JP4977531B2

JP4977531B2 - 波長変換装置及び二次元画像表示装置

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Publication number: JP4977531B2
Application number: JP2007145232A
Authority: JP
Inventors: 愼一式井; 博之古屋; 公典水内; 達男伊藤; 和久山本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-06-23
Filing date: 2007-05-31
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2027-05-31
Also published as: JP2008026873A

Description

本発明は、波長変換装置及び二次元画像表示装置に関し、より特定的には、レーザファイバと波長変換素子とを組み合わせて、高出力な高調波レーザを安定して得ることができる波長変換装置、及びそれを用いた二次元画像表示装置に関する。

単色性が強くＷ級の高出力が得られる可視光源は、大型ディスプレイや高輝度ディスプレイ等を実現する上で必要とされている。赤、緑、青の３原色のうち赤色の光源については、ＤＶＤレコーダー等で使用されている赤色高出力半導体レーザが、生産性の高い小型の光源として利用可能である。しかし、緑色または青色の光源については、半導体レーザでの実現が難しく、生産性の高い小型の光源が求められている。

従来の緑色または青色の光源としては、レーザファイバと波長変換素子とを組み合わせた波長変換装置が低出力の可視光源として実現されている。このような波長変換装置では、レーザファイバを励起する励起光の光源として半導体レーザが、波長変換素子として非線形光学結晶が用いられる。

図１０に従来の波長変換装置の概略構成を示す。ここでは、図１０に示す波長変換装置を用いて、緑色の出力光を得る場合について説明する。図１０において、従来の波長変換装置は、基本波を出力するレーザファイバ４０と、基本波を緑色のレーザ光に変換する波長変換素子４１と、波長変換素子４１の端面に基本波を集光するレンズ４２とから構成されている。

まず、レーザファイバ４０の基本動作について説明する。レーザファイバ４０において、励起用レーザ光源４３から出力された励起光（励起レーザ）がファイバ４４の一端４４ａから入射する。ファイバ４４に入射した励起光は、ファイバ４４に含まれるレーザ活性物質で吸収された後、ファイバ４４の内部で基本波の種光に変換される。この基本波の種光は、ファイバ４４に形成されたファイバグレーティング４４ｂと、ファイバ４５に形成されたファイバグレーティング４５ｂとを一対の反射ミラーとするレーザ共振器の中を何度も反射して往復する。それと同時に、基本波の種光は、ファイバ４４に含まれるレーザ活性物質によるゲインで増幅されて、光強度が増大すると共に波長選択されてレーザ発振に到る。なお、ファイバ４４とファイバ４５とは、接続部４６で接続されており、励起用レーザ光源４３は励起用レーザ電流源４７により電流駆動される。

レーザファイバ４０から出力された基本波は、レンズ４２を介して波長変換素子４１に入射し、波長変換素子４１の非線形光学効果により高調波に変換される。この変換された高調波は、ビームスプリッタ４８で一部反射されるが、透過された高調波が波長変換装置の出力光である緑色のレーザ光となる。

ビームスプリッタ４８で一部反射された高調波は、波長変換装置の出力光をモニターするための受光素子４９で受光された後、電気信号に変換されて利用される。出力制御部５０は、受光素子４９で変換された電気信号が所望の強度が得られるように、励起用レーザ電流源４７を制御し、励起用レーザ光源４３の駆動電流を調整する。これによって、従来の波長変換装置は、励起用レーザ光源４３から出力される励起光の強度が調整されると共に、レーザファイバ４０から出力される基本波の強度が調整され、安定した出力光を得ることができた。

また、上述した以外の従来の光源としては、例えば、特許文献１には、基本波の波長を固定することで、安定した出力光を得ることができる波長変換装置が提案されている。図１１に、特許文献１に記載の従来の波長変換装置の概略構成を示す。図１１において、レーザ媒質５１の片端面には反射膜が形成され、出射側面には反射防止膜が形成されている。レーザ媒質５１から出力された基本波は、レンズ５６により波長変換素子５３内に集光され、その一部が波長変換されて高調波として出力される。波長変換素子５３から出力された基本波と高調波とは、レンズ５７により波長選択ミラー５５の表面に集光される。波長選択ミラー５５は、基本波を反射し、高調波を透過する。波長選択ミラー５５により選択的に反射された基本波は、逆の経路を経由してレーザ媒質５１に帰還する。これによって、レーザ媒質５１の発振波長を、帰還光の波長に固定することができる。すなわち、従来の波長変換装置は、レーザ媒質５１の発振波長を波長変換素子５３の位相整合波長に自動的に固定できるため、安定した出力光を得ることができた。
特開２００６−１９６０３号公報

しかしながら、図１０及び図１１に示した従来の波長変換装置は、比較的低出力な高調波レーザを安定して得ることは可能であったが、Ｗ級の高出力な高調波レーザを得ることが難しいという課題があった。

また、図１０及び図１１に示した従来の波長変換装置では、波長変換素子４１、５３として分極反転構造を設けたＬｉＮｂＯ₃やＬｉＴａＯ₃を用いた場合、波長変換素子４１、５３が大きな非線形光学定数を持つことから、第二高調波の発生と共に第三高調波が発生し、この第三高調波が引き金となり第二高調波を吸収するという現象が発生することがあった。そのため、ある一定のパワー密度の基本波と第二高調波とが混在している場合、波長変換素子４１、５３の出射端面付近で素子温度が上昇し、位相整合条件が崩れ（Ｔｈｅｒｍａｌｄｅｐｈａｓｉｎｇが発生し）、発光効率が下がるという課題があった。

それ故に、本発明の目的は、上記従来の課題を解決するものであり、高出力な高調波レーザを安定して得ることができる波長変換装置、及びそれを用いた二次元画像表示装置を提供することである。

本発明は、波長変換装置に向けられている。そして、上記目的を達成するために、本発明の波長変換装置は、レーザ活性物質を含み、片側端部に反射面を設け、反射面近傍にファイバグレーティングを配置したエンドポンプ型のレーザファイバと、励起レーザを出力する励起光源と、励起光源から出力された励起レーザを、反射面側とは逆側の端面からレーザファイバに取り込む励起レーザ取り込み部と、レーザファイバから発生した基本波を高調波に変換する波長変換素子と、レーザファイバの外部に配置され、ファイバグレーティングとレーザ共振器を構成する後ろ側反射面とを備える。波長変換素子は、ファイバグレーティングと後ろ側反射面との間に配置される。

これによって、波長変換装置は、往路、復路両方の基本波を高調波の発生に寄与させることができる。また、往路、復路両方からそれぞれ高調波を取り出すことができるので、往路方向から取り出すのみではＴｈｅｒｍａｌｄｅｐｈａｓｉｎｇが発生していた光量を、Ｔｈｅｒｍａｌｄｅｐｈａｓｉｎｇを発生させずに往路、復路両方からトータルで取り出すことが可能になる。

好ましくは、後ろ側反射面は、レーザファイバから発生した基本波を反射し、かつ波長変換素子から発生した高調波を透過する波長選択機能を設け、レーザファイバ端部の反射面は、励起レーザと高調波との両方を反射する。これによって、波長変換装置は、さらに効率良く高調波を取り出すことが出来る。

波長変換装置は、レーザファイバの出射端部と、波長変換素子との間に高調波取り出し部をさらに備え、高調波取り出し部は、後ろ側反射面で反射した基本波から当該基本波によって発生した高調波を取り出す。これによって、波長変換装置は、復路の基本波で発生した高調波をレーザファイバに戻さずとも取り出すことが可能となる。

高調波取り出し部は、波長変換素子のレーザファイバ側端面に設けられた高調波反射用のコーティングであってもよいし、励起レーザ取り込み部に設けられた高調波反射用のコーティングであってもよい。

後ろ側反射面は、ダイクロイックミラーであり、光軸方向をＺ軸方向とした場合に、Ｘ軸、Ｙ軸周りに回転調整可能とする。あるいは、後ろ側反射面は、波長変換素子から発生した高調波を集光するファイバの入射端面に設けられたコーティングであり、光軸方向をＺ軸方向とした場合に、ファイバの入射端面をＸ軸、Ｙ軸まわりに回転調整可能としてもよい。これによって、波長変換素子は、後ろ側反射面を簡便に調整することが可能となる。

レーザファイバの出射側端面は、レーザファイバから出射する基本波の伝播方向が、レーザファイバの出射側端面の垂直方向に対してブリュースター角を形成するようにカットされていることが望ましい。これによって、波長変換装置は、レーザファイバから出射する基本波として単一偏光を得ることができる。この場合、レーザファイバとして、偏波保持機能を持たないシングルモードファイバを用いることができ、安価に波長変換装置を構成することができる。

また、本発明は、二次元画像表示装置にも向けられている。二次元画像表示装置は、スクリーンと複数のレーザ光源とを備え、レーザ光源は、少なくとも赤色、緑色、青色をそれぞれ出射する光源であり、レーザ光源の内、少なくとも緑色の光源には、上述した波長変換装置のいずれかが用いられる。

これによって、二次元画像表示装置は、緑色の光源を高効率化し、高輝度な画像を得ることができる。また、高効率化の効果として、例えば、レーザファイバを短尺化させ、コストダウンに反映させることも可能であるし、励起光源の光量を下げることにより、消費電力の低減に繋げることも可能になる。

以上のように、本発明に係る波長変換装置によれば、ファイバグレーティングと後ろ側反射面とで構成されるレーザ共振器の中に波長変換素子を配置することで、往路、復路両方の基本波を高調波の発生に寄与させることができる。また、往路、復路両方からそれぞれ高調波を取り出すことができるので、往路方向から取り出すのみではＴｈｅｒｍａｌｄｅｐｈａｓｉｎｇが発生していた光量を、Ｔｈｅｒｍａｌｄｅｐｈａｓｉｎｇを発生させずに往路、復路両方からトータルで取り出すことが可能になる。これによって、波長変換素子は、高出力な高調波を安定して得ることができる。

本発明のこれらおよび他の目的、特徴、局面、効果は、添付図面と照合して、以下の詳細な説明から一層明らかになるであろう。

以下、本発明の各実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る波長変換装置の構成例を示すブロック図である。図１において、波長変換装置は、励起光源１、エンドポンプ型レーザファイバ３（以下、単にレーザファイバ３と記す）、励起レーザ取り込み部４、波長変換素子５、後ろ側反射面６、集光レンズ１１、集光レンズ１２、及びコリメータレンズ１３を備える。また、レーザファイバ３は、レーザ活性物質を含み、基本波９を反射させるファイバグレーティング２と、励起レーザ８を反射させるファイバ端部の反射面７とから構成されている。

励起光源１から発した励起レーザ８は、励起レーザ取り込み部４にて反射されコリメータレンズ１３を経由してレーザファイバ３に導光される。励起レーザ取り込み部４は、励起光源１とレーザファイバ３との間に配置され、励起レーザ８をレーザファイバ３に導光する役割をする。レーザファイバ３に導光された励起レーザ８は、レーザファイバ３の中をレーザ活性物質に吸収されながら伝播し、ファイバグレーティング２を通過した後、ファイバ端部の反射面７で反射されてレーザファイバ３の中を折り返してレーザ活性物質に吸収されながら伝播する。そして、励起レーザ８は、一往復してレーザファイバ３から出るまでにほぼレーザ活性物質に吸収されて消失する。

この間に発生した基本波の種光は、ファイバグレーティング２と後ろ側反射面６とで構成されたレーザ共振器の間を往復しながら励起レーザ８により増幅され、高出力の基本波としてレーザ発振に至る。このレーザ共振器構造において、共振器の片側をファイバグレーティング２とすることで、任意の反射中心波長を選択すると共に、任意の発振中心波長を選択することが可能になる。さらには、０．０５−０．２ｎｍの狭帯域の基本波を発生することも可能になる。仮にこのファイバグレーティング２を誘電体多層膜等の反射ミラーで構成しただけでは、このレベルの帯域の基本波を発生することは困難であり、また発振しやすい高ゲインの波長で発振するため、任意の波長で発振させることが困難である。波長変換素子５は、ファイバグレーティング２と後ろ側反射面６とで構成された共振器内部に配置される。

次に、波長変換素子５の機能に関して説明する。上記の様にレーザファイバ３から出射された基本波９（すなわち、往路の基本波）は、コリメータレンズ１３により平行光になった後、集光レンズ１１で集光されて波長変換素子５に入射し、波長変換素子５の非線形光学効果により、一部の基本波９が変換され、波長が基本波９の１／２の高調波１０になって出力される。波長変換素子５から出力された高調波１０は、集光レンズ１２により略平行光となり、後ろ側反射面６を透過して外部に取り出される。外部に取り出された高調波１０は、高調波レーザとして波長変換装置から出力される。この際、波長変換に用いられずに波長変換素子５を透過した基本波９も、集光レンズ１２でやはり略平行光に変換され、後ろ側反射面６にて逆向きに反射される。

後ろ側反射面６で反射された基本波９（すなわち、復路の基本波）は、レーザファイバ３から出射したルートと全く同じルートを逆行し、集光レンズ１２を透過した後、波長変換素子５に入射し、高調波の発生に寄与する。ここでも、波長変換素子５を透過した基本波９は、やはり往路と全く同じルートを逆行し、集光レンズ１１、励起レーザ取り込み部４、及びコリメータレンズ１３を経由してレーザファイバ３に戻ることになり、基本波のレーザ発振に寄与する。通常ＹＡＧレーザ等の固体レーザでは、レーザ共振器を構成するレーザ媒質端に設けられる反射面の反射率は１００％に近い特性を求められるが、レーザファイバでは、ファイバ出射端においては２０％程度の低い光量でも戻れば、安定したレーザ発振を得ることが出来る。そのため、本発明のようにレーザ共振器内部に波長変換素子５を設ける構成を取ることが可能になる。

波長変換素子５としては、周期状の分極反転構造を有する非線形光学結晶からなるＳＨＧ素子が好ましい。分極反転構造を有するＳＨＧ素子としては、ＫＴｉＯＰＯ₄、ＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃またはＭｇをドープしたＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃またはストイキオＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃等がある。これらの結晶は、高い非線形定数を有するため高効率な波長変換が可能である。また周期構造を変えることで、位相整合条件を自由に設計できるという利点がある。

後ろ側反射面６で反射して戻る基本波９によって波長変換素子５内で発生した高調波１０は、やはり集光レンズ１１により平行光にされた後、励起レーザ取り込み部４を経由してコリメータレンズ１３で集光され、レーザファイバ３に入射する。レーザファイバ３は、例えば上述のＹｂドープのファイバであれば、励起レーザ波長９１５ｎｍで吸収を持つが、約５３０ｎｍの高調波に対してはほぼ透明であるため、高調波１０がそのままレーザファイバ３内を伝播する。本構成において、高調波１０は、ファイバグレーティング２を通過した後、励起光反射用のファイバ端部の反射面７があるため、このファイバ端部の反射面７で折り返されることになる。レーザファイバ３内を一往復した高調波１０は、レーザファイバ３から出射し、コリメータレンズ１３で平行光になった後、励起レーザ取り込み部４を通過し、集光レンズ１１、波長変換素子５、集光レンズ１２、及び後ろ側反射面６を経由して、先に述べた往路で発生した高調波１０と同じく外部に取り出すことが可能になる。

本実施形態においては、励起レーザ取り込み部４、及び後ろ側反射面６をダイクロイックミラーで構成することが考えられる。この場合、励起レーザ取り込み部４には、励起レーザ８を反射し、基本波９を透過する特性を持たせ、後ろ側反射面６には、基本波９を反射し、高調波１０を透過するような特性を持たせることが望ましい。通常は、誘電体多層膜コートにてこのような特性を持たせることが出来る。また、ファイバ端部の反射面７は、励起レーザ８、及び高調波１０をともに反射させる特性を持たせることが望ましい。

なお、波長変換装置は、後ろ側反射面６で反射して戻る基本波９によって波長変換素子５内で発生した高調波１０の取り出しに関して、上述したようにレーザファイバ３に戻すことで取り出すことが可能であったが、図２に示すように、レーザファイバ３と波長変換素子５との間に挿入した高調波取り出し部１４から取り出すことも可能である。この場合、高調波取り出し部１４に基本波９を透過し、高調波１０を反射するような特性を持たせることで、反射した高調波１０を取り出すことが可能になる。すなわち、高調波取り出し部１４で反射した高調波１０は、集光レンズ１１、波長変換素子５、集光レンズ１２、及び後ろ側反射面６を通過して、外部に取り出される。

また、波長変換装置は、特別に高調波取り出し部１４として部材を追加しなくても、図３に示すように、励起レーザ取り込み部４に、高調波取り出し用のコーティング１５を施すことで、励起レーザ取り込み部４にて高調波１０を取り出すことも可能である。なお、図３に示す例では、波長変換装置は、後ろ側反射面６及び励起レーザ取り込み部４の両方から高調波１０を取り出すことが可能である。

また、波長変換装置は、図４に示すように、波長変換素子５のレーザファイバ側端面に、基本波９を透過し、高調波１０を反射するコーティング１６を追加しておくことでも、高調波１０を取り出すことが可能になる。

また、波長変換装置は、後ろ側反射面６で反射された基本波９をレーザファイバ３に戻すことに関して、集光レンズ１２にて往路の基本波を平行光にするか、もしくは後ろ側反射面６上にレーザファイバ３からの出射端に対する共役点が形成されるようにしておく必要がある。ただし、集光レンズ１２にて同時に高調波１０も集光されることから、後ろ側反射面６をダイクロイックミラーで構成する場合は、基本波９が平行光になるように集光レンズ１２の位置を調整しておくことが使用上簡便であり望ましい。

また、波長変換装置は、上述したように後ろ側反射面６をダイクロイックミラーで構成しても良いが、図５Ａに示すように、後ろ側反射面６を設けずに、高調波１０をファイバ１７で集光する構成であってもよい。この場合、ファイバ１７の入射側端面に、基本波９を反射して高調波１０を透過するコーティング１８を施しておけば良い。また、この構成においては、ファイバ１７の入射端面に高調波１０が集光されるように、集光レンズ１２を配置しておくことが望ましい。どちらにしても、ファイバ１７の入射端面で反射された基本波９は、往路と同じ光路を全く逆向きに戻る配置とする。また、波長変換装置は、図５Ｂに示すように、後ろ側反射面６とファイバ１７との間にもうひとつ集光レンズ１２ａを配置し、ファイバ１７の入射端面に高調波１０を集光する構成を取っても良い。この場合、図５Ａに示すようなファイバ１７の入射側端面のコーティング１８は不要になる。

さらに、波長変換装置は、後ろ側反射面６で反射された基本波９をレーザファイバ３に効率良く戻す為には、レーザファイバ３から出射された基本波９の往路に対してなるべく同じ光路を逆向きに伝播させる必要がある。このため、後ろ側反射面６の取り付け角度を、Ｘ軸、Ｙ軸（ただし、光軸方向がＺ軸である）周りに回転調整できるようにしておくとさらに良い。図５Ａにおいても、ファイバ１７の取り付け位置を同じくＸ軸、Ｙ軸周りに回転調整出来る様にしておけば良い。

図６Ａに示す波長変換装置は、図１と同じ構成要素でありながら、励起光源１からの励起レーザ８を、レーザファイバ３に対して折り曲げずに、励起レーザ取り込み部１９を透過させて入射させている。一方で、基本波９を励起レーザ取り込み部１９で折り曲げ、波長変換素子５に導く構成を取っている。この構成を実施するために、励起レーザ取り込み部１９には、励起レーザ８を透過し、基本波９を反射するコーティングを施してある。この構成を取ることで、基本波９、及び高調波１０をレーザファイバ３に戻す際の光路調整の自由度が増すことになる。励起レーザ取り込み部１９、及び後ろ側反射面６の調整方向は、それぞれ光軸をＺ軸とした時に、Ｘ軸、Ｙ軸まわりに回転調整可能であることが望ましい。また、励起光源１の位置を調整することで、励起レーザ８をレーザファイバ３に効率良く入射させることが可能となる。

また、図６Ａでは、後ろ側反射面６としてダイクロイックミラーを使用する例を挙げているが、図６Ｂに示すように、高調波１０をファイバ１７に集光する構成を取り、ファイバ１７の入射端面に基本波９を反射し、高調波１０を透過するコーティング１８を設けても良い。また、この構成において、励起レーザ取り込み部１９のコーティングに、さらに高調波１０の波長を反射する特性を持たせることにより、高調波出力の効率を高めることが可能になる。

なお、上述した通り、従来の波長変換装置には、波長変換素子として分極反転構造を設けたＬｉＮｂＯ₃やＬｉＴａＯ₃を用いた場合、波長変換素子が大きな非線形光学定数を持つことから、第二高調波の発生と共に第三高調波が発生し、この第三高調波が引き金となり第二高調波を吸収するという現象が発生することがあった。そのため、ある一定のパワー密度の基本波と第二高調波とが混在している場合、波長変換素子の出射端面付近で素子温度が上昇し、位相整合条件が崩れ（Ｔｈｅｒｍａｌｄｅｐｈａｓｉｎｇが発生し）、発光効率が下がるという課題があった。しかし、本発明の波長変換装置は、上述したように往路、復路両方から第二高調波を取り出すことができるので、従来往路方向から取り出すのみではＴｈｅｒｍａｌｄｅｐｈａｓｉｎｇが発生していた光量を、Ｔｈｅｒｍａｌｄｅｐｈａｓｉｎｇを発生させずに往路、復路両方からトータルで取り出すことが可能になり、結果的に往路、復路トータルで得られる高調波レーザの光量を高出力化することが可能になる。

具体的には、例えば、従来往路方向からのみ約２．８Ｗの出力光の取り出しが可能であった波長変換装置が、本発明の構成を取ることにより、Ｔｈｅｒｍａｌｄｅｐｈａｓｉｎｇを発生させずに、往路方向から約２．２Ｗ程度、復路方向から約１．２Ｗ程度の出力光を得ることが可能になり、トータルで約３．４Ｗ程度の出力光を得ることができる。また、高出力化の効果として、発光量が上がった分を例えばレーザファイバ３を短尺化させコストダウンに反映させることも可能であるし、励起光源１の光量を下げることにより消費電力の低減に繋げることも可能になる。

次に、レーザファイバ３から出射される基本波９として、単一偏光を得る手段に関して説明する。図７に、レーザファイバ３の端面２０と波長変換素子５の角度との関係を示す。一般にＬｉＮｂＯ₃のような波長変換素子５では、効率良く波長変換が行える結晶軸と、入射される基本波の電界方向との関係が決まっている。例えば、波長変換素子５にＬｉＮｂＯ₃を用いた場合、高調波１０の出力効率を上げるためには、レーザファイバ３から出射される基本波９がなるべく単一偏光に近く、かつその偏光方向（電界の振幅方向）とＺ軸が同じであることが望ましい。

レーザファイバ３から出射される基本波９を単一偏光に近づける方法としては、レーザファイバ３から出射する基本波９の角度θｏｕｔを規定しておくことが考えられる。具体的には、レーザファイバ３の端面２０の垂直方向に対して、基本波９の出射角度θｏｕｔがブリュースター角近傍になるように、レーザファイバ３の端面２０をカットしておく。図８に、レーザファイバ３の端面２０での基本波９のＳ偏光、Ｐ偏光の透過率角度依存性を示す。この構成において、レーザファイバ３からの基本波９の出射角度θｏｕｔを５５°近傍に設けると、基本波９のＰ偏光成分はほぼ１００％が透過してレーザファイバ３から出射されるのに対し、Ｓ偏光成分は８７％程度しかレーザファイバ３から出射されないことになる。さらに、基本波９が、例えば後ろ側反射面６にて反射されてレーザファイバ３に戻り、再度レーザファイバ３の端面２０を透過すると、Ｓ偏光の割合は７５％程度に下がる。このようにして、レーザファイバ３の出射端面を所定の角度にカットしておくだけで、Ｐ偏光成分をＳ偏光成分と比較して、ある割合で多く出力することが出来る。

なお、ここでは、レーザファイバ３の端面２０をブリュースター角近傍になるようにカットすることで、偏光を制御しているが、もちろん基本波９が入出射する波長変換素子５の端面をブリュースター角近傍になるようにカットすることでも、同様の効果を得ることが出来るし、複数の面をブリュースター角近傍にカットしておくことで、Ｓ偏光成分に対するＰ偏光成分の割合を増やすことも可能になる。

この時、レーザファイバ３には、例えば、高出力の励起レーザ８を伝播させることが可能なダブルクラッドの偏波保持ファイバを使うことが考えられている。しかし、偏波保持ファイバは、偏波保持機能を持たないシングルモードファイバ（以下、単にシングルモードファイバと記す）と比較して高価であり、伝播効率が低いという欠点がある。ここで、偏波保持ファイバの伝播効率が低い理由について説明する。ファイバの伝播効率はファイバ自身の構造に依存しており、例えば、ＰＡＮＤＡファイバのような偏波保持ファイバでは、伝送方向に対しコアの両側に応力付与部を設けることで、光弾性効果によりコアに複屈折が誘起され、コア内を伝播する基本波の偏波を保持している。しかし、この応力付与部は基本波が伝播する領域に対して、発振した基本波の散乱源としてわずかに作用し、基本波の伝送損失が発生することになる。そのため、偏波保持ファイバの伝播効率は、シングルモードファイバと比べて低下する。

実際、レーザファイバ３にシングルモードファイバと同じ長さの偏波保持ファイバを用いると、その伝播効率から、同じ構成で得られる出力は低くなり、発振に至らないこともある。例えば、１０６４ｎｍで発振するレーザの場合、通常のシングルモードファイバを使用したときの最適長が３０ｍであるのに対し、偏波保持シングルモードファイバを使用したときの最適長は１８〜２０ｍと短くなる上、励起光から発振光への変換効率も１０〜１５％程度低下することが実験により確認されている。しかし上述した通り、レーザファイバ３の端面２０をブリュースター角にカットして偏光の向きを制御しておくことで、安価で伝播効率の良いシングルモードファイバを使用しても、基本波を高効率化することが可能となり、最終的に高調波を高効率化できる。

こうして主にＰ偏光成分を含んだ基本波の電界Ｐ変更成分Ｅｐを、例えばＬｉＮｂＯ₃結晶やＬｉＴａＯ₃であれはＺ軸方向と同じ方向に配置することにより、基本波を効率良く高調波に変換することが可能になる。また、ＫＴｉＯＰ₄であれば、結晶軸のＺ軸に対して９０°、さらにＸ軸に対して２３．５°傾けた方向からビームを入射し、ＸＹ平面に対して４５°の向きに電界Ｅｐを向けることで、同様に基本波を効率良く高調波に変換することが可能になる。なお、入射角θｏｕｔの範囲としては、ブリュースター角の±１０°以下が望ましく、さらには±５°以下に設計するのが良い。

以上のように、本発明の第１の実施形態に係る波長変換装置は、ファイバグレーティング２と後ろ側反射面６とで構成されるレーザ共振器の中に波長変換素子５を配置することで、往路と復路の両方の基本波を高調波の発生に寄与させることができ、波長変換の高効率化を達成することが可能となる。また、往路、復路両方から高調波を取り出すことができるので、往路方向から取り出すのみではＴｈｅｒｍａｌｄｅｐｈａｓｉｎｇが発生していた光量を、Ｔｈｅｒｍａｌｄｅｐｈａｓｉｎｇを発生させずに往路、復路両方からトータルで取り出すことが可能になる。これによって、波長変換素子は、高出力な高調波を安定して得ることができる。

（第２の実施形態）
図９は、本発明の第２の実施形態に係る二次元画像表示装置（レーザディスプレイ）の概略構成の一例を示すブロック図である。図９において、光源には、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の三色のレーザ光源２１ａ、２１ｂ、２１ｃを用いた。Ｒ光源２１ａには、波長６３８ｎｍのＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系半導体レーザを、Ｂ光源２１ｃには、波長４６５ｎｍのＧａＮ系半導体レーザを用いている。Ｇ光源２１ｂには、第１の実施形態に係る波長変換装置を用いている。Ｒ、Ｇ、Ｂ各光源２１ａ、２１ｂ、２１ｃから出射されたレーザビームは、集光レンズ２２ａ、２２ｂ、２２ｃにより集光した後、二次元ビーム走査手段２３ａ、２３ｂ、２３ｃにより、拡散板２５ａ、２５ｂ、２５ｃ上を走査する。

画像データは、Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれのデータに分割されており、分割された画像データに関する信号をフィールドレンズ２６ａ、２６ｂ、２６ｃで絞って空間光変調素子２７ａ、２７ｂ、２７ｃに入力した後、ダイクロイックプリズム２８で合波することにより、カラー画像を形成する。カラー画像に関するビームは、投射レンズ２９、３０を通過してスクリーン３１に投射される。ただし、Ｇ光源２１ｂから空間光変調素子２７ｂに入射する光路中には、空間光変調素子２７ｂでのＧ光のスポットサイズをＲ光やＢ光と同じにするために、凹レンズ２４を挿入している。

このように、本発明の第２の実施形態に係る二次元画像表示装置は、Ｒ、Ｇ、Ｂ光源にレーザ光源を用いることで、高輝度かつ薄型に構成することができる。また、Ｇ光源に、第１の実施形態に係る波長変換装置を用いることで、Ｇ光出力を高効率化し、高輝度な画像を得ることができる。また、高効率化の効果として、例えば、レーザファイバを短尺化させ、コストダウンに反映させることも可能であるし、励起光源の光量を下げることにより、消費電力の低減に繋げることも可能になる。なお、本発明の第２の実施形態に係る二次元画像表示装置は、上述したようなレーザディスプレイの他に、スクリーンの背後から投影する形態（リアプロジェクションディスプレイ）を取ることも可能である。

以上、本発明を詳細に説明してきたが、前述の説明はあらゆる点において本発明の例示にすぎず、その範囲を限定しようとするものではない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。

本発明に係る波長変換装置は、高出力の可視光源等として使用することがで、ディスプレイ分野等への応用が可能である。

本発明の第１の実施形態に係る波長変換装置の構成例を示すブロック図本発明の第１の実施形態に係る波長変換装置の他の構成の一例を示すブロック図本発明の第１の実施形態に係る波長変換装置の他の構成の一例を示すブロック図本発明の第１の実施形態に係る波長変換装置の他の構成の一例を示すブロック図本発明の第１の実施形態に係る波長変換装置の他の構成の一例を示すブロック図本発明の第１の実施形態に係る波長変換装置の他の構成の一例を示すブロック図本発明の第１の実施形態に係る波長変換装置の他の構成の一例を示すブロック図本発明の第１の実施形態に係る波長変換装置の他の構成の一例を示すブロック図レーザファイバ３の端面２０と波長変換素子５との角度の関係を示す図レーザファイバ３の端面２０での基本波９のＳ偏光、Ｐ偏光の透過率角度依存性を示す図本発明の第２の実施形態に係る二次元画像表示装置の概略構成の一例を示すブロック図従来の波長変換装置の概略構成を示すブロック図従来の波長変換装置の概略構成を示すブロック図

符号の説明

１励起光源
２ファイバグレーティング
３レーザファイバ
４励起レーザ取り込み手段
５波長変換素子
６後ろ側反射面
７反射面
８励起レーザ
９基本波
１０高調波
１１集光レンズ
１２集光レンズ
１３コリメータレンズ
１４高調波取出し手段
１５コーティング
１６コーティング
１７ファイバ
１８コーティング
１９励起レーザ取り込み手段
２０レーザファイバの端面
２１ａレーザ光源（Ｒ光源）
２１ｂレーザ光源（Ｇ光源）
２１ｃレーザ光源（Ｂ光源）
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ集光レンズ
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ走査手段
２４凹面レンズ
２５ａ，２５ｂ，２５ｃ拡散板
２６ａ，２６ｂ，２６ｃフィールドレンズ
２７ａ，２７ｂ，２７ｃ空間光変調素子
２８ダイクロイックプリズム
２９投射レンズ１
３０投射レンズ２
３１スクリーン

Claims

波長変換装置であって、
レーザ活性物質を含み、片側端部に反射面を設け、前記反射面近傍にファイバグレーティングを配置したエンドポンプ型のレーザファイバと、
励起レーザを出力する励起光源と、
前記励起光源から出力された励起レーザを、前記反射面側とは逆側の端面から前記レーザファイバに取り込む励起レーザ取り込み部と、
前記レーザファイバから発生した基本波を高調波に変換する波長変換素子と、
前記レーザファイバの外部に配置され、前記ファイバグレーティングとレーザ共振器を構成する後ろ側反射面とを備え、
前記波長変換素子は、前記ファイバグレーティングと前記後ろ側反射面との間に配置され、
前記後ろ側反射面は、前記波長変換素子を透過した基本波を反射し、かつ前記波長変換素子で変換された高調波を出力する波長選択機能を有し、
前記後ろ側反射面で反射した基本波は、前記波長変換素子で高調波に変換され、
前記波長変換素子で変換された高調波は、前記レーザファイバ端部の反射面により反射され、前記後ろ側反射面から出力され、
前記後ろ側反射面は、ダイクロイックミラーであり、光軸方向をＺ軸方向とした場合に、Ｘ軸、Ｙ軸周りに回転調整可能とする、波長変換装置。
波長変換装置であって、
レーザ活性物質を含み、片側端部に反射面を設け、前記反射面近傍にファイバグレーティングを配置したエンドポンプ型のレーザファイバと、
励起レーザを出力する励起光源と、
前記励起光源から出力された励起レーザを、前記反射面側とは逆側の端面から前記レーザファイバに取り込む励起レーザ取り込み部と、
前記レーザファイバから発生した基本波を高調波に変換する波長変換素子と、
前記レーザファイバの外部に配置され、前記ファイバグレーティングとレーザ共振器を構成する後ろ側反射面とを備え、
前記波長変換素子は、前記ファイバグレーティングと前記後ろ側反射面との間に配置され、
前記後ろ側反射面は、前記波長変換素子を透過した基本波を反射し、かつ前記波長変換素子で変換された高調波を出力する波長選択機能を有し、
前記後ろ側反射面で反射した基本波は、前記波長変換素子で高調波に変換され、
前記波長変換素子で変換された高調波は、前記レーザファイバ端部の反射面により反射され、前記後ろ側反射面から出力され、
前記後ろ側反射面は、前記波長変換素子から発生した高調波を集光するファイバの入射端面に設けられたコーティングであり、光軸方向をＺ軸方向とした場合に、前記ファイバの入射端面を、Ｘ軸、Ｙ軸まわりに回転調整可能とする、波長変換装置。
前記レーザファイバ端部の反射面は、前記励起レーザと前記高調波との両方を反射することを特徴とする、請求項１又は２に記載の波長変換装置。
前記レーザファイバの出射端部と、前記波長変換素子との間に高調波取り出し部をさらに備え、
前記高調波取り出し部は、前記後ろ側反射面で反射した基本波から当該基本波によって発生した高調波を取り出すことを特徴とする、請求項１又は２に記載の波長変換装置。
前記高調波取り出し部は、前記波長変換素子の前記レーザファイバ側端面に設けられた高調波反射用のコーティングであることを特徴とする、請求項４に記載の波長変換装置。
前記高調波取り出し部は、前記励起レーザ取り込み部に設けられた高調波反射用のコーティングであることを特徴とする、請求項４に記載の波長変換装置。
前記レーザファイバの出射側端面は、前記レーザファイバから出射する基本波の伝播方向が、前記レーザファイバの出射側端面の垂直方向に対してブリュースター角を形成するようにカットされていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の波長変換装置。
前記レーザファイバは、偏波保持機能を持たないシングルモードファイバであることを特徴とする、請求項７に記載の波長変換装置。
二次元画像表示装置であって、
スクリーンと複数のレーザ光源とを備え、
前記レーザ光源は、少なくとも赤色、緑色、青色をそれぞれ出射する光源であり、
前記レーザ光源の内、少なくとも緑色の光源には、請求項１から請求項８のいずれかに記載の波長変換装置が用いられることを特徴とする、二次元画像表示装置。