置７は、キャッツアイ２２，２３により繰り返し基本光を反射することで基本光の光路を分割し、キャッツアイ２２，２３に向かう基本光Ａ０〜Ａ（ｎ−１）の光路毎に相互作用長の異なるｎ個の波長変換部２８ａ１〜２８ａｎを分散させて配することで、装置全体で高変換効率の波長変換を行うことができる。
【０１６３】
また、波長変換装置７は、波長変換部２８ａ１〜２８ａｎが基本光Ａ０〜Ａ（ｎ−１）の光強度に対して光損傷が起こらない程度の相互作用長とされていることで、基本光Ａ０〜Ａ（ｎ−１）による波長変換部２４ａ１〜２４ａｎの光損傷を抑制することができる。これにより、波長変換装置７は、波長変換素子２５の寿命と信頼性を大幅に向上させることができる。
【０１６４】
さらに、波長変換装置７は、キャッツアイ２２，２３が互いに平行であり、また波長変換素子２５の波長変換部２８ａ１〜２８ａｎが互いに平行に等間隔に設けられているので、キャッツアイ２２，２３への変換光Ｂ１〜Ｂｎの入射位置が等間隔となり、且つキャッツアイ２２，２３への変換光Ｂ１〜Ｂｎの入射角度が均一な角度となるため、変換光Ｂ１〜Ｂｎを等間隔に並べて所定の方向へ揃えて出力することができる。
【０１６５】
さらにまた、波長変換装置７は、波長変換部２８ａ１〜２８ａｎの上述した各種条件を調整して均一な光強度の変換光Ｂ１〜Ｂｎを出力することができるため、これら変換光Ｂ１〜Ｂｎをまとめて１つの光束として光強度分布が均一な光源とすることができる。
【０１６６】
さらにまた、波長変換装置７は、均一な光強度の変換光Ｂ１〜Ｂｎを平行に等間隔に並べて出力することができるので、線状光源として用いることができる。なお、波長変換装置が出力する変換光Ｂ１〜Ｂｎの具体的な利用方法については、第１０の実施の形態で詳細に述べる。
【０１６７】
＜第８の実施の形態＞
以下では、第８の実施の形態として、図８に示す波長変換装置８について説明する。なお、上述した第１〜７の実施の形態における波長変換装置１〜７と同一の機能を有するものについては、同じ符号を付して説明を省略する。
【０１６８】
波長変換装置８は、波長変換装置６における疑似位相整合により波長変換を行う波長変換素子２１に換えて、楔形状の波長変換素子２９を用い、この波長変換素子２９に対してキャッツアイ２２，２３をそれぞれ所定の角度だけ傾けて配設するようにしたものである。
【０１６９】
波長変換素子２９は、互いに対向して所定の角度θ３をなす２つの主面２９ａ，２９ｂを有し、この２つの主面上にそれぞれ反射防止膜１５，１６が設けられている。波長変換素子２９は、主面２９ａ又は２９ｂから基本光が入射されるようになっており、２つの主面２９ａ，２９ｂがなす角度（以下では、頂角と記述する。）をθ３として、この頂角θ３を調整することで変換効率を調整することができる。
【０１７０】
また、波長変換素子２９は、一対のキャッツアイ２２，２３によって繰り返し反射される基本光の波長を変換して変換光とする。波長変換素子２９は、角度位相整合により基本光から変換光を生成するための条件に適応する構造とされている。すなわち、波長変換素子２９は、基本光の進行方向に対して結晶方位や結晶長が調整された構造とされている。
【０１７１】
また、波長変換素子２９は、互いに対向する一対のキャッツアイ２２，２３により繰り返し反射される基本光の光路中において、それぞれ入射する基本光の光強度によって光損傷が起こらないような相互作用長とされている。そして、波長変換素子２９は、入射された基本光を所定の変換効率で波長変換して、変換光を出力するようになっている。
【０１７２】
具体的に、波長変換部２９は、主面２９ａ又は２９ｂから入射される基本光の周波数をωとすると、二次高調波発生により周波数が２ωの変換光を他方の主面２９ｂ又は２９ａから出力する。すなわち、波長変換部２９は、基本光の波長が半分である変換光を出力する。
【０１７３】
ここで、キャッツアイ２２，２３は、波長変換素子２９に入射する基本光と波長変換素子２９から出射される基本光及び変換光の光路がそれぞれ平行となるように波長変換素子２９にそれぞれ対向する楔形の主面に対して、角度が調整されている。
【０１７４】
このように、第８の実施の形態における波長変換装置８は、波長変換装置６及び７と同様に、波長変換素子２９内へ入射した基本光Ａ０を、基本光Ａｎとなるまで、キャッツアイ２２，２３により繰り返し反射させながら波長変換することで変換光Ｂ１〜Ｂｎを出力し、装置全体での波長変換効率を上げることができる。
【０１７５】
また、波長変換装置８は、波長変換素子２９の楔形の２つの主面２９ａ，２９ｂがなす頂角θ３と、キャッツアイ２２，２３が波長変換素子２９の２つの主面２９ａ，２９ｂに対する角度とをそれぞれ調整することにより、出力される複数の変換光Ｂ１〜Ｂｎが、キャッツアイ２２側と、キャッツアイ２３側とでそれぞれ所定の間隔で並び且つ所定の方向へ揃えて出力することができる。
【０１７６】
さらに、波長変換装置８は、反射面をもつコーナーキューブ等のプリズムの組み合わせにより、各変換光Ｂ１〜Ｂｎについて必要とされる光強度比を、例えば楔形状の波長変換素子２９の頂角θ３を調整することで、実効的な相互作用長を調整し、変換光Ｂ１〜Ｂｎを比較的容易に取り出すことができる。
【０１７７】
＜第９の実施の形態＞
以下では、第９の実施の形態として、図９に示す波長変換装置９について説明する。なお、上述した第１〜８の実施の形態における波長変換装置１〜８と同一の機能を有するものについては、同じ符号を付して説明を省略する。
【０１７８】
上述の第１〜８の実施の形態では、例えば部分反射膜，反射膜，キャッツアイ等の反射手段の間に波長変換素子を配設する構成を説明してきたが、本発明を適用した波長変換装置９は、波長変換素子が一対の反射手段の外側に配設されるようにしたものである。
【０１７９】
波長変換装置９は、図９に示すように、１つの光束からの複数の光束に基本光を分割する基本光分割手段６１と、基本光分割手段６１により分割された基本光の波長を変換して変換光を生成する波長変換手段６２とを備えている。
【０１８０】
基本光分割手段６１は、基本光を透過する光透過ブロック６３と、基本光を所定の透過率で透過するとともに残りを反射するハーフミラー６４と、基本光を反射する反射膜６５とを有する。
【０１８１】
光透過ブロック６３は、直方体の形状を呈した光学部材であり、基本光に対して光透過性を有している。光透過ブロック６３は、直方体の長手方向に平行な１つの側面６３ａ上に、ハーフミラー６４が設けられ、側面６３ａと平行な反対側の側面６３ｂ上に反射膜６５が設けられている。
【０１８２】
ハーフミラー６４は、第１の波長の光を所定量だけ透過するとともに残りの光を反射する、すなわち基本光を所定量だけ透過するとともに残りの基本光を反射する光学膜である。反射膜６５は、第１の波長の光を反射する、すなわち基本光を反射する光学膜である。
【０１８３】
なお、光透過ブロック６３の側面６３ｂ上には、全面に渡って反射膜６５が設けられているわけではない。光透過ブロック６３は、側面６３ｂの長手方向の一端側に反射膜６５が設けられていない部分があり、側面６３ｂが外部に露呈している。この側面６３ｂが外部に露呈した部分を開口部６３ｃとして、図示しない光源から出射された基本光が、この開口部６３ｃから波長変換素子６３の内部に入射する。ここで、波長変換素子６３の開口部６３ｃに入射する基本光の入射角をθ１とし、屈折角をθ２とする。基本光は、波長変換素子６３の長手方向に、側面６３ｂに対してθ１だけ傾いて開口部６３ｃに入射する。
【０１８４】
ハーフミラー６４及び反射膜６５は、光透過ブロック６３を挟んで互いに平行であり、それぞれ基本光を反射するので、開口部６３ｃから波長変換素子６６の内部に入射角θ１で入射され屈折角θ２で屈折した基本光を、同一平面内で繰り返し反射する。ここで、ハーフミラー６４及び反射膜６５は、ハーフミラー６４に入射する基本光が入射面に対して垂直に入射しない限り、スネルの法則にしたがって入射方向と異なる方向へ基本光を反射する。すなわち、ハーフミラー６４及び反射膜６５は、それぞれθ２の角度で基本光を繰り返し反射しながら、この基本光をハーフミラー６４及び反射膜６５が対向する方向に対して直交する方向に導く。つまり、ハーフミラー６４及び反射膜６５は、基本光を導く光路を形成している。
【０１８５】
具体的に、ハーフミラー６４及び反射膜６５は、開口部６３ｃから光透過ブロック６３の内部に入射した基本光を繰り返し反射することで、この基本光を互いに同一の直線上にはない複数の光路に導光する。つまり、ハーフミラー６４及び反射膜６５は、先の光路から入射された基本光を同一の直線上にはない次の光路に順次導光する。ここで、先の光路及び次の光路とは、ハーフミラー６４又は反射膜６５に入射した基本光が反射されて光路が変化する場合において、反射前後の基本光の光路をそれぞれ示している。
【０１８６】
上述したような構成とされた基本光分割手段６１は、ハーフミラー６４が所定の透過率で基本光を透過するので、ハーフミラー６４及び反射膜６５の間を繰り返し反射する基本光を、複数の光束として波長変換手段６２に向けて出力することができる。なお、ハーフミラー６４及び反射膜６５の間を繰り返し反射する基本光は、ハーフミラー６４に入射するたびに所定の透過率で外部に出力されるため、光強度が低減する。これにより、基本光分割手段６１から複数の光束として出力される基本光の光強度も順次低減することとなる。
【０１８７】
波長変換手段６２は、基本光を基本光とは異なる波長の変換光に変換する波長変換素子６６と、反射防止膜６７，６８とを有している。
【０１８８】
波長変換素子６６は、直方体の形状を呈した光学部材である。波長変換素子６６には、非線形光学現象を利用して基本光の波長を変換し、変換光を生成するｎ個の波長変換部６９ａ１〜６９ａｎが内部に設けられている。波長変換素子６６は、直方体の長手方向に平行な１つの側面６６ａ上に、反射防止膜６７が設けられ、側面６６ａと平行な反対側の側面６６ｂ上に反射防止膜６８が設けられている。
【０１８９】
反射防止膜６７，６８は、波長変換素子６６へ入射する基本光が波長変換素子６６の界面で反射してしまうことを防ぎ、基本光を透過する。なお、後述するが変換光を出射する側の反射防止膜６８は、基本光を吸収又は反射するようにすることで、変換光のみを取り出すことを容易にすることができる。
【０１９０】
波長変換素子６６は、波長変換を行う波長変換部６９ａ１〜６９ａｎ以外の部分が、波長変換に寄与しない光透過性の高い光学材料で埋められている。波長変換素子６６の波長変換部６９ａ１〜６９ａｎ以外の部分を埋める光学材料としては、第１の波長の光及び第２の波長の光に対して高い透過率を有するものが好ましい。すなわち、波長変換素子６６の波長変換部６９ａ１〜６９ａｎ以外の部分を埋める光学材料としては、基本光及び変換光に対して高い透過率を有するものが好ましい。なお、波長変換素子６６の形状は、直方体に限定されるものではなく、側面６６ａ，６６ｂ上にそれぞれ反射防止膜６７，６８を互いに平行に設けることができる形状であればよい。
【０１９１】
波長変換部６９ａ１〜６９ａｎは、それぞれ直方体の形状を呈しており、長手方向の一端が反射防止膜６７側に向けられ、他端が反射防止膜６８側に向けられている。なお、波長変換部６９ａ１〜６９ａｎの形状は、直方体に限定されるものではなく、長手方向に延在された形状であればよい。
【０１９２】
波長変換部６９ａ１〜６９ａｎは、詳細を後述するが、基本光が長手方向の一端から長手方向に沿って入射されることで波長変換を行い、他端から変換光を出力する。
【０１９３】
具体的に、波長変換部６９ａ１〜６９ａｎは、長手方向の一端から入射される基本光の周波数をωとすると、二次高調波発生により周波数が２ωの変換光を他端から出力する。すなわち、波長変換部６９ａ１〜６９ａｎは、基本光の波長が半分である変換光を出力する。
【０１９４】
波長変換部６９ａ１〜６９ａｎは、反射防止膜６７，６８に対して、長手方向が垂直とされており、互いに平行で等間隔となるように配設されている。波長変換部６９ａ１〜６９ａｎは、それぞれ長手方向の長さが均一とされ、部反射防止膜６７，６８が対向する方向に対して直交する方向に配設されている。なお、波長変換部６９ａ１〜６９ａｎは、それぞれ入射された基本光及び出力する変換光の光強度により光損傷が起こらないような相互作用長とされている。
【０１９５】
具体的に、波長変換部６９ａ１〜６９ａｎは、それぞれ擬似位相整合により基本光から変換光を生成するための条件に適応するように、長手方向に反転周期や反転比率が調整された分域反転構造とされている。すなわち、波長変換部６９ａ１〜６９ａｎは、それぞれ長手方向に対して自発分極を所定の周期で反転させた分域反転領域が形成されている。
【０１９６】
なお、波長変換部６９ａ１〜６９ａｎは、例えば、長手方向に反転周期が調整された分域反転パターンを、リソグラフィ技術等を用いて製作し、電界を印加することで分域反転構造が作成されている。
【０１９７】
波長変換部６９ａ１〜６９ａｎは、基本光及び変換光に対して光透過性を有する材料により形成されており、上述した波長変換部２４ａ１〜２４ａｎと同じ非線形光学結晶を用いることができる。
【０１９８】
ここで、上述したように構成された波長変換手段６２は、波長変換素子６６の側面６６ａに対して基本光分割手段６１により複数の光束とされた基本光が垂直に入射されるように基本光分割手段６１に対して位置決めされている。すなわち、波長変換部６９ａ１〜６９ａｎは、側面６６ａ側の端部から長手方向に向かってそれぞれ基本光が入射される。
【０１９９】
次に、波長変換装置９が、基本光から変換光へ波長変換を行う際の各部の作用について説明する。なお、以下では、ｉを１〜ｎまでの整数として、開口部６３ｃから入射された基本光をＡ０、ハーフミラー６４から出力された基本光のうちハーフミラー６４へｉ回入射して出力された基本光をＡｉ、波長変換部１４ａｉから出力された変換光をＢｉとして、基本光及び変換光の光路に沿って説明する。
【０２００】
まず、図示しない光源から出射された基本光Ａ０は、周波数ωのレーザ光であり、開口部６５ａの入射面に対して入射角θ１で入射し、入射面で屈折角θ２だけ屈折する。
【０２０１】
次に、入射部６５ａから入射した基本光Ａ０は、ハーフミラー６４を所定量だけ透過して基本光Ａ１となり、残りが反射されて反射膜６５に入射する。ハーフミラー６４を透過した基本光Ａ１は、反射防止膜６７を介して波長変換素子６６に対して垂直に入射し、波長変換部６９ａ１により波長変換されて変換光Ｂ１となる。波長変換部６９ａ１により波長変換された変換光Ｂ１は、反射防止膜６８入射し、この反射防止膜６８を透過して外部に出力される。
【０２０２】
一方、反射膜６５で反射された残りの基本光は、反射膜６５で全反射されて再びハーフミラー６４に入射し、ハーフミラー６４を所定量だけ透過して基本光Ａ２となり、残りが反射されて反射膜６５に入射する。ハーフミラー６４を透過した基本光Ａ２は、反射防止膜６７を介して波長変換素子６６に対して垂直に入射し、波長変換部６９ａ２により波長変換されて変換光Ｂ２となる。波長変換部６９ａ２により波長変換された変換光Ｂ２は、反射防止膜６８に入射し、この反射防止膜６８を透過して外部に出力される。
【０２０３】
このように、第９の実施の形態における波長変換装置９は、基本光分割手段６１内へ入射した基本光Ａ０を、基本光Ａｎとなるまで、ハーフミラー６４及び反射膜６５により繰り返し反射させながらｎ個の光束の基本光に分離する。そして、波長変換装置９は、基本光分割手段６１により分割された基本光Ａ１〜Ａｎを波長変換素子６６の各波長変換部６９ａ１〜６９ａｎにより波長変換することで変換光Ｂ１〜Ｂｎを出力し、装置全体での波長変換効率を上げることができる。
【０２０４】
また、波長変換装置９は、基本光分割手段６１のハーフミラー６４及び反射膜６５が互いに平行であるので、複数の基本光Ａ１〜Ａｎを所定の間隔で並び且つ所定の方向へ揃えて出力して波長変換手段６２に入射することができる。これにより波長変換手段６２は、変換光Ｂ１〜Ｂｎを所定の間隔で並び且つ所定の方向へ揃えて出力することができる。
【０２０５】
さらに、波長変換装置９は、基本光分割手段６１の光透過ブロック６３と波長変換手段６２の波長変換素子６６とに、それぞれ異なる光学材料を用いることができ、基本光及び変換光の光強度や集光条件と光損傷に関する閾値との兼ね合いで、それぞれ最適な光学材料を選ぶことができる。
【０２０６】
具体的に、基本光分割手段６１の光透過ブロック６３としては、例えば、変換光に対しては光損傷に関する閾値が低いが、基本光に対しては光損傷に関する閾値が高い、すなわち基本光に強い光学材料を用いることができる。一方、波長変換手段６２の波長変換素子６６としては、光透過ブロック６３と比べて低い光強度の基本光しか入射しないため、変換光に対する光耐力を優先した光学材料を選ぶことや、変換効率を増大するために、光損傷に関する閾値以下で強く集光することもできる。
【０２０７】
さらに、波長変換装置９は、直線状に変換光Ｂ１〜Ｂｎを等間隔に並べて出力することができるので、線状光源として用いることができる。なお、波長変換装置が出力する変換光Ｂ１〜Ｂｎの具体的な利用方法については、第１０の実施の形態で詳細に述べる。
【０２０８】
なお、波長変換装置９は、上述した波長変換手段６２の波長変換素子６６に換えて、図１０及び図１１に示す波長変換素子７１又は波長変換素子８１を用いてもよい。波長変換素子７１は、直方体の形状を呈しており、素子全体に渡って角度位相整合を行うように結晶方位と相互作用長が調整された波長変換素子である。波長変換素子８１は、直方体の形状を呈しており、素子全体に渡って分域反転領域８２を設け、反転周期や反転比率が調整された波長変換素子である。
【０２０９】
波長変換素子７１，８１は、上述した波長変換素子６６と同様に直方体の形状を呈している。また、波長変換素子７１，８１は、上述した波長変換部６９ａ１〜６９ａｎと同様に、非線形光学結晶を用いることができる。
【０２１０】
波長変換素子７１，８１は、上述した基本光分割手段６１のような方法で得られる複数の基本光が、側面７１ａ，７１ｂ、側面８１ａ，８１ｂの間でさらに反射を繰り返して、各光路中で波長変換されるように構成してもよい。この場合、波長変換素子７１，８１には、反射防止膜６７，６８に換えて基本光に対する全反射膜を取り付けることになる。この場合は、上述した波長変換装置１と同様に、波長変換素子７１，８１に対して所定の入射角で基本光を入射させることによって、各基本光を複数回、波長変換することができる。
【０２１１】
入射する基本光の間隔は、波長変換素子７１，８１内の反射により形成される変換光の光路の間を互いに進むよう適切に設定する。波長変換素子７１，８１は、このような構成とすることによって、限られた波長変換を行う構造部の開口部に空間的に分離された多くの波長変換光路を設けることができる。反射防止膜６７，６８に換えた全反射膜は、基本光を所望の数だけ波長変換素子７１，８１に入射させるよう部分的に取り付けることが好ましい。この全反射膜は、変換光に対して選択的に透過するよう反射防止作用をもたせるとしてもよい。
【０２１２】
また、上述した波長変換装置９は、波長変換素子７１，８１以外にも、各光路に所望の変換効率を実現するような分域反転等の波長変換を行う構造を設ければ、応用上必要とされる任意の光強度比の変換光を得ることができることは言うまでもない。
【０２１３】
さらに、上述した波長変換装置９は、波長変換素子７１，８１に対して複数の基本光を出力する方法として、上述した基本光分割手段６１を用いずに、半導体レーザアレイから出力される基本光をそのまま用いる方法、空間的に離れて配置された複数光源をミラー及びマイクロミラーを使用して平行に配置する方法、空間的に離れて配置された複数光源を光ファイバ等の光導波路を用いて各光を導光させてその光ファイバからの出射光を適切に配置する方法、空間的に離れて配置された複数光源をフォトニック結晶等による光導波路構造を用いて平行な光路に導く方法、複数光源でレーザ媒質の異なる位置或いは別々のレーザ媒質を励起して発生したレーザ光を利用する方法、複数光源から出射した基本光をレーザ利得を持った光ファイバ等に入射させてその光ファイバを別の光源で励起し増幅されたレーザ光を利用する方法や、これらの組み合わせによる方法を用いることができる。
【０２１４】
ここで、上述したレーザ媒質としては、例えば共振ミラーを構成するような光学薄膜を取り付けたＮｄ：ＹＡＧ（ｙｔｔｒｉｕｍ−ａｌｕｍｉｎｕｍ−ｇａｒｎｅｔ）結晶等を用いることができる。
【０２１５】
光ファイバからの出射光を平行に配置するためには、ガラス等の基板上に等間隔及び平行にＶ型の溝を設け、そこに光ファイバを配置する方法を用いることができる。
【０２１６】
上述した複数光源としては、固体レーザ、半導体レーザ等様々な光源を用いることができ、また、これらをミラー、コーナーキューブ、プリズム、コーティング、光導波路、光ファイバ、ビームスプリッタ（ＢＳ：Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ：Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）、複屈折板、ＭＥＭＳ（ｍｉｃｒｏ ｅｌｅｃｔｒｏ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ）、フォトニック結晶等を用いて２つ以上に分割して用いることもできる。なお、固体レーザとしては、例えばマイクロチップレーザ等も用いることができる。なお、複数光源から出力された基本光は、効率的な波長変換のためにマイクロレンズ等を用いて適切にビーム整形及び集光されて波長変換素子に入射させることが好ましい。
【０２１７】
上述したフォトニック結晶としては、図１２に示すように、フォトニック結晶８３を用いることができる。このフォトニック結晶８３は、結晶構造中における光エネルギーのバンドギャップを利用して、入射したレーザ光を所望の方向に偏向させることが可能となっている。フォトニック結晶８３では、外部から入射した複数の基本光Ａ１〜Ａ５が、内部で偏向されて、一定方向に揃えて出射することができる。また、このようなフォトニック結晶を用いることにより、基本光や変換光の閉じこめを図ることもできる。
【０２１８】
さらにまた、上述した波長変換装置９は、基本光分割手段６１に変えて、基本光を時間的に分割する手段を用いてもよい。この場合に、波長変換装置９は、基本光分割手段６１に換えて、上述したように基本光を分割する手段としてマイクロミラーや回折型空間光位相変調素子といったＭＥＭＳデバイス等を用いることができる。
【０２１９】
このような分割手段は、例えば、図１３及び図１４に示すように、外部から入射された基本光を時間により異なる方向へ反射するマイクロミラー８５と、マイクロミラー８５により反射された基本光を更に反射するミラー８６及びミラー８７とを有する。
【０２２０】
上述したように構成された分割手段は、マイクロミラー８５を所定時間毎に向きを所定量変化させてマイクロミラー８５に入射する基本光をミラー８６又はミラー８７に導くことができる。具体的には、図１３及び図１４に示すように基本光が時間的に分割される。
【０２２１】
まず、図１３に示すように、第１の時刻Ｔ１において、基本光Ａ０は、マイクロミラー８５に入射すると、マイクロミラー８５により反射されてミラー８６に入射し、ミラー８６により反射されて基本光Ａ１として図示しない非線形変換素子に出力される。
【０２２２】
次に、図１４に示すように、第２の時刻Ｔ２において、基本光Ａ０は、マイクロミラー８５に入射すると、マイクロミラー８５により反射されてミラー８７に入射し、ミラー８７により反射されて基本光Ａ２として図示しない非線形変換素子に出力される。
【０２２３】
このように、分割手段は、図示しないミラー駆動手段により適切な時間間隔でマイクロミラー８５を交互に駆動し、かつ基本光Ａ１，Ａ２が平行となるようにすれば、擬似的に空間分離された２つの基本光Ａ１，Ａ２を出力することになる。このとき、分割の時間間隔は、応用上必要とされる範囲で、十分速く設定すればよい。また、分割の時間比率は変換効率に応じて適切に分けることが好ましい。なお、本例では、基本光Ａ０を２つに分割したが、３つ以上のミラーを用いて３つ以上に分割してもよいことは言うまでもない。
【０２２４】
＜第１０の実施の形態＞
以下では、第１０の実施の形態として、図１５に示すように、上述した第１〜９の実施の形態で説明した波長変換装置１〜９が出力した複数の光束の変換光をまとめて出力する変換光収束装置９０について説明する。なお、上述した第１〜９の実施の形態における波長変換装置１〜９と同一の機能を有するものについては、同じ符号を付して説明を省略する。
【０２２５】
変換光集束装置９０は、複数の変換光を出力する波長変換装置９１から出力される複数の変換光Ｂ１〜Ｂ７をそれぞれ集光する複数のカップリング部９２と、カップリング部９２により集光された変換光Ｂ１〜Ｂ７をそれぞれ導光する複数の光ファイバ９３と、光ファイバ９３により導光された変換光Ｂ１〜Ｂ７を取りまとめるバンドルファイバ９４と、バンドルファイバ９４により取りまとめられた変換光を出力するホモジナイザ９５とを備えている。
【０２２６】
なお、波長変換装置９１は、上述した第１〜９の実施の形態における波長変換装置１〜９のうち何れか１つと略同様の構成とされており、複数の変換光Ｂ１〜Ｂ７を出力する。
【０２２７】
カップリング部９２は、波長変換装置９１から出力された各変換光Ｂ１〜Ｂ７を光ファイバ９３にカップリングするためのレンズ等の集光光学系からなる。
【０２２８】
光ファイバ９３は、可撓性を有し、変換光に対して光透過性の高いチューブを変換光が全反射するような反射面でシールドしたファイバである。光ファイバ９３は、一端に入射した変換光を反射面で反射させながら他端まで伝達する。
【０２２９】
バンドルファイバ９４は、光ファイバ９３を取りまとめ、光ファイバ９３から出力される変換光を１つの光束とするファイバであり、光ファイバ９３と比して大径とされている。
【０２３０】
ホモジナイザ９５は、バンドルファイバ９４に取りまとめられた変換光の強度分布をより一層均一化するためのフライアイレンズ等の光学系からなる。
【０２３１】
このような変換光集束装置９０は、波長変換装置９１から出力された各変換光Ｂ１〜Ｂ７を各カップリング部９２によりそれぞれ光ファイバ９３に集光し、複数の光ファイバ９３を用いて各変換光Ｂ１〜Ｂ７を導光し、光ファイバ９３により導光された変換光Ｂ１〜Ｂ７をバンドルファイバ９４により効率良く集め、ホモジナイザ９５により変換光の強度分布を高精度に均一化して出力する。
【０２３２】
これにより、変換光集束装置９０は、空間的に強度分布が均一で高品位な変換光を得ることができる。また、変換光集束装置９０は、光ファイバ９３がバンドルファイバ９４によりバンドルされるまで、各変換光Ｂ１〜Ｂ７が低出力光であるため、高価で高耐力の光学素子の部品点数を減らすことができ安価に作製することが可能である。
【０２３３】
また、変換光集束装置９０は、上述のような手法を用いることにより、変換光Ｂ１〜Ｂ７を光ファイバ９３内に閉じ込めることができるため、空間伝送が容易になり、外部に変換光を漏らすことがなくなる。
【０２３４】
このような変換光集束装置９０を用いることで上述した第１乃至第９の実施の形態における波長変換装置１〜９は、変換光の短波長化、高出力化、高輝度化、空間的均一化等を実現でき、リソグラフィ光源として有用なことはもとより、レーザ微細加工、レーザアブレーション、レーザアニール、レーザ表面改質等、材料加工へ応用することができる。特に、レーザアニール、レーザ表面改質等においては、大きな面積を照明することが可能となるので、タクトタイムが短くなり、生産性が向上する。
【０２３５】
ここで、ＳＬＭ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｌｉｇｈｔ Ｍａｃｈｉｎｅｓ）社において開発された、静電容量型Ｍｅｍｂｒａｎｃｅを有するＭＯＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏ−ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）素子である、回折型空間光位相変調素子（Ｇｒａｔｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ Ｖａｌｖｅ：商標）は、その高速応答性と消光比の高さから、光通信、レーザプロジェクタ、プリンターヘッド等への応用が考えられている。この変調素子は、空間的な解像度を高くするために、直線状に多数の変調素子を並べて用いる。こうした素子への照明として、たとえば、縦２５ｍｍ、横１００μｍという非常に扁平なアスペクト比をもつ形状に、点光源から均一なレーザ照明を行うことは、困難であり、例えば 非球面をもつ特殊なレンズ、例えば、Ｅｄｍｕｎｄ Ｏｐｔｉｃｓ Ｊａｐａｎ社製のレーザラインジェネレータ等を用いていた。また、レーザディスプレイへ応用の場合、投影された映像に、レーザスペックルが発生し、映像を劣化させることが問題であった。
【０２３６】
上述した変換光集束装置９０は、多点光源を照明源として用いると、マイクロレンズとの組み合わせにより容易に均一な強度分布を実現できる。また、レーザスペックルが、その統計的性質上、光源の多数化による平均化又は時間平均によって低減が可能であるので、上述の基本光分割手段９１や変換光集束手段９２は、有効である。
【０２３７】
このような波長変換装置９１は、ディスプレイ分野において、ｅ−Ｃｉｎｅｍａ、デジタルシネマ用プロジェクタ、業務用プロジェクタ、リア型プロジェクタ、フロント型プロジェクタ、ホームシアター用ディスプレイ、プレゼンテーション用等に用いるコンピュータ画像投影機に応用することができる。
【０２３８】
また波長変換装置は、光通信用分野において、ＷＤＭ用各種デバイス、ＭＵＸ、ＤＥＭＵＸ、ａｄｄ／ｄｒｏｐフィルタ、Ｘｃｏｎｎｅｃｔ等に応用することができ、ディスプレイ以外の露光装置として、プリンタエンジン、微細描画装置、半導体露光装置（マスクレス、ＣＡＤデジタル画像の直描装置）等に応用することができる。
【０２３９】
最後に、本発明を適用した波長変換装置は、第１〜１０の実施の形態で説明した波長変換装置１〜９に限定されるものでなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。また、本発明を適用した波長変換装置は、第１〜１０の実施の形態で説明した波長変換装置１〜９を組み合わせたものとしてもよい。
【０２４０】
なお、上述した本発明を適用した波長変換装置１〜９では、波長変換を行う手段として、相互作用長、分域構造が調整された非線形光学結晶を用いたが、本発明において波長変換を行う手段としては、これらに限定されるものではなく、例えば、結晶方位、分域構造、相互作用長、結晶の温度、外部電磁場、外部音波、外部応力等のうち少なくとも１つを調整することで、所望の変換効率を達成する波長変換素子を用いてもよい。
【０２４１】
また、上述した本発明を適用した波長変換装置１〜９では、基本光を導光する手段として、コーティングやコーナーキューブについて説明したが、本発明において基本光を導光する手段としては、これらに限定されるものではなく、例えば、平面ミラー、プリズム、光導波路、光ファイバ、ビームスプリッタ、偏光ビームスプリッタ、ＭＥＭＳ、フォトニック結晶等のうち少なくとも１つを用いてもよい。
【０２４２】
さらに、上述した本発明を適用した波長変換装置１〜９では、基本光又は変換光の少なくとも一つに対して、集光作用又は発散作用を有する光制御手段を用いてもよい。このような光制御手段としては、レンズ、マイクロレンズアレイ、曲面ミラー、光導波路、光ファイバ、フォトニック結晶等のうち少なくとも１つを用いることができる。
【０２４３】
【発明の効果】
上述したように本発明に係る波長変換装置は、非線形光学現象を用いて波長変換を行う素子の光学材料に対する光損傷を低減することができるため、素子の寿命と信頼性を大幅に向上させることができる。
【０２４４】
また、波長変換装置は、非線形変換素子の材料に発生する光誘起複屈折率効果等により、変換効率の低減を被ることなく、高変換効率の波長変換を行うことができる。これにより、波長変換装置は、低出力の基本光で高出力の変換光を得ることができるため省エネルギー化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した波長変換装置の装置構成を示す平面図である。
【図２】部分反射膜と反射膜とを波長変換素子から所定の距離に配した波長変換装置の構成を説明するための平面図である。
【図３】各波長変換部の相互作用長を等しくし、それぞれの分域反転領域の反転周期及び反転比率を調整した波長変換装置の構成を説明するための平面図である。
【図４】波長変換素子全体に渡ってチャープ構造を設けた波長変換装置を説明するための平面図である。
【図５】基本光の進行方向に対して、反転周期の異なる波長変換部を複数設けた波長変換素子を説明するための平面図である。
【図６】一対のキャッツアイにより基本光を繰り返し反射する波長変換装置を説明するための平面図である。
【図７】一対のキャッツアイにより基本光を繰り返し反射する波長変換装置において、結晶長の異なる部材を組み合わせた波長変換素子を用いた場合を説明するための平面図である。
【図８】一対のキャッツアイにより基本光を繰り返し反射する波長変換装置において、略楔形状の波長変換素子を用いた場合を説明するための平面図である。
【図９】基本光を分離する手段と波長を変換する手段とが別体とされた波長変換装置を説明するための平面図である。
【図１０】図９に示す波長変換装置において、波長を変換する手段の他の例を示す平面図である。
【図１１】図９に示す波長変換装置において、波長を変換する手段のさらに他の例を示す平面図である。
【図１２】波長変換装置に基本光を入射するフォトニック結晶を説明するための平面図である。
【図１３】基本光を時間的に分割する分割手段の第１の時刻における状態を説明するための平面図である。
【図１４】基本光を時間的に分割する分割手段の第２の時刻における状態を説明するための平面図である。
【図１５】波長変換装置が出力する複数の変換光をまとめる変換光集束装置の構成を示す斜視図である。
【図１６】従来の波長変換装置の構成を説明するための図である。
【図１７】波長変換素子におけるウォークオフ角を説明するための図である。
【符号の説明】
Ａ０〜ｎ 基本光、Ｂ１〜ｎ 変換光、１１ 波長変換素子、１２ 部分反射膜、１３ 反射膜、１１ａ，１１ｂ 側面、１１ｃ 入射部、１４ａ１〜ｎ 波長変換部、１５ 反射防止膜、１６ 反射防止膜、１７ａ１〜ｎ 波長変換部、１８ 波長変換部、１９ａ１〜６ 波長変換部、２１ 波長変換素子、２１ａ，２１ｂ 側面、２１ｃ 開口部、２２ キャッツアイ、２３ キャッツアイ、２４ａ１〜ｎ 波長変換部、２５ 波長変換素子、２５ａ，２５ｂ 側面、２６ 反射防止膜、２７ 反射防止膜、２８ａ１〜ｎ 波長変換部、２９ 波長変換素子、２９ａ，２９ｂ 主面、６１ 基本光分離手段、６２ 波長変換手段、６３光透過ブロック、６３ａ，６３ｂ 側面、６３ｃ 開口部、６４ ハーフミラー、６５ 反射膜、６６ 波長変換素子、６６ａ，６６ｂ 側面、６７ 反射防止膜、６８ 反射防止膜、６９ａ１〜ｎ 波長変換部、７１ 波長変換素子、８１ 波長変換素子、８２ 分域反転領域、８３ フォトニック結晶、８５ マイクロミラー、８６ ミラー、８７ ミラー、９０ 変換光収束装置、９１ 波長変換装置、９２ カップリング部、９３ 光ファイバ、９４ バンドルファイバ、９５ ホモジナイザ
【発明の属する技術分野】
本発明は、光の波長を変換する波長変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ光の波長を変換する波長変換装置には、波長変換素子を用いて第二次高調波発生（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ＳＨＧ）等の非線形光学現象により高効率に波長変換を行うものがある。
【０００３】
このような波長変換を行う波長変換装置は、例えば、図１６に示すように、周波数ωのレーザ光である基本光を出射するレーザ光源１０１と、レーザ光源１０１から出射された基本光を集光する集光レンズ１０２と、集光レンズ１０２により集光された基本光を波長変換して周波数２ωの変換光を生成する非線形光学結晶１０３とを備えている。
【０００４】
非線形光学結晶１０３は、集光レンズ１０２により集光される基本光のビームウエスト位置に配設されており、入射した基本光との相互作用により周波数２ωの変換光を生成する波長変換素子である。この非線形光学結晶１０３は、基本光と変換光との位相が整合するように、結晶の方位や分域反転構造等を適切に調整することにより、基本光を効率よく波長変換することができる。ここで、分域反転構造とは、非線形光学結晶１０３の自発分極を周期的に反転させた領域、すなわち分域反転領域が設けられた構造である。
【０００５】
ここで、波長変換装置において、特に赤外波長域から可視波長域への波長変換を行う場合、非線形光学結晶１０３には、その波長における光透過性及び非線形光学特性の観点から、例えば強誘電体又は焦電体単結晶を用いることが多い。
【０００６】
以上のように構成された波長変換装置は、光源１０１から周波数ωの基本光を出射し、光源１０１から出射した基本光を集光レンズ１０２により集光して非線形光学結晶１０３に入射し、入射した基本光と非線形光学結晶１０３との相互作用により周波数２ωの変換光を生成する。
【０００７】
このような波長変換装置において、非線形光学結晶１０３に入射する基本光に対する非線形光学結晶１０３により生成された変換光の出力比率、すなわち変換効率ηは、基本光及び変換光の減衰を無視できるものとし、共焦点収束（コンフォーカルフォーカシング）とした場合、以下の式１のように表すことができる。
【０００８】
η∝ＬＰ（ω） ・・・（式１）
但し、上述の式１においては、非線形光学結晶１０３と基本光との相互作用により波長変換が行われる距離、すなわち相互作用長をＬとし、基本光の尖頭値、すなわちピークパワーをＰ（ω）としている。
【０００９】
上述の式１より、変換効率ηは、相互作用長Ｌ及びピークパワーＰ（ω）に比例することがわかる。従って、上述した波長変換装置では、効率変換ηを高めたい場合に、非線形光学結晶１０３の相互作用長Ｌを長くするか、非線形光学結晶１０３に入射する基本光のピークパワーＰ（ω）を大きくすればよいことがわかる。なお、基本光のピークパワーを大きくするためには、ピークパワーの大きな基本光を出力する光源を用いることが考えられる。ピークパワーの大きな光源としては、特にパルスレーザを用いることが多い。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、基本光のピークパワーを大きくする場合、上述した非線形光学結晶のような波長変換素子は、一般に光透過性の高い材料であっても、光学特性に不可逆な損傷、いわゆる光損傷（Ｏｐｔｉｃａｌ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）を引き起こすことがある。具体的に、波長変換素子は、基本光及び変換光の波長や、この結晶を構成する材料の反射特性，吸収特性，内部構造，表面性等の条件により、所定の閾値を超えるピークパワーの基本光が入射されることで光損傷を引き起こす。
【００１１】
波長変換装置では、波長変換素子にこのような光損傷が発生することにより、波長変換素子の光学特性が変化してしまい、所望の変換効率を得ることができなくなる。
【００１２】
このため、上述したような波長変換装置では、使用する波長変換素子の閾値を超えない範囲のピークパワーの基本光を用いるか、基本光のピークパワーよりも大きい閾値を持つ波長変換素子を用いることになるため、波長変換素子の材料の選択肢を狭め、変換効率を制限してしまう。
【００１３】
また、波長変換素子の相互作用長を長くする場合、波長変換素子は、波長変換の際に最適な相互作用長が存在するため、ある程度以上に相互作用長を長くしても変換効率が上がらない。特に、図１７に示すように、基本光と変換光とのエネルギーの進む方向の差であるウォークオフ角が大きい波長変換素子では、最適な相互作用長が短くなってしまう。また、相互作用長が短くなってしまう分を、例えば、単一の基本光の光路中に複数の波長変換素子を直列に並べて各素子で集光条件を最適化した場合は、波長変換素子の材料が多く必要となり、小型で安い波長変換装置が実現できない。
【００１４】
さらに、波長変換装置では、波長変換素子に光損傷が起きない程度のピークパワーの基本光を照射した場合であっても、特にニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）結晶等の場合にみられる、結晶内部に電荷分布の偏りが生じて屈折率が変化する光誘起複屈折率（Ｐｈｏｔｏ−ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ）効果による位相の不整合が原因で変換効率が低下したり、ＫＴｉＯＰＯ４結晶等の場合にみられる着色（Ｇｒａｙ ｔｒａｃｋ）による吸収が原因で変換効率が低下することがある。
【００１５】
なお、上述で問題としている光損傷とは、基本光によるものだけではなく、特に高調波発生において、基本光よりも光エネルギーの大きな短波長の変換光によりさらに引き起こされる光損傷をも含んでいる。
【００１６】
本発明は、上述したような状況を鑑みて創案されたものであり、非線形波長変換を行う際に、波長変換素子の光損傷及び変換効率の低下を改善し、比較的弱い光強度の基本光であっても、高変換効率で波長変換を行うことができる波長変換装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る波長変換装置は、上述した目的を達成するために、レーザ光の波長を変換する波長変換装置であって、入射したレーザ光を互いに同一の直線上にはない複数の光路に導光する導光手段と、互いに同一の直線上にはない複数の光路に配設され、入射したレーザ光の波長を変換する波長変換手段と、波長変換手段により波長が変換されたレーザ光を取り出すレーザ光取り出し手段とを備えることを特徴とする。
【００１８】
以上のように構成された波長変換装置は、入射されたレーザ光を導光手段により互いに同一の直線上にはない複数の光路に導光し、この複数の光路に配設された波長変換手段によりレーザ光の波長を変換することで、装置全体での波長変換効率を高める。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明が適用された波長変換装置について、図面を参照して説明する。
【００２０】
本発明が適用された波長変換装置は、外部から入力された第１の波長の光（以下では、基本光と記述する。）を波長変換素子によって第１の波長と異なる第２の波長の光（以下では、変換光と記述する。）に波長変換し、複数の変換光として出力するものである。
【００２１】
＜第１の実施の形態＞
以下では、第１の実施の形態として、図１に示す波長変換装置１について説明する。
【００２２】
波長変換装置１は、基本光の波長を変換して変換光を生成する波長変換素子１１と、基本光を反射するとともに変換光を透過する部分反射膜１２と、基本光を反射する反射膜１３とを備える。
【００２３】
波長変換素子１１は、直方体の形状を呈した光学部材である。波長変換素子１１には、非線形光学現象を利用して基本光の波長を変換し、変換光を生成するｎ個の波長変換部１４ａ１〜１４ａｎが内部に設けられている。波長変換素子１１は、直方体の長手方向に平行な１つの側面１１ａ上に、部分反射膜１２が設けられ、側面１１ａと平行な反対側の側面１１ｂ上に、反射膜１３が設けられている。
【００２４】
部分反射膜１２は、第２の波長の光を透過し、第１の波長の光を反射する波長選択性を有する光分離膜である。すなわち、部分反射膜１２は、基本光を反射し、変換光を透過する光分離膜であり、部分反射膜１２及び反射膜１３の間の変換光を装置外部に取り出すことができる。反射膜１３は、波長選択性のない光反射膜である。
【００２５】
波長変換素子１１は、波長変換を行う波長変換部１４ａ１〜１４ａｎ以外の部分が、波長変換に寄与しない光透過性の高い光学材料で埋められている。波長変換素子１１の波長変換部１４ａ１〜１４ａｎ以外の部分を埋める光学材料としては、第１の波長の光及び第２の波長の光に対して高い透過率を有するものが好ましい。すなわち、波長変換素子１１の波長変換部１４ａ１〜１４ａｎ以外の部分を埋める光学材料としては、基本光及び変換光に対して高い透過率を有するものが好ましい。なお、波長変換素子１１の形状は、直方体に限定されるものではなく、側面１１ａ，１１ｂ上にそれぞれ部分反射膜１２，反射膜１３を互いに平行に設けることができる形状であればよい。
【００２６】
なお、波長変換素子１１の側面１１ｂ上には、全面に渡って反射膜１３が設けられているわけではない。波長変換素子１１は、側面１１ｂの長手方向の一端側に反射膜１３が設けられていない部分があり、側面１１ｂが外部に露呈している。この側面１１ｂが外部に露呈した部分を開口部１１ｃとする。図示しない光源から出射された基本光は、この開口部１１ｃから波長変換素子１１の内部に入射する。ここで、波長変換素子１１の開口部１１ｃに入射する基本光の入射角をθ１とし、屈折角をθ２とする。基本光は、波長変換素子１１の長手方向に、側面１１ｂに対してθ１だけ傾いて開口部１１ｃに入射する。
【００２７】
部分反射膜１２及び反射膜１３は、波長変換素子１１を挟んで互いに平行であり、それぞれ基本光を反射するので、開口部１１ｃから波長変換素子１１の内部に入射角θ１で入射され屈折角θ２で屈折した基本光を、同一平面内で繰り返し反射する。ここで、部分反射膜１２及び反射膜１３は、部分反射膜１２に入射する基本光が入射面に対して垂直に入射しない限り、スネルの法則にしたがって入射方向と異なる方向へ基本光を反射する。すなわち、部分反射膜１２及び反射膜１３は、それぞれθ２の角度で基本光を繰り返し反射しながら、この基本光を波長変換素子１１の長手方向、すなわち部分反射膜１２及び反射膜１３が対向する方向に対して直交する方向に導く。つまり、部分反射膜１２及び反射膜１３は、基本光を導く光路を形成している。
【００２８】
具体的に、部分反射膜１２及び反射膜１３は、開口部１１ｃから波長変換素子１１の内部に入射した基本光を繰り返し反射することで、この基本光を互いに同一の直線上にはない複数の光路に導光する。つまり、部分反射膜１２及び反射膜１３は、先の光路から入射された基本光を同一の直線上にはない次の光路に順次導光する。ここで、先の光路及び次の光路とは、部分反射膜１２又は反射膜１３に入射した基本光が反射されて光路が変化する場合において、反射前後の基本光の光路をそれぞれ示している。
【００２９】
波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、それぞれ直方体の形状を呈しており、長手方向の一端が反射膜１３側に向けられ、他端が部分反射膜１２側に向けられている。波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、部分反射膜１２及び反射膜１３に対して、長手方向が角度θ２だけ傾いており、互いに平行で等間隔となるように形成されている。なお、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、波長変換素子１１の長手方向にのみ傾いている。また、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎの形状は、直方体に限定されるものではなく、長手方向に延在された形状であればよい。
【００３０】
波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、詳細を後述するが、基本光が長手方向の一端から長手方向に沿って入射されることで波長変換を行い、他端から変換光を出力する。なお、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、長手方向の一端から基本光が長手方向に沿って入射されることで、他端から未変換の基本光も出力する。
【００３１】
具体的に、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、長手方向の一端から入射される基本光の周波数をωとすると、二次高調波発生により周波数が２ωの変換光を他端から出力する。すなわち、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、基本光の波長が半分である変換光を出力する。
【００３２】
また、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、それぞれ長手方向の長さが異なり、部分反射膜１２及び反射膜１３が対向する方向に対して直交する方向で、波長変換素子１１の一端から他端に向かって順次長手方向の長さが長くなるように形成されている。波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、長手方向の長さが波長変換の際の相互作用長に対応し、この相互作用長に比例して変換効率が高くなる。なお、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、それぞれ入射された基本光及び出力する変換光の光強度により光損傷が起こらないような相互作用長とされている。
【００３３】
具体的に、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、それぞれ擬似位相整合（Ｑｕａｓｉ−Ｐｈａｓｅ Ｍａｔｃｈｉｎｇ：ＱＰＭ）により基本光から変換光を生成するための条件に適応するように、長手方向に反転周期が均一な分域反転構造とされている。すなわち、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、それぞれ長手方向に対して自発分極を均一な周期で反転させた分域反転領域が形成されている。
【００３４】
なお、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、例えば、長手方向に反転周期が均一で相互作用長が異なる分域反転パターンを、リソグラフィ技術等を用いて製作し、電界を印加することで分域反転構造が作成されている。
【００３５】
波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、基本光及び変換光に対して光透過性を有する材料により形成されており、以下に示すような非線形光学結晶が用いられる。
【００３６】
波長変換部１４ａ１〜１４ａｎとしては、例えば、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４）やＬＮ（ＬｉＮｂＯ３）又はこれらを長手方向に周期的に分域反転させたもののうちで非線形波長変換における変換効率の高い光学結晶を用いることができる。波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、ＫＴＰやＬＮ等を用いることにより光損傷や光誘起複屈折率効果を低減するとともに、高出力の波長変換を可能とする。
【００３７】
また、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎとしては、例えば、ＲＴＰ（ＲｂＴｉＯＰＯ４），ＲＴＡ（ＲｂＴｉＯＡｓＯ４），ＫＴＡ（ＫＴｉＯＡｓＯ４），ＬＴ（ＬｉＴａＯ３），ＭｇＯ：ＬＮ（ＬＮを添加したＭｇＯ），ＭｇＯ：ＬＴ（ＬＴを添加したＭｇＯ），ＫＮ（ＫＮｂＯ３），ＢＴＯ（ＢａＴｉＯ３），ＢＮＮ（Ｂａ２ＮａＮｂ５Ｏ１５），ＳＢＮ（ＳｒＢａＮｂＯ７），ＫＤＰ（ＫＨ２ＰＯ４），ｄＫＤＰ（ＫＤ２ＰＯ４），ＢＢＯ（ＢａＢ２Ｏ４），ＬＢＯ（ＬｉＢ３Ｏ５），ＬｉＢ４Ｏ７，ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０），ＣＢＯ（ＣｓＢ３Ｏ５），ＳｉＯ２，ＢａＭｇＦ４，ＫＢ５Ｏ８・４Ｈ２Ｏの単結晶又はこれらの共晶を用いることができる。
【００３８】
ここで、上述したように波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、部分反射膜１２及び反射膜１３により繰り返し反射される基本光の光路中の反射角θ２と同様の傾きを有している。すなわち、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、基本光の光路に沿って設けられていることがわかる。具体的に、波長変換部１４ａ１は、開口部１１ｃから波長変換素子１１内に入射した基本光が部分反射膜１２に向かう光路中に設けられており、波長変換部１４ａ２〜１４ａｎは、基本光が反射膜１３で反射され部分反射膜１２に向かう光路毎に設けられている。
【００３９】
波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、部分反射膜１２及び反射膜１３により繰り返し反射される基本光の光路中で、開口部１１ｃから波長変換素子１１内に入射された基本光をそれぞれ相互作用長に応じた変換効率で変換光に変換するので、基本光の光強度を順次低減させる。つまり、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、それぞれ入射される基本光の光強度が異なり、ｎが大きくなれば入射する基本光の光強度が小さくなる。そこで、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎは、それぞれ入射される基本光の光強度の低減を補うように順次相互作用長を長くして、出力される変換光の光強度の低下を抑止している。
【００４０】
なお、上述した波長変換素子１１は、素子全体を単一の光学結晶で構成し、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎのみに分域反転構造を形成する等して光学特性を変化させて、この波長変換部１４ａ１〜１４ａｎが波長変換を行うようにしてもよい。
【００４１】
次に、波長変換装置１が、基本光から変換光へ波長変換を行う際の各部の作用について説明する。なお、以下では、ｉを１〜ｎまでの整数として、開口部１１ｃから入射された基本光の光路順に数えてｉ番目の波長変換部を波長変換部１４ａｉ、外部の光源から出射された基本光をＡ０、波長変換部１４ａｉから出力された基本光をＡｉ、波長変換部１４ａｉから出力された変換光をＢｉとして、基本光及び変換光の光路に沿って説明する。
【００４２】
まず、図示しない光源から出射された基本光Ａ０は、周波数ωのレーザ光であり、開口部１１ｃの入射面に対して入射角θ１で入射し、入射面で屈折角θ２だけ屈折する。
【００４３】
次に、開口部１１ｃから波長変換素子１１内に入射した基本光Ａ０は、波長変換部１４ａ１に入射し、波長変換部１４ａ１の相互作用長に応じた変換効率で周波数２ωの変換光Ｂ１に波長変換される。波長変換部１４ａ１からは、変換光Ｂ１とともに未変換の基本光Ａ１が出力される。そして、波長変換部１４ａ１から出力された変換光Ｂ１は、部分反射膜１２に入射し、この部分反射膜１２を透過して外部に出力される。
【００４４】
次に、波長変換部１４ａ１から出力された基本光Ａ１は、部分反射膜１２に対して入射角θ２で入射して反射角θ２で全反射されて、波長変換素子１１内を進み、反射膜１３に対して入射角θ２で入射して反射角θ２で全反射されて波長変換部１４ａ２に入射する。
【００４５】
次に、波長変換部１４ａ２に入射した基本光Ａ１は、波長変換部１４ａ２により相互作用長に応じた変換効率で周波数２ωの変換光Ｂ２に波長変換される。波長変換部１４ａ２からは、変換光Ｂ２とともに未変換の基本光Ａ２が出力される。そして、波長変換部１４ａ２から出力された変換光Ｂ２は、部分反射膜１２に入射し、この部分反射膜１２を透過して外部に出力される。
【００４６】
このように、波長変換装置１は、波長変換素子１１内へ入射した基本光Ａ０を、基本光Ａｎとなるまで、部分反射膜１２及び反射膜１３により繰り返し反射させるとともに部分反射膜１２及び反射膜１３の互いに対向する方向に対して水平方向に導きながら波長変換部１４ａ１〜１４ａｎにより波長変換することで変換光Ｂ１〜Ｂｎを出力する。
【００４７】
ここで、この波長変換装置１においては、出力される変換光Ｂ１〜Ｂｎの光強度がそれぞれ異なっていると、これら変換光Ｂ１〜Ｂｎを集光して用いる場合に、例えば集光した変換光の均一性が低下して光強度分布に偏りが生じてしまう。
【００４８】
そこで、この波長変換装置１においては、出力される変換光Ｂ１〜Ｂｎの光強度を均一化するように、波長変換素子１１内の波長変換部１４ａ１〜１４ａｎの相互作用長を調整している。
【００４９】
入射した基本光Ａ０の光強度をＩ０、波長変換部１４ａｉでの変換効率をηｉ、基本光Ａ０〜Ａ（ｎ−１）が波長変換素子１１内部において平行光となるように集光されているとする場合に、変換光Ｂｉの光強度をＩｉとすると、この光強度Ｉｉは、以下の式２及び式３に示すような漸化式で表すことができる。
【００５０】
Ｉ１＝η１×Ｉ０ ・・・（式２）
Ｉｉ＝（１−η（ｉ−１））×ηｉ×Ｉ０ ・・・（式３）
但し、式３におけるｉは、１〜ｎまでの整数である。
【００５１】
変換効率ηｉは、出力される変換光Ｂ１〜Ｂｎの光強度Ｉ１〜Ｉｎが全て等しいとして、上述の式３を解くことにより、以下の式４に示すように計算することができる。
【００５２】
ηｉ＝η１／（１−（ｉ−１）×η１） ・・・（式４）
式４より、変換効率ηｉは、ｉがｎに近づくにつれて高くなる。
【００５３】
例えば、波長変換装置１では、ｎ＝２０である場合、すなわち全部で２０個の波長変換部１４ａ１〜１４ａ２０を用いて２０個の変換光Ｂ１〜Ｂ２０を出射する場合に、波長変換部１４ａ１〜１４ａ２０の相互作用長を以下の表１に示すような値となるように分域反転領域を形成すればよい。
【００５４】
【表１】
表１に示すように、波長変換部１４ａ１は、入射した基本光Ａ０を変換効率が略４％で変換光Ｂ１に波長変換する。また、表１に示すように、波長変換部１４ａ１の相互作用長と波長変換部１４ａｉの相互作用長との比は、ｉが大きくなるに従って増大し、これにより波長変換部１４ａｉの変換効率ηｉが順次増大している。すなわち、波長変換部１４ａ１〜１４ａ２０を通過するたびに減少する基本光Ａ０〜Ａ１９の光強度に対応して、波長変換部１４ａ１〜１４ａ２０ではそれぞれの相互作用長を長くして変換効率を上げて、変換光Ｂ１〜Ｂ２０の光強度を一定に保っている。
【００５６】
このように、波長変換装置１は、上述の表１に示すような設計とされた２０個の波長変換部１４ａ１〜１４ａ２０が設けられた波長変換素子１１を用いれば、装置全体での変換効率を８０％以上にすることができる。
【００５７】
以上のように、第１の実施の形態における波長変換装置１は、部分反射膜１２及び反射膜１３により繰り返し基本光を反射することで基本光の光路を分割し、部分反射膜１２に向かう基本光Ａ０〜Ａ（ｎ−１）の光路毎に相互作用長の異なるｎ個の波長変換部１４ａ１〜１４ａｎを分散させて配することで、装置全体で高変換効率の波長変換を行うことができる。なお、波長変換部を基本光Ａ０〜Ａ（ｎ−１）が反射部１３に向かう光路中にも配するようにしてもよく、この場合に波長変換装置１は、反射膜１３を部分反射膜１２と同様に変換光を透過するような波長選択性を有する光学膜とすることとなる。
【００５８】
また、波長変換装置１は、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎが基本光Ａ０〜Ａ（ｎ−１）の光強度に対して光損傷が起こらない程度の相互作用長とされていることで、基本光Ａ０〜Ａ（ｎ−１）による波長変換部１４ａ１〜１４ａｎの光損傷を抑制することができる。これにより、波長変換装置１は、波長変換素子１１の寿命と信頼性を大幅に向上させることができる。
【００５９】
さらに、波長変換装置１は、部分反射膜１２及び反射膜１３が互いに平行であり、また波長変換素子１１の波長変換部１４ａ１〜１４ａｎが互いに平行に等間隔に設けられているので、部分反射膜１２での変換光Ｂ１〜Ｂｎの入射位置が等間隔となり、且つ部分反射膜１２への変換光Ｂ１〜Ｂｎの入射角度が均一な角度となるため、変換光Ｂ１〜Ｂｎを等間隔に並べて所定の方向へ揃えて出力することができる。
【００６０】
さらにまた、波長変換装置１は、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎの相互作用長を調整して均一な光強度の変換光Ｂ１〜Ｂｎを出力することができるため、これら変換光Ｂ１〜Ｂｎをまとめて１つの光束として光強度分布が均一な光源とすることができる。
【００６１】
さらにまた、波長変換装置１は、均一な光強度の変換光Ｂ１〜Ｂｎを平行に等間隔に並べて出力することができるので、線状光源として用いることができる。なお、波長変換装置が出力する変換光Ｂ１〜Ｂｎの具体的な利用方法については、第１０の実施の形態で詳細に述べる。
【００６２】
＜第２の実施の形態＞
以下では、第２の実施の形態として、図２に示す波長変換装置２について説明する。なお、上述した第１の実施の形態における波長変換装置１と同一の機能を有するものについては、同じ符号を付して説明を省略する。
【００６３】
波長変換装置２は、上述した波長変換装置１の部分反射膜１２及び反射膜１３を波長変換素子１１の側面１１ａ，１１ｂに対して平行となるように、それぞれ所定の距離だけ波長変換素子１１から離れるように配設し、波長変換素子１１と部分反射膜１２及び反射膜１３とを別体の構成としたものである。
【００６４】
この場合、波長変換装置２は、波長変換素子１１と部分反射膜１２及び反射膜１３との間が空隙となるために、波長変換素子１１の側面１１ａ，１１ｂ上に第１の波長の光及び第２の波長の光の反射を防止する反射防止膜１５，１６がそれぞれ設けられている。
【００６５】
反射防止膜１５，１６は、第１の波長の光及び第２の波長の光の反射を防止する、すなわち基本光及び変換光の反射を防止する。
【００６６】
波長変換装置２は、反射防止膜１５，１６を設けることにより、波長変換素子１１の側面１１ａ，１１ｂで基本光及び変換光が反射することにより発生する迷光を低減することができる。
【００６７】
以上のように、第２の実施の形態における波長変換装置２は、上述した波長変換装置１と同等の効果を得ることができるとともに、波長変換素子１１の側面１１ａ，１１ｂ上に部分反射膜１２及び反射膜１３を設けにくい場合に装置構成の実現を容易とすることができる。
【００６８】
＜第３の実施の形態＞
以下では、第３の実施の形態として、図３に示す波長変換装置３について説明する。なお、上述した第１〜２の実施の形態における波長変換装置１〜２と同一の機能を有するものについては、同じ符号を付して説明を省略する。
【００６９】
波長変換装置３は、上述したように相互作用長をそれぞれ調整することで所望の変換効率を達成する波長変換部１４ａ１〜１４ａｎに換えて、分域反転の反転周期や反転比率をそれぞれ調整することで所望の変換効率を達成するｎ個の波長変換部１７ａ１〜１７ａｎを、波長変換素子１１内に設けるようにしたものである。
【００７０】
波長変換部１７ａ１〜１７ａｎは、それぞれ直方体の形状を呈しており、直方体の長手方向の長さが均一とされている以外、上述した波長変換部１４ａ１〜１４ａｎと同様に配設されている。
【００７１】
そこで、以下において、波長変換装置３については、波長変換部１７ａ１〜１７ａｎと波長変換部１４ａ１〜１４ａｎとの相違点についてのみ説明する。
【００７２】
まず、基本光の減衰を簡単のため無視し、基本光が平行光であるとすれば、第二次高調波発生による変換光の光強度は、以下の式５に示す値に比例する。
【００７３】
｛ｓｉｎ（Δｋｌ／２）／（Δｋｌ／２）｝２ ・・・（式５）
但し、式５において、Δｋは基本光と第二次高調波発生による変換光の波数不整合量、ｌは相互作用長である。波数不整合量Δｋは、上述した分域反転の周期をΛとして、この反転周期Λを用いると、以下の式６に示すように一次擬似位相整合の条件式として表すことができる。
【００７４】
Δｋ＝ｋ（２ω）−２×ｋ（ω）−２π／Λ ・・・（式６）
但し、ｋ（ω）及びｋ（２ω）は、それぞれ基本光及び変換光の波数である。Δｋ＝０とすることで式５に示す値が最大値１を取り、この状態では、式６に示すように疑似位相整合が達成される。
【００７５】
波長変換部１７ａ１〜１７ａｎは、それぞれの反転周期が上述の式６に示すように疑似位相整合が達成できる反転周期Λとされている。波長変換部１７ａ１〜１７ａｎは、それぞれの反転周期を調整することで、出力する複数の変換光Ｂ１〜Ｂｎの光強度を均一化することができる。
【００７６】
具体的には、部分反射膜１２及び反射膜１３の間で繰り返し反射される基本光Ａ０〜Ａ（ｎ −１ ）の光路中に、例えば、それぞれ反転周期の少しずつ異なる分域反転領域、すなわち波長変換部１７ａ１〜１７ａｎを形成することにより、均一な光強度の変換光Ｂ１〜Ｂｎを出力することができる。波長変換部１７ａ１〜１７ａｎは、変換光Ｂ１〜Ｂｎの光強度を均一にするために、分域反転領域の反転周期を以下のように調整している。
【００７７】
波長変換部１７ａ１〜１７ａｎは、ｉを１〜ｎまでの整数、波長変換部１７ａｉの反転周期をΛｉ、簡単のため各分域反転領域内での分域の比率を１：１、それぞれの相互作用長を等しい長さであるとする。
【００７８】
疑似位相整合を達成する最適な反転周期がΛ０（但し、Δｋ０＝ｋ（２ω）−２×ｋ（ω）−２π／Λ０＝０）であるときの最大変換効率をη０、波数不整合量をΔｋ０とすると、反転周期がΛｉである波長変換部１７ａｉの変換効率ηｉは、波数不整合量をΔｋｉとして、上述した式５より、以下の式７に示すように計算することができる。
【００７９】
ηｉ＝η０×｛ｓｉｎ（Δｋｉｌ／２）／（Δｋｉｌ／２）｝２ ・・・（式７）
但し、上述した式６よりΔｋｉは、以下の式８に示すように計算することができる。
【００８０】
Δｋｉ＝ｋ（２ω）−２×ｋ（ω）−２π／Λｉ＝２π×（１／Λ０−１／Λｉ） ・・・（式８）
従って、均一な光強度の変換光Ｂ１〜Ｂｎを得るためには、それぞれの波長変換部１７ａ１〜１７ａｎにおける変換効率ηｉが上述した式４を満たすように、反転周期Λｉを持つ分域反転領域を波長変換部１７ａ１〜１７ａｎに形成すればよい。
【００８１】
例えば、全部で１０個の変換光Ｂ１〜Ｂ１０を取り出す場合、１つの変換光の光強度Ｉｉが、入射した基本光の光強度Ｉ０に対して略５％の光強度比になるよう変換するには、以下の表２に示すような反転周期Λｉで分域反転領域を形成すればよい。
【００８２】
【表２】
表２より、各波長変換部１７ａ１〜１７ａ１０において、ｉが大きくなるにつれてΛｉが減少し、変換効率ηｉが増大していることがわかる。
【００８４】
ここで、この波長変換部１７ａ１〜１７ａ１０は、波長変換部１７ａ１０、すなわち最終領域で完全に疑似位相整合が取れるとしている。但し、表２における値は、近似的に計算した結果であり、計算の精度を上げれば変換光Ｂ１〜Ｂ１０の光強度が均一になることは言うまでもない。
【００８５】
以上のように、第３の実施の形態における波長変換装置３は、部分反射膜１２及び反射膜１３により繰り返し基本光を反射することで基本光の光路を分割し、部分反射膜１２に向かう基本光Ａ０〜Ａ（ｎ−１）の光路毎に反転周期の異なるｎ個の波長変換部１７ａ１〜１７ａｎを分散させて配することで、装置全体で高変換効率の波長変換を行うことができる。なお、波長変換部を基本光Ａ０〜Ａ（ｎ−１）が反射部１３に向かう光路中にも配するようにしてもよく、この場合に波長変換装置１は、反射膜１３を部分反射膜１２と同様に変換光を透過するような波長選択性を有する光学膜とすることとなる。
【００８６】
また、波長変換装置３は、波長変換部１７ａ１〜１７ａｎが基本光Ａ０〜Ａ（ｎ−１）の光強度に対して光損傷が起こらない程度の相互作用長とされていることで、基本光Ａ０〜Ａ（ｎ−１）による波長変換部１７ａ１〜１７ａｎの光損傷を抑制することができる。これにより、波長変換装置２は、波長変換素子１１の寿命と信頼性を大幅に向上させることができる。
【００８７】
さらに、波長変換装置３は、部分反射膜１２及び反射膜１３が互いに平行であり、また波長変換素子１１の波長変換部１７ａ１〜１７ａｎが互いに平行に等間隔に設けられているので、部分反射膜１２での変換光Ｂ１〜Ｂｎの入射位置が等間隔となり、且つ部分反射膜１２への変換光Ｂ１〜Ｂｎの入射角度が均一な角度となるため、変換光Ｂ１〜Ｂｎを等間隔に並べて所定の方向へ揃えて出力することができる。
【００８８】
さらにまた、波長変換装置３は、波長変換部１７ａ１〜１７ａｎの反転周期や反転比率を調整して均一な光強度の変換光Ｂ１〜Ｂｎを出力することができるため、これら変換光Ｂ１〜Ｂｎをまとめて１つの光束として光強度分布が均一な光源とすることができる。
【００８９】
さらにまた、波長変換装置３は、均一な光強度の変換光Ｂ１〜Ｂｎを平行に等間隔に並べて出力することができるので、線状光源として用いることができる。なお、波長変換装置が出力する変換光Ｂ１〜Ｂｎの具体的な利用方法については、第１０の実施の形態で詳細に述べる。
【００９０】
＜第４の実施の形態＞
以下では、第４の実施の形態として、図４に示す波長変換装置４について説明する。なお、上述した第１〜３の実施の形態における波長変換装置１〜３と同一の機能を有するものについては、同じ符号を付して説明を省略する。
【００９１】
波長変換装置４は、上述した波長変換装置１における波長変換部１４ａ１〜１４ａｎや波長変換装置３における波長変換部１７ａ１〜１７ａｎのように波長変換素子１１の特定の領域に分域反転構造を設けずに、波長変換素子１１の全体に分域反転構造を有する波長変換部１８を設けるとしたものである。
【００９２】
そこで、以下において、波長変換装置４については、波長変換部１８についてのみ説明する。なお、波長変換装置４は、詳細を第１０の実施の形態において説明する基本光分割手段により複数に分割された基本光が平行に入射されるため、部分反射膜１２及び反射膜１３を備えずに、波長変換素子１１の側面１１ａ，１１ｂ上に反射防止膜１５，１６と略同等の図示しない反射防止膜がそれぞれ設けられているものとする。
【００９３】
波長変換素子１１は、側面１１ｂに対して垂直にｎ個の基本光が平行に入射され、入射された基本光のそれぞれ平行な光路Ｃ１〜Ｃｎに対して徐々に反転周期を線形変化させたような構造、いわゆるチャープ構造が設けられた波長変換部１８が素子全体に渡って形成されている。
【００９４】
具体的には、ｉを１〜ｎまでの整数で、波長変換部１８内での各光路において反転周期が長いほうから順に割り付けられた数であるとすると、ｉ番目の光路Ｃｉにおける反転周期Λｉは、以下の式９に示すように計算することができる。
【００９５】
Λｉ＝Λ０×（１＋（ｎ−ｉ）×δΛ） ・・・（式９）
但し、ｎは疑似位相整合を達成する周期を持つ光路の順番、すなわち波長変換素子１１から取り出す全変換光の数であり、δΛは反転周期の変化量である。ここで、反転周期Λｉの計算例を以下の表３に示す。
【００９６】
【表３】
なお、表３における反転周期Λｉは、この波長変換部１８の各光路Ｃ１〜Ｃｎ上での相互作用長を一定として、計算した結果である。
【００９８】
例えば、全部で１０個の変換光Ｂ１〜Ｂ１０を取り出す場合、すなわちｎ＝１０である場合、１つの変換光の光強度Ｉｉが、入射した基本光の光強度Ｉ０に対して略５％の光強度比になるよう変換するには、波長変換部１８の各光路Ｃ１〜Ｃ１０における反転周期を、表３に示される反転周期Λｉとする分域反転領域を形成すればよい。
【００９９】
なお、波長変換装置４では、上述したような波長変換部１８を有する波長変換素子１１を用いることにより、最終領域（ｎ＝１０）で完全に疑似位相整合が取れるとしている。
【０１００】
以上のように、第４の実施の形態における波長変換装置４は、複数の基本光の光路Ｃ１〜Ｃｎに対応する部分において分域反転の反転周期が異なる波長変換部１８を用いることで、装置全体で高変換効率の波長変換を行うことができる。
【０１０１】
また、波長変換装置４は、複数の基本光の入射方向が等間隔に平行であれば、変換光Ｂ１〜Ｂｎを等間隔に平行に並べて出力することができる。
【０１０２】
但し、波長変換装置４は、変換光Ｂ１〜Ｂｎの光強度が全く均一ではないが、波長変換部１８が簡単な構造であり、均一な反転周期の分域反転領域を形成する場合に比べて変換光Ｂ１〜Ｂｎの光強度差を減少させることができる。
【０１０３】
＜第５の実施の形態＞
以下では、第５の実施の形態として、図５に示す波長変換装置５について説明する。なお、上述した第１の実施の形態における波長変換装置１と同一の機能を有するものについては、同じ符号を付して説明を省略する。
【０１０４】
波長変換装置５は、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎに換えて、基本光の進行方向に対して直交する方向に延在され任意の反転周期の分域反転領域が形成された、例えば６個の波長変換部１９ａ１〜１９ａ６を、波長変換素子１１内に設けるようにしたものである。そこで、以下において、波長変換装置５については、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎと異なる波長変換部１９ａ１〜１９ａ６についてのみ説明する。
【０１０５】
波長変換部１９ａ１〜１９ａ６は、互いに平行な一対の部分反射膜１２及び反射膜１３により繰り返し反射される基本光の光路中で、基本光Ａ０〜Ａ４が部分反射膜１２に入射する向きに対してそれぞれ略直交する方向に延在されている。また、波長変換部１９ａ１〜１９ａ６は、基本光Ａ０〜Ａ４が部分反射膜１２に入射する向きに順に重ねられている。すなわち、波長変換部１９ａ１〜１９ａ６は、基本光Ａ０〜Ａ４の通過するそれぞれの光路中に複数ずつまたがるように設けられている。このような波長変換素子１１では、基本光Ａ０〜Ａ４がそれぞれ波長変換部１９ａ１〜１９ａ６のうち２つ以上により波長変換される。
【０１０６】
波長変換部１９ａ１〜１９ａ６は、波長変換素子１１内における基本光Ａ０〜Ａ４が部分反射膜１２に向かう方向に対して直行する方向に、それぞれ擬似位相整合により基本光から変換光を生成するための条件に適応する所定の周期の分域反転構造とされている。すなわち、波長変換部１９ａ１〜１９ａ６は、それぞれ基本光の進行方向に対して自発分極を所定の周期で反転させた構造とされている。
【０１０７】
これら波長変換部１９ａ１〜１９ａ６は、それぞれ所定の反転周期及び反転比率とされているが、基本光Ａ０〜Ａ４が部分反射膜１２に入射する向きに反転周期が少しずつ異なる。また、これら複数の波長変換部１９ａ１〜１９ａ６は、それぞれ基本光Ａ０〜Ａ４の光強度によって光損傷が起こらないような相互作用長とされている。そして、それぞれの波長変換部１９ａ１〜１９ａ６は、入射された基本光Ａ０〜Ａ４を所定の変換効率で波長変換して変換光Ｂ１〜Ｂ５を出力するようになっている。
【０１０８】
具体的に、波長変換部１９ａ１〜１９ａ６は、入射される基本光の周波数をωとすると、二次高調波発生により周波数が２ωの変換光を出力する。すなわち、波長変換部１９ａ１〜１９ａ６は、基本光の波長が半分である変換光を出力する。
【０１０９】
次に、波長変換装置５が、基本光から変換光へ波長変換を行う際の各部の作用について説明する。なお、以下では、ｉを１〜５までの整数として、開口部１１ｃから入射された基本光の進行方向に数えてｉ番目の波長変換部を波長変換部１９ａｉ、外部の光源から出射された基本光をＡ０、反射膜１２ｂでｉ回反射された基本光をＡｉ、ｉ番目に出力される変換光をＢｉとして、基本光及び変換光の光路に沿って説明する。
【０１１０】
まず、図示しない光源から出射された基本光Ａ０は、周波数ωのレーザ光であり、非線形変換素子１１における開口部１１ｃから入射角θ１で入射し、屈折角θ２だけ屈折する。
【０１１１】
次に、非線形変換素子１１内に入射した基本光Ａ０は、波長変換部１９ａ１〜１９ａ３に順次入射し、所定の変換効率で周波数２ωの変換光Ｂ１に波長変換される。波長変換部１９ａ１〜１９ａ３は、変換光Ｂ１を出力するとともに未変換の基本光Ａ１を出力する。そして、波長変換部１９ａ３から出力された変換光Ｂ１は、部分反射膜１２に入射し、この部分反射膜１２を透過して外部に出力される。
【０１１２】
一方、波長変換部１９ａ１〜１９ａ３から出力された未変換の基本光Ａ１は、部分反射膜１２により全反射されて、波長変換素子１１内を進み、そして、反射膜１３でさらに全反射されて波長変換部１９ａ２〜１９ａ４に順次入射し、所定の変換効率で周波数２ωの変換光Ｂ２に波長変換される。波長変換部１９ａ２〜１９ａ４、変換光Ｂ２を出力するとともに未変換の基本光Ａ２を出力する。そして、波長変換部１９ａ４から出力された変換光Ｂ２は、部分反射膜１２に入射し、この部分反射膜１２を透過して外部に出力される。
【０１１３】
このように、波長変換装置５は、波長変換素子１１内へ入射した基本光Ａ０を、基本光Ａ４となるまで、部分反射膜１２及び反射膜１３により繰り返し反射させるとともに部分反射膜１２及び反射膜１３の互いに対向する方向に対して水平方向に導きながら波長変換部１９ａ１〜１９ａ６により波長変換することで変換光Ｂ１〜Ｂ５を出力する。
【０１１４】
ここで、波長変換部１９ａ１〜１９ａ６は、変換効率が所望の値となるように、例えば、基本光Ａ０の部分反射膜１２に向かう光路において、波長変換部１９ａ１〜１９ａ３の反転周期がそれぞれ異なるように分域反転領域が設定されており、基本光Ａ１の部分反射膜１２に向かう光路において、波長変換部１９ａ２〜１９ａ４の反転周期がそれぞれ異なるように分域反転領域が設定されている。波長変換部１９ａ４の変換効率は、波長変換部１９ａ２〜１９ａ３のそれぞれの変換効率の和を所望の変換効率から差し引いた値となる。
【０１１５】
このような変換効率の計算を波長変換素子１１全体に渡って行い、基本光Ａ０〜Ａ４の光路における各波長変換部１９ａ１〜１９ａ６の反転周期と反転比率の最適化を行えば、変換光Ｂ１〜Ｂ５の光強度比を所望の値とすることができる。
【０１１６】
なお、このような波長変換部１９ａ１〜１９ａ６が設けられた波長変換素子１１を用いる場合には、基本光Ａ０〜Ａ４の光路中に反転周期及び相互作用長等の異なった任意の数の分域反転領域を設定できるため、比較的簡単な構造でありながら、基本光Ａ０〜Ａ４の光強度に応じて自由度の高い設計をすることができる。
【０１１７】
以上のように、第５の実施の形態における波長変換装置５は、部分反射膜１２及び反射膜１３により繰り返し基本光を反射することで基本光の光路を分割し、部分反射膜１２に向かう基本光Ａ０〜Ａ４の光路毎に反転周期の異なるｎ個の波長変換部１９ａ１〜１９ａ６を基本光Ａ０〜Ａ４の進行方向に対して垂直に延在させて配することで、装置全体で高変換効率の波長変換を行うことができる。
【０１１８】
また、波長変換装置５は、波長変換部１９ａ１〜１９ａ６が基本光Ａ０〜Ａ４の光強度に対して光損傷が起こらない程度の相互作用長とされていることで、基本光Ａ０〜Ａ４による波長変換部１９ａ１〜１９ａ６の光損傷を抑制することができる。これにより、波長変換装置５は、波長変換素子１１の寿命と信頼性を大幅に向上させることができる。
【０１１９】
さらに、波長変換装置５は、部分反射膜１２及び反射膜１３が互いに平行であるので、部分反射膜１２での変換光Ｂ１〜Ｂ５の入射位置が等間隔となり、且つ部分反射膜１２への変換光Ｂ１〜Ｂ５の入射角度が均一な角度となるため、変換光Ｂ１〜Ｂ５を等間隔に並べて所定の方向へ揃えて出力することができる。
【０１２０】
さらにまた、波長変換装置５は、波長変換部１９ａ１〜１９ａ６の反転周期を調整して均一な光強度の変換光Ｂ１〜Ｂ５を出力することができるため、これら変換光Ｂ１〜Ｂ５をまとめて１つの光束として光強度分布が均一な光源とすることができる。
【０１２１】
さらにまた、波長変換装置５は、均一な光強度の変換光Ｂ１〜Ｂ５を平行に等間隔に並べて出力することができるので、線状光源として用いることができる。なお、波長変換装置５が出力する変換光Ｂ１〜Ｂ５の具体的な利用方法については、第１０の実施の形態で詳細に述べる。
【０１２２】
なお、波長変換装置５では、一つの変換光を出力するのに３つの波長変換部により波長変換を行うようにしているが、４つ以上の波長変換部により波長変換を行うようにしてもよいことは言うまでもない。また、波長変換装置５は、５個の光束として変換光Ｂ１〜Ｂ５を出力するようにしたが、波長変換部を調整することで上述した波長変換装置１〜４と同様に任意の数の光束として変換光を出力することができることは言うまでもない。
【０１２３】
＜第６の実施の形態＞
以下では、第６の実施の形態として、図６に示す波長変換装置６について説明する。なお、上述した第１〜５の実施の形態における波長変換装置１〜５と同一の機能を有するものについては、同じ符号を付して説明を省略する。
【０１２４】
上述した第１の実施の形態における波長変換装置１において、基本光の光路を分離する導光路として、互いに平行な部分反射膜１２及び反射膜１３を用いたが、波長変換装置６は、他の反射手段を用いて基本光の光路分離を行うものである。具体的に、波長変換装置６は、一対のコーナーキューブ型反射鏡、いわゆるキャッツアイを用いて基本光を繰り返し反射しながら一対のキャッツアイが対向する方向と直行する方向に基本光を導く。
【０１２５】
波長変換装置６は、図６に示すように、基本光の波長を変換して変換光を生成する波長変換素子２１と、基本光及び変換光の反射を防止する反射防止膜１５，１６と、基本光を繰り返し反射するとともに変換光を透過する一対のキャッツアイ２２，２３とを備えている。
【０１２６】
波長変換素子２１は、直方体の形状を呈した光学部材である。波長変換素子２１には、非線形光学現象を利用して基本光の波長を変換し、変換光を生成するｎ個の波長変換部２４ａ１〜２４ａｎが内部に設けられている。波長変換素子２１は、直方体の長手方向に平行な１つの側面２１ａ上に反射防止膜１５が設けられ、この側面２１ａから所定の距離にキャッツアイ２２が設けられている。また、波長変換素子２１は、側面２１ａと平行な反対側の側面２１ｂ上に反射防止膜１６が設けられ、この側面２１ｂから所定の距離にキャッツアイ２３が設けられている。
【０１２７】
キャッツアイ２２，２３は、第２の波長の光を透過し、第１の波長の光を反射する波長選択性を有する光学部材である。すなわち、キャッツアイ２２，２３は、基本光を反射し、変換光を透過する光分部材であり、キャッツアイ２２，２３の間の変換光を装置外部に取り出すことができる。具体的に、キャッツアイ２２，２３は、コーナーキューブ型反射鏡であり、入射した基本光を、コーナーキューブ面で反射させて入射光路と平行に所定の方向にシフトした光路となるように反射する。
【０１２８】
波長変換素子２１は、波長変換を行う波長変換部２４ａ１〜２４ａｎ以外の部分が、波長変換に寄与しない光透過性の高い光学材料で埋められている。波長変換素子２１の波長変換部２４ａ１〜２４ａｎ以外の部分を埋める光学材料としては、第１の波長の光及び第２の波長の光に対して高い透過率を有するものが好ましい。すなわち、波長変換素子２１の波長変換部２４ａ１〜２４ａｎ以外の部分を埋める光学材料としては、基本光及び変換光に対して高い透過率を有するものが好ましい。なお、波長変換素子２１の形状は、直方体に限定されるものではないことは言うまでもない。
【０１２９】
なお、波長変換素子２１の側面２１ｂから所定の距離に配設されたキャッツアイ２３は、側面２１ｂに対して長手方向にシフトした位置に配設されており、側面２１ｂの長手方向の一端側が外部に露呈している。この側面２１ｂが外部に露呈した部分を開口部２１ｃとする。図示しない光源から出射された基本光は、この開口部２１ｃから波長変換素子２１の内部に垂直に入射する。
【０１３０】
キャッツアイ２２，２３は、波長変換素子２１を挟んで互いに平行であり、それぞれ基本光を反射するので、開口部２１ｃから波長変換素子２１の内部に垂直に入射した基本光を、同一平面内で繰り返し反射する。ここで、キャッツアイ２２，２３は、入射した基本光を入射光路とは異なるが、入射方向と平行な方向へ正確に反射することができるように周期的な反射面からなるコーナーキューブ面が組み合わされている。この一対のキャッツアイ２２，２３は、波長変換素子２１の長手方向に、それぞれ対向するコーナーキューブ面の周期的な反射面を半周期分だけずらすことで、一対のキャッツアイ２２，２３の間で繰り返し反射しながら、この基本光を波長変換素子２１の長手方向、すなわちキャッツアイ２２，２３が対向する方向に対して直交する方向に導く。つまり、キャッツアイ２２，２３は、基本光を導く光路を形成している。
【０１３１】
具体的に、キャッツアイ２２，２３は、開口部２１ｃから波長変換素子２１の内部に入射した基本光を繰り返し反射することで、この基本光を互いに同一の直線上にはない複数の光路に導光する。つまり、キャッツアイ２２，２３は、先の光路から入射された基本光を同一の直線上にはない次の光路に順次導光する。ここで、先の光路及び次の光路とは、キャッツアイ２２又はキャッツアイ２３に入射した基本光が反射されて光路が変化する場合において、反射前後の基本光の光路をそれぞれ示している。
【０１３２】
波長変換部２４ａ１〜２４ａｎは、それぞれ直方体の形状を呈しており、長手方向の一端がキャッツアイ２３側に向けられ、他端がキャッツアイ２２側に向けられている。波長変換部２４ａ１〜２４ａｎは、キャッツアイ２２，２３が対向する方向に沿って、互いに平行で等間隔となるように形成されている。なお、波長変換部２４ａ１〜２４ａｎの形状は、直方体に限定されるものではなく、長手方向に延在された形状であればよい。
【０１３３】
波長変換部２４ａ１〜２４ａｎは、詳細を後述するが、基本光が長手方向の一端から長手方向に沿って入射されることで波長変換を行い、他端から変換光を出力する。なお、波長変換部２４ａ１〜２４ａｎは、長手方向の一端から基本光が長手方向に沿って入射されることで、他端から未変換の基本光も出力する。
【０１３４】
具体的に、波長変換部２４ａ１〜２４ａｎは、長手方向の一端から入射される基本光の周波数をωとすると、二次高調波発生により周波数が２ωの変換光を他端から出力する。すなわち、波長変換部２４ａ１〜２４ａｎは、基本光の波長が半分である変換光を出力する。
【０１３５】
また、波長変換部２４ａ１〜２４ａｎは、それぞれ長手方向の長さが均一とされており、それぞれ入射された基本光及び出力する変換光の光強度により光損傷が起こらないような相互作用長とされている。
【０１３６】
波長変換部２４ａ１〜２４ａｎは、それぞれ擬似位相整合により基本光から変換光を生成するための条件に適応するように、長手方向に反転周期や反転比率がそれぞれ異なるような分域反転構造とされている。すなわち、波長変換部２４ａ１〜２４ａｎは、それぞれ長手方向に対して自発分極を異なる周期で反転させた分域反転領域が形成されている。
【０１３７】
なお、波長変換部２４ａ１〜２４ａｎは、例えば、長手方向に反転周期が異なるように、相互作用長が均一となる反転パターンを、リソグラフィ技術等を用いて製作し、電界を印加することで分域反転構造が作成されている。
【０１３８】
波長変換部２４ａ１〜２４ａｎは、基本光及び変換光に対して光透過性を有する材料により形成されており、上述した波長変換部１４ａ１〜１４ａｎと同様の非線形光学結晶が用いられる。
【０１３９】
なお、上述した波長変換素子２１は、素子全体を単一の光学結晶で構成し、波長変換部２４ａ１〜２４ａｎのみに分域反転構造を形成する等して光学特性を変化させて、この波長変換部２４ａ１〜２４ａｎが波長変換を行うようにしてもよい。
【０１４０】
次に、波長変換装置６が、基本光から変換光へ波長変換を行う際の各部の作用について説明する。なお、以下では、ｉを１〜ｎまでの整数として、開口部２１ｃから入射された基本光の光路順に数えてｉ番目の波長変換部を波長変換部２４ａｉ、外部の光源から出射された基本光をＡ０、波長変換部２４ａｉから出力された基本光をＡｉ、波長変換部２４ａｉから出力された変換光をＢｉとして、基本光及び変換光の光路に沿って説明する。
【０１４１】
まず、図示しない光源から出射された基本光Ａ０は、周波数ωのレーザ光であり、反射防止膜１６を透過して波長変換素子２１の入射面に対して垂直に入射する。
【０１４２】
次に、波長変換素子２１内に入射した基本光Ａ０は、波長変換部２４ａ１に入射し、所定の変換効率で周波数２ωの変換光Ｂ１に波長変換される。波長変換部２４ａ１からは、変換光Ｂ１とともに未変換の基本光Ａ１が出力される。そして、波長変換部２４ａ１から出力された変換光Ｂ１は、反射防止膜１５を透過してキャッツアイ２２に入射し、このキャッツアイ２２を透過して外部に出力される。
【０１４３】
一方、波長変換部２４ａ１から出力された基本光Ａ１は、反射防止膜１５を透過してキャッツアイ２２のコーナーキューブ面に所定の入射角で入射し、コーナーキューブ面により全反射され、入射方向から平行にシフトした方向に反射され、反射防止膜１５を透過して再び波長変換素子２１内に入射する。
【０１４４】
次に、波長変換素子２１内に入射した基本光Ａ１は、波長変換部２４ａ２に入射し、所定の変換効率で周波数２ωの変換光Ｂ２に波長変換される。波長変換部２４ａ２からは、変換光Ｂ２とともに未変換の基本光Ａ２が出力される。そして、波長変換部２４ａ２から出力された変換光Ｂ２は、反射防止膜１６を透過してキャッツアイ２３に入射し、このキャッツアイ２３を透過して外部に出力される。
【０１４５】
一方、波長変換部２４ａ２から出力された基本光Ａ２は、反射防止膜１６を透過してキャッツアイ２３のコーナーキューブ面に所定の入射角で入射し、コーナーキューブ面により全反射され、入射方向から平行にシフトした方向に反射され、反射防止膜１６を透過して再び波長変換素子２１内に入射する。
【０１４６】
このように、波長変換装置６は、波長変換素子２１内へ入射した基本光Ａ０を、基本光Ａｎとなるまで、キャッツアイ２２，２３により繰り返し反射させながらｎ個の波長変換部２４ａ１〜２４ａｎにより波長変換することで変換光Ｂ１〜Ｂｎを出力する。
【０１４７】
以上のように、第６の実施の形態における波長変換装置６は、キャッツアイ２２，２３により繰り返し基本光を反射することで基本光の光路を分割し、キャッツアイ２２，２３に向かう基本光Ａ０〜Ａ（ｎ−１）の光路毎に相互作用長の異なるｎ個の波長変換部２４ａ１〜２４ａｎを分散させて配することで、装置全体で高変換効率の波長変換を行うことができる。
【０１４８】
また、波長変換装置６は、波長変換部２４ａ１〜２４ａｎが基本光Ａ０〜Ａ（ｎ−１）の光強度に対して光損傷が起こらない程度の相互作用長とされていることで、基本光Ａ０〜Ａ（ｎ−１）による波長変換部２４ａ１〜２４ａｎの光損傷を抑制することができる。これにより、波長変換装置６は、波長変換素子２１の寿命と信頼性を大幅に向上させることができる。
【０１４９】
さらに、波長変換装置６は、キャッツアイ２２，２３が互いに平行であり、また波長変換素子１１の波長変換部１４ａ１〜１４ａｎが互いに平行に等間隔に設けられているので、部分反射膜１２での変換光Ｂ１〜Ｂｎの入射位置が等間隔となり、且つキャッツアイ２２，２３への変換光Ｂ１〜Ｂｎの入射角度が均一な角度となるため、変換光Ｂ１〜Ｂｎを等間隔に並べて所定の方向へ揃えて出力することができる。
【０１５０】
さらにまた、波長変換装置６は、波長変換部２４ａ１〜２４ａｎの反転周期を調整して均一な光強度の変換光Ｂ１〜Ｂｎを出力することができるため、これら変換光Ｂ１〜Ｂｎをまとめて１つの光束として光強度分布が均一な光源とすることができる。
【０１５１】
さらにまた、波長変換装置６は、均一な光強度の変換光Ｂ１〜Ｂｎを平行に等間隔に並べて出力することができるので、線状光源として用いることができる。なお、波長変換装置が出力する変換光Ｂ１〜Ｂｎの具体的な利用方法については、第１０の実施の形態で詳細に述べる。
【０１５２】
＜第７の実施の形態＞
以下では、第７の実施の形態として、図７に示す波長変換装置７について説明する。なお、上述した第１〜６の実施の形態における波長変換装置１〜６と同一の機能を有するものについては、同じ符号を付して説明を省略する。
【０１５３】
ここで、波長変換装置６は、波長変換部２４ａ１〜２４ａｎにおける位相整合方式として、分域反転を用いた擬似位相整合により波長変換を行っていたが、位相整合方式として擬似位相整合に限定されないことは言うまでもない。
【０１５４】
波長変換装置７は、波長変換装置６における疑似位相整合により波長変換を行う波長変換素子２１に換えて、擬似位相整合以外の位相整合方式で波長変換を行う波長変換素子２５を備えるようにしたものである。
【０１５５】
ただし、波長変換素子２１を平行平板型の非線形光学結晶に置き換えただけでは、基本光Ａ０〜Ａ（ｎ−１）の各光路において同一の変換効率を持つため、出力される変換光Ｂ１〜Ｂｎの均一な光強度比を実現することはできない。変換光Ｂ１〜Ｂｎの均一な光強度比を実現するには、角度位相整合や温度位相整合等の方式を用いる場合、基本光Ａ０〜Ａ（ｎ−１）の各光路において波長変換部の相互作用長を変化させて並べることで実現可能である。
【０１５６】
そこで、波長変換装置７では、図７に示すように、それぞれ相互作用長の異なる波長変換部２８ａ１〜２８ａｎを相互作用長順に並べた波長変換素子２５を用いる。
【０１５７】
波長変換素子２５は、それぞれ幅が均一で長さが異なる直方体の形状とされたｎ個の波長変換部２８ａ１〜２８ａｎを複数有し、これら波長変換部２８ａ１〜２８ａｎが長さ順に接合されて２つの階段状平面２５ａ，２５ｂを形成している。また、波長変換素子２５は、この階段状平面２５ａ，２５ｂ上にそれぞれ反射防止膜２６、２７が設けられている。なお、反射防止膜２６，２７は、反射防止膜１５，１６と略同等の構成とされ、基本光及び変換光の反射を防止するようになっている。
【０１５８】
波長変換部２８ａ１〜２８ａｎは、波長変換を行う結晶材料であり、それぞれ位相整合により基本光から変換光を生成するための条件に適応するように調整されている。なお、波長変換部２８ａ１〜２８ａｎは、波長変換部１４ａ１〜１４ａｎと同じ非線形光学結晶を用いることができる。
【０１５９】
また、波長変換部２８ａ１〜２８ａｎは、互いに平行な一対のキャッツアイ２２，２３により繰り返し反射される基本光の光路中で、基本光がキャッツアイ２２，２３の間を１往復する毎の往路及び復路に１つずつ設けられている。これら複数の波長変換部２８ａ１〜２８ａｎは、それぞれ入射する基本光の光強度によって光損傷が起こらないような相互作用長となるように結晶長が調整されている。そして、それぞれの波長変換部２８ａ１〜２８ａｎは、入射された基本光を相互作用長に応じた所定の変換効率で波長変換して、変換光Ｂ１〜Ｂｎを出力する。
【０１６０】
具体的に、波長変換部２８ａ１〜２８ａｎは、長手方向の一端から入射される基本光の周波数をωとすると、二次高調波発生により周波数が２ωの変換光を他端から出力する。すなわち、波長変換部２８ａ１〜２８ａｎは、基本光の波長が半分である変換光を出力する。
【０１６１】
ここで、上述した波長変換部２８ａ１〜２８ａｎは、たとえ任意の結晶長であっても、結晶方位を変化させたり、温度を調節したり、電場又は磁場を印加し電気光学学効果又は磁気光学効果を発生させたり、外部応力を印加して光弾性効果を発生させる等により、位相整合条件を制御し、変換効率を適宜調整することで、必要とされる変換光の光強度比を実現することが可能である。また、波長変換部２８ａ１〜２８ａｎは、それぞれ異なる非線形光学結晶を用いることで、変換効率を調整することもできる。
【０１６２】
以上のように、第７の実施の形態における波長変換装置７は、キャッツアイ２２，２３により繰り返し基本光を反射することで基本光の光路を分割し、キャッツアイ２２，２３に向かう基本光Ａ０〜Ａ（ｎ−１）の光路毎に相互作用長の異なるｎ個の波長変換部２８ａ１〜２８ａｎを分散させて配することで、装置全体で高変換効率の波長変換を行うことができる。
【０１６３】
また、波長変換装置７は、波長変換部２８ａ１〜２８ａｎが基本光Ａ０〜Ａ（ｎ−１）の光強度に対して光損傷が起こらない程度の相互作用長とされていることで、基本光Ａ０〜Ａ（ｎ−１）による波長変換部２４ａ１〜２４ａｎの光損傷を抑制することができる。これにより、波長変換装置７は、波長変換素子２５の寿命と信頼性を大幅に向上させることができる。
【０１６４】
さらに、波長変換装置７は、キャッツアイ２２，２３が互いに平行であり、また波長変換素子２５の波長変換部２８ａ１〜２８ａｎが互いに平行に等間隔に設けられているので、キャッツアイ２２，２３への変換光Ｂ１〜Ｂｎの入射位置が等間隔となり、且つキャッツアイ２２，２３への変換光Ｂ１〜Ｂｎの入射角度が均一な角度となるため、変換光Ｂ１〜Ｂｎを等間隔に並べて所定の方向へ揃えて出力することができる。
【０１６５】
さらにまた、波長変換装置７は、波長変換部２８ａ１〜２８ａｎの上述した各種条件を調整して均一な光強度の変換光Ｂ１〜Ｂｎを出力することができるため、これら変換光Ｂ１〜Ｂｎをまとめて１つの光束として光強度分布が均一な光源とすることができる。
【０１６６】
さらにまた、波長変換装置７は、均一な光強度の変換光Ｂ１〜Ｂｎを平行に等間隔に並べて出力することができるので、線状光源として用いることができる。なお、波長変換装置が出力する変換光Ｂ１〜Ｂｎの具体的な利用方法については、第１０の実施の形態で詳細に述べる。
【０１６７】
＜第８の実施の形態＞
以下では、第８の実施の形態として、図８に示す波長変換装置８について説明する。なお、上述した第１〜７の実施の形態における波長変換装置１〜７と同一の機能を有するものについては、同じ符号を付して説明を省略する。
【０１６８】
波長変換装置８は、波長変換装置６における疑似位相整合により波長変換を行う波長変換素子２１に換えて、楔形状の波長変換素子２９を用い、この波長変換素子２９に対してキャッツアイ２２，２３をそれぞれ所定の角度だけ傾けて配設するようにしたものである。
【０１６９】
波長変換素子２９は、互いに対向して所定の角度θ３をなす２つの主面２９ａ，２９ｂを有し、この２つの主面上にそれぞれ反射防止膜１５，１６が設けられている。波長変換素子２９は、主面２９ａ又は２９ｂから基本光が入射されるようになっており、２つの主面２９ａ，２９ｂがなす角度（以下では、頂角と記述する。）をθ３として、この頂角θ３を調整することで変換効率を調整することができる。
【０１７０】
また、波長変換素子２９は、一対のキャッツアイ２２，２３によって繰り返し反射される基本光の波長を変換して変換光とする。波長変換素子２９は、角度位相整合により基本光から変換光を生成するための条件に適応する構造とされている。すなわち、波長変換素子２９は、基本光の進行方向に対して結晶方位や結晶長が調整された構造とされている。
【０１７１】
また、波長変換素子２９は、互いに対向する一対のキャッツアイ２２，２３により繰り返し反射される基本光の光路中において、それぞれ入射する基本光の光強度によって光損傷が起こらないような相互作用長とされている。そして、波長変換素子２９は、入射された基本光を所定の変換効率で波長変換して、変換光を出力するようになっている。
【０１７２】
具体的に、波長変換部２９は、主面２９ａ又は２９ｂから入射される基本光の周波数をωとすると、二次高調波発生により周波数が２ωの変換光を他方の主面２９ｂ又は２９ａから出力する。すなわち、波長変換部２９は、基本光の波長が半分である変換光を出力する。
【０１７３】
ここで、キャッツアイ２２，２３は、波長変換素子２９に入射する基本光と波長変換素子２９から出射される基本光及び変換光の光路がそれぞれ平行となるように波長変換素子２９にそれぞれ対向する楔形の主面に対して、角度が調整されている。
【０１７４】
このように、第８の実施の形態における波長変換装置８は、波長変換装置６及び７と同様に、波長変換素子２９内へ入射した基本光Ａ０を、基本光Ａｎとなるまで、キャッツアイ２２，２３により繰り返し反射させながら波長変換することで変換光Ｂ１〜Ｂｎを出力し、装置全体での波長変換効率を上げることができる。
【０１７５】
また、波長変換装置８は、波長変換素子２９の楔形の２つの主面２９ａ，２９ｂがなす頂角θ３と、キャッツアイ２２，２３が波長変換素子２９の２つの主面２９ａ，２９ｂに対する角度とをそれぞれ調整することにより、出力される複数の変換光Ｂ１〜Ｂｎが、キャッツアイ２２側と、キャッツアイ２３側とでそれぞれ所定の間隔で並び且つ所定の方向へ揃えて出力することができる。
【０１７６】
さらに、波長変換装置８は、反射面をもつコーナーキューブ等のプリズムの組み合わせにより、各変換光Ｂ１〜Ｂｎについて必要とされる光強度比を、例えば楔形状の波長変換素子２９の頂角θ３を調整することで、実効的な相互作用長を調整し、変換光Ｂ１〜Ｂｎを比較的容易に取り出すことができる。
【０１７７】
＜第９の実施の形態＞
以下では、第９の実施の形態として、図９に示す波長変換装置９について説明する。なお、上述した第１〜８の実施の形態における波長変換装置１〜８と同一の機能を有するものについては、同じ符号を付して説明を省略する。
【０１７８】
上述の第１〜８の実施の形態では、例えば部分反射膜，反射膜，キャッツアイ等の反射手段の間に波長変換素子を配設する構成を説明してきたが、本発明を適用した波長変換装置９は、波長変換素子が一対の反射手段の外側に配設されるようにしたものである。
【０１７９】
波長変換装置９は、図９に示すように、１つの光束からの複数の光束に基本光を分割する基本光分割手段６１と、基本光分割手段６１により分割された基本光の波長を変換して変換光を生成する波長変換手段６２とを備えている。
【０１８０】
基本光分割手段６１は、基本光を透過する光透過ブロック６３と、基本光を所定の透過率で透過するとともに残りを反射するハーフミラー６４と、基本光を反射する反射膜６５とを有する。
【０１８１】
光透過ブロック６３は、直方体の形状を呈した光学部材であり、基本光に対して光透過性を有している。光透過ブロック６３は、直方体の長手方向に平行な１つの側面６３ａ上に、ハーフミラー６４が設けられ、側面６３ａと平行な反対側の側面６３ｂ上に反射膜６５が設けられている。
【０１８２】
ハーフミラー６４は、第１の波長の光を所定量だけ透過するとともに残りの光を反射する、すなわち基本光を所定量だけ透過するとともに残りの基本光を反射する光学膜である。反射膜６５は、第１の波長の光を反射する、すなわち基本光を反射する光学膜である。
【０１８３】
なお、光透過ブロック６３の側面６３ｂ上には、全面に渡って反射膜６５が設けられているわけではない。光透過ブロック６３は、側面６３ｂの長手方向の一端側に反射膜６５が設けられていない部分があり、側面６３ｂが外部に露呈している。この側面６３ｂが外部に露呈した部分を開口部６３ｃとして、図示しない光源から出射された基本光が、この開口部６３ｃから波長変換素子６３の内部に入射する。ここで、波長変換素子６３の開口部６３ｃに入射する基本光の入射角をθ１とし、屈折角をθ２とする。基本光は、波長変換素子６３の長手方向に、側面６３ｂに対してθ１だけ傾いて開口部６３ｃに入射する。
【０１８４】
ハーフミラー６４及び反射膜６５は、光透過ブロック６３を挟んで互いに平行であり、それぞれ基本光を反射するので、開口部６３ｃから波長変換素子６６の内部に入射角θ１で入射され屈折角θ２で屈折した基本光を、同一平面内で繰り返し反射する。ここで、ハーフミラー６４及び反射膜６５は、ハーフミラー６４に入射する基本光が入射面に対して垂直に入射しない限り、スネルの法則にしたがって入射方向と異なる方向へ基本光を反射する。すなわち、ハーフミラー６４及び反射膜６５は、それぞれθ２の角度で基本光を繰り返し反射しながら、この基本光をハーフミラー６４及び反射膜６５が対向する方向に対して直交する方向に導く。つまり、ハーフミラー６４及び反射膜６５は、基本光を導く光路を形成している。
【０１８５】
具体的に、ハーフミラー６４及び反射膜６５は、開口部６３ｃから光透過ブロック６３の内部に入射した基本光を繰り返し反射することで、この基本光を互いに同一の直線上にはない複数の光路に導光する。つまり、ハーフミラー６４及び反射膜６５は、先の光路から入射された基本光を同一の直線上にはない次の光路に順次導光する。ここで、先の光路及び次の光路とは、ハーフミラー６４又は反射膜６５に入射した基本光が反射されて光路が変化する場合において、反射前後の基本光の光路をそれぞれ示している。
【０１８６】
上述したような構成とされた基本光分割手段６１は、ハーフミラー６４が所定の透過率で基本光を透過するので、ハーフミラー６４及び反射膜６５の間を繰り返し反射する基本光を、複数の光束として波長変換手段６２に向けて出力することができる。なお、ハーフミラー６４及び反射膜６５の間を繰り返し反射する基本光は、ハーフミラー６４に入射するたびに所定の透過率で外部に出力されるため、光強度が低減する。これにより、基本光分割手段６１から複数の光束として出力される基本光の光強度も順次低減することとなる。
【０１８７】
波長変換手段６２は、基本光を基本光とは異なる波長の変換光に変換する波長変換素子６６と、反射防止膜６７，６８とを有している。
【０１８８】
波長変換素子６６は、直方体の形状を呈した光学部材である。波長変換素子６６には、非線形光学現象を利用して基本光の波長を変換し、変換光を生成するｎ個の波長変換部６９ａ１〜６９ａｎが内部に設けられている。波長変換素子６６は、直方体の長手方向に平行な１つの側面６６ａ上に、反射防止膜６７が設けられ、側面６６ａと平行な反対側の側面６６ｂ上に反射防止膜６８が設けられている。
【０１８９】
反射防止膜６７，６８は、波長変換素子６６へ入射する基本光が波長変換素子６６の界面で反射してしまうことを防ぎ、基本光を透過する。なお、後述するが変換光を出射する側の反射防止膜６８は、基本光を吸収又は反射するようにすることで、変換光のみを取り出すことを容易にすることができる。
【０１９０】
波長変換素子６６は、波長変換を行う波長変換部６９ａ１〜６９ａｎ以外の部分が、波長変換に寄与しない光透過性の高い光学材料で埋められている。波長変換素子６６の波長変換部６９ａ１〜６９ａｎ以外の部分を埋める光学材料としては、第１の波長の光及び第２の波長の光に対して高い透過率を有するものが好ましい。すなわち、波長変換素子６６の波長変換部６９ａ１〜６９ａｎ以外の部分を埋める光学材料としては、基本光及び変換光に対して高い透過率を有するものが好ましい。なお、波長変換素子６６の形状は、直方体に限定されるものではなく、側面６６ａ，６６ｂ上にそれぞれ反射防止膜６７，６８を互いに平行に設けることができる形状であればよい。
【０１９１】
波長変換部６９ａ１〜６９ａｎは、それぞれ直方体の形状を呈しており、長手方向の一端が反射防止膜６７側に向けられ、他端が反射防止膜６８側に向けられている。なお、波長変換部６９ａ１〜６９ａｎの形状は、直方体に限定されるものではなく、長手方向に延在された形状であればよい。
【０１９２】
波長変換部６９ａ１〜６９ａｎは、詳細を後述するが、基本光が長手方向の一端から長手方向に沿って入射されることで波長変換を行い、他端から変換光を出力する。
【０１９３】
具体的に、波長変換部６９ａ１〜６９ａｎは、長手方向の一端から入射される基本光の周波数をωとすると、二次高調波発生により周波数が２ωの変換光を他端から出力する。すなわち、波長変換部６９ａ１〜６９ａｎは、基本光の波長が半分である変換光を出力する。
【０１９４】
波長変換部６９ａ１〜６９ａｎは、反射防止膜６７，６８に対して、長手方向が垂直とされており、互いに平行で等間隔となるように配設されている。波長変換部６９ａ１〜６９ａｎは、それぞれ長手方向の長さが均一とされ、部反射防止膜６７，６８が対向する方向に対して直交する方向に配設されている。なお、波長変換部６９ａ１〜６９ａｎは、それぞれ入射された基本光及び出力する変換光の光強度により光損傷が起こらないような相互作用長とされている。
【０１９５】
具体的に、波長変換部６９ａ１〜６９ａｎは、それぞれ擬似位相整合により基本光から変換光を生成するための条件に適応するように、長手方向に反転周期や反転比率が調整された分域反転構造とされている。すなわち、波長変換部６９ａ１〜６９ａｎは、それぞれ長手方向に対して自発分極を所定の周期で反転させた分域反転領域が形成されている。
【０１９６】
なお、波長変換部６９ａ１〜６９ａｎは、例えば、長手方向に反転周期が調整された分域反転パターンを、リソグラフィ技術等を用いて製作し、電界を印加することで分域反転構造が作成されている。
【０１９７】
波長変換部６９ａ１〜６９ａｎは、基本光及び変換光に対して光透過性を有する材料により形成されており、上述した波長変換部２４ａ１〜２４ａｎと同じ非線形光学結晶を用いることができる。
【０１９８】
ここで、上述したように構成された波長変換手段６２は、波長変換素子６６の側面６６ａに対して基本光分割手段６１により複数の光束とされた基本光が垂直に入射されるように基本光分割手段６１に対して位置決めされている。すなわち、波長変換部６９ａ１〜６９ａｎは、側面６６ａ側の端部から長手方向に向かってそれぞれ基本光が入射される。
【０１９９】
次に、波長変換装置９が、基本光から変換光へ波長変換を行う際の各部の作用について説明する。なお、以下では、ｉを１〜ｎまでの整数として、開口部６３ｃから入射された基本光をＡ０、ハーフミラー６４から出力された基本光のうちハーフミラー６４へｉ回入射して出力された基本光をＡｉ、波長変換部１４ａｉから出力された変換光をＢｉとして、基本光及び変換光の光路に沿って説明する。
【０２００】
まず、図示しない光源から出射された基本光Ａ０は、周波数ωのレーザ光であり、開口部６５ａの入射面に対して入射角θ１で入射し、入射面で屈折角θ２だけ屈折する。
【０２０１】
次に、入射部６５ａから入射した基本光Ａ０は、ハーフミラー６４を所定量だけ透過して基本光Ａ１となり、残りが反射されて反射膜６５に入射する。ハーフミラー６４を透過した基本光Ａ１は、反射防止膜６７を介して波長変換素子６６に対して垂直に入射し、波長変換部６９ａ１により波長変換されて変換光Ｂ１となる。波長変換部６９ａ１により波長変換された変換光Ｂ１は、反射防止膜６８入射し、この反射防止膜６８を透過して外部に出力される。
【０２０２】
一方、反射膜６５で反射された残りの基本光は、反射膜６５で全反射されて再びハーフミラー６４に入射し、ハーフミラー６４を所定量だけ透過して基本光Ａ２となり、残りが反射されて反射膜６５に入射する。ハーフミラー６４を透過した基本光Ａ２は、反射防止膜６７を介して波長変換素子６６に対して垂直に入射し、波長変換部６９ａ２により波長変換されて変換光Ｂ２となる。波長変換部６９ａ２により波長変換された変換光Ｂ２は、反射防止膜６８に入射し、この反射防止膜６８を透過して外部に出力される。
【０２０３】
このように、第９の実施の形態における波長変換装置９は、基本光分割手段６１内へ入射した基本光Ａ０を、基本光Ａｎとなるまで、ハーフミラー６４及び反射膜６５により繰り返し反射させながらｎ個の光束の基本光に分離する。そして、波長変換装置９は、基本光分割手段６１により分割された基本光Ａ１〜Ａｎを波長変換素子６６の各波長変換部６９ａ１〜６９ａｎにより波長変換することで変換光Ｂ１〜Ｂｎを出力し、装置全体での波長変換効率を上げることができる。
【０２０４】
また、波長変換装置９は、基本光分割手段６１のハーフミラー６４及び反射膜６５が互いに平行であるので、複数の基本光Ａ１〜Ａｎを所定の間隔で並び且つ所定の方向へ揃えて出力して波長変換手段６２に入射することができる。これにより波長変換手段６２は、変換光Ｂ１〜Ｂｎを所定の間隔で並び且つ所定の方向へ揃えて出力することができる。
【０２０５】
さらに、波長変換装置９は、基本光分割手段６１の光透過ブロック６３と波長変換手段６２の波長変換素子６６とに、それぞれ異なる光学材料を用いることができ、基本光及び変換光の光強度や集光条件と光損傷に関する閾値との兼ね合いで、それぞれ最適な光学材料を選ぶことができる。
【０２０６】
具体的に、基本光分割手段６１の光透過ブロック６３としては、例えば、変換光に対しては光損傷に関する閾値が低いが、基本光に対しては光損傷に関する閾値が高い、すなわち基本光に強い光学材料を用いることができる。一方、波長変換手段６２の波長変換素子６６としては、光透過ブロック６３と比べて低い光強度の基本光しか入射しないため、変換光に対する光耐力を優先した光学材料を選ぶことや、変換効率を増大するために、光損傷に関する閾値以下で強く集光することもできる。
【０２０７】
さらに、波長変換装置９は、直線状に変換光Ｂ１〜Ｂｎを等間隔に並べて出力することができるので、線状光源として用いることができる。なお、波長変換装置が出力する変換光Ｂ１〜Ｂｎの具体的な利用方法については、第１０の実施の形態で詳細に述べる。
【０２０８】
なお、波長変換装置９は、上述した波長変換手段６２の波長変換素子６６に換えて、図１０及び図１１に示す波長変換素子７１又は波長変換素子８１を用いてもよい。波長変換素子７１は、直方体の形状を呈しており、素子全体に渡って角度位相整合を行うように結晶方位と相互作用長が調整された波長変換素子である。波長変換素子８１は、直方体の形状を呈しており、素子全体に渡って分域反転領域８２を設け、反転周期や反転比率が調整された波長変換素子である。
【０２０９】
波長変換素子７１，８１は、上述した波長変換素子６６と同様に直方体の形状を呈している。また、波長変換素子７１，８１は、上述した波長変換部６９ａ１〜６９ａｎと同様に、非線形光学結晶を用いることができる。
【０２１０】
波長変換素子７１，８１は、上述した基本光分割手段６１のような方法で得られる複数の基本光が、側面７１ａ，７１ｂ、側面８１ａ，８１ｂの間でさらに反射を繰り返して、各光路中で波長変換されるように構成してもよい。この場合、波長変換素子７１，８１には、反射防止膜６７，６８に換えて基本光に対する全反射膜を取り付けることになる。この場合は、上述した波長変換装置１と同様に、波長変換素子７１，８１に対して所定の入射角で基本光を入射させることによって、各基本光を複数回、波長変換することができる。
【０２１１】
入射する基本光の間隔は、波長変換素子７１，８１内の反射により形成される変換光の光路の間を互いに進むよう適切に設定する。波長変換素子７１，８１は、このような構成とすることによって、限られた波長変換を行う構造部の開口部に空間的に分離された多くの波長変換光路を設けることができる。反射防止膜６７，６８に換えた全反射膜は、基本光を所望の数だけ波長変換素子７１，８１に入射させるよう部分的に取り付けることが好ましい。この全反射膜は、変換光に対して選択的に透過するよう反射防止作用をもたせるとしてもよい。
【０２１２】
また、上述した波長変換装置９は、波長変換素子７１，８１以外にも、各光路に所望の変換効率を実現するような分域反転等の波長変換を行う構造を設ければ、応用上必要とされる任意の光強度比の変換光を得ることができることは言うまでもない。
【０２１３】
さらに、上述した波長変換装置９は、波長変換素子７１，８１に対して複数の基本光を出力する方法として、上述した基本光分割手段６１を用いずに、半導体レーザアレイから出力される基本光をそのまま用いる方法、空間的に離れて配置された複数光源をミラー及びマイクロミラーを使用して平行に配置する方法、空間的に離れて配置された複数光源を光ファイバ等の光導波路を用いて各光を導光させてその光ファイバからの出射光を適切に配置する方法、空間的に離れて配置された複数光源をフォトニック結晶等による光導波路構造を用いて平行な光路に導く方法、複数光源でレーザ媒質の異なる位置或いは別々のレーザ媒質を励起して発生したレーザ光を利用する方法、複数光源から出射した基本光をレーザ利得を持った光ファイバ等に入射させてその光ファイバを別の光源で励起し増幅されたレーザ光を利用する方法や、これらの組み合わせによる方法を用いることができる。
【０２１４】
ここで、上述したレーザ媒質としては、例えば共振ミラーを構成するような光学薄膜を取り付けたＮｄ：ＹＡＧ（ｙｔｔｒｉｕｍ−ａｌｕｍｉｎｕｍ−ｇａｒｎｅｔ）結晶等を用いることができる。
【０２１５】
光ファイバからの出射光を平行に配置するためには、ガラス等の基板上に等間隔及び平行にＶ型の溝を設け、そこに光ファイバを配置する方法を用いることができる。
【０２１６】
上述した複数光源としては、固体レーザ、半導体レーザ等様々な光源を用いることができ、また、これらをミラー、コーナーキューブ、プリズム、コーティング、光導波路、光ファイバ、ビームスプリッタ（ＢＳ：Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ：Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）、複屈折板、ＭＥＭＳ（ｍｉｃｒｏ ｅｌｅｃｔｒｏ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ）、フォトニック結晶等を用いて２つ以上に分割して用いることもできる。なお、固体レーザとしては、例えばマイクロチップレーザ等も用いることができる。なお、複数光源から出力された基本光は、効率的な波長変換のためにマイクロレンズ等を用いて適切にビーム整形及び集光されて波長変換素子に入射させることが好ましい。
【０２１７】
上述したフォトニック結晶としては、図１２に示すように、フォトニック結晶８３を用いることができる。このフォトニック結晶８３は、結晶構造中における光エネルギーのバンドギャップを利用して、入射したレーザ光を所望の方向に偏向させることが可能となっている。フォトニック結晶８３では、外部から入射した複数の基本光Ａ１〜Ａ５が、内部で偏向されて、一定方向に揃えて出射することができる。また、このようなフォトニック結晶を用いることにより、基本光や変換光の閉じこめを図ることもできる。
【０２１８】
さらにまた、上述した波長変換装置９は、基本光分割手段６１に変えて、基本光を時間的に分割する手段を用いてもよい。この場合に、波長変換装置９は、基本光分割手段６１に換えて、上述したように基本光を分割する手段としてマイクロミラーや回折型空間光位相変調素子といったＭＥＭＳデバイス等を用いることができる。
【０２１９】
このような分割手段は、例えば、図１３及び図１４に示すように、外部から入射された基本光を時間により異なる方向へ反射するマイクロミラー８５と、マイクロミラー８５により反射された基本光を更に反射するミラー８６及びミラー８７とを有する。
【０２２０】
上述したように構成された分割手段は、マイクロミラー８５を所定時間毎に向きを所定量変化させてマイクロミラー８５に入射する基本光をミラー８６又はミラー８７に導くことができる。具体的には、図１３及び図１４に示すように基本光が時間的に分割される。
【０２２１】
まず、図１３に示すように、第１の時刻Ｔ１において、基本光Ａ０は、マイクロミラー８５に入射すると、マイクロミラー８５により反射されてミラー８６に入射し、ミラー８６により反射されて基本光Ａ１として図示しない非線形変換素子に出力される。
【０２２２】
次に、図１４に示すように、第２の時刻Ｔ２において、基本光Ａ０は、マイクロミラー８５に入射すると、マイクロミラー８５により反射されてミラー８７に入射し、ミラー８７により反射されて基本光Ａ２として図示しない非線形変換素子に出力される。
【０２２３】
このように、分割手段は、図示しないミラー駆動手段により適切な時間間隔でマイクロミラー８５を交互に駆動し、かつ基本光Ａ１，Ａ２が平行となるようにすれば、擬似的に空間分離された２つの基本光Ａ１，Ａ２を出力することになる。このとき、分割の時間間隔は、応用上必要とされる範囲で、十分速く設定すればよい。また、分割の時間比率は変換効率に応じて適切に分けることが好ましい。なお、本例では、基本光Ａ０を２つに分割したが、３つ以上のミラーを用いて３つ以上に分割してもよいことは言うまでもない。
【０２２４】
＜第１０の実施の形態＞
以下では、第１０の実施の形態として、図１５に示すように、上述した第１〜９の実施の形態で説明した波長変換装置１〜９が出力した複数の光束の変換光をまとめて出力する変換光収束装置９０について説明する。なお、上述した第１〜９の実施の形態における波長変換装置１〜９と同一の機能を有するものについては、同じ符号を付して説明を省略する。
【０２２５】
変換光集束装置９０は、複数の変換光を出力する波長変換装置９１から出力される複数の変換光Ｂ１〜Ｂ７をそれぞれ集光する複数のカップリング部９２と、カップリング部９２により集光された変換光Ｂ１〜Ｂ７をそれぞれ導光する複数の光ファイバ９３と、光ファイバ９３により導光された変換光Ｂ１〜Ｂ７を取りまとめるバンドルファイバ９４と、バンドルファイバ９４により取りまとめられた変換光を出力するホモジナイザ９５とを備えている。
【０２２６】
なお、波長変換装置９１は、上述した第１〜９の実施の形態における波長変換装置１〜９のうち何れか１つと略同様の構成とされており、複数の変換光Ｂ１〜Ｂ７を出力する。
【０２２７】
カップリング部９２は、波長変換装置９１から出力された各変換光Ｂ１〜Ｂ７を光ファイバ９３にカップリングするためのレンズ等の集光光学系からなる。
【０２２８】
光ファイバ９３は、可撓性を有し、変換光に対して光透過性の高いチューブを変換光が全反射するような反射面でシールドしたファイバである。光ファイバ９３は、一端に入射した変換光を反射面で反射させながら他端まで伝達する。
【０２２９】
バンドルファイバ９４は、光ファイバ９３を取りまとめ、光ファイバ９３から出力される変換光を１つの光束とするファイバであり、光ファイバ９３と比して大径とされている。
【０２３０】
ホモジナイザ９５は、バンドルファイバ９４に取りまとめられた変換光の強度分布をより一層均一化するためのフライアイレンズ等の光学系からなる。
【０２３１】
このような変換光集束装置９０は、波長変換装置９１から出力された各変換光Ｂ１〜Ｂ７を各カップリング部９２によりそれぞれ光ファイバ９３に集光し、複数の光ファイバ９３を用いて各変換光Ｂ１〜Ｂ７を導光し、光ファイバ９３により導光された変換光Ｂ１〜Ｂ７をバンドルファイバ９４により効率良く集め、ホモジナイザ９５により変換光の強度分布を高精度に均一化して出力する。
【０２３２】
これにより、変換光集束装置９０は、空間的に強度分布が均一で高品位な変換光を得ることができる。また、変換光集束装置９０は、光ファイバ９３がバンドルファイバ９４によりバンドルされるまで、各変換光Ｂ１〜Ｂ７が低出力光であるため、高価で高耐力の光学素子の部品点数を減らすことができ安価に作製することが可能である。
【０２３３】
また、変換光集束装置９０は、上述のような手法を用いることにより、変換光Ｂ１〜Ｂ７を光ファイバ９３内に閉じ込めることができるため、空間伝送が容易になり、外部に変換光を漏らすことがなくなる。
【０２３４】
このような変換光集束装置９０を用いることで上述した第１乃至第９の実施の形態における波長変換装置１〜９は、変換光の短波長化、高出力化、高輝度化、空間的均一化等を実現でき、リソグラフィ光源として有用なことはもとより、レーザ微細加工、レーザアブレーション、レーザアニール、レーザ表面改質等、材料加工へ応用することができる。特に、レーザアニール、レーザ表面改質等においては、大きな面積を照明することが可能となるので、タクトタイムが短くなり、生産性が向上する。
【０２３５】
ここで、ＳＬＭ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｌｉｇｈｔ Ｍａｃｈｉｎｅｓ）社において開発された、静電容量型Ｍｅｍｂｒａｎｃｅを有するＭＯＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏ−ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）素子である、回折型空間光位相変調素子（Ｇｒａｔｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ Ｖａｌｖｅ：商標）は、その高速応答性と消光比の高さから、光通信、レーザプロジェクタ、プリンターヘッド等への応用が考えられている。この変調素子は、空間的な解像度を高くするために、直線状に多数の変調素子を並べて用いる。こうした素子への照明として、たとえば、縦２５ｍｍ、横１００μｍという非常に扁平なアスペクト比をもつ形状に、点光源から均一なレーザ照明を行うことは、困難であり、例えば 非球面をもつ特殊なレンズ、例えば、Ｅｄｍｕｎｄ Ｏｐｔｉｃｓ Ｊａｐａｎ社製のレーザラインジェネレータ等を用いていた。また、レーザディスプレイへ応用の場合、投影された映像に、レーザスペックルが発生し、映像を劣化させることが問題であった。
【０２３６】
上述した変換光集束装置９０は、多点光源を照明源として用いると、マイクロレンズとの組み合わせにより容易に均一な強度分布を実現できる。また、レーザスペックルが、その統計的性質上、光源の多数化による平均化又は時間平均によって低減が可能であるので、上述の基本光分割手段９１や変換光集束手段９２は、有効である。
【０２３７】
このような波長変換装置９１は、ディスプレイ分野において、ｅ−Ｃｉｎｅｍａ、デジタルシネマ用プロジェクタ、業務用プロジェクタ、リア型プロジェクタ、フロント型プロジェクタ、ホームシアター用ディスプレイ、プレゼンテーション用等に用いるコンピュータ画像投影機に応用することができる。
【０２３８】
また波長変換装置は、光通信用分野において、ＷＤＭ用各種デバイス、ＭＵＸ、ＤＥＭＵＸ、ａｄｄ／ｄｒｏｐフィルタ、Ｘｃｏｎｎｅｃｔ等に応用することができ、ディスプレイ以外の露光装置として、プリンタエンジン、微細描画装置、半導体露光装置（マスクレス、ＣＡＤデジタル画像の直描装置）等に応用することができる。
【０２３９】
最後に、本発明を適用した波長変換装置は、第１〜１０の実施の形態で説明した波長変換装置１〜９に限定されるものでなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。また、本発明を適用した波長変換装置は、第１〜１０の実施の形態で説明した波長変換装置１〜９を組み合わせたものとしてもよい。
【０２４０】
なお、上述した本発明を適用した波長変換装置１〜９では、波長変換を行う手段として、相互作用長、分域構造が調整された非線形光学結晶を用いたが、本発明において波長変換を行う手段としては、これらに限定されるものではなく、例えば、結晶方位、分域構造、相互作用長、結晶の温度、外部電磁場、外部音波、外部応力等のうち少なくとも１つを調整することで、所望の変換効率を達成する波長変換素子を用いてもよい。
【０２４１】
また、上述した本発明を適用した波長変換装置１〜９では、基本光を導光する手段として、コーティングやコーナーキューブについて説明したが、本発明において基本光を導光する手段としては、これらに限定されるものではなく、例えば、平面ミラー、プリズム、光導波路、光ファイバ、ビームスプリッタ、偏光ビームスプリッタ、ＭＥＭＳ、フォトニック結晶等のうち少なくとも１つを用いてもよい。
【０２４２】
さらに、上述した本発明を適用した波長変換装置１〜９では、基本光又は変換光の少なくとも一つに対して、集光作用又は発散作用を有する光制御手段を用いてもよい。このような光制御手段としては、レンズ、マイクロレンズアレイ、曲面ミラー、光導波路、光ファイバ、フォトニック結晶等のうち少なくとも１つを用いることができる。
【０２４３】
【発明の効果】
上述したように本発明に係る波長変換装置は、非線形光学現象を用いて波長変換を行う素子の光学材料に対する光損傷を低減することができるため、素子の寿命と信頼性を大幅に向上させることができる。
【０２４４】
また、波長変換装置は、非線形変換素子の材料に発生する光誘起複屈折率効果等により、変換効率の低減を被ることなく、高変換効率の波長変換を行うことができる。これにより、波長変換装置は、低出力の基本光で高出力の変換光を得ることができるため省エネルギー化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した波長変換装置の装置構成を示す平面図である。
【図２】部分反射膜と反射膜とを波長変換素子から所定の距離に配した波長変換装置の構成を説明するための平面図である。
【図３】各波長変換部の相互作用長を等しくし、それぞれの分域反転領域の反転周期及び反転比率を調整した波長変換装置の構成を説明するための平面図である。
【図４】波長変換素子全体に渡ってチャープ構造を設けた波長変換装置を説明するための平面図である。
【図５】基本光の進行方向に対して、反転周期の異なる波長変換部を複数設けた波長変換素子を説明するための平面図である。
【図６】一対のキャッツアイにより基本光を繰り返し反射する波長変換装置を説明するための平面図である。
【図７】一対のキャッツアイにより基本光を繰り返し反射する波長変換装置において、結晶長の異なる部材を組み合わせた波長変換素子を用いた場合を説明するための平面図である。
【図８】一対のキャッツアイにより基本光を繰り返し反射する波長変換装置において、略楔形状の波長変換素子を用いた場合を説明するための平面図である。
【図９】基本光を分離する手段と波長を変換する手段とが別体とされた波長変換装置を説明するための平面図である。
【図１０】図９に示す波長変換装置において、波長を変換する手段の他の例を示す平面図である。
【図１１】図９に示す波長変換装置において、波長を変換する手段のさらに他の例を示す平面図である。
【図１２】波長変換装置に基本光を入射するフォトニック結晶を説明するための平面図である。
【図１３】基本光を時間的に分割する分割手段の第１の時刻における状態を説明するための平面図である。
【図１４】基本光を時間的に分割する分割手段の第２の時刻における状態を説明するための平面図である。
【図１５】波長変換装置が出力する複数の変換光をまとめる変換光集束装置の構成を示す斜視図である。
【図１６】従来の波長変換装置の構成を説明するための図である。
【図１７】波長変換素子におけるウォークオフ角を説明するための図である。
【符号の説明】
Ａ０〜ｎ 基本光、Ｂ１〜ｎ 変換光、１１ 波長変換素子、１２ 部分反射膜、１３ 反射膜、１１ａ，１１ｂ 側面、１１ｃ 入射部、１４ａ１〜ｎ 波長変換部、１５ 反射防止膜、１６ 反射防止膜、１７ａ１〜ｎ 波長変換部、１８ 波長変換部、１９ａ１〜６ 波長変換部、２１ 波長変換素子、２１ａ，２１ｂ 側面、２１ｃ 開口部、２２ キャッツアイ、２３ キャッツアイ、２４ａ１〜ｎ 波長変換部、２５ 波長変換素子、２５ａ，２５ｂ 側面、２６ 反射防止膜、２７ 反射防止膜、２８ａ１〜ｎ 波長変換部、２９ 波長変換素子、２９ａ，２９ｂ 主面、６１ 基本光分離手段、６２ 波長変換手段、６３光透過ブロック、６３ａ，６３ｂ 側面、６３ｃ 開口部、６４ ハーフミラー、６５ 反射膜、６６ 波長変換素子、６６ａ，６６ｂ 側面、６７ 反射防止膜、６８ 反射防止膜、６９ａ１〜ｎ 波長変換部、７１ 波長変換素子、８１ 波長変換素子、８２ 分域反転領域、８３ フォトニック結晶、８５ マイクロミラー、８６ ミラー、８７ ミラー、９０ 変換光収束装置、９１ 波長変換装置、９２ カップリング部、９３ 光ファイバ、９４ バンドルファイバ、９５ ホモジナイザ
Claims (14)
- レーザ光の波長を変換する波長変換装置において、
入射したレーザ光を互いに同一の直線上にはない複数の光路に導光する導光手段と、
上記互いに同一の直線上にはない複数の光路に配設され、上記入射したレーザ光の波長を変換する波長変換手段と、
上記波長変換手段により波長が変換されたレーザ光を取り出すレーザ光取り出し手段とを備えること
を特徴とする波長変換装置。 - 上記導光手段は、上記互いに同一の直線上にはない複数の光路の一端部に配設され、上記入射したレーザ光を上記互いに同一の直線上にはない複数の光路に順次導光する導光部材を有し、
上記導光部材は、先の同一の直線上にはない光路から導光されたレーザ光を次の同一の直線上にはない光路に導光すること
を特徴とする請求項１記載の波長変換装置。 - 上記導光部材は、先の同一の直線上にはない光路から導光されたレーザ光を次の同一の直線上にはない光路に反射する反射部材であること
を特徴とする請求項２記載の波長変換装置。 - 上記反射部材は、上記入射したレーザ光を反射するとともに、上記波長変換手段により波長が変換されたレーザ光を透過することにより、上記波長が変換されたレーザ光を取り出す上記レーザ光取り出し手段を兼ねていること
を特徴とする請求項３記載の波長変換装置。 - 上記波長変換手段が配設された上記互いに同一直線上にはない複数の光路は、互いに平行であり、かつ同一平面内にあり、
上記レーザ光取り出し手段により取り出された、上記波長が変換された複数のレーザ光の光軸は、互いに平行であり、かつ同一平面内にあること
を特徴とする請求項３記載の波長変換装置。 - 上記導光部材は、相対して設けられた２つの反射部材のうち一方の反射部材の一部をなすこと
を特徴とする請求項３記載の波長変換装置。 - 上記導光手段は、入射した複数のレーザ光を上記互いに同一の直線上にはない複数の光路にそれぞれ導光すること
を特徴とする請求項１記載の波長変換装置。 - 上記導光手段は、上記入射したレーザ光を複数の光束に分割する分割手段を有し、上記分割手段により分割された複数の光束を上記互いに同一の直線上にはない複数の光路にそれぞれ導光すること
を特徴とする請求項１記載の波長変換装置。 - 上記分割手段は、上記入射したレーザ光を反射する互いに対向する一対の反射部材を有し、上記一対の反射部材により上記入射したレーザ光を上記互いに同一の直線上にはない複数の光路へ順次反射し、上記一対の反射部材のうち少なくとも一方が上記入射したレーザ光を所定の透過率で透過することにより上記入射したレーザ光を分割すること
を特徴とする請求項８記載の波長変換装置。 - 上記反射部材は、ミラーであること
を特徴とする請求項３記載の波長変換装置。 - 上記反射部材は、コーナーキューブであること
を特徴とする請求項３記載の波長変換装置。 - 上記互いに同一の直線上にはない複数の光路に配設された波長変換手段は非線形光学素子あり、それぞれの当該非線形光学素子の分域構造、結晶方位及び相互作用長のうち少なくとも一つがそれぞれ調整され、上記波長が変換されたレーザ光は同一の光強度を持つこと
を特徴とする請求項２記載の波長変換装置。 - 上記非線形光学素子は、上記分域構造を上記互いに同一の直線上にはない複数の光路毎の上記レーザ光の光強度に応じた反転比率及び／又は反転周期に調整されたこと
を特徴とする請求項１２記載の波長変換装置。 - 上記非線形光学素子は、上記相互作用長を上記互いに同一の直線上にはない複数の光路毎の上記レーザ光の光強度に応じた長さに調整されたこと
を特徴とする請求項１２記載の波長変換装置。
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